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Transient merging of two Rhine flow regimes from climate change

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[Quelle: https://d-nb.info]

Überflutungen durch Flusshochwasser stellen für zahlreiche Städte und Gemeinden auf der ganzen Welt eine große Gefahr dar. Die Detektion, Quantifizierung und Attribuierung sich verändernder Hochwassereigenschaften ist wichtig, um Änderungen in der Gefahrenlage zu bewerten und Anrainerstaaten die Möglichkeit zur Abschwächung und Anpassung an das Hochwasserrisiko zu geben. Der Rhein ist einer der großen Flüsse Europas und zahlreiche Städte liegen an seinen Ufern. Sich überlagernde Abflüsse aus den großen Zuflüssen prägen das komplexe Abflussregime des Rheins. Sowohl Regen, Schneeschmelze als auch Eisschmelze sind wichtige Abflusskomponenten. Vorrangiges Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Möglichkeit einer durch den Klimawandel verursachten vorübergehenden Überlagerung von nivalen und pluvial Hochwasserereignissen im Rheingebiet. Steigende Temperaturen können zu einer früheren Schneeschmelze und intensivieren Niederschlägen führen. Die Überlagerung von durch Schneeschmelze angetriebenen Spitzenabflüssen aus den Alpen mit intensiveren Hochwasserereignissen aus den pluvialen Zuflüssen, könnte zur Bildung eines neuen Hochwassertyps mit möglicherweise katastrophalen Folgen führen. Eine interaktive Web-Anwendung, die es ermöglicht, Zeitpunkt und Saisonalität von Abfluss auf der ganzen Welt zu untersuchen, führt in die Thematik sich verändernder hydrologischer Abflussregime ein. Die Untersuchungen und der Vergleich von unterschiedlichsten Abflusspegeln im Rheingebiet und darüber hinaus weißen darauf hin, dass sich Flusssysteme auf der ganzen Welt im Wandel befinden. In der Gefahren- und Risikoforschung ist die Bereitstellung von Hintergrundinformationen und Informationen zu aktuellen Entwicklungen für Anwohner und Entscheidungsträger auf leicht zugängliche Weise von großer Bedeutung. Zukünftige Studien sollten sich das Potential wissenschaftlicher Web-Anwendungen, um die Kommunikation in Bezug auf Naturgefahren und -risiken zu verbessern, verstärkt zu Nutze machen. Nächster Schritt ist die Entwicklung einer kaskadierenden Sequenz analytischer Methoden, um langfristige Änderungen in hydro-klimatoligischen Zeitreihen zu detektieren. Eine Kombination aus Quantil-Berechnungen, Statistiken basierend auf gleitenden Mittelwerten und empirischer Bandzerlegung ermöglicht die Extraktion hochaufgelöster Signale und die Identifizierungen zu Grunde liegender Antriebsmechanismen. Die Ergebnisse der Analysen zeigen, dass der Bau und Betrieb von großen Stauseen zur Gewinnung von Wasserkraft zu einer Umverteilung von Wasser vom Sommer in den Winter führt. Zudem weisen die Ergebnisse auf (mehr) intensivere Niederschläge hin, die wiederum hohe Abflussquantile intensivieren. Die Entwicklung und Anwendung der analytischen Sequenz stellt einen weiteren Schritt in dem wissenschaftlichen Bestreben, natürliche Klimavariabilität, Signale des Klimawandels und direkte anthropogene Einflüsse zu entwirren, dar. Die detaillierte Untersuchung von Schneemessungen und die Simulation der alpinen Schneedecke mittels physikalisch-basiertem Schneemodell, ermöglicht die Quantifizierung von Änderungen in der Schneeschmelze im Rheingebiet oberhalb von Basel. Steigenden Temperaturen verringern nicht nur hohe