Das mesoskalige hydrologische Modell mHM

Wissenschaftliche Basis des UFZ-Dürremonitors ist das hydrologische Modellsystem mHM (Samaniego et al. 2010, Kumar et al. 2013), das am UFZ entwickelt wurde. Dieses "Smarte" Umweltsystemmodell kann ökosystemare Prozesse im Landschaftsmaßstab mathematisch beschreiben und arbeitet nicht nur mit einer extrem guten räumlichen Auflösung und hoher Präzision, sondern integriert auch Prognoseunsicherheiten in seine Berechnungen. Eingesetzt wird das Modellsystem nicht nur im UFZ-Dürremonitor, sondern bspw. auch in Erdsystemmodellen des US-amerikanischen National Center for Atmospheric Research (NCAR) oder in Wasserqualitätsmodellen der kanadischen University of Waterloo. 2017 erhielt das UFZ-mHM-Team den UFZ-Forschungspreis.

Weitere Informationen finden sich hier: www.ufz.de/mhm

Die operationelle Modellkette

Der Dürremonitor wird jede Nacht aktualisiert. Dazu werden Daten von ungefähr 2500 Wetterstationen des Deutschen Wetterdienstes genutzt, die qualitätsgeprüft und dann auf das 4 km Raster interpoliert werden. Dabei kommt ein External Drift Kriging Ansatz zur Anwendung, der die geographische Höhe als Zusatzinformation nutzt. Diese Daten treiben das hydrologische Modell mHM an, mit dem u.a. die Bodenfeuchte simuliert wird. Durch den Vergleich der Bodenfeuchte mit dem langjährigen Erwartungswert kann dann der Bodenfeuchteindex (SMI, Samaniego et al. 2013) berechnet und der Dürrezustand ermittelt werden (s.u. "Was bedeutet Dürre?").

Eine weiterführende Beschreibung der Modellkette findet sich bei Marx et al. 2016 und Zink et al. 2016.

Beobachtungsdaten

U.a. am Waldstandort ‚Hohes Holz‘ im Einzugsgebiet der Bode im Harzvorland betreibt das UFZ eine Dauer-Messstation zur Ermittlung des Energie- und Spurengasaustauschs zwischen dem Wald-Ökosystem und der Atmosphäre mit Hilfe der Eddy-Kovarianzmethode (https://en.wikipedia.org/wiki/Eddy_covariance). Hierfür wurde im Frühjahr 2014 ein 50m hoher Messturm errichtet. Messungen am Turm finden seit Juni 2014 in mehreren Höhen statt, zusätzlich sind vielfältige Sensoren zur Bestimmung der treibenden abiotischen Variablen wie z.B. Niederschlag, Strahlung, Temperatur und Wind installiert. Ziel der Untersuchungen im Hohen Holz ist es, alle Komponenten des Kohlenstoff- und des Wasserhaushalts sowie deren Variabilität möglichst genau zu bestimmen. Aus diesem Grund wird beispielsweise die Bodenfeuchte sowohl an verschiedenen Positionen und Tiefen wie auch integrativ in einem Bereich von ca. 1 ha kontinuierlich gemessen. Der Messstandort Hohes Holz ist als Class 1-Standort im Ökosystem-Programm des Forschungs-Infrastruktur-Projekts ICOS (https://www.icos-ri.eu/home) zertifiziert.

Zukünftige Dürren unter Klimawandel

Unter dem Copernicus Programm der EU wurde in dem Projekt EDgE die Datengrundlage für die Erforschung zukünftiger Dürren in Europa gelegt. Auswertungen zu hydrologischen und agrarischen Dürren für Deutschland und die Bundesländer finden sich im Ergebnisbericht des BMBF-geförderten Projektes HOKLIM. Für Europa wurden in englischer Sprache die agrarische Dürreentwicklung unter Klimawandel in Samaniego und Thober et al. 2018 sowie die hydrologische Dürre in Marx et al. 2018 veröffentlicht.

