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

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Fachartikel I DOI: 10.5675/HyWa_2013,5_3 Roers et al.: SWIM-live 1.0 – Tagesaktuelle Simulation des Wasserhaushalts ...HW 57. 2013, H. 52.2 Modellkonfiguration und DatengrundlagenGrundlage für die räumliche Gliederung des Gebiets bildet diedigitale Einzugsgebietskarte des Umweltbundesamts. Die topographischenCharakteristika wurden von frei verfügbaren SRTM-Daten der NASA (FARR et al. 2007) nach der Methodik vonKRYSANOVA et al. (2000) abgeleitet. Die Bodenübersichtskarte(BÜK 1000) liefert die notwendigen grob auflösenden Informationenzu den Böden im deutschen Teil des Einzugsgebiets(HARTWICH et al. 1995). Grundwasserbeeinflusste Böden wurdenals Feuchtgebiete klassifiziert, in denen die Vegetationsentwicklungmit einer direkten Wasseraufnahme aus dem Grundwassermodelliert wird. Sie wurden für den brandenburgischen Teil desEinzugsgebiets anhand einer detaillierteren Bodenkarte identifiziert(Tab. 1). Die Karte der aktuellen Landnutzung wurde durchdie Reklassifizierung der CORINE Land Cover Karte (BOSSARDet al. 2000) in die 15 Landnutzungsklassen von SWIM erzeugt.Durch die Verschneidung der verschiedenen digitalen Kartenwurden die Hydrotope generiert (CONRADT et al. 2007a, 2012).Für die Pilotversion von SWIM-live werden alle Teileinzugsgebieteoberhalb des Pegels Schöna aus dem Referenzmodell vonCONRADT et al. (2007a, 2012) entfernt. Die Zahl der sub-basinsreduziert sich daher von 2.278 auf 1.159 und die Hydrotopanzahlvon 47.500 auf 27.150. Die Fläche des betrachteten Einzugsgebietsbeträgt 83.471 km 2 . Der Abfluss der Elbe am Pegel Schönawird als oberer Zufluss für das Abfluss-Routing des deutschenTeils des Einzugsgebiets verwendet. Hierfür stehen geprüftetägliche Abflusswerte der Zeitreihe 2001–2011 der Wasser- undSchifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) zur Verfügung, diedurch die Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG) bereitgestelltwerden. Die Abflusswerte des jeweils zurückliegenden Tages imlaufenden Jahr werden täglich von einem Server des gewässerkundlichenInformationsdienstes des WSV (PEGELONLINE 2013)heruntergeladen, wo sie alle 24 Stunden aktualisiert werden.Hierbei handelt es sich um Rohdaten mit einer zeitlichen Auflösungvon 15 Minuten, die zu Tagesmittelwerten aggregiertwerden.2.3 Meteorologische DatenDie für die Modellierung erforderlichen täglichen Werte des Niederschlags,der relativen Luftfeuchtigkeit sowie Minimum-, Mittel-und Maximumtemperatur werden von 19 Klimastationen desDWD bezogen (Abb. 1). Für diese Stationen liegen keine Werteder Globalstrahlung vor, die zusätzlich vom Modell benötigt werden.Daher wird der von ÖSTERLE (2001) entwickelte Ansatz angewendet,um die Globalstrahlung aus der Sonnenscheindauerzu berechnen. Die Parameter der hierfür genutzten jeweils lokalgültigen Regressionsfunktionen werden aus den an sieben deutschenKlimastationen gemessenen Werten geschätzt.Die Niederschlagsmessungen sind mit einem systematischenFehler behaftet, der sich aus dem Windfehler (aufgrund der Deformationdes Strömungsfeldes) sowie dem Benetzungs- undVerdunstungsfehler des Sammelgefäßes zusammensetzt. DerGesamtfehler durch Benetzung und Verdunstung kann nachRICHTER (1995) je nach Jahreszeit und Stationslage 2 % bis 9 %betragen, der Windfehler je nach Exposition und Niederschlagsart2 % bis 58 %. Für SWIM-live wird die in Tabelle 2 aufgeführteNiederschlagskorrekturfunktion nach RICHTER (1995) verwendet,die je nach Tagesmitteltemperatur zwischen flüssigemNiederschlag, Mischniederschlag und Schnee sowie zwischenSommer- und Winterhalbjahr unterscheidet. Nach RICHTER berücksichtigtsie im Unterschied zur pauschalen Niederschlagskorrekturdie Wirkung regionaler und orographisch bedingter Unterschiedein der Häufigkeit der Niederschlagsarten und -höhen aufden Messfehler in umfassenderer Weise. Die Korrektur ist nichtan eine bestimmte Zeitskala gebunden. Sie führt insbesonderein den Wintermonaten mit stark variierenden Anteilen der einzelnenNiederschlagsarten zu wesentlich genaueren Ergebnissen.Die Korrektur führt im deutschen Elbeeinzugsgebiet bzw. in denTeileinzugsgebieten zu einer Erhöhung der Niederschläge von 11 %(Mittelwert der Jahre 2001–2012). Im deutschen Elbegebiet sinddas im Mittel 76 mm/a, im Saalegebiet 84 mm/a und im Havelgebiet68 mm/a mehr Niederschlag als ohne Niederschlagskorrektur.Tabelle 1Datengrundlagen und -quellen der SWIM-live VersionDatabase and data sources of the SWIM-live versionDatengrundlageSRTM-3Topographie räuml. Auflösung: 3 