Arbeitsprogramm der AG Jena

 

Arbeitsschritt 1: Umfassende hydrologische System- und Datenanalyse:

Das Ziel dieses Arbeitsschrittes ist die umfassende hydro-meteorologische Analyse von Benchmark Einzugsgebieten in den sechs Detailregionen um die spezifische Prozessdynamik der relevanten hydrologischen Größen (Niederschlag, Verdunstung, Schneedeckenauf- und abbau, Gletscherschmelze, Bodenwasserhaushalt, Grundwasserhaushalt, Permafrostdynamik) zu verstehen und sowohl quantitativ als auch qualitativ zu erfassen. Es ist geplant, dass die bestehenden Instrumentierungen der externen Projektpartner (CAS, ICIMOD, ITP) um Bodenfeuchtemessungen ergänzt werden. Hierzu soll eine oder mehrere Bodenfeuchtemessstationen in jedem der sechs Detailregionen installiert werden. Dieser Punkt kann aber abschließend erst während der Projektlaufzeit vollständig geklärt werden.


Die wichtigsten Teilziele sind: 

i) Die Erstellung einer plausiblen und konsistenten Datengrundlage von hydro-meteorologischen Daten (Niederschlag, Temperatur, relative Feuchte, Windgeschwindigkeit, Strahlung, Abfluss) und  räumlich verteilten Daten (Topographie, Landbedeckung, Boden, Geologie). Diese Daten werden teilweise während des Projektes erhoben, zum Teil liegen sie bereits bei einzelnen Projektpartnern und/oder den externen Partnern (CAS, ITP, ICIMOD) vor.

ii) Die integrierte und umfassende Datenanalyse um die Qualität und Plausibilität der Daten zu evaluieren und bestehende Datenprobleme zu lösen, wie z.B. das Füllen von Datenlücken, Eliminierung und/oder Korrektur offensichtlich fehlerhafter Daten. Anhand der geprüften und korrigierten Datensätze erfolgt dann die hydrologische Klassifizierung der sechs Teilgebiete in Form einer umfassenden hydrologischen Systemanalyse.

iii) Die Identifizierung von relevanten hydrologischen Eigenschaften, die in besonderem Maße auf projizierte Klima- und Landnutzungsänderungen bereits reagieren oder in Zukunft reagieren könnten.   

iv) Installation von Bodenfeuchtemessstationen in jeder der sechs Detailregionen.



Arbeitsschritt 2: Ableitung von hydrologischen Prozessflächen (Hydrological Response Units HRU) als Modellentitäten für die skalenübergreifende hydrologische Modellierung:
Dieser Arbeitsschritt konzentriert sich auf die Implementierung und Anwendung des konzeptionellen Distributionsansatzes der Prozessflächen (Response Units) (Flügel 1996) für die anschließende prozessorientierte hydrologische Modellierung, basierend auf den Ergebnissen der hydrologischen Systemanalyse aus AS1. Die Ausweisung erfolgt für ausgewählte Benchmark Einzugsgebiete in den sechs Detailregionen und für das Einzugsgebiet des Wang Chu in enger Abstimmung mit den Projektpartnern, die Daten und Erkenntnisse aus ihrer Forschung für die prozessorientierte Ableitung beisteuern werden. Für die Ausweisung kommen die von der Arbeitsgruppe entwickelten GIS Werkzeuge zum Einsatz, die eine semi-automatische Erstellung, Generalisierung und Parametrisierung sowie die topologische Verknüpfung zur Nachbildung von lateralen Fließprozessen erlauben.

Die wichtigsten Teilziele  sind:

i) Integration von räumlicher Information aus AS1, eigenen Felduntersuchungen und der der anderen Projektpartner zur prozessorientierten Ausweisung von Response Units als räumliche Grundlage für die distributive Modellierung.

ii) Ausweisung von Hydrological Response Units für die sechs Testgebiete.

iii) Topologische Ableitung der Fließbeziehungen und Verknüpfung der Response Units durch Auswertung topologischer Information.

iv) Parametrisierung der Response Units für die nachfolgende distributive, prozessorientierte Modellierung.



Arbeitsschritt 3: Multiskalige Modellierung in den Testgebieten mit dem Modellsystem JAMS/J2000:
Das Ziel dieses Arbeitsschrittes ist die flächendifferenzierte und zeitlich kontinuierliche Modellierung der hydrologischen Prozessdynamik in den sechs Testgebieten. Dies erfolgt auf der räumlichen Basis der Hydrological Response Units (AS2) mit den hydro-meteorologischen Daten aus AS1. Für eine wissenschaftlich fundierte Abbildung der relevanten/dominanten hydrologischen Prozesse in den Benchmark Einzugsgebieten werden geeignete Modelle problemorientiert zusammengestellt. Dies erfolgt im Modellrahmensystem JAMS unter Zuhilfenahme der hydrologischen Modellbibliotheken (J2000, J2000g, J2000s). Die Modelle werden in den Benchmark Einzugsgebieten anhand der verfügbaren Daten kalibriert und validiert. Hierzu sollen die Erkenntnisse, die von den anderen Projektpartnern erarbeitet werden, integriert und genutzt werden. Die Modelle werden einer umfassenden Sensitivitäts- und Unsicherheitsanalyse unterworfen um mögliche Probleme in der Modellstruktur, den Eingangsdaten sowie den Validierungsdaten erkennen und quantifizieren zu können. Mit den Modellen werden flächendifferenzierte und zeitlich kontinuierliche Informationen über die relevanten hydrologischen Prozessgrößen (aktuelle Verdunstung, Schneedeckenauf- und –abbau, Bodenwasserhaushalt, Grundwasserhaushalt) erzeugt und ausgewertet.

