FRAGEN AN DEN WASSER-MONITOR

Der Wasser-Monitor beruht auf wissenschaftlichen Simulationsdaten und -modellen, die sich in ihrer Komplexität auf diesen Seiten nicht darstellen lassen. Dennoch gibt es Fragen, die uns immer wieder erreichen. An dieser Stelle sammeln und beantworten wir sie.

"Woran kann es liegen, dass mein Garten völlig unter Wasser steht, obwohl der Wasser-Monitor eigentlich im roten Bereich steht?"

Das hydrologische Modell ParFlow berechnet den Bodenwasserzustand und seine Veränderungen, von dem die Vorhersagen des pflanzenverfügbaren Wassers abgeleitet werden, anhand der zugrundeliegenden physikalischen Gesetze. Trotzdem kann es örtlich zu signifikanten Unterschieden zwischen dem Modell und der Wirklichkeit kommen. Zum einen hat das Modell mit genau 611 Metern zwar eine sehr hohe räumliche Auflösung, jedoch reicht diese immer noch nicht aus, um lokale Begebenheiten exakt abzubilden. Eine gewisse räumliche Vereinfachung bleibt vorhanden und ist unerlässlich. Auch die Bodeneigenschaften und die Landnutzung, die den Wassergehalt im Boden beeinflussen, können trotz ihrer hohen Auflösung nicht den genauen Zustand an jedem Punkt in der Natur abbilden. Zudem “kennt” das Modell den Zustand des Wassers im Boden zu Beginn jeder Vorhersage nicht genau. Um die Vorhersagen vom wirklichen Ist-Zustand starten zu können, bräuchte man tägliche hochaufgelöste, flächendeckende und über mehrere Bodentiefen verteilte Bodenfeuchtemessungen, was praktisch nicht möglich ist. Schließlich sind auch die Wettervorhersagedaten, anhand derer wir die Bodenfeuchtevorhersagen berechnen, mit einer gewissen Unsicherheit behaftet, insbesondere der Niederschlag, der bei der Bodenfeuchte eine sehr wichtige Rolle spielt. Wann, wo und wie viel es regnen wird ist schon wenige Tage im Voraus schwierig vorherzusagen, insbesondere wenn es sich um sogenannten konvektiven Niederschlag (Schauer, Gewitter) handelt.

"Warum hat eine Modellgitterzelle (ein Pixel in der Karte) 100 % und daneben eine nur 30 %?"

Je nach Bodenbeschaffenheit und Lage im Gelände kann es sehr große Unterschiede im pflanzenverfügbaren Wasser über kurze Entfernungen geben. Zum Beispiel zeigt das pflanzenverfügbare Wasser in Tallagen generell sehr hohe Werte (> 100 %), weil dort der Boden fast permanent gesättigt ist, insbesondere wenn der Modellgitterpunkt einen Wasserlauf enthält. Die benachbarten Gitterpunkte, die schon in den Hängen liegen, können deutlich trockener sein und sogar sehr niedrige Werte erreichen.

"Warum hat die Skala 110 %?"

Die Feldkapazität, die bei einem pflanzenverfügbaren Wasser von 100 % erreicht wird, stellt die Menge Wasser dar, die der Boden enthalten muss, damit Pflanzen es leicht, ohne besondere "Anstrengung", entnehmen können (Aufbau einer starken Saugkraft durch die Wurzeln), d. h. das Wasser ist kaum an den Poren des Bodens gebunden. Die vollständige Sättigung des Bodens, also wenn alle Poren mit Wasser gefüllt sind und der Boden kein zusätzliches Wasser aufnehmen kann, liegt höher. Deshalb kann das pflanzenverfügbare Wasser Werte weit über 100 % erreichen (je nach Bodenbeschaffenheit bis zu 200 - 300 %).

Bei Werten über 100 % nFK wird das Wasser allerdings nicht stark genug in den Bodenporen gehalten, sodass es vom Boden nicht gespeichert werden kann, sondern durch die Erdanziehungskraft versickert, bevor es von den Pflanzen aufgenommen werden kann. Steigt der Grundwasserspiegel und steht das Wasser frei im Boden als Grundwasser an, dann kann es einfach durch die Wurzeln aufgenommen werden. Jedoch kann dieser Zustand, wenn er mehrere Tage in Form von Staunässe anhält, für zahlreiche Pflanzenarten schädlich sein – die Wurzeln beginnen zu faulen.

"Warum wird im Wasser-Monitor nur der Abschnitt bis in eine Tiefe von 30 cm betrachtet?"

Die Farbskala zeigt die Menge an Wasser, die im Boden bis in eine Tiefe von 30 cm gespeichert ist und Pflanzen tatsächlich zur Verfügung steht. Um eine sinnvolle Aussage zum pflanzenverfügbaren Wasser für tiefer wurzelnde Kulturen zu machen, muss man die Berechnung für eine andere vertikale Schichtdicke, also zum Beispiel mehr als 30cm durchführen. Der Einfachheit halber sind aktuell im Wasser-Monitor nur Werte für die obersten 30cm dargestellt

"Welche Datenbanken zu Bodeneigenschaften, Landnutzung etc. und Wettervorhersagen werden verwendet?"

