NEWSLETTER Projekt NEYMO Nummer 6 / September 2013

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1 Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej Państwowy Instytut Badawczy NEWSLETTER Projekt NEYMO Nummer 6 / September 2013 NEYMO Lausitzer Neiße / Nysa Łużycka - Klimatische und hydrologische Modellierung, Analyse und Prognose Schwerpunkte : Klimaanalyse, Klimaprojektion, hydrologische Modelle, Wasserhaushaltsmodellierung Einführung Für das länderübergreifende Projekt zur hydrologischen und klimatischen Modellierung im Einzugsgebiet der Lausitzer Neiße wurden erste Ergebnisse ausgewertet. Die Niederschlagscharakteristik des aktuellen und zukünftig zu erwartenden Klimas im deutsch-polnischen Grenzgebiet wurde auf Grundlage eines gemeinsam erstellten Klimadatensatzes ermittelt. Für Angaben zum aktuellen und projizierten Wasserhaushalt der Lausitzer Neiße Region werden Simulationen mit geeichten Modellen durchgeführt. Eine Region im Klimawandel - Klimatische Randbedingungen und Klimaprojektionen im Einzugsgebiet der Lausitzer Neiße Gegenwärtiges Klima Zur Charakterisierung des Klimas in der Region wurde die 30-jährige Referenzreihe gewählt. Der Wandel der klimatischen Bedingungen wird durch Trenduntersuchungen über den Zeitraum dargestellt. Schwerpunkt der Untersuchungen in NEYMO sind die Auswirkungen auf das Wasserdargebot. Die Auswertungen werden anhand von statistischen Kennwerten durchgeführt, die die Klimabedingungen unter bestimmten Gesichtspunkten beschreiben. Dazu gehören die klimatischen Größen, die den Wassereintrag und -verluste maßgebend bestimmen: Niederschlag, Temperatur, Sonneneinstrahlung und Verdunstung. Trends können zwischen den Stationen stark variieren. Viele meteorologische Elemente und Phänomene sind höhenabhängig. Um entsprechend typische Muster erkennen zu können, wurde die Analyse für vier Höhenbereiche durchgeführt. Die Jahresmitteltemperatur des Untersuchungsgebiets beträgt 8.6 C. In Regionen, die höher als 650 m liegen, ist es mit im Mittel 3.3 C deutlich kühler als im Flachland (9.0 C) (Tab. 1). Die Temperatur und die Länge der thermischen Vegetationsperiode, als ein bedeutendes Maß für die Landwirtschaft, nahmen im gesamten Gebiet meist signifikant zu (1-1.2 C, Tage) (Abb. 1). Der Gebietsniederschlag im Referenzzeitraum beträgt im Mittel 643 mm. Auch hier lässt sich eine signifikante Abhängigkeit von der Höhenlage beobachten. Die höchsten Jahresniederschläge wurden in den Kammlagen mit 1183 mm und die niedrigsten mit 608 mm im Tiefland gemessen. Sowohl im Sommer- als auch im Winterhalbjahr (SHJ, WHJ) nahm der Niederschlag in den letzten 40 Jahren in allen Höhenregionen zu. Tage an denen mehr als 10 mm Niederschlag fällt (R10 mm), kommen in höheren Lagen häufiger als in tieferen Lagen vor und zeigen durchgehend positive Tendenzen in den letzten 40 Jahren. Noch extremere Ereignisse zeigen keine eindeutigen Tendenzen. Tab. 1 Mittelwerte (Mw.) der klimatischen Kennwerte für die Periode und absolute Trends (Tr.; rot-positiv, blau-negativ) für die Periode für vier Höhenstufen (Abkürzungen: J-Jahr, SHJ-Sommerhalbjahr, WHJ-Winterhalbjahr). Tiefland Hügelland Bergland Kammlagen 0 bis 150 m 151 bis 350 m 351 bis 650 m > 650 m Index (Einheit) Mw. Tr. Mw. Tr. Mw. Tr. Mw. Tr. Temperatur-J ( C) Temperatur -SHJ ( C) Temperatur -WHJ ( C) Vegetationsperiode-J (d) Niederschlag - J (mm) Niederschlag - SHJ (mm) Niederschlag - WHJ (mm) Starkniederschlagstage (>10mm) - J (d) Starkniederschlagstage (>10mm) - SHJ (d) Starkniederschlagstage (>10mm) - WHJ (d) Trockenperiodendauer - J (d) Trockenperiodendauer - SHJ (d) Trockenperiodendauer - WHJ (d) Trockenperiodenhäufigkeit- J (-) Trockenperiodenhäufigkeit - SHJ (-) Trockenperiodenhäufigkeit - WHJ (-) Stand. Niederschl. Index SPI12 - J (-) Stand. Niederschl. Index SPI12 - SHJ (-) Stand. Niederschl. Index SPI12 - WHJ (-) Sonnenscheindauer-J (h) Sonnenscheindauer -SHJ (h) Sonnenscheindauer -WHJ (h) Potentielle Verdunstung -J (mm) Keine Keine Potentielle Verdunstung -SHJ (mm) Daten Daten Potentielle Verdunstung -WHJ (mm)

