Bessere und frühere Warnungen vor Starkregen
Der Schutz vor Starkregen ist eine der zentralen Herausforderungen der Klimafolgenanpassung. Das im Herbst 2022 gestartete Forschungsvorhaben „heavyRAIN“ hat das Ziel, ein verbessertes Frühwarnsystem für Starkregen zu entwickeln. Hierzu wurden zu Beginn des Projektes in den vier deutschen Städten Bochum, Hagen, Lüdenscheid und Lübeck neuartige Niederschlagssensoren installiert, um eigene Niederschlagsmessungen durchzuführen. Mit Hilfe dieser Messungen und weiterer Wetterdaten soll mittels klassischer Ansätze aber auch durch Nutzung von KI die Vorhersagemethodik verbessert werden. Durch die verbesserte Vorhersage und das frühere Erkennen von Starkregenzellen kann wertvolle Zeit für Warnungen gewonnen werden, sodass zum Beispiel Einsatzkräfte früher informiert und einsatzbereit sein können.
In der Stadt Lübeck wurden 50 der neu entwickelten, kompakten Niederschlagssensoren über das ganze Stadtgebiet verteilt, um eine möglichst große Region zu erfassen. Die meisten Sensoren wurden an Straßenlaternen installiert, einige jedoch auch in der Nähe bereits vorhandener Niederschlagssensoren, zum Beispiel am DWD Standort Blankensee (hier im Bild). Die Niederschlagssensoren von der Firma NIVUS benötigen sehr wenig Strom, den sie sich mit einer kleinen Solarzelle selbst erzeugen. Sie arbeiten mit einem Infrarotlicht-Sensor und bieten eine Regenmessung in Echtzeit. Der Sensor ist in eine kleine Plexiglaskuppel integriert und bestimmt die Regenmenge mithilfe eines ausgesendeten IR-Lichtimpulses über die Änderung des Brechungsindex bei Regen. Die Messgeräte senden bei Regen die gesammelten Daten über das LoRaWAN-Netz der Stadtwerke Lübeck (das auch zum Beispiel für die Wasseruhren genutzt wird) an eine zentrale Datenbank.
Erster Schritt ist die Qualitätsprüfung der gesendeten Daten und Vergleiche mit Niederschlagsmessungen aus anderen Quellen wie Stationsmessungen des DWD oder Radardaten. Wenn die Qualitätsprüfung automatisiert erfolgen kann, sollen die Daten auch öffentlich über das Internetportal der „Smart City Region Lübeck“ (geoportal.smart-hl.city) abrufbar sein.
Projektpartner
Initiiert und durchgeführt wird das Projekt vom Start-Up Okeanos Smart Data Solutions GmbH aus Bochum, der hydro & meteo GmbH aus Lübeck, dem Bochumer Institut für Technologie GmbH und dem Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz NRW. Unterstützt werden sie von den Städten Bochum, Hagen, Lübeck und Lüdenscheid, die gleichzeitig als Orte der Feldstudien fungieren, sowie vom Deutschen Wetterdienst, der Emschergenossenschaft & Lippeverband, den Stadtwerken Bochum Netze, dem Wetternetz Hagen, den Stadtwerken Lüdenscheid & Herscheid, den Stadtwerken Lübeck Digital (bis vor kurzem „Travekom“), den Wirtschaftsbetrieben Hagen sowie von der Technischen Hochschule Lübeck.
Förderung
Das Projekt heavyRAIN wird im Rahmen der Innovationsinitiative mFUND durch das Bundesministerium für Digitales und Verkehr gefördert.
Projektlaufzeit: 09/2022 – 08/2025
Gesamtfördervolumen: 1,608 Mio. €
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WaX – Verbundprojekt ZwillE
Digitaler Zwilling zum KI-unterstützten Management von Wasser-Extremereignissen im urbanen Raum
Hintergrund
Hydrologische Extremsituationen nehmen weltweit zu. Sie führen zu wirtschaftlichen und ökologischen Schäden und erfordern neue Ansätze für das Management des Wassersektors.
Das Ziel des Verbundprojektes ZwillE besteht in der Entwicklung von Methoden und Werkzeugen für die Erstellung eines Digitalen Zwillings einer städtischen Entwässerungsinfrastruktur als Basis für eine pro-aktive Bewältigung von Wetterextremereignissen im urbanen Raum.
