Wasser unter Druck: Moderne Analysetools revolutionieren Prognosen zu Dürre, Niederschlag und Hochwasser

„Wissenschaft lebt vom Austausch – und je offener und transparenter wir Forschung gestalten, desto mehr Menschen können davon profitieren. Offene Daten, nachvollziehbare Methoden und frei zugängliche Ergebnisse ermöglichen es, dass Wissen weiterentwickelt, überprüft und für gesellschaftliche Herausforderungen genutzt werden kann. So können wir Veränderungen im globalen Wasserkreislauf besser darstellen. Das ist wichtig, denn der Wasserkreislauf trägt zur Regulierung des Klimas bei, versorgt uns mit Süßwasser und beeinflusst unser Ökosystem, die Landwirtschaft und die Wasserversorgung. Neue Analysetools helfen in wasserlimitierten Regionen bessere wasserwirtschaftliche Entscheidungen treffen zu können“, so Dr. Christof Lorenz, Head of IFU Datainitiative & Datamanagement am Institut für Meteorologie und Klimaforschung am KIT sowie Earth & Space Science Informatics (ESSI)-Programme Group Chair bei der EGU-General Assembly.

Klimawandel ändert globalen Wasserkreislauf – aber unterschiedlich

Der Klimawandel wirkt stark auf den Wasserkreislauf. Das liegt daran, dass der Wasserkreislauf und das Klima eng aneinandergekoppelt sind, vor allem über Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Niederschlag. „Wasserdampf wirkt als Treibhausgas und beeinflusst damit direkt die Energiebilanz der Atmosphäre. Veränderungen des Klimas führen daher direkt zu Veränderungen des Wasserkreislaufs und Veränderungen des Wasserkreislaufs führen direkt zu Veränderungen in unseren Süßwasserressourcen. Der Klimawandel führt dadurch zu einer Beschleunigung des Wasserkreislaufs“, betont der Klima- und Umweltwissenschaftler. In vielen Regionen nimmt die Häufigkeit von Niederschlagstagen ab, gleichzeitig werden einzelne Niederschlagsereignisse intensiver, sodass Starkniederschläge häufiger auftreten. Während längerer Trockenperioden trocknen Böden aus und können Wasser schlechter aufnehmen, wodurch mehr Wasser oberflächlich abfließt und Hochwasser begünstigt wird. „So ist mit einem Anstieg der Häufigkeit und Intensität von Extremereignissen, wie etwa Starkniederschlägen, Dürren und Hitzewellen zu rechnen. Allerdings werden diese Veränderungen regional sehr unterschiedlich ausfallen. Einige Regionen werden deutlich stärker betroffen sein als andere. „In vielen Regionen ändern sich die jährlichen Gesamtabflussmengen bislang nur moderat, jedoch verschiebt sich die Saisonalität des Abflusses. Die jahreszeitliche Verteilung von Niederschlag sowie der Zeitpunkt der Schneeschmelze verändern sich, wodurch sich auch Hochwasser- und Niedrigwasserperioden ändern. Das hat weitreichende Folgen für die Bewässerung in der Landwirtschaft, Trinkwasserversorgung und Wasserkraft“, betont Lorenz. In anderen Regionen führen zunehmende Trockenperioden und höhere Verdunstung dazu, dass Flüsse zeitweise stark weniger Wasser führen oder regional sogar vollständig austrocknen.

Moderne Analysetools für bessere Prognosen

Bei einem atmosphärischen Reanalysemodell wird, ähnlich wie bei einer Wettervorhersage, ein numerisches Modell eingesetzt, das mit historischen Beobachtungsdaten kombiniert wird, um vergangene Zustände der Atmosphäre konsistent zu rekonstruieren. Dadurch können auch wichtige hydrologische Größen, die schwer messbar sind – wie Verdunstung oder Bodenfeuchte, realistisch und konsistent abgeschätzt werden. „Durch die Kombination von Modellen und Beobachtungsdaten entsteht ein physikalisch konsistentes und genaueres Bild der globalen Wasserbilanz, auch in Regionen ohne direkte Messungen. Dadurch können wir zukünftige Veränderungen des hydrologischen Zyklus besser abschätzen“, so der Experte. Satelliten sind aus der Beobachtung des Wasserkreislaufs heute nicht mehr wegzudenken: Sie liefern entscheidende Messdaten zu Wasserständen und machen Veränderungen von Wasserspeichern in Seen, Flüssen oder im Grundwasser sichtbar. Ein eindrückliches Beispiel ist dabei die GRACE-Mission: „Über Schwerefeldmessungen aus dem All können wir Informationen über großskalige Wassermassenänderungen ableiten. Damit konnten erstmals massive Grundwasserentahmen in Nordindien sowie der Masseverlust großer Eisschilder etwa in Grönland quantifiziert werden“, betont Lorenz. Mithilfe dieser Satellitendaten und KI-basierten Modellen können große Mengen an Beobachtungs- und Modelldaten besser analysiert und Muster im Wasser- und Klimasystem erkannt werden.

