@phdthesis{Abel2023,
  author    = {Abel, Daniel Karl-Joseph},
  title     = {Weiterentwicklung der Bodenhydrologie des regionalen Klimamodells REMO},
  doi       = {10.25972/OPUS-31146},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-311468},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2023},
  abstract  = {Die Bodenfeuchte stellt eine essenzielle Variable f{\"u}r den Energie-, Feuchte- und Stoffaustausch zwischen Landoberfl{\"a}che und Atmosph{\"a}re dar. Ihre Auswirkungen auf Temperatur und Niederschlag sind vielf{\"a}ltig und komplex. Die in Klimamodellen verwendeten Schemata zur Simulation der Bodenfeuchte, auch bodenhydrologische Schemata genannt, sind aufgrund des Ursprungs der Klimamodelle aus Wettermodellen jedoch h{\"a}ufig sehr stark vereinfacht dargestellt. Bei Klimamodellen, die Simulationen mit einer groben Aufl{\"o}sung von mehreren Zehner- oder Hunderterkilometern rechnen, k{\"o}nnen viele Prozesse vernachl{\"a}ssigt werden. Da die Aufl{\"o}sung der Klimamodelle jedoch stetig steigt und mittlerweile beim koordinierten Projekt regionaler Klimamodelle CORDEX-CORE standardm{\"a}ßig bei 0.22° Kantenl{\"a}nge liegt, m{\"u}ssen auch h{\"o}her aufgel{\"o}ste Daten und mehr Prozesse simuliert werden. Dies gilt erst recht mit Blick auf konvektionsaufl{\"o}sende Simulationen mit wenigen Kilometern Kantenl{\"a}nge. Mit steigenden Modellaufl{\"o}sungen steigt zugleich die Komplexit{\"a}t und Differenziertheit der Fragestellungen, die mit Hilfe von Klimamodellen beantwortet werden sollen. An diesem Punkt setzt auch das Projekt BigData@Geo an, in dessen Rahmen die vorliegende Arbeit entstand. Ziel dieses Projektes ist es, hochaufgel{\"o}ste Klimainformationen f{\"u}r den bayerischen Regierungsbezirk Unterfranken f{\"u}r Akteure aus der Land- und Forstwirtschaft sowie dem Weinbau zur Verf{\"u}gung zu stellen. Auf diesen angewandten und grundlegenden Anforderungen und Zielsetzungen basierend, bedarf auch das in dieser Arbeit verwendete regionale Klimamodell REMO (Version 2015) der weiteren Entwicklung. So ist das Hauptziel der Arbeit das bestehende einschichtige bodenhydrologische Schema durch ein mehrschichtiges zu ersetzen. Der Vorteil mehrerer simulierter Bodenschichten besteht darin, dass nun die vertikale Bewegung des Wassers in Form von Versickerung und kapillarem Aufstieg simuliert werden kann. Dies geschieht auf der Basis bodenhydrologischer Parameter, deren Wert in Abh{\"a}ngigkeit vom Boden und der Bodenfeuchte {\"u}ber die Wasserr{\"u}ckhaltekurve bestimmt wird. F{\"u}r diese Kurve existieren verschiedene Parametrisierungen, von denen die Ans{\"a}tze von Clapp-Hornberger und van Genuchten verwendet wurden. Außerdem kann die Bodenfeuchte nun bis zu einer Tiefe von circa 10 m beziehungsweise der Tiefe des anstehenden Gesteins simuliert werden. Damit besteht im Gegensatz zum vorherigen Schema, dessen Tiefe auf die Wurzeltiefe beschr{\"a}nkt ist, die M{\"o}glichkeit, dass Wasser auch unterhalb der Wurzeln zur Verf{\"u}gung stehen kann und somit die absolute im Boden verf{\"u}gbare Wassermenge zunimmt. Die Schichtung erlaubt dar{\"u}ber hinaus die Verdunstung aus unbewachsenem Boden lediglich auf Basis des in der obersten Schicht verf{\"u}gbaren Wassers. Ein weiterer Prozess, der dank der Schichtung und der weiter unten erl{\"a}uterten Datens{\"a}tze neu parametrisiert werden kann, ist die Infiltration. F{\"u}r die Verwendung