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Abflussanteile aus Schnee- und Gletscherschmelze im Rhein und seinen Zufüssen vor dem Hintergrund des Klimawandels

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Untertitel
Abschlussbericht an die Internationale Kommssion für die Hydrologie des Rheingebietes (KHR) Überarbeitete Endfassung Dezember 2016
Autor
Stahl, K.; Weigel, M.; Freudiger, D.; Kohm, I.; Seibert, J.; Vis, M.; Gerlinger, K.; Böhm, M.
Datum der Veröffentlichung
2017
Zusammenfassung

Die Internationale Kommission für die Hydrologie des Rheingebietes (KHR/CHR) hat im Jahr 2012
das Forschungsprojekt „Abflussanteile aus Schnee- und Gletscherschmelze im Rhein und seinen Zuflüssen
vor dem Hintergrund des Klimawandels“ (ASG-Rhein) an ein schweizerisch-deutsches Forschungskonsortium
vergeben, dessen Abschlussbericht nun vorliegt. Ziel des Forschungsprojektes
war die Bestimmung der Anteile dieser Abflusskomponenten auf Tages- und Monatsbasis für die lange
Zeitperiode von 1901-2006. Insbesondere die tagesscharfe Modellierung und Analyse sollte dabei
Aufschluss über die Abflussbeiträge zu Extremereignissen, insbesondere auch zu Niedrigwasserperioden
am Mittel- und Niederrhein geben. Die Betrachtung des langen Zeitraums sollte es erlauben,
Trends und Veränderungen, die insbesondere durch die Veränderungen des Klimas und den damit
verbundenen Gletscherrückgang hervorgerufen wurden, sichtbar zu machen und zu erklären. Erklärtes
Arbeitsziel des Projekts war es dabei, die letztendlich modellbasierten Aussagen durch eine möglichst
umfassende Auswertung und Verwendung von Beobachtungsdaten aller Art abzustützen.

Somit wurde zunächst ein umfassendes Datenkollektiv an langen Zeitreihen von Beobachtungsdaten
des Wasserkreislaufs, wie Stationswerte sowie flächenhaft für das Einzugsgebiet des Rheins verfügbaren
Datenprodukten, zusammengestellt. Ein rheingebietsweises Rasterdatenprodukt ist z.B. der HYRAS-
Datensatz des Deutschen Wetterdienstes und der Bundesanstalt für Gewässerkunde, der interpolierte
Klimavariablen(Niederschlag, Lufttemperatur und rel. Feuchte) enthält, die sich als Modellinput
für die hydrologischen Modelle eignen. Da diese Daten jedoch erst im Jahr 1951 beginnen, war ein
erster wichtiger Arbeitsschritt die Rekonstruktion meteorologischer Daten auf dem gleichen Raster
für den Zeitraum von 1901-1950. Um eine Konsistenz der räumlichen Strukturen und Auflösung über
den Gesamtzeitraum von 1901-2006 als Modellinput zu gewährleisen, wurde hierfür innerhalb des
Projekts eine Methode entwickelt, die den frühen Zeitraum durch ein Analogtage-Resampling des
HYRAS-Datensatzes rekonstruiert (HYRAS-REC). Dieses Verfahren stützt sich auf die Information
aller verfügbaren langen Zeitreihen von Klimastationsdaten.

Im Projekt wurden zudem lange Zeitreihen von Pegelabflussdaten, insbesondere alle verfügbaren Beobachtungsdaten
der Abflüsse der alpinen vergletscherten Teileinzugsgebiete, auch wenn diese nur
über wenige Jahre in der Vergangenheit gemessen wurden, zusammengestellt. Ein weiteres Standbein
bildete die Sammlung und Aufbereitung verschiedener Daten über die Kryosphäre. So konnten durch
die Zusammenarbeit mit externen Partnern Daten über Schneedecke und Gletscher, u.a. Gletscherlängen,
-flächen und -mächtigkeiten zu verschiedenen Zeitpunkten in der Vergangenheit, in den Projektdatensatz
integriert und für die Analyse und Modellierung verwendet werden. Ein neuer Datensatz
entstand dabei aus der manuellen Digitalisierung der Gletscherflächen aus den Schweizer “Siegfriedkarten“
durch die Universität Freiburg. Diese neu erfassten Gletscherflächen zu Anfang des 20. Jahrhunderts
sind notwendig, um die Anfangsbedingungen des Modellierungszeitraums zu definieren.

