SWIM-live 1.0 – Tagesaktuelle Simulation des ... - DOI

Fachartikel I DOI: 10.5675/HyWa_2013,5_3 Roers et al.: SWIM-live 1.0 – Tagesaktuelle Simulation des Wasserhaushalts ...HW 57. 2013, H. 5gestellt; im Folgenden wird dieser operationelle Modellansatz„SWIM-live“ genannt. Der Simulationszeitraum für die Initialisierungdes Modells umfasst die Jahre 2001–2011. Für das aktuelleJahr wurde eine Wiederanlauftechnik im Modell implementiert.Die eigentliche Live-Simulation wird täglich für den jeweiligenVortag durchgeführt. Das Modell entspricht in den Parametereinstellungenund nichtmeteorologischen Eingangsdaten dervon CONRADT et al. (2012) im Projekt GLOWA-Elbe parametrisiertenModellversion. Die Simulationen bleiben allerdings aufdas deutsche Teilgebiet beschränkt. Der Zufluss aus Tschechienwird am Pegel Schöna übernommen. Das Stationsnetz der berücksichtigtenKlimastationen wird für die erste Pilotversion von783 auf 19 reduziert, da die erforderlichen Daten dieser Stationentagesaktuell vom Deutschen Wetterdienst (DWD) im Internet bereitgestelltwerden.Die Publikation dieser Modellvariante verfolgt eine mehrfacheZielstellung. Zunächst soll der prinzipielle Nachweis erbrachtwerden, dass selbst unter Nutzung einer sehr geringen Anzahlverfügbarer tagesaktueller Witterungsdaten für ein stark heterogenesEinzugsgebiet eine valide Ansprache der aktuellenökohydrologischen Situation des Elbeeinzugsgebietes mit SWIMmöglich ist. Darüber hinaus wird eine neue Qualität im Zusammenwirkenvon Modellierern, Experimentatoren und Praktikernbei der modellbasierten Beurteilung des Landschaftswasserhaushaltesangestrebt. Die Live-Version ermöglicht einerseitseine unmittelbare Betrachtung und Beurteilung simulierterDaten. Anderseits wird der überregionale Nutzen von lokalenMessstellen und Experimenten verdeutlicht, die eine punktuelleValidierung eines ansonsten räumlich integrierenden Modellansatzesermöglichen. Nur durch lokale Kontrollvergleiche und Modellnachjustierungenkönnen systematische Fehler vermindertwerden. Weiterhin stellen die lokalen Datensätze eine Grundlagefür die prozess-orientierte Modellvalidierung zur Verfügung, dieauch die Gesamtgüte des Modells besser beurteilen lässt.Der Abfluss im Gerinne stellt eine integrale Größe der hydrologischenProzesse im Einzugsgebiet dar. Allerdings garantiertdessen korrekte Repräsentation durch das Modell nicht, dass dieräumliche und zeitliche Dynamik sämtlicher Wasserhaushaltskomponentenim Einzugsgebiet adäquat wiedergegeben wird(HATTERMANN et al. 2005). Um die Vegetationsdynamik undschließlich die Ernteerträge realistisch abzubilden, ist zumindestauch eine korrekte Modellierung des Bodenwasserhaushalts sowieder Evapotranspiration notwendig.Die Komplexität ökohydrologischer Prozesse erfordert eine multivariateValidierung, die verschiedene Themenbereiche und Skalenumfasst. Durch unterschiedliche inhaltliche, räumliche undzeitliche Perspektiven soll im Fall von SWIM-live einerseits einerobuste Parametereinstellung befördert und andererseits daspotenzielle Leistungsspektrum verdeutlicht werden.Im Mittelpunkt der Modellvalidierung stehen die Wasserflüsse.Die Abflussgenerierung wird exemplarisch an einem Lysimeterstandortdes Elbeeinzugsgebiets überprüft. Die flächigeSimulation des Bodenwasserhaushalts wird indirekt mit Hilfevon Ertragsreihen landwirtschaftlicher Kulturen evaluiert. Diefinale integrative Überprüfung des Modells erfolgt an wichtigenAbflusspegeln des Gerinnes: an den Gebietsauslässen großerdeutscher Teileinzugsgebiete (Saale, Havel) sowie oberhalb desGebietsauslasses der Elbe in den tidebeeinflussten Bereich.Der Validierungszeitraum umfasst für den Bodenwasserhaushaltund die Ertragsreihen des Lysimeterstandorts die Jahre1981–1997, für die flächige Ertragssimulation die Jahre 2002–2010 und für den Abfluss an den verschiedenen Pegeln die Jahre2001–2011. In diesen Zeitraum fallen die Extremjahre 2002und 2003, die durch ihren außergewöhnlich feuchten (2002)bzw. trockenen (2003) Verlauf gekennzeichnet sind. Sie dienenals Referenz bei der Einordnung des aktuellen Witterungsverlaufs.Da im operationellen Modus – abgesehen von den Abflüssen– keine tagesaktuellen Messdaten zur Verfügung stehen,erfolgt für das aktuelle Jahr keine statistische Bewertung derModellgüte.2 Methoden und Daten2.1 Das ökohydrologische Modell SWIMSWIM wurde auf der Basis der Modelle SWAT (ARNOLD et al. 1993,1998) und MATSALU (KRYSANOVA et al. 1989) entwickelt. Diewichtigsten Modellgleichungen sind im Folgenden aufgeführt.Eine vollständige Beschreibung der einzelnen Modellkomponentenwird in KRYSANOVA et al. (2000) gegeben.Die Berechnung der potenziellen Evapotranspiration basiert aufder Turc-Ivanov Methode (TURC 1961, WENDLING & SCHELLIN1986):Ansatz nach Turc für: T ≥ 5 °CAnsatz nach Ivanov für: T < 5 °Cmit:ETP Potenzielle Evapotranspiration in mm d –1G Globalstrahlung in J cm 2 d –1ETPF Empirischer Faktor für jeden MonatT Tagesmitteltemperatur in °CRH Relative Luftfeuchtigkeit in %Der Oberflächenabfluss wird mit der Curve Number Methode desSoil Conservation Service (SCS) berechnet (ARNOLD et al. 1993):für: P t > 0,2 ∙ S x(3)für: P t ≤ 0,2 ∙ S x(4)mit:P t Niederschlag für den Zeitschritt t in mm d –1Q t Oberflächenabfluss für den Zeitschritt t in mm d –1S x Dimensionsloser RetentionskoeffizientDer Retentionskoeffizient variiert je nach Bodentyp, Landnutzungund Gefälle der Geländeoberfläche sowie zeitlich aufgrundder Änderung des Bodenwassergehalts. S x verhält sich zur Curve(1)(2)226