Klimaänderung und Wasserkraft Fallstudie Stausee Göscheneralp

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1 Klimaänderung und Wasserkraft Fallstudie Stausee Göscheneralp Foto: Jan Magnusson / SLF Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft Davos und Birmensdorf, August 2011

2 In Kürze Wie wird sich die Klimaänderung auf die Wasserverfügbarkeit und die Zuflüsse zu den Stauseen auswirken? Diese Frage wurde am Beispiel des Göscheneralpsees (Kanton Uri) basierend auf den aktuellsten Klima und Gletscherszenarien und mit Hilfe zweier hydrologischer Modelle untersucht. Die Modellergebnisse zeigen eine deutliche Veränderung in der Saisonalität des Zuflusses zum Göscheneralpsee. Die Frühlingsschmelze wird früher einsetzen, so dass sich der maximale Zufluss im Sommer im Mittel um ca. 3 Wochen bis Mitte des Jahrhunderts, bzw. um ca. 6 Wochen bis Ende des Jahrhunderts verschieben wird. Dem zukünftig zusätzlichen Wasserangebot im April bis Juni steht eine deutliche Abnahme des Seezuflusses im Juli bis September gegenüber. Die Konsequenzen auf den Jahresabfluss werden von den beiden hydrologischen Modellen unterschiedlich beurteilt. Während das eine Modell keine Volumenänderungen prognostiziert, berechnet das andere Modell mittelfristige Zunahmen im Gesamtabfluss von bis zu 20%. Bereits heute sind die Zuflüsse im Sommer in extremen Jahren mehr als doppelt bzw. weniger als halb so hoch wie in durchschnittlichen Jahren. Dieses Verhältnis zwischen extremen und normalen Jahren wird sich im wesentlichen auch in Zukunft wenig verändern. Im Vergleich zur natürlichen Variabilität zwischen den Jahren sind die prognostizierten Änderungen im Zufluss relativ klein, so dass die durchschnittlichen Verhältnisse Ende des Jahrhunderts bereits heute in extremen Jahren beobachtet werden können. 1

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4 Einleitung Über das Projekt Die prognostizierte Klimaänderung wird einen bedeutenden Einfluss auf Schneedecke und Gletscher, und somit auf die Wasserressourcen in den Einzugsgebieten der Wasserkraftwerke haben. Wie gross diese Änderung in der Wasserverfügbarkeit für die Wasserkraftproduktion sein wird und wie genau sich die Zuflüsse zu den Reservoirs zeitlich (saisonal) und mengenmässig verändern werden, ist bisher nur in Einzelfällen untersucht worden (Beispiel: Mauvoisin). Mit dem Ziel, diesbezüglich für die ganze Schweiz verbesserte Aussagen machen zu können, hat die Swiss Electric Research zusammen mit dem Bundesamt für Energie im 2008 die vorliegende Studie in Auftrag gegeben. Dabei sollen die hydrologischen Auswirkungen der Klimaänderung für die Wasserkraft in der Schweiz räumlich differenziert unter Einbezug der aktuellsten Vorhersagemodelle abgeschätzt werden. Neben einer generellen Analyse der zu erwartenden hydrologischen Veränderungen in ca. 20 natürlichen Einzugsgebieten der Schweiz mit unterschiedlichen topographischen, geologischen und klimatologischen Voraussetzungen untersucht diese Studie sechs ausgewählte Fallbeispiele im Detail. In diesen Fallbeispielen werden für die Zeiträume (nahe Zukunft), resp (ferne Zukunft) die lokalen meteorologischen Veränderungen und die daraus resultierenden Änderungen in der Vergletscherung, der Schneedecke und im Abfluss simuliert. Abschliessend wird von den betroffenen Kraftwerkbetreibern die Bedeutung dieser hydrologischen Änderungen für ihre Stromproduktion abgeschätzt. Der vorliegende Bericht fasst die Ergebnisse der Fallstudie Göscheneralpsee zusammen. Die folgenden Gruppen haben hierzu beigetragen: Institut für Atmosphäre und Klima der ETH Zürich (klimatologisches Downscaling), Geographisches Institut der Uni Zürich (Gletschermodellierung), Versuchsanstalt für Wasserbau der ETH Zürich (Gletschermodellierung), Eidg. Forschungsanstalt WSL (Schneedecken und Abflussmodellierung), sowie CKW, Riskmanagement und Research (betriebliche Analysen). Über die Fallstudie Göscheneralpsee Die vorliegende Fallstudie profitiert von Synergien mit dem ETH Projekt BigLink ( clench/biglink), in dessen Rahmen unter anderem die Hydrologie im Einflussbereichs des Dammagletschers in 3 jähriger Feldforschung untersucht wurde. Dank BigLink liegen lokale Messungen zum Abfluss von Teileinzugsgebieten, zu meteorologischen Randbedingungen, sowie zur Schneeverteilung im Gebiet vor. Diese Messungen ermöglichten über den üblichen Rahmen der hydrologischen Modellierung hinaus zu gehen. Und so konnte parallel zu einem konventionellen Modell auch ein wesentlich komplexeres Modell eingesetzt werden, welches die physikalischen Prozesse rund um den Energieund Wasserhaushalt in alpinen Einzugsgebieten abbildet. Der Vorteil von physikalisch basierten Modellen liegt darin, dass die Übertragbarkeit auf zukünftige klimatische Randbedingungen prinzipiell gegeben ist. Auf der anderen Seite benötigen diese Modelle exakte räumlich verteilte meteorologische Inputdaten, welche im Anbetracht der heutigen Messnetze nur mit gewissen Vereinfachungen zur Verfügung gestellt werden können. Und so bieten die in dieser Fallstudie verwendeten komplementären Modelltypen die Möglichkeit (aber auch den Umstand), zusätzlich zur Unsicherheit der Klimamodelle auch auf die Unsicherheiten durch verschiedene Modellansätze in der hydrologischen Modellierung einzugehen. Abb. 1: Installation einer automatische Kamera zur Überwachung des Flussnetzwerkes welches das Schmelzwasser des Dammagletschers in den Göschernalpsee transportiert. 3

5 Allgemeine Datengrundlagen d) Als Grundlage für die Gletscherentwicklung dient das World Glacier Inventory: Stand Dieses wurde als Initiale Gletscherfläche für die Simulation (1985) verwendet und dann kontinuierlich mit dem Schrumpfmodell von Paul et al. (2007) angepasst (siehe Seite 4). Die Rastergrösse des ursprünglichen Gletscherinventars ist 25 m. Für unsere Modellierung wird sie auf 200 m aggregiert. Für die Fallstudie Göscheneralpsee wurden folgende Daten verwendet: a) Digitales Geländemodell RIMINI (Arealstatistik, Bundesamt für Statistik) mit einer räumlichen Auflösung von 100 m. b) Landnutzung aggregiert in ca. 12 hydrologische Klassen mit einer räumlichen Auflösung von 100 m, basierend auf der Areal Statistik des Bundesamts für Statistik (GEOSTAT), 1992/97. e) Schneemessungen des Interkantonalen Mess und Informationssystems IMIS, sowie Beobachter Schneedaten des SLF Davos f) Zufluss Messungen (berechnet aus Änderungen des Seewasserstands) der CKW (Centralschweizerische Kraftwerk AG, Luzern) für den Zeitraum c) Meteorologische Messungen (Stundenwerte; Zeitraum: ) der MeteoSchweiz Stationen, welche für das Einzugsgebiet Göscheneralpsee relevant sind. Wichtige Stationen sind Gütsch ob Andermatt, Altdorf, Grimsel Hospiz, Titlis und Engelberg. Für die hydrologische Modellierung wurden folgende meteorologische Messgrössen verwendet: Lufttemperatur, Relative Feuchte, Globalstrahlung, Niederschlag und Windgeschwindigkeit. g) Messungen im Teileinzugsgebiet Damma Reuss von : Abfluss, meteorologische Daten, Schneeverteilung, Grundwasserpegel, Wasser temperaturen, und anderes. Abb. 2: Karte des Göscheneralpsee Einzugsgebiets und Umgebung. Die nächstgelegenen Messstellen der Meteoschweiz sind markiert. 4

