Eine modulare Modellierungskette zur Gewährleistung einer nachhaltigen Wasserbewirtschaftung unter dem Einfluss des Klimawandels und der damit verbundenen Ungewissheiten

Zahlreiche Landschaftsfunktionen reagieren empfindlich auf den zu erwartenden Klimawandel, insbesondere auf die zunehmende Häufigkeit hydro-meteorologischer Extreme, die den gesamten Wasser- und Energiekreislauf (Oberflächen-, Boden- und Grundwasser) beeinflussen. Daher ist die Klimaanpassung in allen Bereichen des Wasserressourcenmanagements (WRM) besonders dringlich, um die Multifunktionalität zu gewährleisten, und muss die Heterogenität der Umweltbedingungen vor Ort berücksichtigen. Um diese Aufgabe zu unterstützen, befasst sich PP5.5 mit Transformationen im Wassermanagement, die auf ein klimaangepasstes WRM abzielen, und entwickelt Werkzeuge und Arbeitsabläufe, um diese in Landschaftssimulationen zu integrieren und ihre Fähigkeit vorherzusagen, negative Auswirkungen des Klimawandels auf Landschaftsfunktionen abzuschwächen.

Zweck des Plattformprojekts

Prognosen zufolge wird der Klimawandel mit einer deutlichen Zunahme der Häufigkeit und Intensität von Extremereignissen wie Starkregen, Dürren und Hitzewellen mit bisher unvorhersehbaren Folgen und Rückkopplungen verbunden sein. Solche Ereignisse wirken sich auf den gesamten Wasserkreislauf der Erde aus, mit voneinander abhängigen Folgen für die Atmosphäre, terrestrische und limnische Systeme. Deutschland und Europa werden sich in Zukunft auf sehr ungleichmäßig verteilte Niederschläge und vermehrte Extremereignisse einstellen müssen. Daher wird eine Kette intelligenter, modell- und datengestützter Entscheidungshilfen benötigt, um alle Wasserressourcen im Hinblick auf Überschuss und Bedarf sowie Qualitätsanforderungen angemessen zu verwalten.

Der Wasserkreislauf, d. h. das System aus Niederschlag, Schneeablagerung und -schmelze, Verdunstung, Versickerung und Abfluss, wird massiv von der Landoberfläche und ihrer Bodenbedeckung/Nutzung beeinflusst. Gewässer, Grundwasserleiter und Gletscher bilden große natürliche Süßwasserspeicher, während Böden und Vegetation durch Infiltration, pflanzliche Wasseraufnahme, Transpiration und Versickerung mit diesem Kreislauf interagieren. Die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Teilsystemen sind komplex, aber für sein Funktionieren von zentraler Bedeutung. Anthropogene Aktivitäten und Emissionen stören diese natürlichen Interaktionen. Aus diesem Grund und in Anbetracht der laufenden Klimaveränderungen muss unsere Art der Interaktion (d. h. des Managements) ganzheitlich neu überdacht werden. Das bedeutet, dass alle Komponenten zusammen untersucht werden müssen, bevor eine Entscheidung getroffen wird.

Wissenschaftliche Ziele und Vorgehensweisen

Daher streben wir die Entwicklung einer nahtlosen hydrologischen Modellierungskette an, die von sub-saisonalen bis zu dekadischen Zeitskalen reicht und in verschiedenen räumlichen Auflösungen anwendbar ist. Schlüsselkomponenten dieser Kette sind auf die Zielauflösung herunterskalierte Klimamodelle, das hydrologische Modell mHM (einschließlich des Routingmodells mRM), ein Seen-/Speichermodell, das Grundwassermodell OpenGeoSys (OGS), mehrere Wirkungsindikatoren (z. B. SMI) und mehrere Wirkungsmodelle, die auf einen bestimmten Aspekt der Wasserbewirtschaftung abzielen, einschließlich wirtschaftlicher Kosten und Risiken.

