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GCRI · Systemwissenschaft und Modellierung

Modellierung gekoppelter Systeme

Water, energy, food, health, the economy and infrastructure depend on each other, so models of one system miss effects that arrive through the others. Coupled modelling links models so that drought can reduce hydropower, raise food prices and strain health services in one simulation. This page sets out how coupled models are built, where coupling introduces error, and what evidence serves the institutions that use integrated assessments.

01Registrieren

Coupled systems modelling on the record.

02Die Frage

Coupled systems modelling: how the risk develops.

Linking water, energy, food, health and infrastructure models without hiding assumptions. The dossier below sets out how the risk develops, what is measured, where the data come from, how it is modelled and who decides.

Mechanismus

Feedbacks cross boundaries

Effects travel between Systeme and sometimes return, as when water scarcity raises energy demand for pumping, which raises water demand for cooling.

Mechanismus

Scales and units must match

Coupled models must reconcile different time steps, spatial resolutions and units. Mismatches create artefacts that look like results.

Mechanismus

Interfaces carry assumptions

What passes between models, and how often, is a modelling choice. Loose coupling is simpler; tight coupling captures feedback but is harder to test.

Mechanismus

Uncertainty compounds

Uncertainty in each component propagates through the chain, so coupled results can be more uncertain than any single model.

03Geografie

Gefahren und Exposition in Nordamerika.

Bevölkerungsdichte, Hochwasser und nächtliche Lichter über Nordamerika, aus NASA GIBS. Jede Ebene trägt ihr eigenes Datum.

Die interaktive Karte benötigt JavaScript; die Ebenenliste und die Quellen finden Sie unten.

Ebenen 3

Gefahren und Exposition für diese Seite

Über diese Ebene
Evidenz
Geschätzt
Quelle
Gridded Population of the World v4.11 (NASA SEDAC (CIESIN, Columbia University))
Anbieter
NASA SEDAC (CIESIN, Columbia University)
Lizenz
CC BY 4.0
Jahrgang
null; Zensusbasierte Schätzung, statisch (2020)
Auflösung
Raster von etwa 1 km
Unsicherheit
Auf Volkszählungen beruhende Schätzung der Einwohner je Quadratkilometer im Jahr 2020, dargestellt als Expositionskontext; keine Zählung der von einer Gefahr betroffenen Menschen.
Erreichbar über
gibs.earthdata.nasa.gov, erst nachdem Sie die Live-Karte zugelassen haben
Über diese Ebene
Evidenz
Beobachtet (Wolken hinterlassen Lücken)
Quelle
VIIRS Global Flood Product (NASA LANCE)
Anbieter
NASA LANCE
Lizenz
Offene Daten der NASA
Jahrgang
täglich; Satellitenerkennung; Wolken hinterlassen Lücken
Neueste beim Build
2026-10-14
Auflösung
Raster von etwa 250 m
Unsicherheit
Satellitenerkennung; Wolken hinterlassen Lücken. Satelliten- oder Modellraster, wie der Anbieter es veröffentlicht. Wolken, Streifenlücken und Ableitungsfehler hinterlassen Lücken und Rauschen; die Werte sind Indikatoren, keine Messungen an einem Ort.
Erreichbar über
gibs.earthdata.nasa.gov, erst nachdem Sie die Live-Karte zugelassen haben
Über diese Ebene
Evidenz
Beobachtet
Quelle
VIIRS Black Marble (VNP46A2) (NASA LAADS DAAC)
Anbieter
NASA LAADS DAAC
Lizenz
Offene Daten der NASA
Jahrgang
täglich; Satellitenstrahldichte, korrigiert um Mondlicht und Atmosphäre
Neueste beim Build
2026-10-12
Auflösung
Raster von etwa 500 m
Unsicherheit
Nächtliche Strahldichte aus Satellitendaten für das angezeigte Datum; Lichter sind ein Näherungswert für Stromverbrauch und Ausfälle, keine Messung von Versorgung oder Zugang.
Erreichbar über
gibs.earthdata.nasa.gov, erst nachdem Sie die Live-Karte zugelassen haben
Über diese Ebene
Evidenz
Beobachtet
Quelle
VIIRS NOAA-20, korrigierte Reflexion (NASA LANCE)
Anbieter
NASA LANCE
Lizenz
Offene Daten der NASA
Jahrgang
täglich; Satellitenbild
Neueste beim Build
2026-10-14
Auflösung
Raster von etwa 250 m
Unsicherheit
Satellitenbild. Satelliten- oder Modellraster, wie der Anbieter es veröffentlicht. Wolken, Streifenlücken und Ableitungsfehler hinterlassen Lücken und Rauschen; die Werte sind Indikatoren, keine Messungen an einem Ort.
Erreichbar über
gibs.earthdata.nasa.gov, erst nachdem Sie die Live-Karte zugelassen haben
Über diese Ebene
Evidenz
Modelliert (jüngstes Jahr, das GIBS veröffentlicht)
Quelle
MODIS Terra und Aqua, Landbedeckung (MCD12Q1) (NASA LP DAAC)
Anbieter
NASA LP DAAC
Lizenz
Offene Daten der NASA
Jahrgang
jährlich; Satellitenklassifikation; jüngstes Jahr, das GIBS veröffentlicht
Neueste beim Build
2024-01-01
Auflösung
Raster von etwa 500 m
Unsicherheit
Satellitengestützte Landbedeckungsklassen für das angezeigte Jahr, einschließlich Ackerland; eine Klassifikation mit bekannten Fehlern, kein Betriebsregister.
Erreichbar über
gibs.earthdata.nasa.gov, erst nachdem Sie die Live-Karte zugelassen haben
Über diese Ebene
Evidenz
Beobachtet (Wolken und der Überflugzeitpunkt hinterlassen Lücken)
Quelle
VIIRS NOAA-20 375 m (FIRMS) (NASA LANCE FIRMS)
Anbieter
NASA LANCE FIRMS
Lizenz
Offene Daten der NASA
Jahrgang
täglich; Satellitenerkennung; Wolken und der Überflugzeitpunkt hinterlassen Lücken
Neueste beim Build
2026-10-13
Auflösung
Raster von etwa 500 m
Unsicherheit
Satellitenerkennungen von Hotspots für den angezeigten Tag, einschließlich Gasfackeln und industrieller Wärme; kein bestätigter Brand, kein Vorfallbericht und keine Warnung.
Erreichbar über
gibs.earthdata.nasa.gov, erst nachdem Sie die Live-Karte zugelassen haben

