Vorhersage und Szenarien von Schnee- und Wasserressourcen im Alpenraum

Transkript

1 Forum für Wissen 2012: Vorhersage und Szenarien von Schnee- und Wasserressourcen im Alpenraum Massimiliano Zappa, Luzi Bernhard, Felix Fundel und Stefanie Jörg-Hess WSL Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL, Zürcherstrasse 111, CH-8903 Birmensdorf In den Schweizer Alpen entspringen bedeutende Flüsse Europas. Das natürliche Wasservorkommen und der Schnee im Winterhalbjahr sind wichtige Ressourcen für viele Wirtschaftssektoren und ermöglichen einen Lebensstandard, in welchem Wasserknappheit eine marginale Sorge darstellt. Für eine optimale Nutzung dieser Ressourcen müssen wir in der Lage sein, ihre Verfügbarkeit zu quantifizieren. Die WSL verwendet gekoppelte hydrologische und meteorologische Modellansätze zur Vorhersage der räumlichen und zeitlichen Verfügbarkeit von Wasserressourcen im Alpenraum. Der Fokus liegt auf der operationellen Vorhersage von kritischen Wasserdefiziten und auf der Erarbeitung von Klimafolgeszenarien. Unsere Erkenntnisse dienen dem verbesserten Umgang mit der Ressource Wasser in der Gegenwart und der Planung von länderübergreifenden Adaptationsstrategien in der Zukunft. meteorologische Modelle der räumlichen und zeitlichen Verfügbarkeit von Wasserressourcen im Alpenraum entwickelt. Unser primärer Fokus liegt auf der operationellen Vorhersage von kritischen Wasserdefiziten (Seneviratne et al. 2009) und der Erarbeitung von Zukunftsszenarien unter Einbezug des sich verändernden Klimas und der Kryosphäre (Bernhard und Zappa 2012). 1 Einleitung Die Landschaft der Schweiz wurde in den letzten Jahrtausenden stark durch Flüsse aus den grössten Einzugsgebieten der Alpen geprägt und gestaltet. Das Gotthardmassiv ist das Quellgebiet einiger der bedeutendsten Flüsse Europas: des Rheins, der Rhône und des Ticino, welcher in den Po mündet. Der Inn ist ein Teileinzugsgebiet der Donau. Fliessendes Wasser ist in der Schweiz von grösster Bedeutung. Der Rhein ist ein zentraler Transportweg für die Versorgung unseres Landes mit Gütern aller Art. Neben der Schifffahrt gibt es weitere Sektoren unserer Wirtschaft, welche zunehmend Interessen an der aktuellen und künftigen räumlichen und zeitlichen Verfügbarkeit der Ressource Wasser haben. Man denke an die Wasserwirtschaft, die Fischerei und an die Landwirtschaft (Kruse et al. 2010). Auch die Behörden und die Bundesverwaltung haben für die Planung des künftigen Umwelt-Managements hohen Bedarf an fundierten Kenntnissen über die Ressource Wasser (Leibundgut 2010; AdaptAlp 2011). Es geht dabei zum Beispiel um die Bereitstellung von Trinkwasser, die Planung von Bewässerungsstrategien, den Umgang mit Naturgefahren oder um die Bestimmung von Restwassermengen. Darum wurden in den letzten Jahren mehrere interdisziplinäre Projekte mit dem Ziel lanciert, den Umgang mit der Ressource Wasser zu untersuchen und die möglichen Klimafolgen auf den gesamten hydrologischen Kreislauf zu quantifizieren (BAFU 2012; SGHL und CHY 2011; CHR 2010). Parallel haben die jüngsten hydrologischen und meteorologischen Extremereignisse wie das August-Hochwasser 2005 (Bezzola und Hegg 2008) und die Hitzewelle 2003 (BAFU, BWG und MeteoSchweiz 2004) dazu geführt, dass die Früherkennung einer kritischen Abweichung in der Verfügbarkeit von Wasser gefragter wurde. Die Ansätze zur Deckung dieses Bedarfs beruhen auf der Erweiterung des Zeithorizontes von hydrologischen und meteorlogischen Vorhersagen (Zappa et al. 2008; Zappa und Vogt 2007) und auf der laufenden Beurteilung der Ressourcen im jeweiligen Einzugsgebiet, indem aktuelle Messungen von Abfluss und Schnee mit den langjährigen Erfahrungswerten verglichen werden (z. B. Jonas in diesem Band). Zur Beantwortung dieser zentralen Fragen wurden hydrologische und 2 Wasserressourcen der Schweiz Unter Verwendung der