des Schemas sind Informationen {\"u}ber bodenhydrologische Parameter, die Wurzeltiefe und die Tiefe bis zum anstehenden Gestein erforderlich. Entsprechende Datens{\"a}tze m{\"u}ssen hierf{\"u}r aufbereitet und in das Modell eingebaut werden. Bez{\"u}glich der Wurzeltiefe wurden drei sich bez{\"u}glich der Tiefe, der Definition und der verf{\"u}gbaren Aufl{\"o}sung stark voneinander unterscheidende Datens{\"a}tze verglichen. Letztendlich wird die Wurzeltiefe aus dem mit einer anderen REMO-Version gekoppelten Vegetationsmodul iMOVE verwendet, da zuk{\"u}nftig eine Kopplung dieses Moduls mit dem mehrschichtigen Boden geplant ist und die Wurzeltiefen damit konsistent sind. Zudem ist die zugrundeliegende Aufl{\"o}sung der Daten hoch und es werden maximale Wurzeltiefen ber{\"u}cksichtigt, die besonders wichtig f{\"u}r die Simulation von Landoberfl{\"a}che-Atmosph{\"a}re-Interaktionen sind. Diese Vorteile brachten die anderen Datens{\"a}tze nicht mit. In der finalen Modellversion werden f{\"u}r die Tiefe bis zum anstehenden Gestein und die Korngr{\"o}ßenverteilungen die Daten von SoilGrids verwendet. Ein Vergleich mit anderen Bodendatens{\"a}tzen fand in einer parallel laufenden Dissertation statt (Ziegler 2022). Bei SoilGrids ist hervorzuheben, dass die Korngr{\"o}ßenverteilungen in einer hohen r{\"a}umlichen Aufl{\"o}sung (1 km^2 oder h{\"o}her) und mit mehreren vertikalen Schichten vorliegen. Gegen{\"u}ber dem urspr{\"u}nglich in REMO verwendeten Datensatz mit einer Kantenl{\"a}nge von 0.5° und ohne vertikale Differenzierung ist dies eine starke Verbesserung der Eingangsdaten. Dazu kommt, dass die Korngr{\"o}ßenverteilungen die Verwendung kontinuierlicher Pedotransferfunktionen statt f{\"u}nf diskreter Texturklassen, denen f{\"u}r die bodenhydrologischen Parameter fixe Tabellenwerte zugewiesen werden, erm{\"o}glichen. Dies f{\"u}hrt zu einer deutlich besseren Differenzierung des heterogenen Bodens. Im Rahmen der Arbeit wurden insgesamt 19 Simulationen f{\"u}r Europa und ein erweitertes Deutschlandgebiet mit Aufl{\"o}sungen von 0.44° beziehungsweise 0.11° f{\"u}r den Zeitraum 2000 bis 2018 gerechnet. Dabei zeigte sich, dass die Einf{\"u}hrung des mehrschichtigen Bodenschemas gegen{\"u}ber dem einschichtigen Schema zu einer Verringerung der Bodenfeuchte in der Wurzeltiefe f{\"u}hrt. Nichtsdestotrotz nimmt die absolute Wassermenge des Bodens durch die Ber{\"u}cksichtigung des Bodens unterhalb der Wurzelzone zu. Bezogen auf die einzelnen Schichten wird die Bodenfeuchte damit zwar untersch{\"a}tzt, im Laufe der Modellentwicklung kann jedoch eine Verbesserung im Vergleich zu ERA5 erzielt werden. Das neue Schema f{\"u}hrt zu einer Verringerung der Evapotranspiration, die {\"u}ber alle Schritte der Modellentwicklung und besonders w{\"a}hrend der Sommermonate auftritt. Im Vergleich zu Validationsdaten von ERA5 und GLEAM zeigt sich, dass dies eine Verbesserung dieser Gr{\"o}ße bedeutet, die sowohl in der Fl{\"a}che als auch beim Fehler und in der Verteilung auftritt. Gleiches l{\"a}sst sich f{\"u}r den Oberfl{\"a}chenabfluss sagen. Hierf{\"u}r implementierte Schemata (Philip, Green-Ampt), die anders als das standardm{\"a}ßig verwendete Improved-Arno-Schema bodenhydrologische Parameter ber{\"u}cksichtigen, konnten eine weitere Verbesserung im Flachland zeigen. In Gebirgsregionen nahm der Fehler durch die nicht enthaltene Ber{\"u}cksichtigung der Hangneigung