Die vorliegende Arbeit
'Abflußentwicklung in Teileinzugsgebieten des Rheins - Simulationen für
den Ist-Zustand und für Klimaszenarien' untersucht Auswirkungen möglicher
zukünftiger Klimaänderungen auf das Abflußgeschehen in ausgewählten, durch
Mittelgebirge geprägten Teileinzugsgebieten des Rheins: Mosel (bis Pegel
Cochem); Sieg (bis Pegel Menden 1) und Main (bis Pegel Kemmern).<br><br>In einem ersten Schritt
werden unter Verwendung des hydrologischen Modells HBV-D wichtige
Modellprozesse entsprechend der Einzugsgebietscharakteristik
parametrisiert und ein Abbild der Gebietshydrologie erzeugt, das mit
Zeitreihen gemessener Tageswerte (Temperatur, Niederschlag) eine Zeitreihe
der Pegeldurchflüsse simulieren kann. Die Güte der Simulation des
Ist-Zustandes (Standard-Meßzeitraum 1.1.1961-31.12.1999) ist für die
Kalibrierungs- und Validierungszeiträume in allen Untersuchungsgebieten
gut bis sehr gut.<br>Zur Erleichterung der
umfangreichen, zeitaufwendigen einzugsgebietsbezogenen Datenaufbereitung
für das hydrologische Modell HBV-D wurde eine Arbeitsumgebung auf Basis
von Programmerweiterungen des Geoinformationssystems ArcView und
zusätzlichen Hilfsprogrammen entwickelt. Die Arbeitsumgebung HBV-Params
enthält eine graphische Benutzeroberfläche und räumt sowohl erfahrenen
Hydrologen als auch hydrologisch geschulten Anwendern, z.B. Studenten der
Vertiefungsrichtung Hydrologie, Flexibilität und vollständige Kontrolle
bei der Ableitung von Parameterwerten und der Editierung von Parameter-
und Steuerdateien ein. Somit ist HBV-D im Gegensatz zu Vorläuferversionen
mit rudimentären Arbeitsumgebungen auch außerhalb der Forschung für Lehr-
und Übungszwecke einsetzbar.<br><br>In einem zweiten Schritt werden
Gebietsniederschlagssummen, Gebietstemperaturen und simulierte Mittelwerte
des Durchflusses (MQ) des Ist-Zustandes mit den Zuständen zweier
Klimaszenarien für den Szenarienzeitraum 100 Jahre später (2061-2099)
verglichen. Die Klimaszenarien beruhen auf simulierten Zirkulationsmustern
je eines Modellaufes zweier Globaler Zirkulationsmodelle (GCM), die mit
einem statistischen Regionalisierungsverfahren in Tageswertszenarien
(Temperatur, Niederschlag) an Meßstationen in den Untersuchungsgebieten
überführt wurden und als Eingangsdaten des hydrologischen Modells
verwendet werden.<br>Für die zweite Hälfte des 21.
Jahrhunderts weisen beide regionalisierten Klimaszenarien eine Zunahme der
Jahresmittel der Gebietstemperatur sowie eine Zunahme der Jahressummen der
Gebietsniederschläge auf, die mit einer hohen Variabilität einhergeht.
