Post on 27-May-2019
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GLOWA-ELBEAbschlusskonferenz 15./16. März 2004 in PotsdamG
esam
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Folgen von Klimawandel und Landnutzungsänderungen für den Landschaftswasserhaushalt und die
landwirtschaftlichen Erträge
Fred HattermannPotsdam-Institut für Klimafolgenforschung e.V.
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Übersicht
1. Einführung
2. Das Modellkonzept
3. Modellvalidierung für den beobachteten Zeitraum
4. Szenarienanalysen für den Landschaftswasser-haushalt und die landwirtschaftlichen Erträge
5. Zusammenfassung und Fazit
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Aufgabenstellung
Untersuchung der Auswirkungen des Globalen Wandels auf den Landschaftswasserhaushalt und auf die potentiellen Erträge in der deutschen Elbe. Dazu mußte
1. das Modell für den beobachteten Zeitraum validiert werden;
2. Schnittstellen zu den anderen Modellen im Modellverbund eingereichtet werden;
3. die potentiellen Erträge für das Klimaszenarium (A1) errechnet werden;
4. die Landnutzung unter Globalem Wandel ermittelt werden;
5. aufbauend auf obigen Informationen der Landschafts-wasserhaushalt unter Szenarienbedingungen in der Elbe berechnet werden.
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Die naturräumlichen Einheiten in der Elbe
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Das Elbeeinzugsgebiet
AlluviumPeriglazialLoessBergland
72 Bodentypen
Landnutzung Bodentypen
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Das Modellkonzept
� Der Modellverbund
� Das ökohydrologische Modell SWIM
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FAA Der Modellverbund
Land
scha
ft
RAUMIS(Regionalisiertes Agrar- und Umweltinformationssystem)
SWIM(Soil and Water Integrated
Model)
Potentielle Erträge unter Klimaänderung
Anbaurotationen unter Globalem Wandel
Landschaftswasserhaushaltunter Globalem Wandel
Maximierung der betrieblichen Gewinne
Glo
bal
Landwirtschaft(Weltmarktpreise, Sortenzucht etc.)
Klima(Niederschläge, Temperatur etc.)
Reg
iona
lRegionalisierung
STAR(STAtistisches Regionalmodell)
WATSIM(World Agricultural Trade
SImulation Model)
Regionalisierung
D 1997
Muster-Generatormit 23 Fruchtfolgen
in 7 Regionen
Landkreis -> Hydrotop
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Das ökohydrologische Modell SWIM(Krysanova et al., 1998)
Hydrotop = f (Landnutzung - Boden - DGM – Teilgebiete ...)
Klima: Temperatur, Niederschlag und Strahlung
Biomasse
Wurzel
LAI
Pflanzen-wachstum
Stickstoffkreislauf
Phosphatkreislauf
HydrologischerKreislauf
Oberer Grund-
wasserleiter
UntererGrund-
wasserleiter
A
B
CBod
en0-2mN-NO3 Noa Nos Nr
Plab Pma Pms
Po Pr
Vor
flute
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Regionalisierung des Modellkonzeptes
Infrastruktur
Böden/Geologie
Landnutzung
Hydrologie
Klimadaten
http://www.smhi.se/foretag/m/hbv_demo/
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3. Teileinzugsgebiete für die Modellvalidierung(Hydrologie, Stofftransport, Erträge)
Flussnetz
Teileinzugsgebiete
Pegelstationen
Geneteste Untersuchungsgebiete für naturraumspezifische
Untersuchugen
Das Modell wurde validiert für:
� die hydrologischen Prozesse in über 20 Teileinzugsgebieten und für die Gesamtelbe
� den Stofftransport in 5 Teileinzugsgebieten
� Erosion in zwei Teileinzugsgebieten
� landwirtschaftliche Erträge in zwei Teilregionen und für die Gesamtelbe
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Tägliche Abflüsse in den Teileinzugsgebieten der naturräumlichen Einheiten der Elbe (m3/s):
beobachtetsimuliert
3: Selbnitz, 1013 km2, Thüringer Wald,Efficiency: 0.79
3 Gebirge
2: Obere Mulde, 2091 km2, Bergvorland / LoessEfficiency: 0.75
2 Loess
1: Stepenitz, 576 km2, Nordd. PleistozenEfficiency: 0.72
1 Tiefland
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Kleinskalige Vergleiche (Hydrotop-Ebene)in den Teileinzugsgebieten
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
21.1.74 21.1.75 21.1.76 20.1.77 21.1.78 21.1.79 21.1.80 20.1.81 21.1.82
0
50
100
150
200
250
GW
-Sta
nd [m
]Ev
apot
rans
prat
ion
/ G
W-N
eubi
ldun
g [m
m]
Niederschlag [m
m]
NiederschlagWasserspiegel beobachtet
GW-NeubildungWasserspiegel berechnet
Evapotranspiration
Vergleich beobachteter und simulierter Grundwasserschwankungen
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Tägliche Abflüsse am letzten tideunbeeinflussten Pegel der Elbe (Neu Darchau)
Abfluss am Pegel Neu Darchau, 86,000 km2 (kalibriert 1981-86, validiert 1987-92).