arcsecBödenLandnutzungFeuchtgebieteBodenübersichtskarte der Bundesrepublik Deutschland1:1.000.000 (BÜK 1000)CORINE Land Cover (CLC2000)räuml. Auflösung: 250 x 250 m²Bodenübersichtskarte 1:300.000Grundkarte Bodengeologie (für Brandenburg)Bodenübersichtskarte der Bundesrepublik Deutschland1:1.000.000 (BÜK 1000)DatenquelleNational Geospatial-IntelligenceAgency/National Aeronautics and Space Administrationbereitgestellt durch den U.S. Geological SurveyBundesanstalt für Geowissenschaften und RohstoffeEuropean Environment AgencyEinzugsgebiet Digitales Gewässernetz (DLM 1000) UmweltbundesamtMeteorologie Tagesaktuelle Werte der frei verfügbaren deutschen Stationen Deutscher WetterdienstAbflussAbflussreihen (Tageswerte) für ausgewählteValidierungspegelAbfluss-Rohdaten (zeitl. Auflösung: 15 min) fürtschechischen Zufluss bzw. ValidierungspegelLandesamt für Bergbau, Geologie und RohstoffeBrandenburgBundesanstalt für Geowissenschaften und RohstoffeWasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes, bereitgestelltdurch die Bundesanstalt für GewässerkundePEGELONLINE (Hrsg. Wasser- und Schifffahrtsverwaltung desBundes)228
HW 57. 2013, H. 5Roers et al.: SWIM-live 1.0 – Tagesaktuelle Simulation des Wasserhaushalts ... DOI: 10.5675/HyWa_2013,5_3 I FachartikelZur Interpolation der Witterungsdatenauf die Teileinzugsgebietedes Modells wird dieInverse Distanzgewichtungangewendet. Die Suchdistanzwird bei diesem Verfahren zunächstauf 40 km festgelegt.Sind in dieser Entfernung nichtmindestens drei Nachbarn vorhanden,wird sie iterativ um10 % bis zur maximalen Suchdistanzvon 400 km erhöht. ImMittel wird die Interpolationan allen Schätzpunkten in denEinzugsgebieten mit 3,2 Nachbarndurchgeführt.2.4 BenutzerschnittstelleDie Arbeitsschritte für den Betriebvon SWIM-live umfassendas tagesaktuelle Herunterladen,die Aufbereitung undVisualisierung von Daten. Siewerden mit Hilfe von Skriptenrealisiert und zunächst auf Witterungs-und Abflussdaten derZeitreihe 2001–2013 angewendet.Für die tagesaktuelle Modellierungwerden die Skriptealle 24 Stunden automatisiertaufgerufen und die Simulationmit den aktuellen Pegel- undWitterungsdaten gestartet.Die visualisierten Ergebnisdatenwerden auf der GLOWA-Elbe Projekthomepage (www.glowa-elbe.de/extranet/swim_live/Swim_live.html, Login: elise,Passwort: glowa) bereitgestelltund täglich aktualisiert,so dass die Zeitreihen jeweilsam Vortag enden.2.5 Modellvalidierungenan Pegeln, am LysimeterstandortBrandisund für die räumlicheErtragsvariabilitätDie Extrahierung der Teileinzugsgebieteder Saale und derHavel aus dem Gesamtgebieterfolgt analog zu der Abtrennungdes deutschen Teils des Einzugsgebiets: Zunächst werden,ausgehend von dem Teileinzugsgebiet, das die Mündungdes jeweiligen Nebenflusses in die Elbe darstellt, alle oberhalbliegenden Teileinzugsgebiete ausgeschnitten. In das Saaleeinzugsgebietfallen dabei 256 Teileinzugsgebiete (Gesamtfläche:24.137 km 2 ), in das Haveleinzugsgebiet 381 Teileinzugsgebiete(Gesamtfläche: 23.991 km 2 ). Die tagesaktuelle Modellierung dieserbeiden Einzugsgebiete erfolgt wie im Gesamtgebiet. Als Validierungspegelwerden Calbe-Grizehne (Saale) bzw. Havelberg(Havel) verwendet. Für beide Pegel liegen tägliche AbflussdatenAbbildung 1Lage der verwendeten Klimastationen und der Lysimeterstation Brandis im Einzugsgebiet der Elbe. Dargestelltist außerdem der simulierte Bodenwassergehalt am 30.5.2012 in den oberen 100 cm des Bodenprofils.Locations of the weather stations and of the lysimeter station Brandis in the Elbe basin. The simulated available soilwater in the upper 100 cm of the soil profile on 30 May 2012 is shown in addition.Tabelle 2Niederschlagskorrektur (ΔN) bei unterschiedlichen Tagesmitteltemperaturen (T) und JahreszeitenCorrection of precipitation (ΔN) in different daily mean temperature ranges (T) and seasonsSommer(April–September)Winter(Oktober–März)Flüssiger Niederschlag(T > 2 °C)Mischniederschlag(1 °C < T ≤ 2 °C)DN = 0,28 × N 0,38 – –Schnee(T ≤ 1 °C)DN = 0,24 × N 0,46 DN = 0,305 × N 0,55 DN = 0,33 × N 0,82vor. Sie werden für den Zeitraum 2001–2011 von der BfG zurVerfügung gestellt. Seit Beginn der Pilotphase werden die Datenüber PEGELONLINE (2013) bezogen.Generell werden in dieser Pilotversion zunächst alle landwirtschaftlichenAckerflächen mit Winterweizen als einziger Fruchtartbesetzt. Winterweizen ist die in Deutschland flächenhaft amhäufigsten angebaute Getreideart. Die simulierten Weizenerträgewerden auf der Einzugsgebietsebene mit Daten der STATISTI-SCHEN ÄMTER DES BUNDES UND DER LÄNDER (2013) verglichen,229
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