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Messungen von Gewässerabflüssen aus dem Weltraum

Globale Wasserbilanzen Messungen von Gewässerabflüssen aus dem Weltraum

Gewässerabflüsse von großen Einzugsgebieten bilden die Grundlage für globale Wasserbilanzen. Sie sind zudem wichtige Eingangsgrößen für die Ozeanzirkulation. Sie zu messen, ist deshalb von grundlegender Bedeutung für die Analyse der Wasserkreisläufe auf der Erde sowie für hydrologische und hydrometeorologische Anwendungen und Vorhersagen. Eine neue Möglichkeit, diese Messungen durchzuführen bieten weltraumbasierte Fernerkundungsmethoden. Dies zeigt eine Studie über die Beziehung von gemessenen Abflüssen und Wasserspeichern, die Johannes Riegger vom Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung und Mohammad Tourian vom Geodätischen Institut durchgeführt haben.

Speicherzustände riesiger Einzugsgebiete Die Wissenschaftler haben Messungen des Schwerefeldes der Erde aus dem Weltraum mit dem Gravitationssatelliten GRACE genutzt, um mit diesen Daten die monatlichen Speicherzustände für riesige Gebiete zu erheben. Damit ist es zum ersten Mal gelungen, für derart große Einzugsgebiete, wie zum Beispiel das Amazonasbecken, direkt Speicherzustände und gemessene Abflüsse zu vergleichen und monatliche Wasserbilanzen zu erstellen. „Die Möglichkeit, Wasserspeicheränderungen vom Weltraum aus zu messen, bedeutet einen Quantensprung in der globalen Hydrologie, sowohl für das Verständnis des Systemverhaltens großer Einzugsgebiete und des globalen Wasserkreislaufes als auch für mögliche Anwendungen“ sagen Johannes Riegger und Mohammad Tourian.

Abflussverhalten vergleichbar mit Auslaufen einer Badewanne Die Studie zeigt, dass für permanent feuchte, tropische Klimazonen, wie für die Einzugsgebiete des Amazonas ein linearer Zusammenhang zwischen Abfluss und Speicherzustand mit einer zeitlichen Verzögerung zwischen Eintrag und Abfluss besteht. „Das Abflussverhalten des größten Einzugsgebiets der Welt ist vergleichbar mit dem Auslaufen einer Badewanne. Wenn man weiß, wieviel Wasser im Gebiet gespeichert ist, kann vorhergesagt werden, wie viel Wasser innerhalb welcher Zeit abfließen wird“, erklärt Riegger.

Bei Schneebedeckung ist Abflussverhalten komplexer Der lineare Zusammenhang gilt allerdings nur für direkt an das Gewässernetz angebundene Wasserspeicher, wie sie unter diesen klimatischen Bedingungen vorherrschen. In anderen Klimazonen, wie zum Beispiel in borealen oder saisonal trockenen, tropischen Gebieten ist die Beziehung zwischen gemessenen Abflüssen und Wasserspeichern komplexer. „Denn nur flüssige und hydraulisch angekoppelte Speicherkomponenten können zum Abfluss beitragen. Entkoppelte Wasserspeicher wie Schnee, Eis und saisonal trockene oder gefrorene Böden, von denen kein Wasser in das Drainagesystem freigesetzt wird, tun das nicht“, sagt Riegger. Speicher- Abfluss-Diagramme für die borealen Gebiete Sibiriens und Nordamerikas zeigen, wie im Winter durch den Schnee die Gesamtmasse zunehmen, der Abfluss aber  trotzdem abnehmen kann. „Wenn wir also mit Fernerkundung vom Weltraum aus die Abflüsse bestimmen wollen, müssen wir die flüssigen und gekoppelten von den entkoppelten Speicherkomponenten unterscheiden können“, betont Riegger.

Um den entkoppelten festen Speicheranteil für boreale Einzugsgebiete abzuschätzen, nutzten die Hydrologen Daten des MODIS-Satelliten, die Aufschluss über die Schneebedeckung geben. Die Analyse der Werte macht deutlich, dass im Prinzip die nichtlinearen Anteile zwischen Abfluss und Gesamtspeicher von den nicht gekoppelten Speicheranteilen herrühren.

Messungen von großer Genauigkeit Auf Grundlage der Ergebnisse der Studie können Abflüsse von Einzugsgebieten mit  einer bisher unübertroffenen Genauigkeit bestimmt werden (5,5 mm/Monat RMSE oder 7% des Mittelwerts). Auch für die borealen Einzugsgebiete werden unter zur Hilfenahme von MODIS noch hohe Genauigkeiten erreicht (~3mm/ Monat RMSE oder 15% des Mittelwerts). Umgekehrt lassen sich aus Abfluss- und Fernerkundungs-Messungen die Massen der flüssigen und auch der gesamten Speicherinhalte bestimmen.

 

„Wir sind nicht am Ende, sondern ganz am Anfang einer Entwicklung“, erklärt Johannes Riegger. „Indem man mit Hilfe von GRACE den Gesamtspeicher bestimmt und mit Fernerkundung das Verhältnis der gekoppelten und entkoppelten Speicheranteile quantifiziert, erhält man einen völlig neuen Ansatz zur Messung von Abflüssen per Fernerkundung. Dies eröffnet ein völlig neues Forschungsfeld in der Hydrologie und den weltraumgestützten Erkundungsmethoden und stößt hoffentlich weitere Verbesserungen oder Neuentwicklungen in der Satellitengravimetrie und Fernerkundung an“.

 

Die Arbeit wurde gefördert im DFG Schwerpunktprogramm SPP1257 „Massentransporte und Massenverteilungen im System Erde“ innerhalb des Teilprojekts „Direct Water Balance“. Beteiligt waren das Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung und das Geodätische Institut der Universität Stuttgart sowie das Institut für Meteorologie und Klimaforschung vom KIT Karlsruhe.

Kontakt Dr. Johannes Riegger Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung Tel. 0711/78567016 E-Mail: riegger(at)iws.uni-stuttgart.de