Auswirkungen auf die Wasserbilanz

Klimatologische "Stellschrauben" der Wasserbilanz

Schematische Landschaft mit Regen und Schnee, d.h. Niederschlag, Verdunstung von Land und aus dem Meer sowie Flüssen zur Darstellung des Abflusses Bild vergrössern Die Wasserbilanz ist die mengenmäßige Aufteilung von Niederschlag, Verdunstung und Abfluss

Die Wasserbilanz eines Gebietes stellt vereinfacht das Gleichgewicht zwischen den hydrologischen Komponenten Niederschlag, Verdunstung und Abfluss dar.
In diesem Sinne gilt die Formel:

Niederschlag – Verdunstung = Gesamtabfluss

Die Wasserbilanz wird über die Wechselwirkung von Niederschlag, Temperatur, relativer Luftfeuchte und Sonnenscheindauer gesteuert.

Mit dem Anstieg der mittleren Lufttemperatur, wie sie im Zusammenhang mit dem Klimawandel erwartet wird, nimmt im Allgemeinen auch die Verdunstungsrate zu und weniger Wasser verbleibt für Grundwasser und Abfluss. Auch für den Bodenspeicher und damit auch für das Pflanzenwachstum steht weniger Wasser zur Verfügung. Zudem ändert sich bedingt durch eine Umverteilung der Niederschläge vom Sommer in das Winterhalbjahr auch das Abflussverhalten im Jahresverlauf. Weiterhin ist eine Intensivierung des Wasserkreislaufs möglich: Höhere Temperaturen bewirken eine höhere Verdunstung und damit einen höheren Wassergehalt in der Atmosphäre. Dies kann wiederum zu heftigeren Regenfällen und höheren Abflüssen führen. In der Gesamtbilanz gleichen sich die drei Größen letztlich wieder aus.

Näheres zur Wasserbilanz und den maßgeblichen Wasserhaushaltsgrößen in Bayern ist in nachfolgendem Link beschrieben.

Beispiele für weitergehende Auswertungen zu vergangenen und zukünftigen Veränderungen in der Wasserbilanz finden sich u.a. in den KLIWA-Heften 12 und 17 (am Ende dieser Seite).

Beobachtete Veränderung der Wasserbilanzgrößen

Bayernkarte mit den 11 maßgelblichen hydrogeologischen Einheiten Bild vergrössern Naturräumlich-hydrogeologische Einheiten Bayerns

Im Rahmen von KLIWA werden gegenwärtig die Änderungen der wesentlichen Wasserbilanzgrößen für naturräumlich-hydrogeologische Raumeinheiten (siehe links) für den Beobachtungszeitraum 1951-2010 untersucht.

Für diese Fragestellung wurde das Bodenwasserhaushaltsmodell GWN-BW verwendet, da wesentliche Größen wie Verdunstung und Gesamtabflusshöhe in der Fläche nicht messbar sind. Daher wurde ersatzweise auf eine Simulation auf Basis gemessener meteorologischer Daten (Temperatur, Niederschlag, etc.) zurückgegriffen. Das Bodenwasserhaushaltsmodell GWN-BW, mit dem auch die wasserwirtschaftlichen Karten erstellt wurden (s.u.), bildet den Wasserhaushalt in Bayern für ca. 105.000 Einzelflächen in Abhängigkeit von Landnutzung und Boden ab. Zusätzlich können flussgebietsbezogene Betrachtungen auch mit weiteren Wasserhaushaltsmodellen in KLIWA durchgeführt werden.

Zukünftige Veränderung der Wasserbilanzgrößen in der Fläche

Die mögliche Entwicklung der Wasserbilanzgrößen in der Zukunft wurde ebenfalls mit dem Bodenwasserhaushaltsmodell GWN-BW ermittelt. Anstelle der meteorologischen Messreihen wurden die Ergebnisse (regionaler) Klimamodelle als Basis verwendet. Die Methodik und verwendeten Modelle sind in KLIWA-Heft 17genauer beschrieben. Allgemeine Informationen zu Klimamodellen finden sich auf der Unterseite "Klimamodellierung (Methoden)".