6 Modellierungsansatz Die Ergebnisse dieser Fallstudie basieren auf regionalen Klimamodelldaten des europäischen Projekts ENSEMBLES, welche alle vom IPCC Emissionsszenario A1B (moderate Erwärmung) ausgehen. Um die Bandbreite bzw. Unsicherheit heutiger Klimamodelle widerzuspiegeln, wurden Daten von insgesamt zehn verschiedenen Klima Modellketten als Input für die hydrologische Modellierung verwendet. Die Klimamodellketten beinhalten dabei gekoppelten Berechnungen unterschiedlicher Kombinationen von Globalen Zirkulationsmodellen (GCM) mit Regionalen Klimamodellen (RCM). Um die Klimamodellergebnisse auf die lokalen Verhältnisse im Untersuchungsgebiet abzubilden, wurden für alle Messstationen der MeteoSchweiz Jahreszeit abhängige Temperatur und Niederschlagsänderung für die Zeiträume (nahe Zukunft) und (ferne Zukunft) relativ zur Referenzperiode berechnet (Bosshard et al., 2011). Für die hydrologische Modellierung wurden wie bereits oben erwähnt zwei verschiedene Modelle verwendet. Beide Modellansätze verwenden die gemessenen und prognostizierten Temperatur und Niederschlagsdaten der Messstationen der MeteoSchweiz als primären Input. Dadurch resultieren für jedes Modell Ergebnisse für die Referenzperiode (1x) und separate Berechnungen für jede Klimamodellkette (10x) für beide Perioden in der Zukunft, dh. maximal 21 Simulationen über jeweils 30 Jahre. Beide verwendeten hydrologischen Modelle sind nicht in der Lage Gletscherdynamische Prozesse (d.h. Massenbewegungen) zu simulieren. Da derartige Prozesse über längere Zeitskalen jedoch hydrologisch relevant sind, wurden externe glaziologische Berechnungen als zusätzliche Randbedingung in die Modelle integriert. Als Grundlage dafür wurden der Ausgangszustand der Gletscher von 1985 (gemäss World Glacier Inventory) mit einem Schrumpfmodell von Paul et al. (2007) in 5 Jahres Schritten kontinuierlich reduziert. Die glaziologische Berechnungen basieren dabei auf der einfachen Annahme, dass die Gleichgewichtslinie (GWL) entsprechend der Lufttemperaturerhöhung ansteigt. Dadurch wird das Akkumulationsgebiet des Gletschers kleiner. Die resultierenden Gletscherszenarien für Mitte und Ende des 21. Jahrhunderts wurden mit Gletscherszenarien der VAW verifiziert, welche auf einem Ansatz von Huss, Farinotti und Bauder basieren. Konzeptuelles hydrologisches Modell PREVAH PREVAH ist ein konzeptuelles hydrologisches Modell, das schweizweit seit über zehn Jahren in zahlreichen vergletscherten und unvergletscherten Einzugsgebieten getestet worden ist. Für die vorliegende Fallstudie wurde die neue Gitterversion des Modells (Viviroli et al., 2009a.) für das ganze Einzugsgebiet mit regionalisierten Parametern von Viviroli et al. (2009b und 2009c) aufgesetzt. Anhand von gemessenen Zuflussdaten der CKW wurden die Modellparameter optimiert. Danach wurden in täglicher Auflösung folgende hydrologischen Grössen berechnet: Niederschlag, Verdunstung, Schneewasserwert, Eis und Schneeschmelze, Bodenwasserspeicher und Abfluss. Als Modellinput wurden die gemessenen bzw. prognostizierten meteorologischen Grössen der nahegelegenen Meteoschweiz Stationen auf ein Gittermodell des Einzugsgebiet interpoliert. Abb. 3: Darstellung der Modellierungskette von den globalen Zirkulationsmodellen (GCM) bis hin zum hydrologischen Modell nach Bosshard und anderen (2010). 5

7 Physikalisch-basiertes hydrologisches Modell Alpine3D Alpine3D ist ein gebirgshydrologisches Modell, welches die Energieaustausch und Wassertransportprozesse zwischen Atmosphäre, Vegetation, Schnee/Eis und dem Boden beschreibt. Es benötigt als Input Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit und Niederschlag für jeden Gitterpunkt, welche durch geeignete Interpolationsverfahren von den Stationsdaten gewonnen wurden. Diese Interpolationsverfahren wurden anhand lokaler meteorologischer Messungen optimiert und berücksichtigen zb. auch Topographie bedingte lokale Umlagerungen von Schneefall in steilem Gelände (s. Magnusson et al. 2010). Kurz und langwellige Strahlung werden vom Modell auf das Gelände verteilt, wobei topographische Abschattung oder zb. Rückstreuung von Kurzwellenstrahlung von Schnee an das umliegende Gelände berücksichtigt werden. Der durch das Modell generierte Abfluss an jeder Gitterzelle wird ähnlich wie in PREVAH mit konzeptuellem Routing zu einem Gesamtabfluss zusammengerechnet. Berechnungen mit Alpine3D benötigen erhebliche Computerressourcen, deshalb war es in dieser Fallstudie nur möglich, die Referenzperiode und für die beiden zukünftigen Perioden drei ausgewählte Klimamodellketten zu berechnen. Beschreibung des Einzugsgebiets Das Einzugsgebiet des Stausees Göscheneralp umfasst (gemäss Abb. 5) 91.4 km 2. Aufgrund des digitalen Geländemodells, das für die hydrologische Simulation verwendet wurde, wurde eine Fläche von 96.2 km 2 berechnet. Darin enthalten sind sowohl das natürliche Einzugsgebiet der Göscheneralp (42.3km 2 ) als auch die Einzugsgebiete der im Voralpertal und Hinteren Urserental gefassten und zugeleiteten Fliessgewässer (Furkareuss, Lochbach, Stockbach, Voralperreuss). Der Stausee liegt auf 1 792m.ü.M. Die höchste Erhebung im Gebiet ist der Dammastock mit 3'630 m ü.m. Die Landschaft hat alpinen Charakter mit vergletscherten Gebieten in höheren Lagen (Damma, Tiefen, Chelengletscher, Flachstein und Wallenbuchfirn.). Im 1973 betrug die vergletscherte Fläche 24.2 km 2, was einem Anteil von 25 % entspricht. Durch den Rückzug der Gletscher wurden in jüngerer Zeit teilweise vegetationsarme Flächen mit Moränenbedeckung freigelegt. Der geologische Untergrund wird durch die Granite und Gneise des Aarmassivs aufgebaut. Unterhalb der nivalen Höhenstufe sind vom Gletscher geschliffene Felsoberflächen und flachgründige Böden mit einfacher Vegetation verbreitet, welche zu einer insgesamt geringen Wasserspeicherkapazität führen. Gemittelt über das Gebiet fallen pro Jahr im Durchschnitt 2330 mm Niederschlag. Diese Summe scheint relativ hoch, wenn man sie mit den Jahresniederschlägen an den Stationen Gütsch Andermatt (1479 mm) oder Göscheneralp (1555 mm) vergleicht. Der starke Niederschlagsgradient mit der Höhe (von ca. 5% pro 100 m) ist aber mit verschiedenen ausführlichen Studien von Kormann (2009), Farinotti u.a. (2011) und Magnusson u.a. (2011) gut gesichert. Somit ergibt sich für das gesamte Einzugsgebiet ein Jahresvolumen von ca. 210 Mio. m 3 Wasser. Die Wasserfassung Urnerloch bei Andermatt und das dazugehörige Einzugsgebiet mit den Zuflüssen Furka, Mutten, Witenwassern, Gotthard und Unteralpreuss werden in dieser Studie nicht berücksichtigt. Beschreibung der Kraftwerkanlage Das Kraftwerk Göschenen ist seit 1961 in Betrieb. Im Stausee Göscheneralp finden 75 Mio m 3 Nutzwasser Platz. Von dort gelangt das Wasser durch einen 7 km langen Druckstollen und einen 900 m langen Druckschacht in die Kavernenzentrale Göschenen (1090m.ü.M.). Die Gesamtleistung der Turbinen beträgt 4 x 41.2MW. Abb. 4: Blick von der Staumauer ins Einzugsgebiet des Göscheneralpsees 6 Abb. 5: Karte mit Reservoiren, Zuleitungen (wie hier im Beispiel Göscheneralpsee)

