Um Vorhersagen für den regionalen Wasserkreislauf zu treffen, muss dieser mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung simuliert werden, um die relevanten Prozesse aufzulösen. Wir führen diese Simulationen mit verschiedenen atmosphärischen (WRF, MPAS), Landoberflächen- (NOAH-MP) und hydrologischen Modellen (WaSiM) durch. Darüber hinaus entwickeln wir Softwaresysteme zur Kopplung der Modelle der verschiedenen Kompartimente (WRF-Hydro), die bidirektionale Flüsse von Energie und Materie ermöglichen. Diese Modelle werden dann auf verschiedenen Zeitskalen angewandt, von hochauflösenden Fallstudien für bestimmte Einzugsgebiete über mehrere Monate bis hin zu Klimavorhersagen für größere Regionen wie Mitteleuropa oder Westafrika. Zu unseren neuesten Entwicklungen gehören Large-Eddy-Simulationen (LES) zur Auflösung des vertikalen Energietransports in der Atmosphäre mit einer Auflösung von mehreren zehn Metern. Außerdem entwickeln wir Deep-Learning-Techniken, um die räumliche und zeitliche Auflösung von groben Klimamodellen zu verbessern.

Niederschläge sind zeitlich und räumlich sehr variabel. Das Gleiche gilt für die Bodenfeuchte und die Energieflüsse. Sie alle sind Schlüsselvariablen für die Beobachtung und Modellierung des hydrologischen Kreislaufs. Um die räumliche und zeitliche Auflösung unserer Beobachtungen zu verbessern, setzen wir neue innovative Messtechniken ein und bauen spezielle Beobachtungsnetze in datenarmen Regionen auf. Wir arbeiten an der Entwicklung neuer Sensortechniken, wie z. B. der Beobachtung der Bodenfeuchte mittels kosmischer Neutronenstrahlung, und an der Nutzung opportunistischer Sensordaten, z. B. aus dem bestehenden Netz kommerzieller Richtfunkstrecken (CML), die Teil des Mobilfunknetzes sind. Unsere speziellen Beobachtungsnetze werden hauptsächlich im Rahmen von TERENO und WASCAL installiert.

Wasserbezogene Probleme treten häufig in Regionen mit hohem Druck auf die Wasserressourcen auf. Ursachen hierfür können schwierige oder sich verschlechternde klimatische Bedingungen, Missmanagement der Wasserressourcen, zunehmender Druck durch steigende Bevölkerungszahlen oder eine Kombination dieser Faktoren sein. Wir entwickeln und wenden unsere Modelle und Beobachtungstechniken nach wie vor in Deutschland und den Alpen an und profitieren dabei von der vorhandenen Infrastruktur und der leichteren Zugänglichkeit. Wir konzentrieren uns jedoch stark auf die oben genannten Regionen, in denen Wasserprobleme bereits ein großes Problem darstellen und sich in den nächsten Jahrzehnten voraussichtlich noch verschärfen werden.

In den Entwicklungsländern sind die Kapazitäten für die meteorologische und hydrologische Beratung von Entscheidungsträgern oft weniger gut entwickelt. Wir haben uns zum Ziel gesetzt, diese Situation zu verbessern, indem wir Systeme zur Entscheidungsunterstützung in der Wasserwirtschaft entwickeln und betreiben. Diese Systeme beruhen auf den hydrometeorologischen Vorhersagen von Prognosemodellen, die wir für unsere Zielregionen betreiben. Die wissenschaftlichen Ergebnisse werden zu relevanten Informationen für die Entscheidungsträger zusammengestellt und in einem interaktiven Web-Frontend visualisiert. Unser derzeitiges Tool bietet Informationen über korrigierte saisonale Vorhersagen für ausgewählte Einzugsgebiete wie den Blauen Nil, in denen die Wasserbewirtschaftung ein wichtiges Thema ist.

