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Deutschlandvorhersagen in 500m


Hier entsteht ein neues Vorhersage-Experiment in extrem hoher räumlicher Auflösung (500m)

Wir zeigen Ihnen hier vorläufige Ergebnisse einer neuen hydrologischen Vorhersage-Simulation für Deutschland und die Nachbarregionen und lassen Sie sozusagen an der Entstehung dieser Simulationsrechnug teilhaben. Diese Simulation befindet sich derzeit noch in der sogenannten Einschwingphase, daher sind die Ergebnisse noch nicht belastbar und vorläufig. Aktuell dargestellt ist das Tagesmittel des pflanzenverfügbaren Wassers zwischen der Landoberfläche und 30cm Tiefe und die Tagessumme (d.h. die Bilanz) des Sickerwasserstroms bzw. des kapillaren Aufstiegs in 30cm Tiefe.

Wir benutzen hier das hydrologische Modell ParFlow mit seinem Oberflächenmodul CLM (Common Land Model) zur Simulation beispielsweise der Bodenfeuchte und ihrer Veränderungen. Die ParFlow Vorhersagen erfolgen nahezu täglich für eine Vorhersagezeit von derzeit 24 Stunden. Die Simulationen umfassen den Wasserhaushalt im Boden und an der Erdoberfläche sowie die Wechselwirkungen von Landoberfläche und Vegetation mit der Atmosphäre. Die atmosphärischen Randbedingungen entstammen täglichen Wettervorhersagen des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersage.

Die räumliche Auflösung der ParFlow Vorhersagen ist mit 500m 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.

Hintergrund:
Das Modellsystem befindet sich aktuell in der Einschwingphase (Spin-Up). Dies ist 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.
Von einem stark durchfeuchteten Boden gestartet, wird sich ParFlow in den kommenden Wochen also schrittweise „einschwingen“ und dabei zunehmend realistischere Simulationsergebnisse zeigen. Man kann jedoch jetzt schon viele hydrologische Details, wie die Wasserläufe, den Einfluss der Bodeneigenschaften, oder auch des Reliefs z.B. an trockeneren Hängen und feuchteren Senken erkennen. Wann immer es in den Wettervorhersagen, die das Modell antreiben, regnet, wird auch die Auswirkung des Niederschlags auf die Bodenfeuchte sichtbar.
Sobald ein realistischerer Systemzustand erreicht ist, werden längere Vorhersagezeitspannen bis zu 10 Tagen simuliert werden, auch unter Hinzunahme unterschiedlicher atmosphärischer Antriebe aus einem Vorhersage-Ensemble. Zeitgleich zu den hier gezeigten Vorhersage-Simulationen laufen noch weitere Experimente zur Beschleunigung des Spin-Ups; diese Rechnungen simulieren mehrere Jahrzehnte, berücksichtigen dabei aber nicht das aktuelle Wettergeschehen.


Pflanzenverfügbares Wasser [%nFK]

Pflanzenverfügbares Wasser 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 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.