Zuletzt verfügbar

NASA GIBS / EOSDIS · ASTER GDEM (METI, NASA) · Blue Marble (NASA) · © OpenStreetMap-Mitwirkende (ODbL) · Natural Earth

Die neuesten NASA-Bilder werden geladen.

Zum Verschieben ziehen. Zum Zoomen Strg oder ⌘ gedrückt halten und scrollen, die Zwei-Finger-Geste oder die Schaltflächen verwenden; für die Werte unter dem Zeiger darüberfahren; Zurücksetzen kehrt zur Region zurück.

Gefahren und Exposition, gerahmt auf Nordamerika.Satelliten- und Modellprodukte, wie die NASA sie veröffentlicht, jeweils mit eigenem Datum. Sie sind Indikatoren, keine Bewertungen eines Ortes.

Daten: NASA GIBS · ASTER GDEM · Blue Marble · © OpenStreetMap-Mitwirkende · Natural Earth · NASA EONET · U.S. Geological Survey · NASA JPL OPERA DIST-ALERTQuellen und Lizenzen

  • We acknowledge the use of imagery provided by services from NASA’s Global Imagery Browse Services (GIBS), part of NASA’s Earth Science Data and Information System (ESDIS). Colours redrawn from the published colour map; values averaged into hexagonal cells where shown (modified). Offene Daten der NASA
  • We acknowledge the use of imagery provided by services from NASA’s Global Imagery Browse Services (GIBS), part of NASA’s Earth Science Data and Information System (ESDIS). Colours redrawn from the published colour map; values averaged into hexagonal cells where shown (modified). Offene Daten der NASA
  • Center for International Earth Science Information Network (CIESIN), Columbia University. 2018. Gridded Population of the World, Version 4 (GPWv4): Population Density, Revision 11. NASA Socioeconomic Data and Applications Center (SEDAC). Lizenziert unter CC BY 4.0. Farben nach der veröffentlichten Farbskala neu gezeichnet; Werte, wo gezeigt, in Sechseckzellen gemittelt (verändert). doi:10.7927/H49C6VHW. CC BY 4.0
  • VIIRS-Produkte nahezu in Echtzeit (Hochwasser, Landoberflächentemperatur, Schneebedeckung, korrigierte Reflektanz), NASA LANCE; Bilder über NASA GIBS. Farben nach der veröffentlichten Farbskala neu gezeichnet; Werte, wo gezeigt, in Sechseckzellen gemittelt (verändert). Offene Daten der NASA
  • Nächtliche Lichter VIIRS Black Marble, NASA Goddard Space Flight Center; bereitgestellt vom NASA Level-1 and Atmosphere Archive and Distribution System (LAADS DAAC); Bilder über NASA GIBS. Farben nach der veröffentlichten Farbskala neu gezeichnet; Werte, wo gezeigt, in Sechseckzellen gemittelt (verändert). Offene Daten der NASA
  • MODIS-Landprodukte (Vegetationsindizes, Bruttoprimärproduktion, Landbedeckung), NASA LP DAAC und LANCE; Bilder über NASA GIBS. Farben nach der veröffentlichten Farbskala neu gezeichnet; Werte, wo gezeigt, in Sechseckzellen gemittelt (verändert). Offene Daten der NASA
  • Fire Information for Resource Management System (FIRMS) der NASA, VIIRS-375-m-Produkt aktiver Brände, NASA LANCE; Vektorkacheln über NASA GIBS. Farben nach der veröffentlichten Farbskala neu gezeichnet; Werte, wo gezeigt, in Sechseckzellen gemittelt (verändert). Offene Daten der NASA
