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Vorhersage und Szenarien von Schnee- und Wasserressourcen im Alpenraum

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Vorhersage und Szenarien von Schnee- und Wasserressourcen im Alpenraum

Massimiliano Zappa, Luzi Bernhard, Felix Fundel und Stefanie Jörg-Hess

WSL Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL, Zürcherstrasse 111, CH-8903 Birmensdorf massimiliano.zappa@wsl.ch

In den Schweizer Alpen entspringen bedeutende Flüsse Europas. Das natürliche Wasservorkommen und der Schnee im Winterhalbjahr sind wichtige Ressourcen für viele Wirtschaftssektoren und ermöglichen einen Lebensstandard, in welchem Wasserknappheit eine marginale Sorge darstellt. Für eine optimale Nutzung die- ser Ressourcen müssen wir in der Lage sein, ihre Verfügbarkeit zu quantifizieren.

Die WSL verwendet gekoppelte hydrologische und meteorologische Modellan- sätze zur Vorhersage der räumlichen und zeitlichen Verfügbarkeit von Wasser- ressourcen im Alpenraum. Der Fokus liegt auf der operationellen Vorhersage von kritischen Wasserdefiziten und auf der Erarbeitung von Klimafolgeszenarien.

Unsere Erkenntnisse dienen dem verbesserten Umgang mit der Ressource Wasser in der Gegenwart und der Planung von länderübergreifenden Adaptationsstrate- gien in der Zukunft.

1 Einleitung

Die Landschaft der Schweiz wurde in den letzten Jahrtausenden stark durch Flüsse aus den grössten Einzugsgebie- ten der Alpen geprägt und gestaltet.

Das Gotthardmassiv ist das Quellge- biet einiger der bedeutendsten Flüsse Europas: des Rheins, der Rhône und des Ticino, welcher in den Po mündet.

Der Inn ist ein Teileinzugsgebiet der Donau.

Fliessendes Wasser ist in der Schweiz von grösster Bedeutung. Der Rhein ist ein zentraler Transportweg für die Ver- sorgung unseres Landes mit Gütern aller Art. Neben der Schifffahrt gibt es weitere Sektoren unserer Wirt- schaft, welche zunehmend Interessen an der aktuellen und künftigen räum- lichen und zeitlichen Verfügbarkeit der Ressource Wasser haben. Man denke an die Wasserwirtschaft, die Fischerei und an die Landwirtschaft (kruse et al. 2010). Auch die Behörden und die Bundesverwaltung haben für die Pla- nung des künftigen Umwelt-Manage- ments hohen Bedarf an fundierten Kenntnissen über die Ressource Was- ser (LeiBundgut 2010; Adapt Alp 2011). Es geht dabei zum Beispiel um die Bereitstellung von Trinkwasser, die Planung von Bewässerungsstrategien,

den Umgang mit Naturgefahren oder um die Bestimmung von Restwasser- mengen.

Darum wurden in den letzten Jahren mehrere interdisziplinäre Projekte mit dem Ziel lanciert, den Umgang mit der Ressource Wasser zu untersuchen und die möglichen Klimafolgen auf den gesamten hydrologischen Kreislauf zu quantifizieren (BAFU 2012; SGHL und CHY 2011; CHR 2010).

Parallel haben die jüngsten hydro- logischen und meteorologischen Extr- emereignisse wie das August-Hoch- wasser 2005 (BezzoLa und hegg 2008) und die Hitzewelle 2003 (BAFU, BWG und MeteoSchweiz 2004) dazu geführt, dass die Früherkennung einer kriti- schen Abweichung in der Verfügbar- keit von Wasser gefragter wurde. Die Ansätze zur Deckung dieses Bedarfs beruhen auf der Erweiterung des Zeit- horizontes von hydrologischen und meteorlogischen Vorhersagen (zap-

pa et al. 2008; zappa und Vogt 2007) und auf der laufenden Beurteilung der Ressourcen im jeweiligen Einzugsge- biet, indem aktuelle Messungen von Abfluss und Schnee mit den langjähri- gen Erfahrungswerten verglichen wer- den (z. B. Jonas in diesem Band).

Zur Beantwortung dieser zentra- len Fragen wurden hydrologische und

meteorologische Modelle der räumli- chen und zeitlichen Verfügbarkeit von Wasserressourcen im Alpenraum ent- wickelt. Unser primärer Fokus liegt auf der operationellen Vorhersage von kritischen Wasserdefiziten (seneVi-

ratne et al. 2009) und der Erarbeitung von Zukunftsszenarien unter Einbe- zug des sich verändernden Klimas und der Kryosphäre (Bernhard und zappa

2012).

