Investigation of evapotranspiration concepts in hydrological modelling for climate change impact assessment

Abstract

Climate change (CC) will impact water resources. Assessing the extent of these impacts in due time is an important task, as it forms the basis for decision making. Unfortunately, the extent of this forecasted impact depends very much on data and tools used for this task. Although such methods might work well with present climatic conditions, it has to be doubted whether their results can still be relied upon in a changed climate. The uncertainties in the forecasts are partly of meteorological and partly of hydrological origin. Whereas the uncertainties of GCMs are well known and often discussed, the problems of hydrological models in this context are seldom investigated. In particular the uncertainty in process representation within the hydrological models must be revised. This dissertation focuses on the representation of the evapotranspiration (ET) process, because this process will be strongly influenced by CC. For this purpose, the suitability of nine different ET models was investigated. In a theoretical investigation, the sensitivity of the ET models to only a small change in temperature was found to be very different. Thus the question had to be raised as to how the resulting ET from these models will change with the entire predicted CC. Therefore a spatially distributed hydrological model based on the HBV concept was set up and the results of the different ET models were used consecutively as input to the hydrological model. The modelling was applied on the Upper Neckar catchment, a mesoscale river in southwestern Germany with a basin size of about 4,000 km2. This catchment was divided into 13 subcatchments with different subcatchment characteristics. The suitability of the different ET approaches was checked by calibrating the hydrological model on different climatic periods and then applying the model on other climatic periods. Thus, different 10-year periods with different climatic conditions were compiled: 10 cold, 10 warm, 10 wet and 10 dry years from the time series 1961–1990 were collected. The first step was to adapt the model to the same period it was calibrated to. Then the model was applied to other 10 years, i.e. the model calibrated on for example, the cold years was used on the warm years. The transferability was also checked by applying the models on the period 1991–2000. For the investigation of the impact of CC, the calibration of the model must meet special requirements. Apart from the selection of proper periods for calibration and validation, this also concerns the establishment of a suitable objective function. Such a function is the Nash Sutcliffe efficiency. Usually it is calculated comparing observed and modelled daily values. In this study it is shown that problems in the transfer from one climatic condition to the other cannot be detected on the base of daily values. Therefore parameter sets were optimized by an automatic calibration procedure based on Simulated Annealing, which considered the model performance on different time scales simultaneously (days up to years). As the results show, some of the ET models, which work well under stationary conditions, are not able to reproduce changes in a realistic manner. The results also show that calibrating a hydrological model that is supposed to handle short as well as long term signals becomes an important task; the objective function especially has to be chosen very carefully.

