Zu den Auswirkungen des Klimawandels auf die Elbe und ihre Nebengewässer - Beiträge aus dem Forschungsprogramm KLIWAS

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1 Zu den Auswirkungen des Klimawandels auf die Elbe und ihre Nebengewässer - Beiträge aus dem Forschungsprogramm KLIWAS Peter Krahe, Theresa Horsten, Enno Nilson Referat Wasserhaushalt, Vorhersagen und Prognosen Bundesanstalt für Gewässerkunde, Koblenz KLIWES-Workshop, Dresden-Pillnitz 31. März 2010 Seite 1

2 Das Forschungsprogramm KLIWAS Auswirkungen des Klimawandels auf Wasserstraßen und Schifffahrt - Entwicklung von Anpassungsoptionen KLIWAS 4.01 "Wasserhaushalt, Wasserstand und Transportkapazität" KLIWES-Workshop, Dresden-Pillnitz 31. März 2010 Seite 2

3 Grundlagen - Systemanalyse - Handlungsoptionen Klimaprojektionen Abflussregime Ökologischer Status Transportkapazitäten Ufer+Aue Abwassereinleitungen Gewässer nutzbare Wassertiefe Gewässerhygiene/-güte Antriebs-, Steuerssysteme Fahrrinnenanpassungen Brauch-, Kühlwasserentnahmen Ausbau- / Unterhaltungs- Konzeptionen Wasserbaumaterialien KLIWES-Workshop, Dresden-Pillnitz 31. März 2010 Seite 3

4 Das Elbegebiet MQ-Elbe ~ 870 m³/s Neu Darchau MQ 720 m³/s Abflussbilanz MQ_61/90 (CZ/D) ~ 330 m³/s CZ ~ 38 % D ~ 62 % Mittlerer Zufluss ca. 330 m³/s KLIWES-Workshop, Dresden-Pillnitz 31. März 2010 Seite 4

5 Beobachtung - Klima und Abfluss im Elbegebiet Mittlerer Abfluss am Pegel Neu-Darchau im hydrologischen Winter- und Sommerhalbjahr 1600 Pegel Neu Darchau / Elbe Abfluss -Hydrol. Winterhalbjahr 1400 Pegel Neu Darchau / Elbe Abfluss -Hydrol. Sommerhalbjahr [m³/s] [m³/s] MQ(HyWi) MQ(HyWi)11a Linear (MQ(HyWi)) MQ(HySo) MQ(HySo)11a Linear (MQ(HySo)) KLIWES-Workshop, Dresden-Pillnitz 31. März 2010 Seite 5

6 Beobachtung - Klima und Abfluss im Elbegebiet Pegel Dresden / Elbe Variable MQ(m), Saisonalität 1.8 Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Pegel Neu Darchau / Elbe Variable MQ(m), Saisonalität Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez KLIWES-Workshop, Dresden-Pillnitz 31. März 2010 Seite 6

7 Modellkette - hydrologische Klimafolgenforschung Foto: I. Leyer KLIWES-Workshop, Dresden-Pillnitz 31. März 2010 Seite 7

8 Erstellung, Auswertung und Anwendung von Klimaprojektionen 50 km KLIWES-Workshop, Dresden-Pillnitz 31. März 2010 Seite 8

9 Klimaprojektionen (Datenaufbereitung) Dynamisches Downscaling EU-FP6: ENSEMBLES > 17 (23) regionale dynamische Klimamodelle > A1B, (2050), ERA40 > 25 km x 25 km BMBF-DE: klimazwei > ECHAM5-CLM-Consortial (Lauf 1& 2) > A1B, A2, B1, > 18 km x 18 km REMO-UBA, REMO-BfG > ECHAM5- (Lauf 1 & 2) > A1B, A2, B1, > 10 km x 10 km Statistisches Downscaling > z. B. WETTREG, STAR und andere KLIWES-Workshop, Dresden-Pillnitz 31. März 2010 Seite 9

10 Klima- und Abflussszenarien Single Model Ansatz > Validierung, detaillierte Prozeßstudien Multi Model Ansatz > Bandbreite (~ Unsicherheit) zukünftiger Änderungen Bewertung und gezielte Auswahl von Klima- und Abflussprojektionen > Anwendung für wasserwirtschaftliche Klimafolgenforschung & Anpassungsstrategien Vulnerabilitätsanalysen und Anpassungsoptionen KLIWES-Workshop, Dresden-Pillnitz 31. März 2010 Seite 10

