Modellierung Des Wasserhaushalts Von Vier Kalkalpinen Einzugsgebieten Fur¨ Verschiedene Klimaszenarien
Total Page:16
File Type:pdf, Size:1020Kb
Modellierung des Wasserhaushalts von vier kalkalpinen Einzugsgebieten furÄ verschiedene Klimaszenarien Diplomarbeit eingereicht am Institut furÄ Meteorologie und Geophysik, Leopold{Franzens{UniversitatÄ Innsbruck zur Erlangung des akademischen Grades Magister der Naturwissenschaften von Andreas Meinga¼ner Februar 2008 i UberblickÄ In der vorliegenden Arbeit wird die SensibilitÄat des Abflussverhaltens verschiede- ner FlusseÄ in Kalksteingebieten furÄ unterschiedliche Klimaszenarien untersucht. Mit Hilfe des von M. Kuhn am Institut furÄ Meteorologie und Geophysik Innsbruck entwi- ckelten Abflussmodells OEZ (OsterreichischeÄ Einzugsgebiete) werden verschiedene Szenarien furÄ Temperatur- und NiederschlagsÄanderungen berechnet. Das Modell OEZ arbeitet mit klimatologischen Mittelwerten von Abfluss, Tempera- tur und Niederschlag. Es verfugtÄ uberÄ eine zeitliche AuflÄosung in Monatsschritte und eine rÄaumliche Unterteilung in 100-m-HÄohenintervalle. Die in dieser Arbeit unter- suchten Einzugsgebiete beschrÄanken sich auf den Äostlichen Teil Vorarlbergs und den Nordtiroler Raum. Im Detail handelt es sich um die FlusseÄ Lech, Isar und den Obern- berger Seebach mit den dazugehÄorigen Pegelstationen Steeg beziehungsweise Lech (Tannbergbrucke),Ä Scharnitz (Weidach) und Gries am Brenner. Zur Bestimmung der klimatologischen Mittelwerte der monatlichen Abflussmengen dienen Messzeitreihen zwischen 1961 und 2005, zur VerfugungÄ gestellt vom Hydrographischen Dienst Tirol beziehungsweise Vorarlberg. ZunÄachst liegt das Ziel darin, das Modell mit monatlichen Klimadurchschnittswerten von Temperatur, Temperaturgradient, Niederschlag, Niederschlagsgradient, Schnee- bedeckung, Gradtagfaktoren, Gletscher-Massenbilanzwerten, FlussigspeicherwertenÄ und einer FlÄachen-HÄohen-Verteilung des Einzugsgebietes so einzustellen, dass der mit dem OEZ berechnete Abfluss an der jeweiligen Pegelstation um maximal plus/minus 20 Millimeter vom gemessenen klimatologischen monatlichen Abfluss- mittelwert der Messperiode abweicht. Nach erfolgreicher Kalibrierung furÄ das jewei- lige Gebiet werden Szenarien furÄ eine monatliche Temperaturzunahme bis maximal drei Grad Celsius und eine NiederschlagsvariabilitÄat von plus/minus 20 Prozent der derzeitigen Werte durchlaufen. Ein jahreszeitlich unterschiedliches Klimaszenario aus einer Kombination zwischen Niederschlags- und TemperaturÄanderung rundet diese Arbeit ab. ii Abstract This thesis deals with the sensibility of runo® habits of various rivers corresponding to di®erent climate scenarios. All the rivers investigated are located in regions with limestone. Based on the runo® model OEZ (OsterreichischeÄ Einzugsgebiete), deve- loped by M. Kuhn, professor at the Institute of Meteorology and Geophysics at the University of Innsbruck (Austria), various scenarios of change in temperature and precipitation will be investigated. Climatologically mean values of runo®, temperature and precipitation are three im- portant input parameters for the model OEZ. Calculations are made for a time step of months. The spatial resolution constitutes vertical height intervals of 100 meters. The catchment areas, which are investigated in this thesis, are situated in the east part of Vorarlberg and the northern part of Tirol, Austria. In detail the rivers Lech, Isar and Obernberger Seebach with the corresponding gauging stations Steeg and Lech (Tannbergbrucke),Ä Scharnitz (Weidach), Gries am Brenner are concerned. To determine the climatologically mean values of the monthly runo® amount we use long-time measurements of the period between 1961 and 2005. These datasets are provided by Hydrographischer Dienst Tirol and Vorarlberg. In the beginning it is the goal to simulate the measured runo® by calibrating the mean climate values of temperature, temperature gradient, precipitation, precipi- tation gradient, snow cover, degree day factor, glacier mass balance, liquid storage values and altitude-area distribution of the catchment area. The criteria of this cal- culation is, that the calculated runo® may not di®er more than +/-20 mm from the measured, climatologically, monthly runo® of the long-time measurements. Being successful in this task, we can start to simulate climate scenarios of warming up to plus three degree Celsius and scenarios with a precipitation variability of plus or minus 20 percent of actual mean values. A combination of precipitation and tempe- rature scenario for summer and winter season closes this work. Inhaltsverzeichnis UberblickÄ i Abstract ii Inhaltsverzeichnis iv 1 Einleitung 1 1.1 Aufgabenstellung ............................ 1 1.2 Aufbau der Arbeit ........................... 2 2 Die Einzugsgebiete 3 2.1 Obernberger Tal ............................ 