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Sebastian Ackermann

• WaterGAP (Water - Global Assessment and Prognosis) is a tool for modeling global water use and water availability. It participates among other models in the ISIMIP initiative (The Inter-Sectoral Impact Model Intercomparison Project). As part of this initiative, the water temperature should be calculated by participating hydrological models because it plays a vital role in many chemical, physical and biological processes. Therefore, the subject of this master thesis is to implement the physically based surface water temperature computation after VAN BEEK ET AL. (2012) and WANDERS ET AL. (2019) into WaterGAP and compare the results to the statistical regression approach by PUNZET ET AL. (2012). The computation is validated with observed water temperature data obtained from the GEMStat water quality database. The results are good for arctic and temperate latitudes. Surface water temperatures for tropical rivers are overestimated, most likely due to the overestimation of precipitation temperatures, incoming radiation and groundwater temperatures. The comparison with the regression model by PUNZET ET AL. (2012) shows matching results. The regression model even matches with WaterGAP results for most of the simulations of the future under climate change conditions, where the regression model should stop working due to changing environmental parameters. Several assumptions had to be made in order to implement the water temperature calculation in Water-GAP. These include, e.g., discharge temperatures for power plant cooling water, precipitation and surface runoff temperatures. For model improvements, perhaps three different values for the different regions of the world should be used to cool down the precipitation and surface runoff. The model could also be improved by refining the ice formation calculation, especially for the conditions when the ice melts, breaks up and is transported downstream. Furthermore, the feedback to the river channel roughness could be implemented if ice has formed. The WaterGAP model upgraded with the water temperature calculation will help the ISIMIP initiative in the future.
• WaterGAP (Water - Global Assessment and Prognosis) ist ein Werkzeug zur Modellierung des globalen Wasserverbrauchs und der Wasserverfügbarkeit. Es nimmt mit anderen Modellen an der ISIMIP Initiative (The Inter-Sectoral Impact Model Intercomparison Project) teil. Als Teil dieser Initiative soll dieWassertemperatur von teilnehmenden hydrologischenModellen berechnet werden, da diese bei vielen chemischen, physikalischen und biologischen Prozessen eine wichtige Rolle spielt. Deshalb ist das Ziel dieser Masterarbeit, den Physik basierten Ansatz von VAN BEEK ET AL. (2012) und WANDERS ET AL. (2019) in WaterGAP zu integrieren und die Ergebnisse mit dem statistischen Regressionsmodell von PUNZET ET AL. (2012) zu vergleichen. Die Berechnung der Wassertemperatur wird mittels gemessener Temperaturdaten aus der GEMStat Wasserqualitätsdatenbank validiert. Die Ergebnisse sind gut für arktische und gemäßigte Breiten. Die Wassertemperaturen für Flüsse in tropischen Regionen werden überschätzt, was höchstwahrscheinlich auf die Überschätzung der Niederschlagstemperaturen, der einfallenden Strahlung und der Grundwassertemperaturen zurückzuführen ist. Der Vergleich mit dem Regressionsmodell von PUNZET ET AL. (2012) zeigt übereinstimmende Ergebnisse. Das Regressionsmodell stimmt sogar mit denWaterGAP Ergebnissen für die meisten Klimawandelszenarien überein, obwohl das Regressionsmodell aufgrund sich ändernder Umweltparameter nicht mehr funktionieren sollte. Für die Berechnung der Wassertemperatur durch WaterGAP mussten mehrere Annahmen getroffen werden. Dazu gehören z. B. Temperaturen für Kraftwerkskühlwasser sowie Niederschlags- und Oberflächenabflusstemperaturen. Für Modellverbesserungen könnten vielleicht drei verschiedene Werte für die verschiedenen Regionen der Welt zur Abkühlung des Niederschlags und des Oberflächenabflusses verwendet werden. Das Modell könnte auch durch eine Verfeinerung der Eisbildungsberechnung verbessert werden, insbesondere für die Bedingungen, unter denen das Eis schmilzt, aufbricht und stromabwärts transportiert wird. Darüber hinaus könnte die Rückkopplung auf die Kanalrauhigkeit des Flusses implementiert werden, wenn sich Eis gebildet hat. Das um die Wassertemperaturberechnung verbesserte WaterGAP Modell wird die ISIMIP Initiative in Zukunft unterstützen können.