8 Zukunftsszenarien und Modellvalidierung Regionale Klimaszenarien Regionale Gletscherszenarien Wie bereits erwähnt, wurden basierend auf den ENSEMLBES Klimamodellketten für alle relevanten Messstationen der MeteoSchweiz Jahreszeitabhängige Änderungen für Temperatur und Niederschlag für die Perioden (nahe Zukunft) und (ferne Zukunft) relativ zur Kontrollperiode berechnet. Abb. 7 zeigt exemplarisch die erwarteten Veränderungen für die Station Gütsch ob Andermatt. Trotz erheblicher Unterschiede zwischen den verwendeten Klimamodell ketten werden wärmere Temperaturen insbesondere in den Sommermonaten konsistent vorhergesagt. Für den Zeitraum liegt der Temperaturanstieg im Sommer bei ca. 1.8 C [ C] und für den Zeitraum bei knapp 5 C [3 7.5 C]. Die projizierten Veränderungen liegen dabei deutlich ausserhalb der natürlichen Variabilität (siehe graue Fläche in Abb. 7) und dürfen als signifikant betrachtet werden. Die erwarteten Änderungen im Niederschlag liegen hingegen nicht ausserhalb der beobachteten natürlichen Variabilität, mit Ausnahme einer längerfristigen Abnahme in der Grössenordnung von 20% in den Sommermonaten für Dafür nehmen die Winterniederschläge im gleichen Zeitraum tendenziell geringfügig zu. Ausführliche Angaben zu diesen Klimaszenarien sind verfügbar unter: Unter Annahme prognostizierten Klimaänderungen wird ein weiterer Rückgang der Gletscher in der Region erwartet. Gemäss Berechnungen des glaziologischen Modells soll die vergletscherte Fläche im Einzugsgebiet des Göscheneralpsees von 1985 um 25% auf gut 14 % im Jahr 2040 zurückgehen. Bis 2085 wird gar eine Reduktion auf 6% des Gebiets prognostiziert (siehe Tabelle). Die bis zum Ende des 21. Jahrhunderts verbleibende Gletschermassen werden sich vor allem auf die Gebiete des Damma und des Tiefengletschers verteilen (siehe Abbildung 6) 2 Gletscherfläche (km ) 2 Eisfreie Fläche (km ) Gletscherfläche (%) Eisfreie Fläche (%) Abb. 6: Prognose zum Rückgang des Gletscheranteils Abb. 7: Prognostizierte Änderungen der Temperatur (ΔT, links) und des Niederschlages (ΔP, rechts) für die Station Gütsch Andermatt 7 Kontrollperiode Die natürliche Variabilität ist als graues für den Zeitraum (oben) und (unten), relativ zur Band dargestellt (+/ 1 Standardabweichung), Ergebnisse der einzelnen Klimamodellketten sind farbig dargestellt (s. Legende rechts).

9 Validierung der hydrologischen Modelle Als Grundlage für die Validierung können wir die Modellsimulation für den Zeitraum anhand von Seezufluss Messungen der CKW, sowie anhand von Schneeprodukten des SLF überprüfen. Im Allgemeinen weisen die Modelle eine gute Übereinstimmung mit den Schnee und Abflussmessungen auf. Die saisonalen Schwankungen, aber auch die Unterschiede zwischen wasserarmen und wasserreichen Jahren werden quantitativ realistisch wiedergegeben (Abbildung 8). Der Nash Sutcliffe coefficient (ein in der Hydrologie gebräuchliches Gütemass für die Übereinstimmung zwischen modelliertem und gemessenem Abfluss) liegt bei 0.91 (PREVAH), resp. bei 0.85 (Alpine3D), was beiden Modellen eine gute Leistung attestiert. Die mittlere Abweichung vom gemessenen Zufluss des Göscheneralpsees beträgt 2.5% (PREVAH) resp. +0.1% (Alpine3D). Auf kleinerer Skala wurde die Genauigkeit des physikalischbasierten Prozessmodells Alpine3D gestestet. Derartige Tests stellen erschwerte Anforderungen an die Modelle, da die räumliche Variabilität der meteorologischen Randbedingungen stärker zum Tragen kommt. Ausserdem benötigen Studien wie diese langjährige meteorologische Datenreihen als Input, welche normalerweise lokal nicht zur Verfügung stehen und über grössere Distanzen (im vorliegenden Fall ca. 20km) interpoliert werden müssen. Als Untersuchungsgebiet für den kleinräumigen Test wurde das 10km 2 grosse Einzugsgebiet der Dammareuss verwendet. Abflussmessungen werden dort von der Eidg. Forschungsanstalt WSL seit 2007 durchgeführt. Ausserdem liegen umfangreiche Arbeiten zur Bestimmung der Massenbilanz des Dammagletschers vor, welcher eine wichtige Komponente in der Abflussdynamik spielt. Automatische Überwachungs Kameras liefern tägliche Daten zur Schneebedeckung. Anhand dieser Daten können wir zeigen, dass Alpine3D trotz interpolierter meteorologischer Daten in der Lage ist, saisonalen Schneefall und dessen Ausaperungsmuster in guter Genauigkeit wiederzugeben (Abb. 10). Auch die Abflussmodellierung weist eine hohe Güte auf. Sogar die durch Schnee und Eisschmelze verursachten tageszeitlichen Schwankungen im Abfluss werden vom Modell gut erfasst (Abb. 9). Das auch für grössere Einzugsgebiete eingesetzte Modell PREVAH zeigt im Vergleich mit einem operationellen Schneeprodukt des SLF, dass es auf grosser Skala die saisonalen Schneewasserressourcen gut zu simulieren vermag. Simulation für das Reuss Einzugsgebiet veranschaulichen, dass die jährlichen Maxima im Schneewasserwert von PREVAH gut mit den Beobachtungsdaten des SLF übereinstimmen (Abb. 11). So werden beispielsweise besonders schneearme (z.b. 1996, 2007) und schneereiche Winter (z.b. 1982, 1999) vom PREVAH korrekt wiedergegeben. Abb. 8: Simulierter (rot) und gemessener (blau) täglicher natürlicher Zufluss zum Göscheneralpsee für die Jahre Simulation mit PREVAH (oben) und Alpine3D (unten). 8