2 Wasserressourcen der Schweiz

Unter Verwendung der gemessenen mittleren Jahresabflüsse haben huBa-

Cher und sChädLer (2010) den Was- serhaushalt der Schweiz für die Perio- de 1901 bis 2000 ermittelt. Dabei ergab sich, dass rund zwei Drittel (981 mm) des Jahresniederschlages von 1431 mm aus der Schweiz abfliesst. Die Spei- cherverluste (vor allem durch die Glet- scherschmelze) betragen rund 14 mm pro Jahr. Demzufolge verdunsten rund 464 mm pro Jahr.

Um Aussagen für die unterschied- lichen Regionen der Schweiz zu erar- beiten, können räumlich und zeitlich hochaufgelöste hydrologische Modelle beigezogen werden.

Solche Modelle assimilieren digitale Informationen zum Gelände, zur Land- nutzung und zu den Bodeneigenschaf- ten und damit alle nötigen Grundlagen, um die klein-räumliche Variabilität der hydrologischen Prozesse mit physika- lisch begründeten und/oder konzepti- onell gestalteten Ansätzen nachzubil- den.

Die Modellierung der zeitlichen Variabilität des hydrologischen Kreis- laufs wird durch die Assimilation der beobachteten meteorologischen Varia- blen bestimmt. Neben der Lufttempe- ratur und dem Niederschlag benötigen

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Eine räumliche Visualisierung des Wasserhaushaltes (Abb. 1) gibt wei- tere Auskünfte über die räumliche Variabilität des natürlichen hydrologi- schen Geschehens in der Schweiz. Die grössten Niederschlagsmengen fallen in den Gipfelregionen der Grossein- zugsgebiete der Limmat, der Reuss und des Ticino. Die höchsten Verduns- tungsmengen entstehen wie erwartet in der Grossebene des Mittellandes und von den freien Wasserflächen der Seen. Die räumliche Variabilität des Schneeschmelzanteils am Gesamtab- fluss wird mehrheitlich durch die topo- graphischen Verhältnisse der Schweiz vorgegeben. Die Schneeschmelze ist im Wallis, am Alpenrhein sowie im Engadin die dominante Komponente des Abflussgeschehens. Die räumliche Variabilität des natürlichen Abflusses widerspiegelt diejenige des Nieder- schlages.

licht hat. Zu den Ergebnissen (http://

hydro.slf.ch/sihl/cchydro) gehören Ras- terkarten der Wasserhaushaltsgrössen (Abb. 1) und integrale Auswertungen der Wasserhaushaltskomponenten in den bedeutendsten Grosseinzugsgebie- ten der Schweiz.

In Tabelle 1 sind die Berechnun- gen zum natürlichen Wasserhaushalt der Schweiz nach Grosseinzugsge- bieten und Parameter (Niederschlag, Verdunstung, Abfluss, Anteil Glet- scherschmelze, Anteil Schneeschmelze sowie die Speicheränderung) aufgelis- tet. Eindrücklich ist der grosse Beitrag der Schneeschmelze zum Gesamtab- fluss (schweizweit rund 42 %; Mit- telland etwa 20 %; Gebirgsregionen über 60 %). Der Anteil der Gletscher- schmelze am gesamten Abfluss hinge- gen ist für die Kontrollperiode in den meisten Regionen klein, jedoch im Wallis und Engadin von hoher Bedeu- tung (Bernhard und zappa 2012).

komplexere hydrologische Modelle zudem Daten zur Windgeschwindig- keit, Luftfeuchte, Sonnenscheindauer und Globalstrahlung.

Für solche Forschungsfragen ent- wickelten WSL, ETH und UNI Bern das Modell PREVAH (ViViroLi et al.

2008; pFaundLer und zappa 2006; ViVi-

roLi et al. 2009). Mit diesem Modell wurde im Rahmen des vom Bundes- amt für Umwelt koordinierten Pro- jektes CCHYDRO (BAFU 2012) eine Simulation des Wasserhaushalts für die gesamte hydrologische Schweiz (Abb. 1) in einer räumlichen Auflösung von 200 × 200 Metern für die Perio- de 1980 bis 2009 realisiert, verifiziert und analysiert (Bernhard und zappa

2012).

Dies ist die erste Untersuchung, wel- che sich explizit über die Grenzen der politischen Schweiz ausdehnt und kon- sistente Berechnungen für alle Gros- seinzugsgebiete der Schweiz ermög-

Abb. 1. Rasterkarten zum natürlichen Wasserhaushalt der Schweiz für die Periode 1980 – 2009. Oben links: gemessener und räumlich inter- polierter Niederschlag [mm/Jahr]; oben rechts: simulierte reale Verdunstung [mm/Jahr]; unten links: simulierter Gesamtabfluss [mm/Jahr];

unten rechts: simulierte Schneeschmelze [mm/Jahr]. Blaue Töne deuten auf niedrige Werte, rote Töne auf hohe Werte hin.

