114 research outputs found
Integrated assessment of croplands soil carbon sensitivity to recent and future climate in the Elbe river catchment (central Europe)
No full textCarbon storage in soils is sensitive to changing climatic conditions, potentially increasing C fluxes
from soils to the atmosphere. This study provides an assessment of recent climate variability (1951–2000)
and potential future (2001–2055) climate change impacts on soil C storage for croplands in the German part
of the Elbe River basin. Results indicate that recently (1991–2000) croplands are a net source of carbon (net
annual flux of 10.8 g C m-2 year-1 to the atmosphere). The recent temperature trend for the years 1951–2000
(+0.8 K in summer and +1.4 K in winter mean temperature) alone have already caused a significant net flux
of 1.8 g C m-2 year-1 to the atmosphere. Future climate change (2001–2055) derived from regionalised
meteorological properties driven by the IPCC-SRES A1 scenario results in an increased net C flux of an
additional 4 g C m-2 year-1 in comparison to the reference period (1951–2000). Uncertainties attached to C
flux results are estimated with a standard error of 6%. Besides climate-induced alteration of net C fluxes,
considerable impacts on groundwater recharge (−45.7%), river flow (−43.2%) and crop yield (−11% to
−15% as a basin-wide average for different cereals) were obtained. Recent past and expected temperature
changes within the Elbe basin predominantly contribute to the increase of net C fluxes to the atmosphere.
However, decreased crop growth (crop yields) and decreased expected water availability counteract even
higher net C losses as soil C turnover is reduced through less C input (less crop growth) and drier soil
conditions (decrease in water availability). Based on this study, present-day and potential future
development of net C fluxes, water components and crop yields were quantified. This allows integrated
assessment of different ecosystem services (C storage, water availability and crop yield) under climate
change in river basins
Local and Global Determinants of Hydroclimatic Variability in Central Asia
No full textGebirge sind entscheidende 'Wassertürme' für semiaride und aride Regionen; die Schneedecke der kalten Jahreszeit ist ihre Hauptquelle für den Flussabfluss im Sommer. Beobachtungs- und Wissenslücken zur lokalen Schneedeckendynamik erschweren die Flussabflussvorhersage, besonders in Zentralasien, wo hohe interannuelle Klimavariabilität zu erheblichen Abflussschwankungen führt. Diese Arbeit zielt darauf ab, das Verständnis der hydroklimatischen Variabilität in den zentralasiatischen Bergen zu verbessern und so die saisonale Abflussvorhersage voranzutreiben. Mittels datengetriebener und Ensemble-Methoden untersuche ich empirische Beziehungen zwischen Klima, Topografie, Schneemasse sowie klimatische Telekonnektionen von saisonalem Niederschlag und Abfluss in den Gebirgsbecken. Ich präsentiere ein neuartiges, sparsames Schneemodell mit robuster Generalisierbarkeit und Übertragbarkeit für genaue Schneemassenabschätzungen in datenlimitierten Regionen. Auf saisonalen bis jährlichen Skalen wird die hydroklimatische Variabilität in Zentralasien durch globale ozeanisch-atmosphärische Oszillationen bestimmt, primär die ENSO, die Pazifische Dekaden-Oszillation und die Nordatlantische Oszillation. Die meisten Telekonnektionen zeigen längere zeitliche Nachwirkungen mit variierenden räumlichen Effekten auf saisonale Niederschläge, was sie zu wertvollen Langzeitprädiktoren macht. Schließlich stelle ich ein saisonales Abflussvorhersagesystem für Zentralasien vor, das die Schneedecke im Einzugsgebiet als initiale hydrologische Bedingung und Klimaoszillationsindizes als Vorläufer zukünftiger Klimavariabilität integriert. Die Ergebnisse und Methoden tragen maßgeblich zur hydrologischen Modellierung und operativen Vorhersage in datenarmen, schneeschmelzdominierten Einzugsgebieten bei. Sie verbessern das Verständnis von Klimatelekonnektionen und betonen den Wert großräumiger Oszillationsindizes für schneebasierte Abflussvorhersagen.Mountains are vital ‘water towers’ for semi-arid and arid regions, with snowpack accumulated during the cold season being the primary source of river streamflow during the warm season. Observational and knowledge gaps on local snowpack dynamics complicate the prediction of river discharge, particularly in Central Asia, where high interannual climate variability causes significant fluctuations in river discharge. This thesis aims to improve the understanding of hydroclimatic variability in the Central Asian mountains to advance seasonal streamflow prediction. Using data-driven and ensemble methods, it explores empirical relationships between climate, topography, and snowmass, as well as the climate teleconnections of seasonal precipitation and streamflow in