Klimaszenarien und folgen für den Brandenburger Raum. Fred F. Hattermann und Tobias Conradt

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1 Klimaszenarien und folgen für den Brandenburger Raum Fred F. Hattermann und Tobias Conradt Zusammenfassung Über die letzten 100 Jahre ist ein globaler Klimawandel zu beobachten, welcher sich durch die Änderungen im Niederschlag, der Temperatur und der Strahlungsbilanz auf den regionalen Wasserhaushalt auswirkt. Diese Trends können für verschiedene Regionen in Europa sehr unterschiedlich sein. Für die zukünftige Klimaentwicklung lautet das übergreifende Ergebnis aller Studien, dass sich trotz der bestehenden Unsicherheiten über die Stärke des Klimaänderungssignals der allgemeine Klimaänderungstrend fortsetzen oder verstärken wird, wobei wiederum regionale Ausprägungen eine Rolle spielen. Die Folgen für die europäische Wasserwirtschaft können je nach Region und Sektor schwerwiegend sein und sollten im Sinne eines nachhaltigen Ressourcenmanagements in der wasserwirtschaftlichen Planung berücksichtigt werden. Das Interesse lag bisher meist auf den Änderungen im Niederschlag, welche sich direkt in Änderungen im Landschaftswasserhaushalt übersetzen lassen. Übersehen wird dabei oft, dass in vielen Regionen Europas, insbesondere in den semi-ariden und kontinentalen Gebieten, Änderungen in der Verdunstung einen ähnlich starken Einfluss auf den Landschaftswasserhaushalt haben. Diese können durch Trends im regionalen Energiehaushalt, d.h. insbesondere Änderungen in der Temperatur und der Strahlung, hervorgerufen werden. Während die Szenarientrends für den Niederschlag, errechnet durch globale oder regionale Klimamodelle, für regionale Anwendungen noch relativ unsicher sind, sind die Trends in der Temperatur unter Szenarienbedingungen robust. Daraus lassen sich für die Wasserwirtschaft wichtige Folgerungen ableiten: Durch die steigenden Temperaturen unter Szenarienbedingungen wird die Verdunstung stimuliert, und zwar weniger durch den direkten Energieinput als vielmehr durch die gesteigerte Vegetationsaktivität. Auch in Gebieten, in denen insgesamt der Niederschlag nicht abnimmt oder sogar leicht zunimmt, kann dadurch trotzdem das Wasserdargebot sinken. Wichtig sind saisonale Trends, insbesondere im Sommer kann aufgrund der verstärkten Transpiration Wasserknappheit auftreten. Für die Region Brandenburg bedeutet dies, dass durch die zurückgehenden Niederschläge im Sommer und die steigenden Temperaturen wasserrelevante Sektoren unter Druck geraten können, Ökosysteme wie z.b. Feuchtgebiete können ihren Status verlieren. 1 Einführung Die Temperatur ist in Europa im Laufe des vergangenen Jahrhunderts um etwa 0,8 bis 0,95 C angestiegen (IPCC 2001 & 2007). Durch die steigenden Temperaturen wird die Evapotranspiration stimuliert, und die Atmosphäre kann mehr Feuchtigkeit aufnehmen. Der jährliche Niederschlag über Nordeuropa hat um 10 bis 40 % zugenommen, während im Mediterranen Raum eine Abnahme um bis zu 20 % zu verzeichnen war. Eine Zunahme von Hitze-

