Klimawandel in Bayern - fs.tum.de · Klimawandel in Bayern – Betroffene Bereiche Fragen: • Wie...

5.11.2008 Klimaherbst TU München 1

Klimawandel in Bayern

Was kommt auf die Donau zu?

Wolfram MauserDepartment für Geographie

Ludwig Maximilians Universität München


Inhalt des Vortrags

• Wissenschaftlicher Kontext – regionale Klimafolgenforschung

• Klimawandel in Mitteleuropa – was wissen wir?

• Modellansätze zur Prognose der regionalen Auswirkung des Klimawandels

• Szenarien zur Änderung des Klimas

• Folgen des Klimawandels auf der Oberen Donau


Klimawandel – die globale Perspektive

IPCC – was kommt auf uns zu? Quelle: IPCC 2007


IPCC – Klimaänderungen werden regional unterschiedlich sein

Entwicklung des Niederschlages biszum Ende desJahrhunderts

Blau und grün:Niederschlagszunahme

Gelb und rot:Niederschlagsabnahme

Quelle: IPCC 2007


Globaler Wandel des Wasserkreislaufs - GLOWA

Eine deutsche Forschungsinitiative zum Globalen Wandel

GLOWA-Danube wird gefördert durch:• die Bundesministerin für Bildung und Forschung im Rahmen des

Forschungsschwerpunkts Umwelt im Referat GlobalChange Forschung

• das Land Nordrhein-Westfalen

• den Freistaat Bayern

• das Land Baden-Württemberg

M

S

W

F


GLOWA - Pilot Projekte (www.glowa.org)

GLOWA Jordan RiverGlobal Change and the Integrative Water ResourcesManagement in Arid Regions

GLOWA-DanubeIntegrative Techniques, Scenarios and Strategies for the Water Cycle in the Danube Watershed

GLOWA-VoltaSustainable Water Use, Chan-ging Land Use, Rainfall Reliability and Water DemandsIn the Volta

GLOWA-ElbeGlobal Change Impact on En-vironment and Society in theElbe Region

IMPETUSAn Integrated Approach to The Efficient Management ofScarce Water Resources inWest Africa


GLOWA-Danube (www.glowa-danube.de)

Sozialwissenschaften

Meteorologie

Informatik Koordination /Datenmanagement

Wasserwissenschaften

Pflanzenökologie

Koordination: Lehrstuhl für Geographie und geographische Fernerkundung, LMU München

10 Universitäten2 Forschungsinstitute1 Kommission1 Firma= ~ 40 Wissenschaftler

Integrative Techniken, Szenarien und Strategien zum globalen Wandel des Wasserkreislaufs im Einzugsgebiet der oberen Donau

GLOWA-Danube wird gefördert durch:• die Bundesministerin für Bildung und Forschung

• den Freistaat Bayern


• starke Gradienten in allen natürlichenProzessen und sozio-ökonomischenBelangen,

• große Sensibilität gegenüber der globalenKlimaveränderung,

• 5 Länder, 2 Deutsche Bundesländer, mehr als 2000 kommunaleWasserversorger,

• exzellente natur- und sozialwissen-schaftliche Datenlage,

• intensive Nutzung aller natürlichenRessourcen durch Landwirtschaft und Industrie,

• starkes gegenwärtiges und zukünftigesKonfliktpotential bei der Wassernutzunghinsichtlich:

• Tourismus

• Landwirtschaft

• Bevölkerungsstruktur

• virtuelles Wasser

Einzugsgebiet der oberen Donau:

• Fläche : 77.000 km2

• Bevölkerung : 10.5 Mio.• Höhengradient : 4.000 m

Warum die Obere Donau?


Forschungs- und Entwicklungsziele von GLOWA-Danube

• Entwicklung des Global Change Entscheidungs-Unterstützungssystems DANUBIA für eine nachhaltiges Einzugsgebietsmanagement unter Global Change Bedingungen

• DANUBIA soll genutzt werden für die:• Simulation der Folgen unterschiedlicher Szenarien zukünftiger Entwicklung

auf die Nachhaltigkeit des Einzugsgebietsmanagements in der Oberen Donau

• Landwirtschaft – Grundwasser – Wasserqualität

• Wasserversorgung und Export von Wasser an Unterlieger (Quantität –Qualität)

• Wassernutzung (Landwirtschaft, Tourismus, Energie,...)

als Funktion von Wandel:• in Klima und Landnutzung,

• in Bevölkerungsstruktur und Wirtschaft,

• .....

