Aus dem Weltraum den Pegel von Flüssen bestimmen

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29.01.2019 15:19

Aus dem Weltraum den Pegel von Flüssen bestimmen

Dr. Ulrich Marsch Corporate Communications Center
Technische Universität München

    Der Mekong gilt mit seinen mindestens 4.300 Kilometern Länge als Lebensader Südostasiens. Tritt dieses gewaltige Flusssystem über die Ufer, können Millionen Menschen von Überschwemmungen betroffen sein. Nun hat ein Forschungsteam der Technischen Universität München (TUM) eine Methode entwickelt, die erstmals ein rein satellitengestütztes Monitoring verzweigter Flussläufe ermöglicht.

    Abhängig von der Jahreszeit schwanken die Wasserstände im Mekong-Gebiet, das sich über sechs Länder Südostasiens erstreckt, erheblich. Wie sich extreme Wetterereignisse, etwa anhaltender Starkregen und Dürreperioden, auf den Wasserstand einzelner Bereiche entlang des Flusses auswirken, lässt sich jetzt mit einem neuen Modell errechnen.

    Statistisches Modell des Flusssystems

    Um das Fließverhalten des verzweigten Flusssystems zu modellieren, verknüpfte Claudia Klüppelberg, Professorin für Mathematische Statistik an der TUM, Satellitendaten statistisch miteinander. Ein Team am Deutschen Geodätischen Forschungsinstitut an der TUM hatte die rohen Messdaten aus Satellitenmissionen mit eigens dazu entwickelten Algorithmen aufgearbeitet. Das neue Modell ermöglicht es, von Wasserständen, die an bestimmten Punkten gemessen wurden, Rückschlüsse darauf zu ziehen, wie hoch das Wasser an nahezu beliebigen weiteren Punkten des Flusssystems steht.

    Wasserstände mithilfe von Satellitendaten ermitteln

    Sogenannte Altimeterinstrumente senden Radarwellen von Satelliten zur Erdoberfläche, wo sie von der Wasserfläche zurück in Richtung des Satelliten reflektiert werden. „Aus der Laufzeit der Radarwellen können wir die Wasserstände ermitteln“, sagt Florian Seitz, Professor für Geodätische Geodynamik an der TUM. „Allerdings geht das nur dort, wo eine Satellitenspur ein Gewässer kreuzt. Die Berechnung des Wasserstands für weitere Punkte ist wichtig für die Wasserversorgung, für hydrologische Analysen und für Fragen der Sicherheit wie mögliche Gefahren durch Überflutung.“

    Daten aus unterschiedlichen Satellitenmissionen werden verknüpft

    Altimetersatelliten überfliegen üblicherweise auf sogenannten Wiederholbahnen alle 10 bis 35 Tage dieselben Punkte. An diesen Punkten liegen also in regelmäßigen zeitlichen Abständen Informationen über den Wasserstand vor. Die Forscherinnen und Forscher bezogen in ihre Studie zusätzlich die Beobachtungsdaten eines sogenannten SAR-Altimetersatelliten ein. Da dieser nicht auf einer Wiederholbahn fliegt, bemisst er einen Punkt am Fluss nur jeweils einmal – allerdings sind die von ihm gemessenen Punkte flächendeckend über das Flusssystem verteilt. Außerdem übertrifft das SAR-Altimeter herkömmliche Systeme hinsichtlich seiner Genauigkeit.

    Mit dem sogenannten „Universal Kriging“, einem speziellen statistischen Verfahren, verknüpften die Teams der beiden beteiligten Institute die verschiedenen Satellitendaten miteinander. „Dadurch, dass wir diese zusätzlichen Messdaten mit hoher Genauigkeit und guter räumlicher Verteilung in unser Modell miteinbeziehen konnten, haben wir die Ergebnisse qualitativ deutlich verbessert“, sagt Claudia Klüppelberg.

    Eine Methode für alle großen Flusssysteme

    „Aufgrund der saisonalen Wasserstandveränderungen, der vielseitigen Topographie und den regelmäßigen Überflutungen entlang des Mekong konnten wir an diesem Beispiel viele Szenarien testen“, sagt Florian Seitz. „Die Methoden, die wir dabei entwickelt haben, sind auf alle großen Flusssysteme anwendbar – auch, wenn es keine Stationen zur Messung der Wasserpegel vor Ort gibt.“


    Wissenschaftliche Ansprechpartner:

    Prof. Dr.-Ing. Florian Seitz
    Technische Universität München
    Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt
    Deutsches Geodätisches Forschungsinstitut (DGFI-TUM)
    Tel.: 089 / 23031 - 1106
    florian.seitz@tum.de
    https://www.dgfi.tum.de/en/home/

    Prof. Dr. Claudia Klüppelberg
    Technische Universität München
    Fakultät für Mathematik
    Lehrstuhl für Mathematische Statistik
    Tel.: 089 / 289 - 17432
    cklu@tum.de
    http://www.statistics.ma.tum.de/startseite/


    Originalpublikation:

    Boergens E., Dettmering D., Seitz F.: Observing water level extremes in the Mekong River Basin: The benefit of long-repeat orbit missions in a multi-mission satellite altimetry approach. Journal of Hydrology, 570, 463-472,
    10.1016/j.jhydrol.2018.12.041, 2019.

    Boergens E., Buhl S., Dettmering D., Klüppelberg C., Seitz F.: Combination of multi-mission altimetry data along the Mekong River with spatio-temporal kriging. Journal of Geodesy, 91(5), 519-534, 10.1007/s00190-016-0980-z, 2017.


    Weitere Informationen:

    https://mediatum.ub.tum.de/1472480?id=1472480
    http://www.professoren.tum.de/seitz-florian/
    http://www.professoren.tum.de/klueppelberg-claudia/


    Merkmale dieser Pressemitteilung:
    Journalisten, Wissenschaftler
    Geowissenschaften, Mathematik
    überregional
    Forschungsergebnisse, Kooperationen
    Deutsch


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