TP2: Wechselwirkung Klima-Landoberflächen: Regionales Assessment

Das Teilprojekt 2 im SPACES2 Verbundprojekt SALDi ist am Institut für Geographie der Universität Augsburg angesiedelt und wird von Prof. Dr. H. Kunstmann geleitet.

Teilprojektbeschreibung TP2

  • Die Problemstellung

    Das Teilprojekt TP 2 konzentriert sich auf die Modellierung von atmosphärisch-landlichen Oberflächeninteraktionen mit einem regionalen Erdsystemmodell wie WRF-Hydro. Wir werden den gekoppelten atmosphärischen und terrestrischen regionalen Wasserkreislauf in hoher räumlicher Auflösung für die gesamte Region des südlichen Afrika bewerten und Indikatoren und Maßnahmen für Wechselwirkungen zwischen Land, Oberfläche und Atmosphäre ableiten.

  • Die Zeilsetzung
    1. Anpassung, Verbesserung und Anwendung des regionalen Erdsystemmodells (ESM) WRF-Hydro zur Beschreibung des regionalen terrestrischen Wasserhaushalts im südlichen Afrika in sehr hoher Auflösung (4 km). Insbesondere der gekoppelte atmosphärisch-terrestrische Wasserhaushalt als sowie die Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre und Landoberfläche in der Region werden mit WRF-Hydro analysiert und quantifiziert.
    2. Analyse der Auswirkungen einer extrem hohen Auflösung (1 km) in WRF-Hydro für ausgewählte Teilregionen und Untersuchungszeiträume unter verschiedenen Annahmen von Landnutzungs- und Klimaszenarien.
    3. Bereitstellung verbesserter Eingangsdaten für Wirkungsanalysen von Erosions- und Degradationsszenarien.
  • Die Methodik

    Der Schwerpunkt liegt auf der Abschätzung der Boden- und Wärmeflüsse für die unteren atmosphärischen Randbedingungen, wie beispielsweise für das Regionalmodell WRF, das aus diesem Grund mit dem Noah-Landoberflächenmodell gekoppelt ist. In den letzten Jahren wurden vollständig gekoppelte atmosphärisch-hydrologische Modelle entwickelt, um die räumliche Variabilität der Bodenfeuchte realistischer zu modellieren (z.B. MAXWELL et al., 2007; et al., 2016).

    In WRF-Hydro zum Beispiel wird die seitliche Umverteilung des Infiltrationsüberschusses entlang der Topographie mit einer zweidimensionalen Beschreibung behandelt. Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass die Beschreibung des terrestrischen Wasserflusses einen signifikanten Einfluss auf die Oberflächenflüsse und die Dynamik der planetarischen Grenzschicht (PBL) hat und somit hydrometeorologische Parameter wie Niederschläge beeinflusst.

    Aus diesem Grund wird das vollgekoppelte Modell WRF-Hydro erstmals für die Region Südafrika und erstmals im SALDi im Klimamodus eingesetzt. In Studien, die sich mit den Auswirkungen von Landnutzungsänderungen auf das regionale Klima befassen, werden Unsicherheiten oft vernachlässigt. In Analogie zu den Unsicherheiten des Klimawandels (z.B. HAUGHTON et al., 2014) sind RCM-Ensemblesimulationen mit gestörten Randbedingungen auch in Landnutzungsstudien zur Identifizierung robuster Signale erforderlich (LAUX et al., 2016). Eine weitere Quelle der Unsicherheit in der Performance von RCMs ist die Verwendung der horizontalen Gitterauflösung, der Topographie und der Konvektionsparametrisierung (WAGNER et al., 2017).

    Daher beschäftigt sich SALDi insbesondere mit der Frage, inwieweit die Beschreibung hydrometeorologischer Variablen bei Verwendung eines konvektionsabhängigen Modells horizontaler Auflösung (~4 km) verbessert werden kann und ob die massive Erhöhung der Rechenzeit gerechtfertigt ist. Solche Schätzungen werden in SALDi für einzelne Jahre und ausgewählte Simulationszeiträume durchgeführt. 

  • Die Zusammenarbeit

    Das Teilprojekt TP2 wird vom Geographischen Institut der Universität Augsburg (UNIA-IG) geleitet.

