Ein neues satellitengestütztes Evapotranspirationsprodukt deckt Muster des Wasserverbrauchs im Ganges-Einzugsgebiet auf, die mit herkömmlichen Ansätzen möglicherweise übersehen werden. Durch die Kombination von Niederschlag, Abfluss und terrestrischer Wasserspeicherung, wie sie von GRACE/-FO beobachtet werden, erfasst die Methode den Einfluss der aus Grundwasser gespeisten Bewässerung auf die Evapotranspiration.
Shubham Goswami, Chirag Rajendra Ternikar und Bramha Dutt Vishwakarma,
alle Indian Institute of Science, Bangalore, Indien
Messung der Evapotranspiration in einem intensiv bewässerten Einzugsgebiet
Die Evapotranspiration (ET) – der kombinierte Wasserverlust durch Verdunstung und Pflanzentranspiration – ist ein wesentlicher Bestandteil des terrestrischen WasserkreislaufDer Wasserkreislauf beschreibt den Transport von Wasser aus den Meeren, durch die Atmosphäre, auf das Festland und von dort wieder zurück in die Meere. Das Wasser wechselt bei dieser Reise mehrfach seine Aggregatzustände, d.h. es bewegt sich als f...s. Die Abschätzung der ET stellt jedoch nach wie vor eine Herausforderung dar, insbesondere in Regionen, in denen der Wasserverbrauch des Menschen die natürlichen hydrologischen Prozesse stark beeinflusst.
Für die ET sind drei Grundvoraussetzungen erforderlich: ausreichende Energie, verfügbares Wasser und eine Atmosphäre, die zusätzliche Feuchtigkeit aufnehmen kann (Abbildung 1). Viele satellitengestützte ET-Produkte schätzen diese Bedingungen anhand von Vegetationsindizes, Landoberflächentemperaturen und meteorologischen Beobachtungen. In intensiv bewässerten Regionen spiegelt die Vegetationsentwicklung jedoch nicht unbedingt wider, wie viel Wasser an der Oberfläche verfügbar ist. So kann beispielsweise die Grundwasserentnahme auch in Trockenperioden große Mengen an Wasser bereitstellen.
Verwendung von GRACE zur Schließung der Wasserbilanz
Goswami et al. (2024) entwickelten ein globales ET-Produkt mit einem neuen Ansatz, der die terrestrische Wasserbilanz nutzt:
ET = Niederschlag − Abfluss − Veränderung der Wasserspeicherung.
Die Methode kombiniert satellitengestützte Niederschlags- und Abflussdaten mit Veränderungen der terrestrischen Wasserspeicherung (TWS), wie sie von den GRACE-Satellitenmissionen beobachtet wurden. Mithilfe eines Kalman-Filters wurden 96 Kombinationen von Eingabedatensätzen zu einer einzigen ET-Schätzung (KF-ET) zusammengefasst. Das Ergebnis wurde anschließend anhand von Eddy-Kovarianz-Beobachtungen, Simulationen hydrologischer Modelle und bereits vorhandenen ET-Produkten bewertet.
Die Einbeziehung der aus GRACE abgeleiteten Speicherveränderungen ist besonders nützlich, da GRACE Veränderungen der gesamten Wassermenge erfasst, die oberhalb und unterhalb der Landoberfläche gespeichert ist, einschließlich des Grundwassers. Dies bietet die Möglichkeit, Dynamiken des Wasserverbrauchs zu erfassen, die allein anhand der Vegetation oder der Oberflächenbedingungen möglicherweise schwer zu erkennen sind.
Der Wasserverbrauch für Bewässerungszwecke im Gangesbecken im Überblick
Im Gangesbecken leben fast 500 Millionen Menschen, und dort befinden sich einige der weltweit am intensivsten bewässerten landwirtschaftlichen Gebiete. Das Grundwasser spielt eine wichtige Rolle für die Landwirtschaft, unter anderem für die weit verbreitete Bewässerung von Reisfeldern.
Das auf GRACE basierende ET-Produkt zeigt ein interessantes Merkmal in Monaten, die nicht durch starke, mit dem Monsun verbundene Niederschläge gekennzeichnet sind: Die ET bleibt hoch und weist im Juni trotz geringer Niederschläge und relativ spärlicher Vegetation einen ausgeprägten Höchstwert auf (Abbildung 2). Dies fällt mit dem Beginn der Bewässerung aus Grundwasser zusammen, wenn die Felder zur Vorbereitung des Reisanbaus geflutet werden.