10 Abb. 9: Mit Alpine3D simulierter (Linie) und gemessener (Schattierung) stündlicher Abfluss aus dem nur 10km 2 grossen Teileinzugsgebiet der Dammareuss für das Jahr Sogar die durch Schnee und Eisschmelze verursachten tageszeitlichen Schwankungen im Abfluss werden vom Modell gut erfasst. Abb. 10: Die mit Überwachungskameras beobachte Schneebedeckung (obere Reihe) und entsprechenden Modellergebnisse (untere Reihe) für das Teileinzugsgebiet der Dammareuss. Die weissen Flächen sind schneebedeckt, die grauen Flächen schneefrei, und die schwarzen Flächen konnten von der Kamera nicht beobachtet werden. Verwendetes Modell: Alpine3D. Abb. 11: Simulierter (schwarz) und beobachteter (farbig) mittlerer Schneewasserwert des Reuss Einzugsgebiets (oberhalb m ü.m.) für den Zeitraum (Grün: Abgeleitet von 110 SLF Messstationen, Rot: 133 SLF Messstationen, Blau 203 SLF Messstationen). 9

11 Die Messdaten der CKW erlauben für die Periode von eine detaillierte jahreszeitliche Validierung der Modellergebnisse (Abb 13, oben). Auch wenn beide hydrologischen Modelle gesamthaft ähnlich gute Ergebnisse aufweisen, gibt es doch kleinere systematische jahreszeitliche und modellspezifische Abweichungen von den beobachteten Zuflüssen zum Göscheneralpsee (Abb. 13, Mitte). Die Saisonalität der Abweichungen unterscheiden sich dabei deutlich zwischen den beiden Modellen. Alpine3D unterschätzt vor allem zu Beginn der Schneeschmelze die Abflüsse (im Mai) und kompensiert dies durch überhöhte Abflüsse gegen Schluss des saisonalen Anstiegs im Sommer (1. Hälfte Juli). Eine genauere Analyse zeigt, dass diese Abweichung auf das Timing des Schneeschmelzabflusses zurückzuführen ist, welcher im Durchschnitt im Modell um 5 Tage zu spät einsetzt. Der Effekt hat mutmasslich mit dem Rückhalten von Schmelzwasser in der Schneedecke zu tun: Durch die begrenzte räumlich Auflösung des Modellgitters ist die lokale Variabilität der Schneeverteilung im Modell unterrepräsentiert, was zu einer Verspätung des ersten Schneeschmelzabflusses führt. Abgesehen von diesen Phasen (Mai und Anfang Juli) stimmen die Ergebnisse von Alpine3D mit den Messungen gut (Sommer) bis sehr gut (September bis April) überein. Das Modell PREVAH auf der anderen Seite unterschätzt die Abflüsse in jener Phase in der die Gletscherschmelze am meisten zum Gesamtabfluss beiträgt, dies ab Mitte Juli bis Anfang September. Das Defizit wird durch überhöhte Abflüsse in den Monaten Oktober und November ausgeglichen. Die Relative Differenz der beiden Modelle im Vergleich zueinander (Abb 13, unten) basiert im wesentlichen auf der Addition der Einzelabweichungen, da die Modellspezifischen Abweichungen auf Perioden von 1 2 Monate beschränkt sind, welche sich zeitlich nicht überschneiden. In der Validierungsperiode von beträgt die Differenz im Gesamtabfluss der beiden Modelle 2.5%, über die gesamte Referenzperiode von nur 0.6%. Alpine3D Messung PREVAH Abfluss (mm/tag) Relativer Fehler (%) Abfluss (mm/tag) Relative Differenz (%) Abb. 12:. Über das Jahr gemittelter Gesamtabfluss, Messungen und Berechnungen im Vergleich. Modell Alpine3D Messungen CKW Modell PREVAH Differenz Alpine3D Messung Differenz PREVAH Messung Differenz Alpine3D PREVAH Abb. 13: Abweichungen des simulierten gegen den gemessenen 10 Gesamtzufluss zum Göschernalpsee im Jahresverlauf. Die Pfeile bezeichnen den Mittelwert (Kreise) sowie 25% und 75% Percentilen (Pfeilspitzen) der Variabilität zwischen den einzelnen Jahren.

12 Ergebnisse der hydrologischen Modelle Erwartete Veränderung der Schneedecke Wie bei den Gletschern, wird die erwartete Erwärmung des Klimas im Einzugsgebiet des Göscheneralpsees auch zu einer bedeutenden Veränderung der Schneespeicher führen. Gemäss PREVAH geht der maximale Schneewasserwert Mitte Winter um 20 50% für den Zeitraum , bzw. um 50 60% für den Zeitraum zurück (Abb. 14). Damit liegen die mittleren Werte gegen Ende des 21. Jahrhunderts am unteren Ende der natürlichen Variabilität von heute, oder sind anders gesagt extrem Schneearme Winter von heute der Normalfall in Zukunft. Ebenso bedeutend ist der Rückgang des Schneevorrats im Sommer und Herbst. Heute überdauern selbst in Schneearmen Jahren bedeutende Mengen Schnee in den höheren Lagen die wärmeren Jahreszeiten. Dies ist vor allem für die Akkumulationszonen der Gletscher von Bedeutung. Diese Mengen gehen gemäss PREVAH aber bereits gegen Mitte des Jahrhunderts deutlich zurück und versiegen gegen Ende des Jahrhunderts im Normalfall vollends. Qualitativ ähnliche Ergebnisse ergeben Berechnungen des Modells Alpine3D für das Teileinzugsgebiet Dammareuss (Abb. 15). Der Winter verkürzt sich in allen Höhenstufen um 5 8 Wochen und selbst auf 3500 müm schmilzt der Schnee für kurze Zeit im Sommer vollständig weg. Abb. 14: Mit PREVAH berechnete Veränderung in der Klimatologie des Schneewasserwerts (mm) für den Zeitraum (links) und den Zeitraum (rechts), dargestellt für den Median, das 97.5% Quantil und das 2.5% Quantil (oben) und den Mittelwert (unten) des gesamten Göscheneralpsee Einzugsgebiets. Die schwarze Linie entspricht der Referenz Simulation für den Zeitraum Abb. 15: Mit Alpine3D berechnete Veränderung der Schneedecke für das Teileinzugsgebiet Dammareuss; Verhältnisse heute (durchgezogene Linie), für den Zeitraum gemäss IPCC Szenario A2 (gestrichelte Linie), für den Zeitraum gemäss IPCC Szenario B2 (gepunktete Linie); von links nach rechts: Von Schnee bedeckter Flächenanteil im Jahresverlauf (%), saisonaler Schneespeicher [mm], maximaler Schneewasserwert mit der Höhe (mm), Schneevolumen mit der Höhe (mm). 11

