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Extreme Regenereignisse von kurzer Dauer im Bereich von Stunden und darunter rücken aufgrund der dadurch bedingten Schäden durch Sturzfluten und auch wegen ihrer möglichen Intensivierungen durch den anthropogenen Klimawandel immer stärker in den Fokus. Die vorliegende Studie untersucht auf Basis von teilweise sehr langen (> 50 Jahre) und zeitlich hochaufgelösten Zeitreihen (≤ 15 Minuten) mögliche Trends in Starkregenintensitäten für Stationen aus schweizerischen und österreichischen Alpenregionen sowie für das Emscher-Lippe-Gebiet in Nordrhein-Westfalen. Es wird deutlich, dass es eine Zunahme der extremen Niederschlagsintensitäten gibt, welche gut durch die Erwärmung des regionalen Klimas erklärt werden kann: Die Analysen langfristiger Trends der Überschreitungssummen und Wiederkehrniveaus zeigen zwar erhebliche Unsicherheiten, lassen jedoch eine Zunahme in einer Größenordnung von 30 % pro Jahrhundert erkennen. Zudem wird in diesem Beitrag, basierend auf einer "mittleren" Klimasimulation für das 21. Jahrhundert, für ausgewählte Stationen der Emscher-Lippe-Region eine Projektion für extreme Niederschlagsintensitäten in sehr hoher zeitlicher Auflösung beschrieben. Dabei wird ein gekoppeltes räumliches und zeitliches "Downscaling" angewendet, dessen entscheidende Neuerung die Berücksichtigung der Abhängigkeit der lokalen Regenintensität von der Lufttemperatur ist. Dieses Verfahren beinhaltet zwei Schritte: Zuerst werden großräumige Klimafelder in täglicher Auflösung durch Regression mit den Temperatur- und Niederschlagswerten der Stationen statistisch verbunden (räumliches Downscaling). Im zweiten Schritt werden dann diese Stationswerte mithilfe eines sogenannten multiplikativen stochastischen Kaskadenmodells (MC) auf eine zeitliche Auflösung von 10 Minuten disaggregiert (zeitliches Downscaling). Die neuartige, temperatursensitive Variante berücksichtigt zusätzlich die Lufttemperatur als erklärende Variable für die Niederschlagsintensitäten. Dadurch wird der mit einer Erwärmung zu erwartende höhere atmosphärische Feuchtegehalt, welcher sich aus der Clausius-Clapeyron-Beziehung (CC) ergibt, mit in das zeitliche Downscaling einbezogen.
Für die statistische Auswertung der extremen kurzfristigen Niederschläge wurden die oberen Quantile (99,9 %), Überschreitungssummen (ÜS, P > 5 mm) und 3-jährliche Wiederkehrniveaus (WN) einer Dauerstufe von ≤ 15-Minuten betrachtet. Diese Auswahl erlaubt die gleichzeitige Analyse sowohl von Extremwertstatistiken als auch von deren langfristigen Trends; leichte Abweichungen von dieser Wahl beeinflussen die Hauptergebnisse nur unwesentlich. Nur durch die Hinzunahme der Temperatur wird die beobachtete Temperaturabhängigkeit der extremen Quantile (CC-Scaling) gut wiedergegeben. Bei Vergleich von Beobachtungsdaten und Gegenwartssimulationen der Modellkaskade zeigt das temperatursensitive Verfahren konsistente Ergebnisse. Im Vergleich zu den Entwicklungen der letzten Jahrzehnte werden für die Zukunft ähnliche oder sogar noch stärkere Anstiege der extremen Niederschlagsintensitäten projiziert. Dies ist insofern bemerkenswert, als diese anscheinend hauptsächlich durch die örtliche Temperatur bestimmt werden, denn die projizierten Trends der Niederschlags-Tageswerte sind für diese Region vernachlässigbar.
Scenario-neutral response surfaces illustrate the sensitivity of a simulated natural system, represented by a specific impact variable, to systematic perturbations of climatic parameters. This type of approach has recently been developed as an alternative to top-down approaches for the assessment of climate change impacts. A major limitation of this approach is the underrepresentation of changes in the temporal structure of the climate input data (i.e., the seasonal and day-to-day variability) since this is not altered by the perturbation. This paper presents a framework that aims to examine this limitation by perturbing both observed and projected climate data time series for a future period, which both serve as input into a hydrological model (the HBV model). The resulting multiple response surfaces are compared at a common domain, the standardized runoff response surface (SRRS). We apply this approach in a case study catchment in Norway to (i) analyze possible changes in mean and extreme runoff and (ii) quantify the influence of changes in the temporal structure represented by 17 different climate input sets using linear mixed-effect models. Results suggest that climate change induced increases in mean and peak flow runoff and only small changes in low flow. They further suggest that the effect of the different temporal structures of the climate input data considerably affects low flows and floods (at least 21% influence), while it is negligible for mean runoff.
