Grundwasser, Landoberfläche und Atmosphäre sind durch komplexe Prozesse und Wechselwirkungen miteinander verbunden. Bei der Simulation terrestrischer Daten wie Grundwasserspiegel, Bodenwassergehalt oder Temperatur ist es daher wichtig, dass das Zusammenspiel der einzelnen Komponenten in den Berechnungen berücksichtigt wird. Eine solche integrierte Simulation bedarf jedoch enormer Rechenleistung, um tagesaktuelle Ergebnisse zur Verfügung stellen zu können. Nur Supercomputer ermöglichen die Simulation der komplexen Wechselwirkungen innerhalb terrestrischer Systeme in sehr kurzer Zeit.
Diesen Ansatz verfolgt auch die Forschungsinitiative „High-Performance Scientific Computing in Terrestrial Systems“ (HPSC-TerrSys), die 2011 unter dem Dach des Geoverbundes ABC/J gegründet wurde. Die beteiligten Wissenschaftler entwickeln Modelle für die Simulation des terrestrischen Geo-Ökosystems und berücksichtigen dabei die Interaktionen der Wasser-, Energie- und Stoffflüsse vom Grundwasser bis in die Atmosphäre. Dieser ganzheitliche Ansatz fehlt bei den meisten vergleichbaren Simulationen. Die Modelle der Forscher erlauben neben der Berechnung typischer Atmosphärendaten wie Lufttemperatur oder Niederschlag erstmalig Prognosen zu gekoppelten Wasserkreislaufprozessen im Boden. So werden zum Beispiel das „pflanzenverfügbare Wasser“ oder die Änderung des „Gesamtwasserspeichers im Untergrund“ berechnet.
Videos auf YouTube
Die HPSC-TerrSys Wissenschaftler optimieren ihre Modelle kontinuierlich. Die aktuellen Simulationen sollen helfen, die Wechselwirkungen zwischen den Systemen besser zu verstehen und damit genauere Prognosen des terrestrischen Systems zu ermöglichen. Als Video auf YouTube haben sie aber bereits jetzt einen praktischen Nutzen: Simulationen, die sich auf die Wasserflüsse im Boden konzentrieren, geben an, wie sich der Grundwasserstand ändert und wie viel Wasser im Untergrund gespeichert ist. Während solche experimentellen Informationen beispielsweise für Wasserversorger von Interesse sind, sind die Simulationen des sogenannten „pflanzenverfügbaren Wassers“ etwa für Landwirte von Bedeutung. Darüber hinaus finden Interessierte auch Hinweise auf Temperaturen und Niederschläge vom nächsten Tag auf dem HPSC-TerrSys YouTube-Kanal.
Ihre experimentellen terrestrischen Simulationen führen die Forscher anhand von aktuellen Daten des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersage und des Deutschen Wetterdienstes für Europa und Nordrhein-Westfalen durch. Gerechnet werden sie auf den Jülicher Supercomputern JUQUEEN und JURECA. Die Videos zeigen jeweils Simulationen für 72 und 24 Stunden. Sie werden täglich aktualisiert und am frühen Morgen auf YouTube hochgeladen.
HPSC-TerrSys terrestrische Simulationen für NRW und Europa
Temperatur
Niederschlag
Verdunstung und Transpiration der Vegetation
Abstand des Grundwassers von der Oberfläche
Wasser im Untergrund
Pflanzenverfügbares Wasser
Fühlbare Wärme
Woken und Windrichtung
Windgeschwindigkeit
Lufttemperatur bei einem Druck von 500hPa
Hoch- und Tiefdruckgebiete
2m Temperatur (2m air temperature)
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Dieses Video zeigt die berechnete Lufttemperatur (in °C) in 2 Metern Höhe, wie sie in der Meteorologie typischerweise gemessen wird (unterhalb dieser Höhe herrschen unter Umständen sehr stark bodenbeeinflusste meteorologische Zustände). Bereiche mit blauer Farbe deuten auf kältere Temperaturen hin. Rote Bereiche stehen für wärmere Temperaturen.