Aus dem Datenkollektiv des Projekts stehen auch 25 relativ lange Abflusszeitreihen kleinerer Pegeleinzugsgebiete
mit Teilvergletscherung und geringer Abflussregulierung sowie einige alpine Einzugsgebiete
ohne Gletscher als Referenz zur Verfügung. Diese Zeitreihen wurden zunächst einer empirischen
Datenanalyse hinsichtlich der Klimasensitivität und Trends der Abflüsse verschiedener
Zeitperioden unterzogen. Mittels Regressionsmodellen wurden dabei saisonal hochaufgelöst je Kalenderwoche
die Beiträge von Temperatur und Niederschlag zur erklärten Varianz des Gebietsabflusses
bestimmt. Aus den Ergebnissen für die 25 Pegeleinzugsgebiete konnten systematische Gradienten
dieser Steuerungsfaktoren mit der Höhe und der Gebietsvergletscherung bestimmt werden. Dabei
zeigten sich klare Steuerungsmuster mit einer dominierenden Niederschlagssteuerung des Abflusses
im Winter für Einzugsgebiete mit einer mittleren Höhe unter ca. 1000-1500 m NN und einer dominierenden
Temperatursteuerung des Abflusses im Frühjahr und Sommer über 1500-2000 m NN. Hierbei
ist die Richtung der Temperatursteuerung im Sommer mit einer Zunahme des Abflusses bei hohen
Temperaturen in Gebieten mit Vergletscherung und einer Abflussabnahme in Gebieten ohne Vergletscherung
gegensätzlich.

Für eine quantitative Beschreibung der Abflussbildung in den alpinen Einzugsgebieten ist somit eine
korrekte Beschreibung von Temperatur und Niederschlag in den Höhenlagen von 1000-2000 m NN
und mehr sowie eine genaue Bestimmung der jeweiligen Gebietsvergletscherung sehr wichtig. Aus
diesem Grund wurde im weiteren Projektverlauf auch insbesondere in die genaue Bestimmung der
Anfangs-, Zwischen- und Endzustände der Gletscherentwicklung im Untersuchungszeitraum investiert.
In vielen gering vergletscherten Einzugsgebieten zeigen sich über die letzten Jahrzehnte im Juli
und August eher Trends zu abnehmendem Abfluss. Dies lässt vermuten, dass in diesen Gebieten der,
bei einer Klimaerwärmung generell zu erwartende, Peak des Gletscherschmelzbeitrages, zumindest
bezüglich der Betrachtung dieser Monate, schon überschritten ist.