the mountainous basins. The thesis also assesses the suitability of global reanalyses and satellite data for hydrological forecasting. I present a novel, parsimonious snow model with robust generalizability and transferability performance for accurate snow mass estimation in data-limited regions. On seasonal to annual scales, hydroclimatic variability in Central Asia is driven by multiple global ocean-atmospheric oscillations, primarily the El Niño–Southern Oscillation, the Pacific Decadal Oscillation, and the North Atlantic Oscillation. Most teleconnections have longer temporal legacies with varying spatial effects on seasonal precipitation, making them valuable long-lead predictors. Finally, I present a seasonal streamflow forecasting framework for Central Asia that integrates catchment snowpack as initial hydrological conditions and climate oscillation indices as precursors of future climate variability. The findings and methods contribute to hydrological modelling and operational forecasting in data-scarce, snowmelt dominated catchments, enhancing understanding of climate teleconnections and emphasizing the value of large-scale oscillation indices for snow-based streamflow forecasts
Climate and land use change impacts on the water-energy-food nexus in the arid northeast of Brazil – scenario analysis and adaptation options
No full textWithin the German-Brazilian project INNOVATE the interactions of hydrology, water resources management, land
use, climate variability and climate change in the São Francisco river basin (Northeast Brazil, catchment area approximatley
640 000 km2) are analysed with a focus on the Itaparica reservoir in the Sub-Medio São Francisco.
The accumulation of major drought events in the northeast of Brazil over the last years serves as a reminder to
decision makers and water management executives that this is a peak peril. It may become more damaging and
prevalent as climate patterns change. Impacts of land use change (e.g. further increase of irrigated agriculture
already responsible for approximately 80 % of water withdrawals) on water availability, water quality and food
production are another major concern. In order to define sustainable management strategies for the water and
land resources in the river basin, integration of different water-using sectors and actors is needed, considering
upstream-downstream and other user conflicts.
In our presentation we will show how water resources and water quality will develop under different climate and
land use scenarios, using a chain of simulation models driven by global climate and land use scenarios. Quantitative
hydrology and water resources management (reservoir regulation, hydropower production, withdrawals for
irrigation and other water users), water quality and (changing) land use pattern are integrated for the whole river
basin. These results are used in follow-up analyses, e.g. reservoir dynamics (2-D; 3-D) for the Itaparica reservoir
and an optimization model for water resources allocation in the Sub-Medio São Francisco
von lokaler bis europäischer Ebene
No full textThe impacts of climate change can become a trigger for critical changes in the spatial and temporal distribution of water resources in many regions in Europe. This will lead from obviously negative effects in some regions to creation of opportunities in others. In the face of future changes: economic, social and environmental, both natural and triggered by anthropogenic activities, the effective water resources management is becoming a very intricate matter and a serious challenge for the practitioners and scientists. In order to ensure sustainability and robustness of the water management strategies, the impacts of climate change and associated risks have to be quantified and included in the water management plans.
In this Thesis an assessment of impacts of the high-end and moderate climate change scenarios on water resources in Europe was performed by means of application of the process-based eco-hydrological catchment-scale model SWIM (Soil and Water Integrated Model) coupled with the reservoir and water allocation modules. The assessment was conducted at three scales. Firstly, it was performed at the scale of Europe, considering eight representative river basins with varying climatic conditions and anthropogenic services. Then, the scale was narrowed down to a single, highly-regulated river basin in the semi-arid region in Spain, and the impacts of climate change on the reservoirs functioning were assessed. Third, a possibility to harmonize the inter-sectoral water allocation scheme within a highly altered human-hydrological system in the headwaters of the Tagus river basin, Spain in the semi-arid region under reduction in water availability triggered by the projected climate change was evaluated applying a scenario-based approach.