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beiden Zukunftsszenarien ausgehend vom Zustand von 1985 mit einem Modell von pauL et al. (2007) in 5-Jah- res-Schritten nach und nach reduziert.

Das Modell basiert auf der einfachen Annahme, dass die Gleichgewichtslinie der Gletscher entsprechend der Luft- temperaturerhöhung ansteigt. Dadurch wird das Akkumulationsgebiet des Gletschers kleiner. Die Ausdehnung der Gletscher wurde transient im hyd- rologischen Modell aktualisiert.

3.2 Ergebnisse

Tabelle 2 fasst die Berechnungen für die Kontrollperiode 1980 bis 2009 sowie die zu erwartenden Änderun- gen des Wasserhaushaltes der Schweiz für die beiden Szenarioperioden (2021 bis 2050 und 2070 bis 2099) als Mit- tel aller zehn Klimaszenarien zusam- men. Als Jahresmittelwerte betrachtet, fallen die Änderungen der gesamten Abflussmengen sowie der Verdunstung klein aus.

Auffallend ist die starke Abnah- me der mittleren Schneeschmelze. In der ersten Hälfte des laufenden Jahr- hunderts wird die Niederschlagsanteil, welche im Winter in Form von Schnee akkumuliert (und später als Schnee- schmelze zum Abfluss beiträgt) um mehr als 15 Prozent abnehmen. Die- ser Trend wird sich in der zweiten Sze- narioperiode noch massiv verstärken.

Bei ähnlich bleibenden Niederschlags- mengen reduzieren sich die Schneeres- sourcen um mehr als 35 Prozent, dafür wird mehr Regen fallen. Dieser Regen dürfte die Abflüsse im Winterhalbjahr erhöhen (Bernhardund zappa 2012).

Die Auswirkung der einzelnen Sze- narien aus Bosshard et al. (2011) auf die Klimatologie der Tagesmittelwer- te der Schneeressourcen (Abb. 3) zeigt für beide Szenarioperioden einen deut- sis) aufbereitet. Diese Kombinationen

widerspiegeln die Unsicherheits-Band- breite der Klimamodelle bezüglich Temperatur- und Niederschlagsände- rung (stähLi et al. 2011). Da alle weite- ren Klimaparameter in den Zukunftssi- mulationen unverändert übernommen werden, sind Aussagen zu Verände- rungen der potentiellen Verdunstung begrenzt.

Für beide Zukunftsszenarien blieb die Konfiguration des hydrologischen Modells unverändert. Nur die mete- orologischen Daten wurden mit den prognostizierten täglichen Änderun- gen angepasst. Somit entstanden zwei Zeitreihen mit ähnlicher Variabilität wie in der Kontrollperiode 1980 bis 2009, aber mit der erwarteten Band- breite von Änderungssignalen betref- fend Niederschlag und Lufttemperatur.

Dies ist ein limitierender Faktor, vor allem zur Ableitung von Szenarien für Extremereignisse.

Bezüglich der Vergletscherung wur- de die Fläche der Gletscher für die 3 Klimafolgeszenarien für

nahe und ferne Zukunft

3.1 Konfiguration

Für die Beantwortung der Frage «Wie wird sich die Klimaänderung auf die Wasserressourcen der Schweiz auswir- ken?» musste eine ganze Reihe von Modellen konzipiert und realisiert wer- den. Sie basieren auf den aktuellsten Klima- und Gletscherszenarien und einer gezielten Anwendung von PRE- VAH auf die Skala der gesamten hyd- rologischen Schweiz. Abbildung 2 zeigt schematisch, wie für die Berechnung der Klimafolgen auf die Wasserres- sourcen der Schweiz das in Abschnitt 2 beschriebene Experiment durch Assi- milation von Klimaszenarien und Glet- scherschwundszenarien implementiert wurde.

Die Grundlagen für die Ableitung der beiden Klimafolgeszenarien für die Zukunftsperioden 2021 bis 2050 und 2070 bis 2099 wurden im Rahmen des europäischen Projektes ENSEMBLES (Vander Linden und MitCheLL 2009), welche alle vom Emissionsszenario A1B (moderate Erwärmung) ausgehen (CH2011, 2011), geschaffen. Die Ände- rungssignale basieren auf zehn Kombi- nationen von globalen und regionalen Klimamodellen und wurden mit der in Bosshard et al. (2011) beschriebener Methodik (Delta-Change auf Tagesba-

Tab. 1. Natürlicher Wasserhaushalt der Schweiz und ihrer bedeutendsten Grosseinzugsge- biete für die Periode 1980 bis 2009 in Millimeter pro Jahr. P: Niederschlag; R: Abfluss; ET:

Verdunstung; DS: Speicheränderungen; SNOW: Schneeschmelze ( % vom Abfluss); GLAC:

Gletscherschmelze ( %). (Bernhard und zappa 2012).

