Climate and land use change impacts on water resources in the Lusatian river catchments (Germany) - Analysis and assessment considering modelling uncertainties

Die Wasserressourcen der Lausitzer Flusseinzugsgebiete unter dem Einfluss von Klima- und Landnutzungswandel – Analyse, Bewertung und Darstellung der Modellierungsunsicherheiten

  • In anthropogenically heavily impacted river catchments, such as the Lusatian river catchments Spree and Schwarze Elster in Germany, the robust assessment of potential impacts of climate change on the regional water resources is of high relevance for water resources management. Large uncertainties inherent in future scenarios may, however, reduce the willingness of regional stakeholders to develop and implement suitable adaptation strategies to climate change. This thesis proposes the use of an integrated framework consisting of i) an ensemble based modelling approach and ii) the incorporation of measured and simulated meteorological and hydrological trends to consider uncertainties in climate change impact assessments. In addition, land use, as the most responsive catchment characteristic to buffer potential climate change impacts, is considered as one suitable trigger for climate change adaptation. The ensemble based modelling approach consists of the meteorological output of four climate downscaling approaches (DAs): twoIn anthropogenically heavily impacted river catchments, such as the Lusatian river catchments Spree and Schwarze Elster in Germany, the robust assessment of potential impacts of climate change on the regional water resources is of high relevance for water resources management. Large uncertainties inherent in future scenarios may, however, reduce the willingness of regional stakeholders to develop and implement suitable adaptation strategies to climate change. This thesis proposes the use of an integrated framework consisting of i) an ensemble based modelling approach and ii) the incorporation of measured and simulated meteorological and hydrological trends to consider uncertainties in climate change impact assessments. In addition, land use, as the most responsive catchment characteristic to buffer potential climate change impacts, is considered as one suitable trigger for climate change adaptation. The ensemble based modelling approach consists of the meteorological output of four climate downscaling approaches (DAs): two dynamical and two statistical. These DAs drive different model configurations of the two conceptually different hydrological models WaSiM ETH and HBV light. The objective of incorporating measured meteorological trends into the analysis was twofold: trends in measured time series can i) be regarded as harbinger for future change and ii) serve as a mean to validate the results of the DAs. In order to evaluate the nature of the trends, both gradual (Mann Kendall test) and step changes (Pettitt test) are considered as well as temporal and spatial correlations in the data. The suitability of land use change as an adaptation strategy to climate change is evaluated in the form of different land use change scenarios: i) extreme scenarios where the entire catchment is parameterised as coniferous forest and uncultivated land and ii) scenarios of changes in crop cultivation and ii) a combination of a change in crop cultivation and forest conversion. As study areas serve three almost natural subcatchments of the Spree and Schwarze Elster (Germany). The results of the ensemble based climate change impact analysis show that depending on the type (dynamical or statistical) of DA used, opposing trends in precipitation, actual evapotranspiration and discharge are simulated in the scenario period (2031 2060). While the statistical DAs simulate a decrease in future long term annual precipitation, the dynamical DAs simulate a tendency towards increasing precipitation. The trend analysis suggests that measured precipitation has not changed significantly during the period 1961 2006. Therefore, the strong decrease in precipitation simulated by the statistical DAs should be interpreted as a rather dry future scenario. The dynamical DAs, on the other hand, are too wet in the reference period and needed to be statistically bias corrected which destroys the physical consistency between the parameters. Concerning temperature, measured and simulated trends agree on a positive trend. The uncertainty related to the hydrological model within the climate change modelling chain