Modellierung Des Abflusses Der Ahr Im Tauferer Ahrntal Für
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Modellierung des Abflusses der Ahr im Tauferer Ahrntal fur¨ verschiedene Klimaszenarien Eine Diplomarbeit eingereicht am Institut fur¨ Meteorologie und Geophysik Leopold - Franzens - Universitat,¨ Innsbruck zur Erlangung des akademischen Grades Magister der Naturwissenschaften von Lukas Rastner April 2008 Uberblick¨ In dieser Arbeit wurde das hydrometeorologische Modell OEZ (Osterreichische¨ Einzugsgebiete), das am Institut fur¨ Meteorologie und Geophysik der Universit¨at Innsbruck entwickelt wurde, auf das Tauferer Ahrntal in Sudtirol¨ angewendet. Dabei wurde das Tauferer Ahrntal aufgrund der vier vorhandenen Pegelmessstationen in vier verschieden große Einzugsgebiete unterteilt. Das Einzugsgebiet St. Georgen ist mit 607 km2 das gr¨oßte und beinhaltet die drei kleineren Einzugsgebiete Kematen (419 km2), Steinhaus (148 km2) und Rein. Das kleinste, am h¨ochsten gelegene und am st¨arksten vergletscherte Einzugsgebiet ist Rein mit 91 km2. Dieses klimatologische Modell, mit einer zeitlichen Aufl¨osung von einem Monat und einer r¨aumlichen von 100 m H¨ohenintervallen, wurde anfangs mit den klimato- logischen Werten (Zeitraum 1986 - 2006) von Temperatur, Niederschlag, und den davon abgeleiteten Gr¨oßen wie Temperatur- und Niederschlagsgradient kalibriert, bevor dann der Abfluss fur¨ verschiedene Klimaszenarien modelliert wurde. Dabei wurden Szenarien mit reiner Temperaturerh¨ohung (+1◦C, +2◦C, +3◦C) aber auch Szenarien mit reiner Niederschlags¨anderung um + - 20 % modelliert. Da sich eine Klima¨anderung aber sicher nicht in einer reinen Temperatur- bzw. Niederschlags¨anderung ¨außern wird, wurde ein Szenario modelliert, in dem sowohl Temperatur- und Niederschlags¨anderungen gleichzeitig auftreten. Die Werte dafur¨ wurden vom Buch ”Klima¨anderung und die Schweiz - Erwartete Auswirkungen auf Umwelt, Gesellschaft und Wirtschaft”ubernommen.¨ Die Ergebnisse sind je nach Szenario sehr unterschiedlich, zeigen beim interessan- testen und realistischsten Szenario, in dem sowohl Temperatur und Niederschlag ge¨andert wurden, dass der Gesamtabfluss kleiner wird, vor allem im Sommer, und dass in den Monaten April und Mai viel h¨ohere Abflusswerte auftreten werden als zur Zeit. Alle Modellierungen wurden mit den Gletscherfl¨achen der Ausgangsmodellierung gerechnet. Verkleinert man die Gletscherfl¨achen, so sieht man die große Wichtigkeit der Gletscher fur¨ alpine Einzugsgebiete deutlich, da Gletscher in den Monaten Juli, August und September einen großen Teil zum Abfluss beitragen. i Abstract In this thesis the hydrometeorological model OEZ (Osterreichische¨ Einzugsgebiete, engl.: austrian basins), developed at the institute of Meteorology and Geophysics, University of Innsbruck, was used for runoff modeling in the South Tyrolean Tau- ” ferer Ahrntal“. With four runoff measurement stations in the valley, four basins were defined. The basin of St. Georgen, with 607 km2 the biggest of the four basins, includes the three smaller basins of Kematen (419 km2), Steinhaus (148 km2) and Rein. The smallest, but highest basin Rein (91 km2) also has the greatest glacier cover. This climatological model, with monthly time steps and 100 m altitude intervals, was initially calibrated using the climatological values (1986 - 2006) of temperature and precipitation and their derived parameters such as temperature and precipitation gradient, before the runoff was modeled for different climatic scenarios. In doing so scenarios with a pure temperature rise (+1◦C, +2◦C, +3◦C) but also with a pure pre- cipitation change (+ - 20 %) were modeled. But since climate change won‘t appear only in a pure change of temperature or precipitation, a scenario was calculated in which changes in temperature as well as precipitation occur. The values were taken from the book ”Klima¨anderung und die Schweiz - Erwartete Auswirkungen auf Umwelt, Gesellschaft und Wirtschaft”, engl.: ”Climate change and Switzerland - Expected impacts on nature, society and economy”. The results, strongly dependent on the scenario, show from the most realistic and most interesting scenario, in which both temperature and precipitation change, that compared to now the total runoff will decrease, primarly during summer, and that during April and May higher runoff will occur. All model runs were calculated with the glacier cover of the initial model. A de- crease of the glacier area shows clearly the great importance of glaciers in alpine catchments, because glaciers make a large contribution to the runoff in the months July, August and September. ii Riassunto In questa tesi il modello idrometeorologico OEZ (Osterreichische¨ Einzugsgebiete, ital.: bacini austriaci) sviluppato presso l’Istituto di Meteorologia e Geofisica dell’Universit`adi Innsbruck, viene applicato