Nutzungsbedingungen

Die Rechte der Grafiken und Karten des UFZ-Dürremonitors liegen, sofern nicht anders angegeben, beim UFZ. Die Grafiken können im Rahmen von Wissenschaft und Forschung sowie für redaktionelle Zwecke unter Angabe des folgenden Vermerks unentgeltlich genutzt werden: UFZ-Dürremonitor/ Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung. Bitte beachten Sie, dass der Quellenvermerk direkt an den Karten stehen muss.

Download der Karten

Download der Daten

Die SMI-Daten 1951-2019 können Sie im Netcdf-Format herunterladen. Die statistische Basis umfasst den Gesamtzeitraum und weicht damit von dem Datensatz 1951-2018 unten ab! Die Daten basieren auf Zink et al. 2015 (ERL) und enthalten den Bodenfeuchteindex (SMI, soil moisture index) skaliert zwischen [0-1]. Die Klassifikationsgrenzen für Dürren finden sich im Abschnitt unten "Was bedeutet Dürre".

Die Datensätze enthalten sowohl Koordinaten in den Formaten Gauß-Krüger Zone 4 (EPSG: 31468) [variablen easting/northing] als auch Lat/Lon Informationen (EPSG:4326).

Oberboden bis 25 cm Tiefe:

SMI_SM_L02_Oberboden_monatlich_1951-2019_inv.nc (65.2 MB)

Gesamtboden:

SMI_SM_Lall_Gesamtboden_monatlich_1951-2019_inv.nc (65.5 MB)

Die SMI-Daten 1951-2018 können Sie im Netcdf-Format herunterladen. Die statistische Basis umfasst den Gesamtzeitraum. Die Daten basieren auf Zink et al. 2015 (ERL).

Die 68-jährige Bodenfeuchteindex-Zeitreihe liegt z.B. auch als täglicher Flächendatensatz vor und kann ebenfalls auf Anfrage zur Verfügung gestellt werden.

Oberboden bis 25 cm Tiefe:
Bodenfeuchteindex_Oberboden_monatlich_1951_2018 (66 MB)

Gesamtboden:
Bodenfeuchteindex_Gesamtboden_monatlich_1951_2018 (66.4 MB)

Dürre in Gesamtboden und Oberboden

Auf der Karte Dürre Gesamtboden wird jeweils der Bodenfeuchteindex bis zu einer Tiefe von ca. 1.80 Meter in 5 Trockenklassen dargestellt. Die tatsächliche Bodentiefe variiert in Deutschland stark und wird im Modell mHM aus der Bodenübersichtskarte hergeleitet.

Auf der Karte Dürre Oberboden  wird jeweils der Bodenfeuchteindex des Oberbodens bis 25 cm Tiefe in 5 Trockenklassen dargestellt.

Wie wird bestimmt, ob Dürre herrscht?

Dürre als Abweichung vom langjährigen Erwartungswert wird in einem sogenannten Perzentilansatz geschätzt. Dies zeigt die folgende Grafik zur agrarischen Dürre an einem Standort in Brandenburg am Beispiel des Oberbodens. Zur Berechnung der Dürre wird ein 30-tägiger Mittelwert berechnet, um statistische Stabilität zu erreichen.

Da Dürre den Vergleich zum Normalzustand zieht, wird im ersten Schritt der jährliche Bodenfeuchteverlauf für den Vergleichszeitraum 1951-2015 herangezogen (graue Linien). Die beiden dicken schwarzen Linien zeigen die Spannbreite, also für jeden Tag jeweils den trockensten und den feuchtesten Zustand. Zusätzlich sind die Jahre 2003 und 2014 in blau und grün dargestellt.

Aus dieser Abbildung wird bereits deutlich, dass die Bodenfeuchte in Deutschland im Winter in der Regel höher ist als im Sommer. Dies hängt mit der innerjährlichen Niederschlagsverteilung, der sehr niedrigen Verdunstung im Winter und den höheren Niederschlagsintensitäten im Sommer zusammen.

Erst wenn die aktuelle Bodenfeuchte unter das langjährige 20-Perzentil fällt, also den Wert, der nur in 20% der Jahre in einer langen Zeitreihe erreicht wird, spricht man von Dürre. Die Farben kennzeichnen die Stärke der Dürre. Die Klasse "ungewöhnliche Trockenheit" bezeichnet dabei eine Vorwarnstufe. Die Trockenklassen basieren auf dem Bodenfeuchteindex (SMI), der über das hydrologische Modell mHM berechnet wird und die Bodenfeuchteverteilung über einen 65-jährigen Zeitraum seit 1951 zeigt.

