dc.description.abstract
Die Kenntnis der Faktoren, die die räumliche und zeitliche Variabilität der Wasserhaushaltskomponenten auf regionaler Ebene bestimmen, ist für die Lösung einer Reihe praktischer Probleme in Gesellschaft, Management und Planung von wesentlicher Bedeutung. Eine Möglichkeit, unser Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Abflussentstehungsprozessen und Einzugsgebietsreaktionen zu verbessern, besteht darin, neue Modellierungsmethoden und Datensätze zu untersuchen und zu bewerten, die den laufenden Fortschritt bei der Erdbeobachtung widerspiegeln. Die neuesten Satellitendatensätze der Schneedecke und Bodenfeuchte haben eine feinere räumliche und zeitliche Auflösung, enthalten eine verbesserte Vegetationsparameterisierung der Bodenfeuchte und ermöglichen eine flexiblere Kartierung der Schneedecke.Das Hauptziel dieser Arbeit ist es zu untersuchen, ob und in welcher Weise die neuesten Satellitenprodukte der Schneedecke (MODIS) und der Bodenfeuchtigkeit (ASCAT) die Kartierung und Simulation von Wasserhaushaltskomponenten auf regionaler Ebene und die Prognose von Schneedecke, Bodenfeuchte und Abfluss in Gebieten ohne Messungen verbessern. Die Arbeit soll das Verständnis der räumlichen und zeitlichen Variabilität geeigneter Grenzwerte der Reflexion für die Kartierung der Schneedecke verbessern und untersuchen, inwieweit die kombinierte Verwendung von Satellitenprodukten die Kalibrierung und Validierung konzeptioneller hydrologischer Modelle und die Vorhersage von Abflussganglinien in unbeobachteten Gebieten verbessert.Die Arbeit ist in fünf Kapitel gegliedert. Kapitel 1 stellt die Hauptziele der Arbeit und den Forschungskontext der folgenden Kapitel vor. In Kapitel 2 wird untersucht, ob und wie die neuen MODIS-Datensätze die Kartierung der Schneedecke auf regionaler Ebene verbessern. In früheren Versionen von MODIS-Schneedeckenprodukten wurde Schnee anhand global festgelegter Grenzwerte der Reflexion (NDSI, Normalized Difference Snow Index) klassifiziert. Kapitel 2 untersucht die Empfindlichkeit und Genauigkeit variierender NDSI-Grenzwerte und vergleicht die Ergebnisse der Schneedeckenkartierung mit einer früheren Klassifizierung auf der Grundlage eines festen NDSI-Grenzwertes (NDSI = 0,4). Die Genauigkeit wird für tägliche Schneedeckenprodukte von Aqua (MYD10A1) und Terra (MOD10A1) anhand täglicher Schneehöhenbeobachtungen an 665 Klimastationen in Österreich in den Jahren 2002 bis 2014 getestet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Genauigkeit des neuen Kartierungsansatzes in Österreich größer als 97% ist (97,4% für Terra und 97,6% für Aqua). Die neuen optimierten Schwellenwerte variieren saisonal, nehmen mit zunehmender Höhe ab und sind in bewaldeten Gebieten niedriger als in unbewaldeten Gebieten. Die Ergebnisse zeigen, dass die optimierten NDSI-Grenzwerte die regionale Schneedeckenkartierung in Waldgebieten über 900 m ü.M. in den Monaten Januar bis März um 3-10% verbessern.Kapitel 3 untersucht das Potenzial neuer Satellitendatensätze der Schneedecke (MODIS) und der Bodenfeuchtigkeit (S1ASCAT) für die Kalibrierung unter Mehrfachzielsetzung eines konzeptionellen hydrologischen Modells. Die Analyse wird in 213 Einzugsgebieten in Österreich für den Zeitraum 2000–2014 durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die kombinierte Verwendung von Schneebedeckung