Grosseinzugsgebiet P R ET DS SNOW GLAC

Aare, Brugg 1337 839 504 –6,3 36,6 % 0,4 %

Reuss 1739 1294 460 –14,8 42,0 % 1,1 %

Limmat 1814 1340 476 –1,1 36,4 % 0,2 %

Alpenrhein 1542 1162 385 –4,9 58,3 % 0,3 %

Aare, Untersiggenthal 1481 996 492 –7,2 37,9 % 0,5 %

Rhein, Rheinfelden 1452 979 479 –4,9 39,2 % 0,4 %

Inn (Engadin) 1089 839 281 –30,7 67,5 % 3,3 %

Lago Maggiore (Ticino) 1658 1245 413 0,1 32,1 % 0,3 %

Rhône 1361 1011 420 –70,1 60,3 % 6,5 %

Hydrologische Schweiz 1415 977 454 –15,4 41,8 % 1,4 %

Abb. 2. Zeitachse Kontrollperiode 1980 bis 2009 (grau, natürliche Variabilität), Szenarien für 2021 bis 2050 (kleine Unterschiede in den 10 Klimaszenarien) und 2070 bis 2099 (grös- sere Unsicherheit der möglichen Klimaentwicklung). Die vertikalen Linien peilen auf die Jahre, in welchen die Gletscherausdehnung transient aktualisiert wurde.

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2011) dabei helfen sollen, frühzeitig kritische Abweichungen der Verfüg- barkeit von Wasserressourcen (Schnee, Grundwasser und Bodenfeuchte) gegenüber den Durchschnittswerten zu erkennen und vorauszusagen. Auch diese Forschungsarbeiten stützen sich auf das in Abschnitt 2 beschriebene Simulationsexperiment für die gesamte hydrologische Schweiz, welches dafür in einen operationellen Datenfluss integriert wurde und Tag für Tag aktua- lisiert werden kann.

Der Datenfluss entspricht dem- jenigen, welchen die WSL im Rah- men der IFKIS-Hydro Projekte für die Kantone Glarus und Zürich rea- lisiert hat (roMang et al. 2011). Das erlaubt operationelle Hochwasservor- hersagen mit einem Zeithorizont von bis zu fünf Tagen (addor et al. 2011).

Für eine Früherkennung und Einord- nung von Wasserressourcenanomalien reicht ein Vorhersagehorizont von fünf Landwasser bei Davos aufzeigt.

4 Hydrologische Vorhersagen Im Rahmen des NFP61 «Nachhaltige Wassernutzung» (LeiBundgut 2010) werden Methoden erarbeitet, welche potentiellen Endnutzern (kruse et al.

lichen Rückgang der Schneeakkumula- tion im Winter. Dies wird sichtbare Fol- gen auf die Abflussregimes mittelgros- ser alpiner Gebiete der Schweiz haben (köpLin et al. 2010). Letztere dürften in der zweiten Szenarioperiode ein früheres und schwächeres saisonales Abflussmaximum aufweisen und dafür höhere Abflussspenden im Winterhab- jahr zur Folge haben, wie Abbildung 4 am Beispiel des Einzugsgebietes der

Tab. 2. Natürlicher Wasserhaushalt der hydrologischen Schweiz für die Kontrollperiode und der beiden Szenarioperioden. P: Niederschlag; ET: Verdunstung; R: Abfluss; SNOW: Schnee- schmelze (Bernhard und zappa 2012).

Periode P ET R SNOW

1980–2009 [mm/Jahr] 1415 454 977 408

2021–2050 [mm/Jahr] 1434 458 988 345

Veränderung [ %] 1,4 % 1,0 % 1,1 % –15,6 %

2070–2099 [mm/Jahr] 1409 457 967 251

Veränderung [ %] –0,4 % 0,7 % –1,1 % -38,6 %

Abb. 3. Projektionen für die Klimatologie der Tagesmittelwerte der Schneespeicherung [mm] für die gesamte Schweiz. In Schwarz die Kon- trollperiode 1981 bis 2010, in Farbe die zehn Klimaszenarien (links: 2021 bis 2050; rechts: 2070 bis 2099)

Abb. 4. Projektionen für die Klimatologie der Tagesmittelwerte des Abflusses [m3s-1] für das Einzugsgebiet der Landwasser (bei Davos). In schwarz die Kontrollperiode 1981 bis 2010, in Farbe die zehn Klimaszenarien (links: 2021 bis 2050; rechts: 2070 bis 2099).

