@phdthesis{Knoefel2018,
  author    = {Kn{\"o}fel, Patrick},
  title     = {Energiebilanzmodellierung zur Ableitung der Evapotranspiration - Beispielregion Khorezm},
  edition   = {1. Auflage},
  publisher = {W{\"u}rzburg University Press},
  address   = {W{\"u}rzburg},
  isbn      = {978-3-95826-042-9 (Print)},
  issn      = {0510-9833},
  doi       = {10.25972/WUP-978-3-95826-043-6},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-135669},
  school      = {W{\"u}rzburg University Press},
  pages     = {276},
  year      = {2018},
  abstract  = {Zum Verst{\"a}ndnis der komplexen Wechselwirkungen innerhalb des Klimasystems der Erde sind Kenntnisse {\"u}ber den hydrologischen Zyklus und den Energiekreislauf essentiell. Eine besondere Rolle obliegt hierbei der Evapotranspiration (ET), da sie eine wesentliche Teilkomponente beider oben erw{\"a}hnter Kreisl{\"a}ufe ist. Die exakte Quantifizierung der regionalen, tats{\"a}chlichen Evapotranspiration innerhalb der Wasser- und Energiekreisl{\"a}ufe der Erdoberfl{\"a}che auf unterschiedlichen zeitlichen und r{\"a}umlichen Skalen ist f{\"u}r hydrologische, klimatologische und agronomische Fragestellungen von großer Bedeutung. Dabei ist eine realistische Absch{\"a}tzung der regionalen tats{\"a}chlichen Evapotranspiration die wichtigste Herausforderung der hydrologischen Modellierung. Besonders die unterschiedlichen r{\"a}umlichen und zeitlichen Aufl{\"o}sungen von Satelliteninformationen machen die Fernerkundung sowohl f{\"u}r globale als auch regionale hydrologischen Fragestellungen interessant. Zus{\"a}tzlich zur Notwendigkeit des Prozessverst{\"a}ndnisses des Wasserkreislaufs auf globaler Ebene kommt dessen regionale Bedeutung f{\"u}r die Landwirtschaft, insbesondere in Bew{\"a}sserungssystemen arider Regionen. In ariden Klimazonen {\"u}bersteigt die Menge der Verdunstung oft bei weitem die Niederschlagsmengen. Aufgrund der geringen Niederschlagsmenge muss in ariden agrarischen Regionen das zum Pflanzenwachstum ben{\"o}tigte Wasser mit Hilfe k{\"u}nstlicher Bew{\"a}sserung aufgebracht werden. Der jeweilige lokale Bew{\"a}sserungsbedarf h{\"a}ngt von der Feldfrucht und deren Wachstumsphase, den Klimabedingungen, den Bodeneigenschaften und der Ausdehnung der Wurzelzone ab. Die Evapotranspiration ist als Komponente der regionalen Wasserbilanz eine wichtige Steuerungsgr{\"o}ße und Effizienzindikator f{\"u}r das lokale Bew{\"a}sserungsmanagement. Die Bew{\"a}sse-rungslandwirtschaft verbraucht weltweit etwa 70 \% der verf{\"u}gbaren S{\"u}ßwasservorkom-men. Dies wird als einer der Hauptgr{\"u}nde f{\"u}r die weltweit steigende Wasserknappheit identifiziert. Dabei liegt die Wasserentnahme des landwirtschaftlichen Sektors in den OECD Staaten im Mittel bei etwa 44 \%, in den Staaten Mittelasiens bei {\"u}ber 90 \%. Bei der Erstellung der vorliegenden Arbeit kam die Methode der residualen Bestimmung der Energiebilanz zum Einsatz. Eines der weltweit am h{\"a}ufigsten eingesetzten und vali-dierten fernerkundlichen Residualmodelle zur ET Ableitung ist das SEBAL-Modell (Surface Energy Balance Algorithm for Land, mit {\"u}ber 40 ver{\"o}ffentlichten Studien. SEBAL eignet sich zur Quantifizierung der Verdunstung großfl{\"a}chiger Gebiete und wurde bisher {\"u}ber-wiegend in der Bew{\"a}sserungslandwirtschaft eingesetzt. Aus diesen Gr{\"u}nden wurde es f{\"u}r die Bearbeitung der Fragestellungen in dieser Arbeit ausgew{\"a}hlt. SEBAL verwendet physikalische und empirische Beziehungen zur Berechnung der Energiebilanzkomponenten basierend auf Fernerkundungsdaten, bei gleichzeitig minimalem Einsatz bodengest{\"u}tzter Daten. Als Eingangsdaten werden u.a. Informationen {\"u}ber Strahlung, Bodenoberfl{\"a}chentemperatur, NDVI, LAI und Albedo verwendet. Zus{\"a}tzlich zu SEBAL wurden einige Komponenten der SEBAL Weiterentwicklung METRIC (Mapping Evapotranspiration with Internalized Calibration) verwendet, um die Modellierung der ET vorzunehmen. METRIC {\"u}berwindet einige Limitierungen des SEBAL Verfahrens und kann beispielsweise auch in st{\"a}rker reliefierten Regionen angewendet werden. Außerdem erm{\"o}glicht die Integration einer gebietsspezifischen Referenz-ET sowie einer Landnutzungsklassifikation eine bessere regionale Anpassung des Residualverfahrens. Unter der