Untersuchung zur raum-zeitlichen Verteilung und zum Trendverhalten des potentiellen Wasserdargebotes in Mitteldeutschland
©2005
Diplomarbeit
133 Seiten
Zusammenfassung
Inhaltsangabe:Zusammenfassung:
Die vorliegende Arbeit ging der Frage nach, inwieweit sich Auswirkungen des globalen Klimawandels auf das potentielle Wasserdargebot von Mitteldeutschland nachweisen lassen.
Das potentielle Wasserdargebot ist im regionalen Maßstab durch eine große raum-zeitliche Variabilität gekennzeichnet. Hierfür ist neben der potentiellen Verdunstung insbesondere der Niederschlag ausschlaggebend. Um diese Fragestellung zu klären, wurden zunächst 34 Klimastationen ausgewählt, an denen repräsentativ sämtliche Klimaparameter im Zeitraum 1971 2000 für die folgenden Untersuchungen zur Verfügung standen. Im Anschluss daran wurden die Aufbereitung der Niederschlagsdaten, sowie die Berechnung der potentiellen Verdunstung nach sechs verschiedenen Berechnungsverfahren vorgenommen.
Bei der Auswahl der Berechnungsmethoden zur Ermittlung der potentiellen Verdunstung lag das Hauptaugenmerk auf dem methodischen Hintergrund der Ansätze und auf der Verfügbarkeit der Eingangsparameter. Den Hauptteil der Ausführungen bildet die Ermittlung der klimatischen Wasserbilanz, die als Differenz zwischen Niederschlag und potentieller Verdunstung einen Indikator zur Abschätzung des potentiellen Wasserdargebotes darstellt. Um der Fragestellung nach den Auswirkungen des Klimawandels Rechnung zu tragen, wurden für sämtliche behandelten Klimagrößen Trendanalysen durchgeführt.
Als bedeutende Ergebnisse der Arbeit bleiben festzuhalten, dass mit zunehmender Erwärmung ein steigender atmosphärischer Verdunstungsanspruch einhergeht. Diesem wiederum stehen im Sommer abnehmende Niederschläge gegenüber. Die Zunahme der potentiellen Verdunstung konnte für den Zeitraum 1971 2000 sowohl in der Jahressumme als auch in den Jahreszeiten flächendeckend nachgewiesen werden, wobei der bestehende West-Ost-Gradient in Analogie zur Lufttemperatur deren bestehendes Gewicht verdeutlicht. Eine Ausnahme bildet hierbei nur der Herbst mit schwach negativen Trends in einzelnen Naturräumen.
Bei der klimatischen Wasserbilanz bleibt festzuhalten, dass es im Tieflandsbereich bereits Naturräume mit negativen klimatischen Wasserbilanzen gibt, wobei die Trendanalysen auf eine weitere Verschärfung der Wasserknappheit hinweisen. Die Mittelgebirge stellen generell Wasserüberschussgebiete dar, mit Tendenz zur Erhöhung des potentiellen Wasserdargebotes. Eine Ausnahme bildet hier das Erzgebirge. Aussagen zur klimatischen Wasserbilanz sollten immer unter Angabe des verwendeten Verfahrens zur […]
Die vorliegende Arbeit ging der Frage nach, inwieweit sich Auswirkungen des globalen Klimawandels auf das potentielle Wasserdargebot von Mitteldeutschland nachweisen lassen.
Das potentielle Wasserdargebot ist im regionalen Maßstab durch eine große raum-zeitliche Variabilität gekennzeichnet. Hierfür ist neben der potentiellen Verdunstung insbesondere der Niederschlag ausschlaggebend. Um diese Fragestellung zu klären, wurden zunächst 34 Klimastationen ausgewählt, an denen repräsentativ sämtliche Klimaparameter im Zeitraum 1971 2000 für die folgenden Untersuchungen zur Verfügung standen. Im Anschluss daran wurden die Aufbereitung der Niederschlagsdaten, sowie die Berechnung der potentiellen Verdunstung nach sechs verschiedenen Berechnungsverfahren vorgenommen.
Bei der Auswahl der Berechnungsmethoden zur Ermittlung der potentiellen Verdunstung lag das Hauptaugenmerk auf dem methodischen Hintergrund der Ansätze und auf der Verfügbarkeit der Eingangsparameter. Den Hauptteil der Ausführungen bildet die Ermittlung der klimatischen Wasserbilanz, die als Differenz zwischen Niederschlag und potentieller Verdunstung einen Indikator zur Abschätzung des potentiellen Wasserdargebotes darstellt. Um der Fragestellung nach den Auswirkungen des Klimawandels Rechnung zu tragen, wurden für sämtliche behandelten Klimagrößen Trendanalysen durchgeführt.
Als bedeutende Ergebnisse der Arbeit bleiben festzuhalten, dass mit zunehmender Erwärmung ein steigender atmosphärischer Verdunstungsanspruch einhergeht. Diesem wiederum stehen im Sommer abnehmende Niederschläge gegenüber. Die Zunahme der potentiellen Verdunstung konnte für den Zeitraum 1971 2000 sowohl in der Jahressumme als auch in den Jahreszeiten flächendeckend nachgewiesen werden, wobei der bestehende West-Ost-Gradient in Analogie zur Lufttemperatur deren bestehendes Gewicht verdeutlicht. Eine Ausnahme bildet hierbei nur der Herbst mit schwach negativen Trends in einzelnen Naturräumen.
Bei der klimatischen Wasserbilanz bleibt festzuhalten, dass es im Tieflandsbereich bereits Naturräume mit negativen klimatischen Wasserbilanzen gibt, wobei die Trendanalysen auf eine weitere Verschärfung der Wasserknappheit hinweisen. Die Mittelgebirge stellen generell Wasserüberschussgebiete dar, mit Tendenz zur Erhöhung des potentiellen Wasserdargebotes. Eine Ausnahme bildet hier das Erzgebirge. Aussagen zur klimatischen Wasserbilanz sollten immer unter Angabe des verwendeten Verfahrens zur […]
Leseprobe
Inhaltsverzeichnis
ID 9029
Linke, Rico: Untersuchungen zur raum-zeitlichen Verteilung und zum Trendverhalten des
potentiellen Wasserdargebotesin Mitteldeutschland
Hamburg: Diplomica GmbH, 2005
Zugl.: Technische Universität Dresden, Diplomarbeit, 2005
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E
RKLÄRUNG
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habe. Andere als die angegebenen Hilfsmittel wurden von mir nicht benutzt. Alle ange-
führten Zitate wurden kenntlich gemacht.