Wir haben den potenziellen wirtschaftlichen Wert des saisonalen Vorhersagesystems SEAS5 für die Entscheidungsfindung in der Wasserwirtschaft bewertet. Für sieben analysierte dürregefährdete Regionen in Amerika, Afrika und Asien hat sich die relative Häufigkeit von Dürremonaten zwischen 1981 und 2018 von 10 auf 30 % erhöht. Wir zeigen, dass ein auf saisonalen Vorhersagen basierendes Handeln bei Dürren potenzielle wirtschaftliche Einsparungen von bis zu 70 % erzielt. Für sehr warme Monate und Dürreperioden ergeben sich selbst bei mehrmonatigen Prognosehorizonten Einsparungen von mindestens 20 %. Unsere eingehende Analyse für den Upper-Atbara-Staudamm im Sudan zeigt, dass durch eine frühzeitige Anpassung des Managements des Stausees bei Trockenheit Verluste in Höhe von 16 Mio. US$ in einem Beispieljahr vermieden werden können. Diese Ergebnisse unterstreichen den Vorteil und die Notwendigkeit der Berücksichtigung saisonaler Vorhersagen bei der hydrologischen Entscheidungsfindung.

Portele, T.C., Lorenz, C., Dibrani, B., Laux, P., Bliefernicht, J., und Kunstmann, H.: Seasonal forecasts offer economic benefit for hydrological decision making in semi-arid regions. Sci Rep 11, 10581, https://doi.org/10.1038/s41598-021-89564-y, 2021.

Lorenz, C., Portele, T. C., Laux, P., and Kunstmann, H.: Bias-corrected and spatially disaggregated seasonal forecasts: a long-term reference forecast product for the water sector in semi-arid regions, Earth Syst. Sci. Data, 13, 2701-2722, https://doi.org/10.5194/essd-13-2701-2021, 2021.

Wir sammeln Echtzeit-Dämpfungsdaten von 4000 kommerziellen Richtfunkstrecken (CMLs) in Deutschland. Aus den CML-Dämpfungsdaten können mit Hilfe spezieller Signalverarbeitungs- und Deep-Learning-Methoden gemittelte Regenraten für jeden CML-Pfad abgeleitet werden. Ein Vergleich der von CMLs abgeleiteten Niederschlagsinformationen mit dem offiziellen Wetterradarprodukt des Deutschen Wetterdienstes (DWD) zeigte eine gute Übereinstimmung. Wir arbeiten nun an der Zusammenführung von CML- und Radardaten mit dem DWD und an der Übertragung unserer Methoden auf Entwicklungsländer, die in der Regel nur über sehr spärliche Niederschlagsbeobachtungsnetze verfügen.

Graf, M., Chwala, C., Polz, J., und Kunstmann, H.: Rainfall estimation from a German-wide commercial microwave link network: optimized processing and validation for 1 year of data, Hydrol. Earth Syst. Sci., 24, 2931-2950, https://doi.org/10.5194/hess-24-2931-2020, 2020.

Polz, J., Chwala, C., Graf, M., and Kunstmann, H.: Rain event detection in commercial microwave link attenuation data using convolutional neural networks, Atmos. Meas. Tech., 13, 3835-3853, https://doi.org/10.5194/amt-13-3835-2020, 2020.

Es wird geschätzt, dass die jährliche Weltproduktion von Nutzpflanzen und Vieh im Jahr 2050 um 60 % höher sein muss als 2006, um den wachsenden Nahrungsmittelbedarf zu decken. In Westafrika wird die Bevölkerung bis 2050 voraussichtlich um 54 % und bis 2100 um 82 % zunehmen, während die Ernteerträge sich negativ entwickeln werden. Wir bewerten die Auswirkungen des Klimawandels auf die Landwirtschaft und Viehzucht in Westafrika mit Hilfe von hochauflösenden regionalen Klimamodellen. Wir analysieren agroklimatologische Indizes für Mais, Sorghum und Hirse unter aktuellen (1981-2010) und zukünftigen (2021-2100) Bedingungen. Die Projektionen deuten auf verzögerte Regenzeiten, eine geringere Wasserverfügbarkeit und eine Zunahme der Wachstumsgradtage hin. Darüber hinaus bewerten wir den Hitzestress für Milchvieh und stellen fest, dass die Zahl der schweren Hitzestressereignisse zunimmt, was zu Produktivitätsverlusten führt. Bis zum Jahr 2071-2100 könnten Milchkühe jährlich bis zu 70 Tage mehr mit extremer Hitze zu kämpfen haben. Unsere Ergebnisse unterstreichen den dringenden Bedarf an klimaangepassten Strategien in der Landwirtschaft und Viehwirtschaft.

