Auswirkungen des Klimawandels auf den Wasserhaushaltstock/lectures/lectures_old/2007-06-01... · (Kaltofen et al. 2004) Ziel: 8m3/s Ohne weitere Maßnahmen kann unter Szenarienbe-dingungen

Potsdam Institut fr KlimafolgenforschungMitglied der Gottfried Wilhelm Leibniz Gesellschaft

Potsdam, 05. Februar 2007

Fred F. Hattermann, Potsdam Institut fr Klimafolgenforschung

Auswirkungen des Klimawandels auf den Wasserhaushalt

Einleitung Die Analyse langjhriger Zeitreihen zeigt, dass das Klima der Erde

gegenwrtig einem signifikanten Wandel unterliegt (IPCC 2007). ber nderungen im Niederschlag, der Temperatur und der

Strahlungsbilanz wirkt sich der Klimawandel auf den regionalen Wasserhaushalt aus.

Dabei werden die Klimaeffekte noch durch menschliche Eingriffeberlagert.

Die Folgen fr die europische Wasserwirtschaft knnen je nach Region und Sektor schwerwiegend sein und sollten im Sinne eines nachhaltigen Ressourcenmanagements in der wasserwirtschaftlichen Planung Bercksichtigung finden.

Dazu ist es notwendig, die Bandbreite der mglichen nderungen zu erforschen.

Potsdam Institute for Climate Impact ResearchMember of the Gottfried Wilhelm Leibniz Society

IPCC, Part I (2007): The Scientific Basis. Contributions of Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Technical report, Cambridge University Press.

Gliederung

Einfhrung

Das Elbegebiet- Klimawandel im Elbegebiet- Das Projekt GLOWA Elbe

Modellierung des Wasserhaushaltes

Szenarienergebnisse

Ausblick

Einfhrung: Der Globale Wasserkreislauf

Die Zahlen geben den Transport in 100 km pro Jahr an.

Hintergrund: Lokale Wasserbilanz in Potsdam

Wasserhaushaltsgleichung: Niederschlag = Abfluss + Verdunstung +/- Speichernderung

Niederschlag in Potsdam ~600mmVerdunstung in Potsdam ~500mmDer Rest = Abfluss (100 mm) fliet ber die Flsse zum Meer

Daraus folgt: eine Niederschlagsnderung von 10% des Niederschlags oder der Verdunstung entspricht ca. 50% des Abflusses.

(1mm Niederschlag entspricht 1 Liter Wasser pro Quadratmeter)

Der Klimawandel in Europa Beobachtungen 1 (nderung des Niederschlags in Europa ber das 20. Jahrhundert)

[mm]SommerWinter

Gesamtjahr

rot negativblau positiv

Quelle: PIK Datenbank PixDat

Der Klimawandel in Europa Beobachtungen 2 (Kumulative Nettobilanz des Eises in den wichtigsten Gletschergebieten Europas)

Frauenfelder, WGMS (2003) aus: EEA Report No 2/2004

Der Grafik folgend sank das Volumen aller europischen Gletscher bis auf das der norwegischen, da hier die Menge des Schneefalls zunahm.

Szenario: nderung des Niederschlages (IPCC 2007)(rot - negativ, blau - positiv)

2080 - 2099

Wasserbezogene Probleme im Elbegebiet

Es gibt drei Formen von wasserbezogenen Problemen in Flusseinzugs-gebieten (Kundzewicz et al. 2002 ):

1. Zu viel Wasser

2. Zu wenig Wasser

3. Wasserqualitt

Wichtigste Forschungsdefizite gem Expertenbefragung*:

Hochwassergefahr

Hufigere und ausgedehntere Drreperioden im Sommer

Unsicherheiten in den Klimaszenarien

Diffuse Stoffeintrge in die Oberflchengewsser

* Daten: Deutsches Verbundprojekt GLOWA-Elbe und europisches Verbundprojekt NeWater

Forschungsschwerpunkt nachhaltige Wasserwirtschaft (Das Beispiel des deutschen Elbegebietes)

Daten: Wodinski, Gerstengarbe und Werner, PIK Potsdam

Niederschlagsmittel 1951-2000 Trend des Niederschlages 1951-2003 Rckgang der Niederschlge im Osten, Zunahme der Niederschlge im Westen

Entwicklung der beobachteten Niederschlge im Elbeeinzugsgebiet

Das Elbeeinzugsgebiet

Moderates Klima (8.6C mittlere Temperatur, 715 mm Jahresniederschlag)

Zweitniedrigstes Wasserdargebot pro Kopf in Europa (680 m3).

