Siedlungswasserwirtschaft klimarobust gestalten

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1 F.-W. Bolle, P. Krebs (Hrsg.) Siedlungswasserwirtschaft klimarobust gestalten Methoden und Maßnahmen zum Umgang mit dem Klimawandel Klimawandel in Regionen zukunftsfähig gestalten / Band 9

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3 Klimaprojektionen und ihre Berücksichtigung bei der hydrologischen Modellierung Welchen Sinn hat ein Ensembleansatz? 1 Einleitung Regionale Klimaprojektionen liefern keine Prognosen über regionale Klimaänderungen. Sie projizieren vielmehr verschiedene Möglichkeiten regionaler Klimaänderungen in die Zukunft. Die projizierten Klimaänderungen spannen in ihrer Gesamtheit eine Bandbreite möglicher Entwicklungen des Klimas auf. Ursachen für die Bandbreiten sind die natürlichen Klimaschwankungen und Annahmen über die mögliche zukünftige sozioökonomische Entwicklung und die daraus resultierenden Emissionen klimarelevanter Gase und Aerosole, die als Randbedingung den Klimamodellen vorgegeben werden. Weitere Ursachen sind modellbedingt. Innerhalb der Bandbreite sind alle Ergebnisse als gleichwertig anzusehen, das heißt, prinzipiell können alle Ergebnisse in der Zukunft eintreten. Um nun alle möglichen Entwicklungen abbilden zu können, ist es zur gängigen Praxis in der Klimaforschung geworden, ein Ensemble von Klimaprojektionen zu verwenden. Ein Ensemble von Modellsimulationen kann aus verschiedenen Modellen mit nur einem Szenario (Multi-Modell-Ensemble), einem Modell und verschiedenen Szenarien (Multi-Szenario-Ensemble), einem Modell und verschiedenen Parametrisierungsansätzen (Multi-Parametrization-Ensemble) oder einem Modell, einem Szenario und verschiedenen Realisierungen (Multi-Member-Ensemble) bestehen (Hennemuth et al., 2013). In zunehmendem Maße werden Wirkungsmodelle (Impaktmodelle) eingesetzt, um zum Beispiel zukünftige Entwicklungen der Wasserressourcen zu projizieren. Somit drängen sich beim Modellanwender folgende Fragen auf: 1) Sollte ich die gesamte Bandbreite der Klimamodellergebnisse berücksichtigen?; 2) Kann mit

4 20 Klimamodelle und -projektionen in der siedlungswasserwirtschaftlichen Planung Impaktmodellen ebenfalls ein sinnvolles Ensemble errechnet werden?; 3) Wie interpretiere ich die Ergebnisse eines Impaktensembles?; und 4) Können Ergebnisse einzelner Modellketten überhaupt kombiniert werden? 2 Hydrologische Modelle 2.1 Das Modellspektrum Hydrologische Modelle weisen ein großes Anwendungsspektrum auf. Sie werden zur Berechnung des Wasserhaushalts ebenso benutzt wie zur Abflussseparierung, zur Hochwasservorhersage oder zur Simulation von Kanalnetzen. Im Gegensatz zu den Klimamodellen, die Projektionen liefern, handelt es sich bei den Ergebnissen hydrologischer Modelle um Prognosen. Da viele Programme nur für diesen Zweck entwickelt wurden, muss jeweils individuell geprüft werden, ob sich die jeweiligen hydrologischen Modelle für die Berechnung von Zukunftsprojektionen eignen oder nicht. Zur Klassifizierung hydrologischer Modelle bieten sich verschiedene Kriterien, wie die Prozessbeschreibung, die zeitliche und räumliche Auflösung oder das Ziel der Modellierung, an. Zieht man die Größe des Einzugsgebietes als Kriterium heran, so ergeben sich folgende Klassen: 1) der lokale Maßstab, der sich auf Standorte und kleine Einzugsgebiete bezieht; 2) der regionale Maßstab, der Einzugsgebiete bis etwa Quadratkilometer umfasst; und 3) der überregionale Maßstab, in dem Einzugsgebiete von Flusssystemen über etwa Quadratkilometer bearbeitet werden. Ein universelles hydrologisches Modell, das alle Skalenbereiche abdeckt, gibt es heute noch nicht und wird es auch in absehbarer Zukunft nicht geben (Liebscher & Mendel, 2010). Da in den jeweiligen Skalen unterschiedliche Prozesse dominieren, haben die einzelnen Modelle, die meist auf spezielle Problemlösungen oder Fragestellungen ausgerichtet sind, ihre Daseinsberechtigung. 2.2 Vergleichbarkeit der hydrologischen Modelle Der bedeutendste Faktor, der die Modellanwendungen begrenzt, ist die Verfügbarkeit der Eingangsdaten (unter anderem hydrologische, hydrogeologische und pedologische Daten). Dies bezieht sich sowohl auf Zeitreihen als auch auf räumlich verteilte Daten. Wie bei allen Modellansätzen gilt auch hier: Je komplexer ein