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
40001/
1/81
7/1/
81
1/1/
82
7/1/
82
1/1/
83
7/1/
83
1/1/
84
7/1/
84
1/1/
85
7/1/
85
1/1/
86
7/1/
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1/1/
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1/1/
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88
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7/1/
89
1/1/
90
7/1/
90
1/1/
91
7/1/
91
1/1/
92
7/1/
92
river
dis
char
ge [m
3/s]
beobachtetsimuliert
Hydrologische Größe Simuliert [mm] Hydr. Atlas [mm]
Niederschlag 687.2 695.0
Verdunstung aktuell 526.9 518.0
Direktabfluss 76.9 89.0
Grundwasserneubildung 94.6 88.0
Abfluss gesamt 171.5 177.0
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Vergleich beobachteter und simulierter Erträge(Winterweizen)
Mittlere Erträge in den Kreisen (Statistik) 1996-1999
Mittlere potenzielle Erträge (Simulation) 1996-1999
<40 dt/ha4055657585
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Das Liberalisierungsszenario:- landwirtschaftliche Anbauverteilungen -
Referenz (1999) Liberalisierungsszenario (2020)
Muster-Generatormit 23 Fruchtfolgen
in 7 Regionen
D 1997 D 1997
Änderung in der Evapotranspiration: -1.6%Änderung in der Grundwasserneubildung: 4.0%
(Falls Stillegungsflächen extensiv bewirtschaftet werden. Falls Wald entsteht, steigt die Evapotranspiration und die
Grundwasserneubildung sinkt)
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Das Liberalisierungsszenario: - Klima -
456789
10111213
1950 1970 1990 2010 2030 2050Jahr
esm
ittel
tem
per
atur
en [
°C]
Beobachteter Zeitraum Szenario-Zeitraum
TemperaturtrendSzenario-VariantenGemessene
Temperatur
1. Regionalisierung der GCM-Ergebnisse durch ein statistisch-dynamisches Verfahren (STAR).
2. 100 Realisationen des zukünftigen Klimas werden generiert (wahrscheinlichstes Szenario: 32).
3. Jede Realisation ist die Randbedingung für einen neuen Modelllauf mit SWIM.
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Klimaänderung: LandschaftswasserhaushaltReferenz (1961-90) gegen Szenario 32 (2046-55)
Hydrologische Größe 1961-90 [mm] 2046-55 [mm] Änderung [%]
Niederschlag 687.2 615.9 -10.4
Verdunstung aktuell 526.9 536.2 1.8
Direktabfluss 76.9 52.9 -31.2
Grundwasserneubildung 94.6 47.7 -49.6
Abfluss gesamt 171.5 100.5 -41.4
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Änderung in der Abflussbildung(Gesamtelbe)
NiederschlagGrundwasserneubildungAktuelle VerdunstungBasisabfluss
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12
[mm
/tag]
0
10
20
30
40
50
60
Niederschlag [m
m/tag]
Scenario 32 (2051)
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12
[mm
/tag]
0
10
20
30
40
50
60N
iederschlag [mm
/tag]
Referenz (1981)
NiederschlagGrundwasserneubildungAktuelle VerdunstungBasisabfluss
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Verteilung der Niederschlagsänderungen
Mittlerer jährlicher Niederschlag 1961 - 1990
Mittlerer jährlicher Niederschlag 2046-55
(Szenario 32)
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Verteilung der Niederschlagsänderungen
Mittlerer jährlicher Niederschlag 1961 - 1990
Änderung Referenz - Szenario
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Verteilung der Niederschlagsänderungen
Mittlerer jährlicher Niederschlag 1961 - 1990
Variabilitätskoeffizient aus 100 Realisationen
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Verteilung der Änderungen in der Grundwasserneubildung
Mittlere jährliche Grundwasserneubildung 1961-1990
Mittlere jährliche Grundwasserneubildung 2046-2055
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Verteilung der Änderungen in der Grundwasserneubildung
Mittlere jährliche Grundwasserneubildung 1961-1990
Differenz zum Scenario2046-2055 in %