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Zum Zeitpunkt der Initialisierung der Vorhersage (8. September 2012) liegen die errechneten Wasserressour- cen knapp über dem Median (50 % Perzentil) der Modellklimatologie. In den fünf Folgetagen ist die Fortsetzung dieses Trends sehr wahrscheinlich. Nur für den fünften Tag der Vorhersage zei- gen die 16 Varianten eine gewisse Unsi- cherheit betreffend der möglichen Ent- wicklung.

4.3 Langfristvorhersagen

Was sich in der Hochwasserprogno- se gut bewährt hat, muss nicht unbe- dingt auch für die Vorhersage von Was- serressourcen gelten. Falls sich eine ungünstige Situation ankündigt, genügt für die meisten Nutzer eine 5-Tages Prognose bezüglich der Wasserres- sourcen bei weitem nicht, um effekti- ve Massnahmen ergreifen zu können.

Darum prüfen wir neuerdings, ob unse- re Vorhersagen auch mit längerer Vor- laufzeit (z. B. einem Monat) zu realisie- ren sind. Dazu wird aus den aktuellen liert. Eine solche Vorhersage besteht

aus der Kopplung einer bis zur aktu- ellen Stunde nachgeführten Simulation der Hydrologie eines Einzugsgebietes (inkl. Hochwasserdisposition in Form eines gesättigten Bodenspeichers) mit 16 unterschiedlichen Vorhersagen des Wettergeschehens für die kommen- den 120 Stunden, den sogenannten COSMO-LEPS Vorhersagen (zap-

pa et al. 2008; zappa und Vogt 2007).

Für die kurzfristige Einschätzung der wahrscheinlichen Wasserressourcen in der Schweiz wurden die operationel- len Simulationen mit PREVAH und COSMO-LEPS (für Limited Area Ensemble Prediction System) in die im Rahmen von CCHYDRO realisier- ten Modell-Klimatologien der Was- serressourcen der Schweiz eingebettet (Abb. 7).

Im gezeigten Beispiel (Abb. 7) ist zu erkennen, dass die gesamten im Ein- zugsgebiet der Thur mobilisierbaren Wassermengen in den ersten Tagen der Simulation zuerst deutlich gestiegen und in den folgenden Tagen kontinu- ierlich gesunken sind.

Tagen nicht aus. Darum werden derzeit vier unterschiedliche beobachtungs- und modellgestützte Methoden mit Zeithorizonten von bis zu 120 Tagen untersucht. Abbildung 5 zeigt schema- tisch wie drei unterschiedliche, modell- basierte Systeme für die Vorhersage hydrologischer Grössen konfiguriert sind. Die einzelnen Experimente sind in den Unterkapiteln 4.2 bis 4.4 näher erklärt.

4.1 Klimatologische Einordnung Wenn keine operationellen Model- le verfügbar sind, kann man die Was- serressourcen anhand von Messungen, zum Beispiel dem Füllstand eines Stau- sees oder dem Stand eines Grundwas- serpegels, abschätzen.

Am besten kann man einen Mess- wert in Bezug auf eine langjährige homogene Messreihe einordnen. In der Schweiz kann man dank dem Archiv des Bundesamts für Umwelt sehr lan- ge Abflusszeitreihen analysieren (Abb.

6). Auch für Schneeressourcen gibt es Verfahren zur Einordnung der aktu- ellen Schneemengen (Jonas in diesem Band).

4.2 Mittelfristvorhersagen

Seit der Realisierung des MAP D-PHASE Experimentes im Jahr 2007 (zappa und Vogt 2007) haben sich Mittelfristvorhersagen mit Zeithori- zont von 120 Stunden als Standard- methodik zur Früherkennung kriti- scher Hochwassersituationen etab-

Abb. 5. Konfiguration von hydrologischen Vorhersagesystemen mit unterschiedlichem Zeit- horizont. Ausgehend von einer Simulation mit aktuellen Daten können probabilistische Vorhersagen realisiert werden. Das hydrologische Modell kann für die Folgetage mit dem Input von numerischen Wettermodellen oder vergangenen Zeitreihen integriert werden.

Detailangaben sind im Haupttext enthalten.

Abb. 6. Links: Klimatologie (1933–2008, farbige Flächen im Hintergrund) und aktuelle Messung (ausgezogene Linien) des mittleren tägli- chen Abflusses des Rheins bei Rheinfelden. Rechts: Dauer der hydrologischen Trockenheit in Tagen (gemessener Abfluss < saisonales 15%

Quantil) für ausgewählte Einzugsgebiete der Schweiz. Die Karte zeigt die Situation nach der längeren Hitzeperiode im August 2012.

