Nachgerechnet – Wie können wir die Qualität globaler Wassermodelle evaluieren?

In einer kürzlich in „Nature Water“ veröffentlichten Studie testet die Arbeitsgruppe Analyse hydrologischer Systeme an der Universität Potsdam gemeinsam mit einem internationalen Team, inwiefern globale Wassermodelle untereinander und mit Messdaten übereinstimmen. Durch einen neuen Evaluierungsansatz können die Forschenden zeigen, in welchen Klimaregionen die Modelle übereinstimmen und wo sie voneinander abweichen. Das Projekt wurde im Rahmen einer Alexander von Humboldt-Professur an der Universität Potsdam sowie in Zusammenarbeit mit dem Inter-Sectoral Impact Model Intercomparison Project (ISIMIP) durchgeführt.

Globale Wassermodelle sind unverzichtbar, um den Wasserkreislauf zu verstehen – aktuell vor allem, wenn es um die Auswirkungen des Klimawandels geht. Unsere Gesellschaft erfährt viele dieser Folgen in Form von Wasserextremen wie zunehmenden Dürren und Hochwassern, die eine Gefahr für Menschen und Ökosysteme darstellen. Aber es ändert sich auch die generelle Wasserverfügbarkeit, zum Beispiel die landwirtschaftlich relevante Bodenfeuchte, oder die Grundwasserneubildung, die für eine nachhaltige Nutzung von Grundwasserressourcen von Bedeutung ist.

Allerdings sind Schlussfolgerungen zu diesen Veränderungen, die mithilfe globaler Wassermodelle gezogen werden, im Moment noch unsicher, da die Ergebnisse verschiedener Modelle dazu sehr unterschiedlich ausfallen. Diese Unstimmigkeiten waren bislang unzureichend quantifiziert und bisherige Evaluierungsansätze haben wenig Information darüber geliefert, wie die Modelle verbessert werden können. Die neue Studie nutzt zum ersten Mal großräumige Beziehungen zwischen klimatischen und hydrologischen Variablen, unter anderem Niederschlag und Grundwasserneubildung, um Unterschiede zwischen den Modellen und im Vergleich zu Messdaten aufzuzeigen. Der leitende Autor Dr. Sebastian Gnann, der während seiner Zeit in Potsdam an der Studie gearbeitet hat, sagt: „In Messdaten sehen wir zum Beispiel einen starken Zusammenhang zwischen Niederschlag und Grundwasserneubildung über dem afrikanischen Kontinent. Nicht alle Modelle bilden diesen Zusammenhang korrekt ab und wir müssen verstehen, wie realistisch verschiedene Modellergebnisse sind.“

Zusammenhänge zwischen klimatischen und hydrologischen Variablen – sogenannte funktionale Beziehungen – geben einen Überblick darüber, wie der globale Wasserkreislauf funktioniert. Wie sehr ist die Grundwasserneubildung vom Niederschlag abhängig und wie stark ist der Einfluss anderer Faktoren, etwa der Geologie? Antworten auf solche Fragen sind enorm wichtig, aber sie fehlen für viele Gebiete der Erde, was sich auch in den Unstimmigkeiten zwischen den Modellen widerspiegelt. Neben der Grundwasserneubildung sind diese Unstimmigkeiten besonders groß bei Prozessen, die den Energiehaushalt an der Landoberfläche beschreiben, sowie generell in trockenen und kalten Regionen.

Prof. Thorsten Wagener, Ko-Autor der Studie, erklärt: „Wir suchen neue Methoden zur Evaluierung dieser immens wichtigen Modelle, die zum einen Entscheidungsträger darüber informieren, wie verlässlich die Modellergebnisse sind. Zum anderen sollen sie aber auch den Modellentwicklern dabei helfen, die Modelle zu verbessern. Wenn wir die Belastbarkeit der Modellvorhersagen besser quantifizieren können, steigt auch die Relevanz und der Nutzen dieser Modelle.“ Funktionale Beziehungen bieten das Potenzial für grundlegende Fortschritte in der globalen Hydrologie und sollten ein neuer Schwerpunkt der hydrologischen Forschung sein, insbesondere der Modellevaluierung.

Link zur Publikation: Gnann, S., Reinecke, R., Stein, L. et al. & Wagener, T. Functional relationships reveal differences in the water cycle representation of global water models, Nat Water (2023), https://doi.org/10.1038/s44221-023-00160-y

Abbildung: Globale Wassermodelle müssen verschiedenste hydro-klimatische Regionen simulieren. Inklusive schneedominierte Bergregionen, stark geologisch dominierte Täler und sanfte Hügellandschaften. Bildrechte: Florian Nippgen.

Kontakte:
Dr. Sebastian Gnann, Institut für Hydrologie, Universität Freiburg (vormals Universität Potsdam)
E-Mail: sebastian.gnann@hydrologie.uni-freiburg.de

Jun.-Prof. Dr. Robert Reinecke, Geographisches Institut, Johannes Gutenberg-Universität Mainz (vormals Universität Potsdam)
E-Mail: reinecke@uni-mainz.de

Prof. Thorsten Wagener, Ph.D., Institut für Umweltwissenschaften und Geographie, Universität Potsdam
Tel.: 0331 977 230137
E-Mail: thorsten.wagener@uni-potsdam.de

Medieninformation 28-11-2023 / Nr. 124
Prof. Thorsten Wagener/Dr. Stefanie Mikulla

Universität Potsdam
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