Vor dem Hintergrund dieser Erkenntnisse wurde dann eine mehrstufige gekoppelte hydrologische
Modellkette für den Rhein aufgebaut. Alle vergletscherten Kopfeinzugsgebiete wurden auf der hydrologischen
Meso-Skala mit dem semi-verteilten, konzeptionellen hydrologischen Modell HBV-Light
modelliert. Für das verbleibende Gesamtgebiet des Rheins (hier bis Lobith an der deutschniederländischen
Grenze) wurde das Wasserhaushaltsmodell LARSIM eingesetzt. Dabei wurden zwei
rasterbasierte LARSIM-Modellkonfigurationen verwendet, die sich im Wesentlichen hinsichtlich der
räumlichen Auflösung (Modellelementgröße 1x1km² (“LARSIM-Hochrhein“) und 5x5km² (“LARSIM-
ME-Rhein“) sowie den Ansätzen einzelner hydrologischer Prozesse unterscheiden.
Für die Modellierung im ASG-Projekt waren Modellerweiterungen und -anpassungen der HBVund
LARSIM-Modelle nötig. Der Verfolgung der berechneten Abflusskomponenten aus Regen,
Schnee- und Gletschereisschmelze von der Abflussbildung über die Abflusskonzentration und weiter
entlang der Flüsse und Seen kommt eine hohe Bedeutung zu und erwies sich als besondere Herausforderung,
die neuer Entwicklungen bedurfte. Für die Bestimmung der Abflusskomponenten wurden
deshalb zunächst verschiedene Methoden getestet. Letztlich wurde ein Ansatz entwickelt, der in jedem
räumlichen Modellelement für jeden Zeitschritt die im System gebildeten und bereits vorliegenden
Komponenten Regen, Schnee- und Gletschereisschmelze in einem „Mischungsbehälter“ ideal vermischt
und entsprechend der Wasserbilanz anteilsmäßig räumlich berechnet. Diese Methode des Mischungsbehälters
kann entweder in Form von Mischungsbehältern getrennt für jeden einzelnen Modellspeicher
(z.B. Boden, Grundwasser, Seen) oder, wie getestet ohne Abstriche, als integrativer Mischungsbehälter
aller Modellspeicher je räumlicher Modelleinheit (LARSIM Raster 1x1km² oder
5x5km²) umgesetzt werden. Der Ansatz des Mischungsbehälters dient der Berechnung der Mischung
der gebildeten und vorliegenden Abflusskomponenten pro Modellelement und des daraus resultierenden
neuen Anteils der jeweiligen Abflusskomponente. Die anschließende Berechnung des Wellenablaufs
in den beiden LARSIM-Modellen erfolgt dann jeweils für die einzelnen Abflusskomponenten
getrennt.

Allerdings würden die Abflusskomponenten bei der Annahme einer kompletten Mischung aufgrund
der Größe der Gesamtspeicher in den hydrologischen Modellen über lange Zeiträume mehr oder weniger
konstant. Deshalb wurde die maximale Größe der Mischungsbehälter gegenüber der Gesamtgröße
der eigentlichen Modellspeicher begrenzt. Dieser Schritt ist notwendig, um die Fragestellung im
Projekt, nämlich die quantitative Berücksichtigung der einzelnen Abflusskomponenten bei der Abflussreaktion
(als Folge der Abflussbildung, Abflusskonzentration und dem Wellenablauf), zu beantworten.
Sensitivitätsanalysen ergaben, dass eine solche quantitative Modellierung der Abflusskomponenten
mit einer Begrenzung auf ein maximales Mischungsvolumen gelingt.

Für die vergletscherten Kopfeinzugsgebiete war es wichtig, gleichwertig sowohl die langfristige
Gletscher- als auch die Abflussentwicklung korrekt zu erfassen. Zur Modellierung der vergletscherten
Kopfeinzugsgebiete wurde für das Modell HBV-Light deshalb eine neue Schneeumverteilung
entwickelt, jahreszeitlich variierende Schmelzfaktoren und Auslaufkoeffizienten des Gletscherspei-
chers eingeführt sowie die Gletscherflächenanpassung nach der “delta-h“ Methode implementiert und
weiterentwickelt, so dass diese u.a. nicht nur den Rückgang sondern auch temporäre Vorstöße abbilden
kann.

