Sediment erosion and transport is critical to the ecological and commercial health of aquatic habitats from watershed to sea. There is now a consensus that microorganisms inhabiting the system mediate the erosive response of natural sediments ('ecosystem engineers') along with physicochemical properties. The biological mechanism is through secretion of a microbial organic glue (EPS: extracellular polymeric substances) that enhances binding forces between sediment grains to impact sediment stability and post-entrainment flocculation. The proposed work will elucidate the functional capability of heterotrophic bacteria, cyanobacteria and eukaryotic microalgae for mediating freshwater sediments to influence sediment erosion and transport. The potential and relevance of natural biofilms to provide this important 'ecosystem service' will be investigated for different niches in a freshwater habitat. Thereby, variations of the EPS 'quality' and 'quantity' to influence cohesion within sediments and flocs will be related to shifts in biofilm composition, sediment characteristics (e.g. organic background) and varying abiotic conditions (e.g. light, hydrodynamic regime) in the water body. Thus, the proposed interdisciplinary work will contribute to a conceptual understanding of microbial sediment engineering that represents an important ecosystem function in freshwater habitats. The research has wide implications for the water framework directive and sediment management strategies.
The overarching goal of our proposal is to understand the regulation of organic carbon (OC) transfor-mation across terrestrial-aquatic interfaces from soil, to lotic and lentic waters, with emphasis on ephemeral streams. These systems considerably expand the terrestrial-aquatic interface and are thus potential sites for intensive OC-transformation. Despite the different environmental conditions of ter-restrial, semi-aquatic and aquatic sites, likely major factors for the transformation of OC at all sites are the quality of the organic matter, the supply with oxygen and nutrients and the water regime. We will target the effects of (1) OC quality and priming, (2) stream sediment properties that control the advective supply of hyporheic sediments with oxygen and nutrients, and (3) the water regime. The responses of sediment associated metabolic activities, C turn-over, C-flow in the microbial food web, and the combined transformations of terrestrial and aquatic OC will be quantified and characterized in complementary laboratory and field experiments. Analogous mesocosm experiments in terrestrial soil, ephemeral and perennial streams and pond shore will be conducted in the experimental Chicken Creek catchment. This research site is ideal due to a wide but well-defined terrestrial-aquatic transition zone and due to low background concentrations of labile organic carbon. The studies will benefit from new methodologies and techniques, including development of hyporheic flow path tubes and comparative assessment of soil and stream sediment respiration with methods from soil and aquatic sciences. We will combine tracer techniques to assess advective supply of sediments, respiration measurements, greenhouse gas flux measurements, isotope labeling, and isotope natural abundance studies. Our studies will contribute to the understanding of OC mineralization and thus CO2 emissions across terrestrial and aquatic systems. A deeper knowledge of OC-transformation in the terrestrial-aquatic interface is of high relevance for the modelling of carbon flow through landscapes and for the understanding of the global C cycle.