2 Sowohl die Dauer als auch die Häufigkeit der mindestens 11-tägigen Trockenperioden nahm im Sommer tendenziell zu. Im Winter nehmen sie tendenziell ab. Ein integrierendes Maß für die Wasserverfügbarkeit ist die Klimatische Wasserbilanz, die sich aus der Differenz von Gebietsniederschlag und potentieller Verdunstung ergibt. Im Sommer ist die KWB in den flacheren Regionen negativ, sonst positiv. Tendenziell höhere Temperaturen und Sonnenscheindauer führen zu einer erhöhten potentiellen Verdunstung. Letztere nahm stärker zu als der Niederschlag, weshalb abnehmende Trends der KWB im Sommer zu verzeichnen sind (Abb. 2). Eine teilweise Kompensation erfolgt durch erhöhte Niederschläge im Winter. Abb. 1: Trends der Jahreswerte für den Zeitraum von Abb. 2: Mittelwerte der jährlichen Klimatischen Wasserbilanz KWB für die Periode und absolute Trends (positiv, negativ) für die Periode Zukünftiges Klima Um mögliche Veränderungen des zukünftigen Klimas und deren Auswirkungen auf den Wasserhaushalt zu analysieren, wurde eine regionale Klimamodellierung mit dem statistischen Modell WETTREG durchgeführt. Auf der Basis des globalen Klimamodells ECHAM und drei Treibhausgasszenarien wurde ein Ensemble erstellt, das den Input für WETTREG darstellt: ECHAM5 MPI-OM A1B, Lauf 1; ECHAM6 MPI-ESM-LR RCP 2.6, Lauf 1; ECHAM6 MPI-ESM-LR RCP 8.5, Lauf 1; ECHAM6 MPI-ESM-LR RCP 8.5, Lauf 2; ECHAM6 MPI-ESM-LR RCP 8.5, Lauf 3. Mit dem Ensemble können die Unsicherheiten, die sich aus der Wahl des Treibhausgasszenarios, des Modells und der modellinternen Variabilität ergeben, berücksichtigt werden. Allerdings ist das Ensemble nicht groß genug, die ganze mögliche Bandbreite der Klimaentwicklung abzubilden. Ausgehend von jedem Globalmodell wurden 10 gleich wahrscheinliche Realisierungen des regionalen Klimas mit WETTREG berechnet. Für viele Aussagen ist es ausreichend, den Mittelwert der 10 Realisierungen zu verwenden. Die Auswirkungen der Klimaveränderungen sind bis Mitte dieses Jahrhunderts meist noch gering, weshalb das Klimaänderungssignal für das Gesamtgebiet für die Periode im Vergleich zur modellierten Referenzperiode dargestellt wird: Für die Jahresmitteltemperatur sind bei ECHAM 5 A1B und ECHAM6 RCP 8.5 Zunahmen in der Größenordnung von C zu erwarten (Abb. 3). Der 3. Lauf des RCP 8.5 Szenarios ist mit einem mittleren Signal von 3.7 C um 0.3 C höher als die anderen zwei Läufe. Bei der RCP 2.6 Projektion ist mit 1 C ein deutlich niedrigerer Temperaturanstieg zu verzeichnen. Alle Klimamodellierungen erzeugen ein signifikantes Klimasignal der Temperatur. Der Niederschlag im Sommerhalbjahr wird bei dem A1B und den RCP 8.5 Szenarien um rund 12 % abnehmen. Beim 3. RCP 8.5 Lauf ist die Änderung mit -15 % am ausgeprägtesten. Beim RCP 2.6-Szenario ist zwar ebenfalls eine sommerliche Abnahme ersichtlich, jedoch nur in einer Größenordnung von 2 %. Die Niederschlagszunahmen im Winterhalbjahr unterscheiden sich nur wenig zwischen den 5 Globalmodellantrieben. Mit 3 % ist die winterliche Zunahme bei der RCP 2.6-Projektion am geringsten und mit 10 % beim 2. RCP 8.5 Lauf am höchsten. Da die natürliche Variabilität des Niederschlags sehr hoch ist und die zukünftigen Veränderungen nicht gravierend sind, handelt es sich nicht um ein signifikantes Klimasignal.