Annahme der Bedingungen zum Zeitpunkt der Fernerkundungsaufnahme ergibt sich die Energiebilanz an der Erdoberfl{\"a}che RN = LvE + H + G. Demnach teilt sich die verf{\"u}gbare Strahlungsenergie RN in die Komponenten latenter W{\"a}rme (LVE), f{\"u}hlbarer W{\"a}rme (H) und Bodenw{\"a}rme (G) auf. Durch Umstellen der Gleichung kann auf die latente W{\"a}rme geschlossen werden. Das wesentliche Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Optimierung, Erweiterung und Validierung des ausgew{\"a}hlten SEBAL Verfahrens zur regionalen Modellierung der Energiebilanzkomponenten und der daraus abgeleiteten tats{\"a}chlichen Evapotranspiration. Die validierten Modellergebnisse der Gebietsverdunstung der Jahre 2009-2011 sollen anschließend als Grundlage dienen, das Gesamtverst{\"a}ndnis der regionalen Prozesse des Wasserkreislaufs zu verbessern. Die Arbeit basiert auf der Datengrundlage von MODIS Daten mit 1 km r{\"a}umlicher Aufl{\"o}sung. W{\"a}hrend die Komponenten verf{\"u}gbare Strahlungsenergie und f{\"u}hlbarer W{\"a}rmestrom physikalisch basiert ermittelt werden, beruht die Berechnung des Bodenw{\"a}rmestroms ausschließlich auf empirischen Absch{\"a}tzungen. Ein großer Nachteil des empirischen Ansatzes ist die Vernachl{\"a}ssigung des zeitlichen Versatzes zwischen Strahlungsbilanz und Bodenw{\"a}rmestrom in Abh{\"a}ngigkeit der aktuellen Bodenfeuchtesituation. Ein besonderer Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit liegt auf der Bewertung und Verbesserung der Modellg{\"u}te des Bodenw{\"a}rmestroms durch Verwendung eines neuen Ansatzes zur Integration von Bodenfeuchteinformationen. Daher wird in der Arbeit ein physikalischer Ansatz entwickelt der auf dem Ansatz der periodischen Temperaturver{\"a}nderung basiert. Hierbei wurde neben dem ENVISAT ASAR SSM Produkt der TU Wien das operationelle Oberfl{\"a}chenbodenfeuchteprodukt ASCAT SSM als Fernerkundungseingangsdaten ausgew{\"a}hlt. Die mit SEBAL modellierten Energiebilanzkomponenten werden durch eine intensive Validierung mit bodengest{\"u}tzten Messungen bewertet, die Messungen stammen von Bodensensoren und Daten einer Eddy-Kovarianz-Station aus den Jahren 2009 bis 2011. Die Region Khorezm gilt als charakteristisch f{\"u}r die wasserbezogene Problematik der Bew{\"a}sserungslandwirtschaft Mittelasiens und wurde als Untersuchungsgebiet f{\"u}r diese Arbeit ausgew{\"a}hlt. Die wesentlichen Probleme dieser Region entstehen durch die nach wie vor nicht nachhaltige Land- und Wassernutzung, das marode Bew{\"a}sserungsnetz mit einer Verlustrate von bis zu 40 \% und der Bodenversalzung aufgrund hoher Grundwasserspiegel. Im Untersuchungsgebiet wurden in den Jahren 2010 und 2011 umfangreiche Feldarbeiten zur Erhebung lokaler bodengest{\"u}tzter Informationen durchgef{\"u}hrt. Bei der Evaluierung der modellierten Einzelkomponenten ergab sich f{\"u}r die Strahlungsbi-lanz eine hohe Modellg{\"u}te (R² > 0,9; rRMSE < 0,2 und NSE > 0,5). Diese Komponente bildet die Grundlage bei der Bezifferung der f{\"u}r die Prozesse an der Erdoberfl{\"a}che zur Verf{\"u}gung stehenden Energie. F{\"u}r die f{\"u}hlbaren W{\"a}rmestr{\"o}me wurden ebenfalls gute Ergebnisse erzielt, mit NSE von 0,31 und rRMSE von ca. 0,21. F{\"u}r die residual bestimmte Gr{\"o}ße der latenten W{\"a}rmestr{\"o}mung konnte eine insgesamt gute Modellg{\"u}te festgestellt werden (R² > 0,6; rRMSE < 0,2 und NSE > 0,5). Dementsprechend gut wurde die t{\"a}gliche Evapotranspiration modelliert. Hier ergab sich, nach der Interpolation t{\"a}glicher Werte, eine insgesamt ausreichend gute Modellg{\"u}te (R² > 0,5; rRMSE < 0,2 und NSE > 0,4). Dies best{\"a}tigt die Ergebnisse vieler Energiebilanzstudien, die lediglich den f{\"u}r die Ableitung der Evapotranspiration maßgebenden W{\"a}rmestrom untersuchten. Die Modellergebnisse f{\"u}r den Bodenw{\"a}rmestrom konnten durch die Entwicklung und Verwendung des neu entwickelten physikalischen Ansatzes von NSE < 0 und rRMSE von ca. 0,57 auf NSE von 0,19 und rRMSE von 0,35 verbessert werden. Dies f{\"u}hrt zu einer insgesamt positiven Einsch{\"a}tzung des Verbesserungspotenzials des neu entwickelten Bodenw{\"a}rmestromansatzes bei der Berechnung der Energiebilanz mit Hilfe von Fernerkundung.},
  subject      = {Evapotranspiration},
  language  = {de}
}