Nachhaltiges Wassermanagement ist in Trockengebieten auf der ganzen Welt ein zunehmendes Anliegen, und Wissenschaftler und Regulierungsbehörden greifen auf Fernerkundungstools wie OpenET zurück, um die Verfolgung und Verwaltung von Wasserressourcen zu unterstützen. OpenET nutzt öffentlich verfügbare Daten von NASA und USGS Landsat sowie anderen Satellitensystemen, um die Evapotranspiration (ET) oder die Menge an Wasser, die durch Bodenverdunstung und Pflanzentranspiration an die Atmosphäre verloren geht, auf der Ebene einzelner Felder zu berechnen.
Dieses Tool hat das Potenzial, die Wasserbewirtschaftung zu revolutionieren und ermöglicht eine betriebliche Überwachung des Wasserverbrauchs im Feldmaßstab. Eine neue Studie bietet eine gründliche Analyse der Genauigkeit von OpenET-Daten für verschiedene Nutzpflanzen und natürliche Landbedeckungstypen.
In der Studie, veröffentlicht In NaturwasserDRI-Wissenschaftler leiteten ein großes Forscherteam bei einem Vergleich von OpenET-Daten mit Evapotranspirationsdaten, die von 152 bodengestützten mikrometeorologischen Stationen, sogenannten Eddy-Kovarianz-Flusstürmen, erstellt wurden.
Die Forscher fanden heraus, dass OpenET-Daten eine hohe Genauigkeit für die Bewertung der Evapotranspiration in landwirtschaftlichen Umgebungen aufweisen, insbesondere für einjährige Nutzpflanzen wie Weizen, Mais, Soja und Reis. Die OpenET-Ergebnisse für diese Nutzpflanzen waren in trockenen Regionen wie Kalifornien und dem Südwesten besonders zuverlässig und unterstützen den Einsatz dieses Tools zur Bewältigung einer anhaltenden regionalen Wassernachhaltigkeitskrise.
„Eine der größten Fragen für Benutzer von OpenET-Daten ist, wie genau sie angesichts des Umfangs und der Auswirkungen der Verwendung der Daten für das Wasserressourcenmanagement sind“, sagte John Volk, Ph.D., Hauptautor der Studie und Assistent Forschungswissenschaftler und Softwareentwickler am DRI. „Viele Gruppen möchten wissen, wie hoch die erwarteten Fehlerraten auf landwirtschaftlichen Flächen sind. Das ist also die Hauptfrage, mit der wir uns in diesem Papier befassen wollten.“
Die Eddy-Kovarianz-Stationen bestehen aus Instrumenten und Techniken zur Berechnung des Flusses von Spurengasen wie Wasserdampf, die von der Landoberfläche austreten. Sie bieten eine der besten Methoden zur Quantifizierung der Evapotranspiration am Boden, sagt Volk, die den Forschern die Möglichkeit bot, die bodengestützten Beobachtungen mit denen von Satelliten zu vergleichen.
Die Daten jeder Station wurden mit dem OpenET-Modellensemble verglichen, das sechs verschiedene Landsat-basierte Modelle kombiniert, um einen Durchschnitt zu erstellen, sowie mit Daten jedes einzelnen Modells. Anschließend wurden die Stationen nach Landbedeckungstyp und Klimazone gruppiert, um zu beurteilen, wie sich die Genauigkeit der OpenET-Daten über diese Variablen hinweg ändert.
„Ich war vom Leistungsniveau des OpenET-Systems beeindruckt“, sagte Volk. „Es ist irgendwie überraschend, wie gut die Modelle abschnitten und wie gut sie auf landwirtschaftlichen Standorten miteinander übereinstimmten – insbesondere in der Hauptwachstumszeit, wenn der Wasserbedarf am höchsten ist.“
Für einjährige Kulturen wiesen die OpenET-Daten für monatliche, Vegetationsperiode und jährliche Evapotranspiration eine durchschnittliche Fehlerquote von etwa 10–20 % auf, was innerhalb des von OpenET-Partnern wie Landwirten und Wassermanagementbehörden festgelegten Zielbereichs liegt. Bei einjährigen Kulturpflanzen, die in mediterranen Klimazonen angebaut werden, lagen die monatlichen Fehlerraten während der Hauptwachstumszeit durchweg unter 10 %, was die Nützlichkeit dieser Daten unterstreicht. Bei Obstgärten war die Genauigkeit schwankender (17 %), was mit der Art und Weise zusammenhängen könnte, wie sich Schatten auf Satellitendaten für höhere Vegetation auswirken, sagen die Autoren.
