Massenvariationen in der Hydrologie

Transkript

1 DFG Workshop SPP 1257 Gummersbach, 21. März 2007 Massenvariationen in der Hydrologie Prozesse Raum- / Zeitskalen

2 Der Globale Wasserkreislauf (Max-Planck-Institute for Meteorology, Hamburg)

3 Massenströme und Massenspeicher Stationäre Massenströme transportieren Masse ohne lokale Massenänderung nicht sichtbar in GRACE Massenströme mit unterschiedlichem Zeit- oder Transport-Verhalten bewirken zeitliche und räumliche Änderungen in Massenspeichern sichtbar in GRACE Zeitverhalten bestimmt durch : Klimatischen Größen Prozesse Speicher Zeitkonstanten

4 Zeitliche Variation der Massenspeicher Unterschiedliches Zeitverhalten : Resultat aus Zusammenwirken Q I Volumenströme Volumen-Speicher Widerstände S 1 Abfluß-Ganglinie Q II 10 S 2 P Eff Q (m3/s) Q B = 1 k B S 2 Gesamt Basis 1 Jun. 87 Jul. 87 Jul. 87 Aug. 87 Sep. 87 Okt. 87 Nov. 87 Dr. J. Riegger

5 Räumliche Variation der Massenspeicher Zusammenwirken räumlich unterschiedlicher : Klimatischer Größen entspr. Energieumsatz und Zirkulation Verdunstung Niederschlag - Transport Physikalischer Eigenschaften Wärmekapazitäten Prozesse Fließen, Verdunsten, Sublimieren, Schmelzen / Gefrieren Transportmedien Meeresströme, Atmosphäre, Gewässer, Eis-Fluß / -schmelzen Speichergrößen und -eigenschaften

6 Globale Flächenanteile Gesamt: Land 25.8% Ocean 71.3% Eis 2.9% Nord-Hemisphäre: Süd-Hemisphäre: Land 38.1% Land 13.4% Ozean 60.9% Ozean 81.7% Eis 0.9% Eis 4.89%

7 Massen und Massendichten Massentransporte Mean Monthly Mass Deviation Ozean Land Eis 2,0E+09 1,5E+09 5,0E+07 4,0E+07 Massenerhaltung Mai Sept: Land Ozean Sept Mai: Ozean Land Mass Deviation [kt] 1,0E+09 5,0E+08 0,0E+00-5,0E+08-1,0E+09 3,0E+07 2,0E+07 1,0E+07 0,0E+00-1,0E+07-2,0E+07-3,0E+07 Land incl.desert Ocean Land Ice SUM LOI -1,5E+09-4,0E+07-2,0E+09 Jan Feb Mrz Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Month -5,0E+07 Massendichten Ozean Land Eis bestimmt durch unterschiedliche Flächenanteile Räumliche Variation der Massendichten Mass Density Deviation [mm] Mean monthly Mass Density Deviations 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00-0,02-0,04-0,06-0,08 Land incl.desert Ocean Land Ice mean -50 Jan Feb Mrz Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec -0,10 Month

8 Globale Feuchte-Bilanz: P - ET

9 Globale Transportsysteme

10 Bodenfeuchte

11 Hydrologische Massenvariation Raum- / Zeitmuster der kontinentalen Massenspeicher angetrieben durch : Klimatische Bedingungen Saisonale Energiebilanz (Temperatur, Solarstrahlung, latente/ sensible Wärme) Großräumiger atmosphärischer Feuchte-Transport (Werte und zeitliche Verteilung) Hydrologische Prozesse Transfer: Boden Vegetation Atmosphäre Speicher-Charakteristiken Oberfläche Boden ungesättigter / gesättigter Untergrund Abfluß-Charakteristiken Gewässernetz Topographie Antropogene Einflüsse

12 KLimazonen durch globale Zirkulationsmuster

13 Ozean Atmosphäre - Orographie

14 Der Globale Wasserkreislauf (Max-Planck-Institute for Meteorology, Hamburg)

15 Der lokale Wasserkreislauf (Max-Planck-Institute for Meteorology, Hamburg)

16 Groß- / Kleinskalige Prozesse Q Q R Großskaliger Feuchte-Transport W t Q Q = R + S t Kleinskaliger Feuchte-Transport P adv + P konv ETa = R + S t