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Anfangsbedingungen eine Langfrist- vorhersage (operationell mit 31 Vari- anten, retrospektiv mit fünf Varianten) gestartet. Die Daten dazu werden vom Europäischen Zentrum für mittelfris- tige Wettervorhersage ECMWF (Pro- dukt VAREPS) zur Verfügung gestellt (Vitart et al. 2008). FundeL et al.

(2012) haben gezeigt, dass Abfluss- vorhersagen im Niedrigwasserbereich (Abfluss kleiner als das 15 %-Perzentil der Modellklimatologie) für die Nutzer einen Mehrwert auch für einen Vorher- sage-Zeitraum von über 20 Tagen auf- weisen. Der Mehrwert der Vorhersage von erhöhten Abflüssen (Abfluss grös- ser als die 85%-Perzentil der Modell- klimatologie) zeigt dagegen eine nied- rige Qualität bereits für Vorhersa- gen mit Zeithorizonten von knapp 10 Tagen.

Abbildung 8 zeigt, dass zudem bes- sere Vorhersagen erzielt werden, wenn die Anfangsbedingungen gut an die reale aktuelle Situation angepasst sind. Im Allgemeinen ist es erfolgver- sprechender, eine Langfristvorhersa- ge für Speicherzustände zu geben, die eine hohe Persistenz und ein langes

Abb. 7. Klimatologie (Tagesmittelwerte von 1980 bis 2009, farbige Flächen im Hintergrund) und aktuelle Simulation (durchgezogenen Linie) sowie Boxplots für 5-Tage Vorhersagen ab 8. September 2012 der gesamten Wasserressourcen im Einzugsgebiet der Thur werden gemeinsam dargestellt.

Abb. 8. Güte (2AFC-Kriterium, gut wenn > 0.5) von Monatsvorhersagen von erhöhten Abflüssen (Q85, >85% Perzentil der Klimatologie, gestrichelte Linien) und Niedrigwasser (Q15, <15% Perzentil der Klimatologie, ausgezogene Linien) mit PREVAH und ECMWF- VAREPS. Die Auswertung wird zudem separat für Fälle mit besseren (dunkelgraue Flä- chen) und schlechteren (hellgraue Flächen) Anfangsbedingungen dargestellt (FundeL et al.

2012).

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Beobachtungen realisierten Vorher- sage, muss zweckmässig früher oder später den Median der Klimatologie erreichen. Je grösser die Abweichung vom Median bei der Initialisierung der Vorhersage, desto länger wird es vor- aussichtlich dauern, bis diese Bedin- gung erfüllt wird. Im in Abbildung 10 gezeigten Beispiel berührt der Medi- an der Projektion den Median der Kli- matologie erst 80 Tage nach dem Start der Simulation. Interpretationsbeispiel:

Das Wasserdefizit dürfte deshalb noch die Bestimmung der in Abschnitt 2

beschriebenen Modellklimatologie benutzt wurde.

Ein solches Modell zeigt zum Bei- spiel, wie schnell sich ein System aus einer aktuell kritischen Situation erho- len könnte. Im Winter 2010/2011 ist wenig Schnee gefallen, und das Früh- jahr 2011 war sehr trocken. Im Ein- zugsgebiet der Thur entstand ein Defi- zit in den Wasserressourcen von über 100 mm (Abb. 10). Der Median, der unter Verwendung von vergangenen Gedächtnis aufweisen. Dies gilt zum

Beipsiel für den Grundwasserspeicher, die Bodenfeuchte und die Schneeres- sourcen.

In Abbildung 9 ist eine retrospek- tive Vorhersage für eine Niedrigwas- serperiode im August 2003 dargestellt.

Der Rhein in Neuhausen wies anfangs August 2003 bereits eine niedrige Wasserführung auf. Die fünf berech- neten Vorhersagen für den Folgemo- nat ergaben kein Zeichen, dass sich die Abflussspenden bei diesem für die Rheinschifffahrt sehr wichtigen Kont- rollpunkt erholen würden. Solche Vor- hersagen dürften von Nutzen sein, um beispielsweise die Lademengen der Frachtschiffe zu dimensionieren.

4.4 Klimatologische Vorhersagen Eine weitere Variante zur langfristigen Einschätzung der Wasserressourcen ist die Verwendung von klimabasierten Vorhersagen (Abb. 5 und Abb. 10). Sol- che Vorhersagen geben Antwort zum Beispiel auf die häufig gestellte Frage:

«Wie wird sich jetzt die Lage entwi- ckeln, falls sich ein Sommer wie 2003 wiederholen würde?». Dafür wird zur Vorhersage für die folgenden Wochen (120 Tage in unserer spezifischen Kon- figuration, Abb. 5) das Wettergesche- hen aus den Zeitreihen der Jahre 1981 bis 2010 verwendet, welches auch für

Abb. 9. Retrospektive Monatsvorhersage des Niedrigwasserabflusses des Rheins bis Neu- hausen für die kritische Phase des Hitzesommers im August 2003. Die Vorhersagen basieren auf den Anfangsbedingungen vom 30. Juli 2003. Sämtliche Vorhersagen (rote Linien) deute- ten darauf, dass während der folgenden 25 Tage keine Erholung von dieser kritischen Situa- tion zu erwarten war. Die Messungen (blaue Linie) bestätigten diese Voraussage. Die gestri- chelten Linien zeigen von unten nach oben das 1 %-, 10 %-, 50 %-, 90 %- und 99 %-Perzentil der Modellklimatologie.