• Simulation unterschiedlicher Handlungsoptionen im Rahmen des nachhaltigen Einzugsgebietsmanagements sowie Auswirkung sich änderndern administrativen Rahmenbedingungen (z.B. EU Wasserrahmenrichtlinie)


Warum das Global Change DSS DANUBIA?

• wenn sich zukünftige Rahmenbedingungen rapide ändern und trotzdem das Ziel der nachhaltigen Nutzung der Ökosystemleistungen (Wasser, Luft, Boden, Biodiversität) erreicht werden soll, sind klassische Planunggsansätze überfordert und Management gefragt.

• Wasser-Manager, die in diesem umfassenden Sinn Ökosystemleistungen unter sich verändernden Randbedingungen managen, brauchen Simulatoren um komplexe Entscheidungen zu trainieren.


Allgemeiner Ansatz des DSS DANUBIA in GLOWA-Danube:

Global Climate ChangeGlobal Climate ChangeGlobaler Klimawandel

Regional Development

Regional Development

Regional-Entwicklung

Stakeholder DialogueStakeholder Dialog

AdaptationAdaptationSzenarien der zukünftigen

Éntwicklung

KLIMAANTRIEB:MM5/ REMO/ Klimagenerator

Zweck: Nutzung eines voll gekoppelten Modellsystems (Nature, Menschen, Ingenieurmassnahmen) um eine Palette von Szenarien zu analysieren und um Nachhaltige Adaptationsstrategien an den Klimawandel an der Donau zu entwickeln

PROMET: Hydrologie, Schnee, Plan-zenphysiologe, Hydraulik,….

AKTEURE: Framer, Haushalte,Touristen, Wasserversorger,..


Klimawandel in Zentraleuropa - was sagt das IPCC?DJFJJADJFJJA

Wahrscheinlichste Veränderungen 1990-2090 aus einem Ensemble globaler Modelle, SRES-A1B-scenario (IPCC, 2007)


Was sagt IPCC zu den warscheinlichsten Änderungen des Klimas?

• Mediterranes Klima wird sich nach Norden ausdehnen! • Mittelmeerregion trocknet weiter aus• Norden Europas wird feuchter (ausser im Sommer)

Was bedeutet das für die Übergangsregionen (Obere Donau und ca. 30% der EU)?


JJA

Die Obere Donau – an der Klimagrenze

vv


• Die natürlichen Rahmenbedingungen für die weitere Entwicklung in Bayern werden sich ändern:

– Wasser– Landwirtschaftliche Produktion– Natürliche Ökosysteme und Biodiversität

• Die demographischen, ökonomischen und sozialen Rahmenbedingungenfür die weitere Entwicklung in Bayern werden sich ändern:

– Bevölkerungsstruktur– Wirtschaftsstruktur– Infrastruktur

Klimawandel in Bayern – Betroffene Bereiche

Fragen:

• Wie wird Bayern in 10, 30, 50, 100 Jahren aussehen?

• Was sollten wir über die Auswirkungen des Klimawandels in Bayern und unsere Möglichkeiten uns anzupassen wissen?

• Was sollten wir über die Auswirkungen des Klimawandels ausserhalbvon Bayern wissen?

• Wie können wir uns am besten an den Klimawandel anpassen?


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1950 1970 1990 2010 2030 2050 2070 2090

Jahr

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]

Klimawandel Oberen Donau – was hat schon stattgefunden?