  • ASTER GDEM ist ein Produkt von METI und NASA (ASTER Global Digital Elevation Model V003, NASA LP DAAC); Bilder über NASA GIBS. Farben nach der veröffentlichten Farbskala neu gezeichnet; Werte, wo gezeigt, in Sechseckzellen gemittelt (verändert). Zitieren als: NASA/METI/AIST/Japan Spacesystems and U.S./Japan ASTER Science Team (2019). ASTER Global Digital Elevation Model V003. doi:10.5067/ASTER/ASTGTM.003. Offene Daten der NASA
  • Erstellt mit Natural Earth. Freie Vektor- und Rasterkartendaten @ naturalearthdata.com. Gemeinfrei
  • © OpenStreetMap-Mitwirkende (ODbL), über NASA GIBS (Küstenlinien, Grenzen, Straßen und Ortsnamen). Farben aus der veröffentlichten Farbtabelle neu gezeichnet; Werte, wo gezeigt, in Sechseckzellen gemittelt (verändert). ODbL
  • Blue Marble, NASA Earth Observatory; Bilder über NASA GIBS. Farben nach der veröffentlichten Farbskala neu gezeichnet; Werte, wo gezeigt, in Sechseckzellen gemittelt (verändert). Offene Daten der NASA
  • Kontext auf Globus und flacher Karte: Küstenlinien, Grenzen, Straßen und Ortsnamen aus den Referenzebenen von NASA GIBS (OpenStreetMap-Daten, ODbL, © OpenStreetMap contributors); Blue-Marble-Bilddaten als optionale Basis; 3D-Gelände und Höhenanzeige aus dem Höhenfarbindex des ASTER GDEM (Klassen von 5 m bis 200 m, zur besseren Lesbarkeit überhöht). Grenzen werden wie veröffentlicht dargestellt und beziehen keine Position zu einem Gebiet.
  • Live-Ereignisse: NASA Earth Observatory Natural Event Tracker (EONET). Die Ereignisse sind indikativ und behalten ihre ursprünglichen Quellenlinks.
  • Live: Die NASA-EONET-Ereignisse sind Anhaltspunkte, keine behördlichen Warnungen.
  • Live: Ereignisse des U.S. Geological Survey sind Hinweise, keine behördlichen Warnungen.
  • Observed (EO): NASA JPL OPERA DIST-ALERT (contains modified Copernicus Sentinel data 2026). We acknowledge the use of imagery provided by services from NASA’s Global Imagery Browse Services (GIBS), part of NASA’s Earth Science Data and Information System (ESDIS).
  • NASA GIBS: We acknowledge the use of imagery provided by services from NASA’s Global Imagery Browse Services (GIBS), part of NASA’s Earth Science Data and Information System (ESDIS).
  • Abflussvorhersage für Flüsse, 30 Tage mit Spannweite (GloFAS über Open-Meteo): Enthält modifizierte Informationen des Copernicus Emergency Management Service 2026; keine Hochwasserwarnung.
  • Wetterdaten von Open-Meteo.com (https://open-meteo.com/), lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).
  • Optionale Ebenen (11 Quellen in der Ebenenliste: live, Vorhersage, beobachtet und Kontext) zeigen ihren Anbieternachweis auf der Karte und hier, wenn sie eingeschaltet sind; Vorhersagen sind Modellausgaben, abgeleitete Indizes sind Schätzungen.

