TY  - THES
A1  - Schwandt, Daniel
T1  - Abflußentwicklung in Teileinzugsgebieten des Rheins : Simulationen für den Ist-Zustand und für Klimaszenarien
T1  - Development of runoff in subcatchments of the River Rhine : simulations of the current state and for climate change scenarios
N2  - Die vorliegende Arbeit 'Abflußentwicklung in Teileinzugsgebieten des Rheins - Simulationen für den Ist-Zustand und für Klimaszenarien' untersucht Auswirkungen möglicher zukünftiger Klimaänderungen auf das Abflußgeschehen in ausgewählten, durch Mittelgebirge geprägten Teileinzugsgebieten des Rheins: Mosel (bis Pegel Cochem); Sieg (bis Pegel Menden 1) und Main (bis Pegel Kemmern).In einem ersten Schritt werden unter Verwendung des hydrologischen Modells HBV-D wichtige Modellprozesse entsprechend der Einzugsgebietscharakteristik parametrisiert und ein Abbild der Gebietshydrologie erzeugt, das mit Zeitreihen gemessener Tageswerte (Temperatur, Niederschlag) eine Zeitreihe der Pegeldurchflüsse simulieren kann. Die Güte der Simulation des Ist-Zustandes (Standard-Meßzeitraum 1.1.1961-31.12.1999) ist für die Kalibrierungs- und Validierungszeiträume in allen Untersuchungsgebieten gut bis sehr gut.Zur Erleichterung der umfangreichen, zeitaufwendigen einzugsgebietsbezogenen Datenaufbereitung für das hydrologische Modell HBV-D wurde eine Arbeitsumgebung auf Basis von Programmerweiterungen des Geoinformationssystems ArcView und zusätzlichen Hilfsprogrammen entwickelt. Die Arbeitsumgebung HBV-Params enthält eine graphische Benutzeroberfläche und räumt sowohl erfahrenen Hydrologen als auch hydrologisch geschulten Anwendern, z.B. Studenten der Vertiefungsrichtung Hydrologie, Flexibilität und vollständige Kontrolle bei der Ableitung von Parameterwerten und der Editierung von Parameter- und Steuerdateien ein. Somit ist HBV-D im Gegensatz zu Vorläuferversionen mit rudimentären Arbeitsumgebungen auch außerhalb der Forschung für Lehr- und Übungszwecke einsetzbar.In einem zweiten Schritt werden Gebietsniederschlagssummen, Gebietstemperaturen und simulierte Mittelwerte des Durchflusses (MQ) des Ist-Zustandes mit den Zuständen zweier Klimaszenarien für den Szenarienzeitraum 100 Jahre später (2061-2099) verglichen. Die Klimaszenarien beruhen auf simulierten Zirkulationsmustern je eines Modellaufes zweier Globaler Zirkulationsmodelle (GCM), die mit einem statistischen Regionalisierungsverfahren in Tageswertszenarien (Temperatur, Niederschlag) an Meßstationen in den Untersuchungsgebieten überführt wurden und als Eingangsdaten des hydrologischen Modells verwendet werden.Für die zweite Hälfte des 21. Jahrhunderts weisen beide regionalisierten Klimaszenarien eine Zunahme der Jahresmittel der Gebietstemperatur sowie eine Zunahme der Jahressummen der Gebietsniederschläge auf, die mit einer hohen Variabilität einhergeht. Eine Betrachtung der saisonalen (monatlichen) Änderungsbeträge von Temperatur, Niederschlag und mittlerem Durchfluß zwischen Szenarienzeitraum (2061-2099) und Ist-Zustand ergibt in allen Untersuchungsgebieten eine Temperaturzunahme (höher im Sommer als im Winter) und eine generelle Zunahme der Niederschlagssummen (mit starken Schwankungen zwischen den Einzelmonaten), die bei der hydrologischen Simulation zu deutlich höheren mittleren Durchflüssen von November bis März und leicht erhöhten mittleren Durchflüssen in den restlichen Monaten führen. Die Stärke der Durchflußerhöhung ist nach den individuellen Klimaszenarien unterschiedlich und im Sommer- bzw. Winterhalbjahr gegenläufig ausgeprägt. Hauptursache für die simulierte starke Zunahme der mittleren Durchflüsse im Winterhalbjahr ist die trotz Temperaturerhöhung der Klimaszenarien winterlich niedrige Evapotranspiration, so daß erhöhte Niederschläge direkt in erhöhten Durchfluß transformiert werden können.Der Vergleich der Untersuchungsgebiete zeigt in Einzelmonaten von West nach Ost abnehmende Änderungsbeträge der Niederschlagssummen, die als Hinweis auf die Bedeutung der Kontinentalitätseinflüsse auch unter geänderten klimatischen Bedingungen in Südwestdeutschland aufgefaßt werden könnten.Aus den regionalisierten Klimaszenarien werden Änderungsbeträge für die Modulation gemessener Zeitreihen mittels synthetischer Szenarien abgeleitet, die mit einem geringen Rechenaufwand in hydrologische Modellantworten überführt werden können. Die direkte Ableitung synthetischer Szenarien aus GCM-Ergebniswerten (bodennahe Temperatur und Gesamtniederschlag) an einzelnen GCM-Gitterpunkten erbrachte unbefriedigende Ergebnisse.Ob, in welcher Höhe und zeitlichen Verteilung die in den (synthetischen) Szenarien verwendeten Niederschlags- und Temperaturänderungen eintreten werden, kann nur die Zukunft zeigen. Eine Abschätzung, wie sich die Abflußverhältnisse und insbesondere die mittleren Durchflüsse der Untersuchungsgebiete bei möglichen Änderungen entwickeln würden, kann jedoch heute schon vorgenommen werden. Simulationen auf Szenariogrundlagen