gemessenen mittleren Jahresabflüsse haben Hubacher und Schädler (2010) den Wasserhaushalt der Schweiz für die Periode 1901 bis 2000 ermittelt. Dabei ergab sich, dass rund zwei Drittel (981 mm) des Jahresniederschlages von 1431 mm aus der Schweiz abfliesst. Die Speicherverluste (vor allem durch die Gletscherschmelze) betragen rund 14 mm pro Jahr. Demzufolge verdunsten rund 464 mm pro Jahr. Um Aussagen für die unterschiedlichen Regionen der Schweiz zu erarbeiten, können räumlich und zeitlich hochaufgelöste hydrologische Modelle beigezogen werden. Solche Modelle assimilieren digitale Informationen zum Gelände, zur Landnutzung und zu den Bodeneigenschaften und damit alle nötigen Grundlagen, um die klein-räumliche Variabilität der hydrologischen Prozesse mit physikalisch begründeten und/oder konzeptionell gestalteten Ansätzen nachzubilden. Die Modellierung der zeitlichen Variabilität des hydrologischen Kreislaufs wird durch die Assimilation der beobachteten meteorologischen Variablen bestimmt. Neben der Lufttemperatur und dem Niederschlag benötigen

2 20 Forum für Wissen 2012 komplexere hydrologische Modelle zudem Daten zur Windgeschwindigkeit, Luftfeuchte, Sonnenscheindauer und Globalstrahlung. Für solche Forschungsfragen entwickelten WSL, ETH und UNI Bern das Modell PREVAH (Viviroli et al. 2008; Pfaundler und Zappa 2006; Viviroli et al. 2009). Mit diesem Modell wurde im Rahmen des vom Bundesamt für Umwelt koordinierten Projektes CCHYDRO (BAFU 2012) eine Simulation des Wasserhaushalts für die gesamte hydrologische Schweiz (Abb. 1) in einer räumlichen Auflösung von Metern für die Periode 1980 bis 2009 realisiert, verifiziert und analysiert (Bernhard und Zappa 2012). Dies ist die erste Untersuchung, welche sich explizit über die Grenzen der politischen Schweiz ausdehnt und konsistente Berechnungen für alle Grosseinzugsgebiete der Schweiz ermög- licht hat. Zu den Ergebnissen ( hydro.slf.ch/sihl/cchydro) gehören Rasterkarten der Wasserhaushaltsgrössen (Abb. 1) und integrale Auswertungen der Wasserhaushaltskomponenten in den bedeutendsten Grosseinzugsgebieten der Schweiz. In Tabelle 1 sind die Berechnungen zum natürlichen Wasserhaushalt der Schweiz nach Grosseinzugsgebieten und Parameter (Niederschlag, Verdunstung, Abfluss, Anteil Gletscherschmelze, Anteil Schneeschmelze sowie die Speicheränderung) aufgelistet. Eindrücklich ist der grosse Beitrag der Schneeschmelze zum Gesamtabfluss (schweizweit rund 42 %; Mittelland etwa 20 %; Gebirgsregionen über 60 %). Der Anteil der Gletscherschmelze am gesamten Abfluss hingegen ist für die Kontrollperiode in den meisten Regionen klein, jedoch im Wallis und Engadin von hoher Bedeutung (Bernhard und Zappa 2012). Eine räumliche Visualisierung des Wasserhaushaltes (Abb. 1) gibt weitere Auskünfte über die räumliche Variabilität des natürlichen hydrologischen Geschehens in der Schweiz. Die grössten Niederschlagsmengen fallen in den Gipfelregionen der Grosseinzugsgebiete der Limmat, der Reuss und des Ticino. Die höchsten Verdunstungsmengen entstehen wie erwartet in der Grossebene des Mittellandes und von den freien Wasserflächen der Seen. Die räumliche Variabilität des Schneeschmelzanteils am Gesamtabfluss wird mehrheitlich durch die topographischen Verhältnisse der Schweiz vorgegeben. Die Schneeschmelze ist im Wallis, am Alpenrhein sowie im Engadin die dominante Komponente des Abflussgeschehens. Die räumliche Variabilität des natürlichen Abflusses widerspiegelt diejenige des Niederschlages. Abb. 1. Rasterkarten zum natürlichen Wasserhaushalt der Schweiz für die Periode Oben links: gemessener und räumlich interpolierter Niederschlag [mm/jahr]; oben rechts: simulierte reale Verdunstung [mm/jahr]; unten links: simulierter Gesamtabfluss [mm/jahr]; unten rechts: simulierte Schneeschmelze [mm/jahr]. Blaue Töne deuten auf niedrige Werte, rote Töne auf hohe Werte hin.

