Abb. 1: Entwicklung der monatlichen Bodenwasserspeicher-Anomalie, räumliches Mittel über Deutschland von 2010-Jan bis 2026-Mai, simuliert im Rahmen täglicher Vorhersagen mit dem integrierten hydrologischen Modell ParFlow/CLM (www.parflow.org) in einer Auflösung von 611m; atmosphärischer Antrieb: deterministischer ECMWF HRES Lauf (,hindcast"), und 7-Monats-Vorhersage von 2026-Jun bis 2026-Dez auf Grundlage der saisonalen Vorhersage ECMWF SEAS (seasonal forecast") mit 50 Ensemble Membern. Überlagert sind die Monatsmittel (schwarze Punkte) der täglich aktualisierten Simulationsergebnisse aus der deterministischen Vorhersage (ECMWF HRES).

Abb. 2: Pflanzenverfügbares Wasser [%nFK] ist das Wasser, das im Porenraum bei einem Matrixpotentail größer als der permanente Welkepunkt und kleiner als der Feldkapazität (FK) gespeichert ist. Das pflanzenverfügbare Wasser ist auch als nutzbare Feldkapazität bekannt (nFK) und wird in Prozent ausgedrückt. Ein Anteil von 0% nFK entspricht dabei dem permanenten Welkepunkt und ein Anteil von 100% nFK entspricht der Feldkapazität.

Abb. 3: Wie Abb. 2, aber 0-2m Tiefe.

Abb. 4: Die Abweichung der Versickerungsrate vom vieljährigen Mittel [%], auch als Anomalie bezeichnet, gibt in Prozent an, wie stark die Summe des in den Boden versickerten Wassers innerhalb der 30 Tage vor dem angegebenem Datum von der langjährigen (2010 bis 2024) 30-Tage Summe abweicht. Diese Abweichung hilft bei der Beantwortung der Frage, ob die Versickerungs- bzw. Infiltrationsrate der letzten 30 Tage im Vergleich zum mittleren Zustand am jeweiligen Ort und zur jeweiligen Zeit ungewöhnlich (anomal) niedrig oder hoch war. Die Infiltration, die sich aus Niederschlag und Schneeschmelze ergibt, ist der wesentliche Massenfluss in den Untergrund und bestimmt damit stark den Bodenwasserhaushalt. Die Grundlage für die Berechnung sind eine Klimatologie der Basis-Simulationen und die aktuellen Basis-Simulationen (HRES-angetrieben). Da die atmosphärischen Antriebe eine geringe räumliche Auflösung haben, sind die Felder weniger detailliert.

Abb. 5: Die Abweichung Bodenwasserspeicher vom vieljährigen Mittel [%], auch als Anomalie bezeichnet, gibt in Prozent an, wie stark das jeweilige Tagesmittel vom langjährigen 31-Tage Mittel abweicht. Das 31-Tage Mittel ist der 15-jährige Mittelwert (2010 bis 2024) aus dem im Boden gespeicherten Wasser 15 Tage vor und nach dem jeweiligen Tag. Wir geben die Abweichung für vier Schichten ab der Bodenoberfläche an. Diese Abweichung hilft bei der Beantwortung der Frage, ob der aktuelle Bodenzustand im Vergleich zum mittleren Zustand am jeweiligen Ort und zur jeweiligen Zeit ungewöhnlich (anomal) niedrig oder hoch ist. Dies hilft dann z.B. bei der Bewertung, ob wir uns in einem extremen Systemzustand befinden. Die Grundlage sind eine Klimatologie der Basis-Simulationen und die aktuellen Basis-Simulationen (HRES-angetrieben).

Abb. 6: Wie Abb. 5, aber 0-2m Tiefe.

Abb. 7: Sickerwasserstrom bzw. kapillarer Aufstieg [mm/Tag]: Die vertikale Wasserbewegung im Boden über dem Grundwasserspiegel, also im ungesättigten Bodenbereich, ist in der Tagessumme entlang einer Tiefenschicht entweder nach unten gerichtet (Sickerwasserstrom) oder nach oben (kapillarer Aufstieg). Diese Bodenwasserbewegung ist bedeutsam für die Grundwasserneubildung und kann auch als Maß für den Transport von Nährstoffen dienen. Die blauen Bereiche markieren jene Modellgitterpunkte an denen der Grundwasserspiegel oberhalb 30cm Tiefe liegt, d.h. hier findet eine gesättigte Wasserbewegung statt.

Abb. 8: Relative monatliche Abflussanomalien am Pegel Kaub (Global Runoff Data Centre, GRDC, Stations-ID 6335100), 2010–2026 — Beobachtung (GRDC, blau), Simulation (ParFlow DE06, rot) sowie beide überlagert. Die Anomalie ist die Abweichung des Monatsmittels vom langjährigen Mittel des jeweiligen Kalendermonats (Referenzzeitraum 2010–2025, für jede Reihe separat berechnet), ausgedrückt in Prozent dieses Monatsmittels; Saisonalität und der mittlere Bias jeder Reihe sind damit entfernt. Gelb hinterlegt sind die ausgeprägten Niedrigwasserjahre am Rhein (2011, 2015, 2018, 2022), die gestrichelten Vertikalen markieren das Ende der jeweiligen Zeitreihe (GRDC 12/2025, ParFlow 07/2026).

Fig. 9: Stations-Meteogramm einer der FZJ Beobachtungsstationen, hier nahe Haltern am See. Die Stations-Meteogrammme zeigen einen 7-tägigen Rückblick (bzw. 168 Stunden ab dem aktuellen Termin in die Vergangenheit) wichtiger bodennaher meteorologischer Größen Lufttemperatur, relative Feuchte, Windgeschwindigkeit und Böen (maximale Windgeschwindigkeit pro Stunde), Windrichtung, Bodenluftdruck, kurzwellige solare Einstrahlung (Globalstrahlung) und Niederschlagsmenge, alle gemessen in 2m über Grund. Die täglichen Sonnenauf- und -untergangszeiten sind farblich im Diagramm hinterlegt und zeigen ortsspezifisch die Tageslänge an. Die Messwerte der Bodenfeuchte und Bodentemperatur sind in einem Vertikalprofil über die Bodenschicht von 5 bis 60cm dargestellt. Zwischen den Sensortiefen von 5, 15, 30 und 60cm sind die Messwerte linear interpoliert.

Wir verwenden zwei unterschiedliche Verfahren zur Bestimmung der Bodenfeuchte: (1) Fünfte Abb. von oben: Zur Bestimmung der Bodenfeuchte über die gesamte Parzellengröße werden so genannte "Cosmic Ray Neutron Sensors" eingesetzt. Diese Systeme messen die natürliche Neutronenstrahlung des Bodens, die mit dem Bodenwassergehalt korreliert ist. Die Beobachtungsdaten werden drahtlos in nahezu Echtzeit über die NB-IoT Anwendung zu einem zentralen Server gesendet, verarbeitet, und stündlich als Beobachtungsdaten visualisiert und veröffentlicht. (2) Sechste Abb. von oben: Punktuelle Bodenfeuchte- und temperaturwerte werden über jeweils einem Sensorpaar in 5, 15, 30 und 60cm Tiefe über das FDR (Frequenzbereichsreflektometrie) Verfahren gemessen. Die dazugehörige Sensoreinheit wird im Institut für Bio- und Geowissenschaften (IBG-3, Agrosphäre) produziert und kalibriert.