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Deutschlandweite 9-Tages Vorhersage zum Wasserhaushalt in 0.6km

Hier finden Sie die Ergebnisse der täglich gerechneten 9-Tages-Vorhersagen und Analysen aller wichtigen Größen des Bodenwasserhaushalts in hoher räumlicher Auflösung für Deutschland und Nachbarregionen. Dieses flächendeckende Monitoring zum aktuellen Zustand und der Entwicklung, z.B. der Bodenfeuchte in verschiedenen Schichten, basieren auf Simulationen mit dem hydrologischen Modell ParFlow.

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Folgende Diagnostiken und prognostische Variablen sind als Karten zum Aufklappen in den Akkordeons für verschieden mächtige bzw. tiefe Bodenschichten verfügbar:

Jeder Kartentyp ist mit einer Erklärung versehen.

Mit dem Player am unteren Rand der Abbildungen können die die Animation steuern bzw. verschiedene Vorhersagetage auswählen. Ein Links-Klick öffnet die jeweils sichtbare Abbildung in einem eigenen Fenster in voller Grösse und hoher Auflösung; ein Rechts-Klick auf die Abbildung erlaubt es, eine Bilddatei im PNG Format herunter zu laden.

Die ParFlow Simulationsrechnungen umfassen den Wasserhaushalt im Boden und an der Erdoberfläche sowie die Wechselwirkungen von Landoberfläche und Vegetation mit der Atmosphäre. Als Monitoring-Werkzeug erfassen und verfolgen wir die aktuelle und vergange Entwicklung des Wasserhaushalts und der Wasserresourcen in Deutschland. Die Vorhersagen erlauben Rückschlüsse auf die Entwicklung in naher Zukunft. Damit lassen sich u.a. Dürren oder Wasserverfügbarkeit erfassen und abschätzen. Die atmosphärischen Randbedingungen entstammen täglichen Wettervorhersagen des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersage (ECMWF). Die räumliche Auflösung der ParFlow Vorhersagen ist mit 0.6km vergleichsweise sehr hoch. Dadurch werden z.B. topographische Gegebenheiten oder die Landnutzung sichtbar. Das Modell verfügt über 15 Bodenschichten von der Oberfläche bis in 60m Tiefe. Eine menschliche Wassernutzung durch Grundwasserentnahme oder Bewässerung ist in den aktuellen Simulationen nicht enthalten.

Hintergrund:
Nach einer Einschwingphase (Spin-Up) befindet sich das Modell nunmehr in einem realitätsnahen Systenmzustand. Die Einschwingphase war erforderlich, da ParFlow nicht von Beginn des Experiments den tatsächlichen, momentanen Zustand der Bodenwasserverteilung „kennt“, sondern von einem vereinfachten Zustand startet. Durch das Zusammenspiel von Niederschlag, Verdunstung und (Oberflächen)-Abfluss nähert sich das Modell stetig dem tatsächlichen hydrologischen Zustand an, bis sich das System Boden-Landoberfläche-Atmosphäre in einem dynamischen Gleichgewicht befindet. Durch die große Trägheit der Wasserbewegung im Boden, insbesondere in tieferen Schichten, nimmt dieser Einschwingprozess eine gewisse Zeit in Anspruch. Viele hydrologische Details, wie die Wasserläufe, den Einfluss der Bodeneigenschaften, oder auch des Reliefs z.B. an trockeneren Hängen und feuchteren Senken sind erkennbar. Wann immer es in den Wettervorhersagen, die das Modell antreiben, regnet, wird auch die Auswirkung des Niederschlags auf die Bodenfeuchte sichtbar. Mit einem nunmehr erreichten realistischeren Systemzustand, simulieren wir Vorhersagezeitspannen von 9 Tagen. In einem weiteren Schritt werden unterschiedliche atmosphärische Antriebe aus einem Vorhersage-Ensemble hinzukommen. Zeitgleich zu den hier gezeigten Vorhersage-Simulationen laufen noch weitere Experimente zur Berechnung von Klimatologien, die dann gemeinsam mit den Vorhersagen ausgewertet werden.

Stand: 2021-06-09

Pflanzenverfügbares Wasser, Tagesmittel

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Pflanzenverfügbares Wasser [%nFK] ist das Wasser, das im Porenraum bei einem Matrixpotentail größer als der permanente Welkepunkt und kleiner als der Feldkapazität (FK) gespeichert ist. Das pflanzenverfügbare Wasser ist auch als nutzbare Feldkapazität bekannt (nFK) und wird in Prozent ausgedrückt. Ein Anteil von 0% nFK entspricht dabei dem permanenten Welkepunkt und ein Anteil von 100% nFK entspricht der Feldkapazität.