The extrapolation of results allows concluding that the moderate and high-end climate change scenarios of global warming across Europe would lead to decreasing trends in water availability in the southern river basins, an overall increase in discharge of the northern river basins, and increase in winter discharge and decrease in summer water flows in the central European catchments. Besides, a shift in seasonality (due to earlier snow melt) was projected in basins of central and northern Europe. The difference between the high-end and moderate global warming scenarios becomes evident after the mid-century. These findings support the previously reported results of the other studies, mostly conducted with the global-scale models, confirming the robustness of the trends found.
Further, the scaled down assessment of the water scarce catchment in southern Europe, the Tagus river basin, offers a glance on the effects of projected climate change on water resources availability and influence of potential changes on hydropower generation of the three important reservoirs in the basin. The results indicate a substantial decrease of discharge and, consequently, a strong decrease in hydropower production under both future climate scenarios. The findings also show that the vulnerability and adaptive capacity of the reservoirs depend on their size.
Further, on the example of a single water management unit in the headwaters of the same semi-arid southern catchment of the Tagus River it was shown that a shift to sustainable water management strategy and river restoration is possible even under reduced water availability in future. The results suggest that adaptation of the complex water management system to climate change and a shift to a more sustainable management of those could be parts of one joint strategy to cope with climate change impacts.
Though it is impossible to give precise quantitative assessment of all future changes triggered by climate warming, the accounting for climate change impacts may help to take right decisions in the water resources allocation and water management, to assure good environmental conditions and avoid potential socio-economic conflicts in river basins. Even in the face of significant uncertainties, associated with climate projections, managers can pursue an adaptation strategy, based on the win-win or no-regret solutions to minimize the worst potential consequences.
The work, conducted for this Thesis, has contributed to European and Iberian Case studies of the EU funded Project “IMPRESSIONS: Impacts and risks from high-end scenarios: Strategies for innovative solutions”.Die Auswirkungen des Klimawandels können zu Änderungen in der räumlichen und zeitlichen Verteilung von Wasserressourcen in vielen Regionen Europas führen. Für einige Regionen wird es offensichtlich zu negativen Auswirkungen führen, während es in anderen auch zu Verbesserungen führen kann. Angesichts der zukünftigen wirtschaftlichen, sozialen und ökologischen Veränderungen, natur- oder menschbedingt, wird ein effektives Wasserressourcenmanagement zu einem sehr komplexen Problem und stellt eine Herausforderung für die Wissenschaft und die Praxis dar. Um die Effektivität und Robustheit von Wasserressourcenmanagementstrategien sicher zu stellen, müssen Auswirkungen und damit verbunden Risiken des Klimawandels abgeschätzt und in die Wasserressourcenplanungen mit einbezogen werden.
In dieser Dissertation werden die Auswirkungen von extremen und moderaten Klimawandelszenarien auf Wasserressourcen in Europa mittels des hydrologischen, prozessbasierten SWIM (Soil and Water Integrated Model) Models bewertet, das mit einem Wasserspeicher- und Wasserverteilungsmodul gekoppelt ist. Die Bewertung wurde auf drei Skalen durchgeführt: Als erstes wurden auf europäischer Ebene acht repräsentative Einzugsgebiete mit verschiedenen klimatischen und wirtschaftlichen Bedingungen modelliert. Auf Einzugsgebietsebene wurde der stark regulierte, semiaride Tajo Fluss simuliert und die Auswirkungen des Klimawandels auf drei Talsperren bewertet. Zuletzt wurde die Möglichkeit mittels einer Szenario-basierten Analyse bewertet, die inter-sektorale Wasserverteilung im Oberlauf des erheblich anthropogen veränderten Tajo Flusses angesichts der zukünftig reduzierten Wassermengen anzupassen.
In Anbetracht der extremen und moderaten Klimaszenarien lassen sich folgende Trends bei den Wasserressourcen Europas erkennen: Die Wasserverfügbarkeit wird sich in den südlichen Einzugsgebieten verringern und in nördlichen erhöhen. In Zentraleuropa werden sich die Abflüsse im frühen Winter erhöhen und im Sommer reduzieren. Gleichzeitig ist in Zentral- und Norduropa mit Veränderungen in der Abflusssaisonalität zu rechnen, die durch die erhöhten Temperaturen und damit verbundene frühere Schneeschmelzen verursacht werden. Die Unterschiede zwischen den Auswirkungen von extremen und moderaten Klimawandelszenarien werden erst ab Mitte des 21. Jahrhunderts deutlich. Die Ergebnisse bestätigen diejenigen früherer Studien, die überwiegend auf globalen Modellen basierten, und die Robustheit der gefundenen Trends.