Dresden, den 02. Juli 2005
Rico Linke
Inhaltsverzeichnis
4
I
NHALTSVERZEICHNIS
I
NHALTSVERZEICHNIS
...4
A
BBILDUNGSVERZEICHNIS
...6
T
ABELLENVERZEICHNIS
...9
A
BKÜRZUNGSVERZEICHNIS
...10
Z
USAMMENFASSUNG
...12
1
E
INLEITUNG
...13
2
E
INORDNUNG DES
U
NTERSUCHUNGSGEBIETES
...16
2.1
Das Untersuchungsgebiet Mitteldeutschland...16
2.2
Orographischer Überblick für Mitteldeutschland...17
2.3
Klimatischer Überblick für Mitteldeutschland...21
3 D
IE
D
ATENGRUNDLAGE UND DEREN
A
UFBEREITUNG
...25
3.1
Mitteldeutsche Klimadatenbank...25
3.2
Datenaufbereitung...27
3.2.1 Datenprüfung...27
3.2.2 Aufbereitung der Niederschlagsdaten...34
4
M
ETHODIK UND
V
ERFAHRENSWEISE
...40
4.1
Die Verdunstung als Teil der Wasserhaushaltsgleichung...40
4.1.1 Einführung und Begriffsdefinitionen...40
4.1.2 Methodische Grundsätze zur Verdunstungsermittlung...42
4.1.3 Die Verfahren zur Berechnung der potentiellen Verdunstung...43
4.2
Die klimatische Wasserbilanz...50
4.3
Das Verfahren der Regionalisierung ...51
4.4
Methodik der Trendanalyse...52
5
E
RGEBNISDARSTELLUNG
...56
5.1
Niederschlag...56
5.1.1
Die Ergebnisse der Niederschlagskorrektur und deren räumliche
Darstellung...56
5.1.2
Ergebnisse der Trendanalyse...61
Inhaltsverzeichnis
5
5.2 Verdunstung...63
5.2.1
Die Ergebnisse der Vergleichsrechnungen...63
5.2.2
Die Bewertung der einzelnen Berechnungsverfahren zur Ermittlung
der potentiellen Verdunstung...70
5.2.3
Vergleich von potentieller Verdunstung und mittels hydro-
graphischer Methode bestimmter realer Verdunstung...73
5.2.4
Ergebnisse der Trendanalyse zur potentiellen Verdunstung...77
5.3 Klimatische
Wasserbilanz...80
5.3.1
Ergebnisse zur klimatischen Wasserbilanz unter Verwendung der
Gras-Referenzverdunstung...80
5.3.2
Ergebnisse zur klimatischen Wasserbilanz unter Verwendung des
Wendling-Verfahrens...82
5.3.3
Ergebnisse zur klimatischen Wasserbilanz unter Verwendung des
Penman-Verfahrens...84
5.3.4
Bewertung der klimatischen Wasserbilanz...86
5.3.5
Vergleich zweier Extremjahre zum Zeitraum 1971 2000...88
5.3.6
Ergebnisse der Trendanalyse zur klimatischen Wasserbilanz...90
6
S
CHLUSSFOLGERUNGEN UND
A
USBLICK
...93
7
L
ITERATURVERZEICHNIS
...95
A
NHANG
...A 1
Abbildungsverzeichnis
6
A
BBILDUNGSVERZEICHNIS
Abb. 1: Physisch-geographische Einordnung des Untersuchungsgebietes...17
Abb. 2: Darstellung der Naturraumeinheiten innerhalb des Untersuchungsgebietes (S
CHULTZE
& B
AUER
; in H
AACK
H
AUSATLAS
, 1968)...20
Abb. 3: Klimadiagramm von Weimar (Mittelwerte des Zeitraums 1971-2000)...23
Abb. 4: Klimadiagramm von Görlitz (Mittelwerte des Zeitraums 1971-2000)...23
Abb. 5: Klimadiagramm von Erfurt (Mittelwerte des Zeitraums 1971-2000)...23
Abb. 6: Klimadiagramm von Bad Hersfeld (Mittelwerte des Zeitraums 1971-2000)...23
Abb. 7: Klimadiagramm vom Brocken (Mittelwerte des Zeitraums 1971-2000)...24
Abb. 8: Klimadiagramm vom Fichtelberg (Mittelwerte des Zeitraums 1971-2000)...24
Abb. 9: Struktur der Mitteldeutschen Klimadatenbank und Systematik der Datenverarbeitung...25
Abb. 10: Lage der verwendeten Klimamessstationen...27
Abb. 11: Systematischer Ablauf der Niederschlagstagessummenkorrektur nach R
ICHTER
(1995)...38
Abb. 12: Die reale Verdunstung im System Boden-Pflanze-Atmosphäre (D
YCK
& P
ESCHKE
,
1995)...40
Abb. 13: Scatterplot der Tagessummen der potentiellen Verdunstung nach Penman, berechnet
mit unterschiedlichen Windfunktionen [Station Chemnitz, 1971-2000]...49
Abb. 14: Polygonnetz nach Thiessen...52
Abb. 15: Prozentuale Abweichung von korrigierter zu gemessener durchschnittlicher Jahres-
summe des Niederschlags (%), 1971-2000...57
Abb. 16: Korrigierte Niederschlagssummen des Jahres (mm) im Zeitraum 1971-2000...58
Abb. 17: Korrigierte Niederschlagssummen des Frühlings (mm) im Zeitraum 1971-2000...59
Abb. 18: Korrigierte Niederschlagssummen des Sommers (mm) im Zeitraum 1971-2000...60
Abb. 19: Korrigierte Niederschlagssummen des Herbstes (mm) im Zeitraum 1971-2000...60
Abb. 20: Korrigierte Niederschlagssummen des Winters (mm) im Zeitraum 1971-2000...61
Abb. 21: Relativer Trend des mittleren Jahresniederschlags (%) im Zeitraum 1951-2000...62
Abb. 22: Mittlere Jahresverdunstungssumme (mm) berechnet nach Gras-Referenzverdunstung
im Zeitraum 1971-2000...64
Abb. 23: Mittlere Jahresverdunstungssumme (mm) berechnet nach Makkink im Zeitraum
1971-2000...64
Abb. 24: Mittlere Jahresverdunstungssumme (mm) berechnet nach Wendling im Zeitraum
1971-2000...65
Abb. 25: Mittlere Jahresverdunstungssumme (mm) berechnet nach Priestley-Taylor im
Zeitraum 1971-2000...65
Abb. 26: Mittlere Jahresverdunstungssumme (mm) berechnet nach Turc-Ivanov im Zeitraum
1971-2000...66
Abb. 27: Mittlere Jahresverdunstungssumme (mm) berechnet nach Penman im Zeitraum
1971-2000...66
Abb. 28: Regressionsgerade: Monatssummen (mm) der potentiellen Verdunstung nach
Wendling und der potentiellen Verdunstung nach Penman, Zeitraum 1971-2000...72
Abb. 29: Regressionsgerade: Monatssummen (mm) der Gras-Referenzverdunstung und der
potentiellen Verdunstung nach Penman, Zeitraum 1971-2000...73
Abb. 30: Mittlere jährliche reale Gebietsverdunstung (Hydro) im Wernersbachgebiet (mm)
berechnet aus Niederschlag und Abfluss im Zeitraum 1971-2000...74
Abb. 31: Vergleich berechneter ETP an der Station Wildacker mit der ETR+/-dS (Hydro)
des Wernersbachgebietes (1971-2000)...75
Abb. 32: Vergleich der kumulierten Tagessummen der ETP (Wildacker) mit der Gebiets-
verdunstung des Wernersbachgebietes (1.4.70 - 31.3.71)...76
Abbildungsverzeichnis
7
Abb. 33: Vergleich der kumulierten Tagessummen der ETP (Wildacker) mit der Gebiets-
verdunstung des Wernersbachgebietes (1.4.71 31.3.72)...76
Abb. 34: Relativer Jahrestrend der Gras-Referenzverdunstung (%), 1971 2000...77
Abb. 35: Relativer Jahrestrend der potentiellen Verdunstung n. Penman (%),1971 2000...78
Abb. 36: Relativer Jahrestrend der potentiellen Verdunstung n. Wendling (%), 1971 2000...78
Abb. 37: Mittlere Jahressummen der klimatischen Wasserbilanz auf der Grundlage der GRV
(mm), 1971 2000...81
Abb. 38: Mittlere Jahressummen der klimatischen Wasserbilanz auf der Grundlage des
Wendling-Verfahrens (mm), 1971 2000...83
Abb. 39: Jahressummen der klimatischen Wasserbilanz nach Penman (mm), 1971 2000...84
Abb. 40: Differenz (mm) zwischen den Jahressummen der KWB auf der Grundlage ETP
Penman
und der KWB auf der Grundlage ETP
GRV
, 1971-2000...86
Abb. 41: Differenz (mm) zwischen den Jahressummen der KWB auf der Grundlage ETP
Penman
und der KWB auf der Grundlage ETP
Wendling
, 1971-2000...86
Abb. 42: Vergleich des einfachen Gebietsmittels der klimatischen Wasserbilanz von Sachsen
(mm) des Zeitraums 1971-2000 mit den beiden Jahren 2002 und 2003...88
Abb. 43: Absoluter Trend der Jahressummen der klimatischen Wasserbilanz auf der Grund-
lage der GRV (mm), 1971 2000...90
Abb. 44: Absoluter Trend der Jahressummen der klimatischen Wasserbilanz auf der Grund-
lage des Penman-Verfahrens (mm), 1971 2000...90
Abb. 45: Absoluter Trend der Jahressummen der klimatischen Wasserbilanz auf der Grund-
lage des Wendling-Verfahrens (mm), 1971 2000...91
Abb. A 1: Flussdiagramm zum implementierten Prüfalgorithmus...A 2
Abb. A 2: Beispielbild für die verwendete Benutzeroberfläche zur Korrektur von Tagessummen
des Niederschlags...A 3
Abb. A 3: Niederschlag Abflussdiagramm für das Wernersbachgebiet (Tagessummen:
01.04.70 31.03.71)...A 3
Abb. A 4: Prozentuale Abweichung von korrigierter zu gemessener durchschnittlicher Nieder-
schlagssumme in den einzelnen Jahreszeiten (%), 1971-2000...A 4
Abb. A 5: Relativer Trend des mittleren Niederschlags differenziert nach Jahreszeiten (%)
im Zeitraum 1951-2000...A 5
Abb. A 6: Mittlere Verdunstungssummen im Frühling (mm) berechnet nach unterschiedlichen
Ansätzen im Zeitraum 1971-2000...A 6
Abb. A 7: Mittlere Verdunstungssummen im Sommer (mm) berechnet nach unterschiedlichen
Ansätzen im Zeitraum 1971-2000...A 7
Abb. A 8: Mittlere Verdunstungssummen im Herbst (mm) berechnet nach unterschiedlichen
Ansätzen im Zeitraum 1971-2000...A 8
Abb. A 9: Mittlere Verdunstungssummen im Winter (mm) berechnet nach unterschiedlichen
Ansätzen im Zeitraum 1971-2000...A 9
