Mesoskalige Bodenwasserhaushaltsmodellierung mit Nutzung von Grundwassermessungen und satellitenbasierten Bodenfeuchtedaten

Thematisch siedelt sich die vorliegende Dissertation zwischen hydrologischer Forschung und Praxis an. In einem neu entwickelten Bodenmodell werden physikalische Zusammenhänge mit einer innovativen Struktur und Parametrisierung verbunden. Moderne Schnittstellen zur Kalibrierung werden nutzbar gemacht und mit einer Optimierungsstrategie verknüpft. Die sehr ökonomische Rechenzeit macht die Methode für weite Felder der hydrologischen Praxis nutzbar. Der wesentliche Aspekt der Dissertation liegt auf der Entwicklung des Bodenmodells DYVESOM (DYnamic VEgetation SOil Model), welches eine Hauptkomponente des hydrologischen Modellsystems PANTA RHEI bildet. DYVESOM ermöglicht die Bereitstellung der notwendigen Schnittstellen zur Kalibrierung am Abfluss, an der satellitenbasierten Bodenfeuchte und am Grundwasserstand. Der Einsatz von verschiedenen Systemgrößen soll zur Plausibilisierung der durch die Kalibrierung resultierenden Parameter beitragen. Durch die multi-variable Betrachtung des Systems entsteht der Bedarf an automatischen Optimierungsverfahren. Ein wichtiger Aspekt liegt in der Anwendbarkeit des verwendeten Optimierungsalgorithmus im Rahmen der praxisbezogenen hydrologischen Arbeit. Die Bearbeitung der Dissertation lässt sich in die folgenden Punkte untergliedern: - Entwicklung eines physikalisch orientierten Bodenwasserhaushaltsmodells, welches für Anwendungen in der Meso- und Makroskala ausgelegt ist. - Berücksichtigung einer differenzierten Rückkopplung der Vegetationsentwicklung auf den Bodenwasserhaushalt (Szenarienfähigkeit). - Abstrahierung der vom Modell räumlich nicht aufgelösten Heterogenität der Bodeneigenschaften (Subgrid-Variabilität). - Implementierung des Bodenwasserhaushaltsmodells in das hydrologische Modellsystem PANTA RHEI in der Programmiersprache C++. - Lexikografisches Vorgehen zur Modellkalibrierung mit einem lokalen Optimierungsverfahren (Downhill-Simplex). - Vergleichsweise durchgeführte Modellkalibrierung mit einem globalen Optimierungsverfahren (SCE-UA). Aus den Kalibrierungen mit PANTA RHEI unter Nutzung von DYVESOM über den Zeitraum von 2001-2011 im Stundenzeitschritt mit tagesbasierten meteorologischen Eingangsdaten wird gefolgert: - Der Gebietsabfluss lässt sich sehr gut an die Beobachtung anpassen. - Es gelingt eine verbesserte Anpassung an den Abfluss im Vergleich zu Kalibrierungen ohne die Berücksichtigung der Bodenfeuchte und des Grundwasserstandes. - Interne Systemgrößen werden von DYVESOM plausibel wiedergegeben.