Lucy Mphatso Ng'ombe Mtilatila

• The work is designed to investigate the impacts and sensitivity of climate change on water resources, droughts and hydropower production in Malawi, the South-Eastern region which is highly vulnerable to climate change. It is observed that rainfall is decreasing and temperature is increasing which calls for the understanding of what these changes may impact the water resources, drought occurrences and hydropower generation in the region. The study is conducted in the Greater Lake Malawi Basin (Lake Malawi and Shire River Basins) and is divided into three projects. The first study is assessing the variability and trends of both meteorological and hydrological droughts from 1970-2013 in Lake Malawi and Shire River basins using the standardized precipitation index (SPI) and standardized precipitation and evaporation Index (SPEI) for meteorological droughts and the lake level change index (LLCI) for hydrological droughts. And later the relationship of the meteorological and hydrological droughts is established. While the second studyThe work is designed to investigate the impacts and sensitivity of climate change on water resources, droughts and hydropower production in Malawi, the South-Eastern region which is highly vulnerable to climate change. It is observed that rainfall is decreasing and temperature is increasing which calls for the understanding of what these changes may impact the water resources, drought occurrences and hydropower generation in the region. The study is conducted in the Greater Lake Malawi Basin (Lake Malawi and Shire River Basins) and is divided into three projects. The first study is assessing the variability and trends of both meteorological and hydrological droughts from 1970-2013 in Lake Malawi and Shire River basins using the standardized precipitation index (SPI) and standardized precipitation and evaporation Index (SPEI) for meteorological droughts and the lake level change index (LLCI) for hydrological droughts. And later the relationship of the meteorological and hydrological droughts is established. While the second study extends the drought analysis into the future by examining the potential future meteorological water balance and associated drought characteristics such as the drought intensity (DI), drought months (DM), and drought events (DE) in the Greater Lake Malawi Basin. The sensitivity of drought to changes of rainfall and temperature is also assessed using the scenario-neutral approach. The climate change projections from 20 Coordinated Regional Climate Downscaling Experiment (CORDEX) models for Africa based on two scenarios (RCP4.5 and RCP8.5) for the periods 2021–2050 and 2071–2100 are used. The study also investigates the effect of bias-correction (i.e., empirical quantile mapping) on the ability of the climate model ensemble in reproducing observed drought characteristics as compared to raw climate projections. The sensitivity of key hydrologic variables and hydropower generation to climate change in Lake Malawi and Shire River basins is assessed in third study. The study adapts the mesoscale Hydrological Model (mHM) which is applied separately in the Upper Lake Malawi and Shire River basins. A particular Lake Malawi model, which focuses on reservoir routing and lake water balance, has been developed and is interlinked between the two basins. Similar to second study, the scenario-neutral approach is also applied to determine the sensitivity of climate change on water resources more particularly Lake Malawi level and Shire River flow which later helps to estimate the hydropower production susceptibility. Results suggest that meteorological droughts are increasing due to a decrease in precipitation which is exacerbated by an increase in temperature (potential evapotranspiration). The hydrological system of Lake Malawi seems to have a >24-month memory towards meteorological conditions since the 36-months SPEI can predict hydrological droughts ten-months in advance. The study has found the critical lake level that would trigger hydrological drought to be 474.1 m.a.s.l. Despite the differences in the internal structures and uncertainties that exist among the climate models, they all agree on an increase of meteorological droughts in the future in terms of higher DI and longer events (DM). DI is projected to increase between +25% and +50% during 2021-2050 and between +131% and +388% during 2071-2100. This translates into +3 to +5, and +7 to +8 more drought months per year during both periods, respectively. With