Abb. A 10: Relativer Trend der Gras-Referenzverdunstung in den einzelnen Jahreszeiten (%),
1971 - 2000...A 10
Abb. A 11: Relativer Trend der potentiellen Verdunstung nach Penman in den einzelnen
Jahreszeiten (%), 1971 - 2000...A 11
Abb. A 12: Relativer Trend der potentiellen Verdunstung nach Wendling in den einzelnen
Jahreszeiten (%), 1971 - 2000...A 12
Abb. A 13: Mittlere klimatische Wasserbilanz einzelner Jahreszeiten auf der Grundlage
der GRV (mm), 1971 - 2000...A 13
Abb. A 14: Mittlere klimatische Wasserbilanz einzelner Jahreszeiten auf der Grundlage
des Wendling-Verfahrens (mm), 1971 - 2000...A 14
Abb. A 15: Mittlere klimatische Wasserbilanz einzelner Jahreszeiten auf der Grundlage
des Penman-Verfahrens (mm), 1971 - 2000...A 15
Abb. A 16: Absoluter Trend der klimatischen Wasserbilanz auf Grundlage der GRV in
den einzelnen Jahreszeiten (mm), 1971 2000...A 16
Abbildungsverzeichnis
8
Abb. A 17: Absoluter Trend der klimatischen Wasserbilanz auf Grundlage des Penman-
Verfahrens in den einzelnen Jahreszeiten (mm), 1971 2000...A 17
Abb. A 18: Absoluter Trend der klimatischen Wasserbilanz auf Grundlage des Wendling-
Verfahrens in den einzelnen Jahreszeiten (mm), 1971 2000...A 18
Abb. A 19: Mittlere jährliche potentielle Verdunstungshöhe (mm) für Deutschland als Gras-
Referenzverdunstung (HYDROLOGISCHER ATLAS DEUTSCHLAND, 2003)...A 19
Abb. A 20: Mittlere jährliche klimatische Wasserbilanz (mm) auf Grundlage der Gras-
Referenzverdunstung für Deutschland (HYDROLOGISCHER ATLAS DEUTSCH-
LAND, 2003)...A 20
Tabellenverzeichnis
9
T
ABELLENVERZEICHNIS
Tab. 1: Mittlere jährliche Dauer der Vegetationsperiode für Beispielregionen des Unter-
suchungsgebiets...21
Tab. 2: Signifikanzgrenzen zum Buishand-Test...31
Tab. 3: Signifikanzgrenzen zum Alexandersson-Test...33
Tab. 4: Durchschnittliche Benetzungs- und Verdunstungsverluste für das nord-ostdeutsche
Tiefland in [%] des Niederschlages (R
ICHTER
, 1995)...36
Tab. 5: Bewertungsrahmen für die Lage der Niederschlagsmessstellen (R
ICHTER
, 1995)...36
Tab. 6: Prozentualer Windfehler für die mäßig geschützte Stationslage (R
ICHTER
, 1995)...36
Tab. 7: Koeffizienten b und der Niederschlags-Korrekturfunktion in Abhängigkeit von der
Niederschlagsart, der Horizontabschirmung und der Geschütztheit der Lage (R
ICHTER
,
1995)...37
Tab. 8: Lufttemperatur-Grenzwerte zur Unterscheidung der Niederschlagsarten...39
Tab. 9: Größenordnung der Anteile von Bodenevaporation, Interzeptionsverdunstung und
Transpiration an der Gesamtverdunstung (=100 %)...41
Tab. 10: Aufstellung der ausgewählten Verdunstungsansätze...43
Tab. 11: Mittlere jährliche Verdunstungshöhen nach verschiedenen Berechnungsverfahren,
entnommen aus Kartenwerken für das untere Main-Gebiet (DVWK, M-504, 2002)...43
Tab. 12: Haude-Faktor [f] zur Berechnung von Tagessummen der potentiellen Verdunstung...44
Tab. 13: Signifikanz der Trends...55
Tab. 14: Einfaches Flächenmittel der korrigierten Niederschlagssummen für Mitteldeutschland
(mm), 1971-2000...57
Tab. 15: Vertikalgradient des korrigierten Niederschlages als Gebietsmittel für das Unter-
suchungsgebiet im Zeitraum 1971 2000...58
Tab. 16: Jahresverdunstungssummen (mm) als einfaches Flächenmittel im Zeitraum 1971-
2000...63
Tab. 17: ETP
Penman
, Vertikalgradient im Zeitraum 1971 2000 als Gebietsmittel für das Unter-
suchungsgebiet...63
Tab. 18: Einfaches Flächenmittel der mittleren Verdunstungssummen (mm) im jahreszeitlichen
Gang im Zeitraum 1971-2000...67
Tab. 19: Einfaches Gebietsmittel der klimatischen Wasserbilanz (mm), 1971 2000...80
Tab. A 1: Übersicht über die in die Untersuchung einbezogenen Stationen...A 1
Tab. A 2: Stationsbezogene korrigierte Niederschlagssummen (mm), 1971-2000...A 21
Tab. A 3: Stationsbezogene potentielle Verdunstung nach GRV (mm), 1971-2000...A 22
Tab. A 4: Stationsbezogene potentielle Verdunstung nach Makkink (mm), 1971-2000...A 23
Tab. A 5: Stationsbezogene potentielle Verdunstung nach Priestley-Taylor (mm), 1971-2000...A 24
Tab. A 6: Stationsbezogene potentielle Verdunstung nach Wendling (mm), 1971-2000...A 25
Tab. A 7: Stationsbezogene potentielle Verdunstung nach Turc-Ivanov (mm), 1971-2000...A 26
Tab. A 8: Stationsbezogene potentielle Verdunstung nach Penman (mm), 1971-2000...A 27
Tab. A 9: Stationsbezogene klimatische Wasserbilanz auf Grundlage GRV (mm), 1971-2000...A 28
Tab. A 10: Stationsbezogene klimatische Wasserbilanz auf Grundlage des Makkink-Verfahrens
(mm), 1971-2000...A 29
Tab. A 11: Stationsbezogene klimatische Wasserbilanz auf Grundlage des Verfahrens nach
Priestley-Taylor (mm), 1971-2000...A 30
Tab. A 12: Stationsbezogene klimatische Wasserbilanz auf Grundlage des Wendling-Verfahrens
(mm), 1971-2000...A 31
Tab. A 13: Stationsbezogene klimatische Wasserbilanz auf Grundlage des Verfahrens nach Turc-
Ivanov (mm), 1971-2000...A 32
Tab. A 14: Stationsbezogene klimatische Wasserbilanz auf Grundlage des Penman-Verfahrens
(mm), 1971-2000...A 33
Abkürzungsverzeichnis
10
A
BKÜRZUNGSVERZEICHNIS
a
i
Homogene Referenzreihe (Craddock-Test)
A, B
Koeffizienten beim Abbe-Test
Priestley& Taylor-Parameter, Irrtumswahrscheinlichkeit, Offset der Trend-
funktion, Albedo (0,25)
b
Koeffizient bei der Niederschlagskorrektur in Abhängigkeit der Stationslage
b
i
Testreihe (Craddock-Test)
Anstieg der Trendfunktion
C
Koeffizienten nach Turc, Choisnel
d
Mittelwert der Test- und Referenzreihe (Buishand-Test)
d
i
i-ter Differenzenwert zwischen Test- und Referenzreihe (Buishand-Test)
e
Dampfdruck
e-e
s
Sättigungsdefizit der Luft (hPa)
e
s
Sättigungsdampfdruck
ETP
Evapotranspiration (potentielle Verdunstung)
Koeffizient bei der Niederschlagskorrektur in Abhängigkeit der Nieder-
schlagsart
f
Haude-Faktor
f(u)
Windfunktion
(m/s)
f
k
Küstenfaktor nach Wendling
G
Bodenwärmestrom
(W/m
2
)
i
o
Summationsindex für Zwischen- und Testgröße (Alexandersson-Test)
KWB
Klimatische Wasserbilanz
L
spezielle Verdunstungswärme (J/cm
2
mm)
m
Anzahl der Filtergewichte bei Tiefpassfilterung
N
Niederschlag, Anzahl der Wertepaare
N Korrigierter
Niederschlag
n Stichprobenumfang
N
korr
Niederschlag (korrigiert)
P
Niederschlag
q
Mittelwert der Quotienten bzw. Differenzen (Alexandersson-Test)
Abkürzungsverzeichnis
11
i
q
Quotient bzw. Differenzen (Alexandersson-Test)
Q, R, U
Prüfgrößen beim Buishand-Test (Q...Prüfgröße beim Kendall-Test)
R
Abfluss
R
2
Bestimmtheitsmaß
R
G
Globalstrahlung (J/cm
2
), (W/m
2
)
R
n
Nettostrahlung, Strahlungsbilanz (W/m
2)
s
Standardabweichung, Steigung der Sättigungsdampfdruckkurve (hPa/K)
S
1,
S
2
Kumulative Terme (Craddock-Test)
sgn
Vorzeichen
S
k*
Quotient aus Differenzensummen der Test- und Referenzreihe (Buishand-
Test)
s
q
Standardabweichung
der
Quotienten bzw. Differenzen (Alexandersson-Test)
S
Speicherinhalt
st
Prüfgröße für Stationarität
T
Differenz zwischen erstem und letztem Funktionswert der Trendfunktion,
Temperatur (°C)
T
o
Testgröße (Alexandersson-Test)
U
Relative
Luftfeuchte
(%)
u,u
*
Windgeschwindigkeit (m/s), (km/Tag)
V
Vertrauensgrenze
v
Windgeschwindigkeit in 2m Höhe (m/s)
x
Realisierung aus der Grundgesamtheit
x
Mittelwert
max
x
Maximalwert
*
modifizierte
Psychrometerkonstante
(hPa/K)
Psychrometerkonstante
(0,65hPa/K)
y
I
Beobachtungswert
y
n
Trendfunktion
z
i
Zwischengröße (Alexandersson-Test)
1
z ,
2
z
Kumulative Mittelwerte der Zwischengröße (Alexandersson-Test)
Zusammenfassung
12
Z
USAMMENFASSUNG
Die vorliegende Arbeit ging der Frage nach, inwieweit sich Auswirkungen des globalen
Klimawandels auf das potentielle Wasserdargebot von Mitteldeutschland nachweisen las-
sen. Das potentielle Wasserdargebot ist im regionalen Maßstab durch eine große raum-
zeitliche Variabilität gekennzeichnet. Hierfür ist neben der potentiellen Verdunstung insbe-
sondere der Niederschlag ausschlaggebend. Um diese Fragestellung zu klären, wurden zu-
nächst 34 Klimastationen ausgewählt, an denen repräsentativ sämtliche Klimaparameter im
Zeitraum 1971 2000 für die folgenden Untersuchungen zur Verfügung standen. Im An-
schluss daran wurden die Aufbereitung der Niederschlagsdaten, sowie die Berechnung der
potentiellen Verdunstung nach sechs verschiedenen Berechnungsverfahren vorgenommen.
