KlimEx (engl. ClimEx)

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Projekttitel

Klimawandel und Hydrologische Extremereignisse – Risiken und Perspektiven für die Wasserwirtschaft in Bayern (KlimEx).

Kurzbeschreibung

Nicht zuletzt durch die zum Teil dramatischen Folgen der Hochwasserereignisse (2013, 2005, 2002, 1999) oder der ausgedehnten Trockenperioden (Herbst 2011, Frühjahr 2007, Sommer 2003 und 2015) der jüngeren Vergangenheit in Bayern ist die Betrachtung hydrologischer Extremereignisse in den Fokus des Interesses gerückt. Zum einen steht man vor der Herausforderung einer verbesserten Vorhersage derartiger Situationen und der Konsequenzen für das damit einhergehende Risikomanagement. Zum anderen bestehen bislang keine gesicherten Erkenntnisse darüber, ob und in welcher Weise der Klimawandel zu einer Häufung und Verschärfung von hydrologischen Extremereignissen beiträgt.

Zwar wird erwartet, dass sich Häufigkeit und Intensität solcher Extremereignisse im Zusammenhang mit dem Klimawandel ändern, doch bisher kann dies nur unzureichend quantifiziert werden. Damit sich die Wasserwirtschaft an begleitende Risiken und deren dynamische Veränderungen besser anpassen kann, muss man auch die beteiligten Prozesse und Systemzusammenhänge besser verstehen. Das Projekt "Klimawandel und Extreme" (KlimEx) griff diese Problemstellung auf und analysierte insbesondere die Ursachen hydrologischer Extremereignisse. KlimEx ist zudem ein wichtiger Meilenstein in der langjährigen Zusammenarbeit des Freistaates Bayern und der Provinz Québec im Bereich der Klimawissenschaften und der Klimafolgenforschung.

Eine innovative Neuerung des Projektes war die Einbindung des Hochleistungsrechners SuperMUC. Er ermöglichte es, eine sehr große Anzahl von Projektionen und Szenarien zu berechnen (Multi-Modell- und Multi-Szenarien-Ensembles). Diese helfen besser zu quantifizieren, welche Unsicherheiten mit der Dynamik von Hochwasserereignissen unter dem Einfluss des Klimawandels verbunden sind. KlimEx liefert somit eine deutlich erweiterte Grundlage zur:

• Anpassung der Wasserwirtschaft an Risiken und dynamische Veränderungen
• Ableitung von Empfehlungen für eine vorausschauende Bewirtschaftung der bayerischen Wasserressourcen.

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Durch den Einsatz von High Performance Computing entstand ein neuartiges Modellensemble aus hochauflösender Klimamodellierung (Auslösung 12 x 12 km) und prozessbasierter hydrologischer Simulation mit dem Wasserhaushaltsmodell WaSiM (Auflösung 500 x 500 m / 3 h). Die 50 Modellläufe (1950‐2099, RCP8.5-CanESM2-CRCM5) resultieren in 7500 Modelljahren und ermöglichen somit eine statistisch robuste Abschätzung der dynamischen Entwicklung von hydrometeorologischen Extremereignissen im hydrologischen Bayern von der Gegenwart bis zum Ende des 21. Jahrhunderts. KlimEx leistet damit einen innovativen Beitrag zum besseren Verständnis der Rolle von natürlicher Variabilität im Klimasystem und liefert gleichzeitig einen bislang einzigartigen Datensatz zur verbesserten systematischen Erfassung, Interpretation und Bewertung von Extremereignissen im wasserwirtschaftlichen Kontext.

Die Ergebnisse des KlimEx‐Projekts zeigen bei insgesamt deutlich zunehmenden Temperaturen eine tendenzielle Abnahme der mittleren jährlichen Abflüsse. Saisonal prägt sich vor allem eine Zunahme im Winter und eine starke Abnahme im Sommer aus. Bei der Betrachtung von Starkniederschlägen führt der Klimawandel in Mitteleuropa zu einer deutlichen Zunahme des jährlichen Maximalniederschlags, wobei die Stärke der Zunahme mit kürzerer zeitlicher Auflösung ansteigt. Neben der Intensität nimmt auch die Frequenz der Maximalniederschläge zu, bisher 100-jährliche Ereignissen können zukünftig deutlich häufiger auftreten. Für Bayern kann hervorgehoben werden, dass der annähernd unveränderte Jahresniederschlag in der Zukunft an weniger Tagen im Jahr fällt. Gleichzeitig steigt die Anzahl von Starkregentagen. Auch der Anteil des Starkniederschlags am Gesamtniederschlag nimmt zu. Es wird also seltener, dafür aber intensiver regnen. Auch andere Extremereignisse werden in der Folge zunehmen, was sich in einer deutlichen Veränderung der Jährlichkeiten von Hochwasserabflüssen, aber auch der Häufigkeit und Intensität von Dürreperioden und Hitzewellen widerspiegelt. Trotz dieser sehr dominanten Trends gestalten sich die Veränderungen räumlich und zeitlich sehr dynamisch und fallen in den 98 untersuchten bayerischen Flussgebieten durchaus unterschiedlich aus. Sie erfordern die Entwicklung und Implementierung flexibler Anpassungsmechanismen in der Wasserwirtschaft.

Es ist zu beachten, dass die im Projekt ermittelten zukünftigen Veränderungen auf dem RCP-Szenario 8.5 mit dem höchsten Strahlungsantrieb beruhen und lediglich auf einer Modellfamilie. Dies erlaubt neuartige Betrachtungen der natürlichen Variabilität, berücksichtigt aber nicht die Variabilität, die durch verschiedene Klimamodelle in einem Klimaprojektionsensemble entsteht. Die Ergebnisse aus KlimEx werden aktuell aus diesem Grund mit den Ergebnissen der Kooperation KLIWA zusammengeführt und bewertet. Dabei erlaubt das vorliegende neue Large Ensemble mit 7.500 Modelljahren eine robustere Analyse der Extreme als bisher. Das KlimEx-Ensemble gestattet auch die Analyse von außergewöhnlichen Extremereignissen, die so in den Beobachtungszeitreihen noch nie aufgetreten sind.

Projektpartner

Die Bündelung von Kompetenzen verschiedener Projektpartner in KlimEx schafft einen Mehrwert für die wasserwirtschaftliche Forschung und Praxis in Bayern:

• Globale und regionale Klimamodellierung:
  Consortium on Regional Climatology and Adaptation to Climate Change, Montreal, Kanada
• Hydrologische Modellierung:
  Ludwig Maximilians Universität, München
  Centre d'Expertise hydrique du Québec, Montreal, Kanada
  École de Technologie Superieure, Montreal, Kanada
• Höchstleistungsrechnen und Datenmanagement:
  Leibniz Rechenzentrum, Garching; Ludwig Maximilians Universität, München
• Fachliche Begleitung:
  Bayerisches Landesamt für Umwelt (LfU)

Projektleitung

Professor Dr. Ralf Ludwig
Department für Geographie, Ludwig-Maximilian Universität, München.

Laufzeit

2015 bis 2019 (abgeschlossen)

Förderung

Bayerisches Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz.