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Deutschlandweite 9-Tages Vorhersage zum Wasserhaushalt in 0.6km

Hier finden Sie die Ergebnisse der täglich gerechneten 9-Tages-Vorhersagen ("Basis-Simulation"). Alle zwei Tage ergänzen wir diese Vorhersagen durch 50 weitere 9-Tages-Vorhersagen zur Abschätzung der Unsicherheiten der Wettervorhersagen ("Zusatz-Simulationen"). Aus den hydrologischen Vorhersagen des ADAPTER Projektes werden Analysen aller wichtigen Größen des Bodenwasserhaushalts in hoher räumlicher Auflösung als Vorhersage-Karten für Deutschland und Nachbarregionen abgeleitet. Updates sind flächendeckende Zeitreihen (Januar 2022), Anomaliekarten (Mai 2022) und -- als Testversion -- saisonale Vorhersagen über vier Monate in die Zukunft basierend auf einem Antriebsdaten-Ensemble (Juli 2022). Dieses flächendeckende Monitoring zum aktuellen Zustand und der Entwicklung, z.B. der Bodenfeuchte in verschiedenen Schichten, basiert auf Simulationen mit dem hydrologischen Modell ParFlow.

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Folgende Diagnostiken und prognostische Variablen sind als Karten zum Aufklappen in den Akkordeons für verschieden mächtige bzw. tiefe Bodenschichten verfügbar. Die Grundlage hierfür bildet die Basis-Simulation:

In unregelmässigen Abständen berechnen wir saisonale Vorhersagen, basierend auf einem Ensemble aus atmosphärischen Antriebsdaten, aus denen die Wahrscheinlichkeit des Über- bzw. Unterschreitens kritischer Schwellenwerte berechnet wird:

Jeder Kartentyp ist mit einer Erklärung versehen.

Mit dem Player am unteren Rand der Abbildungen können Sie die Animation steuern bzw. verschiedene Vorhersagetage auswählen. Ein Links-Klick öffnet die jeweils sichtbare Abbildung in einem eigenen Fenster in voller Grösse und hoher Auflösung; ein Rechts-Klick auf die Abbildung erlaubt es, eine Bilddatei im PNG Format herunter zu laden.

Die ParFlow Simulationsrechnungen umfassen den Wasserhaushalt im Boden und an der Erdoberfläche sowie die Wechselwirkungen von Landoberfläche und Vegetation mit der Atmosphäre. Als Monitoring-Werkzeug erfassen und verfolgen wir die aktuelle und vergangene Entwicklung des Wasserhaushalts und der Wasserresourcen in Deutschland. Die Vorhersagen erlauben Rückschlüsse auf die Entwicklung in naher Zukunft. Damit lassen sich u.a. Dürren oder Wasserverfügbarkeit erfassen und abschätzen. Die atmosphärischen Randbedingungen entstammen täglichen Wettervorhersagen des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersage (ECMWF). Die räumliche Auflösung der ParFlow Vorhersagen ist mit 0.6km vergleichsweise sehr hoch. Dadurch werden z.B. topographische Gegebenheiten oder die Landnutzung sichtbar. Das Modell verfügt über 15 Bodenschichten von der Oberfläche bis in 60m Tiefe. Eine menschliche Wassernutzung durch Grundwasserentnahme oder Bewässerung ist in den aktuellen Simulationen nicht enthalten.

In den Bodenwasserhaushalt-Vorhersagen für alle Kartenstandorte in Deutschland und den Nachbarregionen verbinden wir die Basis- und die Zusatz-Simulationen; hier sind Zeitreihen für einzelne Standorte abrufbar. Weitere Informationen befinden sich hier.

Einige Hintergrund-Informationen:

  • Nach einer Einschwingphase (Spin-Up) befindet sich das Modell nunmehr seit einigen Monaten in einem realitätsnahen Systemzustand. Die Einschwingphase war erforderlich, da ParFlow nicht von Beginn des Experiments den tatsächlichen, momentanen Zustand der Bodenwasserverteilung „kennt“, sondern von einem vereinfachten Zustand startet. Durch das Zusammenspiel von Niederschlag, Verdunstung und (Oberflächen)-Abfluss nähert sich das Modell stetig dem tatsächlichen hydrologischen Zustand an, bis sich das System Boden-Landoberfläche-Atmosphäre in einem dynamischen Gleichgewicht befindet. Durch die große Trägheit der Wasserbewegung im Boden, insbesondere in tieferen Schichten, nimmt dieser Einschwingprozess eine gewisse Zeit in Anspruch.
  • Viele hydrologische Details, wie die Wasserläufe, den Einfluss der Bodeneigenschaften, oder auch des Reliefs z.B. an trockeneren Hängen und feuchteren Senken sind erkennbar. Wann immer es in den Wettervorhersagen, die das Modell antreiben, regnet, wird auch die Auswirkung des Niederschlags auf die Bodenfeuchte sichtbar. Mit einem nunmehr erreichten realistischeren Systemzustand, simulieren wir nahezu täglich Vorhersagezeitspannen von 9 Tagen.
  • Die Basis-Simulationen werden von ECMWF HRES Vorhersagen angetrieben, die Zusatz-/Ensemble-Simulationen mit ECMWF ENS Vorhersagen.
  • In Entwicklung: Basierend auf sog. Klimatologien der letzten Jahre sind derzeit Produkte in Vorbereitung, die eine verbesserte Einordnung der aktuellen Zustände und Entwicklungen aus den Vorhersagen erlauben, im Sinne eines "Monitorings".

Stand: 2022-05-31

Bodenwasserhaushalt-Vorhersagen für Ihren Standort

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Basierend auf den 9-Tages Vorhersagen zum Wasserhaushalt in 0.6km räumlicher Auflösung für Deutschland und die Nachbarregionen, können Sie hier für die Bundesländer eine Karte in einem neuen Web-Browser Tab aufrufen.

Über diese Karte können Sie für Ihren Standort sowohl die vergangene als auch die zukünftige Entwicklung des Bodenwasserhaushalts aufrufen. Die zugrundeliegenden Daten sind die Simulationsergebnisse über Deutschland und den Nachbarregionen in 0.6km, der Einfachheit halber sind die Daten auf ein Raster von 3km x 3km zusammengefasst. D.h. jede Zeitreihe ist ein räumliches Mittel über eine Fläche von 9km2.

Wir zeigen auf Tagesbasis von oben nach unten:

  • die Versickerungsrate (Infiltrationsrate) [mm pro Tag];
  • die Verdunstung basierend auf den Pflanzentypen in ParFlow [mm pro Tag];
  • die Versickerungsrate bzw. den kapillaren Aufstieg [mm pro Tag] an unterschiedlichen Tiefenschichten;
  • das Tagesmittel des pflanzenverfürgbaren Wassers [%] für unterschiedliche Schichten;
  • das Tagesmittel der Bodenfeuchte [%] an unterschiedlichen Tiefenschichten;
  • die Änderung des Bodenwasserspeichers [mm pro Tag] für unterschiedliche Schichten;
  • die Änderung des Grundwasserspiegels [m pro Tag], ein positiver/negative Wert bedeutet der Grundwasserspiegel steigt/fällt;
  • das Tagesmittel der Bodentemperatur [Grad Celsius] in 5cm Tiefe;

immer für einige vergangene Tage und als Vorhersage bis zu 9 Tage in die Zukunft.

Das Besondere: Die Daten beruhen neben einer Basis-Simulation (angetrieben durch ECMWF HRES) auf insgesamt 50 verschiedenen Simulationsrechnungen (sog. Ensemble-Membern) mit dem ParFlow-Modell, die alle mit einer anderen Wettervorhersage des ECMWF (ENS) gespeist wurden. Hiermit wird es möglich, zumindest die Unsicherheit, die mit den Wettervorhersagen einhergeht, in einem gewissen Umfang abzuschätzen. Wir rechnen ein solches "Ensemble" alle zwei Tage. Die Basis-Simulation ist mit durchgezogenen Linien oder Balken dargestellt, die komplette Bandbreite der Zusatz-Simulationsergebnisse ist mit einer farbigen Schraffur bzw. mit einem vertikalen, grauen Strich gekennzeichnet. Mit zunehmender Vorhersagedauer nimmt die Unsicherheit und damit die Bandbreite der Ergebnisse zu. Trotz dieser Vorgehensweise bestehen natürlich noch weitere Unsicherheiten und Vereinfachungen, die nicht alle vollständig vermieden oder berücksichtigt werden können. (Die Karten, die wir unten auf dieser Seite zeigen, sind das Ergebnis einer einzelnen Simulationsrechnung, der Basis-Simulation).

