A2 Vom Verständnis öko-hydrologischer Prozesse auf der Feldskala zu Wasserflüssen auf der Landschaftsebene [funded by DFG]
PI(s) dieses Projektes:
Prof. Dr. Lutz Breuer
Dr. David Windhorst
Projektzusammenfassung:
Aus hydrologischer Sicht weisen viele aktuelle Land Surface Models (LSM) große Mängel bei der Abbildung von wasserbezogene Rückkopplungsmechanismen zwischen biotischen, klimatischen und hydrologischen Ökosystemkomponenten auf. Dies führt zu einer übermäßig vereinfachten Beschreibung der hydrologischen Prozesse, was sich auf die Plausibilität dieser Modelle bei der Simulation von Wasserflüssen auswirkt. In der Vergangenheit waren diese Vereinfachungen oft der notwendige Kompromiss aus mangelnder Rechenleistung und geringem hydrologischen Prozessverständnis.
In der ersten Phase der Forschungsgruppe RESPECT haben wir daher begonnen, die hydrologischen Routinen innerhalb des neu entwickelten LSM "HUMBOL-TD" zu verbessern. Grundlage hierfür waren Untersuchungen von hydrologischen Prozessen und wasserbezogenen Rückkopplungsmechanismen innerhalb des Boden-Pflanze-Atmosphäre-Kontinuums des Bergregenwaldes. Wir berücksichtigten dabei im LSM verschiedene Fließmechanismen im Boden und insbesondere präferentielle Fließprozesse, die von anderen LSMs häufig ignoriert werden.
Aufbauend der Ergebnisse und Modellverbesserungen aus Phase I und vor dem Hintergrund der Gesamtziele der Forschungsgruppe RESPECT in Phase II haben wir für dieses Folgeprojekt drei Ziele identifiziert, die in vier Arbeitspaketen (WP) bearbeitet werden. Für das erste Ziel weiten wir unsere experimentellen Feldstudien auf Gebirgstrocken- und -regenwälder aus (WP1). Dabei untersuchen wir mit Hilfe eines innovativen Beprobungssystems für Bodenwasser die Mischungsprozesse stabiler Wasserisotope entlang eines Saugspannungsgradienten (WP2). Diese Daten werden in WP2 für die Validierung des neu entwickelten Isotopenmoduls von HUMBOL-TD und zur Verbesserung der hydrologischen Prozesse im LSM verwendet.
Zweitens werden wir die Modellperformance und -laufzeit im Hinblick auf unsere Ambitionen, HUMBOL-TD auf der Landschaftsskala in WP3 laufen zu lassen, optimieren. Wir werden hydrologische Modellstrukturen identifizieren, die unserem abgeleiteten Prozessverständnis auf der Feldskala aus WP2 entsprechen. Dazu werden wir einen halbautomatischen Suchalgorithmus implementieren, der dem Konzept der systematischen Modellzerlegung folgt. Dementsprechend wird jedem Teileinzugsgebiet eine bestmögliche Modellstruktur zugeordnet. Zusätzlich zu den experimentellen Felddaten werden wir hydrologische Signaturen für die Modellkalibrierung und -validierung nutzen. Diese leiten wir sowohl aus Daten unserer eigenen Abflussmessstation im Untersuchungsgebiet sowie von weiteren Stationsdaten nationaler Behörden ab. Das dritte Ziel umfasst schließlich einen Multikriterien-Hypothesentest (WP4). Zunächst bewerten wird die Wasser- Kohlenstoff- und Energieflüsse mit HUMBOL-TD unter Verwendung unserer, aber auch weiterer Daten anderer Teilprojekte. Gemeinsam werden wir abschließend die zentralen Hypothesen von RESPECT unter den Aspektes des Klima- und Landnutzungswandels testen.
