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398 räumlich und zeitlich hoch aufgelösten Beobachtungen mit hydrologischen Modellen erwartet. Globale Hydrologie und Satellitenmission GRACE Zeitliche Änderungen der Wasserspeicherung auf den Kontinenten stellen eine wesentliche Komponente im Wasserkreislauf der Erde dar. Speicheränderungen tragen z. B. über den Gerinneabfluss in die Ozeane zu Meeresspiegelschwankungen bei. Basierend auf den zeitvariablen Schwerefeldern der Satellitenmission GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) ist es nun erstmals möglich, die Variationen der Wasserspeicherung für große Flusseinzugsgebiete und für Kontinente zu bestimmen. Die globale Hydrologie ist somit ein wichtiger Anwendungsbereich der vom GFZ Potsdam geleiteten GRACE- Mission und ein zentraler Baustein im Helmholtz-Programm „Geosystem: Erde im Wandel“. In der Sektion 5.4 Ingenieurhydrologie wurde das an der Universität Kassel entwickelte globale hydrologische Modell WGHM zur Simulation des kontinentalen Wasserkreislaufs der Erde und aller Speicherkomponenten (Grundwasser, Bodenwasser, Schnee, Oberflächengewässer) eingerichtet. Die Modellergebnisse zeigen z. B. starke saisonale Variationen der Wasserspeicherung in tropischen Regionen, insbesondere entlang der großen Ströme und ihrer Überschwemmungsgebiete, sowie in Gebieten der hohen Breiten mit einer starken Schneeakkumulation im Winter (Abb. 5.44). Der Vergleich der Modellergebnisse mit den Wasserspeicheränderungen, die aus zeitvariablen Schwerefeldern von GRACE abgeleitet wurden, zeigt eine überwiegend gute Übereinstimmung der räumlichen und zeitlichen Muster auf der globalen Skala und für große Einzugsgebiete (Abb. 5.45). Die GRACE-Daten ermöglichen es aber auch, Defizite in den hydrologischen Modellen zu identifizieren. So weist das verfrühte Auftreten des jährlichen Speichermaximums im Modell (Abb. 5.45) auf eine unzureichend simulierte Retention des Abflusses in Überschwemmungsgebieten oder Seen hin. Arbeitsschwerpunkte in künftigen Projekten im Rahmen des BMBF/ DFG-Sonderprogramms „Geotechnologien: Erfassung des Systems Erde aus dem Weltraum“ sowie des DFG- Schwerpunktprogramms „Mass Transport and Mass Distribution in the Earth System“ sind die verbesserte Separation hydrologischer Signale aus GRACE-Daten sowie die Weiterentwicklung der globalen hydrologischen Modellierung unter Nutzung von GRACE-Daten und anderen globalen Datensätzen. Modellierung und Monitoring für kleine Einzugsgebiete Im DFG-geförderten Antragsbündel „Abflussbildung und Einzugsgebietsmodellierung“ analysierte die Sektion 5.4 die hydrologischen Prozesse im Löhnersbach in den Salzburger Alpen (Abb. 5.46). Ziel der Arbeiten war es, die dominanten Abflussbildungsprozesse im Feld zu identifizieren und darauf aufbauend ein prozessnahes hydrologisches Simulationsmodell zu erstellen. Zur Identifizierung Abb. 5.44: Saisonale Variation der Wasserspeicherung (Differenz zwischen den Monaten mit dem größten und geringsten Speicherinhalt eines jeden Jahres), berechnet mit dem globalen hydrologischen Modell WGHM für den Zeitraum 1961 bis1995 (in Millimeter Wassersäule). Seasonal variations of continental water storage (difference between the months with maximum and minimum water storage in each year), simulated with the global hydrological model WGHM for the period 1961 to1995 (in equivalent water height [mm]). Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
Abb. 5.45: Beispiele für die zeitliche Variation der Wasserspeicherung in großen Einzugsgebieten gemäß GRACE und den globalen hydrologischen Modellen WGHM und LaD (Variationen um den Mittelwert für 18 Monate in 2003 und 2004, in mm Wassersäule). Examples for temporal variations of water storage in large river basins, derived from GRACE time-variable gravity fields and from the global hydrological models WGHM and LaD (variations around the mean of 18 months in 2003 and 2004, in equivalent water height [mm]). Abb. 5.46: Blick auf das hydrologische Versuchseinzugsgebiet Löhnersbach in den Salzburger Alpen (Foto: Ulli Drabek). View of the hydrological experimental basin Löhnersbach, Salzburger Alps. der maßgebenden Prozesse wurden in ausgewählten Testflächen hydrometrische, tracerhydrologische und hydrochemische Methoden sowie geophysikalische Verfahren eingesetzt. Damit konnten die dominanten Prozesse, nämlich Sättigungsflächenabfluss (Abb. 5.47) und schneller Zwischenabfluss sowie schneller und langsamer Grund- Abb. 5.47: Die gesättigten Flächen sind einer der dominanten Abflussbildungsprozesse im Löhnersbach und bestimmen zu einem erheblichen Teil die Reaktion des Einzugsgebiets auf Niederschlag (Foto: Mariella Zapletal). Saturated overland flow is a dominant runoff generation process in the Löhnersbach catchment. Saturated areas largely determine the runoff response of the basin. wasserabfluss erfasst werden. Darüber hinaus konnten die jeweiligen Entstehungsräume sowie die meteorologischen Bedingungen, unter denen diese Prozesse auftreten, bestimmt werden. Ziel der modelltechnischen Arbeiten war es, basierend auf den identifizierten Prozessen ein Simulationsmodell zu erstellen, das die dominanten Abflussbildungsprozesse abbildet. Dabei sollte die Komplexität des Modells die im Feld gewonnene Prozesskenntnis nicht übersteigen. Für die dominanten Abflussbildungsprozesse mit den entsprechenden Raumeinheiten wurden Simulationsmodule entwickelt und anhand der Daten der Testflächen plausibilisiert. Diese Module sowie die an den Abflussprozessen orientierte Raumgliederung sind die Grundlage für die hydrologische Simulation im übergeordneten Einzugsgebiet Löhnersbach. Dieses mesoskalige Modell wurde mit Hilfe einer „multi-site“-Validierung, also einem Vergleich von Abflussmessungen an mehreren Stellen im Einzugsgebiet, bewertet (Abb. 5.48). Hieraus lässt sich folgern, dass das Modell nicht nur die Abflüsse am Gebietsauslass, sondern auch die einzugsgebietsinternen Abflussprozesse adäquat beschreibt. Gefährdung und Risiko durch Hochwasser Neben Erdbeben ist Hochwasser ein Schwerpunkt des GFZ Potsdam im Programmthema „Naturkatastrophen und Vorsorgestrategien“. Dieses Thema hat durch die Hochwasserkatastrophen der letzten Jahre in Mitteleuropa eine neue Aktualität bekommen. So finanziert das BMBF seit Januar 2005 das Forschungsprogramm „Risikomanagement extremer Hochwasserereignisse“, das 35 Verbundprojekte umfasst. Aufgrund der vielfältigen Akteure und Interessenlagen (Wasserwirtschaft, Umwelt, Versicherungswirtschaft, Katastrophenschutz etc.) hat das BMBF neben der Projektträgerschaft eine inhaltliche Koordinierung des gesamten Förderprogramms als not- Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam 399
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