Die wichtigsten Teilziele sind:

i) Identifikation der regionalen Anforderungen und Besonderheiten für die hydrologische Modellierung.

ii) Implementierung und spezifische Anpassung der Modelle für die sechs Benchmark Einzugsgebiete. 

iii) Regionalisierung der erzielten Modellergebnisse und der verwendeten Klimazeitreihen.

iv) Multiskalige Modellparametrisierung, Kalibrierung und Validierung in den Benchmark Einzugsgebieten.

v) Modellanalyse und Modelloptimierung durch umfassende Sensitivitäts- und Unsicherheitsanalyse.

vi) Regionale Analyse und Auswertung der flächendifferenzierten Modellergebnisse.



Arbeitsschritt 4: Erweiterung und Verbesserung von JAMS/J2000 durch verbesserte und/oder angepasste Prozessmodule:
Ziel dieses Arbeitsschrittes ist die Anpassung, Erweiterung und Verbesserung der Modelle entsprechend der spezifischen Notwendigkeiten und Anforderungen, die in AS3 identifiziert wurden, um ein einsatz- und prognosefähiges Modellsystem und darin implementierter Modelle für die Testgebiete zu erhalten. Hier ist es absehbar, dass eine verbesserte Nachbildung von Massenänderungen und Schmelzvorgängen von Gletschern sowie eine Berücksichtigung der Permafrostdynamik auf das hydrologische Geschehen entwickelt werden müssen. Weitere Verbesserungen sind möglicherweise bei der Regionalisierung und Korrektur der Eingangsdaten notwendig um spezifische Hochgebirgseinflüsse besser abbilden zu können. Die Modulentwicklung und Modulverbesserung erfolgt in enger Abstimmung mit allen Projektpartnern, die ihre jeweilige Expertise und ihre spezifischen Anforderungen in die Entwicklung einfließen lassen.

Die wichtigsten Teilziele sind:

i) Gezielte Verbesserung bestehender Prozessmodule und/oder Entwicklung und Implementierung neuer Modellbausteine 

ii) Verbesserte Modellierung mit dem erweiterten Modellsystem auf Basis der Modellierung von AS3.

iii) Projektspezifisch angepasstes, überprüftes, finales hydrologisches Modellsystem als Bestandteil des iMoMoS-WET Gesamtsystem.



Arbeitsschritt 5: Integration des hydrologischen Modellsystems in das Gesamtsystem iMoMoS-WET:
Es wird in enger Kooperation mit allen am Verbundprojekt beteiligten Arbeitsgruppen am Gesamtsystem iMoMoS-WET gearbeitet. Jede der AGs trägt mit spezifischem Wissen, Daten, Methoden und Werkzeugen zum Gesamtsystem bei. Für die technische Umsetzung wird das von der beantragenden Arbeitsgruppe entwickelte modulare Modellrahmenwerkzeug JAMS als Trägerplattform eingesetzt. Hierbei wird diese Arbeitsgruppe inhaltliche und technische Unterstützung für die anderen beteiligten Gruppen anbieten und die Umsetzung der jeweiligen Projektergebnisse unterstützen. Das Gesamtsystem soll dann ein weiteres Mal auf die sechs Benchmark Einzugsgebiete und das Einzugsgebiet des Wang Chu angewendet werden.

Die wichtigsten Teilziele sind:

i) Integration des hydrologischen Modells in das  iMoMoS-WET Gesamtsystem basierend auf JAMS.

ii) Hilfestellung und Unterstützung der Projektpartner bei der Umsetzung und Integration ihrer Daten, Methoden und Modelle.

iii) Anwendung von iMoMoS-Wet auf das Einzugsgebiet des Wang Chu und die sechs Benchmark Einzugsgebiete.



Arbeitsschritt 6: Kapazitätsentwicklung, Schulung und Verwertung:
Das Hauptziel von AS6 ist die Weitergabe und die Kapazitätsentwicklung bei den beteiligten Partnerinstitutionen. Hierzu soll das entwickelte Instrumentarium iMoMoS-WET bei den Partnerinstitutionen implementiert und die Mitarbeiter entsprechend geschult werden. Dies soll durch Gastaufenthalte und Trainingseinheiten erfolgen.

Die wichtigsten Teilziele sind:

i) Mitarbeit bei der Implementierung von iMoMoS-Wet bei den Partnerinstitutionen

ii) Kapazitätsentwicklung durch Schulungen und Training vor Ort

iii) Austausch von PhD Studenten zwischen Projektpartnern und Partnerinstitutionen


iv) Ergebnisverwertung durch gemeinsame hochwertige Publikationen und Präsentationen auf internationalen Konferenzen.