11 Auswertung Klima & Klimaänderungssignal 1 Modell Entwurf KLIWES-Workshop, Dresden-Pillnitz 31. März 2010 Seite 11

12 Analyse Temperaturänderungen (Multi-Modell-Ansatz) 10% Perzentil 50% Perzentil 90% Perzentil Zwischenstand Daten: EU-ENSEMBLES KLIWES-Workshop, Dresden-Pillnitz 31. März 2010 Seite 12

13 Auswertung Klima & Klimaänderungssignal RR - monthly precipitation total [mm] RR1 - number of wet days > 1 mm [d] RR10 - number of days with precipitation > 10 mm [d] RR20 - number of days with precipitation > 20 mm [d] RR50 - number of days with precipitation > 50 mm [d] SSDI - mean precipitation intensity [mm/d] TXday - largest number of sequential dry days [d] RX1day - largest daily precipitation total [mm/d] RX5day - largest 5-day precipitation total [mm/d] RX10day - largest 10-day precipitation total [mm/d] R25p - 25th percentile of daily precipitation [mm/d] R50p - median of daily precipitation [mm/d] R75p - 75th percentile of daily precipitation [mm/d] R90p - 90th percentile of daily precipitation [mm/d] KLIWES-Workshop, Dresden-Pillnitz 31. März 2010 Seite 13

14 Analyse Niederschlagsänderungen (1 Modell) Zwischenstand Daten: EU-ENSEMBLES KLIWES-Workshop, Dresden-Pillnitz 31. März 2010 Seite 14

15 Analyse Niederschlagsänderungen (Multi-Modell-Ansatz) 10% Perzentil 50% Perzentil 90% Perzentil Zwischenstand Daten: EU-ENSEMBLES KLIWES-Workshop, Dresden-Pillnitz 31. März 2010 Seite 15

16 Wasserhaushaltsmodelle Ermöglichen die Simulation der Wasserhaushaltsgrößen basierend auf der Wasserhaushaltsgleichung [ Hohnstorf [ HBV-D Unterscheiden sich hinsichtlich - der Komplexität bzgl. der Beschreibung von Teilprozessen - der räumlichen Bezugseinheit > lumped (TEZG) > semi-distributiv (TEZG) > distributiv (Raster) - des Zeitschritts > Jahreswerte (vielj.) > Monatswerte (vielj.) > Tageswerte > Stundenwerte HADMERSLEBEN LAUCHA NEU DARCHAU TANGERMüNDE WITTENBERGE [ [ [ [ [ [ [ [ BARBY [ CALBE GRIZEHNE NAUMBURG GROCHLITZ MAGDEBURG [ [ [ [ ZEITZ HAVELBERG [ [ [ [ AKEN OBERTHAU RATHENOW WITTENBERG BAD DÜBEN TORGAU LÖBEN [ DRESDEN KLIWES-Workshop, Dresden-Pillnitz 31. März 2010 Seite 16

17 Modellvorstellung HBV-D, HBV-96 Semi-distributives konzeptionelles N-A Model HBV-96 Geländehöhe Regen/Schnee Schneeroutine Bodenfeuchte Regen/Schneeschmelze Evapotranspiration Verdunstungs- und Bodenfeuchteroutine Speicherinhalte uz Überschusswasser Abflusskomponenten- und Abflusskonzentrationsroutinen uzl 0 uzl 1 uzl 2 lz E P Perkolation R 0 R 1 R 2 R 3 Variante B: R 0 = 1/k 0 (uz - uzl0) R 1 = 1/k 1 (uz - uzl1) R 2 = 1/k 2 (uz - uzl2) R 3 = 1/k 3 uz Variante A: R 0 = K uz (alfa+1) Seeroutine R4 R 4 = 1/k 4 * lz Faltung KLIWES-Workshop, Dresden-Pillnitz 31. März 2010 Seite 17

18 Modellgüte - Hydrologie (HBV-D) Vergleich der berechneten MQ-Werte entlang der Elbe Elbe-DSS Parametrisierung Kalibrierungspegel 600 MQ [m 3 /sec] Mündung Schwarze Elster Saale Mündung Mündung Vereinigte Mulde Spree Mündung Flusskilometer ab Schöna KLIWES-Workshop, Dresden-Pillnitz 31. März 2010 Seite 18

