German Title: Numerische Modellierung und Datenassimilation von Bodenwasserfluss

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Abstract

Soil water flow is a key process in Earth's hydrological cycle and an essential part of many ecosystem services. Soils are porous media and exhibit a heterogeneous, multi-scale architecture. Their non-linear material properties have a significant influence on the soil water dynamics, which poses difficulties for numerical models. These material properties cannot be measured directly, but data assimilation methods can estimate them by combining information from measurements of soil hydraulic states and from numerical models. The validity of the estimation results can be strongly affected by model errors. This dissertation (i) presents a versatile software package for modeling soil water flow and analyzes the accuracy and efficiency of its numerical discretization schemes, and (ii) employs this software in synthetic data assimilation tasks to investigate the effects of unrepresented dynamics, topography, and small-scale heterogeneity on estimated material properties and forecasts conducted with them. The results reveal that favoring low-order numerical methods over more accurate ones can be justified for use cases in soil hydrology. Moreover, the findings indicate that one-dimensional models with estimated effective material properties can reasonably replicate the dynamics of heterogeneous, two-dimensional domains with complicated topography, if boundary conditions are represented correctly.

Translation of abstract (German)

Bodenwasserfluss ist ein Schlüsselprozess im Wasserkreislauf der Erde und ein wesentlicher Bestandteil vieler Ökosystemdienstleistungen. Böden sind poröse Medien und weisen eine heterogene Multiskalen-Architektur auf. Ihre nichtlinearen Materialeigenschaften haben einen signifikanten Einfluss auf die Bodenwasserdynamik, was Schwierigkeiten für numerische Modelle darstellt. Diese Materialeigenschaften können nicht direkt gemessen, aber mit Datenassimilationsmethoden geschätzt werden, indem Informationen aus Messungen bodenhydraulischer Zustände und aus numerischen Modellen kombiniert werden. Die Gültigkeit der Schätzungsergebnisse kann durch Modellfehler stark beeinträchtigt werden. Diese Dissertation (i) stellt ein vielseitiges Softwarepaket zur Modellierung des Bodenwasserflusses vor und analysiert die Genauigkeit und Effizienz seiner numerischen Diskretisierungsschemata, und (ii) setzt diese Software bei synthetischen Datenassimilationsaufgaben ein, um die Auswirkungen von nicht repräsentierter Dynamik, Topographie und kleinskaliger Heterogenität auf geschätzte Materialeigenschaften und damit durchgeführte Vorhersagen zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass es für Anwendungsfälle in der Bodenhydrologie gerechtfertigt sein kann, numerische Methoden niedriger Ordnung genaueren Methoden vorzuziehen. Darüber hinaus weisen die Ergebnisse darauf hin, dass eindimensionale Modelle mit geschätzten effektiven Materialeigenschaften die Dynamik heterogener, zweidimensionaler Gebiete mit komplizierter Topographie angemessen nachbilden können, wenn die Randbedingungen korrekt repräsentiert werden.