Bei der Auswahl der Berechnungsmethoden zur Ermittlung der potentiellen Verdunstung
lag das Hauptaugenmerk auf dem methodischen Hintergrund der Ansätze und auf der Ver-
fügbarkeit der Eingangsparameter. Den Hauptteil der Ausführungen bildet die Ermittlung
der klimatischen Wasserbilanz, die als Differenz zwischen Niederschlag und potentieller
Verdunstung einen Indikator zur Abschätzung des potentiellen Wasserdargebotes darstellt.
Um der Fragestellung nach den Auswirkungen des Klimawandels Rechnung zu tragen,
wurden für sämtliche behandelten Klimagrößen Trendanalysen durchgeführt. Als bedeuten-
de Ergebnisse der Arbeit bleiben festzuhalten, dass mit zunehmender Erwärmung ein stei-
gender atmosphärischer Verdunstungsanspruch einhergeht. Diesem wiederum stehen im
Sommer abnehmende Niederschläge gegenüber. Die Zunahme der potentiellen Verdunstung
konnte für den Zeitraum 1971 2000 sowohl in der Jahressumme als auch in den Jahreszei-
ten flächendeckend nachgewiesen werden, wobei der bestehende West-Ost-Gradient in
Analogie zur Lufttemperatur deren bestehendes Gewicht verdeutlicht. Eine Ausnahme bil-
det hierbei nur der Herbst mit schwach negativen Trends in einzelnen Naturräumen. Bei der
klimatischen Wasserbilanz bleibt festzuhalten, dass es im Tieflandsbereich bereits Natur-
räume mit negativen klimatischen Wasserbilanzen gibt, wobei die Trendanalysen auf eine
weitere Verschärfung der Wasserknappheit hinweisen. Die Mittelgebirge stellen generell
Wasserüberschussgebiete dar, mit Tendenz zur Erhöhung des potentiellen Wasserdargebo-
tes. Eine Ausnahme bildet hier das Erzgebirge. Aussagen zur klimatischen Wasserbilanz
sollten immer unter Angabe des verwendeten Verfahrens zur Berechnung der potentiellen
Verdunstung getroffen werden, da erhebliche Abweichungen der Werte keine Seltenheit
sind. Als Grundlage bei der Berechnung der klimatischen Wasserbilanz hat sich die Gras-
Referenzverdunstung als besonders geeignet erwiesen.
1 Einleitung
13
Des Menschen Seele gleicht dem Wasser:
Vom Himmel kommt es,
Zum Himmel steigt es,
Und wieder nieder
Zur Erde muss es,
Ewig wechselnd.
J. W. v. Goethe
Gesang der Geister über den Wassern
1 E
INLEITUNG
Das Wasser ist als belebendes, unersetzliches und unvermehrbares Gut eine wesentliche
Voraussetzunge und Grundlage nicht nur wirtschaftlicher, sondern auch kultureller und
geistiger Entfaltung des Menschen. Als ,,Element" hat es ihn schon immer vielfältig be-
schäftigt und bei ihm nachhaltige Empfindungen hervorgerufen (W
OHLRAB
, et al. 1992).
Der Kreislauf des Wassers ist ein entscheidender Bestandteil des Klimasystems der Erde.
Dies gilt sowohl für globale, als auch für regionale und lokale kleinräumige Betrachtungen.
Im Wärmehaushalt und im Klima liegen die primären Antriebsquellen des hydrologischen
Kreislaufs. Kommt es auch nur zu einer geringen Änderung einer der Komponenten kann
diese weitreichende Auswirkung für den gesamten Kreislauf haben (G
URTZ
et al., 1997).
Vorliegende Hinweise aus Beobachtungen zeigen heute bereits eindeutige Anzeichen eines
sich vollziehenden Klimawandels. Insbesondere Temperaturanstiege, die jüngsten Klima-
projektionen sprechen von einer Erhöhung des globalen Mittels der bodennahen Lufttem-
peratur zwischen 1,4 und 5,8 °C in den kommenden 100 Jahren, zeigen, dass regionale
Klimaänderungen bereits Auswirkungen auf mannigfaltige physikalische und biologische
Systeme in vielen Teilen der Erde hatten. Zusammenhänge zwischen regionalen Tempera-
turänderungen und beobachteten Veränderungen in physikalischen und biologischen Sys-
temen sind in vielen aquatischen, terrestrischen und marinen Umgebungen dokumentiert
(IPCC, 2001).
Infolge variierender lokal-topographischer Besonderheiten sind im regionalen Maßstab
kaum Trendaussagen globaler Klimamodelle möglich. Der Hauptgrund hierfür ist die un-
genügende räumliche Auflösung (im Allgemeinen 250 km) der bisherigen Klimamodelle.
Die Folgerung regionaler Klimatrends erfordert demnach sogenannte ,,downscaling"
Verfahren (E
NKE
, 2004), welche gleichzeitig eine aktuelle Klimadiagnose voraussetzen.
1 Einleitung
14
R
APP
&
S
CHÖNWIESE
(1995) betonen bereits seit Mitte der 90er Jahre die Notwendigkeit
einer detaillierten regionalen Klimatrendanalyse, auch vor dem Hintergrund, dass die Fol-
gen des Klimawandels besonders deutlich und räumlich variabel auf der regionalen Ebene
sichtbar werden und gleichzeitig auch nur dort der Bevölkerung vermittelbar sind. Die A-
nalysen zu den regionalen Klimatrends (CLISAX für Sachsen und REKLI für Thüringen)
haben gezeigt, dass eine naturraumorientierte Ausrichtung der Untersuchungen einer poli-
tisch-administrativen vorzuziehen ist (F
RANKE
et al., 2004). Die Fragestellung der vorlie-
genden Arbeit soll klären, inwieweit sich die Folgen des globalen Klimawandels auf das
potentielle Wasserdargebot von Mitteldeutschland auswirken. Aufgrund seiner starken
orographischen Gliederung eignet sich Mitteldeutschland besonders für derartige Untersu-
chungen. Gezielte Auswertungen der lokalen vergangenen und zukünftig zu erwartenden
Veränderungen des Klimas mit der Ableitung der Auswirkungen auf den Wasserhaushalt
stehen in Mitteldeutschland erst am Anfang. Dieser Grund liefert die Basis, warum der
vorliegenden Fragestellung eine gesteigerte Bedeutung beigemessen werden soll.
Eine besondere Herausforderung erwächst für die Hydrologie und Wasserwirtschaft aus
der Frage, wie sich der mögliche Klimawandel auf die Verfügbarkeit von Wasser auswir-
ken könnte. Sollte sich für den Mitteldeutschen Raum ein zukünftiges Wasserproblem her-
ausstellen, erfordert das neue Ansätze für die integrierte Erschließung und Bewirtschaftung
der Wasserressourcen, ihre Erfassung und Bewertung sowie ihren Schutz vor Entwertung.
