Globale Wassermodelle schätzen Wasserspeicheränderungen oft falsch ein

Die von glob­alen Wasser­mod­ellen simulierten Änderun­gen des Wasser­spe­ich­ers von Flus­seinzugs­ge­bi­eten weichen deut­lich von unab­hängi­gen Abschätzun­gen der GRACE-Satel­liten ab. Das hat eine Forscher­gruppe unter Leitung der Uni­ver­sität Texas (Austin, USA) her­aus­ge­fun­den, an der auch Wis­senschaftler der Goethe-Uni­ver­sität beteiligt waren. Die GRACE-Satel­liten messen Änderun­gen im Schw­erefeld der Erde, die maßge­blich von schwank­enden Men­gen in Wasser­spe­ich­ern bee­in­flusst werden.

Die in den „Pro­ceed­ings of the Nation­al Acad­e­my of Sci­ence” (PNAS) veröf­fentlicht­en Ergeb­nisse zeigen, dass die glob­alen Mod­elle, mit denen in den ver­gan­genen Jahren die Wasser­res­sourcen der Erde abgeschätzt wur­den, über­dacht wer­den müssen. Grund­lage der aktuellen Studie sind Beobach­tun­gen der Gesamt­wasser­spe­ich­er von 186 Flus­seinzugs­ge­bi­eten weltweit im Zeitraum von 2002 bis 2014. Die Dat­en der GRACE-Satel­liten wur­den mit den Ergeb­nis­sen von sieben glob­alen Mod­ellen verglichen.

Behör­den und Uni­ver­sitäten ver­wen­den glob­ale Wasser­mod­elle, um Wasser­flüsse (z.B. Durch­fluss und Ver­dun­stung) und Wasser­spe­icherän­derun­gen (z.B. Boden­wass­er und Grund­wass­er) in ihrer his­torischen Entwick­lung zu ver­ste­hen oder kün­ftige Entwick­lun­gen auf der Basis bes­timmter Szenar­ien zu simulieren.

„Mehr und mehr wird glob­alen Mod­ellen ver­traut, um den Ein­fluss der anthro­po­ge­nen Wasser­nutzung und des Kli­mas auf die Wasser­res­sourcen zu beurteilen“, sagt Erstau­torin Brid­get Scan­lon, senior research sci­en­tist am Bureau of Eco­nom­ic Geol­o­gy der Uni­ver­sität Texas (USA). „Wenn wir aber die von den Mod­ellen berech­neten Wasser­spe­icherän­derun­gen mit GRACE-Dat­en ver­gle­ichen, zeigt sich, dass die Mod­elle große Wasser­spe­icherän­derun­gen unter­schätzen, und zwar in bei­de Richtungen.“

Den von allen Einzugs­ge­bi­eten stärk­sten Wasser­anstieg im Unter­suchungszeitraum gab es nach GRACE-Dat­en im Ama­zonas-Gebi­et. Dort stieg der Gesamt­wasser­spe­ich­er um 41 bis 43 Kubikkilo­me­ter pro Jahr. Im Gegen­satz dazu simulierten die meis­ten Mod­elle eine große Absenkung des Gesamt­wasser­spe­ich­ers, und zwar um bis zu 70 Kubikkilo­me­ter im Jahr. Das Mod­ell, das am besten mit den GRACE-Dat­en übere­in­stimmte, berech­nete zwar einen Anstieg, aber nur um 11 Kubikkilo­me­ter im Jahr.

Im Ganges-Einzugs­ge­bi­et ermit­telte GRACE eine Absenkung des Gesamt­wasser­spe­ich­ers um 12 bis 17 Kubikkilo­me­ter pro Jahr inner­halb des 12-Jahreszeitraumes – die größte Absenkung in der Studie. Die Vorher­sagen der Mod­elle vari­ieren hinge­gen zwis­chen ein­er Absenkung und ein­er Erhöhung um je sieben Kubikkilo­me­ter pro Jahr.

Im glob­alen Mit­tel berech­nen die Mod­elle ein Absinken des Gesamt­wasser­spe­ich­ers im Unter­suchungszeitraum, während GRACE-Dat­en ein Ansteigen nahele­gen. Darüber hin­aus wurde gezeigt, dass z.B. durch zunehmende Nieder­schläge der Gesamt­wasser­spe­ich­er ansteigt, während die anthro­po­gene Wasser­nutzung ein Absinken verur­sacht. In der Studie wur­den 63 Prozent der Land­flächen unter­sucht. Grön­land und die Antark­tis waren ausgenom­men, da hier das meiste Wass­er in Form von Gletsch­ern oder Eiss­childen vorliegt.

„Unsere Arbeit zeigt, dass es Gebi­ete gibt, in denen die glob­alen Mod­elle opti­miert wer­den müssen. Dank des glob­al-skali­gen Ansatzes der Studie kön­nen wir bess­er ver­ste­hen, weshalb die Mod­elle in eini­gen Gebi­eten bess­er zu unseren Beobach­tun­gen passen. Ins­beson­dere sehen wir, wo die Mod­elle mit den Beobach­tungswerten nicht übere­in­stim­men“, meint Koau­tor Hannes Müller Schmied, wis­senschaftlich­er Mitar­beit­er am Insti­tut für Physis­che Geo­gra­phie der Goethe-Uni­ver­sität sowie am Senck­en­berg Bio­di­ver­sität und Klima-Forschungszentrum.

“Basierend auf der umfassenden Analyse von Wasser­spe­icherän­derun­gen kön­nen wir wichtige zusät­zliche Infor­ma­tio­nen erhal­ten und uns nun auf die Mod­el­lierung der schwieri­gen Gebi­ete konzen­tri­eren. So fehlen in den meis­ten Mod­ellen die Dynamik von Über­schwem­mungs­flächen in den großen Feucht­ge­bi­eten und Rück­stauwass­er-Effek­te im Ama­zonas. Andere Prozesse wie anthro­po­gene Wasser­ent­nah­men im Ganges-Einzugs­ge­bi­et müssen eben­so verbessert – und bei manchen Mod­ellen über­haupt erst berück­sichtigt wer­den“, so Hannes Müller Schmied weiter.

Die Arbeit zeigt auch die große Bedeu­tung der regionalen Forschung. „Mit GRACE erhält man das großräu­mige Bild des Gesamt­wasser­spe­ich­ers“, sagt Brid­get Scan­lon. „Allerd­ings ist es in vie­len Fällen eine regionale und lokale Fragestel­lung, wie man die Wasser­res­sourcen quan­tifizieren und deren Ver­füg­barkeit für Men­sch und Land­wirtschaft sich­er­stellen kann. Wir soll­ten den Fokus auf diese klein­räu­mi­gen Skalen ver­stärken, da es oft ein­fach­er ist, lokal ver­füg­bare Dat­en zu inte­gri­eren. Auch die spez­i­fis­che Sit­u­a­tion lässt sich bess­er lokal beurteilen als wenn man auss­chließlich glob­ale Stu­di­en verwendet.“

Der Forscher­gruppe gehören Wis­senschaftler des Bureau of Eco­nom­ic Geol­o­gy der Jack­son School of Geo­sciences an der Uni­ver­si­ty of Texas, Austin (USA), der Goethe-Uni­ver­sität, des Senck­en­berg Bio­di­ver­sität und Kli­ma-Forschungszen­trum, der Utrecht Uni­ver­si­ty (Nieder­lande), des NASA’s Jet Propul­sion Lab­o­ra­to­ry (USA), der Tsinghua Uni­ver­si­ty (Chi­na) und der Uni­ver­sité de Rennes (Frankre­ich) an.