• SMI 0,20 - 0,30 = ungewöhnliche Trockenheit
• SMI 0,10 - 0,20 = moderate Dürre
• SMI 0,05 - 0,10 = schwere Dürre
• SMI 0,02 - 0,05 = extreme Dürre
• SMI 0,00 - 0,02 = außergewöhnliche Dürre

So bedeutet also ein Wert von 0.3 (ungewöhnliche Trockenheit), dass die aktuelle Bodenfeuchte so niedrig wie in 30% der Fälle von 1951-2015 ist. Genauso bedeutet ein SMI von 0.02 (außergewöhnliche Dürre), dass der Wert nur in 2% der langjährigen Simulationswerte unterschritten wird. 

Die folgende Abbildung zeigt für einen Standort in Brandenburg sowohl den Bodenfeuchteindex für die Jahre 2003 und 2014 als auch die Dürreklassen aus der langjährigen Statistik. 

Eine Beschreibung der Modellkette findet sich bei Marx et al. 2016 und Zink et al. 2016. Die Berechnungen des Bodenfeuchteindex SMI (Samaniego et al. 2013, JHM) erfolgen auf der Grundlage der operationellen hydrologischen Modellierung mit mHM ( www.ufz.de/mhm ). Zusätzlich wird der Zustand des Oberbodens bis 25 cm Tiefe gezeigt, der schneller auf kurzfristige Niederschlagsereignisse reagiert.

Pflanzenverfügbares Wasser

Der Boden besteht aus festen Bodenpartikeln und dem Porenvolumen, das mit Wasser oder Luft gefüllt ist. Das Porenvolumen ist u.a. abhängig von Bodenart, Lagerungsdichte, Körnung und Gefüge. Unterschiedliche Böden können Wasser unterschiedlich gut speichern. Je kleiner der Porenraum ist, desto besser kann Wasser im Boden gehalten werden.

Berechnung der nutzbaren Feldkapazität

Die Feldkapazität (FK) beschreibt den Wasseranteil, den der Boden gegen die Schwerkraft halten kann (oder das Wasser, welches nach drei Tagen noch nicht weggelaufen ist). Werte über 100 Prozent sind möglich, denn auch bei einer vollen Feldkapazität ist der Boden nicht vollständig mit Wasser gesättigt, da in den Grob- und Makroporen noch Luft enthalten ist. Bei Niederschlag kann der Boden daher mit einem höheren Wassergehalt versehen sein als über die Feldkapazität bestimmt.

Der Welkepunkt (WP) beschreibt den Punkt, ab dem so wenig Wasser im Porenvolumen ist, dass Pflanzen es nicht mehr aufnehmen können.

Die nutzbare Feldkapazität (nFK) beschreibt den Wassergehalt des Bodens zwischen dem Welkepunkt und der Feldkapazität in Prozent. Da der Boden mehr Wasser aufnehmen kann als die Feldkapazität angibt, liegt der Wertebereich zwischen 0 und (je nach Bodenart) >250 Prozent.

Zur Berechnung wird der aktuelle, mit dem Modell mHM berechnete Bodenwassergehalt (BWG) benötigt:

nFK [%] = (BWG [mm] - WP [mm]) / (FK [mm] - WP [mm])

Im UFZ-Dürremonitor wird die tagesaktuelle Bodenfeuchte genutzt, um die Wasserversorgung von Pflanzen mihilfe der nFK zu beschreiben. Dabei wird die Bodenschicht 0-25cm Tiefe genutzt.

Als Richtwerte zur Einordnung von Wasserstress können genutzt werden:
<50% nFK: Landwirtschaftliche Bewässerung zur optimalen Ertragsausbeute notwendig
<30% nFK: Pflanzenwasserstress.

Diese variieren aber u.a. in Abhängigkeit von Pflanzenart und Lagerungsdichte des Bodens.