3 Forum für Wissen Tab. 1. Natürlicher Wasserhaushalt der Schweiz und ihrer bedeutendsten Grosseinzugsgebiete für die Periode 1980 bis 2009 in Millimeter pro Jahr. P: Niederschlag; R: Abfluss; ET: Verdunstung; DS: Speicheränderungen; SNOW: Schneeschmelze ( % vom Abfluss); GLAC: Gletscherschmelze ( %). (Bernhard und Zappa 2012). Grosseinzugsgebiet P R ET DS SNOW GLAC Aare, Brugg ,3 36,6 % 0,4 % Reuss ,8 42,0 % 1,1 % Limmat ,1 36,4 % 0,2 % Alpenrhein ,9 58,3 % 0,3 % Aare, Untersiggenthal ,2 37,9 % 0,5 % Rhein, Rheinfelden ,9 39,2 % 0,4 % Inn (Engadin) ,7 67,5 % 3,3 % Lago Maggiore (Ticino) ,1 32,1 % 0,3 % Rhône ,1 60,3 % 6,5 % Hydrologische Schweiz ,4 41,8 % 1,4 % 3 Klimafolgeszenarien für nahe und ferne Zukunft 3.1 Konfiguration Für die Beantwortung der Frage «Wie wird sich die Klimaänderung auf die Wasserressourcen der Schweiz auswirken?» musste eine ganze Reihe von Modellen konzipiert und realisiert werden. Sie basieren auf den aktuellsten Klima- und Gletscherszenarien und einer gezielten Anwendung von PRE- VAH auf die Skala der gesamten hydrologischen Schweiz. Abbildung 2 zeigt schematisch, wie für die Berechnung der Klimafolgen auf die Wasserressourcen der Schweiz das in Abschnitt 2 beschriebene Experiment durch Assimilation von Klimaszenarien und Gletscherschwundszenarien implementiert wurde. Die Grundlagen für die Ableitung der beiden Klimafolgeszenarien für die Zukunftsperioden 2021 bis 2050 und 2070 bis 2099 wurden im Rahmen des europäischen Projektes ENSEMBLES (van der Linden und Mitchell 2009), welche alle vom Emissionsszenario A1B (moderate Erwärmung) ausgehen (CH2011, 2011), geschaffen. Die Änderungssignale basieren auf zehn Kombinationen von globalen und regionalen Klimamodellen und wurden mit der in Bosshard et al. (2011) beschriebener Methodik (Delta-Change auf Tagesba- Tabelle 2 fasst die Berechnungen für die Kontrollperiode 1980 bis 2009 sowie die zu erwartenden Änderungen des Wasserhaushaltes der Schweiz für die beiden Szenarioperioden (2021 bis 2050 und 2070 bis 2099) als Mittel aller zehn Klimaszenarien zusammen. Als Jahresmittelwerte betrachtet, fallen die Änderungen der gesamten Abflussmengen sowie der Verdunstung klein aus. Auffallend ist die starke Abnahme der mittleren Schneeschmelze. In der ersten Hälfte des laufenden Jahrhunderts wird die Niederschlagsanteil, welche im Winter in Form von Schnee akkumuliert (und später als Schneeschmelze zum Abfluss beiträgt) um mehr als 15 Prozent abnehmen. Dieser Trend wird sich in der zweiten Szenarioperiode noch massiv verstärken. Bei ähnlich bleibenden Niederschlagsmengen reduzieren sich die Schneeressourcen um mehr als 35 Prozent, dafür wird mehr Regen fallen. Dieser Regen dürfte die Abflüsse im Winterhalbjahr erhöhen (Bernhard und Zappa 2012). Die Auswirkung der einzelnen Szenarien aus Bosshard et al. (2011) auf die Klimatologie der Tagesmittelwerte der Schneeressourcen (Abb. 3) zeigt für beide Szenarioperioden einen deutsis) aufbereitet. Diese Kombinationen widerspiegeln die Unsicherheits-Bandbreite der Klimamodelle bezüglich Temperatur- und Niederschlagsänderung (Stähli et al. 2011). Da alle weiteren Klimaparameter in den Zukunftssimulationen unverändert übernommen werden, sind Aussagen zu Veränderungen der potentiellen Verdunstung begrenzt. Für beide Zukunftsszenarien blieb die Konfiguration des hydrologischen Modells unverändert. Nur die meteorologischen Daten wurden mit den prognostizierten täglichen Änderungen angepasst. Somit entstanden zwei Zeitreihen mit ähnlicher Variabilität wie in der Kontrollperiode 1980 bis 2009, aber mit der erwarteten Bandbreite von Änderungssignalen betreffend Niederschlag und Lufttemperatur. Dies ist ein limitierender Faktor, vor allem zur Ableitung von Szenarien für Extremereignisse. Bezüglich der Vergletscherung wurde die Fläche der Gletscher für die beiden Zukunftsszenarien ausgehend vom Zustand von 1985 mit einem Modell von Paul et al. (2007) in 5-Jahres-Schritten nach und nach reduziert. Das Modell basiert auf der einfachen Annahme, dass die Gleichgewichtslinie der Gletscher entsprechend der Lufttemperaturerhöhung ansteigt. Dadurch wird das Akkumulationsgebiet des Gletschers kleiner. Die Ausdehnung der Gletscher wurde transient im hydrologischen Modell aktualisiert. 3.2 Ergebnisse Abb. 2. Zeitachse Kontrollperiode 1980 bis 2009 (grau, natürliche Variabilität), Szenarien für 2021 bis 2050 (kleine Unterschiede in den 10 Klimaszenarien) und 2070 bis 2099 (grössere Unsicherheit der möglichen Klimaentwicklung). Die vertikalen Linien peilen auf die Jahre, in welchen die Gletscherausdehnung transient aktualisiert wurde.

