Quelle: Technische Universität Wien 5. März 2024.

5. März 2024 – Der Klimawandel verändert den Wasserkreislauf – aber wie? Leider lässt sich das nicht in eine einfache, global gültige Formel pressen. Der Wasserkreislauf ist ein komplexes System, regional können sich ganz unterschiedliche Veränderungen zeigen: In manchen Regionen wird es trockener, in anderen steigt die Regenmenge, Extremwetterereignisse ändern und verschieben sich.

Um dieses komplexe System besser vorhersagbar zu machen, entwickelte ein internationales Pilotprojekt, finanziert von der Europäischen Weltraumbehörde ESA und geleitet vom italienischen National Research Council, nun einen „digitalen Zwilling“ der Hydrosphäre: Der Wasserkreislauf und die relevanten mit ihm verbundenen Phänomene werden physikalisch korrekt am Computer nachgebildet. So lässt sich simulieren, wie eine ganz bestimmte Region auf hydrologische Veränderungen reagiert. Damit sollen nicht nur Katastrophen wie Überschwemmungen sondern auch schleichende Veränderungen im Wasserhaushalt, die z.B. durch höhere Temperaturen verursacht werden, räumlich detaillierter vorhergesagt werden als bisher.

Entscheidend dafür sind Satellitendaten. Ein Team der TU Wien sorgte dafür, dass speziell Radarsatellitendaten über den Wasserkreislauf nun in hervorragender räumlicher Auflösung zur Verfügung stehen – ein wesentliches Schlüsselelement für die Zuverlässigkeit des Vorhersagesystems.

Ein „digitaler Zwilling“ der Erde
Das Konzept des „digitalen Zwillings“ spielt in der Industrie schon lange eine wichtige Rolle: Ein kompliziertes System, zum Beispiel eine Produktionsanlage, wird physikalisch exakt am Computer nachgebildet. Man kann diesem System dann am Computer beliebige Bedingungen vorgeben, und es wird sich genauso verhalten wie auch in der Wirklichkeit. Ähnlich wie beim Flugsimulator, in dem man neuartige Flugmanöver am Computer ausprobieren kann, lässt sich so gefahrlos vorhersagen, was in einer speziellen Situation geschehen wird.

„Genau so ein digitaler Zwilling entsteht nun für das globale Wassersystem“, erklärt Dr. Mariette Vreugdenhil vom Department für Geodäsie und Geoinformation der TU Wien, die den Anteil der TU Wien an dem ESA Projekt geleitet hat. Wenn für große Gebiete, im Idealfall den ganzen Globus, räumlich hochaufgelöste Daten für die Validierung und laufende Verbesserung von Computersimulationen zur Verfügung stehen, dann lässt sich mit höherer Treffsicherheit sagen, welche Effekte sich unter bestimmten Bedingungen zeigen werden – bis hin zu Überflutungen oder Hangrutschungen an einem ganz bestimmten Ort.

Auf die Auflösung kommt es an
Von besonders großer Bedeutung sind dabei Daten über die Bodenfeuchte. Daran forscht man an der TU Wien schon seit Jahren: Man nutzt Messergebnisse von Radarsatelliten, die den Erdboden rund um die Uhr untersuchen. Daraus kann man wichtige Informationen über die Eigenschaften des Bodens herausrechnen und letztlich vorhersagen, ob der Boden in einer bestimmten Gegend angesichts kommender Regenfälle noch weiteres Wasser aufnehmen kann oder nicht.

Entscheidend dafür ist allerdings, dass man die räumlichen Gegebenheiten mit sehr hoher Auflösung kennt. „Hohe Auflösung heißt bei uns etwa: Ein Pixel pro Kilometer“, sagt Prof. Wolfgang Wagner, der Leiter des Forschungsbereichs Fernerkundung der TU Wien. „Man verwendet dafür heute oft künstliche Intelligenz. Die trainiert man mit unterschiedlichen Datensätzen und hofft dann, auf diese Weise die Auflösung zu verbessern. Das ergibt zwar schöne Bilder, aber ob die etwas mit der Wirklichkeit zu tun haben, ist oft eine andere Frage.“ Um die Interpretation der Satellitendaten auf ihre Richtigkeit hin besser überprüfen zu können, hat man sich an der TU Wien für eine andere Strategie entschieden: „Wir verfolgen einen rigorosen Ansatz. Unser Modell arbeitet mit physikalischen Formeln, von denen wir wissen, dass sie stimmen.“ Machine Learning kommt unterstützend zum Einsatz, etwa für die Kalibrierung der Parameter, aber die Berechnung der Daten lässt sich klar nachvollziehen und erklären. So kann man sicherstellen, dass die Berechnung eines hochauflösenden Datensatzes auf bekannten Naturgesetzen beruht und es nicht etwa zu einer AI-Halluzination ohne faktische Basis kommt, wie das bei künstlicher Intelligenz auch manchmal zu beobachten ist.

