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Gletscher, Seen, und Ausbruchsfluten: Wie verändern sich Naturgefahren im Pacific Northwest im Zuge der atmosphärischen Erwärmung?

Mehrere tausend Gletscherseen sind durch die beschleunigte Gletscherschmelze in den Hochgebirge der Erde entstanden, von denen einige rasch an Volumen zunehmen. Vereinzelt kommt es immer wieder zu unvorhergesehenen Dammbrüchen mit teils katastrophalen Folgen für die talabwärts siedelnde Bevölkerung. Die Abflussspitzen solcher Gletscherseeausbrüche oder GLOFs (glacier lake outburst floods) können meteorologische Fluten lokal um ein Vielfaches übersteigen, und eventuell durch anhaltendes Wachstum von Gletscherseen in Zukunft noch höher werden. Die Gefährdung, oder Eintretenswahrscheinlichkeit, eines GLOFs ist jedoch weitestgehend unbekannt, weil bisher möglicherweise nur die größeren, schadensreichen Fluten dokumentiert wurden. Dieser Forschungslücke wollen wir begegnen, indem wir die räumliche und zeitliche Verteilung von Gletscherseen und deren Ausbrüche systematisch untersuchen. Unser Ziel ist es, durch die Erstellung von Inventaren von Gletscherseen und GLOFs zu quantifizieren, wie sich die GLOF-Gefahr zwischen 1985 und 2020 verändert hat. Unsere Untersuchungsregion sind die Gebirge des Pacific Northwest (NW-Amerika). Die dortigen Gletscher hatten in den vergangenen beiden Jahrzehnten eine der höchsten Schmelzraten weltweit. Jedoch blieb das Wachstum und Ausbrüche der zumeist eis- und moränen-gedämmten Seen regional nahezu unerforscht. Wir werden automatisch Gletscherseen aus Landsat-Satellitenbildern in mehreren Zeitschritten ab Mitte der 1980er Jahre kartieren. Aus diesen Seeninventaren und klimatischen, glaziologischen und morphologischen Variablen werden wir Bayes‘sche Modelle lernen, um die Entstehung von Gletscherseen vorhersagen zu können. Plötzlich auftretende Sedimentverfrachtungen unterhalb von Seen können auf bisher unerkannte GLOFs hinweisen, welche wir aus Landsat-Bildern automatisch detektieren werden. Diese Ereignisse werden wir mit verfügbaren Abflusszeitreihen und Feldarbeit an zwei ausgewählten Gletscherseen validieren werden. Somit erhalten wir ein regional konsistentes Inventar von GLOFs, aus dem wir ableiten können, wie stark sich deren Raten und Magnituden in den letzten 35 Jahren verändert haben. Schließlich werden wir Zeitreihen aus gemessenen und simulierten GLOF-Abflüssen zusammenführen, sodass wir die Jährlichkeit eines GLOFs abschätzen können. Mit Hilfe eines nicht-stationären Extremwertmodells werden wir zeigen, wie sich die Gefährdung durch GLOFs in den letzten Jahrzehnten verändert hat und wie sie sich bei anhaltender Gletscherschmelze verändern könnte. Wir sind zuversichtlich, dass unsere computer-gestützte Arbeit die Veränderungen der GLOF-Gefährdung vom Einzugsgebiet bis zur lokalen Ebene zuverlässig aufzeigen wird. Wir werden unsere Modelle frei zugänglich machen, was für Entscheidungsträger und Regionalplaner angesichts einer wachsenden Bevölkerung und Ressourcengewinnung im Pacific Northwest von Bedeutung sein wird.

Transregio (TRR) 410: neuartige Ökosysteme in wiedervernässten Niedermoorlandschaften, Teilprojekt C05: Bewertung des Klimaschutzpotenzials durch Wiedervernässung von Mooren

Wir werden moorspezifische Vegetations-, Hydrologie- und Bodeneigenschaften durch In-situ-Parametrisierung und einen skalenübergreifenden hybriden Modellierungsrahmen in ein dynamisches globales Vegetationsmodell (DGVM, JSBACH4) einbinden. Durch die Verknüpfung von biogeochemischen sowie lokalen und nichtlokalen biogeophysikalischen Effekten werden wir in der Lage sein, ein Instrument für eine umfassende Bewertung des Beitrags der Wiedervernässung von temperaten Niedermooren zur Abschwächung des Klimawandels und zur Anpassung daran zu entwickeln.

