TY - THES T1 - Measuring and modelling of soil water dynamics in two German landscapes A1 - Poltoradnev,Maksim Y1 - 2018/05/29 N2 - Der Bodenwasserhaushalt steht im Fokus verschiedener Disziplinen, wie zum Beispiel den Agrarwissenschaften, der Hydrologie, der Wettervorhersage und der Klimamodellierung. Als ein inhärenter Teil von Landoberflächenaustauschprozessen wird die Dynamik des Bodenwassergehalts (SWC) in verteilten hydrologischen Modellen und Landoberflächenmodellen (LSM) simuliert. Die Genauigkeit der simulierten Bodenwassergehalte beeinflusst direkt die Qualität des Simulationsergebnisses. Systematische Fehler in der modellierten zeitlichen Dynamik des SWC und seiner räumlichen Verteilung führen zu Fehlern in der Evapotranspirations-, Abfluss-, Wolken- und Niederschlagssimulation. Das Hauptziel meiner Dissertation war es, die Faktoren zu untersuchen, die die zeitliche Dynamik und die räumliche Variabilität des SWC kontrollieren. Die Basis hierfür lieferten Langzeitmessungen aus den Bodenwassermessnetzen Kraichgau (KR) und Schwäbische Alb (SA). Der SWC wurde auf der Grundlage der TDT-Technik (Time Domain Transmission) gemessen. In jeder Region wurden 21 Messstellen über drei räumliche Domänen verteilt: eine innere Domäne 3 km × 3 km (5 Stationen), eine mittlere 9 km × 9 km (8 Stationen) und eine äußere Domäne 27 km × 27 km (8 Stationen). Die Größen der drei Domänen entsprechen typischen Rastergrößen von gekoppelten Atmosphären-LSM Modellen. Alle Messstationen wurden auf ackerbaulich genutzten Standorten installiert. Jede Messstation war mit einem Aquaflex TDT-Sensor ausgestattet, der in 15 cm Tiefe installiert wurde, einen Regenmesser und eine Datenfernübertragungseinheit. Nach der Installation der Sensornetzwerke wurden in-situ-Feldkalibrierungen durchgeführt, um Pedotransfer- und standortspezifische Kalibrierungen für die TDT Bodenfeuchtesensoren abzuleiten. Die chemische und physikalische Analyse der Bodenproben, die an jeder Station entnommen wurden, zeigte, dass in beiden Regionen die Lagerungsdichte das TDT-Messsignal beeinflusst. Darüber hinaus beinhalteten die Pedotransferkalibrierungen die elektrische Leitfähigkeit im KR und die Schluff-Fraktion und den organischen Stickstoffgehalt auf der SA. Diese Variablen sind relativ einfach zu messen. Damit stellen die Pedotransferkalibrierungen, die im Rahmen dieser Arbeit abgeleitet wurden, eine schnelle Möglichkeit dar, TDT-Sensoren in Gebieten zu kalibrieren, die ähnliche Bodeneigenschaften aufweisen wie im KR und SA. Allerdings erzielten die standortspezifischen Kalibrierungen die besseren Ergebnisse und wurden aus diesem Grund in der weiteren Datenanalyse verwendet. In der zweiten Studie wurden dreijährige Bodenwassergehalts- und Niederschlagsdaten ausgewertet. Die Reaktion des regionalen mittleren Bodenwassergehalts (theta) auf Niederschlagsereignisse wurde durch die saisonale Wasserbilanz (SWB) beeinflusst. Die Beziehung war im KR ausgeprägter für positive SWB und weniger stark für neutrale und negative SWB. Auf der SA, wo die SWB in allen drei Jahren positiv war, war die Reaktion von theta auf Niederschlagsereignisse immer deutlich ausgeprägt. Auf der saisonalen Skala wurde die Beziehung zwischen der regionalen Standardabweichung des Bodenwassergehalts (sigma) und theta über sigma-theta Phasenraumdiagramme untersucht. Es wurde beobachtet, dass bei abnehmendem Wassergehalt die sigma-theta Datenpunkte sich dem sigma beim permanenten Welkepunkt (sigma-thetawp) nähern. Bei steigenden Wassergehalten hingegen bewegen sich die sigma-theta Datenpunkte in Richtung der sigma bei Sättigung (sigma-thetas). Diese beiden charakteristischen Punkte wurden als Ankerpunkte definiert. Die sigma-theta Beziehungen bildeten Kombinationen aus konkaven und konvexen Hyperbeln und spiegelten damit die Variabilität der Bodentextur wider und waren abhängig von sigma in Relation zu den Ankerpunkten. Auf der Ereignisskala zeigten die sigma-theta Beziehungen Hysterese. Die meisten hysteretischen sigma-theta Beziehungen verliefen im Uhrzeigersinn und traten im intermediären sowie intermediären/nassen Bodenwassserzustand auf. Als Faktoren, die hystererische sigma-theta Verläufe auslösen, wurden Niederschlagsereignisse mit räumlich stark variabler Intensität (die Schwelle der Niederschlagsintensität war 1.1 ± 0.6 für KR und 2.9 ± 2.8 für SA), präferentieller Fluss und hysteretische Bodenwasserretentionskurven identifiziert. Basierend auf den Ergebnissen wurde die folgende Hypothese aufgestellt: sigma-theta Phasendiagramme sind nützlich, um zu testen, ob hydrologische Modelle oder LSMs die räumliche Variabilität der Bodenfeuchte realistisch widergeben. Das Konzept wurde für das Noah-MP LSM getestet. Messungen aus dem KR und der SA aus den Jahren 2010 bis 2012 wurden zum Erstellen der sigma-theta Phasenraumdiagramme verwendet. Im Rahmen der Studie wurden zwei Ansätze zur Berechnung der hydraulischen Leitfähigkeit und Diffusivität getestet: 1) der Standardansatz: die Clapp und Hornberger Funktionen und 2) die van Genuchten-Mualem-Funktionen. Die standardmäßige Modellparametrisierung wurde schrittweise durch stationsspezifische Niederschlags-, Bodentextur, und Blattflächenindexdaten sowie den grünen Vegetationsanteil (GFV) substituiert. Der atmosphärische Antrieb erfolgte über meteorologischen Daten von Eddy-Kovarianz-Stationen, die sich in den Regionen befanden. Obwohl das Modell gut die beobachtete zeitliche Dynamik von theta in den Lössböden des KRs trifft, zeigte das Modell im Fall der flachgründigen, tonigen und steinigen Böden der SA Schwächen. Die beste Übereinstimmung wurde mit der van Genuchten-Mualem-Funktion und standortsspezifischen Niederschlags-, Bodentextur-, GVF- und LAI-Daten erreicht. Allerdings konnte Noah-MP LSM die räumlichen Variabilität des Bodenwassergehalts nur ungenügend darstellen. In den meisten Fällen befanden sich die simulierten sima-theta Datenpunkte unterhalb des sigma-theta Phasendiagramms, was darauf hinweist, dass das Modell die räumliche Variabilität der Bodenfeuchte glättet. Dieses Glätten der räumlichen Variabilität ist vor allem auf die fehlende Topographie- und Geländeinformation, die unzureichende Darstellung der räumlichen Variabilität von Bodentextur und hydraulischen Parametern, sowie der Modellannahme einer uniformen Wurzelverteilung zurückzuführen. KW - Bodenwasser KW - Modellierung CY - Hohenheim PB - Kommunikations-, Informations- und Medienzentrum der Universität Hohenheim AD - Garbenstr. 15, 70593 Stuttgart UR - http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2018/1475 ER -