Bei der Europa-Version sind auf der linken Seite für den Bereich Jülich weitere Daten über Niederschlag, Windgeschwindigkeit und Luftfeuchtigkeit angegeben. (Video für Europa)
Aufgefangener Niederschlag (precipitation)
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Dieses Video zeigt die berechnete Menge an Niederschlag am Boden an (in Millimeter je Stunde für NRW bzw. in Litern je Quadratmeter für Europa) nach Abzug des Wassers, das durch die Vegetation, wie etwa Bäume, zurückgehalten wird. Unterschieden wird zwischen Schnee (rot) und Regen (blau). Je intensiver die Farben erscheinen, desto mehr Niederschlag wird erwartet. Bei der Europa-Grafik sind die Metropolen Berlin, Moskau, Paris, Mailand und Rom separat aufgeführt und ist die Wolkenbedeckung in Grau dargestellt. (Video für Europa)
Verdunstung und Transpiration der Vegetation (terrestrial evapotranspiration)
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Dieses Video zeigt Berechnungen der sogenannten Evapotranspiration (in Millimetern). Diese setzt sich aus der Verdunstung und der Transpiration der Vegetation zusammen. Je mehr blaue Abschnitte auf der Karte zu sehen sind, desto mehr Feuchtigkeit geben Pflanzen und Boden ab. (Video für Europa)
Abstand des Grundwassers von der Oberfläche (water table depth change)
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Dieses Video zeigt die Berechnungen, wie sich der Grundwasserspiegel verändert – konkreter gesagt, wie sich der Abstand vom Grundwasser zur Landoberfläche verändert (in Millimeter). Negative Werte (blau) bedeuten eine Verringerung dieses sogenannten Flurabstandes, also einen Anstieg des Grundwasserspiegels. (Video für Europa)
Wasser im Untergrund (water column storage change)
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Dieses Video zeigt die Änderung des gesamten Wassers, das im Untergrund und auf der Landoberfläche gespeichert ist. Die Berechnungen dieses sogenannten Wassersäulen-Speichers werden in Millimeter angegeben. Blau bedeutet eine Zunahme des Wasserspeichers, rot eine Abnahme. (Video für Europa)
Pflanzenverfügbares Wasser (Plant available soil water change)
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Dieses Video zeigt, wie sich die Menge an Wasser ändert, das so im Boden gespeichert ist, dass es Pflanzen zur Verfügung steht. Die Berechnungen werden in Millimetern angegeben. Je mehr blaue Bereiche auf der Grafik zu sehen ist, desto mehr Wasser steht den Pflanzen zur Verfügung. (Video für Europa)
Fühlbare Wärme (sensible heat flux)
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Dieses Video zeigt die Berechnungen für die fühlbare Wärme, die von der Erdoberfläche in die Atmosphäre abgegeben wird. Je mehr rote Bereiche auf der Grafik zu sehen sind, desto höher liegt auch die berechnete Energieabgabe. (Video für Europa)
Wolken und Windrichtung (Cloud cover & wind barbs)
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Dieses Video zeigt die berechnete Wolkenbedeckung in Prozent sowie die Windrichtung (rote Pfeile).
Windgeschwindigkeit (Wind speed)
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Dieses Video zeigt die Windgeschwindigkeit über Europa (in Metern pro Sekunde). Rote Bereiche deuten auf hohe Windgeschwindigkeiten hin, in tiefblauen Bereichen ist es fast windstill.
Lufttemperatur bei einem Druck von 500hPa (500hPa air temperatur & 500hPa geopotential)
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In diesem Video zeigen Farben die Temperatur bei einem Luftdruck von 500 Hektopascal an (in ca. 5.5 bis 6 km Höhe). Rote Bereiche deuten auf eine Temperatur von 0 Grad Celsius hin. Je mehr sich die Farbskala in Richtung blau bewegt, desto tiefer sinken die Temperaturen.
Hoch- und Tiefdruckgebiete (500hPa geopotential & sea level pressure)
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In diesem Video geben Farben Hinweise auf Druckunterschiede über Europa. Rote Bereiche deuten auf ein Absinken der Luft und damit auf Hochdruckgebiet hin. Je mehr sich die Farbskala der Farbe blau nähert, desto mehr sinkt der Luftdruck hin zu einem Tiefdruckgebiet.
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