Bodenversiegelung auf der ‚Baumeinzugsgebietebene‘: Einfluss der Bodenversiegelung auf die Wasserverfügbarkeit für Stadtbäume

Das übergeordnete Ziel des Forschungsprojektes ist die Analyse der Einflüsse von urbaner Bodenversiegelung auf die Wasserverfügbarkeit für Stadtbäume in ariden Städten und Städten im Klimawandel. Dafür soll zunächst das neue räumliche Konzept des ‘Baumeinzugsgebiets’ entwickelt und genutzt werden um den gegenwärtigen Zustand der Bodenversiegelung auf der lokalen Baumebene in zwei Städten; Sacramento, USA und Berlin, Deutschland; zu kartieren und zu quantifizieren. Als Grundlage für diese Analyse dienen hoch aufgelöste räumliche Datensätze, sogenannte digitale Abbilde des öffentlichen Straßenraums. Die neuen Bodenversiegelungsdatensätze werden genutzt um ausgewachsene Baumindividuen für eine Feldstudie in Sacramento, USA zu lokalisieren und deren Wachstum in Abhängigkeit von der Bodenversiegelung im Baumeinzugsgebiet, aber auch ihrer Lage in der urbanen Wärmeinsel zu untersuchen. Zusätzlich, wird ein urbanes prozessbasiertes numerisches Boden-Pflanzen-Atmosphären-Modell entwickelt, das sowohl die anthropogene Grenzfläche der Bodenversiegelung, als auch erstmals die darunterliegende Wurzelwasseraufnahme integriert. Die Modellierung des Bodenwasserhaushalts unter verschiedenen Versiegelungsmaterialien wird durch einen vorhandenen einzigartigen Bodenfeuchtedatensatz, der unter zahlreichen Versiegelungsmaterialien erhoben wurde, ermöglicht. Die Erweiterung des numerischen Modells um die Wurzelwasseraufnahme wird anhand eines Feldexperiments mit Bäumen, mit und ohne Versiegelung, kalibriert und validiert. Die Rolle der klimatischen Randbedingungen für die Auswirkungen von Bodenversiegelung auf die Wasserverfügbarkeit für Stadtbäume soll in Simulationsstudien erforscht werden. Das Projekt ist bedeutsam für den Erhalt von ausgewachsenen Stadtbäumen, die einen wichtigen Beitrag für die Anpassung des Stadtraums an den Klimawandel leisten und besonders zur Vermeidung von Gesundheitsrisiken der vulnerablen Bevölkerung während Hitzeperioden dienen. Die Projektergebnisse liefern neues Wissen, das einen wesentlichen Bestandteil für die Umsetzung einer ressourcenschonenden Wasserversorgung von Stadtbäumen darstellt.

Waldstörungen in der Russischen Taiga und ihr Einfluss auf die Kohlenstoffspeicherung