5 Klimaprojektionen und ihre Berücksichtigung bei der hydrologischen Modellierung 21 Modell ist, desto mehr Prozesse sind enthalten und dementsprechend viele Parameter gehen ein. So kann beispielweise die potenzielle Evapotranspiration, ein häufig verwendeter Modellparameter, mit drei, aber auch mit zehn Messgrößen berechnet werden (vgl. Bender & Schaller, 2012). Je mehr Parameter jedoch in einem Modell festzulegen sind, desto mehr Fehlerquellen sind vorhanden. Dies ist besonders dann der Fall, wenn nicht alle Eingangsgrößen als Messwerte vorliegen, sondern durch numerische Berechnung generiert oder auf andere Weise abgeschätzt werden. Betroffen sind wichtige Modellgrößen wie der zukünftige Wasserverbrauch, veränderte Landnutzung oder Änderungen bei der Flächenversiegelung. In der Praxis hat sich zudem gezeigt, dass es aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen an Eingangsdaten (Parameterzahl, räumliche und zeitliche Auflösungen) häufig sinnvoll ist, in verschiedenen Maßstabsebenen (zum Beispiel lokal, regional, national) zu arbeiten. Ein Vorteil dieser Vorgehensweise sind die Reduktion der Anforderungen an Monitoringprogramme und die damit verbundenen Kosten. Mit der Modellierung von Teilbereichen können zudem störende Einflüsse wie eine heterogene Verteilung der Beobachtungs- und Messpunkte verringert werden. Vergleichende Modellstudien belegen, dass die Ergebnisse hydrologischer Modellierungen von den jeweiligen Modellansätzen und deren Parametrisierung geprägt werden (Holländer et al., 2009). Noch deutlicher macht sich jedoch der Einfluss des Modellierers bemerkbar. In vielen Fällen scheint das Expertenwissen (Wie kann ich Fragestellungen modeltechnisch am besten lösen, bzw. wie kann ich fehlende Modellangaben ersetzen?) den Einfluss des Modells zu überwiegen (Bormann et al., 2011; Diekkrüger et al., 1995). Dies schließt auch den Modellaufbau sowie die Parametrisierung der Anfangs- und Randbedingungen mit ein. Aber auch die Kenntnis standortbezogener Einflussgrößen, die zum Beispiel durch eine Ortsbegehung erlangt werden kann, ist eine nicht zu unterschätzende Größe, da der visuelle Eindruck häufig zu einem anderen Modellaufbau führt als das Arbeiten ohne weiterführende, standortspezifische Zusatzinformationen. Offen ist die Frage, wie die Datenverfügbarkeit die Ergebnisse beeinflusst. Generell ist die Vergleichbarkeit von Modellergebnissen schwierig, da sich die Modelle zumeist hinsichtlich ihrer Komplexität, der verwendeten Zeitschritte und der zu betrachtenden Prozesse unterscheiden. Als Grundlage für einen Vergleich müsste zunächst eine standardisierte Vorgehensweise erarbeitet werden, die eine Definition der Referenz- und Beobachtungszeiträume einschließt, um eine Vergleichbarkeit zumindest ansatzweise zu ermöglichen.

6 22 Klimamodelle und -projektionen in der siedlungswasserwirtschaftlichen Planung 3 Modellketten und Ensembles 3.1 Die Modellkette Um zukünftige Entwicklungen im Bereich der terrestrischen Wassersysteme oder der Wasserressourcen mithilfe hydrologischer Modelle abschätzen zu können, muss zunächst eine Modellkette durchlaufen werden. Ausgangspunkt der Kette ist die Wahl eines Klimaszenarios. Dieses beschreibt eine mögliche Zukunft und wird im Rahmen der Klimaforschung auf berechnete Klimaprojektionen bezogen, die auf SRES-Emissionsszenarien (z. B. A1, B1, A2 und B2) beruhen (IPCC, 2001). In ihnen werden Annahmen zur technologischen, ökonomischen, ökologischen sowie demografischen Entwicklung gemacht, die als Grundlage zur Berechnung der Treibhausgaskonzentrationen bis zum Jahr 2100 herangezogen werden. Das gewählte Klimaszenario, das nur eine mögliche zukünftige Entwicklung widerspiegelt, dient als eine Randbedingung für die verwendeten Klimamodelle. Unter Vorgabe der Treibhausgaskonzentrationen werden aus globalen und nachfolgend für ausgewählte Regionen durchgeführten, regionalen Klimamodellprojektionen Eingangsdaten für die Wirkmodelle bzw. Wirkmodellketten generiert. Durch Kombination unterschiedlicher Klimaszenarien, globaler Klimamodelle, regionaler Klimamodelle und hydrologischer Impaktmodelle kann theoretisch eine große Anzahl möglicher Modellketten aufgebaut werden, deren Ergebnisse in ihrer Gesamtheit die mögliche Bandbreite der zukünftigen Entwicklung aufspannen. Ensemblesimulationen werden verwendet, um die Unschärfe der Modellierung aufgrund unterschiedlicher Vereinfachungen und Parametrisierungen zu berücksichtigen und sie als Bandbreite möglicher Entwicklungen des Klimas abzubilden (Jacob et al., 2012). Dies schließt Modellvereinfachungen, Unsicherheiten in Bezug auf die Startbedingungen des Klimasystems sowie Unsicherheiten externer Faktoren wie zum Beispiel des menschlichen Handelns mit ein. Dabei gilt generell, je größer das vorhandene Ensemble von Modellprojektionen ist, desto sinnvoller ist die Durchführung einer Robustheitsanalyse zur Bewertung der Modellergebnisse. Mithilfe dieser Analyse lässt sich die Verlässlichkeit der Aussagen ableiten (Pfeifer et al., 2013).

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