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Pegel in Flüssen per Satellit überwachen

Hochwasserwarnungen aus dem All

| Autor / Redakteur: Lisa Pietrzyk* / Christian Lüttmann

Falschfarben-Satellitenbilder des Mekong-Gebiets von der NASA: links vom 5. Juli 2004 (vor der Regenzeit) und rechts vom 21. September 2004 (im überfluteten Zustand).
Falschfarben-Satellitenbilder des Mekong-Gebiets von der NASA: links vom 5. Juli 2004 (vor der Regenzeit) und rechts vom 21. September 2004 (im überfluteten Zustand). (Bild: NASA)

Hochwasser ist an manchen Flüssen eine ständige Bedrohung für die anliegenden Dörfer und Städte. Ein zuverlässiges Monitoring der Wasserstände ist daher wichtig, um rechtzeitig vor Fluten zu warnen. Forscher der Technischen Universität München haben nun eine Methode entwickelt, mit der selbst große Flusssysteme vollständig überwacht werden können – per Satellit aus dem Weltraum.

München – Gegen ihn ist der Rhein ein Winzling: Der Mekong erstreckt sich mit seinen mindestens 4.300 Kilometern Länge über sechs Länder Südostasiens. Abhängig von der Jahreszeit schwanken die Wasserstände im Mekong-Gebiet erheblich. Treten der gewaltige Fluss und seine Nebenarme über die Ufer, können Millionen Menschen von Überschwemmungen betroffen sein. 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.

Mit wenigen Messpunkten einen ganzen Fluss überwachen

Um das Fließverhalten des verzweigten Flusssystems zu modellieren, verknüpfte Claudia Klüppelberg, Professorin für Mathematische Statistik an der Technischen Universität München (TUM), Satellitendaten statistisch miteinander. Ein Team am Deutschen Geodätischen Forschungsinstitut der TUM hatte die rohen Messdaten aus Satellitenmissionen mit eigens dazu entwickelten Algorithmen aufgearbeitet.

Mit dem neuen Modell genügen Wasserstandsmessungen an bestimmten Punkten des Flusses, um für nahezu beliebige weitere Punkte des Flusssystems Rückschlüsse über den Wasserstand an diesen Stellen zu ziehen. Diese Einzelmessungen haben die Forscher jedoch nicht vor Ort durchgeführt, sondern per Satellit aus dem Weltall.

Wasserstände mithilfe von Satellitendaten ermitteln

So genannte Altimeterinstrumente senden Radarwellen von Satelliten zur Erdoberfläche. Dort werden sie von der Wasserfläche zurück in Richtung des Satelliten reflektiert und detektiert. „Aus der Laufzeit der Radarwellen können wir die Wasserstände ermitteln“, sagt Florian Seitz, Professor für Geodätische Geodynamik am Deutschen Geodätischen Forschungsinstitut. „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.“

Einen Teil der Daten erhielten die Forscher von Altimetersatelliten, die üblicherweise auf Wiederholbahnen alle 10 bis 35 Tage dieselben Punkte überfliegen. An diesen Punkten liegen also in regelmäßigen zeitlichen Abständen Informationen über den Wasserstand vor. Als Ergänzung zu diesen regelmäßig gemessenen Datenpunkten bezogen die Wissenschaftler die Beobachtungsdaten eines so genannten SAR-Altimetersatelliten in ihre Studie ein. Da dieser nicht auf einer Wiederholbahn fliegt, misst 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.

Alle großen Flusssysteme per Satellit überwachbar

Mit dem „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 TUM-Statistikerin Klüppelberg. „Aufgrund der saisonalen Wasserstandveränderungen, der vielseitigen Topographie und den regelmäßigen Überflutungen entlang des Mekong, konnten wir an diesem Beispiel viele Szenarien testen“, führt ihr Wissenschaftskollege Seitz aus. „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.“

Originalpublikationen:

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, 2019; DOI: 10.1016/j.jhydrol.2018.12.041

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, 2017; DOI: 10.1007/s00190-016-0980-z

* L. Pietrzyk, Technische Universität München (TUM), 80333 München

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