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Verteilung der Änderungen in der Grundwasserneubildung
Mittlere jährliche Grundwasserneubildung 1961-1990
Variabilitätskoeffizient (% der Grundwasserneubildung
2046-55)
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Ertragsänderungen Referenz (1991-2000) zu Szenario 32 (2045-55) in %
Anbauart min. Änderung mittlere Änderung max. Änderung Standardabweichung
Sommergerste -44.1 -11.5 14.4 5.5
Wintergerste -29.1 -11.1 68.1 9.9
Winterroggen -24.1 -13.7 11.3 4.3
Winterweizen -31.5 -14.9 41.9 6.5
Winterraps -25.5 -16.6 1.7 4.5
Silomais -21.0 -0.8 32.9 9.7
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Ertragsänderungen Referenz (1991-2000) zu Szenario 32 (2046-55)
Sommergerste Wintergerste
WinterrapsWinterweizen
Winterroggen
Silomais
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Vergleich Winterweizen (C3) – Silomais (C4)
Winterweizen Silomais
Ertragsänderung
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Zusammenfassung und Fazit
� Im Modellverbund konnten die Folgen von Klima- und Landnutzungsänderungen auf den Wasserhaushalt und die Erträge im deutschen Elbegebiet untersucht werden.
� Unter Szenarienbedingungen sinkt der Niederschlag im deutschen Elbegebiet um ca. 10% (Liberalisierungsszenario 32).
� Dadurch sinkt der Direktabfluss um ca. 30%, die Grundwasser-neubildung um fast 50% und der Gesamtabfluss um fast 40%.
� Die Unsicherheit der lokalen Änderungen ist besonders groß dort,wo auch die Trends am stärksten sind.
� Die Erträge für Getreidepflanzen sinken um 10-14%, bei Sommergetreide sind die Verluste größer als bei Wintergetreide.
� Silomais hat nur sehr geringe Verluste, die Erträge steigen in vielen Regionen sogar deutlich.
� Weitere Untersuchungen, z.B zu den Folgen von Landnutzungsäderungen, sind nötig.
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GLOWA-ELBEAbschlusskonferenz 15./16. März 2004 in PotsdamG
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Vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit!
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Änderungen im Landschaftswasserhaushalt:jährliche Mittelwerte
Niederschlag Oberflächen-abfluss
Evapotrans-piration
Grundwasser-neubildung
rot: 2000-05 / blau: 2051-55
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Änderungen im mittleren täglichen Abfluss
Mittel 2001-2005 Mittel 2051-20055
max90th percentilemean10th percentilemin
min 10th mean 90th max
-23.1 -10.9 -8.7 -7.9 -9.9
Mittlere Änderung [%]:1-
Jan
1-M
ar
1-M
ay
1-Ju
l
1-Se
p
1-No
v
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200
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1400
16001-
Jan
1-M
ar
1-M
ay
1-Ju
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1-No
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3/s]
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Der Modellverbund STAR RAUMIS SWIM MONERIS
Glo
bal
Reg
iona
lLa
ndsc
ape
markets
disaggregation
maps of changed land use
biodiversity,landscape
agriculture, Forest
nutrient balancevariation in
yields
global scale
FAA
forested / arable landregional adaptation
pattern-generatorwater / nutrient balance
process
quality
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Fig.1: Linkage of eco-hydrological and agri-economical models
Glo
bal
Reg
iona
lLa
ndsc
ape
Comparison of Quantity
PriceScenarios
Crop Shares
Land Use(Raster)
Global conditions
Agricultural Markets & Trade Policy
Nutrient-Balance
Yield-Variance
WATSIM
Regional Adjustment
Agricultural Land Use
FAA
RAUMIS
Pattern GenerationProcess
Water and Nutrient BalanceSWIM
FAA
D 1997
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Unsicherheit der Modellierungsergebnissefür Weizenerträge
ErtragsänderungWinterweizen Variabilitätkoeffizient
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