In den vergangen 20 Jahren kam es in Mitteleuropa zu einer Häufung hydrologischer Dürreereignisse, ein Trend, der sich in Zukunft weiter verstärken wird. Bereits jetzt gelten die im Vergleich zu Mittelwerten extrem trockenen vergangenen Jahre als eine der Hauptursachen für den sich systematisch verschlechternden Zustand der Wälder in Mitteleuropa. Eine allgemein akzeptierte Annahme ist, dass tief verwurzelte Bäume solchen Dürreereignissen besser standhalten können. Das prozessbasierte Verständnis in Bezug auf die Nutzung von tief liegenden Wasserressourcen und deren Nutzung durch Vegetation ist jedoch stark limitiert. Tiefes Bodenwasser (> 1 m) wird häufig vernachlässigt oder vereinfacht betrachtet. Zentrales Ziel unseres Projektes ist es daher, raumzeitliche Dynamiken und Rückkopplungen zwischen Niederschlagsinfiltration und Grundwasserneubildung sowie kapillarem Aufstieg zu quantifizieren. Wir werden die Wasseraufnahme von typischen europäischen Waldbäumen (Buche, Eiche, Fichte) mit unterschiedlichen Wassernutzungsstrategien und Wurzeltiefen untersuchen und dabei zwischen Bäumen mit I) direktem Zugang zu Grundwasser, II) Kontakt zur Kapillarzone oberhalb des lokalen Grundwasserspiegels und III) solchen, ohne direkte Verbindung zum Grundwasser/der Kapillarzone haben, aber ein tiefes Wurzelsystem zur Nutzung der in der ungesättigten Zone gespeicherten Wassers besitzen und IV) flachwurzelnden Bäumen. Unsere Hypothese ist, dass die Aufrechterhaltung der Konnektivität zur Kapillarzone für einige Arten eine kritische Komponente der Trockenheitstoleranz ist, deren Bedeutung aber abhängt von I) klimatischen und geomorphologischen Bedingungen, die die raumzeitliche Dynamik dieser Verbindung definieren (Dürredauer, Pufferkapazität der Kapillarzone) und II) Artenspezifischen Dürreanpassungen (Wurzeltiefen, adaptives Wurzelwachstum, Grad der Isohydrie) ab. Um die Auswirkungen der Vegetationskonnektivität zur Kapillarzone auf die Baumgesundheit sowie den Wasserkreislauf vollständig zu verstehen, verwenden wir eine Kombination aus ökohydrologischen, pflanzenphysiologischen, geophysikalischen und modellbasierten Ansätzen. Ein besonderer Schwerpunkt ist der Einsatz einer neuartigen Messmethodik zur kontinuierlichen Erfassung stabiler Wasserisotope. Daraus resultierende Datensätze mit hoher räumlich-zeitlicher Auflösung der Wasser Isotopie des Boden, des Xylem und des atmosphärischen Wasserdampfes werden durch Sauerstoffisotope- und Phloem-Kohlenstoffisotopendaten von Jahrringen ergänzt. Diese Kombination ermöglicht uns Rückschlüssen auf die aktuelle Konnektivität verschiedener Baumarten zu verschiedenen tief liegenden Wasserpools und sowie die neuartige Möglichkeit zur Analyse historischer Dürreereignisse. Anschließend wird das isotopenfähige SVAT-Modell MuSICA mit dem parametrisiert, um den Zusammenhang zwischen Tiefenwasseraufnahme und der Baumgesundheit unter verschiedenen Szenarien (extremer trockener, trockener, normaler Jahre) vorherzusagen.
Grundwasser dient als lebenswichtige Trinkwasserquelle, doch die steigende Nachfrage übt einen zunehmenden Druck auf lokale Grundwasserleiter aus. Besondere Beachtung gilt Karstgrundwassereinzugsgebiete, die durch eine schnelle Grundwasserneubildung und einen raschen Schadstofftransport gekennzeichnet sind. Die Bewertung der Vulnerabilität von Karstgrundwasserleitern und -quellen stützt sich bisher überwiegend auf statische Methoden, die nur selten integrative betrachtet werden. Es gibt es eine Vielzahl vielversprechender Indikatoren, sowohl nicht quellenspezifischer Art (z. B. elektrische Leitfähigkeit, Trübung, gelöster organischer Kohlenstoff), um schnelle Abflüsse zu erkennen, als auch quellenspezifischer Art (z. B. Metazachlor, Cyclamat, Koffein, Acesulfam), um die Herkunft von Schadstoffen in Karstgrundwasserleitern zu bestimmen. Diesen Indikatoren mangelt es jedoch an eine Prognosefähigkeit, da sie sich auf die Identifizierung von Verunreinigungen in Echtzeit oder