Unter dem Begriff „Digitaler Zwilling“ wird hierbei ein virtuelles Abbild verstanden, das auf Grundlage von Messdaten und Simulationsmodellen den aktuellen Zustand des abgebildeten Systems widerspiegelt und durch Einbeziehung von Prognosen der wichtigsten Einflussfaktoren wie z.B. Niederschlagsdaten eine vorausschauende Szenario-Analyse ermöglicht. Der Digitale Zwilling soll mit Hilfe eines KI-basierten Assistenten Handlungsempfehlungen zur Vorsorge und zum Umgang mit Wetterextremereignissen geben. Die vorgeschlagenen Handlungsempfehlungen werden dem Fachpersonal über einen Erklärbare-KI-Ansatz transparent erläutert, um Nachvollziehbarkeit und Akzeptanz zu verbessern.
Die prototypische Entwicklung und anschließende Validierung des Gesamtsystems erfolgt am Beispiel der Entwässerungsinfrastruktur der Stadt Hannover.
Arbeitsschwerpunkt hydro & meteo GmbH
Wesentliches Teilziel für die hydro & meteo GmbH sind die Ableitung von Überflutungsinformationen aus vorliegenden vorgefertigten Überflutungskarten fester Wiederkehrhäufigkeiten und aus aktuellen Niederschlägen, die zeitlich und räumlich variabel sind und deshalb ein zu erstellendes Mosaik der vorliegenden Karten erfordern.
Ein solcher Ansatz hat den Vorteil, dass langwierige 2D-Oberflächensimulationen zur Bestimmung der Überflutungstiefen und Fließwege offline durchgeführt werden können und dass damit für Echtzeitanwendungen schnell Ergebnisse abgeleitet werden können. Ebenso können dann sowohl gemessene als auch prognostizierte Ereignisse mit räumlich variablem Niederschlag in ihren Überflutungsauswirkungen schnell abgeschätzt werden.
Zweites Teilziel ist die Anbindung unserer Software SCOUT an das Prozessleitsystem der Stadtentwässerung Hannover. Damit stehen direkte online-Daten aus der Niederschlagsmessung der Stadt Hannover zur Verfügung und eine sehr schnelle vergleichende Auswertung dieser Daten mit Radarmessungen ist möglich.
Projektpartner
Förderung
Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Verbundprojekt „ZwillE – Digitaler Zwilling zum KI-unterstützten Management von Wasser-Extremereignissen im urbanen Raum“ zur Fördermaßnahme „Wasser-Extremereignisse (WaX)“ im Rahmen des Bundesprogramms „Wasser: N“. Wasser: N ist Teil der BMBF-Strategie „Forschung für Nachhaltigkeit (FONA).
Projektlaufzeit: 02/2022 – 01/ 2025
Gesamtfördervolumen: 2,453 Mio. €
Verbundkoordinator: Atos Information Technology GmbH
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BlueGreenCities
Wie können Städte zukünftigen Herausforderungen durch den Klimawandel besser begegnen?
Der Klimawandel bringt erhebliche Herausforderungen für Städte mit sich, darunter häufigere und intensivere Starkregenereignisse sowie längere und heißere Trockenperioden. Um diesen Veränderungen zu begegnen, sind innovative Anpassungsstrategien erforderlich. Das Projekt BlueGreenCities erforscht, wie Städte wie Innsbruck durch Blau-Grüne Infrastruktur (BGI) widerstandsfähiger werden können. Ziel ist es, die Wasserrückhaltefähigkeit, die Kühlwirkung und die Gesundheit urbaner Ökosysteme zu stärken, um sowohl Überflutungen als auch Hitzestress nachhaltig zu bewältigen.
Mithilfe von Messungen, wie z. B. der Bodenfeuchte und Oberflächentemperatur, sowie Simulationsrechnungen für zukünftige Szenarien, wird untersucht, wie sich die lokale Wasser- und Energiebilanz durch den Klimawandel verändert. Zudem werden die Effekte verschiedener blau-grüner Maßnahmen (z. B. Grünflächen, Bäume, Baumrigolen) untersucht.