Borealen Wälder speichern fast ein Drittel des weltweiten terrestrischen Kohlenstoffs in Biomasse und Böden. Die Stabilität dieser Kohlenstoffvorräte ist in der jüngsten Zeit intensiv diskutiert worden, denn es wird erwartet, dass Waldstörungen wie etwa Insektenausbrüche, Stürme oder Brände im Klimawandel zunehmen werden. Während für die nordamerikanischen und europäischen borealen Wälder eine solide Wissensbasis über sich verändernde Waldstörungen existiert, gibt es für die russischen borealen Wälder nur wenige Fallstudien. Diese wenigen Fallstudien decken jedoch nur einen sehr kleinen Teil der riesigen Ausdehnung des russischen borealen Waldes ab, was wiederum das Kohlenstoffbudget des russischen borealen Waldes höchst unsicher macht. Im Rahmen des BOFOR-Projekts schlagen wir daher vor, diese Wissenslücke zu schließen, indem wir unser Verständnis der sich veränderte Waldstörungen und deren Einfluss auf den Kohlenstoffhaushalt des russischen borealen Waldes verbessern. Das Projekt verfolgt dabei die folgenden sechs Ziele: (1) Entwicklung eines neuen räumlich expliziten Datensatzes für Waldstörungen für den gesamten russischen borealen Wald unter Verwendung von Erdbeobachtungsdaten. (2) Die Zuordnung von Waldstörungen zu ihren kausalen Verursachern wie Feuer, Wind, Insektenbefall und Holzernte. (3) Quantifizierung der Sensitivität von Störungen in borealen Wäldern gegenüber zunehmenden Klimaextremen im Zuge des Klimawandels. (4) Quantifizierung der Erholungsfunktion nach Störung, mit besonderem Blick auf die Biomasse. (5) Quantifizierung der Sensitivität der Erholungsfunktion gegenüber biotischen, bodenkundlichen und klimatischen Faktoren. (6) Erstellung eines vollständigen Kohlenstoffbudgets für den borealen Wald, einschließlich Störungen und Erholung. Das von uns vorgeschlagene Projekt wird eine wichtige Wissenslücke im globalen Kohlenstoffkreislauf schließen und damit unser Verständnis des Klimaschutzpotenzials der Wälder weltweit erheblich verbessern.

Wälder im Klimawandel - Auswirkungen von Umwelt- und anthropogenen Faktoren auf montane Trockenwaldökosysteme

In Südamerika droht die durch Entwaldung und den Klimawandel verstärkte Landschaftsdegradation zu einer der größten CO2-Quellen, einer Gefahr für die Biodiversität und einer Bedrohung für viele lokale Gemeinschaften durch Wegfall wichtiger Ökosystemleistungen zu werden. Trotz der wichtigen lokalen sowie globalen Bedeutung montaner Trockenwaldökosysteme, sind diese bislang kaum untersucht. Das FOCI-Projekt zielt daher darauf ab, die raumzeitliche Entwicklung der tropischen Trockenwälder der Anden zu analysieren und die Auswirkungen des Klimawandels auf künftige Entwicklungen sowie die Bereitstellung von Ökosystemleistungen für die armutsgefährdete Bevölkerung zu verstehen. FOCI gliedert sich in drei Arbeitspakete, die jeweils spezifische Aspekte der Untersuchung abdecken. Im ersten Schritt werden historische Veränderungen in der Waldbedeckung und -verteilung unter Verwendung hochauflösender Landnutzungsdaten analysiert und Trends in der Waldmigration und -degradation identifiziert. Dazu werden die natürlichen andinen Waldbestände über die letzten 40 Jahre untersucht und unterschiedliche Cluster der regionalen Wachstumsdynamiken herausgearbeitet. Weil in Gebirgen die Effekte des Klimawandels oft früher und stärker auftreten als in niedrigeren Lagen, werden nicht nur regionale, sondern insbesondere auch höhenbedingte Veränderungen erforscht. Das zweite Paket konzentriert sich darauf, die Einflussfaktoren auf die zuvor analysierte Gesundheit und den Verbreitungsgrad der andinen Trockenwälder zu verstehen. Da die Waldentwicklung maßgeblich von menschlichen Aktivitäten beeinflusst wird, werden in einer ganzheitlichen Betrachtung sowohl die umweltbedingten und klimatischen als auch die anthropogenen Einflussfaktoren auf die Trockenwaldentwicklung erforscht. KI-gestützte Regressionsanalysen und das Geodetector-Tool werden eingesetzt, um die Bedeutung von Variablen und räumlichen Korrelationen zu ermitteln; zeitliche Einflussfaktoren werden mithilfe rekurrenter neuronaler Netze (z. B. LSTM) analysiert und modelliert. Das dritte Paket ergänzt dies durch die Durchführung von Erhebungen in den ländlichen Gemeinden, um das Verständnis der lokalen Bevölkerung für die Ökosystemleistungen der Trockenwälder und ihre Wahrnehmung der Auswirkungen des Klimawandels zu ermitteln und so Einblicke in die Abhängigkeit der Gesellschaft von diesen Wäldern zu gewinnen. Die geplante Methodik umfasst somit die Anwendung satellitengestützter Fernerkundung, Modellierung durch maschinelles Lernen und standardisierter Umfragen. Diese multidisziplinäre Herangehensweise ermöglicht eine umfassende Erforschung von Entwicklungs- und Reaktionsmustern in verschiedenen räumlichen und zeitlichen Maßstäben. Die Ergebnisse werden dazu beitragen, Forschungslücken zu schließen und neue Erkenntnisse für den Schutz und die nachhaltige Nutzung montaner Trockenwälder zu gewinnen.