3 Um die Auswirkungen der Klimaänderungen auf das Wasserregime im Einzugsgebiet abschätzen zu können, werden weitere klimatische Kenngrößen betrachtet: Die Anzahl der Tage mit mindestens 10 mm Niederschlag ist bis auf das Szenario RCP 2.6 rückläufig. Bezüglich der Tage mit mindestens 20 mm Niederschlag sind keine eindeutigen Aussagen möglich. Der maximale Tagesniederschlag steigt bei allen Projektionen bis zum Jahr 2100 an. Der maximale 5-Tagesniederschlag fällt - bis auf RCP bei allen Projektionen, jedoch unterschiedlich stark. Die Dauer und Häufigkeit von Trockenperioden weisen einen schwachen bis mäßig positiven Trend auf. Der über 12 Monate integrierende Standardniederschlagsindex SPI12 weist bei geringen Veränderungen der Treibhausgasemissionen (RCP 2.6) auf konstante Feuchtigkeitsverhältnisse hin. Für die übrigen Szenarien ergibt sich ein Rückgang, der mit langfristig, zunehmend trockeneren Verhältnissen gleichzusetzen ist. Die Sonnenscheindauer weist über alle Szenarien einen trendhaften Anstieg auf. Die positiven Tendenzen von Temperatur und Sonnenscheindauer bewirken ein Ansteigen der potentiellen Verdunstung. Die Wasserverfügbarkeit im Sommerhalbjahr nimmt im gesamten Untersuchungsgebiet ab. In den Kammlagen sind es bei einigen Szenarien mehr als 250 mm. Lediglich beim RCP 2.6 Szenario sind die Auswirkungen moderat. Im Winterhalbjahr ist die KWB bei nur leicht negativer Tendenz nahezu unverändert. Szenario A1B Szenario RCP 2.6 Abb. 3: Klimaänderungssignal der Temperatur für die Periode gegenüber Dargestellt ist die mittlere Realisierung mit WETTREG auf der Grundlage von fünf Globalmodellantrieben Lauf 1 Lauf 2 Lauf 3 Zusammenfassend kann für das RCP 2.6 Szenario, das von relativ geringen Veränderungen der Treibhausgasemissionen ausgeht, festgestellt werden, dass die Auswirkungen bei den Temperaturindikatoren noch relativ moderat und bei den Niederschlagsindikatoren vernachlässigbar sind. Dagegen sind die Auswirkungen bei den A1B und den RCP 8.5 Szenarien gravierend. Das Zusammenspiel von vermindertem Niederschlag (Abb. 4) und zunehmender Verdunstung führt zu einer ganzjährig verminderten Wasserverfügbarkeit, die sich wahrscheinlich auf viele Sektoren auswirken wird. Abb. 4: projizierte WETTREG Realisierungen (grau), gleitendes 11-Jähriges Mittel aller Realisierungen (farbig), Trendlinie des Zeitraums sowie Vertrauensbereich der mittleren Realisierung des Niederschlags. Dargestellt ist arithmetische Mittel aller Stationen.

4 Hydrologische Modellierung Modelle werden verwendet, um in der Natur beobachtete Abläufe in einem System vereinfacht und idealisiert abzubilden. Hydrologische Modelle bedienen sich zur Beschreibung natürlicher Prozesse in einem Einzugsgebiet verschiedener Analogien bzw. nutzen physikalische Zusammenhänge. Je nach Konzeption unterscheiden sich die Modelle in den verwendeten Ansätzen und im Grad ihrer Detailliertheit. Im Einzugsgebiet der Lausitzer Neiße soll die räumliche und zeitliche Verteilung des Wasserdargebots unter Berücksichtigung anthropogener Nutzungen der Wasserressourcen mit dem hydrologischen Modellsystem ArcEGMO untersucht und als Ergebnis dieser Langfristsimulation der historische/gegenwärtige und zukünftige Gesamtwasserhaushalt ausgewertet werden. Das hydrologische Modellsystem ArcEGMO Mit ArcEGMO können alle wesentlichen Komponenten des Gebietswasserhaushaltes und des Abflussgeschehens in einem Einzugsgebiet zeitlich und räumlich hoch aufgelöst simuliert werden. Der modulare Aufbau des Modells ermöglicht, je nach Zielsetzung verschiedene hydrologische Teilprozessmodelle zu wählen. Die Abflussbildungs- und Abflusskonzentrationsprozesse werden in 5 Modellebenen (MET, ABI, RD, Q, GW) realisiert (Abb. 5). Dabei werden sowohl die Wechselbeziehungen im System Boden-Pflanze-Atmosphäre als auch anthropogene Einflüsse berücksichtigt. Das innerhalb der Wasserhaushaltsmodellierung verwendete PSCN- Modul enthält ein komplexes Vegetations- und Bodenmodell. Das Bodenwassermodell ermöglicht neben der Simulation der Verdunstungskomponenten, der Interzeption, der Schneedeckendynamik