Als Ziel vorliegender Arbeit sollen allgemeine und regionale Aussagen bezüglich des po-
tentiellen Wasserdargebotes (Differenz zwischen den langjährigen Mittelwerten von Nie-
derschlag und Verdunstung) von Mitteldeutschland getroffen werden. Die Datenbasis für
die Umsetzung bilden die korrigierten Niederschlagshöhen und die nach mehreren Verfah-
ren berechneten potentiellen Verdunstungshöhen von 34 verfügbaren Klimastationen in
Mitteldeutschland für den Gesamtzeitraum 1971 2000.
Die Arbeit beginnt in Kapitel 2 mit der Einordnung und Beschreibung des Untersuchungs-
gebietes bezüglich seiner Reliefausprägung sowie der klimatischen Eigenschaften.
In Kapitel 3 folgt die Beschreibung der Datengrundlage, wobei dieses Kapitel neben der
Beschreibung der Datensituation die Prüfung der Daten auf Homogenität und die Aufberei-
tung der Daten für die folgenden Anwendungen enthält.
1 Einleitung
15
Den Hauptteil der Arbeit stellen Kapitel 4 und 5 dar. In Kapitel 4 werden zunächst sämtli-
che angewandte Methoden vorgestellt. Die Methodik zur Ermittlung der potentiellen Ver-
dunstung nach verschiedenen Verfahren, die Methodik der Regionalisierung, sowie die
Vorgehensweise bei der Trendanalyse sind dabei von ebensolcher Bedeutung wie der
Schwerpunkt der Ermittlung der klimatischen Wasserbilanz, die gleichzeitig das Hauptau-
genmerk der vorliegenden Arbeit darstellt.
Kapitel 5 beinhaltet neben den Ergebnissen zur Niederschlagskorrektur die Ergebnisse der
Vergleichsrechnungen zur Ermittlung der potentiellen Verdunstung und die Ergebnisse der
klimatischen Wasserbilanz für Mitteldeutschland. Des Weiteren befinden sich in Kapitel 5
die Ergebnisse der Trendanalysen für die angesprochenen Parameter und eine Bewertung
der durchgeführten Arbeiten.
Den Abschluss der Ausarbeitung bildet Kapitel 6, in dem neben der Diskussion der Ergeb-
nisse ein Ausblick für weiterführende Arbeiten gegeben wird.
2 Einordnung des Untersuchungsgebietes
16
2 E
INORDNUNG DES
U
NTERSUCHUNGSGEBIETES
2.1
Das Untersuchungsgebiet Mitteldeutschland
Jede Darstellung einer Raumeinheit in der geographischen Wissenschaft hat zunächst mit
der Feststellung ihrer Lageverhältnisse auf der Erdoberfläche zu beginnen (B
RAMER
,
1991).
Die Bezeichnung Mitteldeutschland wird im allgemeinen Sprachgebrauch sehr uneinheit-
lich verwandt und soll deshalb vorab erörtert werden. Nach der landeskundlichen Definiti-
on von S
CHLÜTER
(1927) ist Mitteldeutschland nicht nur eine Lagebezeichnung für einen
Teilraum Deutschlands, sondern eine eigenständige Raumeinheit. Dabei handelt sich um
jenes Gebiet, das im Südwesten und Südosten von zwei gegeneinander geneigten Flügeln
der Deutschen Mittelgebirgsschwelle, vom Thüringer Wald und vom Erzgebirge, klar be-
grenzt ist. Im Norden bilden Fläming und Lausitzer Landrücken eine undeutliche Grenze
zum jung- und mittelpleistozänen Tiefland Brandenburgs. Im Westen treten Eichsfeld,
Harz und Flechtinger Höhenzug als trennender Saum gegen das hessisch-niedersächsische
Berg- und Schollenland an Werra und Leine etwas stärker hervor (R
OTHER
, 1997). In frü-
heren physiogeographischen Betrachtungen ordnete man sogar die gesamte Mittelgebirgs-
schwelle Deutschlands, von den östlichen Ausläufern der Ardennen bis zu den Sudeten als
Mitteldeutschland ein (P
ENCK
, 1887; H
ETTNER
, 1907). Der Dresdner Botaniker und Bioge-
ograph Oscar Drude (1852-1933) umgrenzte den von ihm beschriebenen ,,Hercynischen
Florenbezirk" derart, dass dieser ebenfalls dem mitteldeutschen Raum entsprechen könnte
(vgl. D
RUDE
, 1902). Die unterschiedlichen Ansichten bei der Definition des Begriffs Mit-
teldeutschland verdeutlichen die Komplexität einer genauen Lageabgrenzung.
Gemäß dem heutigen Verständnis von Geographie sind ausgehend von der jeweiligen wis-
senschaftlichen Fragestellung geographische Argumente zu finden, die dazu berechtigen,
von Mitteldeutschland" als individueller geographischer Raumeinheit auszugehen (J
OHN
,
2001). Bedingt durch die vorgefundene Datensituation (siehe Kapitel 3.2) wurde in der
vorliegenden Arbeit die Definition von J
OHN
(2001)
gewählt, der Mitteldeutschland de-
ckungsgleich mit den Territorien der drei Bundesländer Sachsen, Sachsen-Anhalt und Thü-
ringen als Glieder der Bundesrepublik Deutschland sieht. Diese Bundesländer befinden
2 Einordnung des Untersuchungsgebietes
17
sich im Osten der Bundesrepublik Deutschland und umfassen eine Gesamtfläche von ca.
55.000 km
2
. Sie werden im Norden von Mecklenburg-Vorpommern, im Osten von Bran-
denburg und Polen, im Süden von Bayern und Tschechien und im Westen von Hessen und
Niedersachsen begrenzt (Abbildung 1).
Gemäß den geographischen Axiomen nach
N
EEF
(1967) ist jede Raumgliederung legi-
tim, sofern sie gewissen Zwecken dienlich
und an den jeweiligen Aufgaben die sie im
konkreten Fall erfüllen soll, ausgerichtet ist.
N
EEF
betont, dass es - bezogen auf den Na-
turraum, den Landschaftsraum, den Kultur-
raum, den Wirtschaftsraum u.a. - weder
richtige noch falsche geographische Raum-
gliederungen geben kann, sondern nur
zweckmäßige oder unzweckmäßige erd-
räumliche Ausgrenzungen, die geeignet
oder ungeeignet für den jeweiligen Anwen-
dungsbereich sein können.
2.2
Orographischer Überblick für Mitteldeutschland
Will man einen Überblick über den Gesamtraum eines größeren Territoriums erlangen, ist
es praktisch unmöglich, die individuelle Gestaltung aller Gegebenheiten zu erforschen und
separat darzustellen. Für dieses Problem hat die Geographie in der landschaftlichen Be-
trachtung eine Lösung gefunden, indem auf der Grundlage des Vergleichs zusammenhän-
gende bzw. einheitlich beschaffene Teilräume der Erdoberfläche im Begriff ,,Landschaft"
zusammenfasst werden. Dadurch wird gewährleistet, dass ins Detail gehende örtliche Un-
tersuchungen abstrahiert und räumlich ausgewertet werden können (M
EYNEN
&
S
CHMITHÜSEN
, 1962). Hinsichtlich klimatologischer Untersuchungen findet dies Unterstüt-
Abb. 1: Physisch-geographische Einordnung des
Untersuchungsgebietes
2 Einordnung des Untersuchungsgebietes
18
zung dahingehend, dass regionale Auswirkungen globaler Veränderungen zwischen Natur-
räumen variieren. Diese Schlussfolgerung konnte für Sachsen (C
LISAX
2001, 2002) und
Thüringen (R
EKLI
, 2003) sowie für den gesamten mitteldeutschen Raum gewonnen wer-
den.
Raumgliederungen nach der natürlichen Ausstattung verfolgen nach R
ICHTER
(1978) das
Ziel, die von der Natur her bestimmten Teilräume zu erkennen, sie kartographisch durch
Grenzlinien zu fixieren und diese Naturräume durch beschreibende Texte zu erläutern. Bei
Untersuchungen im naturwissenschaftlichen Bereich ist es gleichfalls von großer Bedeu-
tung, immer auch die Dimension der einzelnen Untersuchungsräume mit anzugeben, umso
eine entsprechende Einordnung der Ergebnisse zu gewährleisten. Die Abhandlungen in-
nerhalb der vorliegenden Arbeit beziehen sich auf Untersuchungen im Makrochorischen
Bereich (ca. 1:2 Mio.), wobei die Makrochoren bereits an der Grenze zur Regionischen
Dimension (ca. 1:2 Mio. bis 1:15 Mio.) stehen (H
ENDL
&
L
IEDTKE
,
1997).
