Seit über 20 Jahren beobachten die Satellitenmissionen GRACE und GRACE-FO die Veränderungen der Wassermassen auf den Kontinenten, der so genannten terrestrischen Wasserspeicher (eng. terrestrial water storage - TWS). Dieser Datensatz ist von unschätzbarem Wert, da er die einzige globale Beobachtung aller Wasserspeicherkompartimente in Summe ist, vom Oberflächenwasser über die Bodenfeuchte, Schnee und Eis bis hin zum Grundwasser. Die lange Zeitreihe ermöglichen es uns, über saisonale Schwankungen und lineare Trends hinaus komplexe zwischenjährliche Veränderungen zu erkennen. Der nördliche Teil des ostafrikanischen Grabens rund um den Viktoriasee ist eine Region mit solchen komplexen zwischenjährlichen Schwankungen. Aber wie können wir den Ursprung dieser Speicherveränderungen bestimmen? Sind sie auf Schwankungen der Seespiegel zurückzuführen oder hat sich der Grundwasserspeicher im Laufe des Zeitraums verändert? Und haben natürliche Prozesse die beobachteten Schwankungen verursacht oder hat der Mensch vor Ort die Wasserspeicherung in der Region beeinflusst? Um den Ursprung dieser Veränderungen zu entschlüsseln, vergleichen wir TWS mit meteorologischen Daten und Daten über die Wasserspeicherung in den Seen, in der Bodenfeuchte und im Grundwasser. Wir fanden heraus, dass nur eine Kombination aus natürlichen Niederschlagsveränderungen und vom Menschen getroffenen Entscheidungen beim Stauseemanagment die langfristigen Veränderungen des TWS erklären kann.
Dr. Eva Boergens, Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ Potsdam
Die Satellitenmission Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE)Deutsch-Amerikanische Satellitenmissionen zur Überwachung von zeitlichen Änderungen der Massenverteilung im System Erde. Jede Mission besteht aus jeweils zwei baugleichen Satelliten deren relative Positionen im Weltraum kontinuierlich vermessen wer... und ihr Nachfolger GRACE-Follow-On (GRACE-FO) beobachten winzige räumliche und zeitliche Schwankungen des Erdschwerefeldes. Über den Kontinenten werden diese Veränderungen vor allem durch die Umverteilung von Wassermassen, dem terrestrischen Wasserspeicher (eng. terrestrial water storage - TWS), verursacht. Wasser wird in verschiedenen Wasserspeichern gespeichert, von Oberflächenwasser und Bodenfeuchtigkeit bis hin zum Grundwasser, aber auch in Schnee und Eis (Abb. 1). GRACE und GRACE-FO können nur die Summe all dieser Wasserspeicherkompartimente beobachten. Daher können wir nicht bestimmen, welches Wasserspeicherkompartiment die Veränderung eines beobachteten TWS-Signals verursacht. Zumindest einige Kompartimente können jedoch mit anderen Satellitendaten beobachtet werden, z. B. mit der AltimetrieVerfahren zur Höhenmessung von Wasserflächen: Mit Hilfe eines Radars oder Lasers kann vom Satelliten aus beispielsweise die Höhe der Meeresoberfläche oder eines Seespiegels gemessen werden. Hierzu werden kurzwellige Radio- oder Laserimpulse senkr... für Seen und Stauseen.
Seit dem Start von GRACE im Jahr 2002 verfügen wir nun über 22 Jahre TWS-Beobachtungen, die uns geholfen haben, komplexere hydrologische Signale zu untersuchen und zu verstehen. Der nördliche Teil des ostafrikanischen Grabens ist eine Region mit einem solchen komplexen interannualen Signal. Die Region umfasst die Victoria-, Tanganjika- und Turkana-Seen, die zu den größten Seen der Welt gehören. Hier beobachteten wir sowohl eine Dürre (vor 2006) als auch eine Überschwemmung (2019–2021), was zu einem insgesamt positiven Trend während des gesamten Zeitraums führte (siehe Abb. 2). Vor allem die Region um den Viktoriasee wies in diesem Zeitraum einen starken Trend auf.