13 Erwartete Veränderung der Verdunstung und Bodenfeuchte Eine Änderung des Klimas wird auch Auswirkungen auf die Verdunstung und die Wasserspeicherung im Boden haben. Jährlich verdunsten im Göscheneralpsee Einzugsgebiet ca. 13% des gesamten Jahresniederschlags. Die Berechnungen des Modells PREVAH sind zwar mit grosser Unsicherheit behaftet, weil man immer noch relativ wenig weiss über die Verdunstung in alpinen Einzugsgebieten. Die Grössenordnung stimmt aber recht gut mit Angaben des hydrologischen Atlas der Schweiz (Tafel 4.1). Im Vergleich zur Unsicherheit im Modell und zum Anteil an der jährlichen Wasserbilanz sind die erwarteten Veränderungen in der Verdunstung gering. Für den Zeitraum berechnet das Modell eine Zunahme der jährlichen Verdunstung um ca. 15 mm bzw. um 0.6% des aktuellen Jahresniederschlags; für den Zeitraum um ca. 27 mm bzw. um 1.2%. Auch bezüglich der im Boden gespeicherten Wassermenge gibt es eine grosse Unsicherheit. Doch angesichts der wenig entwickelten Böden in diesem alpinen Einzugsgebiet kann von einer allgemein geringen Bodenwasserspeicherung ausgegangen werden. Grundlage für die Berechnung der temporären Bodenwasserspeicherung im Göscheneralpsee Gebiet ist eine angenommene Beziehung zwischen Landnutzung und Bodenkennwerten. Gemäss den Ergebnissen des Modells PREVAH dürfte die Bodenwasserspeicherung in Zukunft nur unwesentlich zunehmen. Diese Zunahme ist eine Folge des Gletscherrückgangs und der damit verbundenen Freilegung des Gletschervorfelds. Sobald eine vergletscherte Fläche verschwindet, wird diese durch vegetationslose Schotter im Modell ersetzt. Solche Böden sind nach wie vor sehr speicherarm. Diese vorerst fels dominierten Flächen entwickeln sich nur über sehr lange Zeit zu feinkörnigen, speicherfähigen Böden. Abb. 16: Mit PREVAH berechnete Veränderung in der Klimatologie der durchschnittlichen Verdunstung (mm/tag; oben) und Bodenwasserspeicherung (mm; unten) für den Zeitraum (links) und den Zeitraum (rechts) gemittelt über das gesamte Einzugsgebiet des Göscheneralpsees. Die schwarze Linie entspricht der Referenz Simulation für den Zeitraum

14 Auswirkungen auf den Zufluss zum Göscheneralpsee Als integrales Ergebnis der sich verändernden Teilkomponenten der Wasserbilanz wird sich das Zuflussregime des Göschernalpsees anpassen. Diese Änderungen sind komplex und betreffen Abflussvolumina, Saisonalität, sowie die jährliche Variabilität. Die Modellprognosen unterscheiden sich je nach Klimamodellkette, aber teilweise auch zwischen den beiden verwendeten hydrologischen Modellen. Im folgenden werden zunächst die Abflussprognosen der beiden hydrologischen Modellen separat vorgestellt, eine Synthese findet sich im abschliessenden Diskussionsteil. PREVAH Am offensichtlichsten ist eine Veränderung der Saisonalität im Gesamtabfluss (Abb. 17). Das Timing des maximalen Abflusses im Sommer verschiebt sich im Mittel um ca. 3 Wochen bis Mitte, bzw. um ca. 6 Wochen bis Ende des Jahrhunderts. Diesbezüglich stimmen Simulationen von der Hälfte der Klimamodellketten bestens überein, während die anderen Simulationen um ca. 1 2 Wochen abweichen. Der Wert des maximalen Abflusses hingegen scheint sich weder in näherer noch in ferner Zukunft stark zu verändern, auch wenn die Unterschiede zwischen den 10 Modelläufen mit zunehmenden Prognosehorizont grösser werden, bzw. die Aussage mit einer grösseren Ungenauigkeit behaftet ist. Auch die gesamte jährliche Zuflussmenge wird sich gemäss PREVAH in einem Normaljahr gegenüber der Referenzperiode nur unwesentlich verändern, und zwar im Mittel um 0.6% (±1.8%, ), resp. um 1.9% (±4.7%, ). Die mittleren Abnahmen sind dabei aber kleiner als die durch die verschiedenen Klimamodelle bedingte Unsicherheit. Dem zukünftig zusätzlichen Wasserangebot im April bis Juni steht eine ebenso deutliche Abnahme des Seezuflusses im Juli bis September gegenüber. Das kann in hoher Übereinstimmung unter den einzelnen Simulationen bis Ende des Jahrhunderts mehr als 50% des heutigen mittleren Abflusses im August ausmachen. Qualitativ übereinstimmend sind auch die einzelnen Simulationen zur Erhöhung des Abflusses in den Wintermonaten (Nov. Feb.). Die Zunahme variiert jedoch zwischen 0 2 mm/tag je nach Klimamodellkette, Monat und Prognosehorizont, was bis zu einer Verfünffachung der aktuellen Winterabflüsse bedeuten kann. Abb. 17: Mit PREVAH berechnete Veränderung in der Klimatologie des natürlichen Zuflusses (mm/tag) für den Zeitraum (links) und den Zeitraum (rechts), dargestellt für den Median, das 97.5% Quantil und das 2.5% Quantil (unten) und den Mittelwert (oben) des gesamten Einzugsgebiets. Die schwarze Linie entspricht der Referenz Simulation für den Zeitraum