Im Allgemeinen entwickeln wir Software und digitale Arbeitsabläufe, um mögliche Optionen für die Bewirtschaftung von Wasserressourcen in der Zukunft zu erforschen und zu testen. In Zusammenarbeit mit anderen Projekten der Integrationsplattform (siehe unten) führen wir darüber hinaus Stresstests durch, um potenzielle Entscheidungen oder Schlüsselindikatoren für die Gestaltung der Infrastruktur unter Berücksichtigung möglicher globaler Klima- und Sozialszenarien und der Ausbreitung von Unsicherheiten entlang der Modellierungskette zu testen.

Aktuelle Aufgaben und Tätigkeitsbereiche

Innerhalb der Modellierungskette verwenden wir boden-, flugzeug- und satellitengestützte Monitoringdaten. Angesichts des globalen und regionalen Charakters der Prozesse des Wasserkreislaufs ist die Fernerkundung, insbesondere von Wasser- und Energieflüssen, sehr nützlich für das Monitoring der Mechanismen des Wasserkreislaufs und ihrer kurz- oder langfristigen Veränderungen. Darüber hinaus werden weitere Ansätze verfolgt, bei denen bodengestützte Messungen mit Fernerkundungsprodukten kombiniert werden, z. B. Bodenfeuchteprodukte in Verbindung mit Beobachtungen der kosmischen Neutronenstrahlung (CRNS) oder In-situ-SAPFLUXNET-Transpirationsmessungen in Kombination mit großflächigen Umweltfaktoren.

Die Module dieser Modellierungskette bilden den grundlegenden Rahmen für die Untersuchung möglicher Wassermanagementstrategien im Zusammenhang mit der hydraulischen Infrastruktur im Rahmen der Entwicklung von Master-Strukturplänen für Städte und Regionen. Solche Pläne umfassen alle sozioökonomischen Sektoren in einer Region, wie Trinkwasserversorgung, bewässerungsabhängige Landwirtschaft, industrielle Wassernutzung, Energieversorgung, Pflanzenbau, Handel, Tourismus und andere. Wassermanager müssen die Wasserressourcen für diese Sektoren zuweisen und bewirtschaften und die Infrastruktur zu deren Erhaltung planen. Die Schlüsselfrage in diesem Rahmen lautet: Wie können künftige Infrastrukturen unter großer Unsicherheit bezüglich des künftigen Klimas für die betreffende Region verwaltet und geplant werden?

WP1 - Erforschung robuster integrierter Wassermanagementstrategien

In diesem Arbeitspaket entwickeln wir Modelle und Methoden, um potenzielle Entscheidungen (z. B. Regeln für die Bewirtschaftung von Stauseen) oder wichtige Planungsindikatoren (z. B. die 100-jährige Wiederkehrperiode für einen bestimmten Standort) unter Berücksichtigung möglicher zukünftiger globaler Klima- und Gesellschaftsszenarien und der Ausbreitung von Unsicherheiten in der Modellierungskette zu testen.

WP2 - Satelliten gestützte Wasser- und Energieströme

In diesem Arbeitspaket wollen wir Produkte entwickeln, die als Antrieb für hydrologische Modelle verwendet werden können und Übergangsgebiete über Deutschland identifizieren, um so den Rechenaufwand für hydrologische Modelle entlang der Modellierungskette zu reduzieren. Dies sind z.B.

• hochauflösende Bodenfeuchteabschätzungen aus der Synergie von Multi-Source-Daten
• Vorhersagen der Vegetationstranspiration aus Messungen des Pflanzensaftflusses mittels maschinellem Lernen
• Schätzungen der latenten und sensiblen Bodenwärmeströme an der Landoberfläche, abgeleitet aus Satellitenprodukten.

WP3 - Grundwasser

Im Rahmen von WP3 entwickeln wir Modellierungssoftware und Werkzeuge zur Szenarienanalyse, in die Vorhersagemodelle wie das mHM eingebettet werden können und statten sie mit digitalen Arbeitsabläufen zur Entscheidungsunterstützung für die maßstabsübergreifende Planung der quantitativen Bewirtschaftung des Grundwassers sowie dessen Einfluss auf die angrenzenden Oberflächengewässer aus.

Verbindungen zu anderen Plattformprojekten