Akklimatisierung und Mortalität: Wie europäische Wälder auf den zunehmenden Trockenstress reagieren

Die jüngste Zunahme in der Häufigkeit und Dauer trockener Sommer in Europa stellt die Anpassungsfähigkeit vieler Baumarten auf die Probe und führt zu einem weitverbreiteten Rückgang der Produktivität und oftmals sogar zum Absterben ganzer Wälder. Die Geschwindigkeit dieser klimatisch bedingten Veränderungsprozesse stellt langjährige Bewirtschaftungspraktiken infrage und zeigt die Notwendigkeit, Wachstumsraten und Bestandsdynamik unter veränderten Umweltbedingungen zu bewerten und zu modellieren. Die hier beantragte Studie analysiert interregionalen Klima-Wachstums-Reaktionen von Bäumen, um deren Widerstandsfähigkeit und Akklimatisierung unter zukünftigen Klimabedingungen einschätzen zu können. Die Analyse konzentriert sich auf eine der bedeutsamsten mitteleuropäischen Baumarten (Pinus sylvestris L.) und die Beziehung zwischen Holzanatomie und Klimavariabilität vor, während und nach vergangenen Dürreereignissen. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Ableitung statistisch verifizierbarer Schätzgrößen zur Akklimatisationsfähigkeit von Kiefern unter Verwendung eines Jahrringnetzwerks lebender und abgestorbener Bäume in Zentraleuropa. Im Rahmen des Projekts werden 17 neue Waldstandorte beprobt, Messungen von 20 weiteren Standorten aktualisiert und bestehende Daten von mehr als 300 Standorten integriert. Verallgemeinerte lineare gemischte Modelle (GLMM) werden verwendet, um die Schätzungen der Akklimatisierungskapazität raum-zeitlich zu extrapolieren und Eignungsprojektionen für europäische Kiefernbestände unter Berücksichtigung unterschiedlicher Szenarien zu entwickeln. Mit diesem Ansatz werden folgende Projektziele verfolgt: (i) Ein neues subkontinentales, dendrochronologisches Netzwerk lebender und abgestorbener Bäume zur statistischen Bewertung von Trockenheitsauswirkungen. (ii) Die Quantifizierung der Akklimatisierungskapazität von Pinus sylvestris im europäischen Verbreitungsgebiet. (iii) Eine räumlich differenzierte Schätzung der Widerstandsfähigkeit und künftigen Eignung von Wäldern in verschiedenen Klimawandelszenarien bis in das Jahr 2100. Ein wesentlicher Bestandteil des Proposals ist die Integration umfangreicher empirischer Daten von Hunderten von Jahrringstandorten und Modellierung zur Abschätzung der Akklimatisierungskapazität und Leistungsfähigkeit europäischer Kiefernwälder. Somit zielt das Projekt darauf ab, einen Beitrag zu den laufenden Bemühungen nachhaltiger Forstwirtschaftsstrategien unter den Bedingungen des Klimawandels zu leisten.