Ebenen und Daten

  • Bevölkerungsdichte, 2020: Bevölkerung: CIESIN, Columbia University, Gridded Population of the World v4.11 (2018), NASA SEDAC, CC BY 4.0 · statisch
  • Hochwasser, 3-Tage-Komposit: VIIRS Global Flood Product, NASA LANCE · 14. Okt. 2026
  • Nachtlichter, täglich: VIIRS Black Marble (VNP46A2), NASA LAADS DAAC · 12. Okt. 2026
  • Echtfarbe: VIIRS NOAA-20 korrigierte Reflektanz, NASA LANCE · 13. Okt. 2026
  • Landbedeckungstyp (IGBP), jährlich: MODIS Terra and Aqua land cover (MCD12Q1), NASA LP DAAC · 2024
  • Aktive Brände und thermische Anomalien: VIIRS NOAA-20 375 m (FIRMS), NASA LANCE FIRMS · 13. Okt. 2026

04Domänenübergreifend

Coupled models are how the domains are joined in analysis.

05Zwillings- und Kaskadensimulator

Model coupled systems modelling as a system. Run the cascade.

Assembled from the Nexus Standards area profile Standards zu Verbund- und Kaskadengefahren: the hazards it names, the Systeme and sectors that carry the loss, the controls that dampen it and the data that observe it. Choose the components, pick an initiating hazard and step through the cascade. The Map view places the run on an example geography with open data. Every coupling weight is a stated assumption you can change. A teaching model, not a forecast, an assessment or a certification. To model a place of your own choosing, open the full System-Builder.

Gefahren

Steuerung

  • NS-0 Verfassung und Grundsätze
  • NS-3 UNIs für Risikodatensätze (Grammatik, Altbestands-Crosswalk, Zuteilungsstelle)
  • NS-9 Kontextuelle UNIs (Bereitstellungen, Instanzen, Programminstanzen)
  • NS-11 Verifikation und Überwachung (Evidenz, Bescheinigungen, Beobachtung der Zero-Trust-Konformität)
  • NRS-H61 Gefahrenfamilie: kaskadierender Ausfall (NHS-1 sys.cascade)
  • NRS-H62 Gefahrenfamilie: Verbund- und Mehrfachgefahrenereignisse (NHS-1 sys.compound)
  • NRS-H60 Gefahrenfamilie: Störung von Lieferketten und Flüssen (NHS-1 sys.supply-chain)
  • NRS-H94 Gefahrenfamilie: systemische Cyberereignisse (NHS-1 cyber.systemic-cyber)
  • NRS-H107 Gefahrenfamilie: Konzentration und Monokultur digitaler Infrastruktur (NHS-1 tech.digital-concentration)
  • NRS-H7 Gefahrenfamilie: großräumige Zirkulationsanomalien (NHS-1 atmo.climate-mode)

Beobachtung

  • Copernicus EMS rapid mapping activations (listed for reference)
  • OpenStreetMap planet and replication (listed for reference)
  • ERA5 reanalysis (Copernicus Climate Data Store) (listed for reference)
  • Direkte wirtschaftliche Schäden infolge von Katastrophen im Verhältnis zum globalen BIP
  • Number of disruptions to basic services attributed to disasters

Beispielgeografie

  • Bangladesch: 134 Sechseckzellen
  • Nachtlichter heute Nacht, Ausfälle (VIIRS Day/Night Band), NASA GIBS
  • Carbon monoxide, smoke transport (AIRS), NASA GIBS
  • Vegetation disturbance alerts, 30 m (OPERA DIST-ALERT), NASA GIBS
06Indikatoren

Was gemessen wird und wie gut.

