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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)
Daten: Wodinski, Gerstengarbe und Werner, PIK Potsdam
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
denp
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
Landbedeckung Landnutzung
Klima: Strahlung, Temperatur & Niederschlag
Biomasse
Wurzeln
LAI
Pflanzen-wachsum
Stickstoffkreilauf
Phosphorkreislauf
N-NO3 No-ac No-st Nres
Plab Pm-ac Pm-st
Porg Pres
Wasserkreislauf
Flaches Grundwasser
TiefesGrundwasser
BCB
oden
prof
il
A
Landbedeckung Landnutzung
Klima: Strahlung, Temperatur & Niederschlag
Biomasse
Wurzeln
LAI
Pflanzen-wachsum
Stickstoffkreilauf
Phosphorkreislauf
N-NO3 No-ac No-st Nres
Plab Pm-ac Pm-st
Porg Pres
Wasserkreislauf
Flaches Grundwasser
TiefesGrundwasser
BCB
oden
prof
il
A
Wasserkreislauf
Flaches Grundwasser
TiefesGrundwasser
BCB
oden
prof
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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+%
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+%
0
5
10
15
20
25
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]
Abfluss beobachtetAbfluss simuliert
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]
Abfluss beobachtetAbfluss simuliert
Szenarienergebnisse
[mm]
Oberflchenabfluss
Gundwasserneubildung
Anz
ahl S
imul
atio
nen
[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*
-22.5 %14 signifikant*
-11.2 %11 signifikant*
Mittel 2051-2055
*Mittelwertvergleich (Referenz - Szenariorealisation) mit t-Test, p0.05)
Forschungsschwerpunkt nachhaltige Wasserwirtschaft (Das Beispiel des deutschen Elbegebietes)
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
el N
eu D
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
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
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
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0D
urch
fluss
[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
Forschungsschwerpunkt nachhaltige Wasserwirtschaft (Das Beispiel des deutschen Elbegebietes)
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
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
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)