Die nachfolgenden Karten zeigen mittlere Werte der Wasserbilanzgrößen für hydrologische Sommer- und Winterhalbjahre. Dargestellt ist die absolute Veränderung für die nahe Zukunft (2021-2050) auf Grundlage des Klimamodells WETTREG2006 (Emissionsszenario A1B, Mittelwert aus 10 Realisationen) zusammen mit der modellierten Verteilung für den Zeitraum 1971-2000 der jeweiligen Größe.

Für die hier gezeigten Karten sei darauf hingewiesen, dass es sich nur um ein Beispiel aus vielen möglichen Projektionen handelt. Die Wahl einer anderen Modellkette (Emissionsszenario > Globalmodell > Regionalmodell) kann zu anderen Ergebnissen hinsichtlich klimawandelbedingten Änderungssignalen für die Wasserbilanz führen. Eine Einordnung des Beispiels ist durch den Klimabericht Bayern möglich.

Niederschlag

Der Niederschlag steht in der Wasserbilanz auf der Einnahmeseite (positive Bilanzgröße) und bildet für den Wasserhaushalt die wichtigste Steuergröße. Der mittlere jährliche Niederschlag in Bayern lag in der Vergangenheit zwischen 700mm/a in Unterfranken und 1.700mm/a im Bereich der Alpen. In Bayern liegen die Sommerniederschläge über denen des Winterhalbjahrs. Lediglich im Gebiet Spessart-Odenwald-Rhön fällt im Winter etwas mehr Niederschlag als im Sommer.

Im Sommer 1971-2000 fallen die höchsten Niederschläge im Alpenraum, die niedrigsten in Unterfranken; im Winterhalbjahr sind Unterfranken und der Donauraum niederschlagsarm. Die Änderungssignale liegen im Sommerhalbjahr für ganz Bayern bei Abnahmen von über 25 Millimetern mit Ausnahme von Unterfranken mit Abnahmen zwischen 15 und 25 Millimetern. Im Winterhalbjahr nehmen die Niederschläge um 15 bis 25 Millimeter zu, in Mittelfranken um 5 bis 15 Millimeter und im westlichen Unterfranken um über 25 Millimeter. Bild vergrössern Mittlere Niederschlagssumme für hydrologisches Sommer- und Winterhalbjahr für den IST-Zustand (1971-2000, kleine Karte) und absolute Änderungen für die nahe Zukunft (2021-2050) in naturräumlich-hydrogeologischen Einheiten

Die Klimaprojektion WETTREG2006 zeigt für die nahe Zukunft (2021-2050) im Sommerhalbjahr in nahezu ganz Bayern Niederschlagsabnahmen von mehr als -25mm. Lediglich in Unterfranken sind die Änderungen etwas schwächer. Im Winterhalbjahr werden überwiegend Zunahmen zwischen +15 und +25mm simuliert. Stärkere Signale treten im westlichen Unterfranken (Bereich der Muschelkalkplatten) auf, schwächere Signale in Mittelfranken (Fränkisches Keuper-Lias-Land) und der Fränkischen Alb. Insgesamt erfolgt also eine innerjährliche Verschiebung der Niederschläge vom Sommer- in das Winterhalbjahr.

Hinweis

Die hier gezeigten Änderungssignale des Niederschlags können von den Änderungssignalen, wie sie auf der Unterseite "Zukünftige Klimaveränderung/Niederschlag" für WETTREG2006 dargestellt sind, leicht abweichen. Grund sind die unterschiedliche räumliche Unterteilung und zeitliche Zusammenfassung sowie Unterschiede in der Berechnungsmethodik. Die Grundtendenzen bleiben aber gleich.

Verdunstung

Als weitere wichtige Komponente des natürlichen Wasserkreislaufs beschreibt die Verdunstung die Umwandlung von (Niederschlags-)Wasser in Wasserdampf. Die hier gezeigte reale Verdunstung berücksichtigt im Gegensatz zur potentiellen Verdunstung (= maximal theoretisch mögliche Verdunstungsleistung) die tatsächlichen Verhältnisse eines Standortes (Boden, Vegetation, Witterung).