Jeder Indikator trägt seine Einheit, seinen Rhythmus, die Art der zugrunde liegenden Quelle und die Evidenzkennzeichnung, die ein Wert tragen würde. Es werden keine Werte gezeigt: Ein Programm liefert sie unter seiner eigenen Autorität.

IndikatorEinheitTaktQuellentypKennzeichnung
Components coupledcount of models in a coupled systemper configurationModel documentationDEKLARIERT
Coupling frequencyexchanges per simulated periodper configurationModel documentationDEKLARIERT
Conservation error at interfacesimbalance of mass or energypro LaufModel diagnosticsMODELLIERT
Coupled uncertainty rangerange of outputsper experimentEnsemble runsMODELLIERT
Feedbacks representedcount by typeper configurationModel documentationDEKLARIERT
Validation of coupled outputserror against observationsper evaluationValidation studiesGESCHÄTZT
07Methoden und Evidenz

How coupled systems modelling is modelled, measured and tested.

Das Modell, seine Annahmen, seine Daten und seine Unsicherheit in der Form, in der eine Wissenschaftlerin oder ein Ingenieur sie prüfen würde. Die Strukturen folgen veröffentlichten Methoden. Die dargestellten Werte sind illustrativ, keine Befunde.

Modell, Gleichungen und Annahmen

The model structure used for coupled systems modelling, the assumptions it makes and how each is tested.

Risiko des Elements iRi = f(Hi, Ei, Vi, Ci)Gefahr, Exposition, Verwundbarkeit und Bewältigungskapazität
Erwarteter jährlicher SchadenEAL = ∑k pk · Lküber Ereignisse k mit jährlicher Wahrscheinlichkeit pk
Gekoppelte Systemext+1 = A xt + B ut + εtA carries the couplings, u the shock, ε the error
AnnahmeWarum es entstehtWie es geprüft wird
Gefahr und Exposition sind innerhalb eines Ereignisses unabhängigHält das Schadensintegral berechenbarMit einer Copula-Anpassung an gemeinsamen Aufzeichnungen vergleichen
Kopplungen sind nahe dem Arbeitspunkt linearLässt Schocks sich über A ausbreitenÜber den linearen Bereich hinaus stören und vergleichen
Vulnerabilitätskurven lassen sich zwischen Orten übertragenLokale Kurven sind selten verfügbarAnhand beobachteter Schäden validieren, wo es sie gibt
Eingaben
versionierte Datensätze mit Herkunftsnachweis
Ergebnisse
Verteilungen, nie einzelne Zahlen
Code
mit Modellkarte und Tests veröffentlicht
Reproduktion
gleiche Daten, Code, Umgebung und Seed
Standardformulierungen für Risiko und Zustandsraum; die aufgeführten Annahmen sind für die Methode typisch und zur Prüfung benannt, keine Ergebnisse.
FAIR-Leitprinzipien · GO FAIR und FORCE11W3C PROV · World Wide Web ConsortiumHinweise zur einheitlichen Behandlung von Unsicherheiten · IPCCCEOS Analysis Ready Data · Committee on Earth Observation Satellites
08Quellen

Woher die Evidenz stammt.

Benannte öffentliche Datensätze und institutionelle Aufzeichnungen, jeweils mit ihrer Lizenzklasse. Quellen auf Vereinbarungsbasis werden nur zu ihren Bedingungen genutzt und niemals weiterveröffentlicht.

QuelleWas es liefertLizenzklasse
Integrated assessment model documentation (IAMC wiki)Structure and assumptions of integrated assessment modelsPublic, terms to check
ISIMIP cross-sectoral simulationsLinked impact model resultsOpen, licence per dataset (to check)
Coupling frameworks such as OASIS, BMI and preCICE documentationTechnical standards for linking modelsOpen source, licence per project
Water-energy-food nexus modelling literatureApproaches and case studiesLicence per publication
National integrated planning models where publishedApplied coupled modelsLicence per publisher
09Entscheidungen

Wer entscheidet und wozu die Evidenz dient.