4 22 Forum für Wissen 2012 Tab. 2. Natürlicher Wasserhaushalt der hydrologischen Schweiz für die Kontrollperiode und der beiden Szenarioperioden. P: Niederschlag; ET: Verdunstung; R: Abfluss; SNOW: Schneeschmelze (Bernhard und Zappa 2012). Periode P ET R SNOW [mm/jahr] [mm/jahr] lichen Rückgang der Schneeakkumulation im Winter. Dies wird sichtbare Folgen auf die Abflussregimes mittelgrosser alpiner Gebiete der Schweiz haben (Köplin et al. 2010). Letztere dürften in der zweiten Szenarioperiode ein früheres und schwächeres saisonales Abflussmaximum aufweisen und dafür höhere Abflussspenden im Winterhabjahr zur Folge haben, wie Abbildung 4 am Beispiel des Einzugsgebietes der Veränderung [ %] 1,4 % 1,0 % 1,1 % 15,6 % [mm/jahr] Veränderung [ %] 0,4 % 0,7 % 1,1 % -38,6 % Landwasser bei Davos aufzeigt. 4 Hydrologische Vorhersagen Im Rahmen des NFP61 «Nachhaltige Wassernutzung» (Leibundgut 2010) werden Methoden erarbeitet, welche potentiellen Endnutzern (Kruse et al. 2011) dabei helfen sollen, frühzeitig kritische Abweichungen der Verfügbarkeit von Wasserressourcen (Schnee, Grundwasser und Bodenfeuchte) gegenüber den Durchschnittswerten zu erkennen und vorauszusagen. Auch diese Forschungsarbeiten stützen sich auf das in Abschnitt 2 beschriebene Simulationsexperiment für die gesamte hydrologische Schweiz, welches dafür in einen operationellen Datenfluss integriert wurde und Tag für Tag aktualisiert werden kann. Der Datenfluss entspricht demjenigen, welchen die WSL im Rahmen der IFKIS-Hydro Projekte für die Kantone Glarus und Zürich realisiert hat (Romang et al. 2011). Das erlaubt operationelle Hochwasservorhersagen mit einem Zeithorizont von bis zu fünf Tagen (Addor et al. 2011). Für eine Früherkennung und Einordnung von Wasserressourcenanomalien reicht ein Vorhersagehorizont von fünf Abb. 3. Projektionen für die Klimatologie der Tagesmittelwerte der Schneespeicherung [mm] für die gesamte Schweiz. In Schwarz die Kontrollperiode 1981 bis 2010, in Farbe die zehn Klimaszenarien (links: 2021 bis 2050; rechts: 2070 bis 2099) Abb. 4. Projektionen für die Klimatologie der Tagesmittelwerte des Abflusses [m 3 s -1 ] für das Einzugsgebiet der Landwasser (bei Davos). In schwarz die Kontrollperiode 1981 bis 2010, in Farbe die zehn Klimaszenarien (links: 2021 bis 2050; rechts: 2070 bis 2099).

5 Forum für Wissen Tagen nicht aus. Darum werden derzeit vier unterschiedliche beobachtungsund modellgestützte Methoden mit Zeithorizonten von bis zu 120 Tagen untersucht. Abbildung 5 zeigt schematisch wie drei unterschiedliche, modellbasierte Systeme für die Vorhersage hydrologischer Grössen konfiguriert sind. Die einzelnen Experimente sind in den Unterkapiteln 4.2 bis 4.4 näher erklärt. Abb. 5. Konfiguration von hydrologischen Vorhersagesystemen mit unterschiedlichem Zeithorizont. Ausgehend von einer Simulation mit aktuellen Daten können probabilistische Vorhersagen realisiert werden. Das hydrologische Modell kann für die Folgetage mit dem Input von numerischen Wettermodellen oder vergangenen Zeitreihen integriert werden. Detailangaben sind im Haupttext enthalten. 4.1 Klimatologische Einordnung Wenn keine operationellen Modelle verfügbar sind, kann man die Wasserressourcen anhand von Messungen, zum Beispiel dem Füllstand eines Stausees oder dem Stand eines Grundwasserpegels, abschätzen. Am besten kann man einen Messwert in Bezug auf eine langjährige homogene Messreihe einordnen. In der Schweiz kann man dank dem Archiv des Bundesamts für Umwelt sehr lange Abflusszeitreihen analysieren (Abb. 6). Auch für Schneeressourcen gibt es Verfahren zur Einordnung der aktuellen Schneemengen (Jonas in diesem Band). 4.2 Mittelfristvorhersagen Seit der Realisierung des MAP D-PHASE Experimentes im Jahr 2007 (Zappa und Vogt 2007) haben sich Mittelfristvorhersagen mit Zeithorizont von 120 Stunden als Standardmethodik zur Früherkennung kritischer Hochwassersituationen etab- liert. Eine solche Vorhersage besteht aus der Kopplung einer bis zur aktuellen Stunde nachgeführten Simulation der Hydrologie eines Einzugsgebietes (inkl. Hochwasserdisposition in Form eines gesättigten Bodenspeichers) mit 16 unterschiedlichen Vorhersagen des Wettergeschehens für die kommenden 120 Stunden, den sogenannten COSMO-LEPS Vorhersagen (Zappa et al. 2008; Zappa und Vogt 2007). Für die kurzfristige Einschätzung der wahrscheinlichen Wasserressourcen in der Schweiz wurden die operationellen Simulationen mit PREVAH und COSMO-LEPS (für Limited Area Ensemble Prediction System) in die im Rahmen von CCHYDRO realisierten Modell-Klimatologien der Wasserressourcen der Schweiz eingebettet (Abb. 7). Im gezeigten Beispiel (Abb. 7) ist zu erkennen, dass die gesamten im Einzugsgebiet der Thur mobilisierbaren Wassermengen in den ersten Tagen der Simulation zuerst deutlich gestiegen und in den folgenden Tagen kontinuierlich gesunken sind. Zum Zeitpunkt der Initialisierung der Vorhersage (8. September 2012) liegen die errechneten Wasserressourcen knapp über dem Median (50 % Perzentil) der Modellklimatologie. In den fünf Folgetagen ist die Fortsetzung dieses Trends sehr wahrscheinlich. Nur für den fünften Tag der Vorhersage zeigen die 16 Varianten eine gewisse Unsicherheit betreffend der möglichen Entwicklung. 4.3 Langfristvorhersagen Was sich in der Hochwasserprognose gut bewährt hat, muss nicht unbedingt auch für die Vorhersage von Wasserressourcen gelten. Falls sich eine ungünstige Situation ankündigt, genügt für die meisten Nutzer eine 5-Tages Prognose bezüglich der Wasserressourcen bei weitem nicht, um effektive Massnahmen ergreifen zu können. Darum prüfen wir neuerdings, ob unsere Vorhersagen auch mit längerer Vorlaufzeit (z. B. einem Monat) zu realisieren sind. Dazu wird aus den aktuellen Abb. 6. Links: Klimatologie ( , farbige Flächen im Hintergrund) und aktuelle Messung (ausgezogene Linien) des mittleren täglichen Abflusses des Rheins bei Rheinfelden. Rechts: Dauer der hydrologischen Trockenheit in Tagen (gemessener Abfluss < saisonales 15% Quantil) für ausgewählte Einzugsgebiete der Schweiz. Die Karte zeigt die Situation nach der längeren Hitzeperiode im August 2012.