Quantifizierung der Auswirkungen von Blitzschlägen auf die Dynamik und Kohlenstoffspeicherung von Wäldern mithilfe eines dynamischen globalen Vegetationsmodells

Blitze stellen einen bedeutenden, jedoch oft unbeachteten Störfaktor in Waldökosystemen dar, deren potenzielle Auswirkungen derzeit unterschätzt werden. Jüngste Forschungen in einem tropischen Wald in Panama haben ergeben, dass jeder Blitzschlag durchschnittlich zum Tod von 3,5 Bäumen führt und dass Blitze für über 40% der Mortalität großer Bäume verantwortlich sind. Angesichts einer erwarteten Zunahme der Blitzaktivitäten in einem wärmeren Klima wird die durch Blitze verursachte Baummortalität die Walddynamik in Zukunft voraussichtlich noch stärker beeinflussen. Aktuelle dynamische globale Vegetationsmodelle berücksichtigen jedoch keine Blitzschäden an Bäumen. Dies könnte zu erheblichen Verzerrungen bei der simulierten Waldstruktur, Zusammensetzung, Kohlenstoffspeicherung und Ökosystemdienstleistungen unter heutigen und zukünftigen Umweltbedingungen führen. Dieses Projekt zielt darauf ab, diese Forschungslücke zu schließen, indem blitzbedingte Baummortalität in das etablierte dynamische globale Vegetationsmodell LPJ-GUESS implementiert wird. Ich werde die blitzbedingte Mortalität basierend auf der lokalen Blitzhäufigkeit, Baumdurchmessern und Baumdichte berechnen und dabei berücksichtigen, dass die Mortalität pro Einschlag für große, eng beieinanderstehende Bäume am höchsten ist. Nach erfolgreicher lokaler Evaluierung werde ich globale Simulationen durchführen, um Einblicke darüber zu gewinnen, wie Blitze Waldökosysteme in verschiedenen Regionen prägen und um die Bedeutung von blitzbedingter Baummortalität im Vergleich zu anderen Absterbeursachen abzuschätzen. Darüber hinaus werde ich zukünftige Simulationen durchführen, die von Projektionen des Klimawandels sowie Änderungen in der Blitzhäufigkeit angetrieben werden, um das Fortbestehen der Waldkohlenstoffsenke unter globalen Umweltveränderungen zu untersuchen. Schließlich wird die Darstellung von Blitzen in LPJ-GUESS es mir auch ermöglichen, deren indirekten Auswirkungen auf die Vegetation zu untersuchen, indem sie andere Störungen wie Waldbrände, Insektenausbrüche oder Windwürfe begünstigen. Das übergeordnete Ziel des Projekts besteht darin, die Bedeutung von blitzbedingter Baummortalität in Waldökosystemen zu bewerten und die ökologischen Risiken und Auswirkungen, die mit einer zunehmenden Blitzhäufigkeit einhergehen, abzuschätzen. Letztendlich wird die Integration blitzbedingter Mortalität in LPJ-GUESS zu verlässlicheren Simulationen der Kohlenstoffspeicherung von Wäldern führen und somit wertvolle Erkenntnisse für fundierte Entscheidungen in Bezug auf Landnutzungsstrategien zum Klimaschutz, Naturschutz und Anpassung liefern.

