Auswirkung von Klimawandel und veränderter Wassernutzung auf den Niederschlag und die Verdunstung

Problemstellung

Die Analyse langjähriger Niederschlagsreihen in Marokko hat gezeigt, dass trockene und feuchte Für klimatologische Zeiträume (≥30 Jahre) mit gleichzeitig hoher räumlicher Auflösung (≤3km) sind Niederschlag und Verdunstung weder aus Messungen noch aus Simulationen für die Region verfügbar. Auf diesen Skalen sind jedoch präzise Informationen zum Verständnis des aktuellen Klimas und zur Abschätzung möglicher zukünftiger Entwicklungen unerlässlich. Interdisziplinäre Untersuchungen über die Zusammenhänge zwischen z.B. Bevölkerungswachstum, Landnutzung, Hydrologie und Klima sind notwendig, um Änderungen realistisch einschätzen zu können. Besonders für Fragen der Erosion und der Niederschlagseinträge in verschiedene hydrologische Einzugsgebiete ist eine hohe zeitliche und räumliche Auflösung der meteorologischen Daten unerlässlich.

Mitarbeiter

K. Piecha, K. Born, T. Brücher, H. Busche, A. Roth, O. Schulz und A. Klose

Zielsetzung

Im PK Ma‑H.5 werden mit der Methode der statistisch-dynamischen Regionalisierung die Auswirkungen verschiedener möglicher Entwicklungen in der Zukunft auf den Niederschlag und die Verdunstung sowohl im Oasenbereich südlich des Stausees, als auch im Hohen Atlas ermittelt. Es werden Szenarien untersucht, die von unterschiedlichen Disziplinen im Rahmen von IMPETUS entwickelt werden, z.B. Klimawandel, andere Bewässerungstechnik und / oder -häufigkeit, Bevölkerungsentwicklung oder Landnutzungsänderungen (im Hinblick auf die Verdunstung) etc. Die Resultate werden in Form von Simulationsergebnissen sichtbar und nutzbar gemacht. Ein Datenbanksystem wird aufgebaut, das es lokalen Entscheidungsträgern ermöglicht, die Ergebnisse anhand konkreter Fragestellungen selbst zu interpretieren und auszuwerten.

Modellierung

Blockdiagramm

Angetrieben durch die meteorologische Modellkette werden mit dem hochauflösenden Atmosphärenmodell FOOT3DK Episodensimulationen durchgeführt. Statistische Informationen über das derzeitige Klima, sowie über verschiedene Szenarien (z.B. Änderungen des Klimas, des Grundwasserspiegels, der Landnutzung oder der Bewässerung gehen in die Regionalisierung und in die Episodensimulationen ein. Daraus werden klimatologische Entwicklungen von Niederschlag und Verdunstung als Ergebnisse (Szenario 1 bis 3, siehe Abb. Ma-H5.1) der verschiedenen Inputszenarien oder Kombinationen von Inputszenarien berechnet.

Methodik

Die Methode der statistisch-dynamischen Regionalisierung (engl.: „Statistical-dynamical Down-scaling“, vgl. Fuentes und Heimann, 2000; Heimann, 2001) besteht aus zwei Teilen: zunächst wird ein großskaliges Antriebsfeld gesucht, das in globalen Modellen gut wiedergegeben wird und das mit der zu untersuchenden Größe auf der kleinen Skala eng korreliert ist. Im nächsten Schritt werden alle zu untersuchenden Termine in für die Fragestellung relevante Gruppen eingeteilt. Schließlich werden typische Vertreter (Repräsentanten) der Gruppen mittels dynamischen „Nestings“ mit einem hochauflösenden Modell simuliert und die resultierenden Simulationsergebnisse werden nach Vorgabe der statistischen Verteilung der Gruppen, für welche die Repräsentanten stehen, rekombiniert. Das Prinzip der statistisch-dynamischen Regionalisierung ist in Abb. Ma-H5.2 schematisch dargestellt.

