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D ürre. und Dürre-Indizes. Dürre und Dürre-Indizes. Wasserkreislauf und Wasserhaushalt Historische Dürren Heiße- oder Dürrejahre in Deutschland Definitionen von Dürre Typologie von Dürrenereignissen Dürre-Indizes. Hydrologische Grundlagen Wasserhaushalt.

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  1. Dürre und Dürre-Indizes

  2. Dürre und Dürre-Indizes Wasserkreislauf und Wasserhaushalt Historische Dürren Heiße- oder Dürrejahre in Deutschland Definitionen von Dürre Typologie von Dürrenereignissen Dürre-Indizes

  3. Hydrologische GrundlagenWasserhaushalt Unter dem Wasserhaushalt eines Gebiets versteht man das Zusammenwirken der Wasserhaushaltsgrößen in diesem Gebiet : Niederschlag P Verdunstung oder Evapotranspiration ET Verdunstung vom Boden Abfluss R Zufluss Z Infiltration I Grundwasserfluss in das System Grundwasserfluss von System (raus) Änderung der Speicherung ∆S Die Wasserhaushaltsgrößen werden meist in mm Wasserhöhe, bezogen auf eine bestimmte Fläche und einen bestimmten Zeitraum, angegeben.

  4. WasserkreislaufundWasserhaushaltP + Z - R + - – ET – - I = ∆S

  5. Wasserprobleme • Hochwasser • Verschmutzung • Dürre

  6. Warum ist die wissenschaftliche Untersuchung von Dürrenereignissen sehr wichtig ?

  7. HistorischeDürren ListehistorischerKatastrophenaus Wikipedia

  8. Heiße oder Dürrejahre in Deutschland aus Wikipedia • 1857 gab es eine Dürre in Deutschland. • 2003 war ein sogenannter Jahrhundertsommer. Etwa vom 1. bis 15. August 2003 gab es eine Hitzewelle in großen Teilen Europas. • In Deutschland war das erste Halbjahr 2011 extrem trocken. • Eine weitere Trockenheit scheint sich im Herbst 2011 anzubahnen. Nachdem bereits September und Oktober unterdurchschnittliche Niederschläge brachten, zeigt sich der November rekordverdächtig trocken, er wird gebietsweise der trockenste November seit Beginn der Wetteraufzeichnungen werden.

  9. Irans größter Binnensee wird zur Salzwüste Vor zehn Jahren war der Urmia-See zehn Mal größer als der Bodensee. Doch schon in zwei Jahren, so warnen Experten, könnte der riesige Salzsee verschwunden sein.

  10. Definitionen Was ist eigentlich Dürre ? Was sind Dürrenereignissen? Normalerweise ist Dürre als eine bestimmte längere Zeit ohne Regen zu Definieren. Dürre = f ( Zeit , Niederschlag )

  11. Definitionen Die Definitionen von Dürre sind wegen ihrer starken Abhängigkeit von Zeit und Raum sowie aufgrund ihrer Auswirkungen sehr vielfältig (HEINRICH & GOBIET 2011). Wilhite & Glantz (1985) fanden mehr als 150 publizierte Definitionen für Dürre, die auf verschiedene Klassifikationen zurückgreifen.

  12. Definitionen Definitionen der Dürre ( Climate Service Center ) Climate Service Center : Am Climate Service Center arbeitet ein Team von Naturwissenschaftlern, Ökonomen, Politikwissenschaftlern und Kommunikationsexperten daran, das Wissen aus der Klimaforschung praxisorientiert aufzubereiten und Entscheidungsträgern in Politik, Verwaltung und wirtschaft sowie einer breiten Öffentlichkeit zu vermitteln.