In den südlichen Einzugsgebieten wurde die Bewertung der Auswirkungen der extremen und moderaten Klimawandelszenarien auf die Wasserressourcenverfügbarkeit und Wasserkraftnutzung bei drei repräsentativen Talsperren durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen eine erhebliche Reduzierung der Abflüsse im Tajo-Einzugsgebiet in allen drei Talsperren unabhängig vom Klimaszenario, was zu einer starken Reduzierung der Stromerzeugung führt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Klimavulnerabilität von Talsperren und deren Anpassungskapazität von ihrer Größe abhängig sind.
Anhand des Oberlaufs des Tajo-Einzugsgebiets wurde bestätigt, dass die Umstellung auf nachhaltige Wasserressourcenmanagementstrategien und Gewässerrenaturierung auch mit reduzierten Abflüssen möglich ist. Diese Ergebnisse zeigen, dass Anpassungsstrategien für komplexe Wassersysteme und deren Umstellung auf nachhaltigere Managementmethoden gemeinsam die Klimaauswirkungen verringern können.
Obwohl es nicht möglich ist, exakte quantitative Bewertungen von Klimaauswirkungen zu erstellen, kann die Berücksichtigung von Klimaauswirkungen helfen, richtige Entscheidungen bei der Wasserbereitstellung und dem Wassermanagement zu treffen, den ökologischen Zustand des Einzugsgebiets zu verbessern und potenzielle soziale Konflikte um Wasserressourcen zu vermeiden. Angesichts der hohen Unsicherheiten, die mit der Klimafolgenforschung verbunden sind, können Manager eine Anpassungsstrategie verfolgen, die auf „win-win“ Lösungen basiert.
Die Studien, die in dieser Dissertation beschrieben werden, haben zu den europäischen und iberischen Fallstudien des EU finanzierten Projekts „IMPRESSIONS: Impacts and Risks from high-end scenarios: strategies for innovative solutions“ beigetragen.EC/FP7/603416/IMPRESSION
Integrierte Modellierung der Auswirkungen des Globalen Wandels auf den deutschen Teil des Elbeinzugsgebietes
No full textThe scope of this study is to investigate the environmental change in the German part of the Elbe river basin, whereby the focus is on two water related problems: having too little water and having water of poor quality. The Elbe region is representative of humid to semi-humid landscapes in central Europe, where water availability during the summer season is the limiting factor for plant growth and crop yields, especially in the loess areas, where the annual precipitation is lower than 500 mm. It is most likely that water quantity problems will accelerate in future, because both the observed and the projected climate trend show an increase in temperature and a decrease in annual precipitation, especially in the summer. Another problem is nutrient pollution of rivers and lakes. In the early 1990s, the Elbe was one of the most heavily polluted rivers in Europe. Even though nutrient emissions from point sources have notably decreased in the basin due to reduction of industrial sources and introduction of new and improved sewage treatment facilities, the diffuse sources of pollution are still not sufficiently controlled. The investigations have been done using the eco-hydrological model SWIM (Soil and Water Integrated Model), which has been embedded in a model framework of climate and agro-economic models. A global scenario of climate and agro-economic change has been regionalized to generate transient climate forcing data and land use boundary conditions for the model. The model was used to transform the climate and land use changes into altered evapotranspiration, groundwater recharge, crop yields and river discharge, and to investigate the development of water quality in the river basin. Particular emphasis was given to assessing the significance of the impacts on the hydrology, taking into account in the analysis the inherent uncertainty of the regional climate change as well as the uncertainty in the results of the model. The average trend of the regional climate change scenario indicates a decrease in mean annual precipitation up to 2055 of about 1.5 %, but with high uncertainty (covering the range from -15.3 % to +14.8 %), and a less uncertain increase in temperature of approximately 1.4 K. The relatively small change in precipitation in conjunction with the change in temperature leads to severe impacts on groundwater recharge and river