2 wellen und eine Verschiebung der Verteilung zu wärmeren Temperaturen in Zentraleuropa kann statistisch nachgewiesen werden (SCHÄR et al. 2004). Bis 2100 sagen Modellrechnungen für Europa einen weiteren Anstieg der Temperaturen um 1 bis 5,5 C voraus, wobei Unterschiede im Grad der Erwärmung zwischen Regionen und Jahreszeiten bestehen (IPCC 2007). Für den größten Teil Europas wird eine Zunahme des Winterniederschlages erwartet; eine generelle Abnahme wird für den Sommerniederschlag im südlichen, westlichen und zentralen Europa angenommen. Die Häufigkeit von Dürren wird unter diesen Bedingungen damit vor allem in Mittel- und Südeuropa zunehmen. Wie sich die klimatischen Änderungen auf das Abflussregime der Flüsse auswirken werden ist unsicher. In den nördlichen Breiten wird der Abfluss im Winter vermutlich zu- und der Abfluss im Frühjahr abnehmen (LEHNER et al & 2005). Änderungen in der jahreszeitlichen Abflussdynamik können durch den Einfluss steigender Temperaturen auf die Dynamik der Schneeschmelze verursacht werden. Schneeschmelzbedingte Hochwasserperioden werden dadurch früher im Jahr stattfinden, und Winterhochwasser aufgrund erhöhter Regenfälle in dieser Jahreszeit zunehmen (SCHWANDT 2003). Für Dürren und Hitzewellen wird von Modellsimulationen unter höheren Treibhausgaskonzentrationen ebenfalls eine Zunahme vorhergesagt (GOODESS 2005, IPCC 2001). Insgesamt stimmen Szenarioergebnisse generell darin überein, dass die Wasserverfügbarkeit in Nord- und Nordwesteuropa zunehmen, in Süd- und Südosteuropa und Teilen Zentraleuropas aber abnehmen wird. Die Wasserknappheit in Regionen, die bereits heute am meisten davon betroffen sind, wird sich somit weiter verschärfen. Im Rahmen des BMBF Förderschwerpunktes "Globaler Wandel des Wasserkreislaufes" (siehe auch sollen Strategien für eine nachhaltige und vorausschauende Bewirtschaftung von Wasser im regionalen Maßstab unter Berücksichtigung globaler Umweltveränderungen und sozio-ökonomischer Randbedingungen entwickelt werden. Ein Teilprojekt des Förderschwerpunktes, GLOWA-Elbe, befasst sich dabei mit den Auswirkungen des globalen Wandels auf den Wasserhaushalt im Einzugsgebiet der Elbe (WECHSUNG 2005). Die Region ist von besonderem Interesse, da sie sich im Übergangsbereicht von maritimen zu kontinentalen Klimaten befindet. Außerdem hat die Elbe von den großen Flusseinzugsgebieten Europas das zweitniedrigste Wasserdargebot pro Kopf (ca. 680 m 3 Gebietsabfluss pro Kopf und Jahr, siehe Stanners & Bourdeau 1995). 2 Daten und Methoden 2.1 Der GLOWA-Elbe Modellverbund Es müssen verschiedene Randbedingungen berücksichtigt werden, um die regionale Verdunstung unter den Bedingungen des globalen Wandels abschätzen zu können (WECH- SUNG 2005). Die wichtigste ist naturgemäß das Klima. Daneben können aber auch Änderungen in der Landnutzung eine Rolle spielen, insbesondere, wenn es um großmaßstäbliche Eingriffe geht. Beispiele sind hier der staatlich geförderte Waldumbau und der großflächige Anbau von Biokraftstoffen wie Mais und Raps. Zur Abbildung dieser geänderten Randbedingungen wurde innerhalb des GLOWA-Projektes der in Abbildung 1 gezeigte Modellverbund gebildet: In diesem Verbund waren die durch das regionale Klimamodell STAR (GERSTENGARBE & WERNER 2005) für das Elbegebiet er-

3 zeugten Realisationen des Klimawandels die meteorologische Randbedingung für das ökohydrologische Modell SWIM, welches die Auswirkungen der Klimaänderung auf den Wasserhaushalt und die landwirtschaftlichen Erträge errechnete. Landnutzungswandel Klimawandel WATSIM Globale Agrarmärkte RAUMIS 1) Optimierung der landw. Einkommen ECHAM4 Globales Klimaänderungszenario STAR Regionale Klimaszenarien Regional Global 2) Anbauverteilungen unter Globalem Wandel 2 Szenarien SWIM 1) Potentielle Erträge unter Klimawandel 2) Landschaftswasser und -stoffhaushalt unter Globalem Wandel 100 Realisationen Abb. 1: Der GLOWA-Elbe Modellverbund zur Ermittlung der Wasserverfügbarkeit im Elbeeinzugsgebiet unter globalem Wandel. Landschaft Diese Ergebnisse wurden dann an das agrarökonomische Modell RAUMIS übergeben (HENRICHSMEYER et al. 1996), welches auf der Basis der geänderten Erträge unter Klimaänderung neue Anbauverteilungen der wichtigsten Fruchtarten sowie dazugehörige geänderte Düngeregime ermittelte. Gleichzeitig fließen die geänderten Abflüsse auch in das Wasserwirtschaftsmodel WBalMo (KADEN et al. 2004) und das Modell MONERIS ein (BEH- RENDT et al. 1999), welches die Nährstoffflüsse im Elbegebiet berechnet. Die richtige Abbildung des Landschaftswasserhaushaltes ist im Modellverbund daher von zentraler Bedeutung. 2.2 Das Elbegebiet Gebietsbeschreibung und Datenaufbereitung Die langjährigen mittleren Niederschläge liegen für das Gesamtgebiet der Elbe bei ca. 715 mm, der deutsche Teil liegt mit ca. 687 mm etwas darunter. Die langjährigen mittleren Gesamtabflüsse der Elbe liegen bei 877 m 3 /s mit einem mittleren Zufluss aus dem tschechischen Teilgebiet von ca. 315 m 3 /s am Pegel Schöna. Hochwasserereignisse treten in der Elbe und ihren Hauptnebenflüssen zumeist im Winter und Frühjahr zur Zeit der Schneeschmelze auf (Regen-Schnee-Typ), Niedrigwasserabflüsse in den späten Sommermonaten (ATV-DVWK 2000). Die natürliche Abflusscharakteristik der Elbe und ihrer Nebenflüsse wird durch 273 Rückhaltebecken zum Hochwasserschutz und zur Trinkwassergewinnung regu-

