UFZ-Newsletter Oktober 2013

6 UFZ-Newsletter | Oktober 2013 Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ Nachwuchswissenschaftler: Matthias Zink und Stephan Thober dept. Hydrosystemmodellierung e-mail: matthias.zink@ufz.de, e-mail: stephan.thober@ufz.de Thober, Spezialist für Stochastik, also für die Lehre vom Zufall, möchte verstehen, ob und wie der Klimawandel die bodenfeuchte über längere Zeiträume verändert. Dafür muss er Klimaszenarien statt gemessener Wetterda- ten nutzen. „Klimaszenarien liefern aber nur statistische Informationen über das zukünf- tige Wetter, also zum beispiel Aussagen über die Änderungen im Mittel“, betont Thober. er hat daher einen Wettergenerator entwickelt, der die statistischen Zusammenhänge der Vergangenheit nutzt, um realistische Wetter- szenarien für die Zukunft zu erstellen. Neben der Statistik ist für ihn aber auch der Zufall wichtig. Denn natürlich weiß sein PC nicht die tatsächlichen Wetterdaten der Zukunft. Der Mathematiker hat ihm deshalb beige- bracht, diese geschickt „würfeln“ zu können. „Der Zufallszahlengenerator, den ich dafür nutze, würfelt natürlich nicht wirklich, sondern erzeugt vielmehr eine Zahlenreihe, in diesem Fall mit einer Länge von etwa 101700 Stellen“, berichtet Thober. Da immer wieder eine andere Stelle der Zahlenreihe „angezapft“ wird, erhält er so jene zufälligen Werte, die zur Modellierung notwendig sind. Für den Mathematiker Thober ist es also vor allem spannend, den Geodaten signifikante Merkmale und beziehungen zu entlocken und diese dann für die Modellierung zu nutzen. Seinen Mitstreiter Matthias Zink beschäftigt dagegen die Frage, wie sich Un- sicherheiten bei der Schätzung von Modell- parametern auf seine ergebnisse auswirken. So reicht es bei vielen Fragestellungen nicht, nur ein Szenario zu entwerfen. Denn ohne die betrachtung einer bandbreite von Im Frühjahr 2013 vermeldeten die Meteoro- logen rekordwerte: Das relativ kühle und feuchte Wetter hatte dafür gesorgt, dass sich die böden voll Wasser gesaugt hatten. Als es Anfang Juni kräftig regnete, konnte der boden kein Wasser mehr aufnehmen und es kam zur Flut. So logisch dies auch klingt, bisher sind solche ereignisse nur schwer vorherzusagen. Zwei Doktoranden, die gemeinsam mit anderen Wissenschaft- lern mehr Licht in die komplexen Prozesse zwischen Niederschlag, boden und Wasser- abfluss bringen wollen, sind Matthias Zink und Stephan Thober. Ihr Werkzeug: ein Hydrologisches Modell, das Gitterzellen als hydrologische einheiten betrachtet und verschiedenste Prozesse umfasst – z. b. Verdunstung, bodenfeuchte, Wasserabfluss oder Grundwasserneubildung. Und das sowohl retrospektiv als auch vorausschau- end über ganz Deutschland. Ihr Modell basiert auf Daten, die hydrogeologische und Geländeeigenschaften beschreiben. Gefüt- tert wird es mit täglichen Wetterdaten. Der blick zurück funktioniert inzwischen schon recht gut. So konnte das Forscherteam die bodenfeuchte für ganz Deutschland über die letzten 60 Jahre rekonstruieren. Und im Nachgang des Hochwassers 2013 offenbar- te die vergleichende Simulation zum Hoch- wasser 2002, dass sowohl Höhe als auch Ausdehnung 2013 wesentlich stärker von der bodenfeuchte beeinflusst waren (www. ufz.de/vergleich-hochwasserereignisse). Nach der rekonstruktion der Vergangenheit wagen sich die Nachwuchswissenschaftler nun an Szenarien für die Zukunft. Stephan möglichen Modellergebnissen lassen sich keine belastbaren Aussagen treffen. „Für die Simulation der bodenfeuchte ist daher auch ein ensemble aus 200 verschie- denen Szenarien gerechnet worden“, so Zink. Um das hydrologische Modell weiter zu verbessern, ist er außerdem gerade dabei, die Modellierung der Verdunstung zu optimieren, die ebenfalls einen wesent- lichen einfluss auf den Wasserhaushalt hat. Dazu trainiert er das Modell mithilfe von Satellitendaten und kann so die räumlichen Muster der Verdunstung innerhalb großer deutscher Wassereinzugsgebiete genauer abbilden. Mit Satellitendaten gelingt es ihm auch, den Abfluss des Wassers in Flüssen am Computer zu berechnen – ohne dabei Abflussmessungen zu berücksichtigen. es gibt also eine reihe von Stellschrauben, an denen die beiden Nachwuchswissen- schaftler derzeit drehen, um das hydrolo- gische Modell auf Präzision zu tunen. Den Nutzen ihrer Arbeit fest im blick, wünschen sie sich ein für jedermann zugängliches online-Tool, mit dem sich kurz- und langfris- tig die bodenfeuchte vorhersagen lässt – wichtig für viele Landwirte und ein wesent- licher baustein, um Hochwässer künftig genauer vorhersagen zu können. Tilo Arnhold, Susanne Hufe Hydrologe Matthias Zink (links) und Mathematiker Stephan Thober (rechts) suchen gemeinsam nach Lösungen, um Bodenfeuchte und Verdunstung besser vorhersagen zu können. Beide Variablen sind wichtig für eine genauere Hochwasser- vorhersage. (Foto: André Künzel- mann/UFZ) der ZUFALL HILFT der STATISTIK AUF dIe SprüNge U F Z - N A C H w U C H S w I S S e N S C H A F T L e r

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