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

00-
2016
Subtitle
Final report to the International Commission for the Hydrology of the Rhine basin (CHR) - final version 08/2016
Author
Stahl, K; Weiler, M.; Freudiger, D.; Kohn, I.; Seibert, J.; Vis, M.; Gerlinger, K.; Böhm, M.
Date of publication
2016
Summary

Die Internationale Kommission für die Hydrologie des Rheingebietes (KHR/CHR) vergab im Jahr 2012 das Forschungsprojekt „Abflussanteile aus Schnee- und Gletscherschmelze im Rhein und seinen Zuflüssen vor dem Hintergrund des Klimawandels“ (ASG-Rhein). Ziel des Forschungsprojekts war die Bestimmung der Anteile dieser Abflusskomponenten auf Tagesbasis 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 Unterrhein geben. Die Betrachtung des langen Zeitraums sollte es erlauben, Trends und Veränderungen, die insbesondere durch die Veränderungen von Klima und Gletscherrückgang sowie durch den Ausbau der Wasserspeicherung in Talsperren hervorgerufen wurden, sichtbar zu machen und zu erklären. Erklärtes Arbeitsziel des Projekts war es dabei, die Modellierung 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 sowie flächenhaft für das Einzugsgebiet des Rheins verfügbaren Datenprodukten zusammengestellt. Ein solches Datenprodukt ist z.B. der HYRAS-Datensatz des Deutschen Wetterdienstes und der Bundesanstalt für Gewässerkunde, der interpolierte Klimavariablen 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), das sich auf die Information aller verfügbaren langen Zeitreihen von Stationsdaten stützt.

Neben der Meteorologie umfasst das Datenkollektiv des ASG-Projekts auch eine Zusammenstellung langer 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. Ein weiteres Standbein bildet die Zusammenstellung verschiedener Daten über die Kryosphäre. Durch die Kollaboration mit externen Partnern konnten 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 einiger unvergletscherter Gebiete als Referenz zur Verfügung. Diese Zeitreihen wurden zunächst einer empirischen Datenanalyse über die 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. Dabei 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 der kritischen Höhenlage von 1000-2000 m NN sowie eine genaue Bestimmung der jeweiligen Gebietsvergletscherung sehr wichtig. Aus diesem Grund wurde im ASG-Rhein-Projekt im weiteren Verlauf 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 Gletscherschmelzbeitrags, zumindest bezüglich der Betrachtung dieser Monate, schon überschritten ist.

Vor dem Hintergrund dieser Erkenntnisse wurde dann eine mehrstufige gekoppelte Modellkette für den Rhein aufgebaut. Alle vergletscherten Kopfeinzugsgebiete wurden auf der hydrologischen Mesoskala mit dem semi-verteilten, konzeptionellen hydrologischen Modell HBV-Light modelliert. Für das Gesamtgebiet des Rheins kamen verschiedene rasterbasierte LARSIM Wasserhaushalts-Modelle (“LARSIM-Hochrhein“ und “LARSIM-ME-Rhein“) zum Einsatz. Für die Modellierung über den, für Modellstudien ungewöhnlich langen, Zeitraum von über 100 Jahren waren Modellerweiterungen und -anpassungen der HBV- und LARSIM-Modelle nötig.

Unter anderem erwies sich die Verfolgung der Abflussanteile aus Regen, Schnee- und Gletschereisschmelze von der Abflussbildung durch die Modellspeicher und entlang der Flüsse und Seen als besondere
Herausforderung, die völlig neuer Entwicklungen bedurfte. Für die Bestimmung der Abflussanteile wurden deshalb zunächst verschiedene Methoden getestet. Letztlich wurde ein Ansatz entwickelt, der in jedem räumlichen Modellelement für jeden Zeitschritt die ins System eingehenden Komponenten Regen, Schnee- und Gletschereisschmelze in einem „Mischungsbehälter“ ideal vermischt und entsprechend der Wasserbilanz anteilsmäßig räumlich weitergibt. Diese Methode des Mischungsbehälters kann entweder in Form von Behältern für jeden einzelnen Modellspeicher (z.B. Boden, Grundwasser, Seen) oder, wie getestet ohne Abstriche, als integrativer Mischungsbehälter aller Modellspeicher je räumliche Modelleinheit (LARSIM Raster 1x1km² oder 5x5km²) umgesetzt werden.

Allerdings werden 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 Größe der Mischungsbehälter gegenüber der Gesamtgröße der eigentlichen Modellspeicher begrenzt. Dieser Schritt ist notwendig, um die Fragestellung im ASGRhein-Projekt nach dem quantitativen (Wellenablaufs-) Effekt der einzelnen Abflusskomponenten zu beantworten. Sensitivitätsanalysen ergaben, dass die Darstellung des Welleneffekts am besten mit einer Begrenzung auf ein maximales Mischungsvolumen gelingt, das ungefähr einem maximal auftretenden Tagesdurchfluss durch die entsprechende Modelleinheit entspricht.