die Verfolgung des Ursprungs der Verunreinigungen beschränken. Dieses Projekt zielt darauf ab, neue Methoden für die Echtzeitbewertung der Gefährdung und die Vorhersagemodellierung in Karstgrundwasserleitern zu verbessern und zu entwickeln, indem ein modernes hybrides Abflussmodell (mit räumlich aufgelöster Anreicherung und verklumptem Grundwasser) mit einem indikatorbasierten Ansatz integriert wird, der sowohl nicht quellenspezifische als auch quellenspezifische Indikatoren verwendet. Zu diesem Zweck, wird das hybride Abflussmodell bezüglich der schnellen Abflusskomponente auf der Grundlage nicht quellenspezifischer Indikatoren kalibrieren. Darüber hinaus werden Eintragsherde, wie punktuelle Einträge aus Abwasserüberschlägen und diffuse Einträge aus der Landwirtschaft, in das Modell einbezogen, gekoppelt mit einem reaktiven Stofftransportmodell. Dieser umfassende Ansatz wird es ermöglichen, Zeiträume mit erhöhter schneller Abflusskomponente, die häufig mit Verunreinigungen durch Bakterien, Viren, organische Verbindungen assoziiert ist, und Einträge aus spezifischen Quellen zu identifizieren. Ein besonders bemerkenswertes Merkmal dieses Ansatzes die Fähigkeit, potenzielle Auswirkungen auf die Wasserqualität vorherzusagen, indem Wettervorhersagen bis zu 24 Stunden im Voraus genutzt werden. Die Ergebnisse dieses Projekts sind von großer Bedeutung für ein zeitgemäßes, modellgestütztes Grundwassermanagement in Karstgrundwasserleitern, das der dringenden Notwendigkeit einer nachhaltigen Ressourcennutzung und des Umweltschutzes Rechnung trägt.
In den letzten zwei Jahrzehnten ereigneten sich in Deutschland und Österreich eine Reihe extremer Hochwasser, die mit den größten derartigen Ereignissen seit Beginn der systematischen Abflussbeobachtungen zu Beginn des 20. Jahrhunderts vergleichbar waren, oder diese sogar in ihrer Größe überschritten. Derartige Rekordhochwasser unterscheiden sich in mehrfacher Hinsicht von kleineren Hochwasserereignissen. Das Ausmaß, die Dauer und die räumliche Ausdehnung eines extremen Hochwassers werden von einer Reihe von Faktoren (beispielsweise durch den Niederschlag und seine räumliche und zeitliche Verteilung, den Vorfeuchtebedingungen und den Einzugsgebietseigenschaften wie Flächennutzung, Böden, Flussnetzen und anderen) gesteuert. Das Zusammenwirken des Regens in seiner ereignisspezifischen räumlichen und zeitlichen Verteilung mit der Bodenfeuchte ist oft der auslösende Faktor, da es eine extreme Abflussbildung bedingt. Sobald eine Hochwasserwelle sich im Flussnetz stromabwärts bewegt, wird ihr weitere Verlauf durch die Wechselwirkungen zwischen der Abflussbildung in den verschiedenen Teilbereichen des Einzugsgebietes, der Überlagerung von Hochwasserwellen aus Zuflüssen und den zur Verfügung stehenden Retentionsvolumina in den Überschwemmungsgebieten bestimmt. Welche Kombinationen dieser Faktoren extreme Hochwasserereignisse bedingen, stellt eine wichtige und interessante hydrologische Frage dar. Oft werden nur einige dieser Faktoren die Hochwasserentstehung dominieren und selten werden alle diese Faktoren gleichzeitig im Bereich ihres Maximums auftreten. Große Realisierungen einiger Wirkungsfaktoren reichen aber in der Regel aus, um extreme Hochwasserereignisse zu bedingen. In diesem Projekt werden diese Faktoren und deren Kombinationen im Rahmen einer detaillierten Analyse von extremen Hochwasserereignissen in verschiedenen Regionen Deutschlands und Österreichs untersucht. Aus der Anwendung eines einheitlichen analytischen Rahmens sind weitergehende Einblicke in den Hochwasserentstehungsprozess zu erwarten. Die Ergebnisse der Ereignisanalysen können durch regionalen Vergleiche verallgemeinert werden. Die Erkenntnisse zur Steuerung der hydrologischen Prozesse der Hochwasserentstehung werden in einem neuen GIS-basierte deterministischen Modellen zusammengefasst, um so das Wissen über die Entstehung von extremen Hochwasserereignissen zu verallgemeinern und zu formalisieren.