19 Modellgüte - Hydrologie (HBV-D) Nash-Sutcliff efficency Kalibrierungsperiode R² = 1 (QC QR )² (QR QR mean )² Havelberg Rathenow Hadmersleben Oberthau Zeitz Laucha Calbe-Grizehne peak error = MHQcomp MHQrec MHQrec Naumburg-Grochlitz Bad Düben Löben Neu Darchau Wittenberge Tangermünde Magdeburg Barby Aken Wittenberg Torgau Dresden Nash-Sutcliff efficency KLIWES-Workshop, Dresden-Pillnitz 31. März 2010 Seite 19

20 Wasserhaushaltsmodelle Labe/Elbe Verfügbar (BfG) BAGLUVA in Bearbeitung WaBiMon in Bearbeitung (Havel/Spree) Elbe-DSS / HBV-D nur dt. Elbe In Vorbereitung LARSIM-ME (Mitteleuropa) Extern Elbe/Labe SWIM (PIK), SWIM-Elbe Expert Toolbox (EET), (GLOWA-Elbe III) LISFLOOD (JRC) Extern Teilgebiete z.b.: ArcEGMO (BAH) Havel/Spree, Schwarze Elster, Mulde KLIWES-Workshop, Dresden-Pillnitz 31. März 2010 Seite 20

21 BAGLUVA-2010 Ziel: Wasserbilanzmodell zur Berechnung vieljähriger Jahresmittelwerte Anwendung: Hydrologischer Atlas Deutschland (HAD) Elbe/Labe Ziel: mit Klimaprojektionen Datengrundlage: Vieljährige Jahres- und Halbjahresniederschlagshöhen, pot. Verdunstungshöhe, Schneebedeckung, DGM, (Gefälle/Ausrichtung), Landnutzung, Bodenkennwerte (nfk, We), Grundwasserflurabstand Ergebnisgrößen: Reale Verdunstungshöhe, Abflusshöhe KLIWES-Workshop, Dresden-Pillnitz 31. März 2010 Seite 21

22 BAGLUVA-2010 KLIWES-Workshop, Dresden-Pillnitz 31. März 2010 Seite 22

23 Hydrometeorologische Referenzdaten HYRAS RR ~ 1 km x 1 km 5 km x 5 km T2m... 5 km x 5 km Tageswerte KLIWES-Workshop, Dresden-Pillnitz 31. März 2010 Seite 23

24 Bsp. Main: Erste Ergebnisse - Abflussprojektionen Zusammenschau mit anderen Ergebnissen WETTREG Zwischenstand KLIWES-Workshop, Dresden-Pillnitz 31. März 2010 Seite 24

25 Szenarienhorizonte MQ und NM7Q: Pegel Raunheim Zwischenstand KLIWES-Workshop, Dresden-Pillnitz 31. März 2010 Seite 25

26 Zusammenfassung und Ausblick > Welche WH-Modelle sind bereits vorhanden? > Gesamtgebiet/Teilgebiete? > Beschaffungs-/Aktivierungsaufwand? > Welche Qualitäten haben die Modelle (Kalibrierungs- und Validierungsstrategie)? > Abgebildete Prozesse (Berücksichtigung von Landnutzugsszenarien) > Auflösung (zeitlich/räumlich) > Berücksichtigung anthropogener Maßnahmen Wasserbewirtschaftungsmodelle > Wie sieht das Idealmodell? > Inbetriebnahme & Erweiterung der vorhandenen Modelle WH-Modellvielfalt ist erforderlich > Ensembleansatz für Klimaprojektionen ist notwendig Klima- und Abflussszenarien > Entwicklung und Anwendung von Bias-Korrekturverfahren > Interpretation und Kommunikation der Ergebnisse (Visualisierungskonzepte, Zusammenschau mit anderen Regionalisierungsverfahren) KLIWES-Workshop, Dresden-Pillnitz 31. März 2010 Seite 26

27 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Peter Krahe Bundesanstalt für Gewässerkunde, Koblenz Am Mainzer Tor Koblenz Tel.: 0261/ , Fax: 0261/ krahe@bafg.de KLIWES-Workshop, Dresden-Pillnitz 31. März 2010 Seite 27