Abstract
Für das Klima der Erde nimmt der hydrologische Kreislauf eine Schlüsselposition ein. Mit diesem Kreislauf ist ein kontinuierlicher Austausch von Wasser, Energie und Spurenstoffen zwischen der Atmosphäre, der Landoberfläche und den Ozeanen verbunden. Daher hängt die Güte eines globalen Modells der allgemeinen atmosphärischen Zirkulation (GCM) entschei- dend von der Qualität der Simulation des hydrologischen Kreislaufs ab. Die hydrologischen Prozesse auf der Landoberfläche und speziell die lateralen Wasserflüsse von den Kontinenten zum Ozean werden jedoch bisher in den GCMs nur unzureichend repräsentiert. In einem gekoppelten Atmosphare/Ozean-GcM stellt dabei der Frischwasserzufluß in die Ozeane eine wichtige Eingangsgröße der Ozeanmodelle dar. Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein Modell für die lateralen Wasserflüsse auf der globalen Skala zu entwickeln. Mit globaler Skala wird eine Auflösung von 0.5' oder gröber bezeichnet, was einer mittleren Gitterbox-Fläche von ca.25OO km2 entspricht. Das neue Modell soll die Translation und Retention des Abflusses als Funktion von räumlich verteilten Landoberflächen-Eigenschaften beschreiben, die als globale Datensätze verfügbar sind. Abflußmodelle benötigen eine Reihe von spezifischen Eingangsgrößen, die üblicherweise nicht als Meßwerte zur Verfügung stehen, wie z. B. Runoff und Drainage. Daher müssen diese Größen aus den beobachteten Daten des Niederschlags und der Lufttemperatur in 2 m Höhe über dem Boden abgeleitet werden. Hierzu wurde ein vereinfachtes Landoberflächen-Schema (Sl--Schema) entwickelt. Neben Runoff und Drainage werden auch die übrigen Komponenten der Wasserbllanz an der Landoberfläche berechnet, wozu u. a. Evapotranspiration, Schneebedeckung und Bodenfeuchte gehören. Hierbei kann das Sl-Schema zur Generierung globaler Klimatologien dieser berechneten Größen verwendet werden, sofern dafür geeignete Zeitrethen von 2m-Temperatur und Niederschlag zur Verfügung stehen. Die Entwicklung der Struktur des Abflußmodells wurde auf der Basis von Modellvergleichen und Parameteroptimierungen in zwei Testeinzugsgebieten durchgeftihrt. Hierbei wurde das SL-Schemabenutzt, um die vom Abflußmodell benötigten Inputfelder von Runoff und Drainage aus täglichenZeitreihen gemessener Niederschläge und 2m-Temperaturen zu erstellen. Es zeigte sich, daß für eine gute Abflußsimulation eine Separation der Abfluß- prozesse in Oberflächenabfluß, Grundwasserabfluß und Gerinneabfluß notwendig ist. In einer 0.5"-Gitterbox ist im Prinzip die Verwendung von 2-Parameter-Modellen für die Simulation des Oberflächen- und des Gerinneabflusses erforderlich. Daher wurde für beide Abflußprozesse die Parameterisierung der Kaskade aùs n linearen Speichern angesetzt. Verschiedene Tests zeigtenjedoch, daß für Einzugsgebiete auf der globalen Skala, die aus vielen 0.5'-Gitterboxen bestehen, die Verwendung eines einzigen linearen Speichers für den Oberflächenabfluß ausreicht, um den Abfluß adäquat simulieren zu können. Der Grundwasser- abfluß wird ebenfalls durch die Parameterisierung des linearen Speichers angemessen repräsentiert. Die Qualität von Abflußsimulationen auf der globale Skala hängt nicht nur von den Modellformulierungen ab, sondern auch von den verwendeten Datensätzen. Speziell die Modelltopographie besitzt hierauf einen entscheidenden Einfluß. Die korrekte Größe und die Lage der