Gleichzeitig sind die Seeufer stark besiedelt, und die Gesellschaften sind in hohem Maße von der Wasserversorgung der Seen abhängig. Daher stellen Dürren und Überschwemmungen ebenfalls eine Bedrohung für die Menschen dar, und ein Verständnis der hydrologischen Dynamik ist erforderlich. Darüber hinaus wird der Abfluss des Viktoriasees durch den Nalubaale-Damm reguliert, über den allerdings keine weiteren Informationen öffentlich zugänglich sind.
Wir verwenden komplementäre Beobachtungen von Niederschlag sowie Bodenfeuchte, Seen und Grundwasser, um die interannuellen Schwankungen von TWS in der Region zu entschlüsseln. Der Niederschlag zeigt viele kurzfristige Schwankungen, während sich TWS nur langsam verändert. Aus diesem Grund haben wir uns entschieden, die Summe der Niederschlagsdaten über die letzten drei Jahre jeweils für jeden Monat zu verwenden, um diese kumulierten Niederschläge mit TWS zu vergleichen (Abb. 3). Hier sehen wir, dass sowohl die Dürre vor 2006 als auch die Überschwemmungen nach 2019 durch zu wenig und zu viel Regen verursacht wurden. Der Mangel an Regen während der Dürre scheint jedoch nicht auszureichen, um das TWS-Defizit zu erklären. Außerdem spiegeln sich die zwischenjährlichen Veränderungen von TWS zwischen 2006 und 2019 nicht im Niederschlagsdatensatz wider.
Um die langfristigen Veränderungen in der TWS besser zu verstehen, untersuchen wir daher auch die verschiedenen Wasserspeicher, aus denen sich TWS zusammensetzt. Im Ostafrikanischen Graben können wir Schnee und Eis getrost ignorieren. Daher untersuchen wir die Oberflächenwasserspeicherung der Seen, die Bodenfeuchte und das Grundwasser (Abb. 4). Dabei betrachten wir die jährlichen Veränderungen der einzelnen Speicher, d. h. die Differenz zwischen Dezember und Januar für jedes Jahr. In den ersten Jahren wurde der TWS Speichermangel hauptsächlich von den Seen verursacht, während der große Wasserüberschuss in den Jahren 2019 und 2020 in ähnlicher Weise in den Seen und im Grundwasser beobachtet wurde.
Daraus können wir schließen, dass unterschiedliche hydrologische Prozesse die Wasserspeicherung in der Region vor 2006 und seit 2019 beeinflusst haben. Dies führt uns zu der Tatsache zurück, dass der Viktoriasee kein natürlicher See mehr ist, da er durch den Nalubaale-Damm reguliert wird. Der Ausfluss am Damm sollte jedoch ein natürliches Fließverhalten nachahmen und somit die HydrologieWissenschaft vom Wasserkreislauf. In der Hydrologie wird die zeitliche und räumliche Verteilung des Wassers, dessen Eigenschaften und dessen Wechselwirkungen mit der Umwelt untersucht. Folgende Wissenschaften sind verwandte Disziplinen oder Teilgebi... der Region nicht stark beeinflussen. Während der anhaltenden Dürre Anfang der 2000er Jahre wurde ein zweiter Wasserkraftdamm flussabwärts des Nalubaale-Damms gebaut und eingeweiht. Unabhängige Daten zeigten, dass aufgrund dieses zweiten Staudamms mehr Wasser am Nalubaale-Damm abgelassen wurde, was zu einem sinkenden Wasserstand des Viktoriasees führte. Dies wiederum wirkte sich unnatürlich auf die Wasserspeicherung in der gesamten Region aus. Insgesamt sind also die langfristigen Veränderungen der TWS, die wir im nördlichen Teil des ostafrikanischen Grabens beobachten, sowohl auf menschliche Entscheidungen als auch auf natürliche Niederschlagsschwankungen zurückzuführen.
Referenz
- Boergens, E., Güntner, A., Sips, M., Schwatke, C., Dobslaw, H. (2024): Interannual variations of terrestrial water storage in the East African Rift region, Hydrol. Earth Syst. Sci., 28, 4733–4754
https://doi.org/10.5194/hess-28-4733-2024
Linktipp
- Faktenblatt zum Terrestrischen Wasserspeicher (TWS)
- Themenschwerpunkt: Gesamtwasserspeicherung
- Themenschwerpunkt: Grundwasser
- HELMHOLTZ Podcast Resonator mit Eva Boergens