und Bodenfeuchtigkeit die hydrologischen Modellsimulationen von Bodenfeuchtigkeit und Schnee in etwa gleichem Maße verbessert undeine höhere Genauigkeit erzielt als solche Simulationen, die auf der herkömmlichen Kalibrierung ausschließlich am Abfluss basieren. Die Verbesserung der Genauigkeit der Abfluss- und Bodenfeuchtemodellierung ist in niedrigen und landwirtschaftlich genutzten Einzugsgebieten größer als in alpinen Einzugsgebieten. Die Ergebnisse zeigen, dass die mittlere Korrelation der Bodenfeuchte zwischen den Ergebnissen des hydrologischen Modells und dem ASCAT-Bodenwasserindex 0,4 bis 0,52 beträgt (abhängig von der Kalibrierungsvariante), was signifikant größer ist als der Median von 0,26, der in früheren Studien unter Verwendung der gröberen ERS-Scatterometerdaten gefunden wurde. Dies spiegelt Verbesserungen sowohl in den Instrumentenspezifikationen (d.h. eine bessere zeitliche und räumliche Auflösung, eine höhere radiometrische Genauigkeit) und im den Analysealgorithmus wider.In Kapitel 4 wird untersucht, ob und in welcher Weise sich die räumliche Übertragung der in Kapitel 3 kalibrierten Modellparameter auf die Berechnung von Abflussganglinien, Bodenfeuchtigkeit und Schneebedeckung in unbeobachteten Einzugsgebieten auswirkt. Für die Übertragung der Modellparameter werden acht Regionalisierungsmethoden (globale und lokale Varianten des arithmetischen Mittelwerts, der Regression, der räumlichen Nähe und der Ähnlichkeit) in zwei Zeiträumen untersucht, d.h. im Kalibrierungszeitraum (2000-2010) und in einem unabhängigen Validierungszeitraum (2010-2014). Die Vorhersagegenauigkeit wird durch Kreuzvalidierung bewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Methode, mit der das Modell im Einzugsgebiet mit Pegelmessungen kalibriert wird, einen größeren Einfluss auf die Genauigkeit der Abflussberechnung in den unbeobachteten Einzugsgebieten hat als die Wahl der Parameterübertragungsmethode. Die besten Übertragungsmethoden sind globale und lokale Ähnlichkeit und der Kriging-Ansatz. In den Tieflandeinzugsgebieten liegt der Median der Bodenfeuchtigkeitskorrelation für diese Methoden zwischen 0,62 und 0,70. Ein Vergleich der Übertragungsmethoden basierend auf Modellparametern, die an Abfluss, Schneebedeckung und Bodenfeuchtigkeit kalibriert sind, mit denen, die auf Parametern basieren, die nur am Abfluss kalibriert sind, zeigt, dass die Qualität der Abflusssimulationen ähnlich ist, die Simulation der Bodenfeuchtigkeit und der Schneedecke jedoch weiter verbessert wird, wenn eine Mehrfachzielsetzung bei der Parameterkalibrierung zum Einsatz kommt.Fernerkundungsprodukte werden seit Jahrzehnten in der hydrologischen Forschung eingesetzt und ihre Genauigkeit verbessert sich kontinuierlich. Die Ergebnisse dieser Arbeit unterstreichen die Bedeutung von Satelliten-Bodenfeuchtigkeits- und Schneedeckendaten für hydrologische Anwendungen. Die Verwendung von Fernerkundungsdaten bei der Kalibrierung der Parameter hydrologischer Modelle ist im Allgemeinen von großem Wert. Die Verbesserung der Simulationen von Schnee, Bodenfeuchtigkeit und Abfluss in Einzugsgebieten ohne Messungen ist signifikant. Ihre Verwendung ist daher ein wichtiger Beitrag zum Disastermanagement, zur Bewirtschaftung der Wasserressourcen und zur Optimierung der Wasserkraftnutzung.
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