Modelleinzugsgebiete bestimmen maßgeblich die Qualität des simulierten Abflusses. Die Modelleinzugsgebiete werden definiert unter der Verwendung eines globalen Datensatzes der Fließrichtungen und der Modelltopographie. Hierbei wurden verschiedene Methoden entwickelt, die es ermöglichen, aus einem verfügbaren Topographie-Datensatz eine passende Modelltopographie zu erstellen. Die Anwendung eines ersten globalen Parameterisierungansatzesbezlglich Topographie- gradient und Gitterboxlänge belegt, daß das neue Abflußmodell (HD-Modell = Hydrological Discharge-Modell) eine starke Verbesserung gegenüber dem Abflußmodell darstellt, welches zur Zeit am Max-Planck-Institut für Meteorologie verwendet wird. Das verbesserte Volumen des simulierten Abflusses wird primär durch die realistischere Definition der Modell- einzugsgebiete verursacht. Der verbesserte zeitliche Verlauf des Abflusses hängt vor allem mit der Separation der Abflußprozesse zusammen. Zahkeiche Tests der Parameterisierungen des HD-Modells mit verschiedenen Formulierungen wiesen darauf hin, daß die gewählte Abhängigkeit der Parameter des HD-Modells von der Topographie und der Gitterboxlänge wesentlich wichtiger für dessen Güte ist als funktionale Abhängigkeiten von anderen Gitterboxeigenschaften. Eine Ausnahme hiervon bilden Gitterboxen, in denen ein hoher Anteil von Seen oder Feuchtgebieten vorhanden ist. Diese können aufgrund ihres hohen Rückhaltevermögens einen beträchtlichen Einfluß auf das Abflußverhalten haben. Um diesen Einfluß der Seen und Feuchtgebiete im HD-Modell zu repräsentieren, wurde ein konzeptioneller Parameterisierungsansatz entwickelt, der in vielen der betroffenen Einzugsgebiete den simulierten Abfluß deutlich verbesserte. Da globale Beobachtungsdaten von Runoff und Drainage nicht existieren, ist eine direkte globale Validierung des HD-Modells nicht möglich. Auch die Daten der ECMWF-Reanalyse und der NCEP-Reanalyse sind nicht dazu geeignet, einen globalen Surrogatdatensatz der hierzu benötigten täglichen 'Werte von Runoff und Drainage zu erstellen. Es wird daher für die Validierung des HD-Modells in verschiedenen Regionen der Erde ein anderer Weg gewählt. Hierzu wird das HD-Modell auf verschiedene atmosphärische Simulationen angewendet: o ECHAM4-T42 angetrieben mit klimatologischen Meeresoberflächentemperaturen für die Jahre 2-6. o REMO mit der Physik-Parameterisierung des DWD auf einem rotierten 0.5"-Gitter genestet in ECHAM3-T4Z, das mit beobachteten Meeresoberflächentemperaturen für die Jahre 1979-82 angetrieben wurde. o SL-Schema angewendet auf Niederschläge und 2m-Temperaturen der ECMV/F- Reanalyse in der T106-Auflösung für die Jahre 1981-85. Dazu wird auch eine Simulation betrachtet, die zusatzlich die Evapotranspiration der ECMWF-Reanalyse übernimmt. o SL-Schema angewendet aüf Niederschläþe und 2m-Temperaturen der NCEP- Reanalyse in der T62-Auflösung für die Jahre 1981-85. Es wird außerdem eine Simulation betrachtet, die zusätzlich die Evapotranspiration der NCEP-Reanalyse übernimmt. Die Qualität des hydrologischen Kreislaufs der atmosphärischen Simulationen wird im jeweils betrachteten Einzugsgebiet bewertet, indem verschiedene atmosphärische Größen mit beobachteten Werten verglichen werden. Eine Beurteilung des entsprechenden simulierten Abflusses kann nur für Einzugsgebiete vorgenommen werde, wo mindestens eine der atmosphärischen Simulationen eine ausreichende