sind ein Weg, unbekannte zukünftige Randbedingungen sowie regionale Auswirkungen möglicher Änderungen des Klimasystems ausschnittsweise abzuschätzen und entsprechende Risikominderungsstrategien zu entwickeln. Jegliche Modellierung und Simulation natürlicher Systeme ist jedoch mit beträchtlichen Unsicherheiten verknüpft. Vergleichsweise große Unsicherheiten sind mit der zukünftigen Entwicklung des sozioökonomischen Systems und der Komplexität des Klimasystems verbunden. Weiterhin haben Unsicherheiten der einzelnen Modellbausteine der Modellkette Emissionsszenarien/Gaszyklusmodelle - Globale Zirkulationsmodelle/Regionalisierung - hydrologisches Modell, die eine Kaskade der Unsicherheiten ergeben, neben Datenunsicherheiten bei der Erfassung hydrometeorologischer Meßgrößen einen erheblichen Einfluß auf die Vertrauenswürdigkeit der Simulationsergebnisse, die als ein dargestellter Wert eines Ergebnisbandes zu interpretieren sind.Der Einsatz (1) robuster hydrologischer Modelle, die insbesondere temperaturbeeinflußte Prozesse adäquat beschreiben,(2) die Verwendung langer Zeitreihen (wenigsten 30 Jahre) von Meßwerten und(3) die gleichzeitige vergleichende Betrachtung von Klimaszenarien, die auf unterschiedlichen GCMs beruhen (und wenn möglich, verschiedene Emissionsszenarien berücksichtigen),sollte aus Gründen der wissenschaftlichen Sorgfalt, aber auch der besseren Vergleichbarkeit der Ergebnisse von Regionalstudien im noch jungen Forschungsfeld der Klimafolgenforschung beachtet werden.
N2  - This thesis 'Development of runoff in subcatchments of the River Rhine - simulations of the current state and for climate change scenarios' investigates the impacts of possible future climate changes on runoff and runoff regime in selected subcatchments of the River Rhine. The regional climate in the selected subcatchments Mosel (up to gauge Cochem), Sieg (gauge Menden 1) and Main (gauge Kemmern) is affected by the middle mountain ranges.In a first step, important model processes are parameterized according to catchment characteristics. A representation of the regional hydrology is then produced by using the hydrological model HBV-D. Based on time series of daily measurements (temperature, precipitation) at stations within the catchment, this representation can be used to realistically simulate time series of runoff and discharge. In all examined areas, the quality of simulations of the calibration and validation periods for the current state (standard period of measurements 01/01/1961-12/31/1999) can be regarded as good to excellent. To aid the catchment-specific, extensive and time-consuming data processing, a working environment for the hydrological model HBV-D has been developed. It is based on program extensions of the geographical information system ArcView and further programs. The working environment HBV-Params contains a graphical interface that gives both experienced hydrologists and students full control and enables them to flexibly derive parameter values and edit parameter and control files. In contrast to previous versions with only rudimentary working environments, HBV-D can therefore be utilized for research as well as for educational purposes. In a second step, the current states of areal precipitation, areal temperature and simulated mean discharge (MQ) are compared to the corresponding states for two scenarios of future climate changes (100 years later, 2061-2099). These scenarios are based on simulated global circulations of one model run for each of two global circulation models (GCM). These global circulations are regionalized (downscaled) using a statistical approach into scenario time series of daily values (temperature, precipitation - input for the hydrological model) at control stations within the individual catchments. For the second half of the 21st century, both regionalized climate change scenarios indicate increases in the mean annual areal temperature and mean annual sum of precipitation, along with a high variability of the latter. The seasonal (monthly) changes in temperature, precipitation and mean discharge between scenario state (2061-2099) and current state indicate increases in temperature (higher in summer than in winter) as well as a general increase in precipitation sums (strong fluctuations between individual months). In the hydrological simulations for all investigated catchments, this results in considerably higher mean discharges from November to March and small increases in mean discharge for the other months. The magnitude of the increases in discharge depends on the individual climate change scenario, one showing higher increases than the other during the summer half-year and vice versa for the winter half-year. The main reason for the simulated strong increase in mean discharge during winter half-year is, in spite of higher temperatures, the still relatively low evapotranspiration which allows higher