longer lasting drought events, DE is decreasing. Projected droughts based on RCP8.5 are 1.7 times more severe than droughts based on RCP4.5. It is also found that an annual temperature increase of 1°C decreases mean lake level and outflow by 0.3 m and 17%, respectively, signifying the importance of intensified evaporation for Lake Malawi’s water budget. Meanwhile, a +5% (-5%) deviation in annual rainfall changes mean lake level by +0.7 m (-0.6 m). The combined effects of temperature increase and rainfall decrease result in significantly lower flows on Shire River. The hydrological river regime may change from perennial to seasonal with the combination of annual temperature increase and precipitation decrease beyond 1.5°C (3.5°C) and -20% (-15%). The study further projects a reduction in annual hydropower production between 1% (RCP8.5) and 2.5% (RCP4.5) during 2021–2050 and between 5% (RCP4.5) and 24% (RCP8.5) during 2071–2100. The findings are later linked to global policies more particularly the United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC)’s Paris Agreement and the United Nations (UN)’s Sustainable Development Goals (SDGs), and how the failure to adhere the restriction of temperature increase below the global limit of 1.5°C will affect drought and the water resources in Malawi consequently impact the hydropower production. As a result, the achievement of most of the SDGs will be compromised. The results show that it is of great importance that a further development of hydro energy on the Shire River should take into account the effects of climate change. The information generation is important for decision making more especially supporting the climate action required to fight against climate change. The frequency of extreme climate events due to climate change has reached the climate emergency as saving lives and livelihoods require urgent action.…
• Ziel der Arbeit ist es, die Auswirkungen und die Sensitivität des Klimawandels auf die Wasser¬ressourcen, Dürren und die Wasserkrafterzeugung in Malawi zu untersuchen, einer Region im Südosten Afrikas, die besonders anfällig für den Klimawandel ist. Es ist zu beobachten, dass die Niederschläge abnehmen und die Temperaturen steigen, was Untersuchungen nahelegt, inwiefern sich diese Veränderungen auf die Wasserressourcen, Dürren und die Wasserkraft¬erzeugung in der Region auswirken können. Die Studie wird im Flussgebiet des Malawi-Sees (Einzugsgebiet des Malawi-Sees und des Shire-Flusses) durchgeführt und ist in drei Projekte unterteilt. In der ersten Studie werden die Variabilität und die Trends von meteorologischen und hydrologischen Dürren im Zeitraum 1970-2013 im Malawi-See- und Shire-Flusseinzugs¬gebiet anhand des standardisierten Niederschlagsindexes (SPI) und des standardisierten Niederschlags- und Verdunstungsindexes (SPEI) für meteorologische Dürren und des Indexes für die Veränderung des Seespiegels (LLCI) für hydrologischeZiel der Arbeit ist es, die Auswirkungen und die Sensitivität des Klimawandels auf die Wasser¬ressourcen, Dürren und die Wasserkrafterzeugung in Malawi zu untersuchen, einer Region im Südosten Afrikas, die besonders anfällig für den Klimawandel ist. Es ist zu beobachten, dass die Niederschläge abnehmen und die Temperaturen steigen, was Untersuchungen nahelegt, inwiefern sich diese Veränderungen auf die Wasserressourcen, Dürren und die Wasserkraft¬erzeugung in der Region auswirken können. Die Studie wird im Flussgebiet des Malawi-Sees (Einzugsgebiet des Malawi-Sees und des Shire-Flusses) durchgeführt und ist in drei Projekte unterteilt. In der ersten Studie werden die Variabilität und die Trends von meteorologischen und hydrologischen Dürren im Zeitraum 1970-2013 im Malawi-See- und Shire-Flusseinzugs¬gebiet anhand des standardisierten Niederschlagsindexes (SPI) und des standardisierten Niederschlags- und Verdunstungsindexes (SPEI) für meteorologische Dürren und des Indexes für die Veränderung des Seespiegels (LLCI) für hydrologische Dürren untersucht. Anschließend wird der Zusammenhang zwischen meteorologischen und hydrologischen Dürren hergestellt. In der zweiten Studie wird die Dürreanalyse in die Zukunft ausgedehnt, indem die potenzielle künftige meteorologische Wasserbilanz und die damit verbundenen Dürremerkmale wie Dürre¬intensität (DI), Dürremonate (DM) und Dürreereignisse (DE) im Einzugsgebiet des Malawisees untersucht werden. Die Empfindlichkeit der Dürre gegenüber Veränderungen der Nieder¬schlags¬menge und der Temperatur wird anhand des „Szenario-neutralen“ Ansatzes bewertet. Es werden