2024-07-222024-08-052024-07-22https://hdl.handle.net/11420/48492Das globale Netz von Fließgewässern erstreckt sich über 80 Millionen Kilometer. Es ist der Schlüssel für menschliche Besiedlung, unterstützt die vielfältigen Gewässerökosysteme und transportiert Sedimente & Kohlenstoff in die Ozeane. Die Verdunstungsverluste dieser Wasseradern wirken sich auf die Wasservorräte aus und können durch Veränderungen des Energiehaushalts und der Wassertemperatur auch chemische und biologische Prozesse in Flussökosystemen beeinflussen. Derzeit sind die Schätzungen zur Verdunstung aus Flüssen weitgehend lokal und empirisch. Es mangelt ihnen auf verschiedenen Ebenen an Vorhersagbarkeit für unterschiedliche Fluss- & Klimabedingungen. Besonders die Auswirkungen von Turbulenzen und Durchmischung dieser dynamischen Verdunstungsflächen, die aerodynamischen Wechselwirkungen mit der darüber liegenden Luft, die unterschiedliche Strahlung und die Strömungseigenschaften wurden bisher nicht systematisch in skalenübergreifende Verdunstungsmodelle integriert. Im Gegensatz zu Penman-basierten Methoden, die sich auf empirische Oberflächenaustauschkoeffizienten stützen, wird in diesem Projekt ein physikalisch basierter Rahmen für die Verdunstungsbegrenzung in Fließgewässern unter Berücksichtigung eines skalengerechten Energieverteilungsschemas entwickelt. Es wird ein Modell eines charakteristischen Fließgewässerprofils (1-D) entwickelt, das die wesentlichen Aspekte der Durchmischung und Turbulenz sowie unterschiedliche Strahlungsenergiezufuhren und Strömungseigenschaften berücksichtigt. Mit dieser vereinfachten Darstellung werden die Hauptprozesse, die Verdunstungsverluste & Wassertemperaturen beeinflussen, in skalierbarer Weise erfasst und unsere Abhängigkeit von der Empirie verringert. Unsere Ziele sind: - Die Entwicklung eines mechanistischen Ansatzes, der hydro-aerodynamische Merkmale mit der Verteilung der Strahlungsenergie und der Wärmebilanz charakteristischer Flussprofile verbindet, um Verdunstungsverluste für Flussabschnitte zu quantifizieren - Systematische Labor- und Feldexperimente zur Bestimmung dominanter Flussmerkmale und Umweltfaktoren, die die Verdunstungsdynamik bestimmen, um die Modellevaluierung und das Upscaling zu ermöglich. - Die Klassifizierung räumlich-zeitlicher Merkmale des globalen Flussnetzes, um die Skalierung des theoretischen Ansatzes zu unterstützen. Für das Projekt werden Labor- und Feldgeräte sowie Fachwissen des Desert Research Institute (USA), des Forschungszentrums Jülich (Deutschland), der Universität Utrecht (Niederlande) und der Boston University (USA) genutzt. Die quantitativen Rahmenbedingungen ermöglichen es, künftige Klimaauswirkungen auf die Fließgewässereigenschaften und deren ökologischen Folgen zu bewerten. Die besseren Schätzungen der Verdunstungsverluste des globalen Flussnetzes werden Wissenslücken bezüglich der Wasserbilanz & -verfügbarkeit in Trockengebieten schließen und unser Wissen für den regionalen & grenzüberschreitenden Wassertransfer und die Wasserrechte verbessern.The global network of rivers and streams spans over 80 million kilometers and is the key to human settlement, supporting diverse aquatic ecosystems, and transporting sediment and carbon into the oceans. Evaporative losses from these important aquatic arteries affect not only water availability but may influence chemical and biological processes of river ecosystems through changes in energy budget and water temperature. Despite progress in quantifying evaporation from other terrestrial compartments, estimates of evaporation from rivers remain largely local and empirical lacking predictability to varying fluvial and climatic conditions at different scales. Specifically, effects of turbulence and mixing of these dynamic evaporating surfaces, aerodynamic interactions with overlying air, variable radiative regimes and flow characteristics have not been systematically incorporated into evaporation models across a hierarchy of scales. In contrast with Penman-type approaches that build on empirical surface exchange coefficients, this project seeks to develop a physically-based framework for constraining river and stream evaporation considering a scale-appropriate energy partitioning scheme. A model of a characteristic river/stream profile (1-D) will be developed to include salient features of mixing and turbulence while accounting for variations in radiative energy inputs and flow characteristics. We hypothesize that the ingredients included in this simplified representation capture the primary processes affecting evaporative losses and water temperatures in a scalable manner while reducing empiricism. Our specific objectives are to: i) develop a mechanistic framework that incorporates hydro-aerodynamic characteristics with radiative energy partitioning and heat budget of characteristic river profiles to quantify evaporative losses over stream stretches, ii) conduct systematic laboratory and field experiments to identify dominant fluvial characteristics and environmental factors that govern evaporation dynamics to guide model evaluation and upscaling, and iii) classify spatio-temporal characteristics of global fluvial network to guide upscaling of the theoretical approach. The project will harness laboratory and field equipment and expertise at Desert Research Institute (USA), Jülich Research Centre (Germany), Utrecht University (Netherlands), and Boston University (USA). The quantitative framework will enable assessment of future climate effects on stream characteristics (early snowmelt, increasing air temperature, changes in rainfall) with important ecological consequences. The project will provide improved estimates of evaporative losses from global fluvial network towards addressing knowledge gaps concerning water balance and availability in arid regions; and improving the science underlying regional and transboundary water transfer and water rights.