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Ein Ziel von Hydro-CH2018 ist die Verbesserung des hydrologischen Prozessverständnisses, um bestehende Wissenslücken bezüglich Auswirkungen des Klimawandels auf die Wasserressourcen in der Schweiz zu füllen. Hierzu wurden diverse Forschungsprojekte unter Beteiligung zahlreicher Schweizer Forschungsinstitutionen durchgeführt.
Projekte
- Aktualisierung der hydrologischen Szenarien aufgrund neuer Klimaszenarien
- Anteile von Schnee- und Gletscherschmelze im Abfluss
- Hydrologische Szenarien, basierend auf hochaufgelösten Klimadaten
- Walddynamik, Landnutzung und Wasserhaushalt
- Auswirkungen von Klima- und Bewirtschaftungsänderungen
- Wasserbilanz und Trockenheit
- Grundwasserdynamik und Speicherung in alpinen Einzugsgebieten
- Potenzial von Mehrzweckspeichern
- Wassertemperatur von Seen und Flüssen
- Veränderung der Grundwassertemperatur
Eine ausführliche Beschreibung der Resultate aus den Forschungsprojekten ist im Hydro-CH2018 Synthesebericht publiziert. Informationen zu den Daten sind auf der Datenseite verfügbar.
Aktualisierung der hydrologischen Szenarien aufgrund neuer Klimaszenarien
Wie verändern sich die Abflüsse unter unterschiedlichen Klimaszenarien?
Vorgehen
Mit dem Modell PREVAH-UniBE wurden insgesamt 106 Einzugsgebiete (BAFU-Stationen) kalibriert und validiert. Die Einzugsgebiete decken verschiedene Abflussregime (pluvial, nival, glazial, südalpin) und Einzugsgebietsgrössen (10-1700 km2) ab. Anschliessend wurden für jedes Einzugsgebiet Abflusszeitreihen für verschiedene Emissionsszenarien (RCP2.6, 4.5, 8.5) in täglicher Auflösung berechnet. Die resultierenden Tagesabflüsse wurden für verschiedene Indikatoren zu Mittel-, Hoch- und Niedrigwasser analysiert. Da die neuen Klimaszenarien kontinuierlich über 120 Jahre verfügbar sind, kann erstmals auch der Zeitpunkt signifikanter Abflussveränderungen bestimmt werden.
Hauptergebnisse
- Der Zeitpunkt signifikanter Abflussveränderungen tritt in den höher gelegenen Einzugsgebieten tendenziell früher auf als in den mittelländischen Gebieten.
- Weitere Resultate sind auf dem NCCS-Webatlas und dem hydrologischen Atlas der Schweiz HADES verfügbar.
Quantifizierung der Anteile von Schnee- und Gletscherschmelze im Abfluss
Welche Auswirkungen hat das Abschmelzen der Gletscher und der Rückgang der Schneedecke auf den Abfluss?
Vorgehen
Die Abflussanteile aus Regen, Schnee- und Gletschereisschmelze wurden für 190 vergletscherte Kopfeinzugsgebiete der Schweizer Alpen mit dem hydrologischen Modell HBV Light-UniZH ermittelt. Die Schnee- und Gletschermodule des Modells wurden speziell angepasst, um Schneedecke und Gletscher bestmöglich darzustellen. Die Modellkalibration erfolgte anhand von Abflussdaten, Schneebedeckung und Gletscherdaten. Dies erlaubte es, die Abflussanteile auch für Gebiete ohne Abflussdaten zu berechnen, da Daten zu Schneebedeckung und Gletscherfläche flächendeckend vorliegen.
Hauptergebnisse
Der Gesamtbeitrag aus der Gletscherschmelze der 190 Kopfeinzugsgebiete macht heute 8% des Jahresabflusses aus und reduziert sich ohne Klimaschutz auf weniger als 2% gegen Ende des Jahrhunderts. Der Schneebeitrag sinkt ohne Klimaschutz (RCP8.5) von heute 34% des Jahresabflusses bis Ende des Jahrhunderts auf 25%.
Hydrologische Szenarien, basierend auf hochaufgelösten Klimadaten
Welche Auswirkungen hat die natürliche Variabilität in den Klimadaten auf die hydrologischen Szenarien?
Vorgehen
Für neun CH2018-Klimaprojektionen wurde mithilfe eines Wettergenerators die natürliche Variabilität der Atmosphäre simuliert. So konnten für die drei Einzugsgebiete Thur, Kleine Emme und Maggia meteorologische Parameter in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung (z. B. Stundenwerte des Niederschlags) errechnet werden, wie sie unter zukünftigen Klimabedingungen zu erwarten sind. Basierend auf diesen Klimadaten wurden dann mit dem hydrologischen Modell Topkapi-ETH hydrologische Szenarien berechnet. Die Ergebnisse wurden mit der heutigen natürlichen Variabilität verglichen.
