Impact of hydrological model calibration on the uncertainty of hydrological projections

Abstract

Modelle sind ein wichtiges Werkzeug für das zukünftige Wasser Ressourcen Management. Durch sie ist es uns möglich, die Auswirkungen des Klimawandels abzuschätzen und Änderungen im Wasserkreislauf abzubilden. Eines der am meisten genutzten Arten von hydrologischen Modellen, das Niederschlags-Abfluss Modell, muss jedoch mit Hilfe von Beobachtungsdaten geeicht und validiert werden, bevor es für Vorhersagen genutzt werden kann. Diese Eichung ist eine von mehreren Quellen von Unsicherheiten von Klimasimulationen mit Niederschlags-Abfluss Modellen. Je höher diese Unsicherheiten werden, desto weniger effizient sind die Wassernutzungspläne für die Zukunft, welche auf den Modellen basieren. Die Forschungsziele dieser Diplomarbeit sind 1.) die vier verschiedenen Eichungsvarianten des konzeptionellen hydrologischen Modelles für verschiedene Eichungsperioden in Bezug auf Effektivität zu vergleichen, 2.) die Projektionen der durchschnittlichen jährlichen und saisonalen Abflussänderungen basierend auf sechs verschiedenen Klimaszenarien und vier sozioökonomischen Pfaden zu untersuchen, und 3.) die Unsicherheiten der hydrologischen Projektionen der jährlichen und saisonalen Abflüsse zu evaluieren. Um dies zu erreichen wird das Einzugsgebiet der Thaya verwendet, welches aus den südlichen Teilen Tschechiens und den nördlichen Teilen Österreichs besteht. Die verwendeten Eichungsvarianten sind ein Blockmodell, ein gegliedertes Modell, ein flächendetailliertes Modell und ein gegliedertes Modell mit zusätzlichen Schneedaten. Die drei erstgenannten Modellarten werden für die Perioden 1986–1995, 1991–2000 und 1996–2005 geeicht, das Schneemodell für 1996–2005 und 2001–2010. Die Validierung erfolgt in Periode 2011–2019 für die tschechischen Gebiete des Einzugsgebietes und 2011–2017 für die österreichischen Gebiete. Verwendet wurden die Klimamodelle CMCC-ESM2, EC-EARTH3, GFDL-ESM4, MPI-ESM1.2- HR, MRI-ESM2.0 und TaiESM1 und die sozioökonomischen Pfade SSP 126, SSP 245, SSP 370 and SSP 585 sowie Projektionen für das Jahr 2030. Obwohl die flächendetaillierten Modelle zu den besten Resultaten führen, zeigen alle Mo- delle gute Ergebnisse. Weiters können keine gebietsabhängigen Verhaltensmuster aufgrund der unterschiedlichen Höhenlagen für die benutzten Effizienzkennzahlen oder Eichungsparameter festgestellt werden. Die hydrologischen Projektionen für SSPs 245, 373 und 585 zeigen für die saisonalen Verände- rungen des Abflusses oft ähnliches Verhalten zueinander, während SSP 126 große Unterschiede aufweist. Das Klimamodell CMCC führt meist zu kleinen Verringerungen oder Vermehrungen der Abflüsse, während die anderen Klimamodelle zu signifikanten Verringerungen der saisonalen Abflüsse neigen. Die größten Verringerungen der Abflüsse finden üblicherweise von April bis Juni statt. Über die Unsicherheiten lässt sich sagen, dass die Unterschiede zwischen den Klimamodellen zu kleineren Unsicherheiten führen als die unterschiedlichen Eichungsvarianten. Es zeigt sich hier auch, dass die Eichungsvariante mit der besten Effizienz nicht unumgänglicherweise auch zu den kleinsten Unsicherheiten führt. Wenn man die saisonalen Veränderungen der Abflüsse betrachtet, sieht man, dass die kleinsten Unsicherheiten oft im Juni auftreten. Es können keine ähnlichen konsistenten Verhaltensmuster für die größten Unsicherheiten festgestellt werden. Es gibt auch keine unumstößlichen Hinweise, welcher der SSPs zu den größten Unsicherheiten führt. Für die jährlichen Veränderungen des Abflusses zeigen die unterschiedlichen Eichungsvarianten keine signifikanten Unterschiede für die verschiedenen SSPs und Klimamodelle.