Eine Betrachtung der saisonalen (monatlichen) Änderungsbeträge von
Temperatur, Niederschlag und mittlerem Durchfluß zwischen
Szenarienzeitraum (2061-2099) und Ist-Zustand ergibt in allen
Untersuchungsgebieten eine Temperaturzunahme (höher im Sommer als im
Winter) und eine generelle Zunahme der Niederschlagssummen (mit starken
Schwankungen zwischen den Einzelmonaten), die bei der hydrologischen
Simulation zu deutlich höheren mittleren Durchflüssen von November bis
März und leicht erhöhten mittleren Durchflüssen in den restlichen Monaten
führen. Die Stärke der Durchflußerhöhung ist nach den individuellen
Klimaszenarien unterschiedlich und im Sommer- bzw. Winterhalbjahr
gegenläufig ausgeprägt. Hauptursache für die simulierte starke Zunahme der
mittleren Durchflüsse im Winterhalbjahr ist die trotz Temperaturerhöhung
der Klimaszenarien winterlich niedrige Evapotranspiration, so daß erhöhte
Niederschläge direkt in erhöhten Durchfluß transformiert werden können.<br>Der Vergleich der Untersuchungsgebiete zeigt in
Einzelmonaten von West nach Ost abnehmende Änderungsbeträge der
Niederschlagssummen, die als Hinweis auf die Bedeutung der
Kontinentalitätseinflüsse auch unter geänderten klimatischen Bedingungen
in Südwestdeutschland aufgefaßt werden könnten.<br>Aus den regionalisierten Klimaszenarien werden
Änderungsbeträge für die Modulation gemessener Zeitreihen mittels
synthetischer Szenarien abgeleitet, die mit einem geringen Rechenaufwand
in hydrologische Modellantworten überführt werden können. Die direkte
Ableitung synthetischer Szenarien aus GCM-Ergebniswerten (bodennahe
Temperatur und Gesamtniederschlag) an einzelnen GCM-Gitterpunkten
erbrachte unbefriedigende Ergebnisse.<br>Ob, in welcher Höhe und zeitlichen Verteilung die in den (synthetischen) Szenarien verwendeten Niederschlags- und Temperaturänderungen eintreten werden, kann nur die Zukunft zeigen. Eine Abschätzung, wie sich die Abflußverhältnisse und insbesondere die mittleren Durchflüsse der Untersuchungsgebiete bei möglichen Änderungen entwickeln würden, kann jedoch heute schon vorgenommen werden. <br><br>Simulationen auf Szenariogrundlagen sind ein Weg,
unbekannte zukünftige Randbedingungen sowie regionale Auswirkungen
möglicher Änderungen des Klimasystems ausschnittsweise abzuschätzen und
entsprechende Risikominderungsstrategien zu entwickeln. Jegliche
Modellierung und Simulation natürlicher Systeme ist jedoch mit
beträchtlichen Unsicherheiten verknüpft. Vergleichsweise große
Unsicherheiten sind mit der zukünftigen Entwicklung des sozioökonomischen
Systems und der Komplexität des Klimasystems verbunden. Weiterhin haben
Unsicherheiten der einzelnen Modellbausteine der Modellkette
Emissionsszenarien/Gaszyklusmodelle - Globale
Zirkulationsmodelle/Regionalisierung - hydrologisches Modell, die eine
Kaskade der Unsicherheiten ergeben, neben Datenunsicherheiten bei der
Erfassung hydrometeorologischer Meßgrößen einen erheblichen Einfluß auf
die Vertrauenswürdigkeit der Simulationsergebnisse, die als ein
dargestellter Wert eines Ergebnisbandes zu interpretieren sind.<br><br>Der Einsatz <br>(1) robuster hydrologischer Modelle, die insbesondere temperaturbeeinflußte Prozesse adäquat beschreiben,<br>(2) die Verwendung langer Zeitreihen (wenigsten 30 Jahre) von Meßwerten und<br>(3) die gleichzeitige vergleichende Betrachtung von Klimaszenarien, die auf unterschiedlichen GCMs beruhen (und wenn möglich, verschiedene Emissionsszenarien berücksichtigen),<br>sollte aus Gründen der wissenschaftlichen Sorgfalt, aber auch der besseren Vergleichbarkeit der Ergebnisse von Regionalstudien im noch jungen Forschungsfeld der Klimafolgenforschung beachtet werden. / This thesis 'Development of
runoff in subcatchments of the River Rhine - simulations of the current
state and for climate change scenarios' investigates the impacts of
possible future climate changes on runoff and runoff regime in selected
subcatchments of the River Rhine. The regional climate in the selected
subcatchments Mosel (up to gauge Cochem), Sieg (gauge Menden 1) and Main
(gauge Kemmern) is affected by the middle mountain ranges.<br><br>In a first step, important model processes are parameterized according to catchment characteristics. A representation of the regional hydrology is then produced by using the hydrological model HBV-D. Based on time series of daily measurements (temperature, precipitation) at stations within the catchment, this representation can be used to realistically simulate time series of runoff and discharge. <br>In all examined areas, the quality of simulations of the calibration and validation periods for the current state (standard period of measurements 01/01/1961-12/31/1999) can be regarded as good to excellent. <br>To aid the catchment-specific, extensive and time-consuming data processing, a working environment for the hydrological model HBV-D has been developed. It is based on program extensions of the geographical information system ArcView and further programs. The working environment HBV-Params