Das nationale Wassermodell: Vorhersagen für die Zukunft

In den Vereinigten Staaten gehören Überschwemmungen sowohl in Bezug auf menschliche als auch materielle Verluste zu den kostspieligsten Naturkatastrophen. Allein in den letzten 20 Jahren wurden fast 60 Prozent der vom Präsidenten der USA erklärten Katastrophenfälle durch Überschwemmungen verursacht, und mindestens 20 davon führten zu Schäden in Höhe von mehr als 1 Milliarde US-Dollar.

Die gegenwärtige Grundlage für Wasservorhersagen bildet ein Netzwerk aus ca. 8.000 Pegelmessstationen, die von der United States Geological Survey (USGS) verwaltet werden. Die Messstationen liefern Echtzeit-Wasserstandsdaten, die wiederum von Vorhersageexperten zum Vorhersagen der Wasserstände flussaufwärts und flussabwärts der Messstation verwendet werden. Obwohl das vorhandene Netzwerk aus Messstationen methodisch so konzipiert wurde, dass es möglichst umfassende Wasservorhersagen erzeugt, befinden sich zurzeit nur 3 Prozent der Längen aller Flüsse und Wasserläufe in den USA flussabwärts einer Messstation (Abbildung 1). Dadurch ergibt sich, insbesondere bei Überschwemmungen, eine klare Abdeckungslücke.

Da bessere Vorhersagen und Karten für Wasserressourcen gewünscht und benötigt werden, arbeitet die National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) an der Transformation der nationalen Wasservorhersagefunktionen mithilfe des nationalen Wassermodells (NWM), einer für das 21. Jahrhundert entwickelten Version der Wasservorhersagen. Das NWM kombiniert erweiterte Modellierungsfunktionen, präzise topografische Kartenerstellung und Echtzeitbeobachtungen (von USGS-Pegelmessstationen) zu objektiv abgeleiteten und hochgradig zuverlässigen Vorhersagen "auf Straßenniveau" über den Wasserfluss an 2,7 Millionen Flussabschnitten landesweit (Abbildung 2) – oder insgesamt 5,3 Millionen Kilometer langen Wasserwegen.

Diese Entwicklung des NWM beruht zum Teil auf der Partnerschaft zwischen der NOAA und Esri. Seit 2014 eruierte das Office of Water Prediction (OWP) der NOAA gemeinsam mit Ingenieuren von Esri das Konzept eines geographischen Enterprise-Informationssystems (EGIS), das als Grundlage für die Forschung und Entwicklung in Bezug auf räumliche Aktivitäten zur Unterstützung des NWM sowie für die Entwicklung analytischer Daten-Services dienen sollte. Dadurch sollte nicht nur die Modellentwicklung unterstützt werden, sondern auch die Erkundung der aus der Ausgabe des Modells gewonnenen Informationen. Im Jahr 2016 wurde dieses EGIS durch das Esri Enterprise Advantage Program (EEAP) und die Bereitstellung von ArcGIS Enterprise im National Water Center des NOAA/National Weather Service (NWS) zur Realität. Dieses System ist heute im Einsatz und umfasst ein Front-End-Portal sowie eine Reihe von ArcGIS-Server-Sites. 

Am 6. März 2018 implementierte die NOAA Version 1.2 des nationalen Wassermodells, die auf dem Erfolg der vorherigen Versionen aufbaut und genauere Flussanalysen und Vorhersagen liefert. Die höhere Genauigkeit ist zum Teil auf eine deutliche Erhöhung der Anzahl der in das Modell einfließenden Beobachtungen zurückzuführen. Dazu gehören 680 zusätzliche USGS-Pegelmessstationen (eine Erhöhung um fast 10 Prozent), durch die die Flusssimulation des Modells verbessert werden soll. Insgesamt wird sich die höhere Genauigkeit von Version 1.2 sowohl bei der routinemäßigen Wasserbewirtschaftung als auch bei der Entscheidungsfindung während schwerwiegender Ereignisse bezahlt machen. Das EGIS wird zum Testen und Entwickeln experimenteller Daten-Services verwendet, die von den NWS River Forecast Centers herausgegebene routinemäßige hydrologische Informationen zu aktuellen und vorhergesagten Zuständen von Wasserressourcen unterstützen. Das EGIS des NWC bildet außerdem den Hub für eine Reihe von Kartenservices und Web-Apps, mit denen die Ausgabe des NWM für Endbenutzer in Kontext gesetzt wird.

Die Veröffentlichung von Version 2.0 des nationalen Wassermodells ist für Anfang 2019 geplant. Version 2.0 wird erstmals Hawaii abdecken und den Wasserfluss sowie andere hydrologische Informationen für Vorhersageexperten, Notfallhelfer, Zuständige in der Wasserbewirtschaftung und andere auf den Inseln bereitstellen. Außerdem stellt diese Version einen wichtigen Schritt vorwärts beim Umgang mit Wetter, Wasser und Klima dar – einer wichtigen Komponente der Vision des National Weather Service für eine Nation, die für jedes Wetter gerüstet ist. Im Rahmen des Upgrades auf Version 2.0 wird der Code des nationalen Wassermodells in einer Reihe abrufbarer Bibliotheken organisiert, die frei und offen sind und von Benutzern außerhalb der Bundesregierung genutzt werden können. Dieser Community-Entwicklungsansatz ermöglicht die Erstellung geographisch spezifischer, maßgeschneiderter Mehrwertlösungen, die die Lücke zwischen der Wissenschaft und den Personen schließt, die Informationen zu Wasserressourcen benötigen, um diese zu schützen und zu unterstützen.

Die möglicherweise spannendsten neuen Funktionen sind die Daten-Services, mit denen die offiziellen Vorhersagen der NWS River Forecast Centers in eine Reihe experimenteller Services für die Erstellung von Überflutungskarten konvertiert werden. Diese anschaulichen Services werden eine Ära neuer, auf Auswirkungen basierender Services für die Entscheidungsunterstützung bei Wasservorhersagen einläuten.

Das nationale Wassermodell stellt bei der Bewältigung der Wasserherausforderungen von morgen einen großen Schritt vorwärts dar. Im Lauf der Zeit und in fortgesetzter Partnerschaft mit Esri werden die Ausgaben des nationalen Wassermodells von den Vorhersageexperten des National Weather Service verstärkt genutzt werden, um die herkömmlichen Wasservorhersagen zu ergänzen und bessere, zeitnähere Vorhersagen zu liefern und so den steigenden Anforderungen unserer Projektbeteiligten gerecht zu werden.