Schmelzraten, ein Dreifach-Effekt kann identifiziert werden: Schneeschmelze wird schwächer, findet früher statt und formiert sich in höhere Lagen. Auf Grund der großen Höhenunterschiede im Gebiet, findet die Schneeschmelze nicht gleichzeitig in allen Höhenlagen statt. Simulationen weisen darauf hin, dass Höhenbänder zusammen in Blöcken schmelzen. Der Beginn und das Ende eines Schmelzereignisses scheint durch vorbeiziehende warme Luftmassen und die betroffenen Höhenlagen durch zugehörige Temperaturen und die Schneeverfügbarkeit bestimmt zu werden. Basieren auf diesen Erkenntnissen, wird eine Hypothese, die höhenabhängige Kompensationseffekte in der Schneeschmelze beschreibt, vorgestellt: In einem wärmeren Klima mit einer gleichbleibenden Abfolge von Witterungsbedingungen, findet die Schneeschmelze in höheren Lagen statt, d.h., der Block an Höhenbändern, der den Hauptbestandteil des Schmelzwassers freigibt, ist nach oben verschoben. Die Verschiebung in höhere Lagen führt dazu, dass die Schneeschmelze in einzelnen Höhenbändern früher kommt, der Zeitpunkt des Schmelzereignisses jedoch unverändert bleibt. Schmelzwasser aus höheren Lagen ersetzt, zumindest teilweise, Schmelzwasser aus tieferen Lagen. Die Erkenntnisse über historische und gegenwärtige Änderungen im Abfluss, der Schneedecke und zu Grunde liegenden Mechanismen bilden die Grundlage der Untersuchungen möglicher zukünftiger Änderungen im Abfluss des Rheins. Das für die Mesoskala entwickelte hydrologisiche Modell mHM wird mit einem Ensemble aus Klimaszenarien angetrieben und projizierte Änderungen im Abfluss, der Schneeschmelze, im Niederschlag und der Evapotranspiration bei 1.5, 2.0 und 3.0 ◦ C Erwärmung untersucht. Ergebnisse der hydrologischen Simulationen zeigen, dass künftige Änderungen der Hochwassereigenschaften im Rheingebiet durch zunehmenden Niederschlagsmengen und abnehmende Schneeschmelze bestimmt werden. Steigende Temperaturen verringern saisonale Schneedecken. Zu keinem Zeitpunkt im Jahr führen höhere Temperaturen zu einer Zunahme des Hochwasserrisikos durch die Schneeschmelze. Kompensationseffekte zwischen Schneeschmelze und Niederschlag resultieren oftmals in geringe und nur vorübergehende Erhöhungen von Spitzenabflüssen. Obwohl Untersuchungen auf Veränderungen sowohl in der Schneeschmelze als auch im Niederschlag hinweisen, finden sich keine Hinweise auf eine durch den Klimawandel verursachte vorübergehende Überlagerung von nivalen und pluvialen Hochwasserregimen im Rheingebiet. Hochwasserereignisse in den Hauptzuflüssen, wie zu Beispiel der Mosel, und dem Hochrhein werden sowohl durch Niederschläge als auch Schneeschmelze kontrolliert. Vorsicht muss geübt werden, wenn Teilgebiete, wie das Einzugsgebiet der Mosel als rein pluvial oder das Rheingebiet oberhalb von Basel als rein nival gesehen werden. Die Ergebnisse zeigen, dass diese (zu starke) Vereinfachung zu irreführenden Annahmen bezüglich möglicher Änderungen von Hochwasser verursachender Mechanismen und Hochwassergefahr führen können. Diese Doktorarbeit ist ein Schritt vorwärts im wissenschaftlichen Streben die Detektion, Quantifizierung und Attribuierung vergangener und zukünftiger Veränderungen in den Abfluss- und Hochwasserregimen des Rheins zu verbessern. Weitere Untersuchungen sind nötig, um zukünftige Veränderungen in der Hochwassergenese sehr seltener Hochwasserereignisse einzuschätzen.

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