Die Satellitengravimetrie hat großes Potential zur Optimierung von numerischen Erdsystemmodellen, die Prozesse im Erdsystem und die Wechselwirkungen zwischen seinen Komponenten, z.B. zwischen Atmosphäre und Landoberfläche, simulieren. Beobachtungen der Satellitenmissionen GRACE und GRACE-FO Daten liefern eine über 20 Jahre lange Zeitreihe der globalen Wasserspeicherveränderungen, die zur Verbesserung der Repräsentation des Wasserkreislaufs in diesen Modellen genutzt werden kann. Im Sonderforschungsbereich DETECT arbeiten Forscher:innen daran, die GRACE-/ GRACE-FO-Daten in ein hochaufgelöstes, vollständig gekoppeltes Erdsystemmodell über Europa zu integrieren. Dieses optimierte Erdsystemmodell ermöglicht es, den Einfluss des Menschen auf das europäische Klima zu untersuchen, zum Beispiel im Hinblick auf Landnutzungsänderungen oder Bewässerungspraktiken.
Anne Springer, Universität Bonn
Wie helfen numerische Modelle, unsere Umwelt besser zu verstehen?
In einem kleinen Gemeinschaftsgarten am Meßdorfer Feld in Bonn warten jedes Jahr einige Dutzend Gärtner:innen gespannt auf den Frühling. Sie stellen sich Fragen wie: Ist der Boden eher trocken oder feucht? Wie viel müssen wir gießen? Wie lange speichert der Boden das Wasser im Wurzelbereich? Ist es sinnvoll, Schlangengurken zu pflanzen?
In der Wissenschaft werden solche Fragen in so genannten Landoberflächenmodellen in mathematische Gleichungen übersetzt. Diese Modelle simulieren Wasser- und Energieflüsse sowie biogeochemische Prozesse an der Erdoberfläche und im Boden. Atmosphärische Antriebsdaten und Oberflächeneigenschaften wie Topographie, Landbedeckung und Landnutzung gehen als Informationen in das Modell ein. Dafür wird die Landoberfläche in Gitterzellen unterteilt, und in der vertikalen Dimension in mehrere Tiefenschichten. In jedem Zeitschritt werden für jede Gitterzelle Zustandsvariablen wie Temperatur und Wassergehalt der einzelnen Bodenschichten, Evaporation und Transpiration, reflektierte Strahlung und viele andere berechnet. Ziel der Landoberflächenmodellierung ist es, die komplexen Wechselwirkungen zwischen Boden, Wasser, Vegetation und Atmosphäre auch unter Berücksichtigung menschlicher Eingriffe in das natürliche System zu verstehen.
Wie können Satellitenbeobachtungen Erdsystemmodelle verbessern?
Allerdings sind die Modelle naturgemäß mit Fehlern behaftet, die durch fehlerhafte Prozessdarstellungen oder Unsicherheiten in den Eingangsdaten verursacht werden. Unter anderem werden Trends im Wasserspeicher oft nur unzureichend abgebildet. Durch die Assimilation von GRACE/-FO-basierten Änderungen des Gesamtwasserspeichers werden Modellvariablen aktualisiert, die zum Gesamtwasserspeicher beitragen. Dazu gehören Bodenwasser und Eis in verschiedenen Bodenschichten, Schnee, Wasser in der Vegetation und Grundwasser. Bei der Datenassimilation werden Algorithmen wie der Ensemble Kalman Filter verwendet, mit dem Inkremente für die Modellvariablen auf der Basis von Beobachtungs- und Modellunsicherheiten berechnet werden. Auf diese Weise wird die Modellvorhersage an die Beobachtungen angenähert, was gleichzeitig als räumliches und zeitliches Downscaling – also die Verfeinerung der ursprünglich grob aufgelösten GRACE/-FO-Daten auf eine höhere räumliche und zeitliche Detailgenauigkeit – interpretiert werden kann.