High-quality near-real time Quantitative Precipitation Estimation (QPE) and its prediction for the next hours (Quantitative Precipitation Nowcasting, QPN) is of high importance for many applications in meteorology, hydrology, agriculture, construction, water and sewer system management. Especially for the prediction of floods in small to meso-scale catchments and of intense precipitation over cities timely, the value of high-resolution, and high-quality QPE/QPN cannot be overrated. Polarimetric weather radars provide the undisputed core information for QPE/QPN due to their area-covering and high-resolution observations, which allow estimating precipitation intensity, hydrometeor types, and wind. Despite extensive investments in such weather radars, QPE is still based primarily on rain gauge measurements since more than 100 years and no operational flood forecasting system actually dares to employ radar observations for QPE. RealPEP will advance QPE/QPN to a stage, that it verifiably outperforms rain gauge observations when employed for flood predictions in small to medium-sized catchments. To this goal state-of-the?art radar polarimetry will be sided with attenuation estimates from commercial microwave link networks for QPE improvement, and information on convection initiation and evolution from satellites and lightning counts from surface networks will be exploited to improve QPN. With increasing forecast horizons the predictive power of observation-based nowcasting quickly deteriorates and is outperformed by Numerical Weather Prediction (NWP) based on data assimilation, which fails, however, for the first hours due to the lead time required for model integration and spin-up. Thus, RealPEP will merge observation-based QPN with NWP towards seamless prediction in order to provide optimal forecasts from the time of observation to days ahead. Despite recent advances in simulating surface and sub-surface hydrology with distributed, physicsbased models, hydrologic components for operational flood prediction are still conceptual, need calibration, and are unable to objectively digest observational information on the state of the catchments. RealPEP will prove that in combination with advanced QPE/QPN physics-based hydrological models sided with assimilation of catchment state observations will outperform traditional flood forecasting in small to meso-scale catchments.
Überflutungsflächen eines Hochwassers mit niedriger Wahrscheinlichkeit in Hessen (Bezeichnung nach Wasserhaushaltsgesetz (WHG) §74): Überflutungsflächen mit einem voraussichtlichen Wiederkehrintervall von mindestens 200 Jahren (HQextrem, entspricht mindestens einem 200-jährlichen Hochwasser). Einzelne Gebiete haben auch eine abweichende Jährlichkeit für das Hochwasser mit niedriger Wahrscheinlichkeit. Teil des Datenbestands der Hochwasserrisikomanagementpläne (HWRMP) in Hessen.
Past, present and future rainfall erosivity in central Europe calculated from convection-permitting climate simulations in COSMO-CLM using emission scenario RCP 8.5. A description of the dataset and methodology is given in the article "Past, present and future rainfall erosivity in central Europe based on convection-permitting climate simulations" by Magdalena Uber et al. (2024) in Hydrology and Earth System Sciences (https://doi.org/10.5194/hess-28-87-2024).