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1950 1970 1990 2010 2030 2050 2070 2090

Jahr

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oC

]

IPCC-A1Bglobal

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1950 1970 1990 2010 2030 2050 2070 2090

Jahr

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oC

]

IPCC-A1Bglobal

IPCC-A1Bregional

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1950 1970 1990 2010 2030 2050 2070 2090

Jahr

esm

ittel

tem

pera

tur [

oC

]

IPCC-A1Bglobal

IPCC-A1Bregional

IPCC-A1Bregional*1.4

Vorausgesagte Temperaturänderung 1990 -2090: IPCC-A1B global: 2.9 oCIPCC-A1B regional: 3.3 oCIPCC-A1B regional*1.4: 5.1 oC


Klimawandel Obere Donau – was hat schon stattgefunden?

Sommertemperatur

Wintertemperatur

Zeitraum: 1960 - 2006


Klimawandel Obere Donau – was hat schon stattgefunden?

Sommerniederschlag

Winterniederschlag

Zeitraum: 1960 - 2006


Klimawandel in Bayern – absehbare Effekte

Verschiebung der Vegetationszonen:

• Der Platz wird enger für existierende Arten

• Möglichkeiten sich genetisch auszutauschen werden weniger

• Neue Arten kommen dazu


Klimawandel in Bayern – absehbare Effekte

Verschiebung der Risiken:


Was ist zu darüber hinaus tun?

• prognosefähige (physikalisch basierte, parametrisierte, nicht kalibrierte) Modelle der natürlichen Prozesse und ihrer Wechselwirkungen entwickeln:

– Witterung und Klima– Wasser (Abflußbildung, Grundwasser, Gerinne, Qualität)

– Schnee und Eis

– Pflanzenwachstum und Nährstoffdynamik

• prognosefähige (multi-akteur-basierte) Modelle der gesellschaftlichen Prozesse sowie der Entscheidungen der gesellschaftlichen Gruppen entwickeln:

– Landwirtschaft und Landnutzung – Demographie und Migration

– Wirtschaft

– Tourismus

• Gekoppelte Modellierung – der Wechselwirkungen und der – Auswirkungen von Handlungsoptionen auf das natürliche System und auf den

Menschen

• Nur mit disziplinübergreifender Integration von Wissen zu erreichen


Integrationskonzept bei der Entwicklung der Modellkomponenten von DANUBIA

• im Zentrum des Projektes stehen Schnittstellen zwischen den Disziplinen,

• es basiert auf einem proxel-Konzept (process pixel) für die räumlicheDarstellung aller disziplinärer Prozesse,

• es implementiert die disziplinären Komponenten von DANUBIA als Objekte,

• es verwendet die Unified Modelling Language (UML), um Schnittstellen zuformulieren,

• es implementiert alle Komponenten in Java,

• es verwendet web-Techniken zur parallelen Ausführung derModellberechnungen über das www (mit der Java- basierten Remote Method Invocation RMI),

…und dies gilt für alle Partner im Projekt


Modell-Architektur natürliche Prozesse

Meteorologische TreiberStationsdaten oder Regionale Klimamodelle (REMO, MM5, CLM)

LandoberflächeEnergie- und Massenbilanz

Wasserflüssein der ungesättigten Bodenzone

4-Schicht vertikale und laterale Fließkomponenten

Vegetation

Abfluss-Bildung

aus lateralen Fluss-Komponenten:Direktabfluss,Interflow und Basisabfluss

RoutingGerinne

und Seen

SpeicherÜber-

leitungen

Schneeund Eis

Waterflüsse in der gesättigten ZoneFeld von Linearspeichern oder MODFLOW


Modelle helfen bei der Untersuchung der Zukunft

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50

100

150

200

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300

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400

0 50 100 150 200 250 300 350 400

West-East

Nor

th-S

outh

Seen

Überleitungen

Speicher

Stubai

Kaprun

Gepatsch Ziller

Donau - Rhein

AchenseeForggensee

Sylvenstein

Achleiten/Donau

Hofkirchen/Donau

Plattling/Isar

Oberaudorf/InnWeilheim/Ammer

Heitzenhofen/Naab

Laufen/Salzach

Pegel

Dillingen/Donau

Regionale Umweltmodelle ergänzen die globalen Klimamodelle bei derBeantwortung der Frage, welche Klimafolgen regional zu erwarten sind


Hydrologisches Modell PROMET an der Oberen Donau

• physikalisch• nicht kalibriert• alle Prozesse enthalten


Kopplung der Modellkomponenten

1. März 2000 bis 15. Mai 20002.5 Monate gekoppelte stündliche Simulation von:

• Niederschlag (Computer 1)• Schneewasser-Äquivalent (Computer 2)• Lateraler Abfluß im Boden (interflow, Computer 3)

im Netz

Obere Donau – 1 km Auflösung


Modelle müssen die Vergangenheit richtig beschreiben!