Fragestellungen

Wie Manifestiert sich der Klimawandel im Elbegebiet?

Welche Folgen hat das fr den Wasserhaushalt?

Wie kann das Wasser nachhaltig bewirtschaftet werden?

Welche Methoden mssen dazu entwickelt werden?

Projekt GLOWA: Klimawandel und Anpassungsoptionen im Elbeeinzugsgebiet

Jetzt Zukunft

Wasserdargebot

Wassernutzung

Wasser-management

Managementoptionen

Szenarien des zuknftigen Bedarfs

Szenarien des globalen Wandels

KlimaLandnutzung

Wasserbedarf

Forschungsschwerpunkt nachhaltige Wasserwirtschaft (Klimatische Wasserbilanz im Elbeeinzugsgebiet 1951-2055)


Reg

iona

lG

loba

l

ECHAM5Globales Klimanderungszenario

WATSIMGlobale Agrarmrkte

Landnutzungswandel Klimawandel

Land

scha

ft

SWIM1) Potentielle Ertrge unter

Klimawandel

2) Landschaftswasser-haushaltunter globalem Wandel

100 Realisationen

4 Szenarien

Wasserqualitt:QSIM/Moneris

Tgliche Abflsse

Wasserwirtschaft:WBalMo

Monatliche Abflsse

Ertragspotentiale

Stickstoff-berschsse

Soziokonomie, Kraftwerke,

Tourismus, Industrie etc.

Bewertung

STAR/REMORegionale Klimaszenarien

RAUMIS1) Optimierung der landw.

Einkommen

2) Anbauverteilungen unter Globalem Wandel

Brandenburg

Biomasse

Wurzeln

BFI

Pflanzen-wachsum

Stickstoffkreislauf

Phosphorkreislauf

N-NO3 No-ac No-st Nres

Plab Pm-ac Pm-st

Porg Pres

Wasserkreislauf

Flaches Grundwasser

TiefesGrundwasser

BCBo

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rofil

A

Landbedeckung Landnutzung

Klima: Strahlung, Temperatur & Niederschlag

c

b

a

d

OF-Abfluss

GW-Neubildung

Perkolation

Interflow

Basisabfluss

Pflanzenaufnahme

OF-Abfluss

GW-Neubildung

Perkolation

Interflow

Basisabfluss

Pflanzenaufnahme



Biomasse

Wurzeln

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Pflanzen-wachsum

Stickstoffkreilauf

Phosphorkreislauf


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Wasserkreislauf

Flaches Grundwasser

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A



Biomasse

Wurzeln

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Pflanzen-wachsum

Stickstoffkreilauf

Phosphorkreislauf


Plab Pm-ac Pm-st

Porg Pres

Wasserkreislauf

Flaches Grundwasser

TiefesGrundwasser

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A

Wasserkreislauf

Flaches Grundwasser

TiefesGrundwasser

BCB

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il

A

Das Modell SWIM: Regionalisierung(Soil and Water Integrated Model, Krysanova et al. 2000)

Hydrologische Prozesse in SWIMHydrologische Prozesse in SWIM

groundwater flowgroundwater

soil watercontent

evaporation

relative humidity

wind speed

air temperature

net radiation

surface roughness

LAI

transpiration

passage time tper layer

hydraulicconductivity

fieldcapacity

saturatedconductivity

percolation

drainable waterfrom the saturated

zone

slope length

drainage porosity

subsurface drainage

retentioncoefficient

surface drainage

land use

soil texture

management

slope

precipitation

capillary rise

1. Modellkalibrierung/-validierung:Multiskalige Untersuchungen

!

