Veranlassung
Als Beitrag zu den Zielen für nachhaltige Entwicklung der Vereinten Nationen (Sustainable Development Goals, SDGs), insbesondere SDG 6 – Wasser und Sanitätsversorgung, hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) die Fördermaßnahme "Globale Ressource Wasser" (GRoW) initiiert. OUTLAST wird über die BMBF-Fördermßnahme GRoW als Folgeprojekt finanziert.
In OUTLAST wird ein Modellsystem entwickelt, das aus drei Teilmodellen besteht: (1) Bias-Korrektur der globalen saisonalen Vorhersageprodukte SEAS5 (BSCD), (2) dem globalen hydrologischen Modell WaterGAP und (3) dem globalen Ernte-Wasser-Modell GCWM. Diese Modellsysteme und ihre Umgebung werden zurzeit in verschiedenen Forschungsinstituten entwickelt: Karlsruher Institut für Technologie (BSCD), Goethe-Universität Frankfurt (WaterGAP) und Georg-August-Universität Göttingen (GCWM). Trotz der erfolgreichen Entwicklung zahlreicher innovativer und hochmoderner Modellierungssysteme im akademischen Bereich ist die dauerhafte Umsetzung der Ergebnisse vieler Forschungs- und Entwicklungsprojekte nach dem Projektende nicht möglich, da die Überführung in ein operationelles System eine Herausforderung darstellt. Der Knackpunkt liegt darin, dass der Transfer von wissenschaftlichen Innovationen in die Praxis in der Regel mit einem hohen Aufwand für den Aufbau einer geeigneten IT-Infrastruktur verbunden ist, der viele Jahre dauert und für den nicht alle Forschungseinrichtungen über die notwendigen Kapazitäten und Ressourcen verfügen.
In OUTLAST wird erprobt, wie dieser Technologietransfer von der Forschungsidee hin zum Operationierungsbetrieb erleichtert und beschleunigt werden kann. Dafür wird eine Cloud-Ready-Lösung eingesetzt. Dies bedeutet, dass die Software-Komponenten (also das operationelle Vorhersagesystem) als Container (ein eigenständiges, ausführbares Softwarepaket, das alles enthält, was zur Ausführung einer Anwendung erforderlich ist, z. B. Docker) sowohl auf traditionellen Recheninfrastrukturen laufen können als auch auf Cloud-Infrastruktur (z. B. Amazon EC2) orchestriert werden können. Dieser Ansatz bietet viele Vorteile: (i) einen nahtlosen Übergang von OUTLAST in den Betrieb, (ii) die Vermeidung jeglicher Konflikte mit dem Host-Betriebssystem und (iii) Gewährleistung eines schnellen Reboot-Systems beim Ausfall einer der Server, um das System wieder hochzufahren. Weiterhin erleichtern systematische Dokumentationen des Systems, aber auch Implentierungen von IT-Sicherheitsvorgaben sowie Kostenschätzungen für einen dauerhaften Betrieb einen späteren Transfer in eine operationelle und dauerhafte Umgebung.
Um sicherzustellen, dass das Vorhersagesystem den Bedürfnissen von Endnutzern und politischen Entscheidungsträgern aus verschiedenen Sektoren auf globaler Ebene entspricht, wird OUTLAST zuerst in datenarmen und grenzüberschreitenden Wassereinzugsgebieten angewendet. Die Pilotnutzer aus den Regionen Viktoriasee und Zentralasien werden sich gemeinsam mit dem Projektteam an der Entwicklung des Systems beteiligen. Dazu ist es notwendig, im Rahmen des Projektes verschiedene Stakeholderdialoge durchzuführen.
Ziele
Ziel des Gesamtprojektes ist die Bereitstellung von sechsmonatigen globalen Dürrevorhersagen in Monatsschritten anhand von Bias-korrigierten SEAS5-Daten. Ziele des Teilprojektes von ICWRGC/BfG:
- operationelle Bereitstellung von globalen saisonalen, hydrometeorologischen Dürrevorhersagen, basierend auf einer flexiblen Cloud-Lösung, die eine hohe Portabilität liefert.
- Erstellung eines Umsetzungskonzeptes für einen anschließenden Dauerbetrieb, damit eine staatliche Behörde die erforderlichen Ressourcen frühzeitig einwerben und den Betrieb zeitnah übernehmen kann.
Basierend auf mehreren Studien in den letzten zwei Jahrzehnten ist weitestgehend gesichert, dass Pestizide Wirbellosen-Gemeinschaften in Bächen beeinflussen, was sich in einer Zunahme der relativen Häufigkeit von toleranten Taxa äußert. Unser Verständnis der Reaktion und der Langzeitfolgen toxischer Effekte ist jedoch noch unzureichend in Bezug auf die räumliche Dynamik und Anpassungsprozesse. Modellierungsstudien zeigten, dass sich genetische Anpassungen an Pestizide, die zu einer erhöhten Toleranz führen, auch Organismen in unbelasteten Standorten beeinflussen können. Empirische Studien über das Potenzial von Pestizideffekten flussabwärts sich auf Organismen in unbelasteten Bachabschnitten fortzupflanzen sind jedoch selten. In diesem Projekt untersuchen wir für verschiedene Wirbellose, ob sich Pestizideffekte auf Organismen in Refugien ausbreiten können. Das Projekt profitiert von einem landesweiten Monitoringprogramm zu Pestiziden (Umsetzung des nationalen Monitorings kleiner Gewässer für Pestizide), das qualitativ hochwertige Pestiziddaten, hochauflösende physikochemische Daten sowie Gemeinschaftsdaten zu Wirbellosen und Kieselalgen ohne zusätzliche Kosten liefert. Wir werden drei wirbellose Arten, darunter einen Gammarid, eine Köcherfliege und eine Eintagsfliege, in landwirtschaftlichen Stellen mit hoher Pestizidtoxizität und in zwei Abständen innerhalb von Refugien (Rand von Refugien und weiter stromaufwärts) untersuchen. Mit Hilfe von Schnelltests werden wir die Toleranz der Wirbellosen bestimmen, um mögliche Anpassungen beurteilen zu können. Darüber hinaus werden wir die genetische Vielfalt und Energiereserven in Gammariden messen. Wir stellen die Hypothese auf, dass die Anpassung die genetische Vielfalt reduziert und dass diese Reduktion sich auf unbelastete Standorte am Rand des Refugiums ausbreitet. Darüber hinaus gehen wir nach dem Konzept der Ressourcenallokation davon aus, dass eine höhere Toleranz mit einer höheren Allokation von Energie in Abwehrmechanismen verbunden ist, was zu geringeren Energiereserven im Vergleich zu weniger toleranten Organismen führt. Insgesamt wird dieses Forschungsprojekt wesentlich zum Verständnis der Mechanismen beitragen, die der höheren Toleranz in belasteten Standorten, wie in einer früheren Studie beobachtet (Shahid et al. 2018), zugrunde liegen. Außerdem wird es unsere Abschätzung der Kosten der Verschmutzung für Organismen und Populationen in unbelasteten Standorten voranbringen.