jedoch zu, sodass in der finalen Modellversion auf das Improved-Arno-Schema zur{\"u}ckgegriffen wurde. Die Temperatur steigt durch die urspr{\"u}ngliche Version des mehrschichtigen Schemas zun{\"a}chst an, was zu einer {\"U}ber- statt der vorherigen Untersch{\"a}tzung gegen{\"u}ber E-OBS f{\"u}hrt. Die Modellentwicklung resultiert zwar in einer Reduzierung der Temperatur, jedoch f{\"a}llt diese zu stark aus, sodass der Temperaturfehler letztendlich gr{\"o}ßer als in der einschichtigen Modellversion ist. Da die Evapotranspiration jedoch maßgeblich verbessert wurde, kann dieser Fehler eventuell auf ein {\"u}berm{\"a}ßiges Tuning der Temperatur zur{\"u}ckgef{\"u}hrt werden. Die Betrachtung von Hitzeereignissen am Beispiel der Sommer 2003 und 2018 hat gezeigt, dass die Modellentwicklung dazu beitr{\"a}gt, diese Ereignisse besser als das einschichtige Schema zu simulieren. Zwar trifft dies nicht auf das r{\"a}umliche Verhalten der mittleren Temperatur zu, jedoch auf deren zeitlichen Verlauf. Hinzu kommt die bessere Simulation der t{\"a}glichen Extrem- und besonders der Minimaltemperatur, was zu einer Erh{\"o}hung der t{\"a}glichen Temperaturspanne f{\"u}hrt. Diese wird von Klimamodellen in der Regel zu stark untersch{\"a}tzt. Durch die Ber{\"u}cksichtigung der vertikalen Wasserfl{\"u}sse hat sich jedoch auch gezeigt, dass noch enormes Entwicklungspotenzial mit Blick auf (boden)hydrologische Prozesse besteht. Dies gilt in besonderem Maße f{\"u}r zuk{\"u}nftige Simulationen mit konvektionserlaubender Aufl{\"o}sung. So sollten subskalige Informationen des Bodens und der Orographie ber{\"u}cksichtigt werden. Dies dient einerseits der Repr{\"a}sentation vorliegender Heterogenit{\"a}ten und kann andererseits, wie am Beispiel der Infiltrationsschemata dargelegt, zur Verbesserung bestehender Prozesse beitragen. Da die simulierte Drainage durch das mehrschichtige Bodenschema im gleichen Maße zu- wie der Oberfl{\"a}chenabfluss abnimmt und das Wasser dem Modell in der Folge nicht weiter zur Verf{\"u}gung steht, sollte zuk{\"u}nftig auch Grundwasser im Modell ber{\"u}cksichtigt werden. Eine Vielzahl von Studien konnte einen Mehrwert durch die Implementierung dieser Variable und damit verbundener Prozesse feststellen. Mittelfristig ist jedoch insgesamt die Kopplung an ein hydrologisches Modell zu empfehlen, um die bei hochaufl{\"o}senden Simulationen relevanten Prozesse angemessen repr{\"a}sentieren zu k{\"o}nnen. Hierf{\"u}r bieten sich beispielsweise ParFlow oder mHM an. Insgesamt ist festzuhalten, dass das mehrschichtige Bodenschema einen Mehrwert liefert, da schwer zu simulierende und in der Postprozessierung zu korrigierende Variablen wie die Evapotranspiration und der Oberfl{\"a}chenabfluss deutlich besser modelliert werden k{\"o}nnen als mit dem einschichtigen Schema. Dies gilt auch f{\"u}r die Extremtemperaturen. Beides ist klar auf die Schichtung des Bodens und damit einhergehender Prozesse zur{\"u}ckzuf{\"u}hren. Bez{\"u}glich der Daten zeigt sich, dass die Wurzeltiefe, die Ber{\"u}cksichtigung von SoilGrids und die vertikale Bodeninformation f{\"u}r die weitere Optimierung verantwortlich sind. Dar{\"u}ber hinaus ist der h{\"o}here Informationsgehalt, der anhand der geschichteten Bodenfeuchte zur Verf{\"u}gung steht, ebenfalls als Mehrwert einzustufen.},
  subject      = {Klima},
  language  = {de}
}
@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}
}