4 liert. Insbesondere die östlichen Tieflandteileinzugsgebiete (Schwarze Elster, Spree und Havel) haben durch Maßnahmen zur Wasserstandsregulierung ihre natürliche Abflusscharakteristik fast vollständig verloren. Durch Flussbegradigungen wurde die Wasserlaufstrecke der Elbe um ca. 115 km verkürzt und damit das Fließgefälle erhöht, während sich durch Eindeichungsmaßnahmen bei einem hundertjährigen Hochwasserereignis (HQ 100) das Retentionsvolumen um insgesamt 2.3 Mrd. m 3 gegenüber dem ursprünglichen Zustand verringert hat (ATV-DVWK 2000). Abb. 2: Das Elbeeinzugsgebiet. Über die letzten 50 Jahre wurde im Elbeeinzugsgebiet ein Rückgang der Niederschläge im Sommer um ca. 50 mm und eine Zunahme der Niederschläge im Winter um ca. 46 mm beobachtet, während über dieselbe Zeitspanne die Temperatur um ca. 1.1 C zunahm. 3 Ergebnisse und Diskussion 3.1 Modellkalibrierung und -validierung Das Modell SWIM wurde in verschiedenen Studien im Einzugsgebiet der Elbe eingesetzt, wobei umfangreiche Sensitivitäts- und Unsicherheitsanalysen durchgeführt wurden (HAT- TERMANN et al. 2004, 2005 & 2006, KRYSANOVA et al. 2005). Im Rahmen des Projektes GLOWA-Elbe wurde das Modell zur Parametereinstellung für die 1980er Jahre geeicht. Dabei wurde in einem ersten Schritt die tägliche Abflussdynamik für den letzten tideunbeeinflussten Pegel der Elbe (Station Neu Darchau) und an 12 möglichst durch den Menschen unbeeinflussten Gebieten kalibriert. Danach erfolgte die Modelleinstellung für das Gesamtgebiet.

5 Abfluss [m3 s-1] Niederschlag [mm] 200 Niederschlag Qsim Qobs Abb. 3: Jährlicher mittlerer Niederschlag im Elbeeinzugsgebiet (Pegel Neu Darchau) und der simulierte und beobachtete mittlere tägliche Abfluss pro Jahr gemessen simuliert [m3/s] day Abb. 4: Gemessene und simulierte tägliche Abflüsse für die Periode (Pegel Neu Darchau). Eingestellt wurde das Modell für die 80er Jahre, da diese klimatisch weder besonders trocken noch besonders feucht waren. Sowohl feuchte Perioden (z.b ) als auch trockene (z.b. die Jahre oder ) sind im Kalibrierungszeitraum enthalten. Der mittlere jährliche Abfluss liegt für diesen Zeitraum sehr nahe am langjährigen mittleren Abfluss laut hydrologischem Jahrbuch. Außerdem wurde während der 80er Jahre kaum neuer Speicherraum durch neue Stauwerke in der Elbe errichtet, so dass die Abflussbilanz nicht gestört wurde.