  13. Definitionen Climate Service Center IPCC 2012 (Intergovernmental Panel on Climate Change) : Dürre ist ein extremer, über einen längeren Zeitraum herrschender Zustand, in dem aus hydrologischer, landwirtschaftlicher oder ökologischer Sicht weniger Wasser verfügbar als erforderlich ist. Dies schließt auch den Wasserbedarf von Organismen mit ein. Dürre ist jedoch ein relativer Begriff, der in Bezug zu den regionalen Niederschlagsverhältnissen gesehen wird. Deshalb muss bei jeder Diskussion der Bezug zu den regionalen Verhältnissen hergestellt warden. Aus statistischer Sicht ist Dürre ein seltenes Extremereignis und tritt mit einer bestimmten Wiederkehrwahrscheinlichkeit auf. Dürren grenzen Zeiten ab, in denen die Wasserverfügbarkeit bezogen auf die langjährige Verteilung sehr gering ist. Im Gegensatz dazu grenzt die Aridität Räume ab, in denen die Verdunstungsmenge immer höher ist, als die Niederschlagschlagsmenge, wodurch generell eine geringe Wasserverfügbarkeit normal ist.

  14. Definitionen Dürre ist nicht nur ein physikalisches Phänomen, sondern auch ein Wechselspiel zwischen der Verfügbarkeit und dem Wasserbedarf von Organismen. Verfügbarkeit des Wassers < Wasserbedarf → Dürre

  15. Typologie von Dürrenereignissen : Fachspezifische Variablen können zur Definition der Dürre-Art verwendet werden. Die Dürre-Definitionen lassen sich dazu in fünf Gruppen einteilen : • MeteorologischeDürre • Landwirtschaftliche Dürre • HydrologischeDürre • Grundwasser-Dürre • Sozio-ökonomischeDürre

  16. Typologie von Dürrenereignissen : 1. MeteorologischeDürre : MeteorologischeDürre : Die Meteorologische Dürre wird aufgrund der Niederschlagsmenge und einem gewählten Zeitraumdefiniert. Die zugehörigen Schwellenwerte sind standort- oder regionenspezifisch und hängen von der jeweiligen Fragestellung ab. Deshalb ist es nicht immer möglich, Dürren aus verschiedenen Regionen miteinander zu vergleichen.

  17. Typologie von Dürrenereignissen : 1. MeteorologischeDürre : Beispiel : • der durchschnittliche jährliche Niederschlag < vieljähriges Mittel → ein Dürrejahr • Niederschlagsmenge : durchschnittlicher jährlicher Niederschlag in Deutschland in 2013-14 in Liter pro Quadrameter • der gewählte Zeitraum : von Mai 2013 bis Mai 2014 • der Standort : Deutschland

  18. Typologie von Dürrenereignissen : 1. MeteorologischeDürre :

  19. Typologie von Dürrenereignissen : 1. MeteorologischeDürre : Eine statistische Herangehensweise, um unterdurchschnittliche Niederschlagsmengen zu charakterisieren, wird wegen meist zu kurzen verfügbaren Messreihen von einigen Wissenschaftlern kontrovers diskutiert (BERAN & RODIER 1985). In Abhängigkeit von der Dauer kann die meteorologische Dürre zur landwirtschaftlichen oder hydrologischen Dürre führen.

  20. Typologie von Dürrenereignissen :2. Landwirtschaftliche Dürre : Von einer landwirtschaftlichen oder Bodenfeuchte Dürre wird gesprochen, wenn ein Niederschlagsdefizit in Verbindung mit hohen Verdunstungswerten auftritt. • Dadurch ist die Bodenfeuchtigkeit in einem Agrargebiet ab einem bestimmten Zeitpunkt nicht ausreichend, um eine durchschnittliche landwirtschaftliche Produktion von Nutzpflanzen zu gewährleisten. Niederschlag(P) ↓ & Verdunstung(ET)↑ Folge : Bodenfeuchtigkeit↓ → landwirtschaftliche Dürre

  21. Typologie von Dürrenereignissen :2. Landwirtschaftliche Dürre : • Eine landwirtschaftliche Dürre kann nur während der Vegetationsperiode auftreten. Außerhalb der Vegetationsperiode kann darüber hinaus die sogenannte Frosttrocknisoder Winterdürreauftreten. Frosttrocknis landwirtschaftliche Dürre