und der horizontalen und vertikalen Bodenwasserbewegung die Aufteilung des Abflusses auf die einzelnen Komponenten (Oberflächen-, Zwischen-, Drainageabfluss und Perkolation) (Abb. 6). RD MET ABI Q GW Abflusskonzentration (lateral) Abb. 5: Modellebenen und Wasserhaushaltsprozesse (MET Meteorologie, ABI Abflussbildung, Q Abfluss, RD Direktabfluss, GW Grundwasserabfluss) Abb. 6: Simulation der Teilprozesse des Bodenwasserhaushalts (Klöcking et al. 2009) Modellanwendung Das Wasserhaushaltsmodell ArcEGMO wird sowohl für den deutschen als auch den polnischen sowie den tschechischen Teil des Einzugsgebiets der Lausitzer Neiße aufgebaut und gerechnet. Im Vorfeld der Modellierung mit dem komplexen Modellsystem ArcEGMO stehen eine Reihe von Datenbearbeitungsschritten, in denen die notwendigen Datengrundlagen (Landnutzung, Boden, Hydrogeologie, Topografie, Gewässernetz, meteorologische und hydrologische Daten, Wassernutzungen) überprüft und angepasst werden. Die aufbereiteten Daten werden entsprechend den Modellerfordernissen in das Modell integriert. Die Berechnung des Wasserhaushaltes erfolgt im Tagesschritt auf Hydrotopbasis von Dabei dient der Zeitraum zur Kalibrierung des Modells (finden der optimalen Parametereinstellung) und zur Validierung (Überprüfung der gefundenen Parametereinstellung). Alle im Gebiet befindlichen relevanten Bewirtschaftungen (> 10 l/s) werden im Modell integriert. Gegenwärtiges Abflussregime Das kalibrierte Modell wird zunächst eingesetzt, um den Wasserhaushalt der Vergangenheit bzw. Gegenwart von 1971 bis 2010 in den Teilgebieten der Lausitzer Neiße zu berechnen. Die Periode von 1971 bis 2000 wurde als Referenzperiode festgelegt. Aktuelle Änderungen im Wasserhaushalt des Einzugsgebiets werden stets in Bezug zu dieser Referenzperiode eingeordnet.

5 Vor dem Start der Modellberechnungen wurden die gemessenen Durchflüsse an den Pegeln im Untersuchungsgebiet analysiert. Ausgewählte Ergebnisse der Trenduntersuchung der Abflüsse von werden hier aufgezeigt. Analyseergebnisse des gegenwärtigen Abflussregimes Für die Trenduntersuchung des aktuellen Abflussregimes in der Region Lausitzer Neiße wurden die Abflusszeitreihen von 1971 bis 2010 ausgewählter sächsischer und polnischer Pegel im Vergleich zur Referenzperiode ausgewertet. Ermittelt wurden die Trendrichtung und Trendstärke sowie die Signifikanz der Trends. Für die Abflüsse können folgende Aussagen getroffen werden: Im Jahr überwiegend Abnahme an untersuchten Pegeln im Sommer Abnahme an allen beobachteten Pegeln im Winter in höheren Lagen Zunahmen und in tieferen Lagen Abnahmen für Februar und März einheitlich steigende Tendenzen an allen Pegeln Die Abbildung 7 zeigt alle Pegelgebiete im Projektgebiet mit der beobachteten Entwicklung des mittleren Abflussregimes an den Pegeln. Die Ergebnisse der Trendanalyse mit den dazugehörigen Signifikanzen der Trends für die monatlichen Niedrigwasserabflüsse sind in der Tabelle 2 zusammengefasst. Im Monat März ist für fast alle Pegel eine zunehmende Tendenz der Niedrigwasserabflüsse zu verzeichnen, d. h. dass Niedrigwassersituationen häufiger aufgetreten sind. Abb. 7: Abflusstrends für Jahreswerte von an Pegeln (blau: Abnahme, rot: Zunahme) Tab. 2: relative Trends [-] der monatlichen Niedrigwasserabflüsse von für ausgewählte Pegel Zukünftiges Abflussregime Zur Abschätzung des zukünftigen Gesamtwasserhaushalts werden die Klimaprojektionsdaten von 2021 bis 2100 als Antrieb im kalibrierten Wasserhaushaltsmodell verwendet. Auf Grundlage dieser Ergebnisse werden Anpassungsmaßnahmen bezüglich der Wasserbewirtschaftung im Gebiet erstellt. Kontakt: LP Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie Pillnitzer Platz Dresden Projektleiter Karin Kuhn Karin.Kuhn@smul.sachsen.de Projektmanager Kathleen Lünich Kathleen.Luenich@smul.sachsen.de PP Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej Państwowy Instytut Badawczy ul. Parkowa Wrocław Kierownik projektu Mariusz Adynkiewicz-Piragas mariusz.adynkiewicz@imgw.pl Kierownik organizacjny projektu Iwona Zdralewicz iwona.zdralewicz@imgw.pl &Itemid=244