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5

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1/1/83 4/1/83 7/1/83 10/1/83 1/1/84 4/1/84 7/1/84 10/1/84

[m3/

s]

Abfluss beobachtetAbfluss simuliert

0

50

100

150

200

250

300

1/1/83 4/1/83 7/1/83 10/1/83 1/1/84 4/1/84 7/1/84 10/1/84[m

3/s]


020406080

100120140160

1/1/83 4/1/83 7/1/83 10/1/83 1/1/84 4/1/84 7/1/84 10/1/84

[m3/

s]


Szenarienergebnisse

[mm]

Oberflchenabfluss

Gundwasserneubildung

Anz

ahl S

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[mm]

Niederschlag

Verdunstung

50 % enthalten

Wasserhaushalt unter Globalem Wandel:100 Simulationen Integriert fr das Gesamtgebiet

80 % enthalten Mittel 1961-1990

-1.5 %2 signifikant*

+6.8 %14 signifikant*



Mittel 2051-2055

*Mittelwertvergleich (Referenz - Szenariorealisation) mit t-Test, p0.05)


Entwicklung der Niederschlge und der Grundwasserneubildung unter Szenariobedingungen

(Differenz 2055-2055 zu 1961-1990 => rot negativ, blau positiv)

Differenz Grundwasser-neubildung

[mm]

[mm]

Differenz Jahresniederschlge

Grundwasserneubildungskarten Referenz und Szenario

Referenz (1960-90)

[mm]

Szenario (2051-55)

[mm]

Differenz Szenario-Referenz

[mm]

Variabilittskoeffizient

[%]

nderung der Saisonalitt des Abflusses in der Elbe

0100200300400500600700800900

1000

J F M A M J J A S O N D

Monat

Abf

luss

am

Elb

epeg

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arch

au in

m

3 s-1

100 % der Simulationen 2051-5550 % der Simulationen 2051-55simuliertes Mittel 1961-1990

Forschungsschwerpunkt nachhaltige Wasserwirtschaft (Pegel Groe Trnke, Berlin-Zufluss der Spree, Juli-Werte)

03-07 08-12 13-17 18-22 23-27 28-32 33-37 38-42 43-47 48-525-Jahres-Perioden (2003 - 2052)

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0D

urch

fluss

[m3 /

s]

Basis_stabilBasis_wandelOderBln_wandelBedarfberleitungsmenge

03-07 08-12 13-17 18-22 23-27 28-32 33-37 38-42 43-47 48-525-Jahres-Perioden (2003 - 2052)

0.0

1.0

2.0

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5.0

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urch

fluss

[m3 /

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03-07 08-12 13-17 18-22 23-27 28-32 33-37 38-42 43-47 48-525-Jahres-Perioden (2003 - 2052)

0.0

1.0

2.0

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5.0

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9.0D

urch

fluss

[m3 /

s]


03-07 08-12 13-17 18-22 23-27 28-32 33-37 38-42 43-47 48-525-Jahres-Perioden (2003 - 2052)

0.0

1.0

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[m3 /

s]

Basis_stabilBasis_wandelOderBln_wandelBedarfberleitungsmengeTagebauwassereinleitung

minus Infiltrationsverluste

03 0 08 3 8 3 8 3 33 3 38 3 8 5Perioden

Speicher Lohsa II/ BrwaldeTalsperren Bautzen/ Quitzdorf

Talsperre Spremberg

Cottbuser See

(Kaltofen et al. 2004)

Ziel: 8m3/s

Ohne weitere Manahmen kann unter Szenarienbe-dingungen das Ziel von 8m3/s nicht gehalten werden

Durch eine angepasste Steuerung kann auch unter Szenarienbedingungen das Ziel von 8m3/s gehalten werden


Winterweizen

-30--20-20--10-10- 00 - 1010- 2020- 3030- 40

[%]

[%]

Silomais

-30--20-20--10-10- 00 - 1010- 2020- 3030- 40

[%]

nderung der landwirtschaftlichen Ertrge unter Klimanderung: Whrend die potentiellen Ertrge fr Winterweizen fast im gesamten Elbegebiet zurckgehen, steigen sie fr Silomais dort an, wo der Rckgang der jhrlichen Niederschlge nicht zu extrem ist.