6 Validiert wurde das Modell für die Jahre In den Jahren kann zum einen kein starker Klimatrend festgestellt werden, zum anderen waren in der ersten Hälfte der 60er Jahre auch schon ca. zwei Drittel des im Elbeeinzugsgebietes installierten Stauraumes fertig gestellt. Außerdem herrschten im Gegensatz zu den 90er Jahren stabile politische und wirtschaftliche Verhältnisse, so dass es nicht zu plötzlichen Änderungen in der Wassernutzung kam. Abbildung 3 und Abbildung 4 zeigen die Simulationsergebnisse für die Referenzperiode Die erstere Abbildung zeigt den Vergleich der mittleren täglichen Abflüsse pro Jahr, die zweite einen kürzeren Zeitraum mit täglichen Werten. Wie man erkennen kann, werden in beiden Fällen die beobachteten Werte gut durch das Modell wiedergegeben, wobei SWIM die niedrigsten jährlichen Abflüsse etwas zu spät im Jahr simuliert. Bei der Modelleinstellung zeigte es sich, dass die Niederschlagsinterpolation korrigiert werden musste, da z.b. im tschechischen Teilgebiet insgesamt nur Daten von 20 Niederschlagsstationen vorhanden waren und diese genutzt werden mussten, um die Gebietsniederschläge für ca der insgesamt 2278 Teileinzugsgebiete zu interpolieren. Eine geringe Abweichung in der Niederschlagsinterpolation um z.b. nur 10 % kann dabei eine Abweichung der Abflüsse um 30 % bedeuten. 3.2 Szenarienergebnisse Abbildung 5 zeigt den mittleren jährlichen Szenarienniederschlag integral für das Einzugsgebiet der Elbe über die hundert Realisationen sowie die Streuung zwischen den einzelnen der insgesamt 100 durch STAR generierten Realisationen. Es wird deutlich, dass der Niederschlag insgesamt nur einen geringen Rückgang über die Szenarienperiode zeigt. Abbildung 6 zeigt dagegen den Trend im Abfluss als Vergleich des täglichen mittleren Abflusses während der Referenzperiode und der hundert Realisationen für die Szenarienperiode Man erkennt deutlich, dass im Sommer praktisch alle simulierten Szenarienabflüsse unter dem Referenzabfluss liegen. Außerdem verschiebt sich der Spitzenabfluss mehr in den Winter, da der Schneespeicher aufgrund der höheren Temperaturen abnimmt.

7 Niederschlag [mm] alle hundert Min-Max Real_7 (trocken) Real_54 (median) Real_100 (feucht) Durchschnitt Abb. 5: Szenarientrend des mittleren jährlichen Niederschlages im Einzugsgebiet der Elbe Abfluss [m3/s] max 75% 25% min median gemessen_61_ mittlerer Tag Abb. 6: Mittlerer täglicher Abfluss für die Referenzperiode und die hundert Szenarienrealisationen am Pegel Neu Darchau.

8 80 % enthalten 50 % enthalten Mittel Referenz a c b d Abb. 7: Mittlerer jährlicher Niederschlag (a), mittlere jährliche Verdunstung (b), mittlere jährliche Grundwasserneubildung (c) und mittlerer jährlicher direkter Abfluss (d) während der Referenzperiode (dicke Linie) und unter Szenarienbedingungen (Histogramme der hundert Realisationen). Der Grund für die relativ starke Änderung im Abfluss wird deutlich, wenn man in Abbildung 7 und Tabelle 1 den Trend in den hydrologischen Größen betrachtet: Während der Niederschlag nur gering zurückgeht (im Mittel der hundert Realisationen um 20.9 mm), steigt die Verdunstung relativ stark an (im Mittel der hundert Realisationen um 23.7 mm). Dadurch kommt es zu einem relativ ausgeprägten Rückgang der Grundwasserneubildung und einem ebenfalls relativ starken Rückgang des direkten Abflusses (Oberflächen- und Zwischenabfluss). Tab. 1: Mittlerer jährlicher Niederschlag, mittlere jährliche Verdunstung, mittlere jährliche Grundwasserneubildung und mittlerer jährlicher direkter Abfluss während der Referenzperiode ( ) und unter Szenarienbedingungen (Mittelwert der hundert Realisationen für die Periode ). Referenz Szenario Differenz Niederschlag mm mm 20.9 mm Aktuelle Evapotranspiration mm mm mm Grundwasserneubildung 93.8 mm 64.5 mm 29.3 mm Direkabfluss 81.7 mm 68.5 mm 13.2 mm