6 24 Forum für Wissen 2012 Abb. 7. Klimatologie (Tagesmittelwerte von 1980 bis 2009, farbige Flächen im Hintergrund) und aktuelle Simulation (durchgezogenen Linie) sowie Boxplots für 5-Tage Vorhersagen ab 8. September 2012 der gesamten Wasserressourcen im Einzugsgebiet der Thur werden gemeinsam dargestellt. Anfangsbedingungen eine Langfristvorhersage (operationell mit 31 Varianten, retrospektiv mit fünf Varianten) gestartet. Die Daten dazu werden vom Europäischen Zentrum für mittelfristige Wettervorhersage ECMWF (Produkt VAREPS) zur Verfügung gestellt (Vitart et al. 2008). Fundel et al. (2012) haben gezeigt, dass Abflussvorhersagen im Niedrigwasserbereich (Abfluss kleiner als das 15 %-Perzentil der Modellklimatologie) für die Nutzer einen Mehrwert auch für einen Vorhersage-Zeitraum von über 20 Tagen aufweisen. Der Mehrwert der Vorhersage von erhöhten Abflüssen (Abfluss grösser als die 85%-Perzentil der Modellklimatologie) zeigt dagegen eine niedrige Qualität bereits für Vorhersagen mit Zeithorizonten von knapp 10 Tagen. Abbildung 8 zeigt, dass zudem bessere Vorhersagen erzielt werden, wenn die Anfangsbedingungen gut an die reale aktuelle Situation angepasst sind. Im Allgemeinen ist es erfolgversprechender, eine Langfristvorhersage für Speicherzustände zu geben, die eine hohe Persistenz und ein langes Abb. 8. Güte (2AFC-Kriterium, gut wenn > 0.5) von Monatsvorhersagen von erhöhten Abflüssen (Q85, >85% Perzentil der Klimatologie, gestrichelte Linien) und Niedrigwasser (Q15, <15% Perzentil der Klimatologie, ausgezogene Linien) mit PREVAH und ECMWF- VAREPS. Die Auswertung wird zudem separat für Fälle mit besseren (dunkelgraue Flächen) und schlechteren (hellgraue Flächen) Anfangsbedingungen dargestellt (Fundel et al. 2012).

7 Forum für Wissen Gedächtnis aufweisen. Dies gilt zum Beipsiel für den Grundwasserspeicher, die Bodenfeuchte und die Schneeressourcen. In Abbildung 9 ist eine retrospektive Vorhersage für eine Niedrigwasserperiode im August 2003 dargestellt. Der Rhein in Neuhausen wies anfangs August 2003 bereits eine niedrige Wasserführung auf. Die fünf berechneten Vorhersagen für den Folgemonat ergaben kein Zeichen, dass sich die Abflussspenden bei diesem für die Rheinschifffahrt sehr wichtigen Kontrollpunkt erholen würden. Solche Vorhersagen dürften von Nutzen sein, um beispielsweise die Lademengen der Frachtschiffe zu dimensionieren. die Bestimmung der in Abschnitt 2 beschriebenen Modellklimatologie benutzt wurde. Ein solches Modell zeigt zum Beispiel, wie schnell sich ein System aus einer aktuell kritischen Situation erholen könnte. Im Winter 2010/2011 ist wenig Schnee gefallen, und das Frühjahr 2011 war sehr trocken. Im Einzugsgebiet der Thur entstand ein Defizit in den Wasserressourcen von über 100 mm (Abb. 10). Der Median, der unter Verwendung von vergangenen Beobachtungen realisierten Vorhersage, muss zweckmässig früher oder später den Median der Klimatologie erreichen. Je grösser die Abweichung vom Median bei der Initialisierung der Vorhersage, desto länger wird es voraussichtlich dauern, bis diese Bedingung erfüllt wird. Im in Abbildung 10 gezeigten Beispiel berührt der Median der Projektion den Median der Klimatologie erst 80 Tage nach dem Start der Simulation. Interpretationsbeispiel: Das Wasserdefizit dürfte deshalb noch 4.4 Klimatologische Vorhersagen Eine weitere Variante zur langfristigen Einschätzung der Wasserressourcen ist die Verwendung von klimabasierten Vorhersagen (Abb. 5 und Abb. 10). Solche Vorhersagen geben Antwort zum Beispiel auf die häufig gestellte Frage: «Wie wird sich jetzt die Lage entwickeln, falls sich ein Sommer wie 2003 wiederholen würde?». Dafür wird zur Vorhersage für die folgenden Wochen (120 Tage in unserer spezifischen Konfiguration, Abb. 5) das Wettergeschehen aus den Zeitreihen der Jahre 1981 bis 2010 verwendet, welches auch für Abb. 9. Retrospektive Monatsvorhersage des Niedrigwasserabflusses des Rheins bis Neuhausen für die kritische Phase des Hitzesommers im August Die Vorhersagen basieren auf den Anfangsbedingungen vom 30. Juli Sämtliche Vorhersagen (rote Linien) deuteten darauf, dass während der folgenden 25 Tage keine Erholung von dieser kritischen Situation zu erwarten