Achleiten 1971-2003

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

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10000

1 1001 2001 3001 4001 5001 6001 7001 8001 9001 10001 11001

Tage seit 1.1.1771

Abf

luss

[m³/

sec]

Achleiten modelliert

Achleiten gemessen

Tag seit 1.11.1970

y = 1.03x

R2 = 0.87N = 12053

0

3000

6000

9000

0 3000 6000 9000

measured daily discharge [m³/s]

mod

elle

d da

ily d

isch

arge

[m³/

s]

0.690.630.98Weilheim

0.790.780.99Heitzenhofen

0.800.850.86Laufen

0.470.751.08Plattling

0.800.810.94Oberaudorf

0.720.841.13Dillingen

0.810.871.11Hofkirchen

0.840.871.03Achleiten

Nash-Sutcliff

Coefficient

R²SlopePegelname


Wie gut geht die Vergangenheit?

Wasserbilanz Obere Donau, 1971-2000

Niederschlag

1078 mm/a500 2500

Abfluss

597 mm/a100 2400

- =

Evapotranspiration

481 mm/a100 800

Mittl. Abfluss am Pegel Achleiten(76653 km², 1971-2000): + 1.7 %

587 mm/a

PROMET mit meteorologischen Messdaten!!


Wie gut geht die Vergangenheit?

y = 1.159x

R2 = 0.68

0

3000

6000

9000

0 3000 6000 9000

measured annual peak discharge [m³/s]

mod

elle

d an

nual

pea

k di

scha

rge

[m³/

s]

y = 0.983x

R2 = 0.66

0

400

800

1200

0 400 800 1200

measured annual low flow [m³/s]

mod

elle

d an

nual

low

flow

[m³/

s]

0

2000

4000

6000

8000

10000

0 20 40 60 80 100

return period [a]

disc

harg

e [m

³/s]

modelled peak

measured peak

modelled low-flow

measured low-flow

PROMET mit meteorologischen Messdaten!!


Wie wird sich das zukünftige Klima an der Donau entwickeln?

• Szenario: die Temperatur wird bis 2100 um 5 Grad steigen

• Was ist mit dem Niederschlag?

• Klimagenerator erzeugt synthetische Klimadatenreihen für die Zukunft

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11

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1950 1970 1990 2010 2030 2050 2070 2090

Jahr

esm

ittel

tem

pera

tur [

oC

]

IPCC-A1Bglobal

IPCC-A1BregionalIPCC-A1B

regional*1.4

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52

Woche

Kor

rela

tions

-Koe

ffiz

ient

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52

Woche

Kor

rela

tions

-Koe

ffiz

ient


Ensembles

Ziel: Analyse der Variabilität der möglichen Klimafolgen

922

1027

1080

Nieder-schlag

21.7Max. durchschn JJA Temp. 1 Jahr 2036-206012


20.35Max. durchschn JJA Temp. 5 Jahre 2036-206010


762 Min. NSsumme 1 Jahr 2036-20608

791Min. NSsumme 1 Jahr 2011-20357

2387Min. NSsumme 3 aufeinanderfolgende Jahre 2036-20606




Mittlerer Niederschlag zwischen 2036-20602


Keine Änderung der Lufttemperatur bis 20600

1% JJA-Temp. [oC]

1% NiederSchlag[mm]

StoryReali-sation


• Sommertage JJA (Maximaltemperatur > 25 Grad)

Veränderungen bei den Temperaturen

2011-2020 2021-2030 2031-2040 2041-2050

2051-2060

420 85

Tage


• Hitzetage JJA (Maximaltemperatur > 30 Grad)