precipitation to be directly transformed into higher discharges. The comparison of the investigated catchments shows decreasing amounts of changes in the sum of precipitation from West to East in individual months. This indicates the importance of continentality under changed climatic conditions in Southwest Germany. For the modification of measured time series (temperature, precipitation), which can be easily converted as synthetic scenarios into simulated hydrological results, amounts of change are derived from regionalized (downscaled) climate change scenarios. The derivation of synthetic scenarios directly from GCM output at individual GCM gridpoints yielded unsatisfactory results. Only the future itself can show whether the timing and amount of changes in temperature and precipitation used in (synthetic) climate change scenarios come close to reality. An assessment of possible developments in runoff regime and specifically mean discharge under possible changed climatic conditions in the investigated catchments is already feasible today. Simulations based on scenarios are one way to establish unknown future boundary conditions for the estimation of regional impacts of possible changes of the climate system. Nevertheless, all types of modeling and simulation of natural systems are linked with uncertainties. Rather large uncertainties persist regarding the future development of the socio-economic system and the complexity of the climate system and earth system. Furthermore, besides data uncertainties associated with the measurement of hydro-meteorological values, uncertainties associated with individual components of the model chain emission scenarios/gas cycle model - GCM/regionalization - hydrological model, which form a cascade of uncertainty, have a great influence on the trustworthiness of the simulation results (which are understood as one shown value within a range of results). In the young field of climate impact research the use of (1) robust hydrological models that adequately describe temperature-dependent processes,(2) long time series (at least 30 years long) of measurements, (3) concurrent comparisons of climate change scenarios, based on different GCMs (and, if possible, different emission scenarios)should be considered for reasons of scientific thoroughness and to improve comparability of regional impact studies.
KW  - Abflußentwicklung
KW  - hydrologische Modellierung
KW  - HBV-D
KW  - Klimaszenarien
KW  - regionale Auswirkungen von Klimaänderungen
KW  - synthetische Klimaszenarien
KW  - Kaska
KW  - runoff development
KW  - hydrological modeling
KW  - HBV-D
KW  - climate change scenarios
KW  - regional climate change impacts
KW  - synthetic climate change scenarios
KW  - casca
Y1  - 2003
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001001
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Duethmann, Doris
A1  - Bolch, Tobias
A1  - Farinotti, Daniel
A1  - Kriegel, David
A1  - Vorogushyn, Sergiy
A1  - Merz, Bruno
A1  - Pieczonka, Tino
A1  - Jiang, Tong
A1  - Su, Buda
A1  - Güntner, Andreas
T1  - Attribution of streamflow trends in snow and glacier melt-dominated catchments of the Tarim River, Central Asia
JF  - Water resources research
N2  - Observed streamflow of headwater catchments of the Tarim River (Central Asia) increased by about 30% over the period 1957-2004. This study aims at assessing to which extent these streamflow trends can be attributed to changes in air temperature or precipitation. The analysis includes a data-based approach using multiple linear regression and a simulation-based approach using a hydrological model. The hydrological model considers changes in both glacier area and surface elevation. It was calibrated using a multiobjective optimization algorithm with calibration criteria based on glacier mass balance and daily and interannual variations of discharge. The individual contributions to the overall streamflow trends from changes in glacier geometry, temperature, and precipitation were assessed using simulation experiments with a constant glacier geometry and with detrended temperature and precipitation time series. The results showed that the observed changes in streamflow were consistent with the changes in temperature and precipitation. In the Sari-Djaz catchment, increasing temperatures and related increase of glacier melt were identified as the dominant driver, while in the Kakshaal catchment, both increasing temperatures and increasing precipitation played a major role. Comparing the two approaches, an advantage of the simulation-based approach is the fact that it is based on process-based relationships implemented in the hydrological model instead of statistical links in the regression model. However, data-based approaches are less affected by model parameter and structural uncertainties and typically fast to apply. A complementary application of both approaches is recommended.
