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
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