Senckenberg Forschung

WET

WET - VARIABILITÄT UND TRENDS DER WASSERHAUSHALTSKOMPONENTEN IN BENCHMARK-EINZUGSGEBIETEN DES TIBET-PLATEAUS

Der Vorschlag des Vorhabens WET zielt auf die Entwicklung eines integrativen Modell- und MonitoringSystems (iMoMoS-WET), das die Kopplung von Klima und Wasserkreislauf unter expliziter Berücksichtigung der durch Relief und Landbedeckung geprägten Prozessdynamik in Benchmark-Einzugsgebieten des Tibet-Plateaus und angrenzenden Hochgebirgsräumen abbildet.
Das System umfasst neben numerischen Modellen auch High-Tech-Monitoring-Technologien zur satellitenbasierten Fernerkundung der raumzeitlichen Verteilungen aller relevanten atmosphärischen, hydrologischen und glaziologischen Größen (siehe Abb. 1). Mit der ausgewählten Kombination unterschiedlicher wissenschaftlich-technischer Methoden wird es möglich, mit den iMoMoS-WET Wasserhaushaltskomponenten (Niederschlag, potentielle und aktuelle Verdunstung, Schneeakkumulation und -schmelze, Gletscherschmelze, Abfluss- und Grundwasserneubildung) in ausgewählten Benchmark-Einzugsgebieten rückwirkend über einen Zeitraum einer Dekade flächendifferenziert und prozessorientiert zu modellieren und hinsichtlich ihrer Variabilität und Trends zu analysieren, so dass hierdurch ein Werkzeug für Echtzeit- Monitoring und weiterführende Sensitivitätsanalysen zur Verfügung steht.
Als Benchmark-Einzugsgebiete werden im Vorhaben WET hydrologische Systeme betrachtet, die einerseits charakteristische Struktureigenschaften für das Tibet-Plateau und daran angrenzende Hochgebirgsräume aufweisen, andererseits aufgrund bereits erfolgter Voruntersuchungen und der Verfügbarkeit entsprechender Daten sehr gut geeignet sind, ohne umfangreiche zusätzliche Geländeuntersuchungen modellhaft untersucht werden zu können.

Im Rahmen des Vorhabens WET sollen neben dem Tibet-Plateaus als Ganzes folgende sechs
Untersuchungsregionen im Detail bearbeitet werden: Nam Co, Purogangri Ice Field, Südost-Tibet (Linzhi), Qomolangma (Mt. Everest), Kailash, Muztagh Ata. In jeder Detailregion werden ein bis zwei Benchmark-Einzugsgebiete unterschiedlicher Ausdehnung und Struktur ausgewählt, in welchen Gletscher, Seen und Flüsse sowie Feuchtgebiete vorkommen. Gleichzeitig sind in diesen Regionen Forschungseinrichtungen der regionalen Partner vorhanden bzw. für die nähere Zukunft geplant, welche sowohl als logistische Basis als auch der wissenschaftlichen Kollaboration mit den regionalen Partnern dienen.
Die räumliche Verteilung der ausgewählten Detailregionen orientiert sich daran, die Interaktion von Westwind- und Monsunzirkulation und daraus resultierende Unterschiede der Luftmasseneinflüsse auf die Wasserhaushaltskomponenten der WET-Benchmark-Einzugsgebiete mit dem iMoMoSWET untersuchen zu können. Im Falle einer Verlagerung der Einflusssphären der Westwind- und Monsunzirkulation resultieren unterschiedliche Luftmasseneinflüsse auf die Benchmark-Einzugsgebiete in den ausgewählten Detailregionen. In der Realität kommt es oft zur Entwicklung zweier Jet-Streams, welche den nördlichen und südlichen Teil des Tibet-Plateaus und der angrenzenden Hochgebirge in raumzeitlich variabler Ausprägung beeinflussen (siehe z.B. http://squall.sfsu.edu/crws/jetstream.html).
Die interannuelle Variabilität der atmosphärischen Zirkulation in Tibet und Zentralasien führt zu einer komplexen Monsundynamik mit starken Unterschieden im Niederschlagsgeschehen und den damit verbundenen hydrologischen und glaziologischen Prozessen. Durch die räumliche Anordnung der sechs ausgewählten Detailregionen wird es möglich sein, die unterschiedlichen Einflüsse der Luftmassen der Westwindzirkulation sowie der monsunalen Luftmassen aus den Quellregionen des Arabischen Meeres, des Golfes von Bengalen sowie des Südchinesischen Meeres über die unterschiedlichen Reaktionen der Benchmark-Einzugsgebiete zu separieren.
Das iMoMoS-WET soll nach erfolgreicher Validierung in die Infrastruktur der ausgewählten Forschungseinrichtungen auf dem Tibet-Plateau und den angrenzenden Gebirgsräumen des Himalaya und des Pamir-Gebirges integriert werden, um diese zu innovativen multifunktionalen Langzeitobservatorien auszubauen. Hierzu wird der operationelle Betrieb des iMoMoS-WET für die Benchmark-Einzugsgebiete in den jeweiligen Detailregionen vorbereitet und die beteiligten regionalen Partner entsprechend geschult, sodass eine echtzeitnahe Fortführung der Modelle und des Monitoring möglich ist. Zusätzlich dient das Einzugsgebiet des Wang Chu River in Bhutan als weiteres, größeres Testgebiet, da es dort aufgrund umfangreicher Vorarbeiten der AG Flügel eine hervorragende Datenbasis für weitergehende, praxisrelevante Anwendungen des iMoMoS-WET gibt, die dort effizient erprobt werden können.
Das vorgeschlagene Vorhaben greift eine Vielzahl wissenschaftlich-technischer Fragen auf, von denen die nachfolgenden als wissenschaftliche Kernfragen identifiziert wurden:

