Open Access

Hannes Müller Schmied

• The estimation of water balance components as well as water-related indicators on the land surface by means of global hydrological models have evolved in recent decades. Results of such models are frequently used in global- and continental-scale assessments of the current and future state of the terrestrial water cycle and provide a valuable data basis, e.g., for the Intergovernmental Panel on Climate Change. The Water – Global Assessment and Prognosis (WaterGAP) model is one of the state-of-the-art models in that field and has been in development and application for around 20 years. The evaluation, modification and application of WaterGAP is the subject of this thesis. In particular, the sensitivity of climate input data on radiation calculation and simulated water fluxes and storages is evaluated in the first part. Effects of model modification such as updated spatial input datasets, improved process representation or an alternative calibration scheme are the focus of the second part. Finally, three applications of WaterGAP give insight into the capabilities of that model, namely an estimate of global and continental water balance components, an assessment of groundwater depletion and the impact of climate change on river flow regimes. Model experiments, which are described in six journal papers as well as the appendices, were used as the basis for answering the total of 13 research questions. One of the major foci was to quantify the sensitivity of simulated water fluxes and storages to alternative climate input data. It was found that the handling of precipitation undercatch leads to the greatest difference in water balance components, especially in those areas where WaterGAP is not calibrated due to a lack of river discharge observations. The modifications of WaterGAP in the last few decades has led in general to an improved simulation of monthly river discharge, but process representation in semi-arid and arid regions still requires improvements. With the most current model version, WaterGAP 2.2b, and for the time period 1971–2000, river discharge to the oceans and inland sinks is estimated to be 40 000 km3 yr-1, whereas actual evapotranspiration is simulated as 70 500 km3 yr-1. Future research needs for WaterGAP in particular but also for the global hydrological model community in general are defined, promoting a community-driven effort for a robust assessment of the continental water cycle.
• Globale hydrologische Modelle gewannen in den letzten Jahrzehnten für die Berechnung von Wasserhaushaltskomponenten und wasserbezogenen Indikatoren auf der Landoberfläche an Bedeutung. Ergebnisse dieser Modelle werden häufig für globale und auf Kontinente bezogene Bewertungen des derzeitigen und projektierten Zustandes des terrestrischen Wasserkreislaufes verwendet und bilden eine wertvolle Datenbasis z.B. im Rahmen des Intergovernmental Panel on Climate Change. Das Water – Global Assessment and Prognosis (WaterGAP) Modell ist eines der weitverbreitetsten und aktuellsten Modelle in diesem Zusammenhang, und in Entwicklung und Anwendung seit etwa 20 Jahren. Die Evaluation, Entwicklung und Anwendung von WaterGAP ist Gegenstand dieser Dissertationsschrift. Im ersten Teil der Arbeit wird die Auswirkung der Unsicherheit von klimatischen Antriebsdaten und der Strahlungsberechnung auf berechnete Wasserflüsse und ‐speicher untersucht. Aktualisierte räumlich verteilte Eingangsdaten, verbesserte Prozessbeschreibungen sowie ein alternativer Kalibrieransatz sind Schwerpunkt des zweiten Teils, der Modellentwicklung. Im dritten Teil der Arbeit werden drei Anwendungen von WaterGAP vorgestellt, die einen Einblick in die Möglichkeiten des Modells geben. Konkret werden Abschätzungen der globalen und kontinentalen Wasserbilanzkomponenten, der Grundwasserzehrung sowie des Einflusses des Klimawandels auf Durchflussregime thematisiert. Die Basis der Arbeit bilden Modellexperimente, die in sechs international publizierten Artikeln sowie dem Anhang beschrieben sind, und die insgesamt 13 Forschungsfragen beantworten. Ein wesentlicher Schwerpunkt der Arbeit bildet die Beurteilung der Sensitivität von berechneten Wasserflüssen und ‐speichern auf verschiedene klimatische Antriebsdaten. Es wurde festgestellt, dass die hauptsächliche Unsicherheit auf der unterschiedlichen Berücksichtigung der Niederschlagskorrektur beruht und diese Unsicherheit insbesondere in den Gebieten groß ist, in dem keine Kalibrierung auf gemessenem Durchfluss möglich ist. Die Entwicklung von WaterGAP in den letzten Jahrzehnten führte zu einer verbesserten Simulation von monatlichen Durchflüssen. Allerdings wurden große Defizite in semi‐ariden und ariden Gebieten festgestellt. Unter Verwendung der derzeit aktuellsten Modellversion WaterGAP 2.2b und des Zeitraums 1971 bis 2000 wurde der Durchfluss in die Ozeane und in Inlandsenken mit 40000 km3 a‐1 quantifiziert, die aktuelle Evapotranspiration mit 70500 km3 a‐1. Einige Forschungsideen und Anwendungsmöglichkeiten für WaterGAP, aber auch für globale hydrologische Modelle im Allgemeinen, werden definiert, die in gemeinschaftlicher Arbeit zu einer robusten Quantifizierung des terrestrischen Wasserkreislaufs führen können.