Sie können einen Standort durch Klick auf die Karte auswählen. Die Vorhersage-Zeitreihen öffnen sich als Bilddatei, jeweils in einem neuen Web-Browser Tab. Die Landkreisgrenzen, Flüsse, einige Städtenamen und die Topographie helfen bei der Orientierung. Setzen Sie in Ihrem Web-Browser ein Lesezeichen auf die Standort-Abbildung, um regelmäßig die neuesten Entwicklungen an Ihren Standorten zu verfolgen.


Neu 1: Abweichung Bodenwasserspeicher vom vieljährigen Mittel

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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 12-jährige Mittelwert (2010 bis 2021) 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 hift 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).


Neu 2: Abweichung Versickerungsrate vom vieljährigen Mittel

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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 2021) 30-Tage Summe abweicht.
Diese Abweichung hift 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.


Neu 3: Saisonale Vorhersage, pflanzenverfügbares Wasser

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Die saisonalen Vorhersagen werden ein paar Mal pro Jahr berechnet, jeweils bis zu vier Monate in die Zukunft. Sie basieren auf einem atmosphärischen Antriebsdatensatz, der aus 50 Simulationen, also eigenständigen Vorhersagen, besteht (sog. Ensemble-Member) (hier: ECMWF SEAS). Diese 50 Simulationen unterscheiden sich also durch ihren atmosphärischen Antrieb und seine Auswirkung auf den Bodenwasserhaushalt. Da die Vorhersagen über z.B. 10 Tage in die Zukunft bereits mit einer großen Unsicherheit behaftet sind, können längerfristige Vorhersagen wie diese nur über einen probabilistischen Ansatz, also einer Analyse der Wahrscheinlichkeit, angegangen werden.
Die aktuelle saisonale Vorhersage umfasst den Zeitraum Anfang Juli 2022 bis Ende Oktober (Initialisierung: 1. Juli 2022). Aus jeder der 50 Simulationen wird das pflanzenverfügbare Wasser in der Tiefenschicht 0-30cm abgeleitet und pro Woche gemittelt. Anschließend wird für jede Woche die Wahrscheinlichkeit berechnet mit der der Schwellenwert 30% pflanzenverfügbares Wasser (erste Welksymptome treten auf) unterschritten wird. Wenn z.B. alle 50 Simulationen an einem Punkt im Wochenmittel pflanzenverfügbares Wasser unter 30% simulieren, dann läge die Wahrscheinlichkeit bei 100% (sehr wahrscheinlich); wenn nur 25 Simulationen die Unterschreitung zeigen, dann läge sie bei 50% (weder wahrscheinlich noch unwahrscheinlich). Somit ist eine gewisse Risikoabschätzung zur zukünftigen Entwicklung der Bodenfeuchte möglich.
Bitte beachten Sie die Informationen zur Nutzung unserer Informationsprodukte. Die Simulationsergebnisse und die damit einhergehenden Vorhersagen der Bodenfeuchte sind immer mit Unsicherheiten behaftet. Die hier gezeigten Informationesprodukte sind eine Zusatzinformation, die als Anhaltspunkt dienen könnnen, um zu beurteilen, wie feucht der Boden in einem bestimmten Gebiet in Deutschland ist. Auch z.B. die Wirksamkeit konkreter Bewässerungsmaßnahmen lässt sich mit Hilfe der hier dargestellten Simulationsdaten nicht unmittelbar ableiten. Mit zunehmender Vorhersagedauer nimmt die Güte einer Vorhersage zunehmend ab.


Pflanzenverfügbares Wasser, Tagesmittel

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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.


Sickerwasserstrom, Tagessummen

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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.

Hintergrund:
Der Sickerwassserstrom im ungesättigten porösen Medium des Bodens wird mit der Darcy-Gleichung berechnet basierend auf vertikalen hydraulischen Gradienten zwischen zwei ParFlow Modellschichten.