    Während der Projektlaufzeit wird TP2 eine Zusammenarbeit mit der Klimamodellierungsgruppe des CSIR initiieren, um Erfahrungen über regionale Klimamodellierung für die SA-Region auszutauschen. Das CSIR verfügt über ausgewiesene Expertise in der atmosphärischen Modellierung auf Zeitskalen, die von der kurzfristigen Wettervorhersage bis hin zur Prognose des zukünftigen Klimawandels reichen, und auf räumlichen Skalen, die von relativ niedrigauflösenden globalen Simulationen bis hin zu ultrahochauflösenden Simulationen im Mikromaßstab mit dem RCM CCLM reichen (ENGELBRECHT et al., 2011). Dies könnte auch RCM-Vergleichsstudien erleichtern.

  • Die erwarteten Ergebnisse

    Meilenstein 1: SALDi Auftakttreffen mit der 1. SALDi Summer School abgeschlossen 
    Meilenstein 2: WRF Hydro-Simulationen für Südafrika abgeschlossen 
    Meilenstein 3: Hochauflösende Simulationen für ausgewählte EZGs abgeschlossen 
    Meilenstein 4: WRF Hydro-Simulationen einzelner ausgewählter Landnutzungsszenarien abgeschlossen 
    Meilenstein 5: Schlüsselparameter der Wechselwirkungen zwischen Klima und Landoberfläche abgeleitet für verschiedene Degradationsszenarien 
    Meilenstein 6: 2. SALDi-Sommerschule und letzte gemeinsame SALDi-Bilanzsitzung durchgeführt, Gemeinsame Veröffentlichung(en) mit südafrikanischen Partnern abgeschlossen

WRF-HYDRO Modellierungssystem
WRF-HYDRO Modellierungssystem
Foto: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1029/2018JD029004
  • Modellierung verbesserter Wechselwirkungen zwischen Landoberfläche und Atmosphäre (verbesserte Oberflächen- und Untergrundführung) mit WRF-Hydro
  • Integration der Dynamik von Landoberflächeneigenschaften durch physikalisch basierte Bodenmessungen und satellitengestützte Informationen in die Regional Earth System Modeling (RESM).
  • Bewertung des gekoppelten atmosphärischen und terrestrischen regionalen Wasserkreislaufs in hoher räumlicher Auflösung für die gesamte Region des südlichen Afrika.
  • Die generierten Simulationsergebnisse dienen als Input für die Bewertung von Erosionsrisiken und zur Abgrenzung von Degradationsszenarien.
WRF-HYDRO setup SA region
WRF-HYDRO setup SA region
Foto: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1029/2018JD029004

WRF-HYDRO für die gesamte südafrikanische Region einrichten. Die Abbildung zeigt die Topographie und die Flüsse des WRF-Hydro Aufbaus:

  • WRF-Domäne zur Auflösung von atmosphärischen und landseitigen Oberflächenprozessen: 500x350 horizontale Gitterpunkte mit einem Rasterabstand von 5 km, 50 vertikale Ebenen bis zu 10hPa,
  • Modellintegrations-Zeitschritt der 30s,
  • Hydro-Subdomäne zur Auflösung des lateralen terrestrischen Wasserflusses: 5000x3500 horizontale Rasterpunkte mit 500m Rasterabstand,
  • Mit diesem Aufbau sollen Interaktionsprozesse zwischen Land und Atmosphäre in den Regionen des südlichen Afrika untersucht werden.
WRF-HYDRO Modellaufbau
WRF-HYDRO Modellaufbau
Foto: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1029/2018JD029004

WRF-Hydro Modellaufbau:

  • 6 Innere Bereiche, die die Studienregionen umfassen. Jede Subdomain besteht aus 150x150 Rasterpunkten in einem Rasterabstand von 1km.
  • Diese Konfiguration wird verwendet, um hochauflösende Niederschlagsdatensätze (5min, 1km) für die Untersuchungsregionen unter der Annahme verschiedener Landnutzungs- und Klimaszenarien zu liefern.
  • Aus dieser Konfiguration werden Degradationsszenarien und Gefahren einer möglichen Erosion abgeleitet.

Aktueller Projektfortschritt TP2: Wechselwirkung Klima-Landoberfläche

SALDi Kick-off Meeting Group 20190311
Das SALDi Kick-off findet vom 11. bis 13.3.2019 in Pretoria am Agricultural Research Council (ARC), Institute for Soil, Climate and Water (ISCW) statt.

Kontakt zum Teilprojektleiter Prof. Dr. H. Kunstmann @ Uni Augsburg

Institut für Geographie, Universität Augsburg