Bei der automatischen Kalibrierung der HBV-Light-Modelle für die vergletscherten Kopfeinzugsgebiete
wurden multiple Kriterien in einer Zielfunktion gewichtet. Zu diesen Kriterien zählen neben der
Abflussdynamik auf verschiedenen zeitlichen Skalen auch Aspekte der Schneedecke und der Gletschervolumenentwicklung.
Für Gebiete ohne Abflussdaten wurde ein Ansatz zur Regionalisierung der
Modellparameter mit einer Nachkalibrierung der schnee- und gletscherrelevanten Parameter anhand
der entsprechenden Kriterien in der Zielfunktion entwickelt. Die gewonnenen Parameter-Ensembles
dienten der Analyse der Unsicherheiten der Anteile der Abflusskomponenten aus den separat modellierten
vergletscherten Kopfeinzugsgebieten. Die mit dem nach den verschiedenen Kriterien „besten“
Parametersatz für jedes vergletscherte Teileinzugsgebiet simulierten Tagesabflüsse wurden dann an
die entsprechende Modell-Rasterzelle des LARSIM-Hochrhein-Modells übergeben.
In den LARSIM-Modellen wurde ebenfalls die Schneeroutine angepasst sowie im räumlich geringer
aufgelösten und unterhalb von Basel zum Einsatz gekommenen LARSIM-ME-Rhein eine Höhendiskretisierung
je Modell-Rasterzelle eingeführt. Auch die wasserwirtschaftliche Entwicklung im
Rheineinzugsgebiet, insbesondere die sukzessive Erweiterung der Speichervolumen in Talsperren,
wurde in der Langzeitmodellierung berücksichtigt, indem Talsperren entsprechend des Kraftwerksausbaus
im 20. Jahrhundert integriert wurden. Dies erfolgte in den jeweiligen Zeitabschnitten im alpinen
Teil des Rheingebiets in Form einer summarischen Abbildung mehrerer Talsperren für jeweils
vier größere Teileinzugsgebiete und für weitere 17 Talsperren im Mittel- und Niederrheineinzugsgebiet.
Die Regulierungen der Voralpenseen (über Steuerungsregeln) sind ebenfalls im Modell umgesetzt.
Für die Analyse der resultierenden modellierten Anteile der Abflusskomponenten in Raum und
Zeit sind damit drei wesentliche Betrachtungsräume bzw. -ebenen/skalen zu unterscheiden, nämlich
zunächst der Einzugsgebietsteil der mit HBV-Light modellierten vergletscherten Kopfeinzugsgebiete,
dann das Alpen- und Hochrheingebiet oberhalb von Basel (modelliert mit „LARSIM-Hochrhein“) und
schließlich das gesamte Rheingebiet (ohne Deltarhein) bis zum Pegel Lobith (modelliert mit LARSIM-
ME-Rhein).

Bei erstem ist zu beachten, dass es sich hier um eine projektspezifische Abgrenzung unter Berücksichtigung
verfügbarer Pegeldaten handelte. Es wurden nur diejenigen obersten Kopfeinzugsgebiete berücksichtigt,
welche bezogen auf den Zeitpunkt um das Jahr 1901 eine signifikante Gletscherbedeckung
aufwiesen. Ihre Gesamtfläche beträgt 4152 km². Die Betrachtung dieser vergletscherten Kopfeinzugsgebiete
auf der hydrologischen Meso-Skala erlaubt aber auch den Vergleich mit vielen anderen
Fallstudien teilvergletscherter Einzugsgebiete, die meist in ähnlichen Größenordnungen untersucht
wurden. Außerdem ist insbesondere die Gletscherabflusskomponente hier auch von hoher lokaler Bedeutung,
z.B. für die dort dominierende Wasserkraftnutzung.

Der Anteil der modellierten Eisschmelz-Abflusskomponente am summierten Gesamtabfluss dieser
vergletscherten Kopfeinzugsgebiete liegt im Mittel über die Simulationsperiode bei ca. 10 % und in
den Monaten August und September bei ca. 20% des gesamten Abflusses. Infolge hochsommerlicher
Wärmeanomalien ergeben sich jedoch auch bedeutend höhere Eisschmelzbeiträge zum Abfluss. Die
durchgeführte Langzeitmodellierung berechnete solche insbesondere im Jahr 1921 sowie 1947 und
2003. Dabei ergaben sich Monatsmittel der Eisschmelz-Abflusskomponente im Bereich von 160-195
m³/s, die dann mehr als die Hälfte des Abflusses dieser Kopfeinzugsgebiete ausmachten. Beachtenswert
ist, dass, bedingt durch das hydrologische Regime mit zurückgehendem Abfluss im frühen
Herbst, die mittleren relativen Anteile im September sogar leicht höher liegen als im August. Dieses
Ergebnis unterscheidet sich von vergleichbaren Studien und ist auf die genauere Abbildung der Abflussbildungsprozesse
zurückzuführen.