flow. Increasing temperature induces longer vegetation periods, and the seasonality of the flow regime changes towards longer low flow spells in summer. As a results the water availability will decrease on average of the scenario simulations by approximately 15 %. The increase in temperatures will improve the growth conditions for temperature limited crops like maize. The uncertainty of the climate trend is particularly high in regions where the change is the highest. The simulation results for the Nuthe subbasin of the Elbe indicate that retention processes in groundwater, wetlands and riparian zones have a high potential to reduce the nitrate concentrations of rivers and lakes in the basin, because they are located at the interface between catchment area and surface water bodies, where they are controlling the diffuse nutrient inputs. The relatively high retention of nitrate in the Nuthe basin is due to the long residence time of water in the subsurface (about 40 years), with good conditions for denitrification, and due to nitrate retention and plant uptake in wetlands and riparian zones. The concluding result of the study is that the natural environment and communities in parts of Central Europe will have considerably lower water resources under scenario conditions. The water quality will improve, but due to the long residence time of water and nutrients in the subsurface, this improvement will be slower in areas where the conditions for nutrient turn-over in the subsurface are poor.Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der Auswirkungen des Globalen Wandels auf den Wasserkreislauf im deutschen Teil des Elbeeinzugsgebietes. Der Fokus liegt dabei auf Wassermengen- und Wasserqualitätsproblemen. Die Elbe liegt im Zentrum Europas im Übergangsbereich zwischen ozeanischen und kontinentalen Klimaten, wo die Wasserverfügbarkeit in den Sommermonaten den limitierenden Faktor für das Pflanzenwachstum und die landwirtschaftlichen Erträge bildet. Dies gilt insbesondere für die Lössgebiete im Lee des Harzes, wo die jährlichen Niederschläge unter 500 mm liegen. Es ist sehr wahrscheinlich, dass sich die Wassermengenprobleme in Zukunft noch verstärken werden, denn sowohl das beobachtete als auch das für die Zukunft projizierte Klima in der Region zeigen höhere Temperaturen und fallende Niederschläge, besonders im Sommer. Ein weiteres Problem ist die hohe Nährstoffbelastung der Flüsse und Seen im Elbeeinzugsgebiet. Anfang der neunziger Jahre war die Elbe eine der am stärksten belasteten Flüsse in Europa. Obwohl die Einträge besonders aus Punktquellen durch den Rückgang der Industrie und den Bau von neuen Kläranlagen seitdem gefallen sind, gelangen trotzdem noch große Nährstoffmengen aus diffusen Quellen in die Gewässer. Die Untersuchungen wurden unter Anwendung des ökohydrologischen Modells SWIM (Soil and Water Integrated Model) durchgeführt, welches über Schnittstellen mit Klimamodellen und agroökonomischen Modellen verbunden wurde. Ein globales Szenario des Klimawandels und des landwirtschaftlichen Wandels wurde regionalisiert, um so die geänderten Randbedingungen für den Szenarienzeitraum zu erhalten. Simulationen mit SWIM dienten dann dazu, die geänderten Randbedingungen in Änderungen im Wasserhaushalt und in den landwirtschaftlichen Erträgen zu transformieren. Außerdem wurde das Langzeitverhalten von Nährstoffen im Untersuchungsgebiet modelliert. Besonderer Wert wurde dabei darauf gelegt, die Unsicherheit der Szenarienergebnisse zu quantifizieren. Der mittlere Szenarientrend zeigt eine Reduzierung der mittleren jährlichen Niederschläge bis zum Jahre 2055 um ungefähr 1.5 %, wobei die Ergebnisse mit einer großen Unsicherheit behaftet sind: die Spannweite der Niederschläge in den Szenarienrealisationen liegt zwischen -15.3 % und +14.8 %. Die Erwärmung unter Szenarienbedingungen mit ungefähr 1.4 K ist weniger unsicher. Diese relativ geringen Änderungen habe starke Auswirkungen auf den Wasserhaushalt im Elbegebiet: durch die steigenden Temperaturen wird die Vegetationszeit verlängert, und die Niedrigabflussperiode im Sommer wird sich in den Herbst ausdehnen. Insgesamt wird unter dem mittleren Szenarientrend die Wasserverfügbarkeit um ca. 15 % abnehmen. Außerdem werden sich durch die steigenden Temperaturen die Anbaubedingungen