KW  - trend analysis
KW  - data-based
KW  - simulation-based
KW  - multiobjective calibration
KW  - hydrological modeling
KW  - glacier melt
Y1  - 2015
U6  - https://doi.org/10.1002/2014WR016716
SN  - 0043-1397
SN  - 1944-7973
VL  - 51
IS  - 6
SP  - 4727
EP  - 4750
PB  - American Geophysical Union
CY  - Washington
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Aich, Valentin
A1  - Liersch, Stefan
A1  - Vetter, Tobias
A1  - Andersson, Jafet C. M.
A1  - Müller, Eva Nora
A1  - Hattermann, Fred Fokko
T1  - Climate or land use?
BT  - Attribution of changes in river flooding in the Sahel Zone
N2  - This study intends to contribute to the ongoing discussion on whether land use and land cover changes (LULC) or climate trends have the major influence on the observed increase of flood magnitudes in the Sahel. A simulation-based approach is used for attributing the observed trends to the postulated drivers. For this purpose, the ecohydrological model SWIM (Soil and Water Integrated Model) with a new, dynamic LULC module was set up for the Sahelian part of the Niger River until Niamey, including the main tributaries Sirba and Goroul. The model was driven with observed, reanalyzed climate and LULC data for the years 1950–2009. In order to quantify the shares of influence, one simulation was carried out with constant land cover as of 1950, and one including LULC. As quantitative measure, the gradients of the simulated trends were compared to the observed trend. The modeling studies showed that for the Sirba River only the simulation which included LULC was able to reproduce the observed trend. The simulation without LULC showed a positive trend for flood magnitudes, but underestimated the trend significantly. For the Goroul River and the local flood of the Niger River at Niamey, the simulations were only partly able to reproduce the observed trend. In conclusion, the new LULC module enabled some first quantitative insights into the relative influence of LULC and climatic changes. For the Sirba catchment, the results imply that LULC and climatic changes contribute in roughly equal shares to the observed increase in flooding. For the other parts of the subcatchment, the results are less clear but show, that climatic changes and LULC are drivers for the flood increase; however their shares cannot be quantified. Based on these modeling results, we argue for a two-pillar adaptation strategy to reduce current and future flood risk: Flood mitigation for reducing LULC-induced flood increase, and flood adaptation for a general reduction of flood vulnerability.
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 345 
KW  - simulation-based attribution
KW  - Sahel
KW  - Niger River
KW  - climate variability
KW  - hydrological modeling
KW  - flood mitigation
KW  - flood adaptation
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-400115
ER  - 
TY  - THES
A1  - Düthmann, Doris
T1  - Hydrological modeling of mountain catchments in Central Asia
T1  - Hydrologische Modellierung von Gebirgsgebieten in Zentralasien
BT  - approaches for data sparse catchments
BT  - Ansätze für datenarme Einzugsgebiete
N2  - Water resources from Central Asia’s mountain regions have a high relevance for the water supply of the water scarce lowlands. A good understanding of the water cycle in these mountain regions is therefore needed to develop water management strategies. Hydrological modeling helps to improve our knowledge of the regional water cycle, and it can be used to gain a better understanding of past changes or estimate future hydrologic changes in view of projected changes in climate. However, due to the scarcity of hydrometeorological data, hydrological modeling for mountain regions in Central Asia involves large uncertainties.
Addressing this problem, the first aim of this thesis was to develop hydrological modeling approaches that can increase the credibility of hydrological models in data sparse mountain regions. This was achieved by using additional data from remote sensing and atmospheric modeling. It was investigated whether spatial patterns from downscaled reanalysis data can be used for the interpolation of station-based precipitation data. This approach was compared to other precipitation estimates using a hydrologic evaluation based on hydrological modeling and a comparison of simulated and observed discharge, which demonstrated a generally good performance of this method. The study further investigated the value of satellite-derived snow cover data for model calibration. Trade-offs of good model performance in terms of discharge and snow cover were explicitly evaluated using a multiobjective optimization algorithm, and the results were contrasted with single-objective calibration and Monte Carlo simulations. The study clearly shows that the additional use of snow cover data improved the internal consistency of the hydrological model. In this context, it was further investigated for the first time how many snow cover scenes were required for hydrological model calibration.