OpenET-Daten können auch zur Überwachung der Evapotranspiration in natürlichen Ökosystemen verwendet werden, und die Fehlerraten für die meisten natürlichen Landbedeckungstypen lagen bei monatlichen bis jährlichen Zeitschritten bei weniger als 1 mm pro Tag. Allerdings sind die ET-Raten für diese Ökosysteme im Allgemeinen niedriger, was zu relativen Fehlerraten führt, die in diesen Umgebungen höher sind als in Ackerland und zwischen 35 % für Wälder und 50 % für Buschland liegen. Während die relativen Fehler bei natürlichen Ökosystemen höher sind, sind die ET-Daten dennoch als Indikatoren für Dürreauswirkungen, Wasserstress in der Vegetation und Wasserverfügbarkeit nützlich.
„Evapotranspiration ist einer der am schwierigsten zu messenden Wasserflüsse, und der Gedanke, dass wir diesen Fluss aus dem Weltraum mit vergleichbarer oder besserer Genauigkeit quantifizieren können als bodengestützte Wetterstationen und Messgerätedaten für landwirtschaftliche Flächen, ist wirklich bemerkenswert“, sagte der Co-Autor der Studie, Justin Huntington, Ph.D., Forschungsprofessor am DRI.
„Die kombinierte Nutzung des Landsat-Satellitenarchivs mit den neuen Cloud-Computing-Ressourcen von Google Earth Engine war von entscheidender Bedeutung, ebenso wie unsere Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Forschungsgruppen und die Verwendung mehrerer Modelle, um die Stärken und Schwächen der Modelle besser zu verstehen und Bereiche für Verbesserungen zu identifizieren.“
Zukünftige Forschungen werden sich auf natürliche Ökosysteme konzentrieren und darauf, wie sich OpenET-Modelle bei verschiedenen landwirtschaftlichen Nachfragemanagement- und Erhaltungsmaßnahmen vergleichen lassen, wie sie beispielsweise im Colorado River Basin untersucht werden.
Die Studie stellt fest, dass zwar alle OpenET-Modelle Raum für Verbesserungen haben, die Ergebnisse jedoch die bemerkenswerten Fortschritte zeigen, die bei der Entwicklung vollautomatischer Fernerkundungstechniken zur Kartierung der Evapotranspiration in großen räumlichen Maßstäben und bei der Auflösung einzelner Felder auf der Grundlage von Petabytes an Landsat-Satellitendaten und neuen erzielt wurden Cloud-Computing-Ressourcen.
„Landwirte und Wasserverwalter benötigen zunehmend genaue Daten zur Wassernutzung auf Feldebene“, sagte Maurice Hall, OpenET-Direktor und leitender Berater, Climate Resilient Water Systems, Environmental Defense Fund. „Diese Studie trägt dazu bei, die entscheidende Rolle zu bestätigen, die OpenET bei der Bereitstellung eines detaillierteren, dynamischeren Bildes der Wassernutzung spielt, das sinnvolle Informationen zur Wasserentscheidung in Echtzeit liefern kann. Wir freuen uns darauf, die Implementierung von OpenET weiter zu verfeinern und zu erweitern, um sicherzustellen, dass Landwirte, Viehzüchter und Gemeinden können in einer Welt mit stark beanspruchter und schwankender Wasserversorgung gedeihen.“
Mehr Informationen:
John M. Volk et al., Bewertung der Genauigkeit von OpenET-Satelliten-Evapotranspirationsdaten zur Unterstützung von Wasserressourcen- und Landmanagementanwendungen, Naturwasser (2024). DOI: 10.1038/s44221-023-00181-7