Auch die atmosphärischen Bedingungen im Juni begünstigen die Verdunstung. Die Nettostrahlung ist relativ hoch und die Luftfeuchtigkeit niedriger als in den folgenden Monsunmonaten. Die Bewässerung liefert somit das notwendige Wasser zu einem Zeitpunkt, zu dem auch ausreichend Energie und ein entsprechender atmosphärischer Bedarf vorhanden sind. Dieser ET-Höhepunkt im Juni wird vom GRACE-basierten KF-ET-Produkt deutlich erfasst, von mehreren Produkten, die stärker von der Vegetationsdynamik abhängen, jedoch vollständig übersehen.
Vom Wasserspeicher zum Wasserverbrauch
Diese Ergebnisse verdeutlichen eine wichtige Anwendungsmöglichkeit der SatellitengravimetrieVerfahren zur Vermessung des Erdschwerefeldes mittels Satelliten. In den vergangenen 20 Jahren wurden verschiedene moderne Varianten realisiert: (1) Laufzeitmessungen zwischen hochfliegenden GPS-Satelliten und einem tieffliegenden Satelliten (high-lo.... GRACE beobachtet weder die Evapotranspiration noch die Grundwasserentnahme direkt. Stattdessen misst es Veränderungen im GravitationGravitation bezeichnet man auch als Schwerkraft oder Massenanziehungskraft. Gravitation ist die Kraft, die zwei oder mehrere Körper aufgrund ihrer Masse aufeinander ausüben. Die bekannteste Gravitationskraft ist die Erdanziehungskraft. Sie bewirkt,...sfeld der Erde, die durch Veränderungen im Wasserspeicher verursacht werden. Werden diese Beobachtungen in die Wasserbilanzgleichung einbezogen, liefern sie Informationen darüber, wie Veränderungen im Wasserspeicher mit dem Wasserverbrauch zusammenhängen.
Dies ist besonders relevant im Gangesbecken, wo Grundwasser sowohl den Flusslauf aufrechterhalten als auch Bewässerungswasser liefern kann, das anschließend durch Evapotranspiration wieder in die Atmosphäre zurückkehrt. Unabhängige isotopenbasierte Beobachtungen unterstreichen ebenfalls diese starke Wechselwirkung zwischen Grundwasser, Flusslauf und Verdunstung im Becken.
Das derzeitige ET-Produkt weist Einschränkungen auf, insbesondere hinsichtlich seiner monatlichen zeitlichen Auflösung und seiner relativ groben räumlichen Auflösung. Zukünftige SatellitengravimetrieVerfahren zur Vermessung des Erdschwerefeldes mittels Satelliten. In den vergangenen 20 Jahren wurden verschiedene moderne Varianten realisiert: (1) Laufzeitmessungen zwischen hochfliegenden GPS-Satelliten und einem tieffliegenden Satelliten (high-lo...-Missionen wie NGGM/MAGIC der ESA (Start geplant für 2032) werden dazu beitragen, die Beobachtung von Veränderungen der Wasserspeicherung zu verbessern, während die Kombination von Wasser- und Energiebilanzansätzen detailliertere ET-Schätzungen liefern könnte.
Doch bereits jetzt zeigt die Studie, wie GRACE-Beobachtungen dazu beitragen können, menschliche Einflüsse auf den WasserkreislaufDer Wasserkreislauf beschreibt den Transport von Wasser aus den Meeren, durch die Atmosphäre, auf das Festland und von dort wieder zurück in die Meere. Das Wasser wechselt bei dieser Reise mehrfach seine Aggregatzustände, d.h. es bewegt sich als f... aufzudecken, die allein anhand von Oberflächenbeobachtungen nur schwer zu erkennen sind. In stark bewässerten Einzugsgebieten wie dem Ganges können Veränderungen der Wasserspeicherung wichtige Einblicke darüber liefern, wann und wie Grundwasser genutzt wird.
Literaturhinweise
- Goswami, S. et al. (2024). Water budget-based evapotranspiration product captures natural and human-caused variability. Environmental Research Letters, 19, 094034.
- Joseph, J. et al. (2022). Is flood to drip irrigation a solution to groundwater depletion in the Indo-Gangetic plain? Environmental Research Letters, 17(10), 104002.
- Laskar, A.H. et al. (2025). Hydrological Dynamics in Giant Tropical Rivers: A Case Study of the Ganga River. Hydrological Processes, 39(7), e70187.
- Fisher, J.B. et al. (2017). The future of evapotranspiration: Global requirements for ecosystem functioning, carbon and climate feedbacks, agricultural management, and water resources. Water Resources Research, 53(4), 2618–2626.
- Daras, I. et al. (2024). Mass-change And Geosciences International Constellation (MAGIC) expected impact on science and applications. Geophysical Journal International, 236(3), 1288–1308.