Hauptergebnisse
- Bereits für die Periode 2020–2049 zeigen die Modelle Veränderungen im Jahresniederschlag. Allerdings sind die Veränderungen nur bei einem Szenario ohne Klimaschutz und am Ende des Jahrhunderts grösser als die heutige natürliche Variabilität.
- Die Veränderung der Starkniederschläge kann auf engem Raum, selbst innerhalb von Einzugsgebieten, stark variieren. So nehmen die Starkniederschläge etwa bei Kleiner Emme und Thur in den tiefer liegenden Teilgebieten bis Ende des Jahrhunderts zu, während sie in den höheren Lagen tendenziell abnehmen.
- Stundenwerte von Starkniederschlägen nehmen ohne Klimaschutz bis Ende des Jahrhunderts zu (Median um 5% für Thur und Kleine Emme sowie 20% für Maggia). Diese Zunahme, die sowohl für Starkniederschlagsereignissemit 2-jährlicher Auftretenswahrscheinlichkeit als auch für 30-jährliche errechnet wird, ist jedoch statistisch nicht signifikant und liegt im Bereich der natürlichen Variabilität.
- Die Veränderungen der Jahreshochwasserabflüsse sind statistisch nicht signifikant und liegen ebenfalls innerhalb der heutigen natürlichen Variabilität.
Walddynamik, Landnutzung und Wasserhaushalt
Wie wirken sich zukünftige Veränderungen in der Walddynamik auf Verdunstung und Abfluss aus?
Vorgehen
Das Wasserhaushaltsmodell PREVAH-WSL wurde mit einem Waldentwicklungsmodell gekoppelt. Für sechs Einzugsgebiete wurden basierend auf den Klimaszenarien CH2018 die Auswirkungen auf die Waldentwicklung und den Wasserhaushalt berechnet.
Hauptergebnisse
- Im Mittelland und in den Voralpen sind aufgrund der veränderten Walddynamik keine grösseren Änderungen im Abfluss zu erwarten.
- Der Klimawandel begünstigt eine Zunahme der Bewaldung in den Alpen. Die Zunahme der Waldflächen hängt auch von der weiteren Entwicklung der Alpwirtschaft ab, da auf beweideten Flächen kein Wald aufkommen kann.
- Eine zunehmende Bewaldung in den Alpen hätte einen deutlichen Einfluss auf Verdunstung und Abfluss. In der fernen Zukunft könnte dies in alpinen Einzugsgebieten zu einer Zunahme der Verdunstung und damit zu einer Reduktion des jährlichen Abflusses von bis zu 10% führen. Aufgrund der zunehmenden Wurzeltiefe ist dieser Effekt im Herbst am deutlichsten, was das klimatisch bedingte Abflussminimum im Herbst weiter verschärfen würde.
AgriAdapt: Auswirkungen von Klima- und Bewirtschaftungsänderungen auf Erträge und Wasserressourcen
Wie verändert sich mit fortschreitendem Klimawandel der Bewässerungsbedarf und welche Auswirkungen
hat dies auf den Grundwasserstand?
Vorgehen
Für einen Grundwasserleiter im Berner Seeland wurden mit einem integrierten Modellsystem, bestehend aus Pflanzenmodell, hydrologischem Modell und Grundwassermodell, die Auswirkungen des Klimawandels auf die landwirtschaftlichen Kulturen, Bewässerungsbedürfnisse und die Grundwasserstände untersucht.
Hauptergebnisse
- Ohne Klimaschutz (RCP8.5) würde der Bewässerungsbedarf bis zum Ende des Jahrhunderts um etwa 40% zunehmen, mit Klimaschutz (RCP2.6) wäre eine mittlere Zunahme um etwa 13% zu erwarten.
- Ohne Klimaschutz und bei einer Intensivierung der Landwirtschaft (+20% bewässerungsintensive Kulturen) würde der Wasserbedarf im Mittel um weitere 35 % zunehmen. Ein Potenzial zum Wassersparen ergibt sich durch den vermehrten Anbau von frühreifen Sorten und Winterkulturen.
- Der geschätzte Wasserbedarf für die Bewässerung ohne Klimaschutz (RCP8.5) würde in Zukunft den gegenwärtigen
Trinkwasserbedarf übersteigen.
- Ohne Klimaschutz (RCP8.5) wird im Sommer und Herbst ein tieferer Grundwasserspiegel erwartet. Dieser Effekt würde durch zusätzliche Wasserentnahmen für Bewässerung verstärkt. Allerdings dominiert der Effekt des Klimawandels auf den Grundwasserstand über die Effekte der betrachteten Landnutzungsszenarien (+/- 20% bewässerungsintensive Kulturen).