Question: Dr Mischel, why was GRDC set up, and how long has it been hosted by BfG? Dr Simon Mischel: GRDC has been hosted by BfG since 1988. However, its origins lie in the first Global Atmospheric Research Programme, for which the WMO collected discharge data in the early 1980s. In actual fact, the primary aim of this programme was to collect physical parameters to gain a better understanding of processes in the atmosphere. However, it quickly became clear that discharge data plays a huge role in improving understanding of the climate. To begin with, this initial data set, which forms the core of GRDC, was hosted by LMU Munich. To establish a permanent service provision, the WMO mandated BfG, a departmental research institute of the German Federal Government, to set up GRDC. Finally, on 14 November 1988, the Global Runoff Data Centre was officially established at BfG in Koblenz under the auspices of the WMO. What is the main function of GRDC, and where does the data come from? Ever since it was set up, the core function of GRDC has been to collect and maintain historical river discharge data and make this available for international research projects. The data comes primarily from the national hydrological services in the WMO member states. Data is transmitted on a voluntary basis, but various WMO resolutions encourage the member states to supply data to GRDC. Support from the WMO is therefore hugely important to us. Once we’ve received the data, we check it, convert it into a standardised format and add it to our database. Users anywhere in the world can then download the data via the GRDC data portal. We have been working successfully in this way – as a facilitator between producers and us-ers of hydrological data – for some 35 years. We have also been a key partner in a number of data collection and data management projects. Why is discharge data important, and for which studies is it used? The “discharge” hydrological parameter is an important variable, both in the global water cycle and for water resource management. Moreover, discharge is also a relevant climate variable, since the flow of freshwater into oceans has an impact on temperature distribution, the salt content of the seas and oceanographic circulation systems. According to our statistics, over the last two years, GRDC data was requested by users from more than 130 countries. Around three quarters of all the associated studies are connected to the climate or hydrometeorology, and the data is frequently used to calibrate and validate numerical models, such as in relation to hydrological drought and flood monitoring services. Users range from students who need the data for a thesis or dissertation to international research programmes and organisations conducting global studies. GRDC itself is also involved in some of these studies, such as the WMO “State of Global Water Resources” report and the “Global Climate Observing System (GCOS)” report, the findings of which directly inform UN Climate Change Conferences. How good is the data coverage, and in what resolution is the data available? GRDC hosts the most extensive global database of quality-controlled discharge data – year-book data or historical data. We collect only daily and monthly mean values – no unverified real-time data is collected. We currently have discharge data from approximately 10,700 stations in 160 countries in the database. Most of these stations are in Europe and North America, and the average time-record length is 40 years. The longest time record, which originates from the Dresden station on the Elbe, dates back to 1806. It is important that we map data sets that are as long and complete as possible for climate research and hydrological modelling. We particularly include data from stations that reflect the hydrology of a river or region. Stations located in the estuaries of major rivers are also important for better quantifying the volume of freshwater entering our oceans. Stations where there is minimal human influence are also valuable and attract a great deal of interest in relation to global change and climate change. Discharge is just one of many important hydrological parameters. Are there other global data centres? GRDC works in close collaboration with the International Centre for Water Resources and Global Change (ICWRGC), which is based at BfG. ICWRGC also hosts two other global water data centres, namely the GEMS/Water Data Centre (GWDC), which collects water quality data on behalf of the United Nations Environment Programme, and the International Soil Moisture Network ISMN. In Germany, there is also the Global Precipitation Climatology Centre (GPCC), which is operated by Germany’s National Meteorological Service DWD. World-wide, there are also other global water data centres, which are collectively responsible for collecting different parameters relating to the hydrological cycle (e.g. for groundwater, isotopes, lake observations and glacier observations). These are operated by other nations and under the auspices of various organisations. They are important partner data centres for us, and we work in close collaboration with them in the context of the Global Terrestrial Network – Hydrology (GTN-H), which is hosted in the ICWRGC under a mandate from the WMO. The GTN-H is a Global Climate Observing System (GCOS) programme. In this international network, we are a strong partner in the UN-Water “family” and contribute towards United Nations reporting. As the new head of GRDC, which challenges are you looking forward to? As the new head, I am naturally keen to successfully carry forward the GRDC brand – a brand that is held in high esteem all over the world – and to continue looking after and expanding existing collaborations. To give you some examples, these particularly include contact with our users, data suppliers, the WMO as patron, ICWRGC as an international partner at BfG and our partner data centres. However, as a team, we are, of course, also aware of the very fast technical progress that is being made in relation to data and digitalisation. For example, the global call for open and large datasets that comply with the FAIR (findable, accessible, interoperable, reusable) principles is constantly growing. We are therefore already working, step by step, on making GRDC “fair”. This includes use of free software and offering our users access to data via data repositories and programming interfaces. A recent milestone in this respect is the publication of the Caravan dataset. With this, we can offer researchers a partial dataset of free GRDC stations, including meteorological data and river basin attributes. Our aim is to develop GRDC as a digital service provider for global discharge data and operate it at BfG on the basis of reliable data infrastructure.