für wärmeliebende Ackerfrüchte in der Landwirtschaft verbessern. Die Unsicherheit des Klimatrends ist dort am größten, wo auch die lokalen Änderungen am größten sind. Die Simulationsergebnisse für das Nuthe-Teileinzugsgebiet der Elbe zeigen, das Retentionsprozesse im Untergrund und in den Feucht- und Auengebieten einen starken Einfluss auf die Wasserqualität und die Nitratkonzentration der Oberflächengewässer haben, da sie durch ihre Lage im Einzugsgebiet eine Schnittstelle zwischen dem umliegenden Einzugsgebiet und den Flüssen und Seen bilden. Die relativ hohe Umsetzung von Nitrat im Einzugsgebiet der Nuthe kann dadurch erklärt werden, dass Nitrat eine relativ lange Aufenthaltszeit im Grundwasser (im Mittel 40 Jahre) mit einer hohen Nitratumsetzungsrate hat, und durch die guten Denitrifizierungsbedingungen in den Feucht- und Auengebieten. Dazu kommt noch, dass große Nitratmengen durch die Pflanzen in den Feuchtgebieten aus dem Grundwasser aufgenommen werden. Zusammenfassend kann man sagen, das sich die Ökosysteme und die Gesellschaft im Elbeeinzugsgebiet unter Szenarienbedingungen auf niedrigere Wasserverfügbarkeit einstellen müssen. Die Wasserqualität wird sich grundsätzlich zwar weiter verbessern, aber aufgrund der langen Verweilzeit der Nährstoffe im Grundwasser wird dies insbesondere in den Teileinzugsgebieten, in denen die geochemischen Bedingungen für einen hohen Nährstoffumsatz nicht gegeben sind, noch relativ lange dauern
Impact attribution: exploring the contribution of climate change to recent trends in hydrological processes—an editorial introduction
No full text<jats:title>Abstract</jats:title><jats:p>The world is already in the midst of climate change and, in addition to preventing further climate change, it is of fundamental interest to analyse the existing impacts and implement appropriate adaptation measures. To this end, it is important to distinguish the influences of human management and land use change from the pure effects of climate change. However, the attribution of climate change effects in hydrology is still in its infancy, and the aim of this collection with its in total 9 articles is to contribute to a better understanding of the underlying methods on the one hand, and to quantify the recent consequences of climate change for hydrological processes on the other. The attribution of recent trends in mean annual discharge to climate change was possible in 42% of the 97 selected river basins from three continents investigated, mostly pointing on positive trends in streamflow: in Norway, northern Russia, northern Kazakhstan, western China and in the Lake Victoria basin. Negative trends in streamflow attributable to climate change were detected in the Blue Nile and Main Nile, in three basins of Central and South Asia and in the Selenga river.</jats:p>
Coupling a global hydrodynamic algorithm and a regional hydrological model for large-scale flood inundation simulations
No full textAbstract
To bridge the gap between 1D and 2D hydraulic models for regional scale assessment and global river routing models, we coupled the CaMa-Flood (Catchment-based Macro-scale Floodplain) model and the regional hydrological model SWIM (Soil and Water Integrated Model) as a tool for large-scale flood risk assessments. As a proof-of-concept study, we tested the coupled models in a meso-scale catchment in Germany. The Mulde River has a catchment area of ca. 6,171 km2 and is a sub-catchment of the Elbe River. The modified CaMa-Flood model routes the sub-basin-based daily runoff generated by SWIM along the river network and estimates the river discharge as well as flood inundation areas. The results show that the CaMa-Flood hydrodynamic algorithm can reproduce the daily discharges from 1991 to 2003 well. It outperforms the Muskingum flow routing method (the default routing method in the SWIM) for the 2002 extreme flood event. The simulated flood inundation area in August 2002 is comparable with the observations along the main river. However, problems may occur in upstream areas. The results presented here show the potential of the coupled models for flood risk assessments along large rivers.</jats:p
Intercomparison of climate change impacts in 12 large river basins: overview of methods and summary of results
No full text- …