Jede Atlaskarte gibt für Mitteldeutschland drei Relief-Stockwerke wieder: die Mittelge-
birgslagen mit Höhen über 500 m, die Berg- und Hügelländer mit Höhen zwischen 200
und 500 m als vorwiegende Abtragungsgebiete, sowie die Tiefländer (< 200 m) als vor-
wiegende Aufschüttungsgebiete. Wie überall in Mitteleuropa sind die Mittelgebirge vom
Gegensatz hochliegender Flachformen und scharf eingeschnittener Talkerben geprägt. Der
herzynisch (NW-SO) streichende Thüringer Wald, der sich mit dominierenden Landstufen
über seine Vorländer im Norden und Süden erhebt, vertritt diesen Typus allerdings am
wenigsten. Er ist im Westen ein schlankes, symmetrisch aufgebautes Kammgebirge mäßi-
ger Höhe, dem Hochflächen fehlen. Das engmaschige Netz der Abdachungstäler, die im
Norden über Ohra, Gera und Ilm zur Saale entwässern und im Nordwesten und Süden zum
Einzugsbereich der Werra gehören, hat die älteren Flachformen bereits aufgezehrt. Von der
Linie Gehren-Schleusingen an verbreitert sich der Höhenzug zum Thüringer Schieferge-
birge, das ostwärts beinahe unbemerkt in das etwas flacher gelegene Vogtländische Schie-
fergebirge übergeht.
Mit scharfen Rändern auf drei Seiten setzt sich der Harz (siehe Naturraum Nr. 22 in Abbil-
dung 2) als am weitesten im Norden befindlicher Vorposten der deutschen Mittelgebirgs-
schwelle von seiner Umgebung ab. Dieses asymmetrisch herausgehobene Höhengebiet -
mit steilem Abfall im Nordwesten und sanfter Abdachung im Südosten besitzt Hochflä-
chencharakter. Sowohl im Ober- und Mittelharz mit der weithin sichtbaren Erhebung des
2 Einordnung des Untersuchungsgebietes
19
Brockens (1142 m) als auch im Unter- und Ostharz wird die Peripherie des Gebietskörpers
von tiefen Talkerben zerschnitten, deren Gewässer nach allen Himmelsrichtungen streben
und Weser und Elbe als Vorfluter haben. Der Harz besitzt somit die wesenseigene Gestalt
eines Mittelgebirges.
Im weiten Raum zwischen Thüringer Wald und Harz erstreckt sich das flache Hügelland
des Thüringer Beckens (siehe Naturraum Nr. 23/24 in Abbildung 2). Es wird von der
Unstrut entwässert und ist durch Offenland im Kernraum und schmale Höhenzüge an den
Rändern (Hainleite, Windleite, Schmücke, etc.) geprägt. Zwischen der nördlichen Umran-
dung des Thüringer Beckens und dem Unterharz befindet sich das eher flache südliche
Harzvorland, das von der Helme entwässert wird und dessen tiefster Teil die Goldene Aue
mit weniger als 200 Höhenmetern ist. Aus ihr ragt weithin sichtbar die Erhebung des Kyff-
häusers (477 m) auf. Das gleichfalls hügelige nördliche Harzvorland mit seinen kleineren
Höhenzügen zwischen Harz und Großem Bruch gelegen, bildet an dieser Stelle den Über-
gang zum Tiefland.
Auch die variskisch (SW-NO) streichende Pultscholle des Erzgebirges besitzt die wesens-
eigene Gestalt eines Mittelgebirges.
Sie bildet zusammen mit dem etwas tiefer gelegenen
und nur durch die Schöneckstufe abgesetzten Elstergebirge im Westen eine Reliefeinheit
(M
ANNSFELD
& R
ICHTER
, 1995). Die schwach geneigte sächsische Nordabdachung, die bis
auf das Gebiet um den Fichtelberg (1241 m) bzw. den Keilberg (1244 m) keine hervortre-
tenden Gipfelbauten aufweist, verliert sich allmählich ins Vorland. Anders gestaltet sich
das Bild zum Süden hin. Hier ist ein steiler Abbruch vorzufinden, der auf Tschechischer
Seite steil in das Böhmische Becken bzw. den Egergraben übergeht. Die eher ausdruckslo-
sen Hochflächen des Erzgebirges werden nur durch die tief eingeschnittenen Kerbtäler von
Zwickauer Mulde, Zschopau, Flöha, Freiberger Mulde und Weißeritz in einzelne Abschnit-
te gegliedert. Östlich des Erzgebirges erhebt sich beiderseits des Elblineaments das Elb-
sandsteingebirge, welches eigentlich ein Tafelland mittlerer Höhe darstellt. Im
Südostzipfel von Sachsen gelegen erstreckt sich das unruhig-wellige Relief des Zittauer
Gebirges, das aber hauptsächlich auf Böhmischem Gebiet liegt.
Im Osten wird das tiefere Höhenstockwerk von je zwei Becken- und Hügellandregionen
vertreten. Die Elbtalniederung (Naturraum Nr. 8 in Abbildung 2) ist dabei als lang ge-
strecktes Aufschüttungsgebiet in die zurückweichenden Randhöhen deutlich eingesenkt.
Eine nicht ganz so markante Mulde bildet das Erzgebirgsbecken zwischen Zwickau und
2 Einordnung des Untersuchungsgebietes
20
Chemnitz, das die gleichsinnige Abdachung des Erzgebirges auf 10 bis 20 km Breite un-
terbricht. Das Mittelsächsische Lößhügelland (Naturraum Nr. 25/26 in Abbildung 2) zwi-
schen Zwickauer und Freiberger Mulde stellt die Fortsetzung der sanften
Erzgebirgsabdachung dar und geht am Ende unmerklich ins Tiefland über. Junge Auf-
schüttungen bauen das im Westen weithin geöffnete, im Osten stark bewaldete Mitteldeut-
sche Tiefland mit seinen großräumig bewaldeten Gebieten (Dahlener Heide und Dübener
Heide) zwischen Elbe und Neiße auf. Es wird nach Norden hin vom Hohen und Niederen
Fläming (Naturraum Nr. 16 in Abbildung 2) und vom Lausitzer Landrücken (Naturraum
Nr. 20 in Abbildung 2) abgeschlossen (vgl. R
OTHER
, 1997).
Abbildung 2 gibt einen Überblick über ausgewählte Naturraumeinheiten innerhalb des Un-
tersuchungsgebietes.
Abb. 2: Darstellung der Naturraumeinheiten innerhalb des Untersuchungsgebietes (S
CHULTZE
& B
AUER
; in
H
AACK
H
AUSATLAS
, 1968)
8 - Elbtalniederung
16 - Fläming
17 - Nordöstliche Harzvorländer
18 - Sachsen-Anhaltische Ebenen
19 - Nordsächsisches Heideland
20 - Lausitzer Becken- und Heideland
22 - Harz
23/24 - Thüringer Becken und Randplatten
25/26 - Sächsisches Hügelland
27 - Westthüringer Störungszone
28 - Sächsisch-Thüringischer Mittelgebirgsgürtel
29 - Rhön
30 - Südliches Thüringerwald-Vorland
2 Einordnung des Untersuchungsgebietes
21
2.3
Klimatischer Überblick für Mitteldeutschland
Die Klimaklassifikation nach K
ÖPPEN
(1936) beschreibt das Klima von Mitteldeutschland
als ,,feuchtkühlgemäßigtes Klima der Mittelbreiten". Kleinere Abweichungen je nach Hö-
henlage sind möglich (R
OTHER
, 1997). Mit dieser Bezeichnung ist ein wintermildes bzw.
sommerkühles und immerfeuchtes Klima gemeint. Es unterscheidet sich zu den angren-
zenden Klimaprovinzen in Mitteleuropa allenfalls durch Nuancen. Durch die Lage in der
außertropischen Westwindzone steht Mitteldeutschland ganzjährig unter zyklonalem Ein-
fluss aus dem westlichen Quadranten. Dieser Einfluss wird nur zeitweise durch den Vor-
stoß kontinentaler Luftmassen unterbrochen (R
OTHER
, 1997). Im Gegensatz zum
Nordwesten Deutschlands befindet sich Mitteldeutschland ähnlich wie Süddeutschland
bedingt durch seine Binnenlage im Übergangsgebiet von ozeanischen zu kontinentalen
Einflüssen, ohne aber die jeweiligen Extreme jemals zu erreichen.
Deutliche klimatische Unterschiede werden durch das stark gegliederte Relief hervorgeru-
fen. Neben dem Höhenstufeneffekt sind Stau- und Föhneffekte besonders wirksam. Da die
Windrichtung aus dem westlichen Sektor überwiegt, bilden sich engräumig wechselnde
Luv- und Leegebiete, die weit über die morphologischen Gebirgsgrenzen in Vorland und
Tiefland übergreifen und die Höhenstufeneffekte deutlich überlagern (M
ANNSFELD
&
R
ICHTER
, 1995). Aufgrund der vertikalen Temperatur-Gegensätze ist im Jahresverlauf zwi-
schen Gunsträumen im Tief-
land und Ungunsträumen im
Bergland zu differenzieren.
Die Länge der Vegetationspe-
riode verdeutlicht diesen Kon-
trast sehr stark (Tabelle 1).