15 Die Percentil Darstellung (Abb. 17, unten) zeigt die grosse Variabilität im Abfluss zwischen den einzelnen Jahren der 30 jährigen Simulationsperioden. So sind die mittleren Abflüsse im Sommer in extremen Jahren mehr als doppelt bzw. weniger als halb so hoch wie in durchschnittlichen Jahren. Dieses Verhältnis zwischen extremen und normalen Jahren wird sich im wesentlichen auch in Zukunft wenig verändern. Die augenfälligste qualitative Veränderung im Bezug auf die Variabilität zwischen einzelnen Jahren betrifft die Abflüsse im September und Oktober. Hier prognostiziert PREVAH für extrem Abflussreiche Jahren ein 4 bis 5 fach überhöhten Abfluss relativ zu durchschnittlichen Jahren. Diese Regimeänderung von einem zu zwei saisonalen Abflussschwerpunkten in Wasserreichen Jahren zeichnet sich bereits in der Periode von ab. Alpine3D Wie bereits erwähnt, war es aus Kapazitätsgründen nicht möglich, Alpine3D Simulationen für alle 10 Klimamodellketten bereitzustellen. Statt dessen wurden insgesamt 7 Simulationen für 3 unterschiedliche Klimamodellketten berechnet, welche gemäss PREVAH Simulationen einem mittleren, einem stärkeren und einem moderateren Szenario entspricht. Auch die Alpine3D Simulationen zeigen eine deutliche Vorverschiebung der Schneeschmelze, dies je nach Klimamodellkette um 1.5 bis 3.5 Wochen für , bzw. 4 bis 7 Wochen für (Abb. 18). Ähnlich wie bei der PREVAH Simulationen, ist die Veränderung des maximalen Abflusses im Sommer unklar und variiert um ca. +/ 15% je nach Klimaszenario. Dafür prognostiziert Alpine3D im Gegensatz zu PREVAH eine klare Zunahme der mittleren jährliche Zuflussmengen, dies um 6 bis 23% Mitte Jahrhundert bzw. um 6 bis 22% Ende Jahrhundert. Bis 2050 nehmen in durchschnittlichen Jahren die Abflüsse ab April bis Mitte Juli stark zu, während in den darauffolgenden Monaten der Abfluss fast unverändert bleibt oder allenfalls sogar leicht zunimmt. Bis 2100 prognostiziert auch Alpine3D gegenüber heute einen Rückgang im Abfluss für die Monate Juli und August, dies um ca. 1/3 der heutigen Werte. Die Wintermonate Dezember bis März verbleiben in allen Simulationen mit Alpine3D im Wesentlichen unverändert. Das Verhältnis zwischen extremen und normalen Jahren bleibt sehr ähnlich. Wie bei den PREVAH Simulationen zeichnen sich in Wasserreichen Jahren allerdings zwei saisonale Abflussschwerpunkte statt einem ab, was unter anderem mit dem prognostizierten Rückgang der Niederschläge im Juli und August zusammenhängt. Abb. 18: Mit Alpine3D berechnete Veränderung in der Klimatologie des natürlichen Zuflusses (mm/tag) für den Zeitraum (links) und den Zeitraum (rechts), dargestellt für den Median, das 97.5% Quantil und das 2.5% Quantil (oben) und den Mittelwert (unten) des gesamten Einzugsgebiets. Die schwarze Linie entspricht der Referenz Simulation für den Zeitraum

16 Vergleich und Diskussion der Modellergebnisse Vergleich der beiden hydrologischen Modelle In den Aussagen der beiden hydrologischen Modelle finden sich viele Gemeinsamkeiten (Abb. 17 und 18). Dies betrifft beispielsweise die um zunächst 3 später 6 Wochen früher einsetzende Frühlingsschmelze, während sich gleichzeitig der maximale mittlere Abfluss im Sommer kaum verändert. Auch sind sich die Modelle im Bezug auf die Variabilität zwischen den einzelnen Jahren einig. Doch gibt es auch Unterschiede in den Aussagen der beiden hydrologischen Modelle, ein detaillierter Vergleich ist für jene drei Klimamodellketten möglich, für welche Simulationen mit beiden Modellen zur Verfügung stehen (Abb. 19). Für die Periode stimmt zwar die Saisonalität der Abflussänderungen gut überein, jedoch zeigen die Simulationen mit Alpine3D in der Abflussreichen Zeit (April Oktober) durchwegs höhere Werte als die Berechnungen mit PREVAH. Dies trifft in ähnlicher Weise auch auf die Periode zu, beschränkt sich dann aber auf die Monate Juli September. Für diese Monate zeigen die Ergebnisse von PREVAH eine Abnahme im Abfluss, während Alpine3D keine oder sogar zunehmende Abflüsse prognostiziert. Die genannten Unterschiede führen dann auch dazu, dass der jährliche Abfluss nur gemäss Alpine3D bis zu 20% zunimmt, während PREVAH keine Änderungen vorhersieht. Dass die grössten Unterschiede zwischen den Modellen gerade jene Monate betreffen, die von Gletscherschmelze dominiert werden, entspricht den Erwartungen. Das physikalisch basierte Modell Alpine3D reagiert wesentlich stärker auf Veränderungen der Gletscheroberflächen, welche durch die frühere Ausaperung von saisonalem Schnee deutlich länger und intensiver der Sonnenstrahlung ausgesetzt sein werden. Deshalb zeigt dieses Modell auch mittelfristig zunächst erhöhten Abfluss im August und September, der erst dann zurückgeht, wenn das Schrumpfen der Gletscheroberfläche den oben beschriebenen Effekt kompensiert. Auch allgemein zeigt Alpine3D eine etwas höhere Sensitivität gegenüber den meteorologischen Einflussfaktoren im Vergleich zu PREVAH. Die unterschiede zwischen den Simulationen mit den 3 Klimamodellketten, aber auch zwischen den extremen Jahren (2.5 und 97.5 Percentilen) sind leicht höher in den Alpine3D Simulationen. Zusammengefasst sind die Aussagen der beiden hydrologischen Modelle eindeutig im Bezug auf die jahreszeitlichen Veränderungen, vor allem im Frühling / Sommer und längerfristig auch im Sommer / Herbst. Ausserdem wird die Situation im Bezug auf die Variabilität zwischen extreme Jahren übereinstimmend beurteilt. Unsicher hingegen ist, ob bzw. um wieviel sich die mittleren Jahresabflüsse im Verlaufe des aktuellen Jahrhunderts verändern. Abb. 19: Spezifische Änderung des Abflusses im jahreszeitlichen Verlauf bis Mitte Jahrhundert ( , links), bzw. bis Ende Jahrhundert ( , rechts). Mit Alpine3D berechnete Auswirkungen (grün), Ergebnisse mit PREVAH (blau). Die Pfeile bezeichnen den Mittelwert (Kreise) sowie 25% und 75% Percentilen (Pfeilspitzen) der Variabilität zwischen den einzelnen Jahren. Die Auswertung wurde für jene drei Klimamodellketten gemacht, 15 für welche Simulationen mit beiden Modellen zur Verfügung stehen: CRNM ARPEGE ALADIN (oben), SMHI BCM RCA (Mitte), ETHZ HadCM3Q0 CLM (unten).