1. Wie genau können die wasserhaushaltlich relevanten meteorologischen Größen im komplex strukturierten Großraum Tibet und Zentralasien mit hoher räumlicher (bis 100 m) und zeitlicher (bis 15 min) Auflösung modelliert sowie mit Fernerkundungsmethoden gemessen und die Modellergebnisse damit validiert werden?
2. Welchen Einfluss hat die Dynamik der Atmosphäre auf die raumzeitlichen Verteilungen von Wasserdampfgehalt, Wolkenbildung, Strahlung und Niederschlag, d.h. in welchem Umfang werden die klimatisch-hydrologischen Bedingungen auf dem Tibet-Plateau und den angrenzenden Hochgebirgsräumen von Prozessen in der atmosphärischen Grenzschicht geprägt, bzw. wie groß ist der Einfluss von Prozessen in der oberen Troposphäre?
3. Wie genau kann die hydrologische Dynamik in den Benchmark-Einzugsgebieten in unterschiedlichen zeitlichen Auflösungen (Jahr, Saison, Monat bzw. Tag) modelliert sowie mit Fernerkundungsmethoden gemessen und die Modellergebnisse damit validiert werden?
4. Wie genau können Gletschermassenbilanzen und Gletscheränderungen (Längen, Flächen und Volumina) als Integral über die Benchmark-Einzugsgebiete auf Jahresbasis modelliert sowie mit Fernerkundungsmethoden gemessen und die Modellergebnisse damit validiert werden?
5. Welche Gesamtanteile haben Schnee-, Gletscher- und Permafrostschmelze an den jährlichen und saisonalen Abflüssen in den Benchmark-Einzugsgebieten, und in welchem Umfang tragen Sie zu den beobachteten Seespiegelschwankungen der größeren Seen bei?

Zwei primäre Hypothesen liegen dem vorgeschlagenen Vorhaben zugrunde:
1. Erst durch die Zusammenführung der 2 x 3 Systemkomponenten des iMoMoS-WET ist es
möglich, ausreichend genaue und durch Messdaten abgesicherte Modellaussagen zu generieren. Der wissenschaftliche Mehrwert des iMoMoS-WET liegt nicht nur in der Qualität der einzelnen Systemkomponenten, sondern vor allem auch in der systematischen Zusammenführung modellierter und beobachteter Daten.
2. Die räumliche Konfiguration der Benchmark-Einzugsgebiete in den sechs Untersuchungsregionen sowie der Untersuchungszeitraum von einer Dekade ermöglicht vertiefende Untersuchungen zur Monsundynamik, welche in nur zwei bis drei Untersuchungsregionen bzw. mit einem kürzeren Untersuchungszeitraum nicht durchführbar wären.
Das vorgeschlagene Vorhaben WET verfolgt zahlreiche innovative Ansätze innerhalb der einzelnen Themen- und Methodikfelder. Zum Beispiel sollen neue Auswerteverfahren getestet werden, welche es ermöglichen, satellitengestützte Altimeter-Daten sowohl für ein Monitoring von Seespiegelschwankungen als auch für Änderungen der Eisdicken größerer Gletschersysteme zu nutzen.

Auf der Ebene des gesamten Vorhabens ist die Kombination unterschiedlicher numerischer Modelle und Fernerkundungs-Technologien in einem systembasierten Gesamtkonzept als wichtigste Innovation hervorzuheben. Dies ermöglicht nicht nur die Nutzung von Modellergebnissen und Fernerkundungsdaten zur Schließung der großen Datenlücken, die für den Großraum Tibet und Zentralasien charakteristisch sind, sondern auch gleichzeitig eine Quantifizierung der Fehler bei der Bestimmung der jeweiligen Größen. Letzteres wird als Voraussetzung für eine weitere, schrittweise Verbesserung sowohl der Modellergebnisse als auch der Beobachtungsdaten erachtet.
Nach einer hinreichend erfolgreichen Validierung der Ergebnisse des iMoMoS-WET wird dieses einen wichtigen Beitrag zu einem innovativen, modellgestützten, multifunktionalen Langfrist- Monitoring mit verteilter Nutzung von Rechner-Ressourcen und Datenquellen beitragen.

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