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Deutschlandvorhersagen in 0.6km


Hier entsteht ein neues Vorhersage-Experiment in hoher räumlicher Auflösung (0.6km)

Wir zeigen Ihnen hier (vorläufige) Ergebnisse einer neuen hydrologischen Vorhersage-Simulation für Deutschland und die Nachbarregionen. Diese Simulation befindet sich derzeit noch in der sogenannten Einschwingphase, daher sind die Ergebnisse noch nicht belastbar und vorläufig.

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.

Wir benutzen hier das hydrologische Modell ParFlow mit seinem Oberflächenmodul CLM (Common Land Model) zur Simulation beispielsweise der Bodenfeuchte und ihrer Veränderungen. Die ParFlow Vorhersagen erfolgen für jeden Tag bei einer Vorhersagezeit von 9.5 Tagen. Da es sich hierbei um prototypische Simulationen handelt, die sozusagen "quasi-operationell" durchgeführt werden, kann es vorkommen, dass nicht jeden Tag eine neue Rechnung vorliegt, in diesem Fall werden die fehlenden Tage nachgerechnet, so dass eine lückenlose Datenreihe entsteht.

Die Simulationen umfassen den Wasserhaushalt im Boden und an der Erdoberfläche sowie die Wechselwirkungen von Landoberfläche und Vegetation mit der Atmosphäre. Die atmosphärischen Randbedingungen entstammen täglichen Wettervorhersagen des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersage (ECMWF).

Die räumliche Auflösung der ParFlow Vorhersagen ist mit 0.6km relativ hoch. Dadurch werden z.B. topographische Gegebenheiten oder die Landnutzung sichtbar. Das Modell verfügt über 15 Bodenschichten von der Oberfläche bis in 60m Tiefe.

Aktuell dargestellte diagnostische Grössen aus der Modellsimulation sind:

Weitere Diagnostiken und Tiefen bzw. Schichten sind in Vorbereitung.

Hintergrund:
Das Modellsystem befindet sich aktuell in der Einschwingphase (Spin-Up). Dies ist 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.
Von einem stark durchfeuchteten Boden gestartet, hat sich ParFlow in den vergangenen Wochen schrittweise „eingeschwungen“ und dabei zunehmend realistischere Simulationsergebnisse berechnet. 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: 2021-05-11


Pflanzenverfügbares Wasser [%nFK]

Pflanzenverfügbares Wasser 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 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 des Bodenwasserspeichers, 0-30cm, zum jeweiligen Tagesende mit Bezug zum Simulationsstart [mm]

Der Bodenwasserspeicher bis 30cm 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. Die Änderung des Bodenwasserspeichers mit Bezug zum Simulationsstart 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.