Städte haben ihre Wurzeln im Untergrund. Hier befinden sich die Fundamente von Gebäuden und ein wesentlicher Anteil der urbanen Infrastruktur. Zugleich dient der Untergrund als Wasserreservoir und als Quelle für erneuerbare Energie. Ein bisher wenig beachtetes Phänomen sind die sogenannten Urbanen Wärmeinseln im Untergrund (UWIU), die sich oft unbemerkt über Jahrzehnte ausbreiten. Sie reichen häufig über das gesamte Stadtgebiet, in dem erheblich höhere Boden- und Grundwassertemperaturen zu finden sind als in der ungestörten, ländlichen Umgebung. Die Ursachen hierfür sind vielfältig und gerade die langfristige Entwicklung von UWIUs ist noch heute ungeklärt. Um Empfehlungen für eine möglichst proaktive Nutzung des städtischen Untergrunds in der Zukunft zu erstellen, gilt es, die treibenden Prozesse und Faktoren zu ergründen, die UWIUs in verschiedenen Städten verursachen. Das Kernthema dieses Projekts ist, erstmalig die thermischen Bedingungen unter zwei chinesischen und deutschen Städten, Nanjing und Köln, zu vergleichen. Die teilnehmenden Wissenschaftler haben weitreichende Erfahrung in der Erforschung von UWIUs in ihren Ländern und in Vorarbeiten bereits eine umfassende Datenbasis von Boden- und Grundwassertemperaturen gesammelt. Kernziel ist es, diese mit einem neuen gemeinsamen Messprogramm zu aktualisieren und aus der vergangenen und aktuellen Entwicklung der beobachteten UWIUs auf die zukünftige Temperaturentwicklung im Untergrund zu schließen. Dies wird erreicht durch ergänzende Laborversuche und umfassende numerische Simulationen, die insbesondere die zeitliche Entwicklung der Landnutzung berücksichtigen. Die Ergebnisse für die Städte in Deutschland und China werden verglichen und so individuell von gemeinsamen Charakteristiken unterschieden. Auf diese Weise werden allgemeingültige Zusammenhänge erschlossen, die sich auch auf weitere weniger erforschte Städte übertragen lassen und dort Prognosen zur zukünftigen UWIU-Entwicklung ermöglichen.
| Origin | Count |
|---|---|
| Bund | 3860 |
| Europa | 1 |
| Global | 19 |
| Kommune | 11 |
| Land | 1765 |
| Wirtschaft | 2 |
| Wissenschaft | 69 |
| Zivilgesellschaft | 2 |
| Type | Count |
|---|---|
| Daten und Messstellen | 150 |
| Ereignis | 2 |
| Förderprogramm | 3714 |
| Hochwertiger Datensatz | 5 |
| Kartendienst | 27 |
| Repositorium | 4 |
| Taxon | 3 |
| Text | 144 |
| Umweltprüfung | 2 |
| unbekannt | 1556 |
| License | Count |
|---|---|
| geschlossen | 359 |
| offen | 5179 |
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| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 4874 |
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|---|---|
| Archiv | 22 |
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| Webdienst | 41 |
| Webseite | 1722 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 4988 |
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| Weitere | 5543 |