Jahresgang Niederschlag aus Klimaprojektionsdaten für Vergangenheit, Nahe Zukunft 2031-2060 und Ferne Zukunft 2071-2100 für die Stadt Innsbruck, ausgewertet im Projekt BlueGreenCities. (Datenbasis: DWD-CPS MIROC5-CCLM5 (DWD, Rybka et al., 2018))
Erste Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass lokale Maßnahmen zur Wasserspeicherung das Mittel der Wahl sind, um zukünftige Perioden mit Trockenheit und Hitze besser zu durchstehen.
- Kühlung durch Grünflächen: Städtische Parks und Grünflächen haben ein hohes Kühlungspotential.
- Bewässerungsbedarf: Während Trockenperioden ist Bewässerung notwendig, um die Kühlwirkung der Vegetation aufrechtzuerhalten. Simulationen zeigen, dass dieser Bedarf in Zukunft steigen wird.
- Regenwasser ist im Studiengebiet ausreichend verfügbar: Um den erhöhten Bewässerungsbedarf zu decken, muss jedoch mehr Regenwasser gesammelt und gespeichert werden.
- Flächenabkopplung vom Kanal: Mit der Speicherung von Regenwasser geht eine Flächenabkopplung vom Kanal einher. Diese entlastet das Kanalsystem und verringert die Anzahl an Mischwasserüberläufen.
- Baumrigolen: Simulationen auf Basis von Klimaprojektionen zeigen, dass z. B. Baumrigolen ausgezeichnet geeignet sind, um Bäume auch durch zukünftige Trockenperioden hindurch ausreichend mit Wasser zu versorgen. Damit können die Bäume ihren wichtigen Beitrag zur Verbesserung des Stadtklimas aufrechterhalten.
Blau-Grüne Infrastruktur kann somit einen Beitrag leisten, gleichzeitig die Folgen von Starkregen und Hitzeperioden zu bewältigen und die Lebensqualität in Städten langfristig zu verbessern.
Messgerät aus dem Projekt BlueGreenCities
Messung von NDVI, Netto Strahlung, Oberflächentemperatur, Bodenfeuchte und -temperatur
Wärmebildkamera über Rasen
Dieses Bild entstand im Rahmen des Projekts
Förderung
Das Projekt BlueGreenCities wird durch den Österreichischen Klima- und Energiefond (ACRP 14th Call) gefördert.
Laufzeit: Oktober 2022 – September 2025
Projektpartner: Universität Innsbruck (Fachbereiche Stadtplanung, Ökologie)
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ZIM – BodenRadar
Sensor- und KI-gestütztes Entscheidungsunterstützungssystem zur Optimierung des Wassermanagements
Hintergrund
Sowohl für die Landwirtschaft als auch für urbane hydrologische Fragen wie zum Beispiel für das Schwammstadtkonzept spielt das aktive Wassermanagement eine zentrale Rolle. Dabei spielt die Kenntnis des Wassergehaltes des Bodens eine besondere Rolle, um z.B. die notwendigen Leistungswerte für eine automatische Bewässerung von Grünflächen zu ermitteln. Wasserbezogene Bodenkenndaten sind bei allen Böden von wesentlicher Bedeutung, die Einfluss auf die Bildung von Oberflächenabflüssen oder von neuem Grundwasser haben.
Um die Datenermittlung und -bewertung zu verbessern, ist ein gründliches Verständnis der Prozesse und Mechanismen im Boden erforderlich. Das System Boden als Wasserspeicher muss umfassend verstanden und datentechnisch abbildbar sein. Hierzu muss unter anderem der Wasserkreislauf in den Wassereinzugsgebieten berücksichtigt werden und die Verbindung mit Pflanzen, wie zum Beispiel in städtischen Grünflächen.
Inhalte
Inhalte
Der Schwerpunkt des Projekts liegt auf der Betrachtung des Bodens als Wasserspeicher. Dabei werden sowohl die Bedingungen für landwirtschaftliche Flächen als auch für den urbanen Raum berücksichtigt.
Es soll ein Entscheidungssystem entwickelt werden, das auf Radardaten zum aktuellen Niederschlag, auf Niederschlagsprognosen sowie auf wichtige Bodenkenndaten zugreift. Die Analyse wird mit Hilfe von KI-Algorithmen durchgeführt.
