A Climate Change Impact Assessment Study on Mountain Soil Moisture with Emphasis on Epistemic Uncertainties [Elektronische Ressource] / Ole Kristen Rößler. Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät

Ole Kristen Rößler

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• Publié par: rheinische_friedrich-wilhelms-universitat_bonn
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 14
• Langue: English
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Extrait

A Climate Change Impact Assessment Study on Mountain
Soil Moisture with Emphasis on
Epistemic Uncertainties

Dissertation


Ole Rößler


















A Climate Change Impact Assessment Study on
Mountain Soil Moisture with Emphasis on
Epistemic Uncertainties




Dissertation

zur Erlangung des Doktorgrades (Dr. rer. nat.)
der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät
der
Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn






vorgelegt von

Ole Kristen Rößler

aus

Itzehoe


Bonn, den 18.05.2011
1 
 
 
Angefertigt mit Genehmigung der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der
Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn











































1. Gutachter: Prof. Dr. Jörg Löffler
2. Gutachter: Prof. Dr. Bernd Diekkrüger
Datum der Promotion: 15.07.2011
Erscheinungsjahr: 2011
2 
 

Comment

Parts of the study are partly or entirely previously published as follows:

Rößler O, Löffler J (2010) Analyzing spatio-temporal hydrological processes and related
gradients to improve hydrological modeling in high mountains. In Landform -
structure, evolution, process control. Proceedings of the International
Symposium on Landform organised by the Research Training Group 437,
Otto JC, Dikau R (eds). Lecture Notes in Earth Sciences, Vol. 115, 243-257
Springer, Heidelberg.
Rößler O, Löffler J (2010) Potentials and limitations of modelling spatio-temporal
patterns of soil moisture in a high mountain catchment using WaSiM-ETH.
Hydrological Processes 24, 2182-2196.



By the time of submission of this dissertation, other parts of the study were submitted for
publication as follows:

Rößler O, Hölzel H, Diekkrüger B, Löffler J Unsteady uncertainties: Simulating spatio-
temporal patterns of mountain water resources requires output variable
specific choices of models and downscaling procedures. International
Journal of Climatology, submitted


Rößler O, Diekkrüger B, Löffler J Minor difference, major effect – analyzing drought
potential under climate change in the Swiss Alps using ensemble forecasting
reveals drought stress corridors. Water Resource Research, submitted.



3 
 
 
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung ____________________________ 5 
Summary ____________________________________ 7 
1. Introduction ________________________________ 9 
1.1 Recent research needs _______________________________________________________  9 
1.2 Objectives and outline ______________________________________________________  17 
2. Theory on uncertainty propagation ____________ 18 
3. Study Area ________________________________ 20 
4. Methods __________________________________ 22 
4.1 Research design ___________________________________________________________  22 
4.2 Measuring design __________________________________________________________  24 
4.3 Hydrological Model WaSiM‐ETH ______________________________________________  26 
4.3.1 Model description ______________________________________________________  26 
4.3.2 Model setup   31 
4.4 Observed meteorological and climate data used in the model _______________________  31 
4.5 Regional Climate Models: REMO‐UBA and CHRM _________________________________  33 
4.6 Regionalization of meteorological data _________________________________________  34 
4.7 Preparation of spatial data ___________________________________________________  34 
4.8 Model parameterization _____________________________________________________  36 
4.9 Sensitivity analysis based on the hourly model run ________________________________  39 
4.10 Evaluation of spatio‐temporal patterns of hourly hydrological model ________________  39 
4.11 Downscaling of RCM data   39 
4.11.1 Delta change approach (Δ) ______________________________________________  39 
4.11.2 Direct use of the RCMs (DU) _____________________________________________  40 4 
 
4.11.3 Statistical downscaling (SD) using SDSM ____________________________________ 40 
4.12 Analysis of uncertainties ____________________________________________________ 44 
4.13 Analyzing the effects of climate change ________________________________________ 45 
4.14 Ensemble forecasting_______________________________________________________ 46 
5. Results ___________________________________ 47 
5.1 Uncertainty estimation of the hydrological model _________________________________ 47 
5.1.1. Model sensitivity _______________________________________________________ 47 
5.1.2. Model validation  48 
5.1.3 Simulated spatio‐temporal patterns of soil moisture ___________________________ 53 
5.2 Evaluating uncertainties of different downscaling approaches _________________ 55 
5.3 Assessing climate change impact on hydrology and  soil moisture ______________ 63 
5.3.1 Climate change impact on the hydrologic cycle _______________________________ 63 
5.3.2 Climate change impact on soil moisture patterns ______________________________ 69 
6. Discussion ________________________________ 77 
6.1 Evaluation of WaSiM‐ETH to model mountain soil moisture ___________________ 77 
6.2 Downscaling approach related uncertainties _______________________________ 80 
6.3 Minor differences reveal a bandwidth of possibilities ________________________ 83 
7. Main findings ______________________________ 87 
References __________________________________ 90 
Acknowledgements _________________________ 105 

5 
Zusammenfassung 
 

Zusammenfassung

Generell wird davon ausgegangen, dass sich der Klimawandel besonders gravierend
in den Gebirge auswirken wird. Untersuchungen zu den Auswirkungen des
Klimawandels (Climate Change Impact Assessment Studies – CCIAS) in Gebirgen und
die daraus zu entwickelten Anpassungsstrategien sind daher von herausragender
Bedeutung. Heutzutage sind CCIAS ein häufig benutzter Ansatz, und viele Studien zu
den hydrologischen Auswirkungen des Klimawandels wurden bislang publiziert;
allerdings beschränken sich die Allermeisten auf die Änderung des Abflusses. Es fehlen
jedoch CCIAS, die einen Fokus auf die räumlich explizite Beschreibung der
Bodenfeuchteänderung legen und hier insbesondere auf der Einzugsgebietsskala. Die
bisherige Nichtberücksichtigung der Bodenfeuchte in der Forschungsgemeinschaft steht
in großem Widerspruch zu ihrer Bedeutung in den Ökosystemen und hebt den großen
Bedarf für CCIAS mit Fokus auf die Bodenfeuchte nochmals deutlich hervor. In der
vorliegenden Studie wurde ein weitverbreiteter CCIAS Ansatz angewandt, der sich
zusammensetzt aus: (1) einem physikalisch basierten Modell, welches unter den
derzeitigen klimatischen Bedingungen kalibriert und validiert wurde und (2) aus zwei
regionalen Klimamodellen (RCM), die durch drei unterschiedliche Ansätze auf die
Modell- bzw Stationsskala überführt wurden (Downscaling). Die sich daraus ergebenden
sechs Modelansätze wurden auf einen Referenz- (1960-1990) und einen
Szenariozeitraum (2079-2100) angewendet. Eine wesentliche Herausforderung stellt
dabei die Fortpflanzung von Unsicherheiten der einzelnen Teilabschnitte dar, die die
Modellergebnisse in Frage stellen könnten. Für eine belastbare CCIAS sind diese
Unsicherheiten notwendigerweise zu bestimmen. In dieser Studie wurde der Fokus auf
die strukturellen Un