System Science and Modelling prepares evidence. The decisions below are taken by the authorities named, under their own rules, and never by the platform.

Wer entscheidetDie FrageEvidenz, der diese Seite dient
Planning ministries and integrated assessment teamsWhich interactions to represent in national scenariosCoupling designs; comparisons
Modelling groupsHow to link models soundlyInterface checks
Users of integrated scenariosHow much to trust coupled resultsUncertainty analyses

Ergebnisse, die dieses Thema hervorbringt

  • Coupling designs for cross-sector scenarios
  • Interface and conservation checks
  • Coupled uncertainty analyses
  • Comparisons of coupled and uncoupled results
10Kernfragen

What experts ask about coupling.

  • Which interactions between Systeme matter enough to represent explicitly?
  • How are differences in time step, spatial resolution and units reconciled?
  • Is the coupling one-way, with outputs passed downstream, or two-way, with feedback?
  • How does uncertainty propagate across coupled models?
  • Which assumptions in one model constrain another, and are they visible?
11Mechanismen und Treiber

Why coupling is difficult.

Each sector model is built for its own purpose. A hydrological model may run daily on river basins; a power system model may run hourly on grid nodes; an economic model may run annually on national sectors. Coupling them requires translating between scales, which involves aggregation and disaggregation choices that can change results.

Feedbacks matter. In a two-way coupling, reduced river flow lowers power output, which changes electricity prices, which changes water pumping demand. One-way couplings miss such loops; two-way couplings are harder to build and to stabilise numerically.

Assumptions travel silently. A demand projection embedded in one model becomes a hidden constraint on another. Without documentation, users of the coupled system may not know which assumptions drive the result.

12Methoden und Daten

Methoden und ihre Grenzen.

  1. 01

    Soft and hard coupling

    Exchanging outputs between separate models, or integrating them in one framework. Hard coupling is more consistent but less flexible.

  2. 02

    Scale bridging

    Aggregation, downscaling and interpolation between resolutions. Each step adds error.

  3. 03

    Interface standards

    Shared data formats and variable definitions, drawing on Systems Engineering.

  4. 04

    Coupled uncertainty analysis

    Propagating uncertainty through the chain, using Unsicherheitsquantifizierung. Computationally demanding.

Coupled models can show interactions that single models miss, but their complexity makes errors harder to detect. Results state which couplings were represented and which were not.

14Where this page’s references

Where this page’s references lead.

Die Gremien und Dokumente, vor deren Hintergrund diese Seite gelesen wird. Status und Ausgaben ändern sich; jeder Link führt zur herausgebenden Stelle.

15Fragen

Fragen und Antworten.

What is a coupled model?
A set of models linked so that outputs of one become inputs to others during a simulation, representing interactions between systems.
What is the water-energy-food nexus?
The interdependence of water, energy and food systems, where decisions in one affect the others.
Why not build one large model?
Because specialised models capture each system better. Coupling them keeps that expertise while representing interactions, at the cost of interface complexity.
Should every model be coupled to every other?
No. Coupling adds complexity and error. Only interactions that matter for the question should be represented.
What is the difference between soft and hard coupling?
Soft coupling passes outputs between separate models; hard coupling integrates them in one framework with consistent equations.
How are hidden assumptions avoided?
Through documentation of each component’s assumptions and interfaces, and through sensitivity tests on the coupled system.
Does the platform maintain a coupled model?
Not yet. Its designed work is to document coupling methods and run intercomparisons.
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Berichte is the Consortium’s quarterly publication. What you know about this subject can become evidence, a case or a correction in the next edition, credited to you and published under CC BY 4.0 where it is your own work.

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Systemwissenschaft und Modellierung

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Information und Anfragen sind heute offen. Eine Anfrage erhält ein Aktenzeichen und nennt den nächsten Schritt; Bewerbungen, Zahlungen, Rechenzuteilungen und Registrierungen öffnen erst, wenn Team, Bedingungen und Prüfkapazität bestehen.