2011-2020 2021-2030 2031-2040 2041-2050

2051-2060

160 32

Tage



• Frosttage DJF (Minimaltemperatur < 0 Grad)

127

2011-2020 2021-2030 2031-2040 2041-2050

2051-2060

640

Tage



• Eistage DJF (Maximaltemperatur < 0 Grad)

2011-2020 2021-2030 2031-2040 2041-2050

2051-2060

500 100

Tage



Ensembles

922

1027

1080

Nieder-schlag














1% JJA-Temp. [oC]

1% NiederSchlag[mm]

StoryReali-sation



Veränderungen beim Wasser

Vorhergesagte Veränderung bei NS nicht dramatisch, aber:• Zunahme im Winter • Abnahme im Sommer

Vorhergesagte Veränderungen beim Abfluss recht beträchtlich:• Regimewechsel von Sommerabfluss (Schnee in den Alpen) auf

Winterabfluss (Regen in den Alpen)

Dez

Nov

Okt

Se

pA

ug

Jul

Jun

Mai

Apr

Mä

rF

ebJa

n

1960er

1980er

2000er

2020er

2040er

0.00

50.00

100.00

150.00

Nie

ders

chla

g [m

m]

Monat

monatlicher Niederschlag

Dez

Nov

Okt

Sep

AugJu

l

Jun

Mai

Apr

Mär

Feb

Jan

1960er

1980er

2000er

2020er

2040er

0.00

500.00

1000.00

1500.00

2000.00

2500.00

Abf

luss

[m³/

s]

Monat

Baseline A1B*1.7, mittelTPhase1_1k7

1960er

1970er

1980er

1990er

2000er

2010er

2020er

2030er

2040er

2050er

monatlicher Abfluss


Ensemble change of low-flow at the Upper Danube

0

200

400

600

800

1000

1200

1970 1990 2010 2030 2050

disc

harg

e [m

³/s]

Measured pastmodelled past

Realisation 3Realisation 4Realisation 5Realisation 6Realisation 7

Realisation 8Realisation 9Realisation 10Realisation 11

Realisation 12

No further climate changeRealisation 1Realisation 2

0

200

400

600

800

1000

1200

1970 1990 2010 2030 2050

disc

harg

e [m

³/s]

0

200

400

600

800

1000

1200

1970 1990 2010 2030 2050

disc

harg

e [m

³/s]

Measured pastmodelled past

Realisation 3Realisation 4Realisation 5Realisation 6Realisation 7

Realisation 8Realisation 9Realisation 10Realisation 11

Realisation 12

No further climate changeRealisation 1Realisation 2

Measured pastMeasured pastmodelled pastmodelled past

Realisation 3Realisation 3Realisation 4Realisation 4Realisation 5Realisation 5Realisation 6Realisation 6Realisation 7Realisation 7

Realisation 8Realisation 8Realisation 9Realisation 9Realisation 10Realisation 10Realisation 11Realisation 11

Realisation 12Realisation 12

No further climate changeNo further climate changeRealisation 1Realisation 1Realisation 2Realisation 2

0-Hypothesemodelliert

gemessen

Ensemble Unsicherheit


Ensembles

922

1027

1080

Nieder-schlag














1% JJA-Temp. [oC]

1% NiederSchlag[mm]

StoryReali-sation



5 trockene Jahre Ensemble Mitglied und Gepatsch-Stausse in den Alpen

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100

150

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300

350

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0 50 100 150 200 250 300 350 400

West-East

Nor

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Lakes

Water Tranfers

Reservoirs

Stubai

Kaprun

Gepatsch Ziller

Danube Rhine Transfer

AchenseeForggensee

Sylvenstein

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0 50 100 150 200 250 300 350 400

West-East

Nor

th-S

outh

Lakes

Water Tranfers

Reservoirs

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0 50 100 150 200 250 300 350 400