contains a graphical interface that gives both experienced hydrologists and students full control and enables them to flexibly derive parameter values and edit parameter and control files. In contrast to previous versions with only rudimentary working environments, HBV-D can therefore be utilized for research as well as for educational purposes. <br><br>In a second step, the current states of areal precipitation, areal temperature and simulated mean discharge (MQ) are compared to the corresponding states for two scenarios of future climate changes (100 years later, 2061-2099). These scenarios are based on simulated global circulations of one model run for each of two global circulation models (GCM). These global circulations are regionalized (downscaled) using a statistical approach into scenario time series of daily values (temperature, precipitation - input for the hydrological model) at control stations within the individual catchments. <br>For the second half of the 21st century, both regionalized climate change scenarios indicate increases in the mean annual areal temperature and mean annual sum of precipitation, along with a high variability of the latter. The seasonal (monthly) changes in temperature, precipitation and mean discharge between scenario state (2061-2099) and current state indicate increases in temperature (higher in summer than in winter) as well as a general increase in precipitation sums (strong fluctuations between individual months). In the hydrological simulations for all investigated catchments, this results in considerably higher mean discharges from November to March and small increases in mean discharge for the other months. The magnitude of the increases in discharge depends on the individual climate change scenario, one showing higher increases than the other during the summer half-year and vice versa for the winter half-year. The main reason for the simulated strong increase in mean discharge during winter half-year is, in spite of higher temperatures, the still relatively low evapotranspiration which allows higher precipitation to be directly transformed into higher discharges. <br>The comparison of the investigated catchments shows decreasing amounts of changes in the sum of precipitation from West to East in individual months. This indicates the importance of continentality under changed climatic conditions in Southwest Germany. <br>For the modification of measured time series (temperature, precipitation), which can be easily converted as synthetic scenarios into simulated hydrological results, amounts of change are derived from regionalized (downscaled) climate change scenarios. The derivation of synthetic scenarios directly from GCM output at individual GCM gridpoints yielded unsatisfactory results. <br>Only the future itself can show whether the timing and amount of changes in temperature and precipitation used in (synthetic) climate change scenarios come close to reality. An assessment of possible developments in runoff regime and specifically mean discharge under possible changed climatic conditions in the investigated catchments is already feasible today. <br><br>Simulations based on scenarios are one way to establish unknown future boundary conditions for the estimation of regional impacts of possible changes of the climate system. Nevertheless, all types of modeling and simulation of natural systems are linked with uncertainties. Rather large uncertainties persist regarding the future development of the socio-economic system and the complexity of the climate system and earth system. Furthermore, besides data uncertainties associated with the measurement of hydro-meteorological values, uncertainties associated with individual components of the model chain emission scenarios/gas cycle model - GCM/regionalization - hydrological model, which form a cascade of uncertainty, have a great influence on the trustworthiness of the simulation results (which are understood as one shown value within a range of results). <br><br>In the young field of climate impact research the use of <br>(1) robust hydrological models that adequately describe temperature-dependent processes,<br>(2) long time series (at least 30 years long) of measurements, <br>(3) concurrent comparisons of climate change scenarios, based on different GCMs (and, if possible, different emission scenarios)<br>should be considered for reasons of scientific thoroughness and to improve comparability of regional impact studies.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:Potsdam/oai:kobv.de-opus-ubp:220 |
| Date | January 2003 |
| Creators | Schwandt, Daniel |
| Publisher | Universität Potsdam, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät. Institut für Geoökologie |
| Source Sets | Potsdam University |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | Text.Thesis.Doctoral |
| Format | application/pdf |
| Rights | http://opus.kobv.de/ubp/doku/urheberrecht.php |
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