is comparably low when long term averages are considered but increases during low flow events. The proposed framework of combining an ensemble based modelling approach with trend analysis on measurements is a promising approach to gain more confidence into the final results of climate change impact assessments and to obtain an increased process understanding of the interrelation between climate and water resources. In terms of climate change adaptation, land use alternatives can have a considerable impact on the water balance components as the analysis of the extreme scenarios revealed. The scenarios of changes in crop cultivation in combination with forest conversion show, however, that the impact on the long term annual water balance is comparably low. An intra annual shift in the water balance components can be triggered which makes these scenarios suitable to reduce low flow risks during the summer. Overall, land use change can serve as one part of an integrated climate change adaptation strategy. Such as strategy needs, depending on the severity of the climate change impact, to include other, especially technical measures of water resources management, such as additional water storage, different strategies to manage the existing and new reservoirs. It may also consider additional water transfers from neighbouring, more water rich, river catchments. Regional adaptation planning needs also to consider problems related to water quality which are a consequence of the long term mining activities in the Lusatian river catchments. Last but not least, adaptation strategies should not only consider climate but also other aspects of global change.show moreshow less
  • In anthropogen stark überprägten Einzugsgebieten, wie den Lausitzer Flusseinzugsgebieten von Spree und Schwarzer Elster in Deutschland, ist die robuste Abschätzung von potentiellen Auswirkungen des Klimawandels auf die regionalen Wasserressourcen von hoher Relevanz für die Wasserbewirtschaftung. Unsicherheiten in solchen Abschätzungen können jedoch die Bereitschaft von regionalen Akteuren für die Entwicklung und Umsetzung von Anpassungsmaßnahmen an den Klimawandel mindern. Um den Unsicherheiten in der Modellierung von Klimafolgen Rechnung zu tragen, wird ein Ansatz bestehend aus i) einem modellgestützten Ensemble und ii) die Integration von Trendanalysen an gemessenen und simulierten meteorologischen und hydrologischen Zeitreihen vorgeschlagen. Zusätzlich wird die Landnutzung, welche eine sensitive Einzugsgebietseigenschaft zur Pufferung von potentiellen Einflüssen des Klimawandels darstellt, als mögliche Anpassungsmaßnahme an den Klimawandel berücksichtigt. Der modellgestützte Ensembleansatz besteht aus den meteorologischenIn anthropogen stark überprägten Einzugsgebieten, wie den Lausitzer Flusseinzugsgebieten von Spree und Schwarzer Elster in Deutschland, ist die robuste Abschätzung von potentiellen Auswirkungen des Klimawandels auf die regionalen Wasserressourcen von hoher Relevanz für die Wasserbewirtschaftung. Unsicherheiten in solchen Abschätzungen können jedoch die Bereitschaft von regionalen Akteuren für die Entwicklung und Umsetzung von Anpassungsmaßnahmen an den Klimawandel mindern. Um den Unsicherheiten in der Modellierung von Klimafolgen Rechnung zu tragen, wird ein Ansatz bestehend aus i) einem modellgestützten Ensemble und ii) die Integration von Trendanalysen an gemessenen und simulierten meteorologischen und hydrologischen Zeitreihen vorgeschlagen. Zusätzlich wird die Landnutzung, welche eine sensitive Einzugsgebietseigenschaft zur Pufferung von potentiellen Einflüssen des Klimawandels darstellt, als mögliche Anpassungsmaßnahme an den Klimawandel berücksichtigt. Der modellgestützte Ensembleansatz besteht aus den meteorologischen Ausgaben von vier, zwei statistischen und zwei dynamischen, regionalen Klimamodellen, welche den Antrieb für unterschiedliche Modellkonfigurationen der konzeptionell unterschiedlichen hydrologischen Modelle WaSiM ETH and HBV light darstellen. Der Integration von Trendanalysen an meteorologischen und hydrologischen Zeitreihen liegen folgende Annahmen zu Grunde: Trends in den Messungen können i) als Vorboten für zukünftige Veränderungen interpretiert werden und ii) zur Validierung der simulierten meteorologischen Größen der regionalen Klimamodelle dienen. Um die Art der Trends zu beurteilen wurden graduelle (Mann Kendall Test) und abrupte Trends (Pettitt Test) sowie zeitliche und räumliche Korrelationen in den Daten