Abb. 10. Wasserdefizit im Mai 2011. Simulation (violette Grundlinie) für das Einzugsgebiet der Thur bis zum 2. Mai 2011 und Projektion für die 120 Folgetage (Box Plots). Die Box Plots (definiert durch Minimum, 25 %, 50 %, 75 % und Maximum) fassen 30 Szenarien zusammen, welche auf dem tatsächlich vorgekommenen 120-Tage-Wetterverlauf der Jahre 1981 bis 2010 beruhen. Dargestellt ist die aktuelle und proji- zierte Abweichung der gesamten Wasserressourcen im Gebiet zum Median der Klimatologie für die Periode 1980 bis 2009 (farbige Flächen im Hintergrund). Rot: Defizit gegenüber Median. Blau: Suffizit gegenüber Median.

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für Umwelt für die Bereitstellung der Grundlagendaten. Dr. Thomas Boss- hard (ETH) unterstützte uns bei der Bereitstellung der Klimafolgeszenari- en. Andreas Linsbauer (UNI Zürich) hat die Gletscherszenarien realisiert.

Mina Ossiaa (WSL) hat mehrere Skripte zur Visualisierung der Ergeb- nisse und die Webseite http://hydro.slf.

ch/sihl/cchydro/ programmiert.

6 Literatur

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Synthesebericht zum Projekt Klimaän- derung und Hydrologie in der Schweiz (CCHydro). Bern, Bundesamt für Umwelt. Umwelt-Wissen Nr. 1217: 76 S.

BAFU, BWG, MeteoSchweiz, 2004: Auswir- kungen des Hitzesommers 2003 auf die Gewässer. Bern, Bundesamt für Umwelt, Wald und Landschaft. Umwelt Nr. 369:

174 S.

BezzoLa, g.r.; hegg, C. (Hrsg.), 2008:

Ereignisanalyse Hochwasser 2005. Teil 2 – Analyse von Prozessen, Massnahmen und Gefahrengrundlagen. Bern, Bun- desamt für Umwelt BAFU, Birmensdorf, Eidg. Forschungsanstalt WSL. 426 S.

Bosshard, t.; kotLarski, s.; ewen, t.;

sChär, C., 2011: Spectral representation of the annual cycle in the climate change signal. Hydrol. Earth Syst. Sci. 15: 2777–

2788.

Bernhard, L.; zappa M., 2012: Klimaän- derung und natürlicher Wasserhaushalt der Grosseinzugsgebiete der Schweiz.

Schlussbericht zum Projekt Klimaän- derung und Hydrologie in der Schweiz (CCHydro). Birmensdorf, Eidg. For- schungsanstalt WSL.

CH2011, 2011: Swiss Climate Change Scenarios CH2011, published by C2SM, MeteoSwiss, ETH, NCCR Climate, and OcCC. Zurich: 88p. ISBN 978-3-033- 03065-7.

tigkeit und der Schneeressourcen. In der Forschung weit verbreitet sind neu- erdings Assimilationsverfahren, welche den sogenannten Ensemble Kalman Filter (eVensen 2009) verwenden.

Die Grundlagen von CCHYDRO kön- nen auch verwendet werden, um wei- tere Fragenstellungen anzugehen. ray-

Mond-praLong et al. (2011) haben mit Zukunftsszenarien die Entwicklung der Sedimentfracht im Gerinne für vie- le Wasserfassungen im Wallis berech- net und Erkenntnisse über die Verlan- dung der Stauseen in den kommenden Jahrzehnten gewonnen.

Ein weiterer offener Aspekt ist die Integration des Landschaftwandels in der Simulation des hydrologischen Kreislaufes. Bisher reduzierte sich die- ser Aspekt auf die Integration von Gletscherschwundszenarien. Dazu hat sChattan (2012) bereits eine ers- te Studie verfasst, welche die Einweg- Kopplung von PREVAH mit dem Wald-Landschaft Modell TREEMIG (LisChke et al. 2006) untersucht und die Folgen der Waldentwicklung auf Abfluss, Bodenfeuchte und Verduns- tung analysiert.