17 Massenvariationen in der Hydrologie Lokale Prozesse

18 Lokaler Kreislauf

19 Vereinfachtes Flußdiagramm OBERFLÄCHENWASSER O.-ABFLUSS ETa SVAT NIEDERSCHLAG SCHNEE INTERZEPTION PUMPEN O.-SPEICHER UNGESÄTTIGTE ZONE m B.-SPEICHER INFILTRATION O.-ABFLUSS FWK INTERFLOW ÜBERGANGSZONE PERKOLATION GRUNDWASSERBEREICH m GW-SPEICHER GW-ÜBERLAUF BASSISABFLUSS

20 Vegetations-Interzeption Abfangen des Niederschlags vor Erreichen des Bodens als Regen / Schnee / Reif abhängig von : Größe der Pflanzen (Baum, Strauch, Staude, Gras) Pflanzdichte (Stockwerke) Blattoberfläche Vegetationsperiode Bodenbedeckung (Mulch..) Auffüllen des Interzeptionsspeichers Abtropfen bei vollem Speicher Evoporation Zeitbereich : Minuten bis Stunden Dr. J. Riegger

21 Interzeptions-Speicher abhängig von Vegetations- Art Alter Vegetationsart Alter Speicher [mm] Fichte 15 0,6 Fichte 23 1,5 Fichte 30 2,7 Fichte 80 4,0 Kiefer 28 3,0 Buche 60 0,6 Zuckerrüben 2,5 Hafer 3,0 Weizen 2,1 Kartoffeln 3,4 Mais 1,4-6,0 abhängig von Vegetations-Zyklus Interception in % of Precipitation 38% 36% 34% 32% 30% 28% 26% 24% 22% 20% coniferous mixed decidous Month

22 1. Interface : Boden-Oberfläche EVAPOTRANSPIRATION VON OBERFL.-WASSER NIEDERSCHLAG Regen / Schnee BEWÄSSERUNG OBERFL.-ABFLUSS VON OBERSTROM OBERFL.-ABFLUSS NACH UNTERSTROM OBERFL:-WASSERSPEICHER MAX. OBERFL.- WASSERSPEICHER ET AUS BODENSPEICHER MAX. INFILTRATION BODEN-SPEICHER SICKERSTRÖMUNG ZELLE MIT OBERFL.-WASSERSPEICHER

23 Oberflächenabfluß Hangneigung Oberflächenrauhigkeit (Mikrorelief, Bodenbedeckung,...) Bodenleitfähigkeit, Feldkapazität Zeitbereich : Minuten bis Stunden

24 Sickerstömung im Boden Lösung der Richards equation : homogen heteroge n doppelporös Kapillardruck-Sättigungs- Leitfähigkeits-Sättigungs- Beziehung hoch nichtlineares System abhängig von Anfangs- und Randbedingungen stark heterogenes System (Makro- / Mikro-Poren) Zeitbereich: Tage bis Wochen cm

25 ETa = die Schnittstelle zur Atmosphäre SVAT

26 Lokale Energie- und Wasserbilanz SVAT : Soil Vegetation Atmosphere

27 Wasser- und Energie-Flüsse SVAT (Soil Vegetation Atmosphere Transfer) Die Erdoberfläche als Interface zur Atmosphäre d.h. : Kopplung kontinentaler Wassermassen Atmosphäre bestimmend für Abfluß-Generation Kopplung bestimmt durch lokale Wasser- und Energie-Verfügbarkeit Sonstige terrestrische Abflüsse haben hauptsächlich Einfluß auf Massen-Zeitverhalten nicht auf Wasser-Bilanz

28 4 Komponenten Atmosphäre potentielle Evapotranspiration Luftmasse (Temperatur (Höhe), Feuchte) Schichtung Durchmischung (Stabilität) Strahlung Einstrahlung (Lat/Long, Exposition, Beschattung,..) Zeitverlauf Abstrahlung Oberfläche (Schnee/Eis, Wasser, Boden) reale Evaporation Leit- und Speicherfähigkeit : Wasser und Energie Kapillarverhalten, Heterogenität Belebte Zone (Flora, Fauna) Vegetation Transpiration Wurzeltiefe zustands- und zeitabhängig pflanzenspezifische Transpiration pflanzenspezifischer Welkepunkt