Sickerwasserstrom, Tagessummen

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Sickerwasserstrom bzw. kapillarer Aufstieg [mm/Tag]: Die vertikale Wasserbewegung im Boden über dem Grundwasserspiegel, also im ungesättigten Bodenbereich, ist in der Tagessumme entlang einer Tiefenschicht entweder nach unten gerichtet (Sickerwasserstrom) oder nach oben (kapillarer Aufstieg). Diese Bodenwasserbewegung ist bedeutsam für die Grundwasserneubildung und kann auch als Maß für den Transport von Nährstoffen dienen.

Die blauen Bereiche markieren jene Modellgitterpunkte an denen der Grundwasserspiegel oberhalb 30cm Tiefe liegt, d.h. hier findet eine gesättigte Wasserbewegung statt.

Hintergrund:
Der Sickerwassserstrom im ungesättigten porösen Medium des Bodens wird mit der Darcy-Gleichung berechnet basierend auf vertikalen hydraulischen Gradienten zwischen zwei ParFlow Modellschichten.


Änderung Bodenwasserspeicher seit Vorhersagestart, Zustand zum Tagesende

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Änderung des Bodenwasserspeichers zum jeweiligen Tagesende mit Bezug zum Simulationsstart [mm]: Der Bodenwasserspeicher bis in die jeweils betrachtete Tiefe (z.B. von der Landoberfläche bis in 30cm Tiefe) gibt die im Porenraum der jeweiligen Bodenschicht gespeicherte Menge Wasser in mm Wassersäule an. 1mm Wassersäule entspricht dabei der Menge von 1l Wasser pro Quadratmeter. Die Massenbilanz dieser Bodenschicht ist beeinflusst durch auf- bzw. absteigende Bodenwasserbewegungen, Verdunstung und Niederschlag bzw. Schneeschmelze. Die Änderung des Bodenwasserspeichers mit Bezug zum jeweiligen Vorhersagestart gibt für das Ende jedes Vorhersagetages (d.h. 24UTC) die Massenbilanz während der Simulation an, d.h. eine Gesamtabnahme oder -zunahme oder keine Veränderung des Speichers seit Beginn der Simulation. Insbesondere Niederschlagsereignisse im Laufe eines Tages führen zu einer Zunahme des Bodenwassers.


Bodenwasserspeicher, Zustand zum Tagesende

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Bodenwasserspeicher am jeweiligen Tagesende [mm]: Der Bodenwasserspeicher bis in die jeweils betrachtete Tiefe gibt die im Porenraum des Oberbodens gespeicherte Menge Wasser in mm Wassersäule an. 1mm Wassersäule entspricht dabei der Menge von 1l Wasser pro Quadratmeter. Die Massenbilanz dieser Bodenschicht ist beeinflusst durch auf- bzw. absteigende Bodenwasserbewegungen, Verdunstung und Niederschlag bzw. Schneeschmelze.


Druck, Zustand zum Tagesende

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Druck am jeweiligen Tagesende [m]: In den Bereichen wo der Druck positive Werte aufweist, ist der Boden wassergesättigt. Dort liegen die Modellgitterpunkte unterhalb des Grundwasserspiegels und der Druck entspricht der Grundwassersäule (in m) oberhalb der Modellgittermittelpunkte, d.h. oberhalb von 23.5cm im Falle einer abgebildete Schicht den Boden von 17cm bis 30cm Tiefe umfasst (im Falle einer Tiefenangabe von 30cm).

Dort wo der Druck negative Werte zeigt, ist der Boden ungesättigt. Der Druck entspricht dann dem Matrixpotential (1m = 10kPa), also dem Sog mit dem der Boden das Wasser festhält, und somit auch dem Sog, den z.B. Wurzeln ausüben müssen um Wasser aus dem Boden entnehmen zu können. Je weniger Wasser im Boden enthalten ist, desto negativer wird der Druck. Insbesondere bei anhaltendem trockenem und warmem Wetter mit einer starken Verdunstung kann der Druck in den oberen Zentimetern des Bodens sehr negative Werte aufweisen.

Der Druck ist der grundlegende Parameter, anhand dessen im hydrologischen Modell ParFlow der Bodenwasserzustand und seine Veränderungen berechnet werden. Alle anderen hier aufgeführten Diagnostiken werden anhand des Drucks und der Bodeneigenschaften (Porosität, bodenhydraulische Parameter wie Wasserleitfähigkeit, Van Genuchten Parameter) berechnet.


Sättigung, Zustand zum Tagesende

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Sättigung am jeweiligen Tagesende [%]: Die Sättigung gibt den Anteil des Porenraums an, der in einer bestimmten Tiefenschicht mit Wasser gefüllt ist. Bei einer Sättigung von 100% ist der gesamte Porenraum gefüllt und der Boden kann kein zusätzliches Wasser mehr aufnehmen. Selbst wenn der Boden stark ausgetrocknet ist, bleibt immer ein wenig Wasser an den Bodenpartikeln haften, sodass die Sättigung nie 0% erreicht. Diese sogenannte Restsättigung liegt je nach Bodentyp zwischen 10% (sandige Böden) und 30% (lehmige Böden).