alla valle Aurina in Alto Adige che ´e stata suddivisa in quattro bacini di diversa grandezza in base alle quattro stazioni idrometriche esistenti. Il bacino di S. Giorgio con 607 km2 ´eil pi`uesteso e comprende i tre bacini minori di Caminata (419 km2), Cadipietra (148 km2) e Riva di Tures. Il bacino pi`ualto e pi`upiccolo, ma con l’area ghiacciata pi`ugrande e’ quello di Riva di Tures (91 km2). Questo modello climatologico, con una risoluzione temporale di un mese e di 100 metri di altezza, inizialmente ´estato calibrato con i valori climatici (periodo 1986 - 2006) della temperatura e della precipitazione e dei relativi parametri dedotti come i gradienti della temperatura e della precipitazione, per poi modellare il deflusso per differenti scenari climatici. Oltre a ci`osono stati modellati scenari con un aumento netto della temperatura (+1◦C, +2◦C, +3◦C) ma anche con una variazione netta delle precipitazioni intorno ai + - 20 %. Dato che una variazione climatica certamente non si manifester`acon una pura variazione di temperatura o precipitazione `estato modellato uno scenario per l’anno 2050 in cui compaiono con- temporaneamente variazioni di temperatura e precipitazione. Scenario per il quale sono stati estratti i valori dal libro ”Klima¨anderung und die Schweiz - Erwartete Auswirkungen auf Umwelt, Gesellschaft und Wirtschaft, ital.: mutamento climatico e la Svizzera - conseguenze per l’ambiente, la societ`ae l’economia”. I risultati variano secondo i diversi scenari dimostrano per`onettamente per lo scenario pi`uinteressante ed realistico, cio`equello dell’anno 2050, una diminuzione complessiva del deflusso, soprattutto durante l’estate, e un deflusso nei mesi di aprile e maggio notevolmente superiore ai valori attuali. Tutte le modellazioni sono state elaborate con le superfici dei ghiacciai delle modellazioni di base. Se si diminuisce l’area dei ghiacciai si nota chiaramente l’importanza di essi per i bacini alpini, perch´econtribuiscono in gran parte al deflusso nei mesi di luglio, agosto e settembre. iii Inhaltsverzeichnis Uberblick¨ i Abstract ii Riassunto iii Inhaltsverzeichnis iv 1 Einleitung 1 1.1 MotivationundZielsetzung . 1 1.2 AufbauderArbeit ............................ 1 2 Das Einzugsgebiet 3 2.1 DasTaufererAhrntal........................... 3 2.1.1 Geographie ............................ 5 2.1.2 Klimatologie und synoptische Besonderheiten . 7 3 Datenarten, Datenverwendung 16 3.1 Datenarten ................................ 16 3.1.1 Pegelstationsdaten . 16 3.1.2 Wetterstationsdaten . 16 3.1.3 Digitale geographische Daten . 18 3.1.4 Massenbilanzdaten . 19 3.2 Dateninput ................................ 22 3.2.1 Abfluss............................... 22 3.2.2 Speicherterm ........................... 22 3.2.3 Schneebedeckung . 22 3.2.4 Niederschlag und Niederschlagsgradient . 22 3.2.5 Fl¨achen - H¨ohenverteilung . 23 3.2.6 Temperatur und Temperaturgradient . 23 3.2.7 Verdunstung............................ 23 3.2.8 FlussigerSpeicher.........................¨ 24 3.2.9 Gradtagfaktor........................... 24 iv INHALTSVERZEICHNIS v 3.2.10 Umverteilungsfaktor . 24 4 Das hydrometeorologische Modell OEZ 26 4.1 ErsteArbeitsschritte ........................... 26 4.2 Programmteil ............................... 28 4.2.1 1. N¨aherung............................ 28 4.2.2 2. N¨aherung............................ 28 4.2.3 3. N¨aherung............................ 31 4.3 Empfindlichkeit .............................. 33 4.3.1 AnderungdesGradtagfaktors¨ . 33 4.3.2 AnderungderSchneebedeckung¨ . 34 4.3.3 Anderung¨ des Niederschlagsgradienten . 34 4.3.4 AnderungdesTemperaturgradienten¨ . 34 4.3.5 Anderung¨ des Umverteilungsfaktors . 35 5 Modellierung 36 5.1 Vorgehensweise bei der Modellierung . 36 5.1.1 Modellierung fur¨ verschiedene Klimaszenarien . 37 5.2 Eingabewerte furdievierEinzugsgebiete¨ . 37 5.2.1 Einzugsgebiet St. Georgen . 37 5.2.2 Einzugsgebiet Kematen . 38 5.2.3 EinzugsgebietSteinhaus . 39 5.2.4 Einzugsgebiet Rein . 40 6 Ergebnisse 41 6.1 ModellierungderAusgangslage . 41 6.1.1 Einzugsgebiet St. Georgen . 41 6.1.2 Einzugsgebiet Kematen . 50 6.1.3 EinzugsgebietSteinhaus . 51 6.1.4 Einzugsgebiet Rein . 54 6.2 Modellierung fur¨ verschiedene Klimaszenarien . 56 6.2.1 Temperaturzunahme . 56 6.2.2 Niederschlags¨anderung+-20%................. 62 6.2.3 ModellierungohneGletscher . 66 6.2.4 Kombination von Temperatur und Niederschlags¨anderung - Klimaszenario 2050“....................... 68 ” 6.2.5 Klimaszenario 2050“ mit Reduzierung der Gletscherfl¨achen . 71 ” 7 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen 74 Literaturverzeichnis 77 INHALTSVERZEICHNIS vi Danksagung 79 Kapitel 1 Einleitung 1.1 Motivation und Zielsetzung Der Wasserkreislauf mag auf den ersten Blick einfach und unkompliziert scheinen und durch Niederschlag, Verdunstung, Abfluss und Speicherung einfach zu