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GLOWA-ELBEAbschlusskonferenz 15./16. März 2004 in PotsdamG

Folgen von Klimawandel und Landnutzungsänderungen für den Landschaftswasserhaushalt und die

landwirtschaftlichen Erträge

Fred HattermannPotsdam-Institut für Klimafolgenforschung e.V.

für d

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

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

Landwirtschaft(Weltmarktpreise, Sortenzucht etc.)

Klima(Niederschläge, Temperatur etc.)

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

Pflanzen-wachstum

Stickstoffkreislauf

Phosphatkreislauf

HydrologischerKreislauf

Oberer Grund-

wasserleiter

UntererGrund-

wasserleiter

en0-2mN-NO3 Noa Nos Nr

Plab Pma Pms

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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

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

Niederschlag [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).

40001/

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

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

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12

Niederschlag [m

m/tag]

Scenario 32 (2051)

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12

iederschlag [mm

Referenz (1981)

NiederschlagGrundwasserneubildungAktuelle VerdunstungBasisabfluss

für d

Verteilung der Niederschlagsänderungen

Mittlerer jährlicher Niederschlag 1961 - 1990

Mittlerer jährlicher Niederschlag 2046-55

(Szenario 32)

für d

Änderung Referenz - Szenario

für d

Variabilitätskoeffizient aus 100 Realisationen

für d

Verteilung der Änderungen in der Grundwasserneubildung

Mittlere jährliche Grundwasserneubildung 1961-1990

für d

Differenz zum Scenario2046-2055 in %

für d

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

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

für d

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-

16001-

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Der Modellverbund STAR RAUMIS SWIM MONERIS

markets

disaggregation

maps of changed land use

biodiversity,landscape

agriculture, Forest

nutrient balancevariation in

yields

global scale

forested / arable landregional adaptation

pattern-generatorwater / nutrient balance

process

quality

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Fig.1: Linkage of eco-hydrological and agri-economical models

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

RAUMIS

Pattern GenerationProcess

Water and Nutrient BalanceSWIM

D 1997

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Unsicherheit der Modellierungsergebnissefür Weizenerträge

ErtragsänderungWinterweizen Variabilitätkoeffizient

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Schl Nie BRB Sa ELBE

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