Betrachtet man das hygrische Klima, so tritt der Einfluss des Reliefs noch markanter her-
vor. Die Höhenlage entscheidet primär über die Niederschlagsmenge, und der Gegensatz
von Gebirgen und Becken bzw. Tiefland tritt erneut hervor. Separat betrachtet kann man
zwischen feuchten (> 1000 mm Niederschlag), trockenen (< 500 mm), bzw. ,,normalen"
Gebieten (500-1000 mm) unterscheiden. Die Luvlagen der Mittelgebirge, die den Haupt-
windrichtungen aus dem westlichen Quadranten als Barriere entgegenstehen, erweisen sich
als besonders feucht, wohingegen ihre Leelagen weniger Niederschläge empfangen. Der
Tab. 1: Mittlere jährliche Dauer der Vegetationsperiode für Beispiel-
regionen des Untersuchungsgebiets
Gebiet
Länge der Vegetationsperiode
Kammlagen der Gebirge (Harz)
< 160 Tage
mittlere Gebirgslagen (Harz)
200 210 Tage
Thüringer Becken/ Nordsachsen
220 230 Tage
2 Einordnung des Untersuchungsgebietes
22
folgende Abschnitt beschäftigt sich mit den klimatischen Bedingungen in den einzelnen
Naturräumen.
In Anbetracht seiner geographischen Lage ist der Harz ,,atlantischer" anzusehen als das
Erzgebirge, welches bekanntlich größere Höhen erreicht. Bedingt durch seine Lage im
Regenschatten von Thüringer Wald und Fichtelgebirge kommt es im Jahresverlauf im
Erzgebirge im Vergleich zum Harz zu deutlich geringeren Niederschlagsmengen.
Nach O
ELKE
(1997) ist der Harz bzw. sein auf sachsenanhaltinischer Seite gelegenes Vor-
land bezüglich der Niederschlagsverteilung durch zwei Extrema gekennzeichnet. Zum ei-
nen ist der Brocken mit Jahressummen von über 1600 mm/a der feuchteste Punkt im
nördlichen Mitteleuropa. Zum anderen stellen das Territorium des Thüringer Beckens und
der Raum Magdeburg-Halle, die weithin auch als Mitteldeutsches Trockengebiet bezeich-
net werden, die untere Grenze der Extrema dar. Mit Artern befindet sich hier eine Stadt,
die mit Jahresniederschlägen um die 460 mm zu den Niederschlagsärmsten in ganz
Deutschland gehört. Alle weiteren Teilräume kann man zwischen den beiden Nieder-
schlagsextremen einordnen. Fasst man die Klimaelemente zusammen, so gliedert sich Mit-
teldeutschland in vier Klimagebiete (R
OTHER
, 1997):
(1) die ozeanisch beeinflussten Becken- und Hügelländer des Westens,
(2) das kontinental beeinflusste Tiefland des Ostens,
(3) die Luv- und Leebereiche des Gebirgsvorlandes und
(4) die Montanstufe der Gebirge.
Nachfolgend soll jedem der vier genannten Klimagebiete eine Station mit dazugehörigem
Klimadiagramm zugeordnet werden. Das ozeanisch beeinflusste Becken- und Hügelland
des Westens kann man nach R
IESE
(1993) als klimatisch bevorzugt ansehen. Es herrschen
sommerliche Mitteltemperaturen um 17-18 °C, und die mittleren Wintertemperaturen sin-
ken kaum unter den Gefrierpunkt. Die mittlere Niederschlagsverteilung lässt eindeutig ein
Sommermaximum erkennen. Die Station Weimar kann diesem Klimagebiet exemplarisch
zugeordnet werden (Abbildung 3). Die Station Görlitz (Abbildung 4) wurde ausgewählt
um den kontinental beeinflussten Tieflandsbereich des Ostens zu repräsentieren.
Der kontinentale Einfluss spiegelt sich an den hohen sommerlichen und den relativ niedri-
gen winterlichen Mitteltemperaturen (Januar: <0 °C) wieder. Auch ist das zweite Nieder-
schlagsmaximum im Winter typisch für dieses Klimagebiet.
2 Einordnung des Untersuchungsgebietes
23
Die Luv- und Leebereiche des Gebirgsvorlandes (Klimagebiet 3) werden durch die Station
Erfurt (Abbildung 5) im Leebereich und die Station Bad Hersfeld (Abbildung 6) im Luvbe-
reich des Thüringer Waldes gelegen, repräsentiert. Dieses Klimagebiet ist durch unter-
schiedliche Jahresniederschlagssummen geprägt. Dabei sind die Luvbereiche als
wesentlich begünstigter anzusehen als die Leebereiche. Auch liegen die Jahresmitteltempe-
raturen im Luvbereich höher (vgl. Bad Hersfeld 8,8 °C versus Erfurt 8,2 °C) was wahr-
scheinlich durch die höheren Wintertemperaturen in Luvlagen begründet ist.
Abb. 3: Klimadiagramm von Weimar (Mittelwerte
des Zeitraums 1971-2000)
Abb. 4: Klimadiagramm von Görlitz (Mittelwerte des
Zeitraums 1971-2000)
Abb. 5: Klimadiagramm von Erfurt (Mittelwerte des
Zeitraums 1971-2000)
Abb. 6: Klimadiagramm von Bad Hersfeld (Mittel-
werte des Zeitraums 1971-2000)
2 Einordnung des Untersuchungsgebietes
24
Um das Klimagebiet (4), also die Montanstufe der Gebirge zu präsentieren, wurde hier
exemplarisch die Station Brocken gewählt (Abbildung 7). Mit seinen Jahresniederschlägen
von über 1600 mm gehört der Brocken zu den feuchtesten Punkten in ganz Mitteleuropa.
Diese hohen Niederschlagsraten im Jahresverlauf sind typisch für das Klimagebiet. Auch
verdeutlichen die Jahresmitteltemperaturen von knapp 3 °C die typische Rauhigkeit des
Klimas. Zum Vergleich ist hier die Station Fichtelberg dargestellt (Abbildung 8). Diese
kennzeichnet ebenfalls das Klimagebiet (4), ist aber auf Grund seiner westlicheren Lage
mit wesentlich geringern Jahresniederschlägen ausgestattet als der Brocken. Auch das typi-
sche Wintermaximum des Niederschlags in den westlichen Mittelgebirgen kann an der
Station Fichtelberg nicht festgestellt werden, hier liegt ein Sommermaximum vor. Die Ur-
sachen der Unterschiede liegen im stark atlantisch geprägten Charakter der westlichen Mit-
telgebirge. Die mittleren monatlichen Temperaturen unterscheiden sich jedoch kaum.
Abb. 7: Klimadiagramm vom Brocken (Mittelwerte
des Zeitraums 1971-2000)
Abb. 8: Klimadiagramm vom Fichtelberg (Mittelwer-
te des Zeitraums 1971-2000)
3 Datengrundlage und Datenaufbereitung
25
3 D
IE
D
ATENGRUNDLAGE UND DEREN
A
UFBEREITUNG
3.1
Mitteldeutsche Klimadatenbank
Datengrundlage der vorliegenden Arbeit ist die Mitteldeutsche Klimadatenbank. Dieses
relationale Datenbanksystem ist das Ergebnis der Zusammenführung der Sächsischen Kli-
madatenbank mit der Thüringer Klimadatenbank, welche im Rahmen der Forschungspro-
jekte C
LISAX
(B
ERNHOFER
&
G
OLDBERG
, 2001; B
ERNHOFER
et al., 2002) und R
EKLI
(B
ERNHOFER
et al., 2003) entstanden sind. Ziel dieser Forschungsvorhaben war es, für das
jeweilige Gebiet alle verfügbaren Zeitreihen des Niederschlags, der Temperatur, der
Windgeschwindigkeit, der relativen Feuchte sowie abgeleiteter (Globalstrahlung nach
Angström) und komplexer (potentielle Verdunstung nach Penman) Klimagrößen zusam-
menzufassen und auf deren Grundlage eine regionale Klimadiagnose durchzuführen. Des
Weiteren wurden sämtliche verfügbaren Zeitreihen aller relevanten Klimagrößen des Bun-
deslandes Sachsen-Anhalt assimiliert.
Mit der Erstellung der Mitteldeutschen Klimadatenbank wird dem Anliegen der vorange-
gangenen Projekte für das Territorium Mitteldeutschland entsprochen. Datenlieferant für
die Mehrzahl der Daten war der Deutsche Wetterdienst (DWD). Weitere Klimadaten
Abb. 9: Struktur der Mitteldeutschen Klimadatenbank und Systematik der Datenverarbeitung
(B
ERNHOFER
et al., 2003)
3 Datengrundlage und Datenaufbereitung
26
stammen aus einer institutseigenen Datenbank des Instituts für Hydrologie und Meteorolo-
gie der Technischen Universität Dresden. Infolge der Grenzsituation Sachsens zu Tsche-
chien entstand während der C
LISAX
Projekte eine Kooperation zum Czech
Hydrometeorological Institute in Prag (CHMI). Aus dieser Zusammenarbeit heraus konn-
ten tschechische Klimadaten in die Datenbank assimiliert werden. Die Mitteldeutsche
Klimadatenbank wurde ebenso wie ihre Ausgangsdatenbanken mit Hilfe des
Datenbanksystems MS-ACCESS erstellt. Abbildung 9 gibt einen Überblick über die Struk-
tur der Mitteldeutschen Klimadatenbank.