Weiterhin war es wichtig, gleichzeitig die langfristige Gletscher- und Abflussentwicklung korrekt zu erfassen. Für die HBV-Light-Modelle zur Modellierung der vergletscherten Kopfeinzugsgebiete wurde eine neue Schneeumverteilung entwickelt, jahreszeitlich variierende Schmelzfaktoren und Auslaufkoeffizienten des Gletscherspeichers eingeführt sowie die Gletscherflächenanpassung nach der “deltah“ Methode weiterentwickelt, so dass sie 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, zu denen außer der Abflussdynamik auf verschiedenen zeitlichen Skalen auch Aspekte der Schneedecke und der Gletschervolumenentwicklung zählten, mit in einer Zielfunktion quantitativ gewichtet. Für Gebiete ohne Abflussdaten wurde ein Ansatz zur Parameterregionalisierung und Nachkalibrierung der schnee- und gletscherrelevanten Parameter anhand der entsprechenden Kriterien in der Zielfunktion entwickelt. Die gewonnenen Parameter-Ensembles dienten der Unsicherheitsanalyse und die Anteile der Abflusskomponenten für die separat modellierten vergletscherten Kopfeinzugsgebiete wurden im Detail ausgewertet. Die mit dem besten Parametersatz für jedes vergletscherte Teileinzugsgebiet simulierten Tagesabflüsse wurden zur Modellierung des gesamten Rheineinzugsgebiets 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 summarische Talsperren entsprechend des Kraftwerksausbau im 20. Jahrhundert integriert wurden. Die Regulierung 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 nur derjenigen obersten Kopfeinzugsgebiete handelte, welche bezogen auf den Zeitpunkt um das Jahr 1901 eine signifikante Gletscherbedeckung aufwiesen. Ihre Gesamtfläche beträgt nur 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 im Jahresmittel ungefähr bei einem Zehntel und in den Monaten August und September bei einem Fünftel des 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 um Abfluss des Rheins räumlich darzustellen und die zeitliche Entwicklung der bflusskomponente im Zusammenhang mit der Gletscherentwicklung genauer zu betrachten. Interessanterweise egen die modellierten Zeitreihen der Abflusskomponenten nahe, dass sich der Anteil der iskomponente aus dem Gesamtgebiet langfristig im Mittel über den langen Untersuchungszeitraum icht wesentlich verändert hat. Dies ist auf eine Kompensation von zunehmender Schmelze durch den emperaturanstieg bei gleichzeitigem Rückgang der letscherfläche zurückzuführen. Für eine mengenmäßig leiche Eisschmelzkomponente des Abflusses wäre nach den Berechnungen am Ende der ntersuchungsperiode eine beinahe doppelt so große (spezifische) negative Massenbilanz der Gletscher ötig 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 im Rhein bei Basel mit ca. 2% und bei Lobith mit ca. 1.3%. stimmen mit den Berechnungen früherer Modellstudien überein. Der mittlere Anteil der Schneeschmelze am Abfluss am Pegel Basel wurde mit ca. 39% und am Pegel Lobith mit ca. 32% 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 Rekordjahren 1921, 1947 und 2003. Diese Jahre zeichneten sich auch dadurch aus, dass sie sehr großräumig in ganz West- und Mitteleuropa und somit von den Alpen
rheinabwärts durch Trockenwetter, Hitzeperioden und Niedrigwasser geprägt waren.

Im Vergleich zu den nivalen und glazialen Regimen in den Kopfeinzugsgebieten fällt am Mittel- und Niederrhein die Zeit der größten Gletscherschmelze im Spätsommer mit der jährlichen Abflussrezession und Niedrigwasserzeit des rheinabwärts zunehmend pluvialen Regimes zusammen. Dadurch fallen die Anteile der Eisschmelz-Abflusskomponente in den Monaten August und September und z.T. auch noch bis Oktober und November rheinabwärts relativ deutlicher ins Gewicht. Während der Eisschmelzbeitrag zum Abfluss im Mittel über die Simulationsperiode 1901-2006 in den Monaten August und September im Mittel zwar nur um 5-7% des Abflusses am Pegel Basel und 3-5% am Pegel Lobith ausmacht, lagen die maximalen Tageswerte für die Rekordjahre jedoch noch 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 und der Parametrisierung herrühren. Hierzu wurden im Projekt verschiedene Analysen durchgeführt. Insgesamt stellen diese Unsicherheiten die systematischen Resultate des Projekts jedoch nicht in Frage. Dies ist insbesondere der aufwändigen Berücksichtigung von Beobachtungsdaten zur langfristigen letscherveränderung sowie der Dynamik von Schnee und Abfluss bei der Modellkalibrierung zu verdanken. Die in diesem Projekt mit viel Aufwand angepasste Modellkette, die 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.

Table of contents

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

(German)