Statistisches Modell des Mekong-Pegels
Vorhersage von Hochwasser mit Satellitendaten
Tritt der Fluss Mekong über die Ufer sind oft Millionen Menschen von Überschwemmungen betroffen. Claudia Klüppelberg, Professorin für Mathematische Statistik, hat jetzt mit ihrem Doktoranden Sven Buhl in Kooperation mit dem Deutschen Geodätischen Forschungsinstitut an der TUM ein statistisches Modell entwickelt, mit dem sich der Wasserstand bestimmen lässt – beinahe an jedem beliebigen Punkt.
Der Mekong erstreckt sich mit 4.300 Kilometern Länge über sechs Länder Südostasiens. Auf das komplexe Flusssystem wirken sich anhaltender Starkregen und Dürreperioden in den verschiedenen Regionen unterschiedlich aus. Mit einem neuen statistischen Modell sagen die Wissenschaftler*innen die Konsequenzen auf den Wasserstand voraus.
Statistisches Modell aus Satellitendaten
Mekong-Einzugsgebiet: Drei- und Vierecke: Kreuzungspunkte der Satellitenbodenspuren mit dem Fluss für unterschiedliche Altimeter-Missionen - je nach Länge der Zeitreihen farblich codiert; weiße Punkte: räumlich sehr gut verteilte Einzelmessungen des SAR-Altimetersatelliten; rote Rauten: Pegelstationen. Ohne Satellitendaten wäre die Datenbasis demnach sehr spärlich.
Die Grundlage bilden Daten aus Satellitenmessungen. Dabei senden sogenannte Altimeterinstrumente Radarwellen zur Erdoberfläche, wo die Wasserfläche sie zurück zum Satelliten reflektiert. "Aus der Laufzeit der Radarwellen können wir die Wasserstände ermitteln", erklärt Florian Seitz, Professor für Geodätische Geodynamik an der TUM.
Das funktioniert nur an den Stellen, an denen eine Satellitenspur ein Gewässer kreuzt. Deshalb nutzten Klüppelberg und Buhl für die statistische Analyse Beobachtungsdaten aus zwei verschiedenen Satellitenmissionen:
- Altimetersatelliten überfliegen auf Wiederholbahnen alle 10 bis 35 Tage dieselben Punkte. Über den dortigen Wasserstand liegen also Informationen für regelmäßige zeitliche Abstände vor.
- SAR-Altimetersatelliten bemessen Punkte am Fluss nur einmal - dafür flächendeckend über das Flusssystem verteilt. Außerdem sind die Messungen von SAR-Altimeter genauer.
Universal Kriging verknüpft verschiedene Daten
Wasserstände entlang des Mekong am 13. August 2008, mit Universal Kriging aus Satelliten-Daten ermittelt. Deutlich erkennbar ist ein enorm hoher Pegel entlang des Hauptflusses, der zu schweren Überschwemmungen führte. Ursache dafür war der Tropensturm Kammuri, der extreme Niederschläge im nördlichen Fluss-Bereich mit sich brachte.
Diese verschiedenen Satellitendaten vom Wasserstand des Mekongs kombinierten die Wissenschaftler*innen mit dem "Universal Kriging", einem speziellen statistischen Verfahren. „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.
Das neue statistische Modell erlaubt Rückschlüsse darauf, wie hoch das Wasser an anderen Punkten des Flusssystems steht. Damit können die Forscher*innen den Wasserstand für fast alle Punkte berechnen. Auf diese Weise ermöglichen sie eine reibungslose Wasserversorgung, hydrologische Analysen und mehr Sicherheit - etwa vor Gefahren durch Überflutung.
In Zukunft lässt sich die neue Methode auf alle großen Flusssysteme anwenden, wie Florian Seitz erklärt: "Aufgrund der saisonalen Wasserstandveränderungen, der vielseitigen Topographie und den regelmäßigen Überflutungen entlang des Mekong konnten wir an diesem Beispiel viele Szenarien testen".
Die Ergebnisse der Forscher*innen sind im Journal of Geodesy (mediaTUM) und im Journal of Hydrology erschienen. Mehr Infos finden Sie in der Pressemeldung der TUM, Aus dem Weltraum den Pegel von Flüssen bestimmen.