Die Verdunstungs-Verteilung 1971-2000 ist kleinräumig. Im Sommerhalbjahr liegt die Verdunstung zwischen 200 und 500 Millimetern, südlich der Donau eher höher. Im Winterhalbjahr betragen die Raten zwischen 50 und 250 Millimetern, eher höher im Westen Bayerns. Die Verdunstungs-Änderungssignale liegen im Sommerhalbjahr für Bayern bei Abnahmen zwischen 15 und 5 Millimetern, nur in der Münchner Schotterebene geringer und im Alpenvorland Zunahmen zwischen 5 und 15 Millimetern. Im Winterhalbjahr nehmen die Verdunstungsraten um 5 bis 5 Millimeter zu, im Alpenvorland um 15 bis 25 Millimeter. Bild vergrössern Mittlere tatsächliche Verdunstungsssumme für hydrologisches Sommer- und Winterhalbjahr für den IST-Zustand (1971-2000, kleine Karte) und absolute Änderungen für die nahe Zukunft (2021-2050) in naturräumlich-hydrogeologischen Einheiten

Die Verdunstung ist vor allem temperaturbedingt in den Sommermonaten sehr viel höher als im Winterhalbjahr und kann in einzelnen Naturräumen maximale Werte von bis zu 450 mm/Halbjahr (Alpenvorland/ Nordalpen) erreichen.

Für die Zukunft zeigt das Sommerhalbjahr trotz höherer Temperaturen in den meisten Naturräumen mit der regionalen Klimaprojektiom WETTREG2006 abnehmende Verdunstungsraten zwischen -15 und -5mm, da durch geringere Niederschläge im Sommer weniger Wasser zur Verfügung steht. Die Zunahme der tatsächlichen Verdunstung im Alpenvorland und den Alpen ist ausschließlich auf die Temperaturzunahme zurückzuführen, da hier die Verfügbarkeit von Wasser unabhängig von der Niederschlagsentwicklung keinen limitierenden Faktor für die Verdunstung darstellt. Im Bereich des Donauraums werden erhöhte Verdunstungsraten durch ergiebige Bodenspeicher begünstigt. Für das Winterhalbjahr ergeben sich temperaturbedingt ganzheitlich Verdunstungszunahmen, besonders im Bereich der Nordalpen.

Gesamtabfluss

Der Gesamtabfluss beschreibt den nicht verdunstenden (= abflussrelevanten) Anteil des Niederschlags, unabhängig davon, über welche Fließwege (ober- und unterirdische Komponenten) dies tatsächlich erfolgt.

Je höher das Gelände, desto höher der Abfluss; Sommerhalbjahr: 50 bis 350 Millimeter, Winterhalbjahr: 150 bis 500 Millimeter. Änderungssignale im Sommerhalbjahr zeigen Abnahmen: Unter- und Mittelfranken 15 bis 5 Millimeter, Münchner Schotterebene und Alpenvorland über 25 Millimeter, sonst 25 bis 15 Millimeter. Im Winterhalbjahr überwiegend keine Veränderungen, doch: Abnahmen in Mittelfranken 15 bis 5 Millimeter, Zunahmen im westlichen Unterfranken 5 bis 15 Millimeter und Alpenvorland 15 bis 25 Millimeter. Bild vergrössern Mittlerer Gesamtabfluss für hydrologisches Sommer- und Winterhalbjahr für den IST-Zustand (1971-2000, kleine Karte) und absolute Änderungen für die nahe Zukunft (2021-2050) in naturräumlich-hydrogeologischen Einheiten

Die Gesamtabflusshöhe in den modellierten Teileinzugsgebieten zeichnet sich durch ein sehr breites Wertespektrum aus. Treten im alpinen Bereich mit 1.200mm/a niederschlagsbedingt mit Abstand die höchsten Werte auf, werden im Maindreieck teilweise nur Gesamtabflüsse von 50mm/a erreicht. Die Unterschiede zwischen dem Sommerhalbjahr mit tendenziell niedrigen Werten und dem abflussstarken Winterhalbjahr ist auf die jahreszeitliche Differenzierung der Verdunstung zurückzuführen, die wiederum an die Temperatur gekoppelt ist.