Besseres datenbasiertes Dürre- und Wassermanagement in trockenen Regionen

Auch Dürreereignisse lassen sich zunehmend besser vorhersagen. „Mit saisonalen Vorhersagen können wir in vielen Regionen, insbesondere in den Tropen und Subtropen Trocken- und Hitzeperioden sowie damit verbundene Dürrebedingungen teilweise Wochen bis Monate im Voraus abschätzen. Das hilft in wasserlimitierten Regionen enorm, vor allem dann, wenn die gesamte Landwirtschaft praktisch vom Regen abhängig ist“, erklärt Lorenz. Wenn die Aussaat, das Wachstum und die Ernte stark davon abhängen, wann die Regenzeit beginnt, wie intensiv sie ausfällt und wann sie endet, werden hydrologische Prognosen essenziell, um wasserwirtschaftliche Entscheidungen treffen zu können. Wie verschiedene Forschungsprojekte, an denen der Wissenschaftler beteiligt war, zeigen, können Wasserressourcen in wasserarmen Regionen wie Iran, Sudan, Brasilien, Ecuador und Westafrika durch entsprechende Analysen früher und gezielter geplant und verteilt werden. Auch die Entscheidungen von Aussaatzeitpunkten und Bewässerungsstrategien können an die erwarteten Niederschlags- und Trockenperioden angepasst werden und Wasserreservoirs und Stauseen können effizienter bewirtschaftet werden. „Insgesamt hilft das Wissen dabei, Risiken von Dürren oder Wasserknappheit zu reduzieren und Wasser nachhaltiger zu nutzen“, so Lorenz.

Hochwasservorhersagen bleiben kurzfristiger

Obwohl hydrometeorologische Modelle heute schon sehr leistungsfähig sind, weisen sie beim Niederschlag, der von vielen atmosphärischen Prozessen abhängt, nach wie vor relativ große Unsicherheiten auf. Hochwasserereignisse sind daher oft schwerer mit größerem zeitlichen Vorlauf vorherzusagen, da sie meist durch kurzfristige Starkniederschläge ausgelöst werden. Solche Ereignisse lassen sich meist nur wenige Tage im Voraus prognostizieren, etwa mit Wetter- und hydrologischen Vorhersagemodellen. Verbesserte Vorhersagen sind somit auch von großer gesellschaftlicher und volkswirtschaftlicher Bedeutung, da inzwischen statistisch belegt ist, dass in vielen Regionen hydrologische Extremereignisse in ihrer Intensität und teilweise auch in ihrer Häufigkeit zunehmen. Ein eindrückliches Beispiel stellt die Sturzflut im Ahrtal im Jahr 2021 dar. Analysen zeigen, dass die Niederschlagsintensität vergleichbarer Ereignisse in Westeuropa inzwischen um bis zu 19 % höher ist, als sie ohne den Einfluss des Klimawandels wäre. Zudem ist die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten solcher Ereignisse heute bis zu neunmal höher als in einem vorindustriellen Klima. Insgesamt werden aber auch diese Prognosen durch verbesserte Modelle, Satellitendaten und neue datengetriebene Methoden genauer.

Digitale Transformation in den Geowissenschaften

Ob in der Hydrologie, Klimaforschung oder anderen geowissenschaftlichen Bereichen, die Geowissenschaften befinden sich gerade in einem wichtigen digitalen Transformationsprozess. „Das liegt daran, dass Menge, Geschwindigkeit und Vielfalt geowissenschaftlicher Daten eine neue digitale Infrastruktur und Analyseverfahren erfordern. Die digitalen Technologien – ob automatisierte Workflows, Datenverarbeitung in Nahe-Echtzeit oder Integration in Frühwarnsystemen – verändern daher grundlegend wie geowissenschaftliche Forschung betrieben wird“, betont Lorenz. Er sieht sie zukünftig noch transparenter, offener und nachhaltiger. „Mit ESSI bieten wir für die neuen Entwicklungen eine interdisziplinäre Plattform zum Austausch und Vernetzen von Forschenden, Software-, Daten- und KI-Experten. Durch das richtige Datenmanagement bewältigen wir hohe personelle Fluktuation, gestiegene Datenmengen, vernetztere Forschungsprojekte und die Umsetzung von FAIR-Prinzipien und Open Science. Diese Grundlagen ermöglichen es uns, moderne KI-Ansätze, digitale Zwillinge und dezentrale Rechenlösungen effektiv zu nutzen und weiterzuentwickeln. Gleichzeitig fördern sie transparente und nachvollziehbare wissenschaftliche Workflows, in denen Daten, Code und Analysen eng miteinander verknüpft sind“, betont Lorenz. Diese Fortschritte kommen schließlich auch der Bewältigung gesellschaftlicher Herausforderungen wie die Veränderung des Wasserkreislaufs durch den Klimawandel zugute.

Über die IAKW-AG

Die IAKW-AG (Internationales Amtssitz- und Konferenzzentrum Wien, Aktiengesellschaft) ist verantwortlich für die Erhaltung des Vienna International Centre (VIC) und den Betrieb des Austria Center Vienna. Das Austria Center Vienna ist mit 21 Sälen, 134 Meetingräumen sowie rund 26.000 m2 Ausstellungsfläche Österreichs größtes Kongresszentrum und gehört zu den Top-Playern im internationalen Kongresswesen. https://www.acv.at/de/