  22. Frosttrocknis Frosttrocknis oder Winterdürre bezeichnet bei höheren Pflanzen einen Zustand des Wassermangels, der auf eine zu geringe Wasserversorgung durch die Wurzeln zurückzuführen ist. Dieser entsteht i. d. R. dadurch, dass die Pflanzen über die Blätter Wasser abgeben (Transpiration), jedoch aus dem gefrorenen Boden kein Wasser aufnehmen können. Frosttrocknis ist besonders in Gebirgen bzw. subarktischen und arktischen Lebensräumen von Bedeutung.Nach KÖNIG & MAYER (1989) führt eine hohe Tagessumme der Sonnenscheindauer, Tmax über -1°C und gleichzeitiger Bodenfrost bei Koniferen zu einem Engpass in der Wasserversorgung. Um das Frosttrockenrisiko (FTR) angeben zu können, geben MAYER et al. (1988) folgenden Kennwert an: FTR = ∑ (- ) wenn : < -3 ◦ C und > 10 ◦ C

  23. Typologie von Dürrenereignissen :3. Hydrologische Dürre : Die hydrologische Dürre charakterisiert den Zustand, wenn die Wasserreserven in Seen oder Wasserspeichern unter einen festgelegten Schwellenwert wie einen statistischen monatlichen Durchschnittswert oder einen definierten Wasserstand fallen. 1996 1999 2003 2010

  24. Typologie von Dürrenereignissen :3. Hydrologische Dürre : Änderung des Wasserstands des UrmiaSees 1996 1999 2003 2010

  25. Urmiasee ein paar Daten über Urmiasee : • Fläche : 5470 km² • MaximaleTiefe : 16 m • HöheüberMeeresspiegel : 1280 m • GeographischeLage : Nordwestenvom Iran Teile der Brücke, die quer über den See führt (2007).

  26. Typologie von Dürrenereignissen :3. Hydrologische Dürre : • Änderung der Küste aufgrung des schwankenden Wasserstands in den letzten 40 Jahren

  27. Typologie von Dürrenereignissen :3. Hydrologische Dürre : Vergleich der Wasserstände des UrmiaSees ( im Winter 1998 und im Winter 2011)

  28. Typologie von Dürrenereignissen :3. Hydrologische Dürre : • Nach WILHITE UND GLANZ (1985) lässt sich die hydrologische Dürre im Hinblick auf ihre sektoralen Auswirkungen in sechs Klassen einteilen. Tab. 1: Hydrologische Dürre, Klassifikation von WILHITE UND GLANZ (1985)

  29. Typologie von Dürrenereignissen :4. Grundwasser-Dürre : Von Grundwasser-Dürre wird gesprochen, wenn der sinkende Grundwasserspiegel einen kritischen Stand erreicht. Trotz seiner großen hydrologischen Bedeutung wird das Grundwasser bei vielen Dürre-Analysen ignoriert. Demzufolge existieren in der Literatur nur wenigeDefinitionen.

  30. Typologie von Dürrenereignissen :4. Grundwasser-Dürre : VAN LANEN & PETERS (2000) folgern in ihrer Arbeit, dass eine Grundwasser-Dürre dann auftritt, wenn die Grundwasserstände über einen bestimmten Zeitraum unter einen kritischen Wasserstand fallen, der über Perzentile des Grundwasser-Hydrographen ermittelt werdenkann. • Die zeitliche Verzögerung zwischen einer meteorologischen Dürre und einer hydrologischen Dürre kann Monate oder sogar Jahre betragen. Da sich das Grundwasserreservoir nur langsam wieder auffüllt, sind die Auswirkungen einer Dürre im Grundwasser erst lange nach dem Ende der meteorologischen Dürre beendet.

  31. Typologie von Dürrenereignissen :5.Sozio-ökonomische Dürre : Von einer sozio-ökonomischen Dürre wird gesprochen, wenn es zu einem Versagen der Wasserversorgung kommt, d. h. wenn der Bedarf nicht mehr ausreichend gedeckt werden kann. Dies tritt z. B. ein, wenn der Wasserverbrauch der Bevölkerung die natürlich vorhandenen und regenerierbaren Wasservorräte übersteigt (CUTTER 2001). Neben hydrologischen Ursachen können Planungsfehler und Missmanagement Auslöser dieses Dürretyps sein (SÁNCHEZ et al. 2000).