war. Die Messungen (blaue Linie) bestätigten diese Voraussage. Die gestrichelten Linien zeigen von unten nach oben das 1 %-, 10 %-, 50 %-, 90 %- und 99 %-Perzentil der Modellklimatologie. Abb. 10. Wasserdefizit im Mai Simulation (violette Grundlinie) für das Einzugsgebiet der Thur bis zum 2. Mai 2011 und Projektion für die 120 Folgetage (Box Plots). Die Box Plots (definiert durch Minimum, 25 %, 50 %, 75 % und Maximum) fassen 30 Szenarien zusammen, welche auf dem tatsächlich vorgekommenen 120-Tage-Wetterverlauf der Jahre 1981 bis 2010 beruhen. Dargestellt ist die aktuelle und projizierte Abweichung der gesamten Wasserressourcen im Gebiet zum Median der Klimatologie für die Periode 1980 bis 2009 (farbige Flächen im Hintergrund). Rot: Defizit gegenüber Median. Blau: Suffizit gegenüber Median.

8 26 Forum für Wissen 2012 mehrere Wochen andauern. In der Tat regnete es anfangs Juli 2011 recht kräftig, weshalb sich die kritische Situation schneller entspannte, als man dies klimatologisch hätte erwarten können. 5 Schlussfolgerungen und Perspektiven Die Experimente im Rahmen von CCHYDRO schafften eine einmalige Datenbasis zur Einschätzung der räumlichen und zeitlichen Variabilität der Wasserressourcen der Schweiz. Bis ins Jahr 2014 sollten weitere Berechnungen realisiert werden, in welchen weitere Emissionsszenarien als Basis für die hydrologischen Experimente dienen. Solche Szenarien (A2 und RCP3PD) sind im Bericht «Szenarien zur Klimaänderung in der Schweiz CH2011» (CH ) beschrieben. Zudem könnte der von uns verwendeten Ansatz zur Einbindung von Klimaszenarien («Delta-Change») mit weiteren Ansätzen («Bias-Korrektur» und «Quantile Mapping») ergänzt werden und somit robustere Grundlagen für Aussagen betreffend der Auswirkung der Klimaänderung auf Extremereignisse geschaffen werden. Bereits jetzt konnten einige Folgestudien realisiert und neuartige operationelle Vorhersagesysteme entwickelt werden. Solche Prognosen sind als Entscheidungsgrundlagen zur frühzeitigen Erkennung kritischer Abweichungen der Wasserverfügbarkeit gegenüber dem Durchschnittswert zu interpretieren. Seit März 2011 läuft ein Prototyp eines solchen Vorhersagesystems für einige schweizerische mittelgrosse Einzugsgebiete (die Thur, die Emme und das Dischma). Eine Ausweitung auf die gesamte Schweiz wird demnächst angestrebt. Die Ergebnisse aus retrospektiven Langfristvorhersagen zeigen, dass die Qualität der Anfangsbedingungen eine übergeordnete Bedeutung für die Güte der Vorhersagen hat. Für uns bedeutet dies, dass in den nächsten Jahren die Forschung viele Ressourcen in die Untersuchung der Assimilation von Beobachtungen investieren muss. Eine solche Assimilation betrifft zum Beispiel die Nutzung der Daten vom gemessenen Abfluss, der Bodenfeuch- tigkeit und der Schneeressourcen. In der Forschung weit verbreitet sind neuerdings Assimilationsverfahren, welche den sogenannten Ensemble Kalman Filter (Evensen 2009) verwenden. Die Grundlagen von CCHYDRO können auch verwendet werden, um weitere Fragenstellungen anzugehen. Raymond-Pralong et al. (2011) haben mit Zukunftsszenarien die Entwicklung der Sedimentfracht im Gerinne für viele Wasserfassungen im Wallis berechnet und Erkenntnisse über die Verlandung der Stauseen in den kommenden Jahrzehnten gewonnen. Ein weiterer offener Aspekt ist die Integration des Landschaftwandels in der Simulation des hydrologischen Kreislaufes. Bisher reduzierte sich dieser Aspekt auf die Integration von Gletscherschwundszenarien. Dazu hat Schattan (2012) bereits eine erste Studie verfasst, welche die Einweg- Kopplung von PREVAH mit dem Wald-Landschaft Modell TREEMIG (Lischke et al. 2006) untersucht und die Folgen der Waldentwicklung auf Abfluss, Bodenfeuchte und Verdunstung analysiert. Die WSL betrachtet das Thema «Schnee- und Wasserressourcen» als eines der Themen, welches sie in den kommenden Jahren fokussiert untersuchen will. Ziel der Forschung soll u.a. eine Informationsplattform sein, welche eine Grundlage für ein verbessertes Management von Wasserressourcen in der Schweiz und im alpinen Raum darstellen soll. Durch eine solche Informationsplattform könnten künftig zahlreiche Forschungs- und Monitoring-Aktivitäten kombiniert