Die separate Betrachtung der Kopfeinzugsgebiete erlaubte es auch, die absoluten und relativen Eisschmelzbeiträge
am Abfluss des Rheins räumlich darzustellen und die zeitliche Entwicklung der Abflusskomponenten
im Zusammenhang mit der Gletscherentwicklung genauer zu betrachten. Interessanterweise
legen die modellierten Zeitreihen der Abflusskomponenten nahe, dass sich der Anteil der
Eisschmelzkomponente aus dem Gesamtgebiet langfristig im Mittel über den langen Untersuchungszeitraum
nicht wesentlich verändert hat. Dies ist auf eine Kompensation von zunehmender Schmelze
durch den Temperaturanstieg bei gleichzeitigem Rückgang der Gletscherfläche zurückzuführen. Für
eine mengenmäßig gleiche Eisschmelzkomponente des Abflusses wäre nach den Berechnungen am
Ende der Untersuchungsperiode eine beinahe doppelt so große (spezifische) negative Massenbilanz
der Gletscher nötig als am Anfang des Untersuchungszeitraums. Allerdings zeigten die jüngsten Jahre
der Modellierung, ca. 2000 bis 2006, eine erneute Tendenz zur verstärkten Zunahme der Eisschmelzkomponente.
Im Hinblick auf den Klimawandel bleibt die Frage, wann mit einem endgültigen Rückgang
der Eisschmelzkomponente für das Gesamtgebiet zu rechnen ist, also noch offen.
Basierend auf der Modellierung mit den LARSIM-Modellen wurden die Abflusskomponenten
rheinabwärts weiterverfolgt. Die in dieser Studie modellierten langjährigen Mittelwerte der Eisschmelzanteile
am Abfluss des Rheins bei Basel mit ca. 2% und bei Lobith mit ca. 1%. stimmen mit
den Berechnungen früherer Modellstudien überein. Der mittlere Anteil der Schneeschmelze am Abfluss
am Pegel Basel wurde zu ca. 39% und am Pegel Lobith zu ca. 34% berechnet und ist damit deutlich
relevanter für den Abfluss. Die in diesem Projekt neue, tagesscharfe, Modellierung der Abflusskomponenten
rheinabwärts erlaubte nun jedoch auch erstmalig die Betrachtung maximaler Beiträge in
den obengenannten Niedrigwasserjahren 1921, 1947 und 2003. Diese Jahre zeichneten sich insbesondere
auch dadurch aus, dass Trockenwetter, Hitzeperioden und Niedrigwasser sehr großräumig in ganz
West- und Mitteleuropa aufgetreten sind. Somit war auch das gesamte Rheingebiet von den Alpen
rheinabwärts betroffen.

Die Zeit der größten Gletschereisschmelze in den nivalen und glazialen Regimen der Kopfeinzugsgebiete
fällt in den Hoch- und Spätsommer, wo am Mittel- und Niederrhein die jährliche Abflussrezession
und somit die Niedrigwasserzeit der rheinabwärts zunehmend pluvialen Regimes vorliegt. Dadurch
erreichten die Eisschmelz-Abflusskomponente in den Monaten August und September sowie z.T. auch
noch bis Oktober und November rheinabwärts deutlich höhere relative Anteile am Abfluss. Während
der Eisschmelzbeitrag zum Abfluss im Mittel über die Simulationsperiode 1901-2006 in den Monaten
August und September im Mittel zwar nur 4.5% bzw. 6% des Abflusses am Pegel Basel und 2.6%
bzw. 4.2% am Pegel Lobith ausmacht, lagen die maximalen Tageswerte für die Rekordjahre um einiges
höher. Im Hitzesommer 2003 beispielsweise resultierte an Rekordtagen in Basel bis zu fast einem
Viertel, in Lobith immerhin noch 17% des Abflusses aus Eisschmelzabfluss.

Wie in jeder Modellsimulation sind auch diese Ergebnisse mit Unsicherheiten behaftet, die aus den
Eingangsdaten, vereinfachten Prozessbeschreibungen und der Bestimmung der Modellparameter herrühren.
Zu diesem Problem wurden im Projekt verschiedene Analysen durchgeführt. Insgesamt stellen
diese Unsicherheiten die prinzipiellen Aussagen des Projekts jedoch nicht in Frage. Dies ist insbesondere
der aufwändigen Berücksichtigung von Beobachtungsdaten zur langfristigen Gletscherveränderung
sowie der Dynamik von Schnee- und Abflussprozessen bei der Modellierung zu verdanken. Die
in diesem Projekt mit viel Aufwand angepasste Modellkette, die zudem die Verfolgung und Analyse
der Dynamik der drei Abflusskomponenten durch das hydrologische System erlaubt, bietet diesbezüglich
nun auch ein verlässliches Werkzeug zur Analyse verschiedener Klimaprojektionen und weiterer
Wasserwirtschafts-Szenarien.