17 Natürliche Variabilität zwischen den Jahren. Die zu erwartenden Änderungen im Zufluss des Göschernalpsees müssen auch im Zusammenhang mit der natürlichen Variabilität zwischen den Jahren gesehen werden. Wie berichtet sind die mittleren Abflüsse im Sommer in extremen Jahren mehr als doppelt bzw. weniger als halb so hoch wie in durchschnittlichen Jahren. Im Vergleich dazu sind die prognostizierten Änderungen relativ klein, so dass alle simulierten Jahresganglinien für den Abfluss in einem zukünftig durchschnittlichen Jahr innerhalb der Grenzen der aktuellen Variabilität liegen. Das heisst nicht, dass die Änderungen nicht signifikant oder unbedeutend wären. Aber es bedeutet, dass die durchschnittlichen Verhältnisse Ende des Jahrhunderts bereits heute in extremen Jahren beobachtet werden können. Unsicherheitsfaktoren bei der Modellierung. Aussagen zur Auswirkungen des Klimawandels sind generell mit grösseren Unsicherheiten behaftet. Dies liegt daran, dass gleich eine ganze Kaskade von Modellen mit ihren spezifischen Annahmen und Unsicherheiten gekoppelt werden müssen. Das fängt an bei den Emissionsszenarien, die die Entwicklung der Weltwirtschaft und den damit verbundenen Konzentrationen klimarelevanter Gase abschätzen müssen. Damit verbundene Unsicherheiten können kaum quantifiziert werden. Die Emissionsszenarien werden dann von globalen Zirkulationsmodellen (GCM) auf deren Auswirkungen auf grösserskalige Wetterlagen untersucht. Diese Ergebnisse werden dann mit Hilfe von regionalen Klimamodellen (RCM) auf konkrete Klimasimulationen für die Zukunft in einer Auflösung von ca. 25 km gerechnet. Mit Hilfe von Downscaling Verfahren werden diese Simulationen dann auf konkrete Datenserien für einzelne Messstationen projiziert, welche schlussendlich als Input für die hydrologische Modellierung verwendet werden. Um die mit der Klimamodellierung verbundenen Unsicherheiten mit einzubeziehen, wurden separate hydrologische Simulationen auf der Basis von Klimadatenreihen von unterschiedlichen GCM und RCM gerechnet (Klimamodellketten). Die Streuung zwischen diesen Simulationen ist zumindest ein Hinweis auf die mit der Klimamodellierung verbundenen Unsicherheiten. Speziell an der vorliegenden Fallstudie und wissenschaftlich interessant ist, dass zusätzlich zur obigen Diskussion auch erstmals die Unsicherheiten durch verschiedenartige Ansätze in der hydrologischen Modellierung beurteilt werden können. Zumindest teilweise sind die Unterschiede zwischen den Ergebnissen der beiden verwendeten hydrologischen Modelle mindestens so gross, wie die Bandbreite der Ergebnisse aus den verschiedenen Klimamodellketten. Dabei ist zu bemerken, dass beide hydrologischen Modelle auf die extern berechneten Gletscherszenarien abstützen, welche die Entwicklung der Gletscherflächenanteile in den hydrologischen Simulationen steuern. Es ist jedoch 16 denkbar, dass der relativ einfache Ansatz, der für die Berechnung der Gletscherszenarien verwendet wurde, weniger gut mit dem Energie Bilanzansatz von Alpine3d kompatibel ist, als das für PREVAH der Fall ist. Ob dieser Effekt zu Unterschieden in den mittleren Jahresabflüssen zwischen den beiden hydrologischen Modellen geführt hat, konnte im Rahmen dieser Studie nicht evaluiert werden, wäre aber ein sinnvoller Anknüpfungspunkt für allfällige Folgestudien. Trotz all der oben diskutierten Unsicherheiten ergeben sich doch einer Reihe qualitativer und teils auch quantitativer Aussagen, die man gemäss aktuellem Stand des Wissens treffen kann. Das sind insbesondere jene Simulationsergebnisse, die eine hohe Konsistenz zwischen den Klimamodellketten und den beiden hydrologischen Modellen aufweisen. Auswirkungen auf den Betrieb Die CKW AG als Teilhaber der Kraftwerke Göschenen AG ist bisher von einem mittleren Rückgang der Zuflüsse in den Göschernalpsee um 7% bis 2035, bzw. um 10% bis 2050 ausgegangen. Diese Werte stammen aus einer Studie des Bundesamts für Energie BFE aus dem Jahre 2005 (Horton, 2005), sind allerdings nicht spezifisch für das Einzugsgebiet des Göschernalpsees gerechnet. Die spezifischen Berechnungen für den Göschernalpsee im Rahmen der vorliegenden Studie gehen jedoch von keinem Rückgang (PREVAH) oder gar von einem mittelfristigen Anstieg der Zuflüsse (Alpine3D) aus. Aufgrund der Unsicherheit bezüglich der genauen Quantifizierung zukünftiger Zuflüsse hat die CKW entschieden, keine detailierten Berechnungen zur Mehr oder Minderproduktion des Kraftwerks im Vergleich zu heutigen Randbedingungen durchzuführen. Änderungen der Produktion sind bei der Art, wie der Stausee heute betrieben wird, jedoch gemäss CKW direkt proportional zu Änderungen im Jahreszufluss. Die erwarteten saisonalen Veränderungen im Zufluss des Göschernalpsees wurden mit dem Betriebsmodell der CKW detaillierter analysiert. Dazu wurden alle betrachteten Zuflussszenarien auf den aktuellen Jahreszufluss skaliert, um nur die Veränderungen in der Saisonalität zu berücksichtigen. Wenn man den heutigen Energiebedarf und das aktuelle Preisgefüge zu Grunde legt, würden die jahreszeitlichen Änderungen im Zufluss gemäss allen Modellketten in Fig. 19 bis Mitte Jahrhundert eine deutlich Steigerung des Ertrags mit sich bringen. Da aber mittelfristige Änderungen im Zufluss die Einsatzplanung der Kraftwerke und die Preisdynamik beeinflussen würden, sind obige Berechnungen nicht besonders aussagekräftig. Dies gilt insbesondere, wenn auch andere Stauseen ähnliche Veränderungen im Zufluss erfahren würden. Für verbesserte Ertragsprognosen müsste ein neues Preisszenario entwickelt werden, was aufgrund der komplexen Zusammenhänge zwischen zukünftigem Zufluss, Energiebedarf, Kraftwerksbetrieb und Preisdynamik schwierig zu ermitteln wäre.