berücksichtigt. Die Eignung von Landnutzungsänderungen als Anpassungsmaßnahme an den Klimawandel wurde in Form von unterschiedlichen Szenarien bewertet: i) extreme Szenarien, bei welchen das gesamte Einzugsgebiet als Nadelwald und Brache parametrisiert wird, ii) eine Verschiebung der Vegetationsperiode von Nutzpflanzen und iii) eine Kombination aus der Verschiebung der Vegetationsperiode von Nutzpflanzen und Waldumbau. Als Einzugsgebiete dienen drei anthropogen kaum beeinflusste Teileinzugsgebiete der Spree und Schwarzen Elster (Deutschland). Die Ergebnisse des modellgestützten Ensembles zeigen, dass abhängig von der Wahl des regionalen Klimamodells (dynamisch oder statistisch), gegensätzliche Trends für Niederschlag, aktuelle Verdunstung und Abfluss in der Szenarioperiode (2031 2060) simuliert werden. Die statistischen regionalen Klimamodell berechnen eine Abnahme der langjährigen mittleren Niederschläge, die dynamischen hingegen eine Zunahme. Die Trendanalysen anhand der gemessenen Niederschlagszeitreihen zeigen, dass sich der Niederschlag im Zeitraum 1961 2006 kaum verändert hat. Daraus folgend sollte die starke Niederschlagsabnahme, wie sie von den regionalen statistischen Klimamodellen berechnet wird, als trockenes Zukunftsszenarium interpretiert werden. Andrerseits sind die dynamischen regionalen Klimamodelle in der Referenzperiode zu feucht und müssen statistisch Bias korrigiert werden, was die physikalische Konsistenz zwischen den Parametern zerstört. Bezüglich der Lufttemperatur werden sowohl in den Messungen als auch in den Simulationen positive Trends berechnet. Die Unsicherheit bezüglich der Wahl des hydrologischen Modells im modellgestützten Ensemble ist vergleichsweise gering bei der Betrachtung von langjährigen mittleren Wasserhaushaltsgrößen, nimmt jedoch für Niedrigwässer stark zu. Es konnte gezeigt werden, dass der vorgeschlagene Ansatz bestehend aus Trendanalysen und modellgestütztem Ensemble vielversprechend ist, um mehr Vertrauen in die Ergebnisse von Klimafolgenabschätzungen und ein erhöhtes Prozessverständnis zwischen Klimaveränderungen und deren Auswirkungen auf regionale Wasserressourcen zu erlangen. Landnutzungsänderungen können einen erheblichen Einfluss auf die Wasserbilanz eines Einzugsgebiets haben, wie die Analysen der Extremszenarios belegen. Gleichzeitig zeigen die Szenarien bezüglich einer Verschiebung der Vegetationsperiode von Nutzpflanzen, dass deren Einfluss auf die langjährigen Wasserhaushaltsgrößen gering ist. Eine Verschiebung der Vegetationsperiode eignet sich jedoch, um eine innerjährliche Umverteilung der Wasserhaushaltsgrößen zu bewirken und so das Risiko von Niedrigwässern während der Sommermonate zu reduzieren. Insgesamt können Landnutzungsänderungen einen Bestandteil einer integrierten Strategie zur Anpassung an den Klimawandel darstellen. Diese muss jedoch, in Abhängigkeit des Stärke der Klimaänderungen, auch andere, insbesondere technische Wasserbewirtschaftungsmaßnahmen, wie zusätzlicher Wasserspeicher, unterschiedliche Strategien zur Bewirtschaftung vorhandener und neuer Speicher enthalten. Diese Strategien können auch zusätzliche Wasserüberleitungen aus wasserreicheren Nachbareinzugsgebieten, berücksichtigen. Außerdem müssen Probleme bezügliche der Wasserbeschaffenheit, als eine Konsequenz der langjährigen Bergbauaktivitäten in den Lausitzer Flusseinzugsgebieten, in die regionale Planung zur Anpassung an den Klimawandel einbezogen werden. Schließlich sollten Anpassungsmaßnahmen nicht nur den Klimawandel, sondern auch andere Aspekte des globalen Wandels berücksichtigen.show moreshow less

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Metadaten
Author: Gädeke, Anne
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-32519
Referee / Advisor:Prof. Dr. Grünewald, Uwe
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2014
Date of final exam:2014/09/18
Release Date:2015/01/13
Tag:Klimawandelimpaktanalyse; Landnutzungswandel; Lausitzer Flusseinzugsgebiete; Trendanalyse; Unsicherheit
Climate change impact assessment; Land use change; Lusatian river catchments; Trend analysis; Uncertainty
GND Keyword:Einzugsgebiet; Klimamodell; Klimaänderung; Landnutzung; Schwarze Elster; Spree; Wasserwirtschaft
Institutes:Fakultät 2 Umwelt und Naturwissenschaften / FG Hydrologie
Institution name at the time of publication:Fakultät für Umweltwissenschaften und Verfahrenstechnik (eBTU) / LS Hydrologie und Wasserressourcenbewirtschaftung
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.