Von der Po-Region in die ganze Welt
Begonnen hat man damit, die Po-Ebene in Italien abzubilden – eine besonders komplexe Region, wie Projektleiter Luca Brocca erklärt: „Wir haben die Alpen, wir haben Schnee, der schwer zu simulieren ist, besonders in unregelmäßigem und komplexem Gelände wie den Bergen. Dann gibt es das Tal mit all den menschlichen Aktivitäten – Industrie, Bewässerung.“ Aufbauend darauf bildete man den gesamten Mittelmeerraum ab.

Das Modell soll letztendlich auf den ganzen Erdball ausgedehnt werden. Außerdem soll es noch weiter verbessert und verfeinert werden. Wünschenswert wäre am Ende eine multidimensionale Abbildung der Hydrosphäre, in der ausgewählte Prozesse mit einer räumlichen Auflösung in der Größenordnung von zehn Metern erfasst werden können. Das Ziel des Projekts ist ein Computermodell, das rechtzeitig auf Gefahren hinweisen kann und auch dazu dient, die Auswirkungen verschiedener menschlicher Eingriffe auf lokaler Ebene zu erklären, sodass man nachhaltige Entscheidungen treffen kann.

„Diese gemeinsamen Bemühungen von Wissenschaft, Raumfahrtbehörden und Entscheidungsträgern versprechen eine Zukunft, in der ein digitaler Zwilling der Erde für die Hydrologie unschätzbare Erkenntnisse für ein nachhaltiges Wassermanagement und die Widerstandsfähigkeit gegen Katastrophen liefern“, sagt Luca Brocca.

Originalpublikation
L. Brocca et al., A Digital Twin of the terresrial water cycle: a glimpse into the future through high-resolution Earth observations; Front Sci. 5. March 2024.
https://www.frontiersin.org/journals/science/articles/10.3389/fsci.2023.1190191/full
pdf: https://www.frontiersin.org/journals/science/articles/10.3389/fsci.2023.1190191/pdf

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• Klimawandel

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Quelle: DLR 7. Juni 2022.

7. Juni 2022 – Dürre und Trockenperioden bedrohen zunehmend den Ackerbau. In Europa betrifft das insbesondere die Mittelmeer-Region mit ihren bedeutenden Obst-, Gemüse- und Getreideflächen. Um angesichts des globalen Klimawandels Ernten weiterhin zu sichern, muss die Wasserversorgung angepasst werden. Ein wichtiger Faktor ist die Bodenfeuchte. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) testet neue Radartechnologien, die es ermöglichen sollen, die Feuchtigkeitsverteilung in Pflanzen und den obersten Bodenschichten abzubilden, um gezielt Maßnahmen einleiten zu können. Gemeinsam mit dem italienischen Institut für Elektromagnetische Umweltsensorik IREA haben die Forschenden im April 2022 die erste von zwei mehrtägigen Testkampagnen in Italien durchgeführt. Die zweite Kampagne findet vom 14. bis 17. Juni 2022 statt.

Die erhobenen Daten dienen dazu, Verfahren zur Ableitung des Informationsprodukts „Bodenfeuchte“ in Hinblick auf aktuelle wie zukünftige europäische Radarsatellitenmissionen anzuwenden und zu testen. Die Verteilung der Bodenfeuchte in der abgebildeten Region wird in Form einer Karte geografisch dargestellt. Die Ergebnisse der Messkampagnen sind insbesondere für die Radarsatellitenmission Tandem-L von Bedeutung, die zukünftig die Bodenfeuchte neben anderen Klimavariablen global in den Blick nehmen könnte.

Kritischer Wasserhaushalt: Testgebiet Tavoliere
Als Testgebiet nutzt das Team landwirtschaftliche Flächen in der Tavoliere-Ebene: Das Gebiet ist für seinen kritischen Wasserhaushalt bekannt und erstreckt sich über etwa 4.000 Quadratkilometer. Die Tavoliere ist begrenzt durch den Gargano Nationalpark im Norden, den Daunia-Bergen im Westen, und der Adria. Während der Gargano und die Daunia-Berge klimatisch feuchtere Gebiete sind, herrscht im Bereich des Tavoliere das typische, halbtrockene Mittelmeerklima mit einem durchschnittlichen Jahresniederschlag von 450 Millimeter. Der Boden wird hauptsächlich als Ackerland genutzt. Die wichtigsten saisonalen Anbauprodukte sind Hartweizen, Tomaten, Pferdebohnen, Spargel, Kichererbsen und Artischocken. Um die Wasserversorgung zu sichern, ist es für die Wasserwirtschaft unabdingbar, detaillierte Kenntnisse über vorhandene oberirdische Gewässer und die Feuchtigkeitsverteilung zu haben.

