Satellitenbeobachtungen validieren terrestrischen Wasserkreislauf in globalen Wettermodellen

In einer am 11. März 2020 in Nature Scientific Reports veröffentlichten Studie verwendete Prof. Dr.-Ing. Annette Eicker von der HafenCity Universität Hamburg (HCU) gemeinsam mit Kollegen vom Helmholtz-Zentrum Potsdam – Deutsches GeoForschungsZentrum (GFZ) und der Technischen Universität Graz die Daten der geodätischen Satellitenmission GRACE um deutliche Verbesserungen in den Niederschlags- und Verdunstungsraten der jüngsten Generation des numerischen Atmosphärenmodells des Europäischen Zentrums für Mittelfristige Wettervorhersage (EZMW) nachzuweisen.

Seit 2003 beobachtet die Satellitenmission GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) globale Änderungen der Wasserverteilung auf der Erde. Dem Forscher-Team um Annette Eicker ist es nun erstmals gelungen, tägliche GRACE-Daten für die Dokumentation von Qualitätsunterschieden zwischen verschiedenen meteorologischen Modellen auf insbesondere sub-monatlichen Zeitskalen zu nutzen.

„Reanalysen sind Computermodelle, die unter Hinzunahme vielfältiger Beobachtungsdaten die atmosphärische Dynamik der vergangenen Jahre möglichst realitätsnah abbilden. Neben stündlichen Werten der Lufttemperatur oder der Windgeschwindigkeit an jedem Ort der Erde gehören dazu auch Niederschlagsmengen und Verdunstungsraten.

Um einzuschätzen, wie zuverlässig diese Modelldaten sind, ist ein Vergleich mit weiteren unabhängigen Messdaten notwendig. Wir validieren in unserer Studie die neueste Reanalyse („ERA5“) des Europäischen Zentrums für Mittelfristige Wettervorhersage (EZMW) mit der unmittelbaren Vorgängergeneration („ERA-Interim“) und konnten mithilfe der GRACE-Daten dokumentieren, dass die aktuelle Modellversion in weiten Bereichen deutlich bessere Ergebnisse liefert.“, sagt Annette Eicker.

Es gibt jedoch auch drei kleinere Regionen – die Sahel-Zone, das Okavango-Delta im südlichen Afrika und die Kimberley-Region in Nordwestaustralien – in denen GRACE eine leichte Verschlechterung in ERA5 im Vergleich zu ERA-Interim detektiert.

„Die Gründe dafür sind augenblicklich unklar und sollen in einer Folgestudie gemeinsam mit an der Entwicklung von Reanalysen beteiligten Meteorologen untersucht werden.“, ergänzt Dr. Henryk Dobslaw vom GFZ, einer der Koautoren der Studie.

Atmosphärische Reanalysen stellen eine Vielzahl meteorologischer Felder mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung über viele Dekaden bereit. Das Team um Annette Eicker hat in dieser Studie die Wasserflüsse an der unteren Grenzfläche der Atmosphäre (Niederschlag, Verdunstung und horizontaler Abfluss) untersucht, welche durch ihre Bedeutung für die Bewertung der Wasserverfügbarkeit große gesellschaftliche Relevanz haben.

Diese Größen ändern sich zeitlich sehr schnell und haben eine große räumliche Variabilität, was sehr dichte Netze von Bodenmessstationen zur Erfassung aller charakteristischen Signale erfordert. Die GRACE-Satellitendaten bieten sich hier durch ihre globale Abdeckung als komplementäre Informationsquelle an, wie in der vorliegenden Studie gezeigt werden konnte.

Die Satellitenmission GRACE wurde im Jahr 2002 als Kooperation zwischen der U.S.-amerikanischen Raumfahrtagentur NASA und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gestartet und beobachtete bis Ende 2017 hochgenau die zeitlichen Änderungen des Erdschwerefeldes, welche auf Massenverlagerungen über, auf und unter der Erdoberfläche zurückgeführt werden können.

Mit Hilfe der GRACE-Mission konnten beispielsweise sowohl langfristige Massenverluste der kontinentalen Eisschilde in Grönland und der Antarktis als auch die Absenkung des Grundwasserspiegels im kalifornischen Central Valley dokumentiert werden. Die Datenreihen der GRACE-Mission werden seit Mai 2018 durch die Nachfolgemission GRACE-FO, einem Gemeinschaftsprojekt der NASA und des GFZ, fortgesetzt.

Autoren der Studie: Annette Eicker, Laura Jensen, Vivana Wöhnke (HCU), Henryk Dobslaw, Robert Dill (GFZ Potsdam), Andreas Kvas, Torsten Mayer-Gürr (TU Graz)

Link zum Paper: www.nature.com/articles/s41598-020-61166-0

Kontakt zur HafenCity Universität Hamburg:
Prof. Dr.-Ing. Anette Eicker:
E-Mail: annette.eicker@hcu-hamburg.de

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Prof. Dr.-Ing. Anette Eicker:
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www.nature.com/articles/s41598-020-61166-0