  32. Dürre-Indizes : Dürre-Indizes sind unverzichtbare Hilfsmittel, um Dürren zu erkennen, zu überwachen und zu bewerten. • Es gibt jedoch keinen universellen Dürre-Index. Vielmehr existieren viele Indizes, die nach Gebietsgröße, Lage des Gebietes oder sektoralen Kriterien entwickelt wurden.

  33. Dürre-Indizes : Die Dürre-Indizes (DI) wurden von NIEMEYER (2008) in sechs Hauptgruppen eingeteilt: • meteorologische DI • umfangreiche DI • landwirtschaftliche DI • hydrologische DI • auf Fernerkundung basierende DI • kombinierte DI.

  34. Dürre-Indizes :meteorologische DI Die Wasserverfügbarkeit ist eine zentrale Größe bei der Beuteilung von Dürren. Da der Niederschlagdie wichtigste Wasserquelle darstellt, stützte sich die erste Generation der Dürre-Indices im Wesentlichen auf meteorologische Variablen, die bei synoptischen Stationen beobachtet wurden. • Zur Berechnung der meteorologischen DI braucht man : • die Niederschlagssumme (P) • Verdunstungbzw. die potentielle Evapotranspiration (EPT)

  35. Dürre-Indizes :meteorologische DI Tab. 2: Übersicht meteorologischer Dürre-Indices

  36. Dürre-Indizes :meteorologische DI • MonatlicheDürre Index (DRI) : • Als einfachste Vorgehensweise zur Index-Berechnung (monthly drought index ) dient die Verwendung der Wasserbilanz, wobei von der monatlichen Niederschlagssumme die Monatssumme der potentiellen Evapotranspiration abgezogen wird (vgl. BIGLER et al. 2006). DRI = • : monatlicheNiederschlagssumme • : potentielle Evapotranspiration

  37. Dürre-Indizes :meteorologische DI • PotentielleEvapotranspirationnach Penman-Monteith: • Strahlung • Temperatur • Wind • spezifische Pflanzenparameter werden berücksichtigt.

  38. Dürre-Indizes :meteorologische DI Mit: L Latente Verdunstungswärme [MJ/kg] s Steigung der Sättigungsdampfdruckkurve [kPa / °C] Rn Nettostrahlung [MJ / m² d] G Bodenwärmestrom [MJ / m² d] ρ Dichte der Luft [kg / m³] cp Spezifische Wärmekapazität der Luft bei konstantem Druck (= 0.001013) [MJ / kg °C] esSättigungsdampfdruck [kPa] e AktuellerDampfdruck [kPa] γ Psychrometerkonstante [kPa / °C] rs Oberflächenwiderstand der Bodenbedeckung [s / m] ra Aerodynamischer Widerstand der Bodenbedeckung [s / m] t Sekunden pro Zeitschritt [s]

  39. Dürre-Indizes :meteorologische DI • DürreindexfürWaldschäden(KÖNIG & MAYER 1989) : • Zur Untersuchung der klimatisch bedingten Waldschäden in Bayern definierten KÖNIG & MAYER (1989) einen Dürre-Index, nach dem an mindestens 10 aufeinanderfolgenden Tagen die tägliche Niederschlagssumme unter 5 mm/d und das Tagesmittel der Lufttemperatur in 2 m Höhe über 20°C sein muss. < 5 mm/d & > 20°C • : tägliche Niederschlagssumme • : Tagesmittel der Lufttemperatur in 2 m Höhe

  40. Dürre-Indizes :meteorologische DI • Standard Precipitation Index (SPI) : • Der standardisierte Niederschlag-Index (SPI) ist ein robuster Index zur Beschreibung von Dürre. Er wurde vom Colorado Climate Center entwickelt, um Dürreereignisse definieren und überwachen zu können (McKee et al. 1993). • Der SPI basiert auf aktuellen und historischen Niederschlagsdaten. Die daraus berechneten Werte geben die Abweichung von einem Durchschnittswert an. • Der SPI wird für mehrere Zeitskalen berechnet, die zwischen einem Monat und bis zu 2 Jahren umfassen können. Damit können kurz- und langfristige Entwicklungen erfasst und der Beginn sowie das Ende jeder Dürre, einschließlich der monatlichen Intensität identifiziert werden.