die Projektionen des Klimawandels aus 20 „Coordinated Regional Climate Downscaling Experiment“ Modellen für Afrika auf der Grundlage von zwei Szenarien (RCP4.5 und RCP8.5) für die Zeiträume 2021-2050 und 2071-2100 verwendet. Die Studie untersucht auch die Auswirkung der Fehlerkorrektur (via „empirical quantile mapping) auf die Möglichkeit des Klimamodell-Ensembles, beobachtete Dürrecharakteristika im Vergleich zu den Originaldaten der Klimaprojektionen wieder¬zugeben. In der dritten Studie wird die Sensitivität der wichtigsten hydrologischen Variablen und der Wasserkrafterzeugung auf den Klimawandel in den Einzugsgebieten des Malawi-Sees und des Shire-Flusses untersucht. In der Studie wird das meso-skalige hydrologische Modell (mHM) angepasst, welches in den Einzugsgebieten des Malawisees und des Shire-Flusses getrennt angewendet wird. Ein spezielles Modell für den Malawisee, welches sich auf die Wellenver¬formung im See und dessen Wasserbilanz, wurde entwickelt und wurde mit den beiden Einzugsgebieten gekoppelt. Ähnlich wie in der zweiten Studie wird auch hier der Szenario-neutrale Ansatz angewandt, um die Sensitivität des Klimawandels auf die Wasserressourcen zu bestimmen, insbesondere auf den Wasserstand im Malawisee und den Durchfluss des Shire-Flusses, was später zur Abschätzung der Anfälligkeit der Wasserkraft-produktion nötig ist. Die Ergebnisse lassen erwarten, dass meteorologische Dürren aufgrund von Niederschlags-rückgang zunehmen, was durch einen Temperaturanstieg (und dadurch erhöhte Verdunstung) noch verschärft wird. Das hydrologische System des Malawi-Sees scheint ein >24-monatiges „meteorologisches Gedächtnis“ zu haben, da mit den 36-monatigen SPEI-Indizes, hydrologische Dürren zehn Monate im Voraus vorhersagbar sind. Die Studie ergab zudem, dass der kritische Seespiegel zur Auslösung hydrologische Dürren bei 474,1 m+NN liegt. Trotz der Unterschiede in internen Strukturen und Unsicherheiten der verschiedenen Klimamodelle, stimmen sie darin überein, dass meteorologische Dürren in der Zukunft in Form von höheren DI und längeren Ereignissen (DM) zunehmen werden. Die DI würde im Zeitraum 2021-2050 um +25 % bis +50 % und im Zeitraum 2071-2100 um +131 % bis +388 % zunehmen. Dies bedeutet 3 bis 5 bzw. 7 bis 8 Dürremonate mehr pro Jahr in beiden Zeiträumen. Bei länger anhaltenden Dürreereignissen nehmen die DE ab. Die prognostizierten Dürren auf der Grundlage des RCP8.5 sind 1,7-mal schwerer als die Dürren auf der Grundlage des RCP4.5. Es wird auch festgestellt, dass ein jährlicher Temperaturanstieg von 1°C den mittleren See-spiegel und den Abfluss um 0,3 m bzw. 17 % verringert, was auf die Bedeutung einer verstärk¬ten Verdunstung für den Wasserhaushalt des Malawisees hinweist. Eine Abweichung von +5 % (-5 %) bei den jährlichen Niederschlägen verändert den mittleren Seespiegel um +0,7 m (-0,6 m). Die kombinierten Auswir¬kungen des Temperaturanstiegs und des Niederschlagsrück¬gangs führen zu einem deutlich geringeren Durchfluss im Shire River. Das hydrologische Regime des Flusses kann sich bei einer Kombination aus jährlicher Temperaturerhöhung und Niederschlagsabnahme um mehr als 1,5°C (3,5°C) und -20% (-15%) von mehrjährig zu saisonal ändern. Die Studie prognostiziert ferner einen Rückgang der jährlichen Wasserkraft¬produktion zwischen 1 % (RCP8.5) und 2,5 % (RCP4.5) im Zeitraum 2021-2050 und zwischen 5 % (RCP4.5) und 24 % (RCP8.5) im Zeitraum 2071-2100. Die Ergebnisse werden letztlich mit der globalen Politik in Verbindung gebracht, insbesondere mit dem Pariser Abkommen des Rahmenübereinkommens der Vereinten Nationen über Klima-änderungen (UNFCCC) und den Zielen für nachhaltige Entwicklung (SDGs) der Vereinten Nationen (UN). Zudem damit, wie sich die Nichteinhaltung der Begrenzung des Temperatur-anstiegs auf 1,5°C auf die Dürre und die Wasserressourcen in Malawi auswirken wird, was wiederum Auswirkungen auf die Wasserkraftproduktion hat. Infolgedessen wird die Erreichung der meisten SDGs gefährdet sein. Die Ergebnisse zeigen, dass es von großer Bedeutung ist, dass bei der weiteren Entwicklung der Wasserkraft am Shire River die Auswirkungen des Klimawandels berücksichtigt werden sollten. Die Generierung von Informationen ist wichtig für die Entscheidungsfindung, insbesondere für die Unterstützung von Klimaschutzmaßnahmen, die zur Bekämpfung des Klimawandels erforderlich sind. Die Häufigkeit extremer Klimaereignisse aufgrund des Klimawandels hat einen kritischen Punkt erreicht, so dass die Rettung von Leben und die Bewahrung der Lebensgrundlagen dringende Maßnahmen erfordert.…