Die WSL betrachtet das Thema

«Schnee- und Wasserressourcen» als eines der Themen, welches sie in den kommenden Jahren fokussiert untersu- chen will. Ziel der Forschung soll u.a.

eine Informationsplattform sein, wel- che eine Grundlage für ein verbesser- tes Management von Wasserressourcen in der Schweiz und im alpinen Raum darstellen soll. Durch eine solche Informationsplattform könnten künf- tig zahlreiche Forschungs- und Moni- toring-Aktivitäten kombiniert werden, womit unseren Endnutzern eine wert- volle Dienstleistung erbracht werden könnte. Ein Kernstück dieses Dienstes dürften benutzerfreundliche Produkte zur saisonalen Vorhersage von Wasser- ressourcen sein.

Dank

Unsere Forschungsarbeiten wurden vom Bundesamt für Umwelt (Pro- jekt CCHydro) und dem Schweizeri- schen Nationalfonds (NFP61-Projekt DROUGHT-CH) finanziert. Wir dan- ken dem EU FP6 Projekt ENSEMB- LES (Vertragsnummer 505539), der MeteoSchweiz und dem Bundesamt mehrere Wochen andauern. In der Tat

regnete es anfangs Juli 2011 recht kräf- tig, weshalb sich die kritische Situation schneller entspannte, als man dies kli- matologisch hätte erwarten können.

5 Schlussfolgerungen und Perspektiven

Die Experimente im Rahmen von CCHYDRO schafften eine einmali- ge Datenbasis zur Einschätzung der räumlichen und zeitlichen Variabilität der Wasserressourcen der Schweiz. Bis ins Jahr 2014 sollten weitere Berech- nungen realisiert werden, in welchen weitere Emissionsszenarien als Basis für die hydrologischen Experimen- te dienen. Solche Szenarien (A2 und RCP3PD) sind im Bericht «Szenari- en zur Klimaänderung in der Schweiz CH2011» (CH2011 2011) beschrie- ben. Zudem könnte der von uns ver- wendeten Ansatz zur Einbindung von Klimaszenarien («Delta-Change») mit weiteren Ansätzen («Bias-Korrektur»

und «Quantile Mapping») ergänzt wer- den und somit robustere Grundlagen für Aussagen betreffend der Auswir- kung der Klimaänderung auf Extre- mereignisse geschaffen werden.

Bereits jetzt konnten einige Folgestu- dien realisiert und neuartige operati- onelle Vorhersagesysteme entwickelt werden. Solche Prognosen sind als Ent- scheidungsgrundlagen zur frühzeitigen Erkennung kritischer Abweichungen der Wasserverfügbarkeit gegenüber dem Durchschnittswert zu interpretie- ren. Seit März 2011 läuft ein Prototyp eines solchen Vorhersagesystems für einige schweizerische mittelgrosse Ein- zugsgebiete (die Thur, die Emme und das Dischma). Eine Ausweitung auf die gesamte Schweiz wird demnächst ange- strebt.

Die Ergebnisse aus retrospektiven Langfristvorhersagen zeigen, dass die Qualität der Anfangsbedingungen eine übergeordnete Bedeutung für die Güte der Vorhersagen hat. Für uns bedeu- tet dies, dass in den nächsten Jahren die Forschung viele Ressourcen in die Untersuchung der Assimilation von Beobachtungen investieren muss.

Eine solche Assimilation betrifft zum Beispiel die Nutzung der Daten vom gemessenen Abfluss, der Bodenfeuch-

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Abstract

Forecasts and scenarios of snow and water resources in Alpine environments During the last few years hydrological models have been applied to estimate current and future spatial and temporal availability of water resources in different areas of the European Alps. In parallel, large efforts have been allocated for the development and operational application of hydrological ensemble prediction systems. WSL has been active in all these fields and is now testing opportunities of combining the outcomes of climate impacts studies with operational forecasting.

In the framework of the CCHYDRO Project a water resources climatology for the control period 1980-2009 and scenarios for two 30-years periods in the future have been created. Results point out, that the seasonal accumulation of snow water will drastically reduce by the end of the 21st century and have large impact on the seasonal distribution of water resources in Switzerland.

From the NRP61 project DROUGHT-CH tools for improving the prediction of water resources availability with lead times of up to 1 month and climatology- based extrapolations for up to 120 days have been realized. First applications show that, depending on the quality of the initial conditions, the forecasts of water storage and low-flow can yield added value for stakeholders concerning lead times of over 20 days, while the forecasts of high discharge and floods show no added value for lead times larger than 10 days.

Our next goal is the establishment of a system for the early detection of anomalies in the temporal and spatial availability of water resources in Switzerland.

Keywords: water resources, snow resources, hydrological modelling, climate change, operational extended-range forecasts.

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