Gerätezentrum Umweltanalytik

Die Herausforderungen einer nachhaltigen Entwicklung erfordern Antworten auf komplexe Umweltprobleme wie Klimawandel, Verlust an Biodiversität, Verfügbarkeit von sauberem Wasser und biobasierten Materialien für die Kreislaufwirtschaft. Die jüngsten Fortschritte bei der Entwicklung analytischer Technologien bieten vielfältige Möglichkeiten, sich diesen Problemen erfolgreich zu stellen. Diese Entwicklungen gehen jedoch mit einer hohen Spezialisierung einher und bergen die Gefahr einer starken Fragmentierung der verschiedenen Disziplinen der Umweltwissenschaften. Gleichzeitig steigen die Kosten für den Betrieb der analytischen Instrumente kontinuierlich an. Die Etablierung eines Gerätezentrums (GZ) ‘Umweltanalytik’ an der TU Dresden (TUD) soll diese starke Fragmentierung überwinden und damit die Verfügbarkeit und die Zugänglichkeit zu modernen analytischen Instrumenten für Wissenschaftler der TUD und deren externer Partner verbessern. Das angestrebte GZ umfasst sehr innovative und äußerst komplexe Gerätesysteme für die (i) Analyse stabiler Isotope zur Prozessforschung, die Nutzung (ii) spektroskopischer Verfahren zur Identifizierung molekularer Strukturen organischer Substanzen und die Nutzung (iii) der Rasterelektronenmikroskopie (Environmental Scanning Electron Microscopy) zur Erforschung von Mikro- und Nanostrukturen. Diese Kerntechnologien werden ergänzt durch eine breite Palette an unterstützenden analytischen Verfahren, womit insgesamt ein großes Potential für eine integrative Forschung in den Umweltwissenschaften besteht. Die integrative Datenanalyse wird ein weiterer Bestandteil des angestrebten GZ sein. Es wird ein Managementsystem entwickelt, das einen einfachen Zugang und eine effiziente gemeinsame und kostengünstige Nutzung aller Instrumente ermöglicht. Dies ist Voraussetzung einer tiefgreifenden Integration der Umweltwissenschaften und wird gleichzeitig zu einem fruchtbaren Austausch von Wissenschaftlern unterschiedlicher Disziplinen führen. Der Aufbau des GZ wird zu neuen Qualitätsstandards in der Umweltanalytik beitragen. Das GZ geht weit über das Angebot der Nutzung analytischer Kapazitäten hinaus. Die Nutzer werden bei der Auswahl der am besten geeignetsten Kombination analytischer Verfahren wissenschaftlich fundiert beraten. Außerdem wird eine gemeinsame integrative Auswertung bei komplexen Umweltdaten angeboten. Durch das GZ werden besonders interessierten Studenten und jungen Forschern Qualifizierungskurse angeboten. Damit wird das GZ der interdisziplinären Spitzenforschung in den Umweltwissenschaften an der TUD einen starken Impuls verleihen. Externe Partner erhalten mehr Möglichkeiten zur erfolgreichen Zusammenarbeit mit ihren Partnern an der TUD. Dies wird zur Generierung neuer Forschungsideen und deren Umsetzung in wissenschaftlichen Projekten führen. Damit wird das Gerätezentrum zu wissenschaftlich exzellenten Lösungen der komplexen Umweltprobleme beitragen, mit denen unserer Gesellschaft konfrontiert ist.

Eine nachhaltige Nutzung der globalen hydrologischen Modellierungssoftware WaterGAP