Dieng, D., Laux, P., Smiatek, G., Heinzeller, D., Bliefernicht, J., Heinzeller, D., Bliefernicht, J., Sarr, A., Gaye, A. T., and Kunstmann, H.: Performance analysis and projected changes of agroclimatological indices across West Africa based on high-resolution regional climate model simulations. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 123, 7950-7973. https://doi.org/10.1029/2018JD028536, 2018.

Rahimi, J., Mutua, J.Y., Notenbaert, A.M.O., Dieng D., and Butterbach-Bahl, K.: Will dairy cattle production in West Africa be challenged by heat stress in the future? Climatic Change 161, 665-685. https://doi.org/10.1007/s10584-020-02733-2, 2020.

Wir untersuchen die Fähigkeit der hydrologisch erweiterten Version des Weather Research and Forecasting model (WRF-Hydro), den regionalen Wasserkreislauf mittels eines bidirektional gekoppelten Ansatzes zu reproduzieren, und bewerten die Auswirkungen der hydrologischen Kopplung im Vergleich zu einer Modellierung ohne diese Kopplung. Die Auswertung basiert auf umfangreichen Beobachtungen Terrestrial Environmental Observatories (TERENO) Voralpenobservatorium für das Ammer-Einzugsgebiet in Süddeutschland. Im Vergleich mit den TERENO-Messungen übertrifft das vollständig gekoppelte Modell das klassische WRF-Modell geringfügig hinsichtlich der Evapotranspiration, des fühlbaren und des Bodenwärmeflusses, des oberflächennahen Mischungsverhältnisses, der Temperatur und der Grenzschichtprofile der Lufttemperatur.

Fersch, B., Senatore, A., Adler, B., Arnault, J., Mauder, M., Schneider, K., Völksch, I., and Kunstmann, H.: High-resolution fully coupled atmospheric-hydrological modeling: a cross-compartment regional water and energy cycle evaluation, Hydrol. Earth Syst. Sci., 24, 2457-2481, https://doi.org/10.5194/hess-24-2457-2020 , 2020.

Es ist allgemein anerkannt, dass der Sommerniederschlag durch die Bodenfeuchtigkeit beeinflusst werden kann. Gekoppelte Landoberflächen- und Atmosphärenmodelle werden routinemäßig zur Quantifizierung der Rückkopplungsprozesse zwischen Bodenfeuchte und Niederschlag verwendet. Die meisten Landoberflächenmodelle gehen jedoch von einem vertikalen Bodenwassertransport aus und vernachlässigen den lateralen terrestrischen Wasserfluss an der Oberfläche und im Untergrund, was die Realitätsnähe der simulierten Rückkopplung zwischen Bodenfeuchte und Niederschlag potenziell verringert. Wir verwenden das gekoppelte atmosphärisch-hydrologische Modell WRF-Hydro mit einer Option zur Markierung und Verfolgung der Landoberflächenverdunstung in der modellierten Atmosphäre, genannt WRF-Hydro-tag. Mit WRF-Hydro-tag können wir den Beitrag des lateralen terrestrischen Wasserflusses zum Sommerniederschlag bewerten. Es zeigt sich, dass der laterale terrestrische Wasserfluss den relativen Beitrag der Landoberflächenverdunstung zum Niederschlag in Europa um 3,6 % und in Westafrika um 5,6 % erhöht, was eine positive Rückkopplung zwischen Bodenfeuchte und Niederschlag verstärkt und zu mehr Unsicherheit im modellierten Niederschlag führt, was sich in einem leichten Anstieg der normalisierten Ensemblespanne zeigt. Diese Studie zeigt den kleinen, aber nicht zu vernachlässigenden Beitrag des lateralen terrestrischen Wasserflusses zum Niederschlag auf kontinentaler Ebene.

Arnault, J., Fersch, B., Rummler, T., Zhang, Z., Quenum, G.M., Wei, J., Graf, M., Laux, P., Kunstmann, H., Lateral terrestrial water flow contribution to summer precipitation at continental scale - A comparison between Europe and West Africa with WRF-Hydro-tag ensembles. Hydrological Processes. 35:e14183. https://doi.org/10.1002/hyp.14183, 2021.