Master's Thesis
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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.
The reanalysis products and derived products, ERA5 (Copernicus Climate Change Service, 2018) and W5E5 (WATCH Forcing Data (WFD) methodology applied to ERA5) (LANGE ET AL., 2021) have been recently published initiating a new phase of scientific research utilizing these datasets. ERA5 and W5E5 offer the possibility to reduce insecurities in model results through their improved quality compared to previous climate reanalyses (CUCCHI ET AL., 2020). The suitability of either climate forcing as input for the hydrological model WaterGAP and the influence of the models specific calibration routine has been evaluated with four model experiments. The model was validated by analysing the models ability to produce reasonable values for global water balance components and to reproduce observed discharge in 1427 basins as well as total water storage anomalies in 143 basins using well established efficiency metrics. Bias correction of W5E5 was found to lead to more global realistic mean precipitation and consequently discharge and AET values. In an uncalibrated model setup ERA5 results in better performances across all efficiency metrics. Model results produced with W5E5 as climate input were strongly improved through calibration ultimately leading to the best performances out of all four model experiments. However, model performances considerably improved through calibration with both climate forcings hence calibration was found to have the strongest effect on model performance. Furthermore, spatial differences in performance of either forcing were identified. Snow-dominated regions show an overall better performance with ERA5, while wetter and warmer regions are better represented with W5E5. Finally, it can be concluded that W5E5 should be preferred as climate input for impact modelling; however, depending on the spatial scale and region ERA5 should at least be considered, in particular for snow-dominated regions.
Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der stratosphärischen Meridionalzirkulation mit Hilfe von chemisch aktiven Spurengasen. Diese motiviert sich durch die Tatsache, dass der Klimawandel neben den viel erforschten Auswirkungen auf die Troposphäre, auch Reaktionen in der Stratosphäre zur Folge hat, welche bisher weit weniger tiefgehend untersucht wurden. Das macht die Stratosphäre zu einem aktuellen und frequentierten Forschungsgebiet der experimentellen und theoretischen Meteorologie. Neben vereinzelten hochaufgelösten in-situ Messungen und globalen Satellitendaten sind es hier vor allem globale numerische Klima-Chemiemodelle, die für Analysen genutzt werden. Für diese Arbeit wurden Daten des EMAC-Modells (engl.: ECHAM/MESSy Atmospheric Chemistry) ausgwertet, welche im Rahmen der ESCiMo (engl.: Earth System Chemistry integrated Modelling) Initiative vom MESSy-Konsortium (engl.: Modular Earth Submodel System) erstellt wurden. Die Zielsetzung dieser Arbeit war, ob sich etwaige Änderungen des stratosphärischen Transports anhand von modellierten, chemisch aktiven, idealisierten Spurengasen feststellen lassen. Idealisiert bedeutet hierbei, dass diese Gase ein konstantes Mischungsverhältnis am Erdboden aufweisen und den identischen chemischen Prozessen unterliegen wie die realistischen Tracer. Dies hat zur Folge, dass diese Spurengase somit nicht in das Strahlungsbudget des Modells rückkoppeln und ihre Verteilung nicht durch zeitliche troposphärische Trends beeinflusst wird. Zur Analyse des stratosphärischen Transports wurden die Differenzen der monatlich gemittelten Mischungsverhältnisse zweier Zeitpunkte der verschiedenen Substanzen im Vertikalprofil betrachtet und ausgewertet, wobei hier die photolytische Lebenszeit und die Zeitskala des Transports zu berücksichtigen war. Um die Saisonalität von Transport und Chemie zu berücksichtigen, wurden dazu die Monate März, Juni, September und Dezember analysiert.
Die Resultate zeigten, dass chemisch aktive Substanzen in der Tat geeignet sind Änderungen in der Dynamik festzustellen. So stellte sich heraus, dass mit einer allgemeinen Intensivierung der stratosphärischen Meridionalzirkulation im kommenden Jahrhundert gerechnet werden kann, wobei hiervon besonders die untere Stratosphäre betroffen ist. Eine Differenzierung welche Komponente der Zirkulation (Residualtransport oder bidirektionale quasi-horizontale Mischung) hierbei von übergeordneter Bedeutung ist, konnte nicht spezifiziert werden. Um abzuschätzen, ob sich die Änderung der Zirkulation durch Änderungen in den Mischungsverhältnissen von chemisch aktiven Substanzen mit Hilfe von direkten Messungen nachweisen lässt, wurde die atmosphärische Variabilität des Modells bestimmt und mit den Veränderungen dieser Mischungsverhältnisse verglichen. Es zeigte sich, dass diese modellierte atmosphärische Variabilität zum Teil deutlich größer war, als die Differenzen der Mischungsverhältnisse und so ohne eine Vielzahl von in-situ Messungen keine eindeutige Aussage zulassen. Um eine statistisch valide Aussage treffen zu können, müssen daher mehrere Messreihen innerhalb eines Monats durchgeführt werden. Zudem stellte sich heraus, dass der Monat Juni der bestmögliche Messzeitraum ist, da hier die natürliche Variabilität am geringsten ist. Zuletzt wurden die Spurengase mit vergleichsweise kleiner chemischer Lebenszeit auf normierten N2O-Isoplethen untersucht und die Verschiebung dieser Kurve zwischen den zwei Zeitpunkten analysiert. Die so gewonnenen Resultate ließen den Schluss zu, dass sich auf diese Weise die atmosphärische Variabilität reduzieren lässt und bei Nutzung mit experimentellen Daten eine zu den Tracer-Differenzen konsistente Aussage zulässt. So bestärkte diese Methode die These, dass sich der stratosphärische Transport innerhalb des 21. Jahrhunderts wahrscheinlich verstärken wird.
In situ rainwater harvesting has a long history in arid and semi-arid regions of the world buffering water shortages for human consumption and agriculture. In the context of an Integrated Water Resource Management (IWRM) in the Cuvelai Basin in northern Namibia, roof top rainwater harvesting is being introduced to a rural community for the irrigation of household scale gardens for the cultivation of horticulture products. This study elaborates how harvested rainwater can be used for garden irrigation in a sustainable manner evaluating ecologic, economic and social implications. Considering local conditions eight cropping scenarios were designed, including different criteria as well as one and two annual planting seasons. These schemes were tested under present climate conditions and under three future climate change scenarios for 2050 with the help of a tank model designed to model monthly tank inflows and outflows. Special attention was laid on risk and uncertainty aspects of varying inter-annual and interseasonal precipitation and future climate change. A framework for the assessment of sustainability was adapted to the purposes of this study and indicators have been developed in order to assess the cropping and irrigation schemes for sustainability.
The study found that with the given tank size of 30 m³, depending on crop scenario, under optimized conditions a garden area of 60 to 90 m³ can be irrigated. The choice of crops highly impacts water use efficiency and economic profitability, compared to the considerably lower impact of amount of annual planting seasons and future climate change. In the case of worsening future climate conditions, adaptation measures need to be taken as especially the economic as well as the environmental situation are expected to exacerbate due to expected decreases in yields and revenues. Already under present conditions however, the economic dimension represents the most limiting factor to sustainability, particularly due to the excessive investment costs of the rainwater harvesting and gardening facility. Nonetheless, rainwater harvesting in combination with gardening can be regarded as successful in securing household nutrition, providing sufficient horticulture products for household consumption or market sale. At the same time with the optimal choice of crops the investment costs can be recovered within the end of the lifespan of the facility.