Modellensembles zur Vorhersage von hydro-biogeochemischen Flüssen unter Klimawandel

• Antragsteller: Professor Dr. Lutz Breuer; Professor Dr. Jürg Luterbacher
• Fachliche Zuordnung: Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung ; Physik und Chemie der Atmosphäre ; Physische Geographie
• Förderung: Förderung von 2008 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 65984298

Im vorliegenden Projektantrag sollen die Unsicherheiten von gekoppelten hydrologischen und biogeochemischen Modellen im Zuge des Klimawandels im Einzugsgebiet der Fulda (Deutschland) und der Themse (Großbritannien) betrachtet werden. Das Vorhaben setzt die Arbeiten des DFG-Projekts BR2238/5-1 fort. Bislang werden zwei Arten von Multi-Modell-Ensembles (MME) in der Analyse hydrologischer Reaktionen auf den Klimawandel eingesetzt: (i) ein Wirkungsmodell, z.B. Hochwassermodell, wird mit einer Reihe von statistisch herunterskalierten globalen Zirkulationsmodellen angetrieben; (ii) unterschiedliche Wirkungsmodelle mit verschiedenen Modellstrukturen und -prozessen werden mit einem singulären Klimaantrieb gesteuert. Während sich Ansatz (i) auf Unsicherheiten in den Modellantriebsdaten konzentriert, fokussiert Ansatz (ii) den Blick auf die Unsicherheiten in den Wirkungsmodellen. In diesem Projekt sollen beide Unsicherheiten gemeinsam erforscht werden. Bislang gibt es nur begrenzte Informationen über die Kombination dieser Unsicherheit. Die wenigen veröffentlichten Ergebnisse in der Hydrologie zeigen einen zum Teil sehr großen Beitrag der Modellstruktur zur Gesamtunsicherheit. Keinerlei Informationen liegen hingegen über den Beitrag der Unsicherheit in biogeochemischen Modellen vor. Wir beabsichtigen daher neben Wasserkomponenten verschiedene gelöste Stickstoffverbindungen (Gesamt-Stickstoff, Ammoniak, Nitrat) in Gewässern als wichtige Indikatoren für den Ökosystemzustand zu modellieren. Hydrologische und biogeochemische Prozesse verteilen sich in Einzugsgebieten mit ihrem komplexen Wirkungsgefüge aus unterschiedlichen Ökosystemen heterogen in Raum und Zeit. Wetterextreme und topographische Besonderheiten führen zu so genannten hot moments und hot spots. Extremereignisse können auch bei längerfristigen Beobachtungsperioden die Gesamtbilanz im Wasser- und Stoffhaushalt signifikant beeinflussen. Wo und wann treten solche Extremereignisse auf? Und werden sich diese Muster in der Zukunft unter Klimawandel ändern? Wetterextreme aus der jüngsten Vergangenheit, wie z.B. der Jahrhundertsommer 2003 in Europa oder die Kältewelle The Big Freeze 2010 in Großbritannien, werden genutzt, um diese Fragen näher zu untersuchen. Das Projekt ist in drei Arbeitspakete gegliedert: In Arbeitspaket 1 werden die hydro- biogeochemischen MME aufgebaut und kalibriert. Dazu wird ein neu entwickelter Modellbaukasten verwendet. In Arbeitspaket 2 werden Multi-Modell-Projektionen des zukünftigen Klimas basierend auf herunterskalierten regionalen Klimamodellen generiert. Ein besonderer Schwerpunkt wird auf der Simulation von Wetterextremen liegen. Die Analyse der unterschiedlichen Modellkombinationen, d.h. der Antrieb der hydro-biogeochemischen MME mit den Klima-MME, erfolgt anschließend in Arbeitspaket 3. Hier werden eine Vielzahl von deterministischen, probabilistischen und konditionalen Integrationsverfahren genutzt, um die gekoppelten MME auszuwerten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Australien
• Beteiligte Personen: Dr. Jean-Francois Exbrayat; Professor Dr. Douglas Maraun