Wasserbilanz und Trockenheit
Wie wirkt sich der Klimawandel auf Trockenheit, pflanzenphysiologische Regulierung der Transpiration und zukünftigen Bewässerungsbedarf aus?
Vorgehen
Mit dem gekoppelten regionalen Klimamodell COSMO-CLM2 wurden die Auswirkungen des Klimawandels auf die Wasserbilanz und auf Trockenperioden in Europa in einem 50-km-Raster berechnet (RCP8.5-Szenario). Dabei wurden insbesondere der zukünftige Bewässerungsbedarf sowie pflanzenphysiologische Anpassungen an die erhöhten CO2-Konzentrationen untersucht. Zusätzlich wurden die Modellketten aus CH2018 vertieft hinsichtlich der zukünftigen Trockenheit analysiert.
Hauptergebnisse
- Ohne Klimaschutz werden in der Schweiz in Zukunft längere Trockenperioden, eine Abnahme der Bodenfeuchte
und eine Reduktion des Abflusses erwartet. Der genaue Grad der Austrocknung im Sommer ist noch unsicher.
- Für die heute angebauten Kulturen und unter Annahme gleichbleibender landwirtschaftlicher Nutzfläche verdoppelt
sich der Bewässerungsbedarf aufgrund des Klimawandels bis Ende des Jahrhunderts.
- Pflanzen reagieren auf erhöhte CO2-Konzentrationen mit einer Schliessung der Spaltöffnungen an ihrer Oberfläche
(Stomata), was auch den Wasseraustritt reduziert. Das führt zu einer generellen Verringerung der Evapotranspiration,
die in weiten Teilen Zentral- und Nordeuropas die Zunahme von Lufttemperatur und Temperaturextremen
zusätzlich verstärken könnte.
- Während die globalen Klimamodelle diesen pflanzenphysiologischen Effekt berücksichtigen, fehlt er in den regionalen
Klimaprojektionen, welche für die Klimaszenarien CH2018 verwendet wurden. Mit Berücksichtigung des
Prozesses nimmt die projizierte Maximaltemperatur im Sommer gegenüber CH2018 noch zu.
Grundwasserdynamik und Speicherung in alpinen Einzugsgebieten
Wie verändern sich die Grundwasserressourcen in alpinen Einzugsgebieten mit dem Klimawandel und welchen Einfluss haben sie auf die Abflussbildung?
Vorgehen
Für elf alpine Einzugsgebiete wurde der Zusammenhang zwischen Grundwasser- und Abflussdynamik untersucht. Messdaten und geologische Informationen wurden in physikalisch basierten Modellen integriert. Aufgrund dieser Simulationen kann der Einfluss von Klimawandel auf die Grundwasserspeicher und die Reaktion der Einzugsgebiete quantifiziert werden.
Hauptergebnisse
- Alpine Grundwasserspeicher in Lockergestein und Festgestein reagieren unterschiedlich auf den Klimawandel. Im Lockergestein ändert sich vor allem die saisonale Dynamik, über das Jahr gesehen bleibt die Menge jedoch gleich. Im Unterschied zu Standorten im Mittelland nimmt die saisonale Grundwasserdynamik in den alpinen Lockergesteinen ab.
- Im alpinen Festgestein können auch langfristig abnehmende Trends in der gespeicherten Grundwassermenge auftreten.
- Trotz der früheren Schneeschmelze und der höheren Evapotranspiration im Sommer bleibt die gespeicherte Grundwassermenge und die Abflussrate in alpinen Gebieten im Sommer bedeutend höher als im Winter. Ausgedehnte Lockergesteinsablagerungen haben eine ausgleichende Wirkung auf den Abfluss, da sie saisonal grössere Mengen an Grundwasser speichern und wieder freisetzen können.
Wasserspeicher
Können natürliche Seen und künstliche Reservoire zur Bewältigung von Sommerwasserknappheit beitragen?
Vorgehen
Mit dem hydrologischen Modell PREVAH-WSL wurden hydrologische Szenarien für die gesamte Schweiz berechnet, wofür acht Klimamodellketten mit Klimaschutz (RCP2.6) und 18 Klimamodellketten ohne Klimaschutz (RCP8.5) verwendet wurden. Basierend auf diesen Ergebnissen können die Veränderungen des gesamten Wasserdargebots in der Schweiz ermittelt werden. Zudem wurde der zukünftige Wasserbedarf auf Grundlage der hydrologischen Szenarien abgeschätzt.