29 Potenzielle Sonneneinstrahlung Maximale Einstrahlung berechnet aus Lat / Long, Neigung und Orientierung (ArcView-Extension Solar Analyst )

30 Evaporation von Wasserflächen abhängig von : Atmosphäre (potentielle ETp) Strahlungsbilanz (Wasser, Atmosphäre) Trübung lokaler Wassertemperatur (innere Durchmischung, Wärmespeicherung) Stoffgehalt (Salinität) Windgeschwindigkeit Überstreichlänge Wellengang (Gischt) (oft zus.gefaßt als Lake Coeff. ) Dalton, Penman, Richter,.. DVWK Merkblätter 238/1996

31 Evaporation von Schnee- und Eisflächen Sublimation mit / ohne Strahlung Verdunsten nach Schmelzen Transport mit dem Wind?? siehe Glaziologie

32 Evaporation vom Boden Dani Or, P. Lehmann, Nima Shokri EPFL (2006)

33 Evaporation vom Boden Dani Or, P. Lehmann, Nima Shokri (2006)

34 Evaporation vom Boden Dani Or, P. Lehmann, Nima Shokri (2006)

35 Transpiration von Pflanzen abhängig von : Atmosph. Bedingungen Pflanzen-Charakteristiken (Typ, LAI, Alter, Zyklus,...) Wasserverfügbarkeit (Boden) Verhältnis zeitabhängig : Boden-Evaporation zu Transpiration bestimmt durch Pflanzen-Zyklus Dr. J. Riegger

36 Messung : Verdunstung von Landflächen

37 Vereinfachung: Verdunstung von Landflächen Komplexes Zusammenspiel von Atmosphäre, Strahlung, Pflanzen und Boden! Ohne Begrenzung des Wasserdargebots : Potentielle Evapotranspiraton ETp = maximale Verdunstung von Landflächen Empirisch, statistische Methoden unter Berücksichtigung von : Meteorologie Bewuchs Boden (Haude, Thornthwaite, Blaney-Criddle, Turk, Priestley-Taylor, Turk-Wendling, Hargreave...) Verfahren mit Berücksichtigung von Globalstrahlung Sonnenscheindauer meist ausreichend

38 Vereinfachung: Verdunstung von Landflächen Vereinfachungsansatz Berücksichtigung von : Vegetationsart über K C Bodenzustand über K S

39 Einfluss der Vegetation Vegetations-spezifische Evapotranspiration ET c =k c ET 0 mit Crop-Koeffizient kc falls keine Begrenzung des Wasserdargebots [DVWK 1999], [Stat 2000] Crop coefficient 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 Arable Land Winter wheat Winter Barley Summer Barley Winter rye Hafer,Oat Turnips Potatoes Winter rape Zeit- und Arten Abhängigkeit : Zeitabhängige Crop Koeffizienten 0, Days from 1st Jan

40 Einfluß der Bodens Ohne Begrenzung des Wasserdargebots : ETa = ETp Bei Begrenzung des Wasserdargebots : ETa < ETp Bei Begrenzung des Wasserdargebots : 1 E E BODENWASSER EVAPOTRANSPIRATION akt pot Ansatz: ETa ETp ~ θ BODEN ET. Lineare Begrenzung mit aktueller Bodenfeuchte θ(t) C = 0.08 to 0.16 TIEFEN ET. BODEN+TIEFEN ET θ max = nfk * Schichtdicke WP WP+E pot FK B.-SPEICHER Dr. J. Riegger

41 Kombination Vegetation - Boden Komplexes Raum- / Zeitverhalten abhängig von : Klimatischem Input :Zeitverhalten P(t), ETp(t) Zeit- und Typ-abhängigen Vegetatonseigenschaften Aktuellem, zeitabhängigem Bodenwasserspeicher /Bodenart, Landnutzung 1993 Bodenarten (BÜK 200) Hochaufgelöste Räumlich / Zeitliche Beschreibung

42 Zeitliche Variation des Bodenspeichers Bodenspeicher-Variaton abhängig von : lokalem Energie-Umsatz lokaler Wasserverfügbarkeit Klima : Saisonale Evapotranspiration ETp Saisonale Niederschlagsverteilung (Menge, zeitl. Verteilung) Maximalem Bodenspeicher Ankopplung an Grundwasser Großräumigem Abfluss (Feuchtgebiete)