4 2.2 Gebiet Scharnitz ............................ 5 2.3 Gebiet Steeg .............................. 6 2.4 Gebiet Tannberg ............................ 7 3 Daten 10 3.1 Datenbescha®ung ........................... 10 3.1.1 Temperaturdaten ......................... 10 3.1.2 Niederschlagsdaten ........................ 11 3.1.3 Winddaten ............................ 12 3.1.4 Abflussdaten ............................ 12 3.1.5 Pegelstationsdaten ........................ 13 3.1.6 GelÄandedaten ........................... 13 3.2 Aufarbeitung der Daten ....................... 13 3.2.1 Temperaturdaten ......................... 14 3.2.2 Niederschlagsdaten ........................ 14 3.2.3 Abflussdaten ............................ 16 3.2.4 GelÄandedaten ........................... 16 3.3 Dateninput ............................... 18 3.3.1 Obernberger Tal .......................... 20 3.3.2 Gebiet Scharnitz ......................... 21 3.3.3 Gebiet Steeg ............................ 21 iv INHALTSVERZEICHNIS v 3.3.4 Gebiet Tannberg ......................... 22 4 Aufbau des hydrologischen Modells 26 4.1 Erste NÄaherung ............................. 27 4.1.1 Verdunstung ............................ 27 4.1.2 Niederschlag ............................ 27 4.1.3 Speicher .............................. 27 4.2 Zweite NÄaherung ............................ 28 4.2.1 Niederschlag ............................ 28 4.2.2 Speicher .............................. 28 4.2.3 Verdunstung ............................ 29 4.3 Dritte NÄaherung ............................ 30 4.3.1 Niederschlag ............................ 30 4.3.2 Speicher .............................. 30 4.3.3 Schneebedeckung ......................... 30 4.3.4 Abfluss ............................... 31 5 SensitivitÄat des Modells 32 5.1 Auswirkungen bei AnderungenÄ der Eingabewerte . 32 5.1.1 Gradtagfaktor ........................... 32 5.1.2 Schneebedeckung ......................... 32 5.1.3 Referenzniederschlag und Niederschlagsgradient . 33 5.1.4 Referenztemperatur und Temperaturgradient . 33 6 Modellergebnisse und Veri¯kation des Klimaszenarienmodells 35 6.1 Ergebnisse der Modellierung .................... 35 6.2 Veri¯kation des Modells furÄ Klimaszenarien . 39 7 Modellierung der Klimaszenarien 43 7.1 GanzjÄahrige Klimaszenarien ..................... 43 7.1.1 Niederschlagsszenario ohne TemperaturÄanderung . 43 7.1.2 Temperaturszenario ohne NiederschlagsÄanderung . 46 7.2 Jahreszeitlich verschiedene Klimaszenarien . 48 7.2.1 Niederschlagsszenario ohne TemperaturÄanderung . 49 7.2.2 Temperaturszenario ohne NiederschlagsÄanderung . 51 7.2.3 Temperatur- und Niederschlagsszenario kombiniert . 54 7.3 AnderungÄ der Schneedecke und Verdunstung beim Eintreten des kombinierten Niederschlag- und Temperaturszenarios . 56 8 Schlussfolgerungen 60 INHALTSVERZEICHNIS vi A Stammdaten der Pegelstationen 62 B FlÄachen-HÄohen-Verteilungen der Gebiete 66 C Parameter und berechnete Wasserhaushaltskomponenten der verschiedenen Szenarien 67 Literatur 76 Danksagung 77 Lebenslauf 78 1 Kapitel 1 Einleitung 1.1 Aufgabenstellung Der grÄo¼te Teil (knapp unter 60 Prozent) elektrischer Energie in OsterreichÄ wird aus Wasserkraft gewonnen. Flusskraftwerke haben einen wesentlichen Anteil an der Gewinnung von Strom durch Wasser. Gerade deswegen ist es in Zeiten der globalen ErwÄarmung von allgemeinem Interesse der Energiewirtschaft, wie sich das Abfluss- verhalten von FlussenÄ bei geÄanderten klimatischen Bedingungen entwickelt. Diese Faktoren geben einen wesentlichen Ansto¼ furÄ die Fortsetzung der vom Institut furÄ Meteorologie und Geophysik in Innsbruck unter der Leitung von Prof. Michael Kuhn durchgefuhrtenÄ Untersuchungen. Ziel dieser Diplomarbeit ist es, mit Hilfe des hydrologischen Modells OEZ (OsterreichischeÄ Einzugsgebiete) das Abflussverhalten vier nicht vergletscherter Ein- zugsgebiete zu untersuchen. Das OEZ-Modell ist ursprunglichÄ mit dem Programm Excel erstellt worden, wurde aber von Mag. Marc Olefs am Institut furÄ Meteorologie und Geophysik der UniversitÄat Innsbruck in eine Matlabversion umgeschrieben. Die Berechnungen furÄ die in dieser Arbeit untersuchten Gebiete wurden allesamt mit dem Matlabprogramm durchgefuhrt.Ä Die Richtigkeit der Matlabversion wurde in ei- nem Vergleich der Ergebnisse von Matlab- und Excelversion mit den Daten aus dem Obernberger Tal uberprÄ uft.Ä Bei den Berechnungen wird eine vertikale AuflÄosung des GelÄandemodells von 100 Metern verwendet. Im ersten Schritt auf dem Weg zu den Modellergebnissen ist es nÄotig, die rich- tigen klimatologischen Eingabevariablen zu bestimmen. Ein Mittelwert mehrerer Stationen uberÄ den Zeitraum zwischen 1961 und 2005 soll den Anhaltspunkt furÄ Niederschlag und Temperatur geben. Nach der AnnÄaherung des modellierten an den gemessenen Abfluss mit einer erlaubten Di®erenz von plus/minus 20 mm in jedem Monat kann