WaterGAP ist eine globale hydrologische Simulationssoftware zur Berechnung von Wasserflüssen und -speicherung auf allen Kontinenten der Erde. Sie wird verwendet, um Wasserverfügbarkeit und Wasserstress für Menschen und andere Biota weltweit zu bestimmen. In zahlreichen Studien wurde WaterGAP genutzt, um z.B. den Einfluss des Klimawandels auf Bewässerungsbedarf, ökologisch relevante Durchflusscharakteristika, Grundwasserneubildung und auf Wasserressourcen im Allgemeinen zu erforschen. Resultate aus diesen Studien sind in IPCC-Berichte eingegangen. WaterGAP nimmt unter den hydrologischen Modellen weltweit eine Führungsrolle ein. Allerdings wurde die Software über mehr als 20 Jahre von mehreren Doktoranden und Postdocs verändert und befindet noch sich immer in einem Prototypstadium. Die Software wurde nie grundlegend überarbeitet oder auf Grundlage einer sorgfältig geplanten Software-Architektur entwickelt. Es handelt sich eher um eine Ansammlung von Dateien mit jeweils fast 10.000 Code-Zeilen, ohne eine konsequente Modularisierung. Es ist es uns daher aktuell nicht möglich, die Software anderen Forschern zur Verfügung zu stellen, damit sie Ergebnisse replizieren und verstehen können oder die Software für eigene Forschung zu erweitern. Auch Modellveränderungen und Erweiterungen durch unsere beiden Gruppen sind herausfordernd und kosten Zeit. Gerade wegen der wichtigen Forschungsergebnisse bezüglich der Beurteilung und Projektion von globalen Wasserressourcen wäre eine Replikation der Ergebnisse durch Dritte unbedingt notwendig, was eine deutliche Verbesserung der Softwarequalität voraussetzt. Projektziel ist es. die Forschungssoftware in einer modernen Programmiersprache neu zuschreiben und ausführlich zu dokumentieren. Zudem soll die räumliche Auflösung flexibel anpassbar sein. Die resultierende Software soll testbar, wartbar, erweiterbar und durch Dritte nutzbar und erweiterbar sowie gründlich getestet sein. Die Neuentwicklung wird mit einem angepassten Scrum-Prozess durchgeführt und die Planung der Software Architektur wird auf Grundlage des IEEE 1016-2009 Dokuments erstellt. Mehrere Methoden werden genutzt um nachhaltig die Qualität der Software intern und externe zu steuern. Dieses Projekt wird anderen Forschern erlauben unser globales hydrologisches Modell selbst auszuführen, Ergebnisse zu replizieren oder die Einflüsse von Modifikationen in den Eingabedaten und Algorithmen zu untersuchen. Die Forschergemeinschaft kann so algorithmische Ansätze vergleichen, unserer Ergebnisse überprüfen und auch Fehler in unserer Software identifizieren. Um die Berichterstattung und Zusammenarbeit so einfach wie möglich zu gestalten setzen wir auf die etablierte Plattform github. Auch werden wir von automatisierten Tests und Benchmarkszenarien Gebrauch machen. Dies wird nicht nur dazu beitragen die Forschungssoftware WaterGAP effizienter zu nutzen und wissenschaftliche Ergebnisse robuster machen, sondern auch den wissenschaftlichen Fortschritt beschleunigen.

Entschlüsselung der Treiber der Partitionierung des Wasserhaushalts in seine Komponenten mittels stabiler Isotope, hydrologischer Modellierung und maschinellem Lernen für verschiedene Landschaften

Das Verständnis für die Partitionierung des Niederschlag (P) in Abfluss (Q), Transpiration (T) und Verdunstung (E) in verschiedenen hydro-klimatologischen Regionen ist wichtig, um die Auswirkungen des Globalen Wandels auf den Wasserhaushalt und den biogeochemischen Kreislauf vorherzusagen. Trotz der Relevanz sind die zugrundeliegenden Prozesse und die Möglichkeiten zur Vorhersage limitiert, da vor allem die Partitionierung der Evapotranspiration (ET) in T und E, aufgrund eines Mangels an Messmethoden und an Daten für die Modellvalidierung, auf Einzugsgebietsskale schwierig ist. Dieses Projekt zielt darauf ab, diese Einschränkung zu überwinden, indem es die T/ET-Verhältnisse in Einzugsgebieten unterschiedlicher Skale untersucht und die dominierenden Mechanismen des Wasserverlusts (T, E, Q) mit der Einzugsgebietsphysiographie in Verbindung bringt. Hier werden Methoden des maschinelles Lernen eingesetzt, um Muster und Korrelationen zu identifizieren. Das Projekt untersucht diverse Einzugsgebiete weltweit welche vorhandene Daten für stabile Isotope (18O und 2H des Wassermoleküls) in den Wasserhaushaltskomponenten aufweisen. Das langjährige Mittel der Partitionierung des Niederschlags und der Evapotranspiration wird für mehrere Hundert Einzugsgebiete mit vorhandenen niederfrequenten Isotopendaten durchgeführt unter Anwendung der Isotopen- und Wassermassenbilanz. Zusätzlich wird für einen Satz von elf Einzugsgebiete mit höherer Datenverfügbarkeit die Partitionierung mittels des hydrologischen Modells isoWATFLOOD für eine feinere zeitlicher Auflösung durchgeführt. Abschließend wird maschinelles Lernen verwendet um die Partitionierung und die dominierenden Wasser-Verlustmechanismen in Einzugsgebieten anhand der Physiogeographie abzuschätzen.

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