werden, womit unseren Endnutzern eine wertvolle Dienstleistung erbracht werden könnte. Ein Kernstück dieses Dienstes dürften benutzerfreundliche Produkte zur saisonalen Vorhersage von Wasserressourcen sein. Dank Unsere Forschungsarbeiten wurden vom Bundesamt für Umwelt (Projekt CCHydro) und dem Schweizerischen Nationalfonds (NFP61-Projekt DROUGHT-CH) finanziert. Wir danken dem EU FP6 Projekt ENSEMB- LES (Vertragsnummer ), der MeteoSchweiz und dem Bundesamt für Umwelt für die Bereitstellung der Grundlagendaten. Dr. Thomas Bosshard (ETH) unterstützte uns bei der Bereitstellung der Klimafolgeszenarien. Andreas Linsbauer (UNI Zürich) hat die Gletscherszenarien realisiert. Mina Ossiaa (WSL) hat mehrere Skripte zur Visualisierung der Ergebnisse und die Webseite ch/sihl/cchydro/ programmiert. 6 Literatur AdaptAlp, 2011: Adaptation to Climate Change in the Alpine Space Work Package Water Regime (WP4). Summary Report. 24 p. Addor, N.; Jaun, S.; Fundel, F., Zappa, M., 2011: An operational hydrological ensemble prediction system for the city of Zurich (Switzerland): skill, case studies and scenarios. Hydrol. Earth Syst. Sci. 15: BAFU, Bundesamt für Umwelt (Hrsg.) 2012: Auswirkungen der Klimaänderung auf Wasserressourcen und Gewässer. Synthesebericht zum Projekt Klimaänderung und Hydrologie in der Schweiz (CCHydro). Bern, Bundesamt für Umwelt. Umwelt-Wissen Nr. 1217: 76 S. BAFU, BWG, MeteoSchweiz, 2004: Auswirkungen des Hitzesommers 2003 auf die Gewässer. Bern, Bundesamt für Umwelt, Wald und Landschaft. Umwelt Nr. 369: 174 S. Bezzola, G.R.; Hegg, C. (Hrsg.), 2008: Ereignisanalyse Hochwasser Teil 2 Analyse von Prozessen, Massnahmen und Gefahrengrundlagen. Bern, Bundesamt für Umwelt BAFU, Birmensdorf, Eidg. Forschungsanstalt WSL. 426 S. Bosshard, T.; Kotlarski, S.; Ewen, T.; Schär, C., 2011: Spectral representation of the annual cycle in the climate change signal. Hydrol. Earth Syst. Sci. 15: Bernhard, L.; Zappa M., 2012: Klimaänderung und natürlicher Wasserhaushalt der Grosseinzugsgebiete der Schweiz. Schlussbericht zum Projekt Klimaänderung und Hydrologie in der Schweiz (CCHydro). Birmensdorf, Eidg. Forschungsanstalt WSL. CH2011, 2011: Swiss Climate Change Scenarios CH2011, published by C2SM, MeteoSwiss, ETH, NCCR Climate, and OcCC. Zurich: 88p. ISBN

9 Forum für Wissen CHR, 2010: Assessment of Climate Change Impacts on Discharge in the Rhine River Basin Results of the RheinBlick 2050 Project. Report No I-23 of the CHR. 212 p. Evensen, G., 2009: Data Assimilation: The Ensemble Kalman Filter. 2 nd Edition. Berlin, Springer. 279 S. Fundel, F.; Jörg-Hess, S.; Zappa, M., 2012: Long-range hydrometeorological ensemble predictions of drought parameters, Hydrol. Earth Syst. Sci. Discuss. 9: Hubacher, R.; Schädler, B., Wasserhaushalt grosser Einzugsgebiete im 20. Jahrhundert. Hydrologischer Atlas der Schweiz (HADES), Tafel 6.6. Bern Jonas, T., Monitoring von Schneewasserresourcen in der Schweiz. Forum für Wissen 2012: Köplin, N.; Viviroli, D.; Schädler, B.; Weingartner, R., 2010: How does climate change affect mesoscale catchments in Switzerland? a framework for a comprehensive assessment. Adv. Geosci. 27: Kruse, S.; Seidl, I.; Stähli, M., 2010: Informationsbedarf für die Früherkennung von Trockenheit in der Schweiz. Die Sicht potentiell betroffener Nutzergruppen. Wasser energ. luft 102, 4: Leibundgut, Ch., 2010: Nachhaltige Sicherung von Wasserressourcen das NFP 61 im Spiegel globaler und nationaler Herausforderungen. Wasser energ. luft 102, 3: Lischke, H.; Zimmermann, N.E.; Bolliger, J.; Rickebusch, S.; Löffler, T.J., 2006: TreeMig: A forest-landscape model for simulating spatio-temporal patterns from stand to landscape scale. Ecol. Model. 199, 4: Paul, F.; Maisch, M.; Rothenbühler, C.; Hoelzle, M.; Haeberli, W., 2007: Calculation and visualisation of future glacier extent in the Swiss Alps by means of hypsographic modelling. Glob. Planet. Chang. 55, 4: Pfaundler, M.; Zappa, M., 2006: Die mittleren Abflüsse über die ganze Schweiz Ein optimierter Datensatz im m Raster. Wasser energ. luft 4: Raymond-Pralong, M.; Turowski, J.M.; Rickenmann, D.; Beer, A.; Metraux, V.; Glassey, T., 2011: Auswirkungen der Klimaänderung auf die Geschiebefracht in Einzugsgebieten von Kraftwerksanlagen im Kanton Wallis. Wasser energ. luft 103, 4: Romang, H.; Zappa, M.; Hilker, N.; Gerber, M.; Dufour, F.; Frede, V.; Bérod, D.; Oplatka, M.; Rhyner, J., 2011: IFKIS- Hydro Early Warning and Information System for Floods and Debris Flows. Nat. Hazards. 