GPS hilft auch bei der Analyse der globalen Wasserressourcen

WaterGAP ist ein hydrologisches Modell, das Wasserknappheit, Grundwasserzehrung, Hochwasser und Dürren unter dem Einfluss des Klimawandels auf allen Landflächen der Erde modelliert.

Wie gut dieses Modell ist, überprüfte die Frankfurter Hydrologin Prof. Petra Döll erstmals mithilfe von GPS-Beobachtungen und Daten der GRACE-Satelliten, die das Schwerefeld der Erde messen. Die in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Survey in Geophysics publizierte Studie zeigt: WaterGAP muss modifiziert werden.

„In den meisten Gebieten der Erde unterschätzt WaterGAP die saisonalen Schwankungen der kontinentalen Wasserspeicherung und hält das Niederschlagswasser nicht genügend lange auf den Kontinenten zurück“, fasst Petra Döll vom Institut für Physische Geographie der Goethe-Universität das Ergebnis zusammen. „Es wird also mehr Wasser gespeichert als das Modell in der Simulation vorhersagt.“

WaterGAP berechnet für jeden Tag und mit einer räumlichen Auflösung von circa 50 Kilometern verschiedenste Wasserflüsse wie Verdunstung, Grundwasserneubildung und den Durchfluss in Flüssen, ebenso wie die Wassermenge, die im Boden, im Grundwasser, in Oberflächengewässern und als Schnee gespeichert ist.

Dabei werden auch Wasserentnahmen für Trinkwasserversorgung, Industrie und Landwirtschaft berücksichtigt. In die Modellberechnungen gehen eine Vielzahl von Daten ein: Klimadaten, Vegetations- und Bodendaten, sozioökonomische Daten und viele mehr.

Aufgrund der ungenauen Eingangsdaten und der Vereinfachungen, die bei einer Modellierung auf globaler Skala notwendig sind, sind die Ergebnisse unsicher. Um das Modell zu justieren und seine Güte zu überprüfen, wurden bisher die Durchflussdaten von Flüssen verwendet, aber leider existieren solche Daten nicht für alle wichtigen Flüsse. Außerdem muss ein Modell auch die Dynamik der gespeicherten Wassermengen gut abbilden können, um beispielsweise Wasserentnahmen durch den Menschen detektieren zu können.

Deshalb entschloss sich Petra Döll, den Einfluss der Wassermassen auf die Deformation der Erdkruste und das Schwerefeld der Erde zur Überprüfung des Modells zu verwenden. Zeitliche schwankende Wassermassen deformieren die Erdkruste, was dazu führt, dass die Lage von fest installierten GPS-Antennen im Millimeter-Bereich variiert. Gleichzeitig führen schwankende Wassermassen auch zu starken Variationen des Schwerefelds der Erde. Diese werden mithilfe der GRACE-Satelliten abgeschätzt.

Gemeinsam mit dem Dresdner Geodäten Dr. Mathias Fritsche, der auf die Auswertung von GPS-Beobachtungen spezialisiert ist, und mit der Bonner Geodätin Dr. Annette Eicker, die sich mit der Berechnung des Schwerefelds befasst, überprüfte Prof. Petra Döll die von WaterGAP berechnete Dynamik der kontinentalen Wasserspeicherung und konnte so die Schwachstellen des Modells identifizieren.

In der Studie wurden die gemessenen Lageänderungen von circa 200 weltweit verteilten GPS-Antennen mit den Lageänderungen verglichen, die laut Berechnungen von WaterGAP aufgrund Variationen der Wassermassen auftreten sollten. Außerdem setzten die Forscher die saisonalen Schwankungen des kontinentalen Anteils der GRACE-Schwerefelder zu den WaterGAP-Ergebnissen ins Verhältnis. Das Ergebnis: WaterGAP unterschätzt die saisonalen Schwankungen der kontinentalen Wasserspeicherung und wird deshalb in Zukunft modifiziert werden. 

Ein weiteres Ergebnis der Studie ist, dass die saisonalen Schwankungen des Schwerefelds der Erde nicht verwendet werden können, um Wasserentnahmen durch den Menschen zu entdecken. Dazu gibt es zu wenige feste GPS-Antennen, und die Genauigkeit und räumliche Auflösung des GRACE-Schwerefelds ist zu gering.

„Nur wenn Wasserentnahmen zu einer Grundwasserzehrung führen, das heißt, die entnommenen Wassermengen größer sind als der Zufluss von Wasser, können die GRACE-Satellitenmessungen die Abschätzung von Wasserentnahmen unterstützen“, erläutert Prof. Döll. Diese Möglichkeit wurde in einer noch nicht veröffentlichten Folgestudie genutzt.

Die Arbeiten wurden durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Schwerpunktprogramm „Massentransporte und Massenverteilungen im System Erde“ gefördert.

Publikation:
Döll, P., Fritsche, M., Eicker, A., Müller Schmied, H. (2014): Seasonal water storage variations as impacted by water abstractions: Comparing the output of a global hydrological model with GRACE and GPS observations. Surv Geophys. DOI 10.1007/s10712-014-9282-2
Online-Publikation: http://link.springer.com/article/10.1007/s10712-014-9282-2

Ein Bild zum Download finden Sie unter: http://www.muk.uni-frankfurt.de/49933957/064
Bildtext: Die Karte zeigt, wo das Simulationsprogramm WaterGAP verbessert werden muss. Rote Punkte markieren feste GPS-Antennen, die anzeigen, wo Watergap die saisonale Wasserspeicherung unterschätzt. Rote Flächen zeigen an, wo das Programm die Wassermenge unterschätzt, wenn man sie mit dem vom GRACE-Satelliten gemessenen Schwerefeld der Erde vergleicht. In den abgedeckten Flächen ist das GRACE-Signal nicht aussagekräftig.

Informationen: Prof. Petra Döll, Institut für Physische Geographie, Campus Riedberg, Tel.: (069)-798-40219, p.doell@em.uni-frankfurt.de

Die Goethe-Universität ist eine forschungsstarke Hochschule in der europäischen Finanzmetropole Frankfurt. 2014 feiert sie ihren 100. Geburtstag. 1914 gegründet mit rein privaten Mitteln von freiheitlich orientierten Frankfurter Bürgerinnen und Bürgern fühlt sie sich als Bürgeruniversität bis heute dem Motto „Wissenschaft für die Gesellschaft“ in Forschung und Lehre verpflichtet. Viele der Frauen und Männer der ersten Stunde waren jüdische Stifter. In den letzten 100 Jahren hat die Goethe-Universität Pionierleistungen erbracht auf den Feldern der Sozial-, Gesellschafts- und Wirtschaftswissenschaften, Chemie, Quantenphysik, Hirnforschung und Arbeitsrecht. Am 1. Januar 2008 gewann sie mit der Rückkehr zu ihren historischen Wurzeln als Stiftungsuniversität ein einzigartiges Maß an Eigenständigkeit. Heute ist sie eine der zehn drittmittelstärksten und drei größten Universitäten Deutschlands mit drei Exzellenzclustern in Medizin, Lebenswissenschaften sowie Geisteswissenschaften.“

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