Messung des Ausmaßes globaler Dürren in beispielloser Detailgenauigkeit

Während einige Teile der Welt unter extremer Hitze und anhaltender Dürre leiden, werden andere überschwemmt. Insgesamt variieren die kontinentalen Wassermengen im Laufe der Zeit so stark, dass auch der globale Meeresspiegel erheblich schwankt.

Durch die Kombination des hydrologischen Modells WaterGAP mit GRACE-Satellitendaten ist ein Team von Geodäten der Universität Bonn zu einem neuen Datensatz gelangt, der zeigt, wie sich die Gesamtverteilung von Wasser auf den Landoberflächen der Erde in den letzten 20 Jahren verändert hat genauer als je zuvor. Ihre Ergebnisse wurden jetzt in der veröffentlicht Zeitschrift für Geodäsie.

„Die neue Methode ermöglicht es uns, Modellrechnungen zu den zukünftigen Auswirkungen des Klimawandels zu testen, insbesondere wie sich steigende Temperaturen und veränderte Niederschlagsmuster auf den Wasserhaushalt in verschiedenen Teilen der Welt auswirken werden“, sagt Prof. Dr. Jürgen Kusche vom Institut für Geodäsie und Geoinformation der Universität Bonn.

Dabei werden Klimamodelle, die immer einen bestimmten Zeitraum in der Vergangenheit abdecken, mit den Ergebnissen tatsächlicher Messungen verglichen. Kusche und sein Team planen in den kommenden Monaten mehrere solcher Studien.

Die verbesserte Auflösung, die das Team erreicht hat, zeigt, dass Dürren weltweit deutlich häufiger vorkommen, als die GRACE-Satellitendaten isoliert vermuten lassen. „Wir sehen, dass selbst ausgedehnte Dürren wie die gewaltige Dürre, die 2010 den gesamten Amazonas heimsuchte, sich über viel größere Gebiete ausbreiten, als die Satellitendaten allein vermuten lassen“, sagt Kusche. „Das bedeutet, dass die Satelliten viele der eher lokalisierten Dürren nicht erfassen.“

Gemeinsam mit Kollegen der Goethe-Universität Frankfurt und der polnischen Hauptstadt Warschau hat ein Forscherteam der Universität Bonn nun erstmals Satellitenmessungen mit hochauflösenden meteorologischen Daten kombiniert.

„Das Besondere an dieser Methode ist, dass wir damit die Auflösung der Wasserverteilungskarten, die von rund 300 Kilometern auf 50 Kilometer erstellt werden, verbessern konnten“, erklärt Kusche, der Mitglied der Transdisziplinären Forschungsbereiche „Modellierung und nachhaltige Zukunft“ ist Regionaler Sonderforschungsbereich Klimawandel an der Universität Bonn. Dazu nutzten die Forscher das an der Goethe-Universität Frankfurt entwickelte hydrologische Modell „WaterGAP“ sowie ein mathematisches Verfahren aus der Wettervorhersage.

Wassermassen, die Veränderungen im Gravitationsfeld verursachen

Zwischen 2002 und 2017 haben die Zwillingssatelliten GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) Veränderungen der Erdanziehungskraft gemessen. Das Nachfolgeprojekt „GRACE-FO“ startete 2018 und genau diese Daten nutzten die Forscher der Universität Bonn. Da die Anziehungskraft der Erde von Massenänderungen abhängt, lassen sich daraus Rückschlüsse auf den Wasserkreislauf nahe ihrer Oberfläche ziehen. Die Schwerkraft wird durch Veränderungen im Grundwasser und in Oberflächenreservoirs sowie durch schmelzende Gletscher beeinflusst.

„Ein einzigartiger Vorteil der GRACE-Messungen besteht darin, dass sie alle Arten von Reservoirs abdecken, also auch Veränderungen der Grundwasserreserven, die tief unter der Erdoberfläche und in Zehntausenden künstlichen Seen und Feuchtgebieten verborgen sind“, sagt Kusches Kollegin Helena Gerdener.

Der Nachteil sei, dass die räumliche Auflösung der Daten zum Schwerefeld aufgrund des verwendeten Messprinzips bei etwa 300 bis 350 Kilometern relativ ungenau sei. Damit lassen sich verlässliche Aussagen nur für Gebiete mit einer Größe von etwa 100.000 Quadratkilometern treffen. Um eine Vorstellung von der Größenordnung zu geben: Diese Mindestfläche ist mit „nur“ etwa 70.000 Quadratkilometern immer noch größer als Bayern, das größte Bundesland Deutschlands.

Globale hydrologische Modelle erlauben dagegen eine Auflösung von 50 Kilometern oder sogar weniger. Diese nutzen meteorologische Messungen von Niederschlag, Temperatur und Strahlung sowie Karten der Landnutzung und Bodenzusammensetzung sowie Daten zur Wassernutzung durch Industrie, Landwirtschaft und andere Verbraucher. Hydrologische Modelle simulieren die Verdunstung sowie Veränderungen des Wasserstands im Boden und in grundwasserführenden Schichten, Seen, Flüssen und Stauseen.

„Die Nachteile dieser Modelle sind jedoch, dass sie die Realität nur bedingt abbilden können und meteorologische Messungen oft systematische Fehler enthalten“, sagt Kusche, etwa wenn keine Daten zur Grundwasserentnahme zur Verfügung stehen.

Die Forscher haben nun erstmals Messungen der Satelliten GRACE und GRACE-FO mit dem hydrologischen Modell WaterGAP kombiniert, das wiederum hochauflösende meteorologische Daten integriert. Dadurch konnte die Auflösung der so erstellten Wasserverteilungskarten auf 50 Kilometer verbessert werden. Dazu nutzten die Forscher eine mathematische Technik namens Datenassimilation, die eher in der Wettervorhersage zum Einsatz kommt. Allerdings haben die Wissenschaftler nicht einfach die Ergebnisse des hydrologischen Modells und der Satellitendaten herangezogen und die Durchschnittswerte berechnet.

Kusche erklärt: „Die Berechnungen aus dem hydrologischen Modell werden so angepasst, dass man den Satellitendaten nahe kommt und gleichzeitig die Physik, auf die das hydrologische Modell zurückgreift, so wenig wie möglich verändert.“

Rund 1.000 Messplätze zu Testzwecken

An rund 1.000 Messstationen testeten die Forscher die Qualität der kontinentalen Wasserverteilungskarten, die durch die Kombination der Satellitendaten mit dem hydrologischen Modell erstellt wurden. „Natürlich wird es immer regionale Unterschiede geben“, gibt Gerdener zu. Generell sagt sie jedoch, dass die kombinierten Daten besser zu den Messungen passen als die Berechnungen, die ausschließlich auf den GRACE-Satellitendaten oder dem hydrologischen Modell basierten.