18 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen Diese Fallstudie beinhaltet Berechnungen zukünftiger Zuflussszenarien für den Göschernalpsee, welcher der Kraftwerke Göschenen AG als Stausee dient. Die Berechnungen basieren auf der Kopplung einer ganze Kaskade von Modellen: a) IPCC Emissionsszenarien; b) Berechnungen von globalen Zirkulationsmodellen (GCM) zur Auswirkung der Emissionsszenarien auf grösserskalige Wetterlagen; c) konkrete Klimasimulationen durch regionale Klimamodellen (RCM) auf Skala Europa in einer Auflösung von ca. 25 km; d) Projektion dieser Ergebnisse auf Datenserien einzelner Messstationen in der Region Göschenen / Andermatt durch statistisches downscaling; e) glaziologische Berechnungen zur zukünftigen Entwicklung der Gletscherflächen im Einzugsgebiet des Göschernalpsees; f) hydrologische Modellierung für den Stausee unter Verwendung der Ergebnisse von d) und e) mit zwei unterschiedlichen Modellansätzen. Die Kopplung einer solchen Anzahl von Einzelmodellen mit ihren spezifischen Unsicherheiten verursacht zwangsläufig eine grössere Bandbreite möglicher Ergebnisse. Dennoch konnte für einen Teil der Aussagen eine hohe Konsistenz zwischen den Berechnungen mit verschiedenen Modellketten (unterschiedliche Kopplungen der Einzelmodelle) erzielt werden. Die offensichtlichste Veränderung betrifft die Saisonalität des Gesamtzuflusses (Abb. 19). Das Timing des maximalen Zuflusses im Sommer verschiebt sich im Mittel um ca. 3 Wochen bis Mitte, bzw. um ca. 6 Wochen bis Ende des Jahrhunderts. Gleichzeitig stimmen die hydrologischen Modelle darin überein, dass sich der maximale mittlere Abfluss im Sommer kaum verändern wird (Abb. 17 und 18). Dem zukünftig zusätzlichen Wasserangebot im April bis Juni steht eine deutliche Abnahme des Seezuflusses im Juli bis September gegenüber, dies gemäss PREVAH bereits ab , bzw. gemäss Alpine3D erst ab (Abb. 19). Auch wenn die Saisonalität der Veränderungen im Zufluss in den verschiedenen Modelläufen gut übereinstimmt, zeigen die Simulationen mit Alpine3D in der Zuflussreichen Zeit (Mai September) durchwegs höhere Werte als die Berechnungen mit PREVAH. Dabei betreffen die grössten Unterschiede zwischen den Modellen jene Monate, die von Gletscherschmelzwasser dominiert werden. Diese Unterschiede führen dann auch dazu, dass der jährliche Zufluss nur gemäss Alpine3D bis zu 20% zunimmt, während PREVAH keine wesentlichen Änderungen prognostiziert. Diese Differenzen in den Ergebnissen der beiden hydrologischen Modelle sind nicht unerwartet. Das physikalisch basierte Modell Alpine3D reagiert wesentlich stärker auf Veränderungen der Gletscheroberflächen, welche durch die frühere Ausaperung von saisonalem Schnee deutlich länger und intensiver der Sonnenstrahlung ausgesetzt sein werden. Deshalb zeigt dieses Modell auch mittelfristig zunächst erhöhten Zufluss im August und September, der erst dann zurückgeht, wenn das Schrumpfen der Gletscheroberfläche den oben beschriebenen Effekt kompensiert. Dieser Umkehrpunkt trifft in den vorliegenden Berechnungen erst gegen ca ein, was aber stark abhängig ist von den vorgegebenen externen glaziologische Berechnungen zur zukünftigen Entwicklung der Gletscherflächen. Es ist denkbar, dass der relativ einfache Ansatz, der für die Berechnung der Gletscherflächen verwendet wurde, nicht geeignet ist zur Kopplung mit dem Energie Bilanzansatz von Alpine3d. Daher sind entsprechende Ergebnisse vom Modell Alpine3D zum Gesamtjahreszufluss ggf. nur bedingt aussagekräftig. Hier wäre für zukünftige Studien sicher wünschenswert, volumetrische Gletscherszenarien auf der Basis komplexerer glaziologischer Modelle zur Kopplung zur Verfügung zu haben. Die zu erwartenden Änderungen im Zufluss des Göschernalpsees müssen auch im Zusammenhang mit der natürlichen Variabilität zwischen den Jahren gesehen werden. Bereits heute sind die mittleren Abflüsse im Sommer in extremen Jahren mehr als doppelt bzw. weniger als halb so hoch wie in durchschnittlichen Jahren. Dieses Verhältnis zwischen extremen und normalen Jahren wird sich im wesentlichen auch in Zukunft wenig verändern. Im Vergleich zur natürlichen Variabilität zwischen den Jahren sind die prognostizierten Änderungen im Zufluss relativ klein, so dass alle simulierten Jahresganglinien in einem zukünftig durchschnittlichen Jahr innerhalb der Grenzen der aktuellen Variabilität liegen. Das heisst nicht, dass die Änderungen nicht signifikant oder unbedeutend wären. Aber es bedeutet, dass die durchschnittlichen Verhältnisse Ende des Jahrhunderts bereits heute in extremen Jahren beobachtet werden können. Die Kraftwerksbetreiber sind bisher von einem mittleren Rückgang der Zuflüsse in den Göschernalpsee um 7% bis 2035, bzw. um 10% bis 2050 ausgegangen, basierend auf einer früheren Studie im Auftrag des BFE, die allerdings nicht spezifisch für das Einzugsgebiet des Göschernalpsees gerechnet wurde. Die hier erarbeiteten Zuflussszenarien für den Göschernalpsee zeigen jedoch keinen Rückgang (PREVAH) bzw. sogar einem mittelfristigen Anstieg der Zuflüsse (Alpine3D). Die erwarteten saisonalen Veränderungen im Zufluss des Göschernalpsees wurden mit dem Betriebsmodell der CKW analysiert. Wenn man den heutigen Energiebedarf und das aktuelle Preisgefüge zu Grunde legt, würden die jahreszeitlichen Änderungen bis Mitte Jahrhundert eine deutlich Steigerung des Ertrags mit sich bringen. Da aber mittelfristige Änderungen im Zufluss die Einsatzplanung der Kraftwerke und die Preisdynamik beeinflussen würden, sind derartige Berechnungen nicht besonders aussagekräftig. 17

19 Relevante Literatur Hydrologische Untersuchungen Magnusson J, Farinotti D, Jonas T, Bavay M; Quantitative evaluation of different hydrological modeling approaches in a partly glacierized Swiss watershed; 2011; Hydrological Processes, in press, doi: /hyp.7958 Magnusson J, Jonas T, Lopez Moreno I, Lehning M; Snow cover response to climate change in a high alpine and half glaciated basin in Switzerland; 2010; Hydrology Research, 41, , doi: /nh Farinotti D, Magnusson J, Huss M, Bauder A; Snow accumulation distribution inferred from time lapse photography and simple modelling; 2010; Hydrological Processes, 24, , doi: /hyp.7629 Kormann K; Untersuchungen zur Wasserhaushaltsbilanz und zur Abflussdynamik eines Gletschervorfeldes; 2009; Diplomarbeit an der Technische Universität Dresden Hortin P, Schaefli B, Mezghani A, Hingray B, Musy A; Assessment of climate change impacts on alpine discharge regimes with climate model uncertainty; 2006; Hydrological Processes, 20, Modelle Viviroli D, Zappa M, Gurtz J, Weingartner R; An introduction to the hydrological modelling system PREVAH and its pre and post processing tools; 2009; Environmental Modelling & Software, 24, , doi: /j.envsoft Viviroli D, Zappa M, Schwanbeck J, Gurtz J, Weingartner R; Continuous simulation for flood estimation in ungauged mesoscale catchments of Switzerland Part I: Modelling framework and calibration results; 2009; Journal of Hydrology, 377, doi: /j.jhydrol Viviroli D, Mittelbach H, Gurtz J, Weingartner R; Continuous simulation for flood estimation in ungauged mesoscale catchments of Switzerland Part II: Parameter regionalisation and flood estimation results; 2009; Journal of Hydrology, 377, doi: /j.jhydrol Lehning M, Voelksch I, Gustafsson D, Nguyen TA, Staehli M, Zappa M; ALPINE3D: a detailed model of mountain surface processes and its application to snow hydrology; 2006; Hydrological Processes, 20, Paul F, Maisch M, Rothenbühler C, Hoelzle M, Haeberli W; Calculation and visualisation of future glacier extent in the Swiss Alps by means of hypsographic modelling; 2007; Global and Planetary Change, 55,