Die innerjährliche Umverteilung der Niederschläge vom Sommer- in das Winterhalbjahr in der regionalen Klimaprojektion WETTREG2006 macht sich auch im zukünftigen Gesamtabfluss bemerkbar: Im Sommerhalbjahr kann eine Tendenz zu spürbar geringeren Werten festgestellt werden. Im Winterhalbjahr ergeben sich für weite Teile Bayerns keine Änderungen des Gesamtabflusses, da die Niederschlagszunahme durch eine erhöhte Verdunstung nahezu vollständig kompensiert wird. Andere Klimaprojektionen als WETTREG2006 können durchaus andere Änderungssignale zeigen.

Zukünftige Wasserbilanz an einem Pegel

Möchte man die Veränderung der Wasserbilanz an einem bestimmten Pegel – und somit für das oberhalb liegende Flusseinzugsgebiet – betrachten, so kann hierfür das Bodenwassermodell nicht eingesetzt werden. Hierfür wird ein Wasserhaushaltsmodell genutzt, mit dem ebenfalls die verschiedenen Größen Niederschlag, Verdunstung und Abfluss gegenübergestellt werden können.

Das folgende Beispiel zeigt die prozentualen Veränderungen der jährlichen Wasserbilanz am Pegel Kemmern am Main. Dabei beziehen sich die Bilanzen des Zeitraums 2021-2050 auf die des Zeitraums 1971-2000. Die Veränderungen wurden aufgrund sechs verschiedener regionaler Klimaprojektionen ermittelt und zeigen deutlich, wie abhängig das Änderungssignal von der betrachteten Klimaprojektion ist. Dies drückt die Unsicherheit aus, die aktuell bei der Nutzung von Klimaprojektionen existiert, und erschwert zudem die Interpretation der Ergebnisse. Nähere Informationen hierzu sind im Klimabericht Bayern zu finden.

Jährliche Wasserbilanz am Pegel Kemmern am Main mit Niederschlag, Verdunstung und Abfluss. Dargestellt ist die Veränderung für 6 regionale Klimaprojektionen für den Zeitraum 2021-2050gegenüber 1971-2000. Deutlich zu erkennen sind die Unterschiede in den verschiedenen Projektionen. Während im Niederschlag Abnahmen von bis zu -3% und Zunahmen bis zu +13% auftreten, nimmt die Verdunstung ingesamt zu. Im Abfluss bedingt dies große Unterschiede von -10% bis +25%. Bild vergrössern Änderung der jährlichen Wasserbilanz am Pegel Kemmern am Main in % für die nahe Zukunft (2021-2050) gegenüber 1971-2000; Einheiten für sechs regionale Klimaprojektionen

Bereits für den jährlichen Niederschlag sind die Veränderungen unterschiedlich (-3% bis + 13%). Vor allem aufgrund der steigenden Temperaturen nimmt die Verdunstung nahezu bei allen Projektionen zu (+0% bis +18%). Die größten Veränderungen treten allerdings beim Abfluss auf. Hier schwankt das Änderungssignal zwischen Abnahmen von -10% und Zunahmen von +25%.

Warum sind die Änderungen im Abfluss prozentual so viel höher als im Niederschlag?

Dies liegt darin begründet, dass der Abfluss den geringsten Anteil der Wasserbilanz besitzt. Zum Beispiel beträgt der Abfluss im Zeitraum
1971-2000 am Pegel Kemmern ca. 315mm gegenüber ca. 815mm Niederschlagssumme. In der Umrechnung auf prozentuale Änderungen bedeutet dies: Eine absolute Zunahme von beispielsweise 100mm bezieht sich beim Abfluss auf eine geringere Ausgangsmenge (315mm) als beim Niederschlag (815mm). Somit führt die gleiche absoluten Zunahme zu 32% Abflussänderung, aber nur zu 12% Niederschlagsänderung.

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