Die Bodeneigenschaften sind für die oberen Bodenschichten aus den Texturinformationen (Sand-, Schluff- und Lehmgehalt) der SoilGrids Datenbank entnommen, deren Einträge wiederum anhand von beobachteten Bodenprofilen und Satellitendaten ermittelt wurden. Die Bodeneigenschaften der Modellgitterpunkte, die in den Gesteinsschichten liegen, wurden anhand der International Hydrogeological Map of Europe definiert. Durch sogenannte Pedotransferfunktionen werden dann die Bodentypen in die für unser hydrologisches Modell ParFlow relevanten bodenhydraulischen Parameter wie Wasserleitfähigkeit und Porosität übersetzt. Die Landnutzung stammt vom CORINE Land Cover Datensatz, der vom Erdbeobachtungsprogramm der Europäischen Union COPERNICUS anhand von Satellitendaten von Erdbeobachtungssatelliten abgeleitet wurde. Das Gefälle jedes Modellgitterpunktes anhand dessen das Gelände im hydrologischen Modell dargestellt wird, beruht auf ASTER, einem sehr hoch aufgelösten satellitenbasierten digitalen Geländemodell. Als Wettervorhersagen (Niederschlag, Lufttemperatur, -feuchtigkeit, und -druck, Windgeschwindigkeit und -richtung sowie kurz- und langwellige Sonneneinstrahlung an der Erdoberfläche), mit denen das hydrologische Modell ParFlow angetrieben wird, um den Bodenwasserzustand vorherzusagen, benutzen wir die tägliche deterministische Wettervorhersage des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersage (ECMWF) in einer stündlichen zeitlichen Auflösung.

"Warum und wie wird die Unsicherheit berechnet?"

Die Wettervorhersagen, mit denen das hydrologische Modell ParFlow angetrieben wird, beinhalten eine gewisse Unsicherheit, die sich in den Vorhersagen des Bodenwasserzustands spiegelt. Wenn zum Beispiel über einer Region Schauer oder Gewitter erwartet werden, ist es mit den Wettervorhersagen nur schwer möglich, genau vorherzusagen, wann, wo und wie viel Niederschlag fallen wird. Um die daraus resultierende Unsicherheit in den hydrologischen Simulationen abzuschätzen, wird neben der Basis-Vorhersage, die auf der Wasser-Monitor-Hauptkarte angezeigt wird, ein sogenanntes Ensemble berechnet, das aus 50 weiteren Zusatz-Vorhersagen besteht. Diese ParFlow Zusatz-Vorhersagen unterscheiden sich lediglich durch die Wettervorhersagen mit denen sie angetrieben werden. Dazu verwenden wir 50 verschiedene Wettervorhersagen, die parallel zur Basis-Wettervorhersage vom Europäischen Zentrum für mittelfristige Wettervorhersage (ECMWF) zur routinemäßigen Unsicherheitsabschätzung erzeugt werden.

Der Wertebereich über den sich das Ensemble dieser 50 Zusatz-Vorhersagen verteilt, zeigt, wie verlässlich die Haupt-Vorhersage ist. Auf den Zeitreihen wird dieser Bereich anhand des Minimums, des Maximums, des unteren und oberen Quartils und des Medians abgebildet. Das untere Quartil markiert den Wert des pflanzenverfügbaren Wassers, unter dem ein Viertel der 50 Zusatz-Vorhersagen liegen. Beim oberen Quartil sind es entsprechend drei Viertel. Die Hälfte der Zusatz-Vorhersagen zeigt einen niedrigeren bzw. höheren Wert als den Median. Je größer die Bandbreite, insbesondere zwischen den Quartilen, desto größer ist die Unsicherheit der Vorhersage. Die Extreme (Maximum und Minimum) können stark von den Quartilen abweichen. Zum Beispiel kann das Maximum vergleichsweise einen deutlich höheren Wert anzeigen, wenn nur eine einzelne Zusatz-Vorhersage an einem bestimmten Ort sehr große Niederschlagsmengen vorhersagt, was das pflanzenverfügbare Wasser dann stark ansteigen lässt.

Die vier Farbklassen auf der Unsicherheitskarte werden auf Basis der Differenz zwischen dem 10. und dem 90. Perzentil berechnet. Das 10. Perzentil ist der Wert des pflanzenverfügbaren Wassers unter dem 10 % der Zusatz-Vorhersagen liegen. Beim 90. Perzentil sind es 90 %. Die vier Farbklassen - von „sicher“ bis „unsicher“ - stehen jeweils für Differenzen kleiner als 15 %, zwischen 15 % und 30 %, zwischen 30 % und 50 %, und größer als 50 %. Ist die Bandbreite im Vorhersage-Ensemble an einem Modellgitterpunkt nach obigem Verfahren groß, dann gilt die „Vorhersage“ als unsicher und damit sind die Ergebnisse des Wasser-Monitors für diesen Ort und diesen Zeitpunkt in der Zukunft wenig verlässlich.