Güte des hydrologischen Kreislaufs besitzt. Für eine positive Beurteilung der Qualitat des HD-Modells in einem bestimmten Einzugsgebiet ist es entscheidend, daß Abweichungen des simulierten Abflusses vom gemessenen auf Differenzen zwischen simulierten atmosphärischen Größen und den entsprechenden Beobachtungen zurückzuführen sind. Es wird gezeigt, daß das HD-Modell in vielen Einzugsgebieten den monatlichen Jahresgang des Abflusses realistisch simulieren kann. Defizite im simulierten Abfluß wurden vor allem durch den atmosphärischen Input verursacht. Für bestimmte Einzugsgebiete erweisen sich Modelleinzugsgebiet und Modelltopographie als Fehlerquelle. Diese Fehler können, falls in bestimmten Gebieten erforderlich, zwar relativ leicht verringert werden, sie stellen jedoch ein sehr zeitintensives Problem dar. Daher wurden im Rahmen dieser Arbeit nur Modell- einzugsgebiete korrigiert, die offensichtliche Mängel aufwiesen. Für Afrika und Australien kann die Güte des HD-Modells aufgrund der unrealistischen atmosphärischen Simulationen und der unsicheren und teilweise schlechten Qualität der Beobachtungsdaten nicht beurteilt werden. Besonders die atmosphärischen Modelle weisen große Defizite bei der Simulation des hydrologischen Zyklusses in Afrika auf. Speziell bei der Simulation der Evapotranspiration gibt es hier große Probleme. Diese Ergebnisse legen eine intensivere Forschung für Afrika nahe. Dies gilt sowohl für die Erstellung von Meßwerten als auch für die Verbesserung der Landoberflächen-Parameterisierungen der atmosphärischen Modelle. Es werden im Verlauf dieser Arbeit verschiedene Anwendungsmöglichkeiten des HD-Modells vorgestellt. Am Beispiel des Vergleichs des GCMs ECHAM4 mit dem regionalen Klirnamodell REMO im Einzugsgebiet der Ostsee wircl gezeigt, daß clas HD-Modell ein geeignetes V/erkzeug zur Validierung der Simulation des hydrologischen Kreislaufs eines atmosphärischen Modells ist. Eine besondere Anwendung stellt die Verwendung des HD-Modells zum Vergleich globaler Gebietseigenschafts-Datensàtze dar. Es wird gezeigt, wie diese mit einem globalen Abfluß- modell verglichen und beurteilt werden können, sofern die betrachteten Gebietseigenschaften in den Parameterisierungen des Modells verwendet werden. Der Vergleich der Feuchtgebiete- datensätze von Matthews und Fung (1987) und von Cogley (1987, I99I, 1994) dokumentiert, daß ersterer besser zur Verwendung in der globalen Modellierung des Klimas oder von hydrologischen Prozessen geeignet ist. Die erfolgreiche Simulation des katastrophalen Oderhochwassers im Sommer 1997 belegt, daß das HD-Modell das Potential für weitergehende Anwendungen in sich birgt, die ursprünglich gar nicht Ziel der Entwicklung waren. So erscheint für bestimmte Gebiete auch eine regionale Anwendung mit einer höheren Auflösung sinnvoll (2. B. zusammen mit einem regionalen Klimamodell), sofern die im'HD-Modell benötigten''Gebietseigenschaften ebenfalls in der betreffenden Region mit dieser höheren Auflösung zur Verfügung stehen. Zusammenfassend läßt sich festhalten, daß das neu entwickelte HD-Modell den Abfluß in vielen Regionen der Erde realistisch simulieren kann. Es wurde anhand verschiedener Beispiele gezeigt, daß das HD-Modell vielfältig anwendbar ist. Es ist daher auch dazu geeignet, in einem gekoppelten Atmosphdre/Ozean-Modell als Verbindungsglied zwischen der Landoberfläche und den Ozeanen zu agieren.
