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The role of energy and information in hydrological modeling
Loritz, Ralf
Karlsruhe (Deutschland)
Selbstverlag
2020, 180 S., Abb., Tab., Lit.
Sprache: Englisch
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[Quelle: http://d-nb.info]
In den letzten Jahrzehnten hat sich die Hydrologie von einer Ingenieurdisziplin zu einer etablierten Erdsystemwissenschaft entwickelt, die auf physikalischen Prinzipien beruht. Diese Entwicklung spiegelt sich auch in den aktuellen, hydrologischen Fragestellungen wider die von Infiltrationsexperimenten auf der Porenskala bis hin zu Simulationen des weltweiten Wasserkreislaufs reichen. Während die Hydrologie in den letzten Jahren große wissenschaftliche Fortschritte gemacht hat und immer vielfältiger wurde, sind viele, besonders in der Praxis angewendeten hydrologische Modelle (z. B. die Einheitsganglinie), größtenteils noch immer empirische Konzepte, die auf starken physikalischen Vereinfachungen beruhen. Solche Ansätze eignen sich für Fragestellungen bei denen ausreichend lange Beobachtungszeitreihen vorliegen und stationäre Bedingungen angenommen werden können. Sie sind jedoch tendenziell ungeeignet, sobald der Fokus auf instationären Bedingungen oder auf Gebiete mit wenigen oder schlechten Daten gerichtet wird. In solchen Fällen sind stärker physikalisch-basierte Modelle eine vielversprechende Alternative. Während letzteres in der Hydrologie kaum angezweifelt wird, gibt es bis heute jedoch keinen Konsens darüber, wie genau ein adäquat physikalisch-basiertes Model aussieht und welche Details und physikalische Gesetze in ihm abgebildet werden müssen. Diese Uneinigkeit kann zumindest teilweise darauf zurückgeführt werden, dass es in der Hydrologie bis heute keine allgemein akzeptierten theoretischen Grundlage gibt. James Dooge erkannte das bereits im Jahr 1986 und argumentierte, dass die hydrologische Gemeinschaft zusammen einen klaren theoretischen Rahmen ableiten müsse, auf dem ihre Modelle sowie die entsprechenden Hypothesen beruhen. Diese gemeinsame theoretische Grundlage würde dann die Notwendigkeit von Modellkalibrierungen und die damit verbundene Empirie in hydrologischen Modellen minimieren und schlussendlich zu belastbareren Vorhersagen führen. Diese Dissertation knüpft an diesen Punkt an und beschäftigt sich mit der Verbesserung der theoretischen Grundlage hydrologischer Modelle, mit Schwerpunkt auf mesoskalige Einzugsgebiete. Ziel dieser Arbeit ist es dabei nicht, eine umfassende, neue theoretischen Grundlage einzuführen, sondern die bestehenden theoretischen Grundlagen a) anzuerkennen und b) weiter zu entwickeln. Dazu nutze ich weitgehend zwei verwandte wissenschaftliche Theorien, die Informationstheorie und die Thermodynamik und verwende damit die Konzepte von Information und Energie, um Forschung zu betreiben sowie neue Blickwickel auf etablierte Fragestellungen zu erhalten.
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