  41. Dürre-Indizes :meteorologische DI • Standard Precipitation Index (SPI) : • Der SPI betrachtet nur den Parameter Niederschlagsmenge und ermittelt daraus standardisierte Eintrittswahrscheinlichkeiten. Der Wert „0“ ist der Median des Niederschlagswertes, d.h. die Hälfte der historischen Niederschlagsmengen liegt unter dem Median, die andere Hälfte darüber. Tab. 3: Dürre-Klassifikation auf SPI-Basis (LOUCKS et al. 2006)

  42. Standard Precipitation Index (SPI) : • Berechnung : Der SPI-Index wird definiert als x : Niederschlagsmenge H(x) : kumuliertebeobachteteNiederschlagswahrscheinlichkeit , , die Konstanten

  43. Dürre-Indizes :meteorologische DI • Standard Precipitation Index (SPI) : H(x) : kumuliertebeobachteteNiederschlagswahrscheinlichkeit q : Niederschlagswahrschainlichkeit istGammafunktion :

  44. Dürre-Indizes :meteorologische DI • Standard Precipitation Index (SPI) :

  45. Dürre-Indizes :HydrometeorologischeDI Die nutzbare Wasserspeicherkapazität des Bodens kann Niederschlagsdefizite mehr oder weniger stark ausgleichen. Deshalb ist die Bodenwasserverfügbarkeit ebenfalls eine wichtige Komponente, die es zu betrachten gilt.

  46. Dürre-Indizes :HydrometeorologischeDI • nutzbare Wasserspeicherkapazität des Bodens ? ? ? • Unter nutzbareFeldkapazitätversteht man die Wassermenge, die ein zunächst wassergesättigter Boden gegen die Schwerkraft nach 2 bis 3 Tagen noch halten kann. • Die nutzbare Feldkapazität • enthält nicht das • Kapillarwasser und • das Haftwasser .

  47. Dürre-Indizes :HydrometeorologischeDI • ZurBerechnung der HydrometeorologischeDürre-Indices werdenhydrologische Parameter wie die Abflussmenge bzw. Änderungen des Grundwasserspeichers verwendet oder man greift auf Informationen der Landoberfläche wie Evapotranspiration, Bodenfeuchte oder Schneemengezurück. • Abflussmenge • Änderungen des Grundwasserspeichers • Evapotranspiration • Bodenfeuchte • Schneemenge

  48. Dürre-Indizes :HydrometeorologischeDI Tab. 4: Hydrometeorologische Dürre-Indices

  49. Dürre-Indizes :HydrometeorologischeDI • PALMER Drought Severity Index (PDSI) • Der PDSI wurde Mitte der 60er-Jahre entwickelt (PALMER 1965) und nachfolgend mehrfach modifiziert. • Der PDSI ist mit einigen Anpassungen auch heute noch der gebräuchlichste Dürre-Index. • Seit 2007 wirdder PDSI monatlichfürdie gesamteWelt durchdas UCL Department of Space and Climate Physics in Form des GlobalenDürre-Monitors (Global Drought Monitor) zur Verfügung gestellt. UCL DEPARTMENT OF SPACE & CLIMATE PHYSICS MULLARD SPACE SCIENCE LABORATORY

  50. Dürre-Indizes :HydrometeorologischeDI • PALMER Drought Severity Index (PDSI) • Der Index gibt die Abweichung der Feuchteversorgung ausgehend von normalen Bedingungen an. Die Feuchteversorgung wird über die monatlichen Größen Niederschlag und Temperatur eines Zwei-Schicht-Boden-Modells sowie lokal verfügbarer Messwerte der Bodenfeuchteermittelt. • Eingangsdaten in Zwei-Schicht-Boden-Modellierung : • Niederschlag • Temperatur • Messwerte der Bodenfeuchte • Schwachstellen der PDSI : • Prozessewie die Schnee-Akkumulation oder die Schneeschmelze werdenvernachlässigt. • AnthropogeneEinflüssewieetwa die künstlicheBewässerungwerdennichtberücksichtigt.

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