West-East

Nor

th-S

outh

Lakes

Water Tranfers

Reservoirs

0

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300

350

400

0 50 100 150 200 250 300 350 400

West-East

Nor

th-S

outh

Lakes

Water Tranfers

Reservoirs

Stubai

Kaprun

Gepatsch Ziller

Danube Rhine Transfer

AchenseeForggensee

Sylvenstein0.0E+00

2.0E+07

4.0E+07

6.0E+07

8.0E+07

1.0E+08

1.2E+08

1.4E+08

Sto

rage

[m³]

2012 206020352020 2045


Veränderungen beim Schnee

1960-1969 1970-1979 1980-1989 1990-1999 2000-2006

2010-2019 2020-2029 2030-2039 2040-2049 2050-2059

3501750

z.B. Tage mit mehr als 50 mm Schneewasser

d.h. heutige Schneeverhältnisse in 700 m sind in Zukunft in 1400 m Höhe


Veränderung bei der Vegetation

GrünlandAckerlandSiedlungenWaldFelsNaturGletscherWasser

Landnutzung

Landnutzungsanteile


Veränderung bei der Vegegation

Nadelbäume Maiaustrieb [Tag im Jahr]

Maiaustrieb VergangenheitMaiaustrieb Szenario Jahr

Laubbäume Länge der Vegetationsperiode [Tage]

JahrVergangenheitSzenario

Verlängerung der Vegetationsperiode: wann sind zwei Ernten möglich?



Vegetations-Verdunstung> 80 mm weniger

40 bis 80 mm weniger

0 bis 40 mm weniger

keine Vegetation

0 bis 40 mm mehr

40 bis 80 mm mehr

80 bis 100 mm mehr

> 100 mm mehr

Verdunstung: im Norden weniger – im Süden mehr



Wasserstresstage

VergangenheitZukunft

Bodenfeuchtereduzierung führt zu mehr Wasserstress für die PflanzenAlternativen:

• Reduzierung des Ertrags oder• Bewässerung

Warum?



Biomasseproduktion> 4 Tonnen mehr

bis 4 Tonnen mehr

bis 3 Tonnen mehr

bis 2 Tonnen mehr

bis 1 Tonne mehr

gleich

bis 5 Tonnen weniger

> 5 Tonnen weniger

keine Änderung

< 7 Tage mehr

7-14 Tage mehr

14-21 Tage mehr

21-30 Tage mehr

30-50 Tage mehr

50-70 Tage mehr

> 70 Tage mehr

Trockenstresstage

Fazit: fast überall zukünftig mehr Ertrag, entlang der DonauErtragseinbussen wegen Trockenstress


Klimawandel an der Donau - Zusammenfassung

• der Klimawandel an der Donau wird uns dem Mittelmeer näher bringen:– Mehr Regen im Winter– Weniger Regen im Sommer– Weniger Schnee, weniger Forst

• der Klimawandel wird sich in verschiedenen Bereichen spürbar auswirken:– Wasserwirtschaft und Wasserkraft– Landwirtschaft und Bioenergie– Tourismus

• die Auswirkungen sind nicht katastrophal, es kann aber sehr teuer werden, wenn wir die Folgen systematisch untersuchen und die besten Lösungenfinden für z.B.:

– Investitionen in Kraftwerke und Energieversorgung,– Investitionen in Wasserspeicher– Investitionen in Bewässerung– Investitionen in Touristische Infrastruktur– evtl. Investitionen in den Hochwasserschutz


Was ist zu tun?

• Umdenken! Die Zukunft ist nicht statisch!– Wie sehen Entscheidungen über die zukünftige Infrastruktur aus,

wenn man berücksichtigt, dass sich die natürlichenRahmenbedingungen laufend ändern?

– Wie trifft man am besten Entscheidungen über die zukünftigeInfrastruktur, wenn man weiß, wie sich die gesellschaftlichenRandbedingungen laufend ändern?

– Wie berücksichtigt man die Unsicherheiten im Wissen über die Zukunft bei den Entscheidungen?

– Wie bestimmt man die Nachhaltigkeit der verschiedenenHandlungsoptionen?

– Wie wägt man Nachhaltigkeit ab gegenüber den Interessen derheutigen Generation?

– Wieviel darf es kosten, um gegenüber anderen Weltregionenkonkurrenzfähig zu bleiben?

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