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis ........................................................................................................................................ 3
Zusammenfassung .............................................................................................................................................. 7
1 Hintergrund und Projektziele ................................................................................................................... 11
1.1 Abflusskomponenten im Klimawandel ................................................................................................ 11
1.2 Daten, Analysen und Modelle: Gliederung des Projekts und Berichts ................................................ 13
2 Rekonstruktion meteorologischer Zeitreihen für die Jahre 1901‐1950 .................................................... 16
2.1 Zielsetzung ........................................................................................................................................... 16
2.2 Analog‐Methode .................................................................................................................................. 16
2.3 Ergebnisse ............................................................................................................................................ 19
2.4 Erstellung und Validierung meteorologischer Inputdatensätze 1901‐2006 ........................................ 24
2.5 Fazit für die Verwendung als Modellinput .......................................................................................... 25
3 Alpine Einzugsgebiete: Datenanalysen .................................................................................................... 27
3.1 Einleitung und Zielsetzung ................................................................................................................... 27
3.2 Saisonale Klimasensitivität der Abflüsse alpiner Einzugsgebiete ........................................................ 27
3.3 Analyse der Abflusstrends ................................................................................................................... 33
3.4 Vergletscherung in den Kopfeinzugsgebieten des Rheins ................................................................... 36
3.5 Fazit für die Modellierung der vergletscherten alpinen Teileinzugsgebiete ....................................... 39
4 Abflussanteile: Definitionen und Modellierung ........................................................................................ 41
4.1 Hintergrund und Zielsetzung ............................................................................................................... 41
4.2 Methodische Ansätze zur Bestimmung von Abflusskomponenten ..................................................... 43
4.3 Anwendung und Vergleich der verschiedenen Ansätze ...................................................................... 45
4.4 Fazit für die Anwendung in der Modellierung ..................................................................................... 52
5 Modellierung der vergletscherten Kopfeinzugsgebiete ........................................................................... 53
5.1 Zielsetzung ........................................................................................................................................... 53
5.2 Abgrenzung und Modell‐Setup der vergletscherten Kopfeinzugsgebiete ........................................... 53
5.3 Spezielle Modellentwicklung für alpine Teileinzugsgebiete mit Vergletscherung .............................. 55
5.4 Modellanwendung und Multi‐Kriterien‐Kalibrierung .......................................................................... 59
5.5 Modellierte Abflussanteile (1901‐2006) .............................................................................................. 67
5.6 Modellierte Abflussanteile in Extremjahren ........................................................................................ 71
5.7 Langzeitverhalten der modellierten Abflussanteile ............................................................................ 81
5.8 Fazit ..................................................................................................................................................... 87
6 Modellierung des gesamten Rheineinzugsgebiets ................................................................................... 89
6.1 Zielsetzung und LARSIM Modellbeschreibung .................................................................................... 89
6.2 Modellanpassungen und Modellentwicklungen ................................................................................. 93
6.3 Modellierte Abflussanteile (1901 bis 2006) ....................................................................................... 102
6.4 Modellierte Abflussanteile in Niedrigwasserjahren .......................................................................... 110
6.5 Zeitliche Veränderung der Abflussanteile ......................................................................................... 121
6.6 Fazit ................................................................................................................................................... 124
7 Modellvalidierung und Unsicherheitsanalyse ........................................................................................ 126
7.1 Validierung verschiedener Modellierungsergebnisse ....................................................................... 126
7.2 Parameterunsicherheiten der Modellierung ..................................................................................... 131
7.3 Fazit ................................................................................................................................................... 139
8 Bewertung der Ergebnisse im Hinblick auf den Klimawandel ................................................................ 141
Literaturangaben ............................................................................................................................................ 144
Danksagungen ................................................................................................................................................ 150