43 Tägliche Variation des Bodenspeichers Große Volumen-Umsätze deutliches Kurzzeitverhalten

44 Monatliche Variation des Bodenspeichers Nasses Tundra Klima : ~ konstanter Speicher Eta / ETp ~ 1 Storage, Etp, P (mm) Monthly Time Series for TWC = 50mm given P=1500 & Etp= Months Storage P ETp ETa/ETp ETa/ETp Monthly Time Series for TWC = 50mm given P=200mm & Etp=1000mm Semiarides bis Arides Klima : Starke Speicher-Variaton im Monatsbereich Eta / ETp ~ Speicher Storage (mm) Months Storage P/ETp ETa/ETp P/Etp, Eta/ETp

45 Verdunstung bei Inter-Annueller Variation des Bodenspeichers Annual ETa/p Vrs P/ETp ETa/p Trockene Zone Nasse Zone P/ETp Annual ETa/ETp versus P/ETp for TWC = 850mm trotz gleichem Klimatischen Input P/ETp : unterschiedliche Verdunstungs-Kennlinien ETa/p für verschiedene Jahre Zeitbereich Tage bis Jahre Der Boden als Gedächtnis der Wasserbilanz

46 Volumenströme Niederschlag Interzeption Oberflächiger Zu- und Abstrom Bewässerung, Drainage Sickerströmung im Boden Evapotranspiration Atmosphäre Sickerströmung in ungesättigter Zone Interflow und Returnflow (Quellen) Grundwasserabfluß Gewässerabfluß

47 Abfluss-Separation Direktabfluss: Oberirdischer Abfluss und schneller Zwischenabfluss, der direkt ins Gewässer fließt Basisabfluss: langsamer Zwischenabfluss und Grundwasserfiltration ins Gewässer

48 Gewässer-Abfluß Überlagerung aller Abfluß-Komponenten Zeitverhalten durch Gerinne-Hydraulik und Speicher Abfluß normalerweise Schnellste Fluid-Komponente Abfluß-Isochronen (keine Verzögerung der anderen Abfluß-Komponenten) Ausnahme : großräumige Feucht und Sumpfgebiete

49 Zeitliche Abfluss-Separation Abfluß-Ganglinie 10 Q (m3/s) Gesamt Basis 1 Jun. 87 Jul. 87 Jul. 87 Aug. 87 Sep. 87 Okt. 87 Nov. 87 Abfluß-Komponenten : nicht a priori bestimmbar aus Boden, Geologie, Landnutzung Effektiv nur aus Ganglinie (mit Filtern) separierbar für gesamtes Einzugsgebiet! Relative Bedeutung der Komponenten erkennbar! Dr. J. Riegger

50 Prognose Abfluß-Verhalten Zeitverhalten für Hochwasser-Prognosen wichtig! nicht direkt ableitbar Kalibration der Abflußzeitkonstanten Zeitverhalten (natürlich, gesteuert,..) für Wasserbilanz mit GRACE nicht wichtig, solange Abflußmessung vorliegt. (evt. Aliasing für τ < 1 Monat)

51 Massenvariationen in der Hydrologie Zeit-Skalen

52 Auswirkung von Speicher Überwiegend Einfluss auf die Wasserbilanz : Interzeption Oberflächenspeicher (Feuchtgebiete) -> Evapotranspiration Bodenspeicher Überwiegend Einfluss auf das Zeitverhalten : Schneespeicher Bodenspeicher (Oberflächenabfluß bei Sättigung) Oberflächenspeicher (Gewässernetz) Grundwasserspeicher

53 Speicher: Größenänderung und Zeitkonstante Speicheränderung Aliasing Bereich Signal Bereich [m] [dm] [cm] [mm] Atmosphäre Interzeption Oberfläche flüssig / fest Boden Grundwasser Min Std Tage Wochen Monate Jahre Jahrzehnte Zeitbereich

54 Massenvariationen in der Hydrologie Raum- Skalen

55 Bsp: Oberer Neckar Klima-Daten Hydrometeorologische Daten in täglicher Auflösung Niederschlag P Oberfl. - Temperatur pot. Evapotranspiration 10 km Jahres-Mittelwerte Hohe zeitliche Korrelation innerhalb des Gebiets (Homogenität) Räumliche Verteilung der Jahreswerte : Niederschlag bzgl Orographie Temperatur und Evapotranspiration bzgl Relief