Welchen Beitrag leisten die GRACE/-FO Beobachtungen zu einer hochaufgelösten Reanalyse über Europa?
Im Sonderforschungsbereich DETECT werden an der Universität Bonn in Zusammenarbeit mit dem Forschungszentrum Jülich GRACE/ -FO Daten in das hochauflösende Landoberflächenmodell Community Land Model Version 5 (CLM5) assimiliert. Das Ergebnis ist eine sogenannte Reanalyse des Landoberflächenmodells.
Abbildung 1 zeigt beispielhaft räumliche Trends des Gesamtwasserspeichers für einen Zeitraum von knapp 20 Jahren, einmal mit und einmal ohne Assimilation von Schwerefelddaten. Zum Vergleich sind auch die Trends aus den im Vergleich zum Modell gröber aufgelösten Satellitendaten dargestellt. Es zeigt sich, dass die GRACE/-FO Satelliten in weiten Teilen Europas einen stärkeren negativen Trend (Wasserverlust) sehen als das ursprüngliche Modell. Durch die Datenassimilation wird das Modell in Richtung der GRACE/-FO Daten gezogen, so dass negative Trends im modellierten Wasserspeicher auf dem Balkan, in Skandinavien, auf der Iberischen Halbinsel und über Mitteleuropa hervortreten oder verstärkt werden.
Betrachtet man einen kleinen Ausschnitt, z.B. eine Zeitreihe aus dem Einzugsgebiet des Dnipro, der durch die Ukraine fließt und im Schwarzen Meer mündet, so sieht man, dass nicht nur Trends, sondern auch Extreme in den Zeitreihen durch die GRACE/-FO Assimilation besser dargestellt werden können (Abbildung 2).
Die Anpassung des Gesamtwasserspeichers im Modell beinhaltet einerseits eine Anpassung der Bodenfeuchte in den verschiedenen Bodenschichten sowie der Schneedeckenmächtigkeit, indirekt werden aber auch zahlreiche andere Modellvariablen wie Bodentemperatur, Evapotranspiration, Oberflächenabfluss etc. angepasst. Ob diese Variablen tatsächlich realitätsnäher sind, wird mit externen Beobachtungsdaten validiert. Insgesamt hilft uns die Reanalyse, ein genaueres Bild der Realität zu erhalten und Modelldefizite zu identifizieren.
Wie verändert der Mensch das regionale Klima?
Im Rahmen von DETECT wird das verbesserte Landoberflächenmodell nun mit einem Atmosphärenmodell gekoppelt, um die Wechselwirkungen zwischen Landoberfläche und Atmosphäre detailliert zu untersuchen. Dieses gekoppelte Assimilationssystem ermöglicht es zudem, den Einfluss von Landnutzungsänderungen – etwa den Ersatz von Wald durch Ackerland oder eine Intensivierung der Bewässerung – auf den regionalen WasserkreislaufDer Wasserkreislauf beschreibt den Transport von Wasser aus den Meeren, durch die Atmosphäre, auf das Festland und von dort wieder zurück in die Meere. Das Wasser wechselt bei dieser Reise mehrfach seine Aggregatzustände, d.h. es bewegt sich als f... zu analysieren. Insgesamt soll das verbesserte Modell insbesondere dazu beitragen, die Rolle des Menschen im regionalen KlimaIm Unterschied zum Wetter, das sich auf tagesaktuelle oder sehr kurzfristige Ereignisse bezieht, meint Klima einen mittleren Zustand in der Atmosphäre über einen längeren Zeitraum von 30 bis 40 Jahren hinweg. Beobachtet werden dabei alle Vorgänge...geschehen besser zu verstehen. Übrigens, die Gärtner:innen am Meßdorfer Feld haben soeben die Ergebnisse einer Bodenanalyse erhalten und werden in den nächsten Tagen mit der Aussaat der dicken Bohnen beginnen.