Modelers can improve a model by addressing the causes for the model errors (data errors and structural errors). This leads to implementing model enhancements (MEs), for example, meteorological data based on more monitoring stations, improved calibration data, and/or modifications in process formulations. However, deciding on which MEs to implement remains a matter of expert knowledge. After implementing multiple MEs, any improvement in model performance is not easily attributed, especially when considering different objectives or aspects of this improvement (e.g., better dynamics vs. reduced bias). We present an approach for comparing the effect of multiple MEs based on real observations and considering multiple objectives (MMEMO). A stepwise selection approach and structured plots help to address the multidimensionality of the problem. Tailored analyses allow a differentiated view on the effect of MEs and their interactions. MMEMO is applied to a case study employing the mesoscale hydro-sedimentological model WASA-SED for the Mediterranean-mountainous Isabena catchment, northeast Spain. The investigated seven MEs show diverse effects: some MEs (e.g., rainfall data) cause improvements for most objectives, while other MEs (e.g., land use data) only affect a few objectives or even decrease model performance. Interaction of MEs was observed for roughly half of the MEs, confirming the need to address them in the analysis. Calibration and increasing the temporal resolution showed by far stronger impact than any of the other MEs. The proposed framework can be adopted in other studies to analyze the effect of MEs and, thus, facilitate the identification and implementation of the most promising MEs for comparable cases.
A comprehensive hydro-sedimentological dataset for the Isabena catchment, northeastern (NE) Spain, for the period 2010-2018 is presented to analyse water and sediment fluxes in a Mediterranean mesoscale catchment. The dataset includes rainfall data from 12 rain gauges distributed within the study area complemented by meteorological data of 12 official meteo-stations. It comprises discharge data derived from water stage measurements as well as suspended sediment concentrations (SSCs) at six gauging stations of the River Isabena and its sub-catchments. Soil spectroscopic data from 351 suspended sediment samples and 152 soil samples were collected to characterize sediment source regions and sediment properties via fingerprinting analyses. The Isabena catchment (445 km(2)) is located in the southern central Pyrenees ranging from 450 m to 2720 m a.s.l.; together with a pronounced topography, this leads to distinct temperature and precipitation gradients. The River Isabena shows marked discharge variations and high sediment yields causing severe siltation problems in the downstream Barasona Reservoir. The main sediment source is badland areas located on Eocene marls that are well connected to the river network. The dataset features a comprehensive set of variables in a high spatial and temporal resolution suitable for the advanced process understanding of water and sediment fluxes, their origin and connectivity and sediment budgeting and for the evaluation and further development of hydro-sedimentological models in Mediterranean mesoscale mountainous catchments.
A comprehensive hydro-sedimentological dataset for the Isábena catchment, northeastern (NE) Spain, for the period 2010–2018 is presented to analyse water and sediment fluxes in a Mediterranean mesoscale catchment. The dataset includes rainfall data from 12 rain gauges distributed within the study area complemented by meteorological data of 12 official meteo-stations. It comprises discharge data derived from water stage measurements as well as suspended sediment concentrations (SSCs) at six gauging stations of the River Isábena and its sub-catchments. Soil spectroscopic data from 351 suspended sediment samples and 152 soil samples were collected to characterize sediment source regions and sediment properties via fingerprinting analyses. The Isábena catchment (445 km 2 ) is located in the southern central Pyrenees ranging from 450 m to 2720 m a.s.l.; together with a pronounced topography, this leads to distinct temperature and precipitation gradients. The River Isábena shows marked discharge variations and high sediment yields causing severe siltation problems in the downstream Barasona Reservoir. The main sediment source is badland areas located on Eocene marls that are well connected to the river network. The dataset features a comprehensive set of variables in a high spatial and temporal resolution suitable for the advanced process understanding of water and sediment fluxes, their origin and connectivity and sediment budgeting and for the evaluation and further development of hydro-sedimentological models in
Mediterranean mesoscale mountainous catchments.