Massentransporte und Massenverteilungen im System Erde  
    Wie misst man Gewässerabflüsse aus dem Weltraum ?Measuring River Discharge from Space  
 

 

Wie misst man Gewässerabflüsse aus dem Weltraum ?

Gewässerabflüsse von grossen Einzugsgebieten bilden die fundamentalen Grundlagen für Wasserbilanzen auf globaler Skala, sei es auf den Landmassen oder in der Atmosphäre und sie sind wichtige Eingangsgrößen für die Ozeanzirkulation. Obwohl Abflussmessungen von nicht zu überschätzendem Wert für die Analyse globaler Wasserkreisläufe und für hydrologische und hydrometeorologische Anwendungen und Vorhersagen sind, nimmt seit den Siebziger Jahren ihre Anzahl beständig ab und beträgt inzwischen nur noch in etwa die Hälfte der Stationen von damals. Eine Modellierung von Abflüssen löst das Problem nicht, da Modelle mit großen Ungenauigkeiten behaftet sind. Weltraumbasierte Fernerkundungsmethoden zur Messung von Abflüssen sind deshalb für die Zukunft von grundlegender Bedeutung, um unabhängiger von technischen oder politischen Beschränkungen zu werden.

Eine neue Studie über die Beziehung von gemessenen Abflüssen und Wasserspeichern, die auf globaler Skala mit dem GRACE Gravitations-Satelliten und mit Fernerkundungsmethoden bestimmt werden, eröffnet neue einzigartige Möglichkeiten, Abflüsse direkt aus dem Weltraum zu messen.

„Die Möglichkeit, Wasserspeicheränderungen mit dem Gravitationssatelliten GRACE direkt zu messen, bedeutet einen Quantensprung in der globalen Hydrologie sowohl für das Verständnis des Systemverhaltens grosser Einzugsgebiete und des globalen Wasserkreislaufes als auch für mögliche Anwendungen“ sagen Johannes Riegger und Mohammad Tourian von der Universität Stuttgart. Sie haben Messungen des zeitabhängigen Schwerefeld genutzt, um direkt monatliche Speicherzustände zu messen und damit für großskalige Einzugsgebiete direkt Wasserbilanzen zu erstellen.

Damit ist zum ersten Mal ein direkter Vergleich von gemessenen Abflüssen und Speicherzuständen für globale Einzugsgebiete möglich. Dieser zeigt komplexe, periodische Charakteristiken mit Hysterese, die sich zwischen den unterschiedlichen klimatischen Zonen klar unterscheiden. Für permanent feuchte tropische Bedingungen wie für die Einzugsgebiete des Amazonas zeigt sich, dass ein linearer Zusammenhang zwischen Abfluss und Speicherzustand besteht mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung zwischen Eintrag und Abfluss. „Das Abflussverhalten des größten Einzugsgebiet der Welt ist vergleichbar mit dem Auslaufen einer Badewanne, nur eben mit einer größeren zeitlichen Verzögerung“, erklärt Riegger.

Für Einzugsgebiete in anderen Klimazonen wie boreale oder saisonal trockene tropische Zonen ist die Beziehung viel komplexer. „Natürlich können nur flüssige und hydraulisch angekoppelte Speicherkomponenten zum Abfluss beitragen und keine entkoppelten Wasserspeicher wie Schnee und Eis, Böden, abgekoppelte Überflutungsgebiete oder sonstige Oberflächenspeicher u.ä., von denen aus kein Wasser in das Drainagesystem freigesetzt wird“, sagt Riegger.

Den Effekt eines nicht angekoppelten Speichers kann man in den Abfluss-Speicher-Diagrammen für die borealen Gebiete Sibiriens und Nordamerikas (Fig. 1) klar sehen, die im Winter mit der Schneeakkumulation eine Zunahme der Gesamtmasse zeigen jedoch keine Zunahme im Abfluss. „Wenn wir also mit diesen Methoden vom Weltraum aus den Abfluss bestimmen wollen, müssen wir die flüssigen und gekoppelten bzw. die entkoppelten Speicherkomponenten irgendwie mit Fernerkundung trennen“, betont Riegger.

Um den entkoppelten festen Speicheranteil für boreale Einzugsgebiete abzuschätzen, nutzten sie die Schnee-bedeckung geliefert vom MODIS-Satelliten zusammen mit der einfachen Annahme, dass der Wasserspeicher unter der schneebedeckten Fläche vollständig ausgefroren ist. Und tatsächlich führt diese Separation der gekoppelten / flüssigen und der entkoppelten / festen Speicheranteile durch diese Fernerkundungs-methode zu einem linearen Zusammenhang zwischen Abfluss und gekoppeltem / flüssigen Speicher.

Daraus ziehen die Forscher den Schluss, dass im Prinzip zwischen dem Abfluss und den flüssigen / gekoppelten Speicheranteilen generell eine lineare Beziehung besteht, während die nichtlinearen Anteile zwischen Abfluss und Gesamtspeicher von den nicht gekoppelten Speicheranteilen herrühren.

Auf dieser Grundlage kann aus dem flüssigen / gekoppelten Speicher, der sich aus dem GRACE Massensignal und der Separation der Speicheranteile aus der Fernerkundung ergibt, direkt der Abfluss bestimmt werden. Für die permanent feuchten Amazonas-Einzugsgebiete können mit Hilfe von GRACE damit Abflüsse mit einer bisher unübertroffenen Genauigkeit von 5.5mm/mo RMSE oder 7% des Mittelwerts bestimmt werden, während für die borealen Einzugsgebiete unter zur Hilfenahme von MODIS Genauigkeiten von ~3mm/mo RMSE oder 15% des Mittelwerts erreicht werden. Umgekehrt ließen sich aus Abfluss- und Fernerkundungs-Messungen die Massen der flüssigen bzw. der gesamten Speicherinhalte bestimmen, womit eine mögliche Lücke zwischen Schwerefeldmissionen überbrückt werden könnte.

“Wir sind nicht am Ende, sondern ganz am Anfang einer Entwicklung. Bisher versteht man z.B. das Verhalten der saisonal trockenen tropischen Einzugsgebiete noch nicht. Wir brauchen also dringend neue Methoden um die Möglichkeiten der Fernerkundung zu nutzen. Jetzt wissen wir, wonach wir suchen müssen“! betont Riegger. „Indem man nämlich die entkoppelten Speicheranteile quantifiziert und mit Hilfe von GRACE den flüssigen / gekoppelten Speicheranteil bestimmt, erhält man einen völlig neuen Ansatz zur Messung von Abflüsse per Fernerkundung. Dies eröffnet ein völlig neues Forschungsfeld in Hydrologie und weltraumgestützten Erkundungsmethoden und stößt hoffentlich weitere Verbesserungen oder gar Neuentwicklungen in der Satellitengravimetrie und Fernerkundung an“.

Dies Arbeit wurde gefördert im DFG Schwerpunktprogramm SPP1257 „Massentransporte und Massenverteilungen im System Erde“ innerhalb des Teilprojekts „Direct Water Balance“

Weitere Informationen zu Daten, Methoden und Ergebnissen finden Sie in der Veröffentlichung:

Riegger, J., and M. J. Tourian (2014), Characterization of runoff-storage relationships by satellite gravimetry and remote sensing. Water Resour. Res.,50,doi:10.1002/2013WR013847.

Informationen: Dr. Johannes Riegger , Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung, Universität Stuttgart; Tel.: 0711 78567016; riegger@iws.uni-stuttgart.de,