The second aim of this thesis was the application of the hydrological model in order to investigate the causes of observed streamflow increases in two headwater catchments of the Tarim River over the recent decades. This simulation-based approach for trend attribution was complemented by a data-based approach. The hydrological model was calibrated to discharge and glacier mass balance data and considered changes in glacier geometry over time. The results show that in the catchment with a lower glacierization, increasing precipitation and temperature both contributed to the streamflow increases, while in the catchment with a stronger glacierization, increasing temperatures were identified as the dominant driver.
N2  - Wasserressourcen aus den Gebirgsregionen Zentralasiens haben eine große Bedeutung für die Wasserversorgung der niederschlagsarmen Tiefebenen. Ein gutes Verständnis des Wasserkreislaufs in diesen Gebirgsregionen ist daher eine wichtige Grundlage für die Entwicklung von Wassermanagementstrategien. Hydrologische Modelle sind ein gut geeignetes Hilfsmittel, um den Wasserhaushalt dieser Gebiete besser zu verstehen, sowie Änderungen des Wasserkreislaufs in der Vergangenheit nachzuvollziehen oder zukünftige hydrologische Änderungen infolge des Klimawandels zu projizieren. Allerdings ist die hydrologische Modellierung in Gebirgsgebieten Zentralasiens aufgrund der nur spärlich vorhandenen hydrometeorologischen Daten mit großen Unsicherheiten verbunden.
Das erste Ziel dieser Arbeit war daher, Ansätze für die hydrologische Modellierung zu entwickeln, mit denen die Unsicherheiten der Modellierung in datenarmen Gebirgsregionen reduziert werden können. Dazu wurden zusätzliche Daten aus der Fernerkundung und atmosphärischen Modellierung verwendet. Es wurde untersucht, ob räumliche Muster von herunterskalierten Reanalysedaten für die Interpolation von stationsbasierten Niederschlagsdaten verwendet werden können. Diese Methode zeigte bei einem Vergleich mit anderen Niederschlagsschätzungen, wozu ein Ansatz basierend auf hydrologischer Modellierung und dem Vergleich von beobachteten und simulierten Abflussdaten angewandt wurde, generell gute Ergebnisse. Des Weiteren wurde in dieser Arbeit der Wert von satellitenbasierten Schneebedeckungsdaten analysiert. Der Zielkonflikt zwischen hoher Modellgüte bezüglich Abfluss und Schneebedeckung wurde explizit mit einem multiobjektiven Kalibrieralgorithmus untersucht. Die Ergebnisse wurden mit Modellkalibrierungen mit nur einer Zielfunktion sowie mit Monte-Carlo-Simulationen verglichen. Die Studie zeigt sehr deutlich, dass die zusätzliche Verwendung von Schneebedeckungsdaten die interne Konsistenz des Modells erhöht. In diesem Zusammenhang wurde auch erstmalig die Anzahl der für die Modellkalibrierung erforderlichen Schneebedeckungsszenen analysiert.
Das zweite Ziel dieser Arbeit war die Anwendung des hydrologischen Modells, um die Ursachen einer beobachteten Zunahme des Abflusses in zwei Kopfeinzugsgebieten des Tarim-Flusses über die letzten Jahrzehnte zu untersuchen. Dieser simulationsbasierte Ansatz zur Trendattributierung wurde durch einen datenbasierten Ansatz ergänzt. Das hydrologische Modell wurde sowohl an Abfluss- als auch an Gletschermassenbilanzdaten kalibriert und berücksichtigt Änderungen in der Gletschergeometrie über die Zeit. Die Ergebnisse zeigen, dass in dem geringer vergletscherten Gebiet Zunahmen im Niederschlag und in der Temperatur zum Anstieg des Abflusses beigetragen haben, während in dem stärker vergletscherten Gebiet die Temperaturzunahme als dominierender Treiber identifiziert wurde.
KW  - hydrological modeling
KW  - mountain hydrology
KW  - precipitation interpolation
KW  - multiobjective calibration
KW  - remote sensing data
KW  - trend attribution
KW  - hydrologische Modellierung
KW  - Gebirgshydrologie
KW  - Niederschlagsinterpolation
KW  - multiobjektive Kalibrierung
KW  - Fernerkundungsdaten
KW  - Trendattributierung
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-80071
ER  -