Hauptergebnisse
- Bei künstlichen Reservoiren ist fast die gesamte Speicherkapazität auch tatsächlich nutzbar, heute jedoch in der Regel für die Wasserkraftproduktion reserviert. Bei den natürlichen Seen ist nur ein geringer Teil nachhaltig nutzbar, da ein Mindestwasserstand nicht unterschritten werden darf. Bei allen Seen müssen auch Mindestabflüsse in das unterliegende Gewässer beachtet werden.
- Sommerwasserknappheit ist v. a. im Mittelland und nur bedingt in alpinen Regionen zu erwarten. Die künstlichen Reservoire liegen vor allem in den Alpen, weit entfernt von den Gebieten mit potenziellem Wassermangel. Deshalb ist der mögliche Beitrag alpiner Stauseen zur Verringerung von Sommerwasserknappheit im Mittelland eher gering. Ein grösseres Potenzial hätten lokale Speicher, für welche jedoch im Mittelland in der Regel der Platz fehlt.
Einfluss des Klimawandels auf die Temperaturen von Fliessgewässern und Seen
Wie entwickeln sich die Wassertemperaturen der Schweizer Fliessgewässer und Seen in Zukunft?
Vorgehen
Mit den Modellen Snowpack/Alpine3D und StreamFlow wurden Temperaturszenarien für sechs Fliessgewässer im Schweizer Mittelland (Birs, Broye, Eulach Ergolz, Rietholzbach und Suze) und vier in den Alpen (Inn, Kander, Landwasser, Lonza) beispielhaft berechnet. Aufgrund der langen Rechenzeiten konnten sieben RCP8.5- und vier RCP2.6-Klimaprojektionen für eine verkürzte Referenzperiode (1990-2000) sowie zwei Zehnjahresperioden (2055-2065 und 2080-2090) in der Zukunft betrachtet werden. Die Temperaturen und Mischungsprozesse in 29 Seen wurden mit dem eindimensionalen physikalischen Seemodell Simstrat kontinuierlich für die Jahre 1981 bis 2099 für die drei Szenarien mit konsequentem Klimaschutz (RCP2.6), mittlerem Klimaschutz (RCP4.5) und ohne Klimaschutz (RCP8.5) berechnet. Die ausgewählten Seen decken den Höhenbereich von 200 m ü.M. bis 1800 m ü.M. ab und umfassen Seen mit Volumen von 0,004 bis 89 km3.
Temperaturentwicklung Schweizer Lockergesteins-Grundwasservorkommen
Welches sind die wichtigsten Einflussfaktoren auf die Temperaturentwicklung von Grundwasservorkommen und wie entwickelt sich die Grundwassertemperatur in Zukunft?
Vorgehen
Für 35 Grundwasserleiter in fünf Regionen in der Schweiz (Basel-Stadt, Basel-Landschaft, Biel, Winterthur und Davos) wurden die Auswirkungen des Klimawandels auf die Grundwasserneubildung und die Temperatur genauer untersucht und repräsentative Schlüsselparameter abgeleitet (z. B. Aquifergeometrien, Speichereigenschaften, Grundwassererneuerungsraten und -verweilzeiten). Einerseits wurde mit zeitlich und räumlich hochaufgelösten 3D-Wärmetransportmodellen Grundwasservorkommen im urbanen Raum modelliert. Andererseits wurde in Kooperation mit der EPFL und dem Modell Alpine3 D die Niederschlags- und Abflussentwicklung sowie die Entwicklung der Temperaturen für die drei Emissionsszenarien konsequenter Klimaschutz (RCP2.6), mittlerer Klimaschutz (RCP4.5) sowie ohne Klimaschutz (RCP8.5) für die 35 Grundwasserleiter evaluiert. Die Auswertungen ermöglichten es, die Sensitivität von Grundwassertemperaturen in Zusammenhang mit den wesentlichen Grundwasserneubildungsprozessen für unterschiedliche Emissionsszenarien der Zukunft zu beschreiben.
Hauptergebnisse
- Auswirkungen auf die Grundwassertemperaturen hängen vor allem mit saisonalen Verschiebungen der Grundwasserneubildung zusammen. So geht eine Verlagerung von Niederschlags- und Hochwasserereignissen vom Sommer in die Wintermonate einher mit einer Zunahme der Grundwasserneubildung in vergleichsweise «kühlen» Jahreszeiten.
- Bei urbanen und flachgründigen Grundwasservorkommen mit geringen Mächtigkeiten, wie z. B. in Davos, ist damit zu rechnen, dass die Grundwassertemperaturen stärker beeinflusst werden. Dagegen sind Veränderungen der Grundwassertemperaturen bei tiefgründigen Grundwasserressourcen, wie z. B. in Biel, oder teilweise grossen Flurabständen, wie z. B. Winterthur, nur stark gedämpft und über lange Beobachtungszeiträume zu erwarten.
Letzte Änderung 16.03.2021