56 Bsp: Oberer Neckar Landnutzung Crop - Koeffizienten Interzeptions - Koeffizienten Jahres-Mittelwerte Zeitabhängigkeit entspr. Vegetationsperiode Rel. Crop-Verteilung entspr. jährlicher Kreis-Landwirtschaftsstatistik

57 Bsp: Oberer Neckar Boden - Parameter Max. Bodenwasserspeicher Bodenleitfähigkeit zeitunabhängig : - nfk, Welkepunkt, Bodenmächtigkeit - Bodenleitfähigkeit nach Bodenklassen

58 Bsp: Oberer Neckar Ergebisse aktuelle Evapotranspiration ETa Lokaler Abfluß P - ETa 10 km 10 km Jahres-Mittelwerte Sehr gute Ergebnisse Prognose Langzeit-Wasserbilanz ohne Kalibration! Aber: Keine Kontrollmöglichkeiten im Monat- bzw Jahresgang der Speichervariationen bzw Evapotranspiration!

59 Übergang von Mikro- auf Makro-Skala 100 km 100 km 100 km Höhenlage Vegetation Böden Änderungen auf 100km - Skala : Klimabereiche (Abnahme der Homogenität) Orographie (Höhe, Relief, Exposition, Wärmekapazität) Landnutzung Böden Kleinskalig : größere Streuung Großskalig : Mittelung Dr. J. Riegger

60 Übergang von Mikro- auf Makro-Skala Niederschläge : Großräumige Frontensysteme (Advektiver Niederschlag) Regionale Konvektion (Konvektiver Niederschlag) Lokales Recycling : Keine Massenänderung! Dr. J. Riegger

61 Lokales Feuchtigkeits-Recycling über See über Land Land Schnellere Feuchtigkeitsaufnahme über Land Höherer Energie und Feuchtigkeits-Umsatz

62 Meso-Skala

63 Meso-Skala Abnahme der Datendichte Vereinfachung zu dominanten Klassen: Bodenzonen Bodenfeuchte Landnutzung Orographie Zobler Welt Boden Karte SMOS Bodenfeuchte (Auflösuung)

64 Meso-skaliger Feuchte Transport Großräumige Frontensysteme Regionale Konvektion Massenrelevanz von Niederschlägen : Unterscheidung advektiv / konvektiv nur über atmosphärischen Transport

65 Makro-skaliger Feuchte Transport Räumliche Verteilung bestimmt durch Zirkulations-Systeme, Fronten : Wesentlich : raum- / zeitliche Statistische Charakteristik!

66 Globale Klima-Zonen

67 Globale Vegetationsverteilung Ausdruck und Konsequenz der Klimazonen!

68 Globale Charakteristische Massenvariationen bestimmt durch: Klimazonen! Orographische Besonderheiten (Abflußlose Becken, Feuchtgebiete,...)

69 Globale Charakteristische Massenvariationen Begrenzung der räumlichen Auflösung mit GRACE : Ringen um die wesentlichen hydrologischen Charakteristiken

70 Ende

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72 Flußdiagramm SHM-Ströme EVAPOTRANSPIRATION NIEDERSCHLAG BEWÄSSERUNG Oberflächen-ABFLUSS OBERSTROM ZELLE Oberflächen-ABFLUSS: RÜCKFLUSS VON OBERSTROM ZELLE Interzeption SCHNEE EFF. NIEDERSCHLAG EVAPO- TRANSPIRATION Oberflächen-WASSER SPEICHER Vegetations-spezifische Evapotranspiration Max. Infiltration BODENWASSER SPEICHER Bodenwasser- Sättigungs-Kurve Parameter b Max. Oberflächenwasserspeicher Oberflächen-ABFLUSS UNTERSTROM ZELLE TIEFEN-EVAPO- TRANSPIRATION Verteilungs- Koeffizient d PERKOLATION Interflow- Koeffizient i DIESER ZS NÄCHSTER ZS RÜCKFLUSS ZUR UNTERSTROM Oberflächenabfluss-ZELLE GW SPEICHER GW-Abfluss- Koeffizient c VERZÖGERTER ABFLUSS ZUM CATCHMENT AUSGANG Max. GW Speicher DIREKTER GW ABFLUSS ZUM CATCHMENT AUSGANG