Zielsetzung
Entwicklung eines Datenmanagement- und Entscheidungshilfesystems zum Verständnis des Bodens als Wasserspeicher um z.B. Umsetzungsempfehlungen für die optimale Wasserversorgung von Böden im urbanen Umfeld (Schwammstadt) oder für präventive Überflutungsschutzmaßnahmen zu bekommen.
Ein wesentlicher Teil unserer Arbeiten war die Erstellung eines deutschlandweiten Radarkomposits, das in Verbindung mit NIRAweb des Projektpartners HST Niederschlagsdaten und Vorhersagen für jeden einzelnen Punkt in Deutschland bereitstellen kann. Hierfür wurden die Radarmessdaten aller 17 Radarstationen des Deutschen Wetterdienstes korrigiert und neu kompositiert, sowie mit allen verfügbaren Bodenstationsdaten angeeicht.
Das System steht jetzt online zur Verfügung.
Projektpartner
Förderung
Das Projekt ZIM BodenRadar wurde vom Förderprogramm „Zentrale Innovation Mittelstand“ (kurz: ZIM) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert.
Projektlaufzeit: 02/2022 – 07/2024
Fördersumme: 110.000,– €
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Die Wertschöpfungskette des Wassers in Australien
Hintergrund
Die Welt sieht sich im laufenden Jahrhundert einer raschen und beispiellosen Veränderung der Wasserverfügbarkeit gegenüber. Die letzten Jahrzehnte haben gezeigt, dass der aktuelle Klimawandel zu häufigeren extremen Wetterbedingungen mit zunehmenden Überschwemmungen und Dürren und vor allem zu Verschiebungen der Klimazonen führt. Dadurch können sich historisch günstige Standorte für die Landwirtschaft in trockene Gebiete verwandeln. Gleichzeitig führt die Zunahme der Weltbevölkerung dazu, dass an vielen Orten gefährdete Wasserressourcen erschöpft werden.
WaterSENSE bietet Wassermanagern weltweit eine Toolbox mit verlässlich nutzbaren Informationen zur Wasserverfügbarkeit und zum Wasserverbrauch, um ein nachhaltiges Wassermanagement zu unterstützen und die gesamte Wasserwertschöpfungskette (Wo ist Überfluss? Wo sind Defizite?) transparent darzustellen. Dabei basiert das von WaterSENSE entwickelte modulare, betriebsbereite Wassermanagementsystem, größtenteils auf Copernicus-Erdbeobachtungsdaten.
Arbeitsschwerpunkt hydro & meteo GmbH
Der Schwerpunkt von hydro & meteo lag auf innovativen Lösungen für die Schnittstelle zwischen Hydrologie und Meteorologie, die sich speziell an die Wasserindustrie und andere wetterbedingte Wirtschaftssektoren richten. In Arbeitspaket zwei bearbeitete hydro & meteo die Entwicklung von Algorithmen zur Quantifizierung der Wasserverfügbarkeit und -nutzung, die in einem weiteren Schritt für das gesamte WaterSENSE System kalibriert und validiert wurden.
hydro & meteo stellt qualitativ hochwertige Niederschlagsinformationen basierend auf einer Kombination von Radar und Stationsdaten bereit. Grundlage stellen hierbei die Radar und Stationsdaten des Australischen Wetterdienstes Bureau of Meteorology dar.
Die Kombination dieser beiden Messinstrumente bietet den Vorteil einer hohen Auflösung bei einer guten räumlichen Abdeckung durch die Nutzung von Radardaten und einer hohen Genauigkeit durch die Aneichung mit Stationsdaten. Die Niederschlagsdaten Stellen einen eigenständigen Teil von WaterSENSE dar, fließen aber auch in andere Dienste ein wie z.B. bei der Überwachung der Bewässerung.
Internationale Partner
Das WaterSENSE Konsortium besteht aus 7 internationalen Projektpartnern:
Förderung
Das Projekt wurde aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 im Rahmen der Finanzhilfevereinbarung Nr. 870344 finanziert.
Es hatte eine Laufzeit von vier Jahren (01/2020 – 12/2023).
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