Änderung Bodenwasserspeicher seit Vorhersagestart, Zustand zum Tagesende

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Änderung des Bodenwasserspeichers zum jeweiligen Tagesende mit Bezug zum Simulationsstart [mm]: Der Bodenwasserspeicher bis in die jeweils betrachtete Tiefe (z.B. von der Landoberfläche bis in 30cm Tiefe) gibt die im Porenraum der jeweiligen Bodenschicht gespeicherte Menge Wasser in mm Wassersäule an. 1mm Wassersäule entspricht dabei der Menge von 1l Wasser pro Quadratmeter. Die Massenbilanz dieser Bodenschicht ist beeinflusst durch auf- bzw. absteigende Bodenwasserbewegungen, Verdunstung und Niederschlag bzw. Schneeschmelze. Die Änderung des Bodenwasserspeichers mit Bezug zum jeweiligen Vorhersagestart gibt für das Ende jedes Vorhersagetages (d.h. 24UTC) die Massenbilanz während der Simulation an, d.h. eine Gesamtabnahme oder -zunahme oder keine Veränderung des Speichers seit Beginn der Simulation. Insbesondere Niederschlagsereignisse im Laufe eines Tages führen zu einer Zunahme des Bodenwassers.


Bodenwasserspeicher, Zustand zum Tagesende

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Bodenwasserspeicher am jeweiligen Tagesende [mm]: Der Bodenwasserspeicher bis in die jeweils betrachtete Tiefe gibt die im Porenraum des Oberbodens gespeicherte Menge Wasser in mm Wassersäule an. 1mm Wassersäule entspricht dabei der Menge von 1l Wasser pro Quadratmeter. Die Massenbilanz dieser Bodenschicht ist beeinflusst durch auf- bzw. absteigende Bodenwasserbewegungen, Verdunstung und Niederschlag bzw. Schneeschmelze.


Druck, Zustand zum Tagesende

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Druck am jeweiligen Tagesende [m]: In den Bereichen wo der Druck positive Werte aufweist, ist der Boden wassergesättigt. Dort liegen die Modellgitterpunkte unterhalb des Grundwasserspiegels und der Druck entspricht der Grundwassersäule (in m) oberhalb der Modellgittermittelpunkte, d.h. oberhalb von 23.5cm im Falle einer abgebildete Schicht den Boden von 17cm bis 30cm Tiefe umfasst (im Falle einer Tiefenangabe von 30cm).

Dort wo der Druck negative Werte zeigt, ist der Boden ungesättigt. Der Druck entspricht dann dem Matrixpotential (1m = 10kPa), also dem Sog mit dem der Boden das Wasser festhält, und somit auch dem Sog, den z.B. Wurzeln ausüben müssen um Wasser aus dem Boden entnehmen zu können. Je weniger Wasser im Boden enthalten ist, desto negativer wird der Druck. Insbesondere bei anhaltendem trockenem und warmem Wetter mit einer starken Verdunstung kann der Druck in den oberen Zentimetern des Bodens sehr negative Werte aufweisen.

Der Druck ist der grundlegende Parameter, anhand dessen im hydrologischen Modell ParFlow der Bodenwasserzustand und seine Veränderungen berechnet werden. Alle anderen hier aufgeführten Diagnostiken werden anhand des Drucks und der Bodeneigenschaften (Porosität, bodenhydraulische Parameter wie Wasserleitfähigkeit, Van Genuchten Parameter) berechnet.


Sättigung, Zustand zum Tagesende

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Sättigung am jeweiligen Tagesende [%]: Die Sättigung gibt den Anteil des Porenraums an, der in einer bestimmten Tiefenschicht mit Wasser gefüllt ist. Bei einer Sättigung von 100% ist der gesamte Porenraum gefüllt und der Boden kann kein zusätzliches Wasser mehr aufnehmen. Selbst wenn der Boden stark ausgetrocknet ist, bleibt immer ein wenig Wasser an den Bodenpartikeln haften, so dass die Sättigung nie 0% erreicht. Diese sogenannte Restsättigung liegt je nach Bodentyp zwischen 10% (sandige Böden) und 30% (lehmige Böden). Die Tiefenangaben beziehen sich hier auf den unteren Rand der jeweils betrachteten Schicht im Modell.