Flugzeug-Radarmessungen mit F-SAR
Im April führte das deutsch-italienische Forschungsteam an zwei aufeinanderfolgenden Tagen Messungen des Wassergehalts in der Vegetation und der oberen Bodenschicht durch. Zeitgleich überflog es die Flächen mit dem F-SAR-System des DLR. In vier langen Flügen erstellte das Radarsystem an Bord des DLR-Forschungsflugzeugs Dornier DO228 simultan Aufnahmen in den Frequenzbereichen C- und L-Band, was eine bessere Vergleichbarkeit der Ergebnisse ermöglicht. Aus den Radardaten wird die Verteilung der Feuchte in Vegetation und Boden abgeleitet sowie deren Veränderungen über einen bis zu 30-stündigen Zeitraum verfolgt. Eine Bewertung der Qualität der Radarmessergebnisse erfolgt durch Vergleich mit den „in-situ“ Messungen am Boden, unter Verwendung einer aktuellen Landnutzungskarte.

„Wir sind sehr zufrieden mit dem Verlauf der ersten Messkampagne. Die Messungen konnten bei guten Bedingungen durchgeführt werden. Probeweise prozessierte SAR-Daten zeigen eine gute Qualität. Wir erhoffen uns für die zweite Messkampagne einen ebenso guten Verlauf“, sagt Projektleiter Ralf Horn vom DLR-Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme.

Die Forschenden wählten unterschiedliche Agrarflächen für die Bodenmessungen aus, darunter auch ein brachliegendes Feld. Künstliche Bewässerung wurde nach einem bestimmten Zeitplan gezielt eingesetzt, um eine Abtrocknung im Zeitverlauf beobachten zu können. Im Juni werden die Messungen wiederholt, um unter anderem dabei zu helfen jahreszeitlich bedingte Veränderungen der Bodenfeuchte festzustellen.

Simulation zukünftiger Satellitenradarkonzepte
Radarsensoren auf einem Flugzeug liefern vergleichbare Daten wie Systeme an Bord von Satelliten. Das F-SAR-Instrument an Bord der Dornier DO228 wurde insbesondere dafür entwickelt, die Datenqualität zukünftiger Satellitenradare zu simulieren. So nahm das DLR-Team bei ihren Messflügen Bildserien in einem bestimmten zeitlichen Rhythmus auf. Diese multi-temporalen, über zwei Stunden langen Radarbildfolgen werden so verarbeitet, dass zum Schluss Radarbilder entstehen, wie sie ein Hydroterra-Satellit künftig aus dem All erzeugen würde. Im Rahmen einer laufenden ESA-finanzierten Studie soll nun untersucht werden, mit welcher Qualität sich Informationen über die sich ändernde Feuchte in Vegetation und Boden aus den simulierten Hydroterra-Bildern extrahieren lassen.

Tandem-L: Globales Umweltbeobachtungssystem für morgen
Die aktuelle Messkampagne steht in enger Verbindung mit Tandem-L, einem Vorschlag des DLR für eine hochinnovative satellitengestützte Radarmission zur Umweltbeobachtung. Eine Konstellation aus zwei L-Band Radarsatelliten soll Daten mit einer bisher nicht erreichten Qualität und Auflösung liefern. Eine Vielzahl dynamischer Prozesse in Bio-, Geo-, Kryo- und Hydrosphäre würden erfasst werden. Speziell im Bereich der Hydrosphäre wäre eine regelmäßige feinskalige Messung der oberflächennahen Bodenfeuchte zur Erforschung des weltweiten Wasserkreislaufs möglich.

Tandem-L könnte im Wochenrhythmus eine aktuelle Abbildung der gesamten Landmasse der Erde in 3D liefern und dabei gleichzeitig mehrere für die Klimamodellierung relevante Parameter messen. So würde die Radarmission maßgeblich zum besseren Verständnis von Prozessen dienen, die heute als Treiber der globalen Klimaänderung gesehen werden. Die gewonnenen Informationen sollen Politik und Gesellschaft befähigen, auf lokaler, regionaler wie auch globaler Ebene die bestmöglichen Handlungsentscheidungen zu treffen.

Über die Partner
IREA, das italienische Institut für elektromagnetische Umweltsensorik, ist Teil des italienischen Nationalen Forschungsrats CNR, in dem es sich im Bereich „Earth System Science and Environmental Technology“ engagiert. IREA wurde bei den Bodenmessungen durch CREA, dem Rat für landwirtschaftliche Forschung und Wirtschaft, unterstützt. Der Forschungsrat unterhält in der Tavoliere-Ebene bei Foggia zwei Versuchsfarmen mit angegliederten landwirtschaftlichen Testflächen. So sind dort unter anderem Wetterstationen und Zusatzdaten zu Bodenbedeckung und Bodentextur verfügbar.

Für die Messflüge ist das DLR-Forschungsflugzeug DO228 D-CFFU im Einsatz. Die Dornier wird überwiegend zur Fernerkundung eingesetzt und von der DLR-Einrichtung Flugexperimente in Oberpfaffenhofen betrieben.

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