9 Abb. 8: Trend der Niederschläge und der Verdunstung unter Szenarienbedingungen (Mittel Jahre minus Mittel der Jahre ). Abbildung 8 zeigt zwei Karten, links die Änderung im Niederschlag als Differenz von Referenzperiode und Szenarienperiode, rechts die Änderung in der aktuellen Verdunstung. Man sieht, dass im Gegensatz zum Niederschlag die Verdunstung nur einen Trend zu steigenden Werten hat. Die Absolute Änderung ist dabei dort am höchsten, wo die Niederschläge am höchsten sind, also meistens in den gebirgigen Lagen. Wie wichtig die Berücksichtigung der Verdunstung bei der Landschafts- und Raumplanung ist, zeigt Abbildung 9. Dargestellt sind die mit SWIM simulierten Auswirkungen eines Landnutzungsszenarios auf die Gebietsverdunstung und Abflussbildung als Integral des Elbeeinzugsgebietes. Die grundlegende Annahme des Szenarios ist es, dass unter Liberalisierung der Agrarpreise große Flächen des Elbeeinzugsgebietes nicht mehr kostendeckend für Marktfruchtanbau genutzt werden können. Diese Gebiete werden allerdings im Szenario weiter extensiv landwirtschaftlich genutzt, so dass aufgrund des weniger intensiven Anbaus die Gesamtverdunstung besonders im Sommer sinkt (Abbildung 9). Würde man allerdings diese Flächen aufforsten, würde sich ein anderes Bild zeigen, die Verdunstung eventuell sogar steigen. Die Auswirkungen können modellbasiert für den Waldumbau gezeigt werden: Der Anstieg des Anteiles von Laubwald auf Kosten des Nadelwaldanteiles erniedrigt die Interzeption im Winter, und die Grundwasserneubildung kann erhöht werden (WATTENBACH et al. 2005). Nicht berücksichtigt in dieser Analyse sind allerdings Rückkopplungseffekte auf das regionale Klima.

10 [mm] ETa ref month ETa lib Abb. 9: Verdunstung und Grundwasserneubildung als Ergebnis eines Landnutzungsszenarios (Liberalisierung des Agrarmarktes und als Folge Anstieg des Anteiles der Brachflächen im Elbeeinzugsgebiet). [mm] GWR ref month GWR lib 4 Fazit Für die wasserwirtschaftliche Planung von Flusseinzugsgebieten, wie sie z.b. im Rahmen der Wasserrahmenrichtlinie verlangt wird, müssen sich ändernde klimatische Randbedingungen berücksichtigt werden. Dabei zeigt sich, dass insbesondere in kontinentalen Regionen nicht nur Änderungen in den Niederschlägen von Bedeutung sind, sondern insbesondere auch Änderungen in der Verdunstung und den Grundwasserverhältnissen (siehe z.b. BRONSTERT et al. 2003, HATTERMANN et al. 2006). Im Falle des Elbeeinzugsgebietes zeigen die Szenarienrechnungen, dass Trends in der Verdunstung sogar der dominierende Einfluss sein können. Forschungs- und Entwicklungsbedarf bzgl. des Wasserhaushaltes unter Bedingungen der Klimaänderung besteht sicherlich noch in der Berücksichtigung von Rückkopplungseffekten der Verdunstung auf die atmosphärischen Bedingungen, insbesondere die Einflüsse auf Luftfeuchte und Bewölkung. Diese wirken prinzipiell wieder auf den Wasserhaushalt zurück, was aber bislang in solchen Studien wenig bzw. keine Beachtung findet und nur mit direkt gekoppelten Landoberflächen-Atmosphären-Modellen erfasst werden kann. Der damit verbundene Aufwand und auch die Unsicherheiten sind aber noch sehr hoch, und damit für praktische Anwendungen kaum geeignet. Es ist aber trotzdem wichtig, die Entwicklung in diese Richtung voranzutreiben, da nur so großskalige Auswirkungen von Landnutzungsänderungen abgebildet werden können. Literatur ATV-DVWK Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, A.u.A.e.V. (2000): Die Elbe und ihre Nebenflüsse. Belastung und Trends, Bewertung, Perspektiven. Hennef BEHRENDT, H., P. HUBER, D. OPITZ, O. SCHMOLL, G. SCHOLZ, & R. ÜBE (1999): Nährstoffbilanzierung der Flussgebiete Deutschlands. Technischer Report, Umweltbundesamt. BRONSTERT, A., W. LAHMER & V. KRYSANOVA, (2003): Klimaänderung in Brandenburg und Folgen für den Wasserhaushalt. Naturschutz und Landschaftspflege in Brandenburg 12, H. 3, S

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