Für die vorliegende Fragestellung werden als Antriebsfelder auf der großen Skala Windrichtungsklassen aus Druckfeldern im Meeresniveau berechnet. Diese werden zu Gruppen zusammengefasst, die gemeinsame synoptische Charakteristiken aufweisen und typische Vertreter (einzelne Tage) der verschiedenen Gruppen werden ausgewählt. Für diese Vertreter (Repräsentanten) werden mittels einer meteorologischen Modellkette hochaufgelöste Simulationen mit dem mesoskaligen Modell FOOT3DK mit einer horizontalen Auflösung von 3km durchgeführt. Weitere Informationen über das nicht-hydrostatische prognostische Atmosphärenmodell mit angeschlossenem SVAT Bodenmodul finden sich z.B. in Shao et al., 2001 und Hübener et al., 2007. Die nachsimulierten Repräsentanten werden gewichtet mit der Auftrittshäufigkeit der Gruppe, für die sie stehen, zu einer Klimatologie rekombiniert.

Für das mittlere Drâa-Tal sind die notwendigen Anpassungen des Modells an die lokalen Gegebenheiten abgeschlossen. Für das obere Drâa-Tal werden noch Sensitivitätsstudien durchgeführt und Modellanpassungen für die lokalen Gegebenheiten entwickelt und umgesetzt. Die Episodensimulationen zur Erstellung der aktuellen Klimatologie und der Klimaszenarien sind für den südlichen Bereich bereits durchgeführt und die Klimaszenarien IS92a und SRES A1B sind erstellt. Die Auswertungen der anderen Szenarien müssen für den südlichen Bereich (südlich des Staudamms) noch umgesetzt werden. Im nördlichen Bereich (Hoher Atlas) muss überprüft werden, ob die für den Süden verwendetet Statistik auch dort angewendet werden kann. Problematisch ist dabei die vertikale Erstreckung des Hohen Atlas. Sie kann zu Störungen im großskaligen Druckfeld führen kann, was die Klassifikation der Wetterlagen verfälschen könnte. Die Klassifikation der Wetterlagen könnte für dieses Gebiet über die geopotentielle Höhe in 700hPa vorgenommen werden. Genauere Studien dazu sind noch durchzuführen, ebenso wie sämtliche Episodensimulationen für dieses Gebiet.

Damit in Zusammenhang stehendes SDSS/IS/MT

Das Spatial Decision Support System, das im Rahmen dieses PKs entwickelt wird, (schematisch in Abb. Ma-H5.3) soll die Frage beantworten, welche möglichen Entwicklungen es unter der Berücksichtigung verschiedener Voraussetzungen für Niederschlag und Verdunstung gibt. Es trägt den Titel „Niederschlag und Verdunstung - mögliche zukünftige Entwicklungen“ (IDEP-DRAA).

Zu diesem Zweck sollen dem Nutzer die folgenden Auswahlmöglichkeiten zur Verfügung stehen: Zum Einen kann der Nutzer ein mögliches Klimaszenarium auswählen. Zusätzlich wird ihm die Möglichkeit gegeben, zwischen einer unterschiedlichen Anzahl von Lâchers pro Jahr und einer geänderten Landnutzung zu wählen (diese Option gilt aber nur für den Oasenbereich südlich des Atlas). Außerdem wird die Wahl des zu betrachtenden Zeitraums freigestellt. Nachdem der Benutzer eine für sich optimierte Auswahl getroffen hat, werden SDSS intern die Auftrittshäufigkeiten für den gewählten Zeitraum zusammengestellt und als Tabelle und/oder Grafik ausgegeben. Auf Basis der so angegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung wird dem Benutzer dann eine Klimatologie oder Zeitreihe in Form einer Abbildung und/oder Tabelle erstellt. Dieses SDSS-Ergebnis kann bereits als Informationsquelle genutzt, oder in weitere Simulationen integriert werden.