56: Schattan, P., 2012: Kopplung eines Waldentwicklungsmodells mit einem hydrologischen Modell zur Quantifizierung der Auswirkung des Klimawandels auf den Wasserhaushalt Schweizer Einzugsgebiete, Masterarbeit, UNI Bonn und WSL. Seneviratne, S.; Seibert, J.; Stähli, M.; Seidl, I.; Zappa, M.; Weiler, ; Stahl, K., 2009: Early recognition of critical drought and low- ow conditions in Switzerland - coping with shortages in soil moisture, groundwater and runoff (DROUGHT- CH). Antrag zum NRP61 Projekt. Unveröffentlicht. SGHL, Schweizerische Gesellschaft für Hydrologie und Limnologie und CHy, Hydrologische Kommission (Hrsg.), 2011: Auswirkungen der Klimaänderung auf die Wasserkraftnutzung Synthesebericht. Beitr. Hydrol. Schweiz 38: 28 p. Stähli, M.; Raymond Pralong, M.; Zappa, M.; Ludwig, A., Paul, F.; Bosshard; T., Dupraz, Ch., Auswirkungen auf die Wasserverfügbarkeit und Stromproduktion an den Beispielen Oberhasli und Mattmark. Wasser energ. luft 103, 4: Van der Linden, P.; Mitchell, J., 2009: ENSEMBLES: climate change and its impacts: summary of research and results from the ENSEMBLES project. Met Office Hadley Centre. Vitart, F.; Buizza, R.; Alonso Balmaseda, M.; Balsamo, G.; Bidlot, J.-R.; Bonet, A.; Fuentes, M.; Hofstadler, A.; Molteni, F.; Palmer, T.N., 2008: The new VarEPSmonthly forecasting system: A first step towards seamless prediction, Q. J. R. Meteorol. Soc. 134: Viviroli, D.; Weingartner, R.; Gurtz, J., 2008: Prozessbasierte Hochwasserabschätzung in ungemessenen mesoskaligen Einzugsgebieten der Schweiz. Wasser energ. luft 100, 2: Viviroli, D.; Zappa, M.; Gurtz, J.; Weingartner, R., 2009: An introduction to the hydrological modelling system PREVAH and its pre- and post-processing-tools. Environ. Model. Softw. 24, 10: Zappa., M; Vogt, S., 2007: Hochwasservorhersagesysteme der neusten Generation im Praxis-Test. Forum für Wissen 2007: Zappa, M.; Rotach, M.W.; Arpagaus, M.; Dorninger, M.; Hegg, C.; Montani, A.; Ranzi, R.; Ament, F.; Germann, U.; Grossi, G.; Jaun, S.; Rossa, A.; Vogt, S.; Walser, A.; Wehrhan, J.; Wunram, C., 2008: MAP D-PHASE: Real-time demonstration of hydrological ensemble prediction systems. Atmos. Sci. Lett. 9, 2: Abstract Forecasts and scenarios of snow and water resources in Alpine environments During the last few years hydrological models have been applied to estimate current and future spatial and temporal availability of water resources in different areas of the European Alps. In parallel, large efforts have been allocated for the development and operational application of hydrological ensemble prediction systems. WSL has been active in all these fields and is now testing opportunities of combining the outcomes of climate impacts studies with operational forecasting. In the framework of the CCHYDRO Project a water resources climatology for the control period and scenarios for two 30-years periods in the future have been created. Results point out, that the seasonal accumulation of snow water will drastically reduce by the end of the 21st century and have large impact on the seasonal distribution of water resources in Switzerland. From the NRP61 project DROUGHT-CH tools for improving the prediction of water resources availability with lead times of up to 1 month and climatologybased extrapolations for up to 120 days have been realized. First applications show that, depending on the quality of the initial conditions, the forecasts of water storage and low-flow can yield added value for stakeholders concerning lead times of over 20 days, while the forecasts of high discharge and floods show no added value for lead times larger than 10 days. Our next goal is the establishment of a system for the early detection of anomalies in the temporal and spatial availability of water resources in Switzerland. Keywords: water resources, snow resources, hydrological modelling, climate change, operational extended-range forecasts.