Im Folgenden sind die Auswahlkriterien der Datengrundlage für die Berechnungen in den
anschließenden Kapiteln beschrieben. Die Korrektur der Niederschlagswerte und die Be-
rechnung der potentiellen Verdunstung erfolgen auf der Grundlage von Tageswerten. Die
Betrachtungen zur klimatischen Wasserbilanz basieren auf Monats- und Jahreswerten.
Um zu aussagekräftigen räumlichen Angaben zu gelangen, müssen möglichst viele Klima-
stationen in die Untersuchungen einbezogen werden. Die potentielle Verdunstung stellt
eine Komplexgröße dar, bei der je nach Berechnungsverfahren bis zu 5 Klimaparameter
notwendig sind. Daher ist es mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden, eine ausreichen-
de Stationsdichte herzustellen. Ein Territorium wie Mitteldeutschland, welches durch seine
landschaftliche Heterogenität gekennzeichnet ist, erleichtert diesen Umstand nicht gerade.
Das Hauptkriterium bei der Stationsauswahl war die Vollständigkeit der gemessenen bzw.
abgeleiteten Klimagrößen:
-
Niederschlag,
-
Temperatur,
-
Windgeschwindigkeit,
-
relative Feuchte und
-
Sonnenscheindauer (Globalstrahlung).
Auch die Länge der Messreihen spielt bei der Stationsauswahl eine entscheidende Rolle.
R
APP
(2000) bezeichnet eine CliNo-Periode von 30 Jahren als unteren Grenzwert bei
Trendberechnungen.
3 Datengrundlage und Datenaufbereitung
27
Aufgrund dieser Kriterien konn-
ten insgesamt 34 Stationen aus-
gewählt werden, die den
Zeitraum 1971 2000 umfassen.
Da bei der Interpolation der Da-
ten meist ein Randstreifen mit
höherer Fehlerquote auftritt
(B
ERNHOFER
et al., 2003), wur-
den in das Datenkollektiv auch
Messreihen benachbarter Bun-
desländer bzw. Messreihen die
auf Tschechischem Gebiet lagen,
aufgenommen. Die Lage der
Stationen ist in Abbildung 10
dargestellt sowie in Tabelle A 1
im Anhang genauer beschrieben.
3.2
Datenaufbereitung
3.2.1 Datenprüfung
Da es sich bei den assimilierten Daten größtenteils um Rohdaten handelt, sind nach B
ERN-
HOFER
et al. (2001) Inhomogenitäten, welche durch Messausfälle, Stationsverlegungen,
etc. entstanden sind, nur unzureichend korrigiert. Eine Prüfung auf Homogenität wird da-
durch unerlässlich. Die Methodik und die Abfolge der im Rahmen der Datenprüfung vor-
genommenen Schritte folgen den Empfehlungen von S
CHÖNWIESE
&
R
APP
(1996, 1997).
Das Flussdiagramm in Abbildung A 1 im Anhang stellt die schrittweise Abarbeitung des
implementierten Prüfalgorithmus zur Homogenitätsprüfung innerhalb der Datenbank dar
(vgl. auch Abbildung 9).
Ausgehend von vorbereitenden Analysen, zu denen die Fehlwertsuche und der Ausreißer-
test gehören, gelangt man schließlich über die Stationaritätsprüfung hin zur eigentlichen
Abb. 10: Lage der verwendeten Klimamessstationen
12
·
Station
Fluss
Ländergrenze
3 Datengrundlage und Datenaufbereitung
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Homogenitätsprüfung. Da bei den vorbereitenden Analysen und bei der Stationaritätsprü-
fung nur die zu prüfende Zeitreihe im Vordergrund steht, spricht man auch von einem
,,Einreihentest". Im Gegensatz dazu stellen die hier verwendeten relativen Homogenitäts-
prüfungen einen ,,Zweireihentest" dar, da die Prüfung anhand von Referenzstationen er-
folgt. Die Zeitreihen in ursprünglich täglicher Auflösung werden dem Prüfalgorithmus
monatsweise unterzogen, da eine Prüfung täglicher Werte aufgrund größerer Fluktuationen
(welche durchaus physikalisch erklärbar sind) als kritisch einzustufen ist (S
CHÖNWIESE
,
2000).
3.2.1.1 Vorbereitende Analysen
Fehlwertsuche
Nur auf die Testreihe angewendet, ergeben sich folgende Abbruchkriterien:
-
mehr als 25 % der Jahre haben im betreffenden Monat Fehltage;
-
die Reihe hat weniger als 15 Jahre (Monate ohne Fehltage).
Wird auch nur eines der beiden Kriterien erreicht, so wird das Programm mit Hinweis auf
Fehlwertsetzung abgebrochen.
Ausreißerprüfung
Nachfolgend wird der Test nach D
IXON
(1950; beschrieben in S
ACHS
, 1968) angewendet,
wobei die Testreihe in Abhängigkeit des Klimaparameters auf Ausreißer nach oben oder
nach unten hin kontrolliert wird.
Das Programm berechnet einen Minimal- und Maximaltestwert entsprechend den statisti-
schen Parametern der Reihe. Anschließend wird auf Über- bzw. Unterschreitung der Test-
werte geprüft. Da der Ausreißertest nach D
IXON
Normalverteilung voraussetzt, werden die
Werte vorher logarithmiert. Die Prüfgröße t ermittelt sich aus:
s
x
x
t
-
=
max
(3.1)
wobei x
max
der Maximalwert der Reihe ist,
x der Mittelwert und s die Standardabwei-
chung. Ist der so berechnete Wert t größer als 3.884, so ist mit a = 0.05 anzunehmen, dass
3 Datengrundlage und Datenaufbereitung
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es sich bei diesem Wert um einen Ausreißer handelt (exakt nur gültig bei mehr als 1000
Werten).
3.2.1.2 Stationarität und Homogenität
Im Folgenden werden einige Verfahren zur Homogenitätsprüfung vorgestellt. Die Abhand-
lung basiert hauptsächlich auf den Ausführungen von S
CHÖNWIESE
&
M
ALCHER
(1985).
Grundlagen
Stationarität bedeutet, dass die statistischen Charakteristika einer Zeitreihe zeitlich invari-
ant sind (S
CHÖNWIESE
&
M
ALCHER
, 1985). Nicht-Stationarität klimatologischer Zeitreihen
kann prinzipiell zwei Ursachen haben: meteorologische und nichtmeteorologische. Bei den
nichtmeteorologischen spricht man auch von Inhomogenitäten in der Zeitreihe.
Eine Inhomogenität lässt sich an Unterschieden zwischen den Zeitreihen nahe gelegener
Stationen erkennen. Am einfachsten und sichersten lassen sich Inhomogenitäten durch eine
verlässliche Dokumentation der Stationsgeschichte aufdecken, aber solche liegen für die
bearbeiteten Stationen meist nicht vor. Ein Notbehelf ist die statistische Homogenitätsprü-
fung. Dabei gibt es zwei Möglichkeiten:
a) absolute Homogenitätstests, die sich auf nur eine Klimareihe stützen und entsprechend
unsicher sind;
b) relative Homogenitätstests, die auf Vergleichen mit benachbarten Stationen bzw. Ge-
bietsmittelwerten (als Referenz-Datenreihen) beruhen.
Es sollten wenn möglich stets mehrere Verfahren nebeneinander benutzt werden, da alle
Verfahren mit Vor- und Nachteilen behaftet sind. Im vorliegenden Fall wird auf die Ergeb-
nisse von vier graphischen und drei numerischen Verfahren zurückgegriffen. Unter den
graphischen Methoden befindet sich der Test nach Craddock (1979), die Doppelsummen-
analyse nach Dyck (1980) und der Quotientenvergleich nach Hann (1898) als relative Ho-
mogenitätstests sowie die Methode der Summendifferenzlinie als eine Form der
Darstellung hydrologischer Reihen. Der absolute Abbe-Test sowie die relativen Tests nach
Buishand (1982) und Alexandersson (1986) kommen bei den numerischen Verfahren zum
Einsatz. Im nachfolgenden sind die einzelnen Tests detaillierter beschrieben.
Details
- Seiten
- Erscheinungsform
- Originalausgabe
- Jahr
- 2005
- ISBN (eBook)
- 9783832490294
- ISBN (Paperback)
- 9783838690292
- Dateigröße
- 5.5 MB
- Sprache
- Deutsch
- Institution / Hochschule
- Technische Universität Dresden – Forst-, Geo- und Hydrowissenschaften, Geographie
- Note
- 1,7
- Schlagworte
- klimawandel wasserbilanz verdunstung niederschlag wassermangel