Der prognostizierte Klimawandel wird auch den Wasserkreislauf beeinflussen. Das Ausmaß dieser Änderung frühzeitig zu bestimmen ist eine wichtige Aufgabe, da sie Grundlage notwendiger Entscheidungen ist. Dieses Ausmaß hängt allerdings stark von der Datenlage und den Methoden ab, mit denen an diese Aufgabe herangegangen wird. Selbst wenn die derzeit verwendeten Methoden stimmige Ergebnisse für den gegenwärtigen Klimazustand liefern, kann nicht davon ausgegangen werden, dass die mit diesen Methoden berechneten Ergebnisse auch für ein geändertes Klima Gültigkeit haben werden. Die Unsicherheiten der Vorhersagen sind teils meteorologischer, teils hydrologischer Herkunft. Während die Unsicherheiten der GCMs bereits bekannt und in der Diskussion sind, wurden die in diesem Kontext existierenden Probleme der hydrologischen Modelle bisher nur selten untersucht. Insbesondere die Unsicherheit in der Prozessbeschreibung innerhalb der hydrologischen Modelle muss genauer geprüft werden. In dieser Dissertation wurden verschiedene Beschreibungen des Evapotranspirationsprozesses (ET) untersucht, denn dieser Prozess wird durch den Klimawandel stark beeinflusst werden. Neun verschiedene ET-Modelle wurden ausgewählt und getestet. Anhand einer einfachen theoretischen Untersuchung zeigte sich, dass die ET-Modelle bereits auf eine geringfügige Änderung von nur einer Eingangsvariablen sehr unterschiedlich reagieren. Fraglich ist nun, wie sich die durch diese Modelle berechnete ET verändert, wenn die gesamten durch den Klimawandel hervorgerufenen Änderungen der Eingangsgrößen berücksichtigt werden. Dazu wurde ein auf dem HBV-Konzept basierendes räumlich verteiltes hydrologisches Modell aufgestellt und mit den aus den verschiedenen ET-Modellen resultierenden Ergebnissen als Input nacheinander gespeist. Die Modellierung wurde auf das Einzugsgebiet des Oberen Neckars (ca. 4000 km2) angewandt. Das Einzugsgebiet wurde in 13 Teileinzugsgebiete mit deutlichen Unterschieden eingeteilt. Die verschiedenen ET-Modelle wurden getestet, indem das hydrologische Modell auf klimatisch verschiedene Jahre geeicht und dann auf klimatisch entgegengesetzte Jahre ausgewertet wurde. Dazu wurden verschiedene Zeitreihen mit jeweils 10 klimatisch ähnlichen Jahren (10 kalte, 10 warme, 10 nasse und 10 trockene Jahre aus der Zeitreihe 1961-1990) zusammengestellt. Das hydrologische Modell wurde auf jeweils eine dieser Zeitreihen geeicht und anschließend folgendermaßen validiert. Im ersten Schritt wurde das Modell für dieselbe Zeitreihe ausgewertet, die auch für die Eichung verwendet worden war. Danach erfolgte die Auswertung auf die klimatisch entgegengesetzte Zeitreihe, beispielsweise wurde das Modell, dass auf die kalten Jahre geeicht worden war, nun hinsichtlich der erzielten Ergebnisse für die warmen Jahre untersucht. Eine geringe Abweichung der beiden Ergebnisse bedeutet eine gute Übertragbarkeit des Modells. Indem das Modell auch auf die kontinuierliche Zeitreihe 1991–2000 angewandt wurde, wurde die Übertragbarkeit zusätzlich getestet. Die Kalibrierung eines hydrologischen Modells, das den Einfluss eines Klimawandels bestimmen soll, stellt eine besondere Herausforderung dar - nicht nur bei der Auswahl von geeigneten Perioden für die Kalibrierung und die Validierung, sondern auch bei der Aufstellung einer geeigneten Zielfunktion. Eine gängige Zielfunktion ist die Nash-Sutcliffe-Effizienz. Die Güte des Modells wird dabei durch den Vergleich berechneter Werte mit beobachteten Werten ermittelt. Dieser Vergleich wird meist anhand von Tageswerten durchgeführt, was zu unerkannten systematischen Fehlern führen kann. In dem hier gewählten Ansatz wird ein auf Simulated-Annealing basierender Optimierungsalgorithmus vorgestellt, der zur Kalibrierung nicht nur Tageswerte, sondern zusätzlich auch Jahres- und Extremwerte in unterschiedlichen Kombinationen verwendet. Welche Kalibrierung sich am besten zur Bestimmung der Auswirkungen von Klimaänderungen eignet, wurde durch einen umfangreichen Vergleich der Ergebnisse festgestellt. Auch dabei wurden wieder unterschiedliche Zeitskalen verwendet: die Ergebnisse wurden nicht nur auf Tagesbasis ausgewertet, sondern auch zu Wochen, Monaten, Jahreszeiten, Halbjahren und ganzen Jahren aggregiert. Die Ergebnisse zeigen, dass einige der ET-Modelle, die unter den gegenwärtigen Klimabedingungen realistische Werte berechnen, dies bei geänderten Klimabedingungen nicht mehr vermögen. Weiterhin hat sich gezeigt, dass eine nur auf Tageswerten basierende Kalibrierung zu unzureichenden Ergebnissen bei der Übertragung der Modelle zwischen klimatisch unterschiedlich ausgeprägten Zeitreihen führt. Der Einsatz einer Zielfunktion, die sowohl Tageswerte als auch Jahresaggregationen der Tageswerte berücksichtigt, hat sich hingegen bewährt.