Entwicklung der landwirtschaftlichen Ertrge unter Klimanderung(Differenz der Ertrge 2046-2055 zu 1991-2000 => rot negativ, grn positiv)

Forschungsschwerpunkt Hochwasser


Niederschlagsmittel 1951-2000 Trend des Niederschlages 1951-2003 Rckgang der Niederschlge im Osten, Zunahme der Niederschlge im Westen

Entwicklung der beobachteten Niederschlge im Elbeeinzugsgebiet

Forschungsschwerpunkt Hochwasser (Mgliche Zunahme von Hochwassern im Rheingebiet unter Klimawandel)

(Menzel et al. 2006)

Forschungsschwerpunkt Hochwasser (Einfluss des Klimas und der Landnutzung auf die Hochwasserbildung)

hhere Abflussgeschwindigkeitgeringerer Rckhalt in den Flussauen

1820

1870

1990

Der Oberrhein bei BreisachOberrhein nrdlich von Basel (IsteinerKlotz) um 1800(Gemlde von Peter Birrmann, Kunst-museum Basel)

Wasserstrae Rhein nrdlich Breisach

Vielen Dank!

Auch an Michael Kaltofen, Frank Wechsung, Martin Wodinski und Tobias

Conradt

GliederungEinfhrung: Der Globale WasserkreislaufHintergrund: Lokale Wasserbilanz in PotsdamDer Klimawandel in Europa Beobachtungen 1 (nderung des Niederschlags in Europa ber das 20. Jahrhundert)Der Klimawandel in Europa Beobachtungen 2 (Kumulative Nettobilanz des Eises in den wichtigsten Gletschergebieten Europas)Szenario: nderung des Niederschlages (IPCC 2007)(rot - negativ, blau - positiv)Wasserbezogene Probleme im ElbegebietForschungsschwerpunkt nachhaltige Wasserwirtschaft (Das Beispiel des deutschen Elbegebietes)Das ElbeeinzugsgebietFragestellungenProjekt GLOWA: Klimawandel und Anpassungsoptionen im ElbeeinzugsgebietForschungsschwerpunkt nachhaltige Wasserwirtschaft (Klimatische Wasserbilanz im Elbeeinzugsgebiet 1951-2055)Das Modell SWIM: Regionalisierung(Soil and Water Integrated Model, Krysanova et al. 2000)Hydrologische Prozesse in SWIM1. Modellkalibrierung/-validierung:Multiskalige UntersuchungenWasserhaushalt unter Globalem Wandel:100 Simulationen Integriert fr das GesamtgebietForschungsschwerpunkt nachhaltige Wasserwirtschaft (Das Beispiel des deutschen Elbegebietes)Grundwasserneubildungskarten Referenz und Szenarionderung der Saisonalitt des Abflusses in der ElbeForschungsschwerpunkt nachhaltige Wasserwirtschaft (Pegel Groe Trnke, Berlin-Zufluss der Spree, Juli-Werte)Forschungsschwerpunkt nachhaltige Wasserwirtschaft (Das Beispiel des deutschen Elbegebietes)Forschungsschwerpunkt Hochwasser Forschungsschwerpunkt Hochwasser (Mgliche Zunahme von Hochwassern im Rheingebiet unter Klimawandel)Forschungsschwerpunkt Hochwasser (Einfluss des Klimas und der Landnutzung auf die Hochwasserbildung)

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Auswirkungen des Klimawandels auf den Wasserhaushaltstock/lectures/lectures_old/2007-06-01... · (Kaltofen et al. 2004) Ziel: 8m3/s Ohne weitere Maßnahmen kann unter Szenarienbe-dingungen