Cosmic Sense – Hydrologische Modellierung: Gekoppelte Modellierung der Interaktion von Bodenfeuchte, Schnee und Atmosphäre – getunt mit gemessenen kosmogenen Neutronen.

• Antragsteller: Professor Dr. Harrie-Jan Hendricks-Franssen; Professor Dr. Harald Kunstmann
• Fachliche Zuordnung: Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 357874777

In Phase I der Forschergruppe Cosmic Sense entwickelten wir ein Modellsystem zur Assimilation von stationären Messungen kosmogener Neutronen (CRNS) – als Proxy für Bodenfeuchte im Bereich der Feldskala – auf Basis des Noah-MP Landoberflächenmodells, welches wiederum mit dem Weather Research and Forecasting Model (WRF) und der hydrologischen Erweiterung WRF- Hydro gekoppelt wurde. Stationäre CRNS Beobachtungen sind hinsichtlich ihrer räumlichen Repräsentativität eingeschränkt, da die regionalen Niederschlags- und Verdunstungsmuster mit größeren Entfernungen schwächer werdende Abhängigkeiten aufweisen. Um eine größere räumliche Abdeckung zu erreichen, soll das Modellsystem erweitert werden, um die Assimilation von mobilen CRNS Beobachtungen zu ermöglichen. Darüber hinaus weicht der jahreszeitliche Verlauf der simulierten Schneewasserspeicherung, aufgrund von Temperaturverzerrungen in den Modellen, oft deutlich von der Realität ab, was während der Schneesaison zu schlechten Modellinitialisierungen führt. Hier soll die Erweiterung des Assimilationssystems für CRNS basierte Schneewasseräquivalentmessungen (SWE) Abhilfe schaffen. Um diese Ziele in Phase II zu erreichen wird, in enger Zusammenarbeit mit den Partnern von Cosmic Sense, in einem ersten Schritt der COSMIC Vorwärtsoperator erweitert, der die simulierten Bodenfeuchteschichten in Neutronenzählraten umrechnet, und zwar sowohl für Neutronenbeobachtungen von mobilen Sensoren, als auch für CRNS Messungen über Schnee. Parallel dazu soll die kombinierte Assimilation von stationären und mobilen CRNS Bodenfeuchtebeobachtungen optimiert werden. Basierend darauf werden die räumlich verteilten CRNS Beobachtungen von mobilen Sensoren verwendet, um sensible Parameter des Landoberflächenmodells im 2D-Raum für Bodenfeuchte- und SWE-Schätzungen mit Hilfe des Assimilationssystems abzuschätzen. Darüber hinaus wird das Modellierungsgebiet über das Ammer/Rott Einzugsgebiet um die neuen Studiengebiete der Phase II ergänzt. Diese liegen in Nordrhein-Westfalen und im Bereich Harz/Mitteldeutsches Tiefland. Die Untersuchungen bezüglich SWE konzentrieren sich auf den Alpenraum, konkret auf die Einzugsgebiete von Ammer und Isar, welche beide bereits Gegenstand der Untersuchungen in Phase I waren. Hier wollen wir die bisherigen Ansätze im Hinblick auf Höhenabhängigkeit und subgridskaliger Variabilität weiter verfeinern. Das für Bodenfeuchte und Schnee weiterentwickelte Hydrologie-Atmosphäre Modellsystem wird anschließend für verschiedene regionale Simulationen verwendet, und die Auswirkungen auf die Austauschprozesse zwischen Landoberfläche und Atmospheräe werden untersucht. Diese vollständig gekoppelten Simulationen werden es uns insbesondere ermöglichen, den Einfluss der Assimilation von CRNS Beobachtungen auf die atmosphärischen Variablen in der atmosphärischen Grenzschicht im Detail zu untersuchen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 2694: Large-Scale and High-Resolution Mapping of Soil Moisture on Field and Catchment Scales - Boosted by Cosmic-Ray Neutrons
• Mitverantwortlich: Dr. Benjamin Fersch