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Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung von regionalen Klimasimulationen für die Region Ostasien. Hierfür werden zwei verschiedene Modellierungsansätze verwendet. Der dynamische Regionalmodellierungsansatz, vertreten durch COSMO CLM (CCLM), und der statistische Modellierungsansatz, vertreten durch STARS. Die Simulationen erfolgten unter den Rahmenbedingungen des Coordinated Regional Climate Downscaling Experiment (CORDEX). Beide Regionalmodelle wurden im Rahmen dieser Arbeit umfassend für die Region CORDEX-Ostasien kalibriert und evaluiert. Das statistische Modell STARS wurde hierbei erstmals auf kontinentaler Ebene angewendet. Auf Basis der kalibrierten Modelle wurden Projektionen der zukünftigen klimatischen Entwicklung der Region durchgeführt.
Zur Auswertung der einzelnen Kalibrierungsläufe wurde ein komplexes Evaluierungsschema, mit einem Gütekennzahlensystem basierend auf einer linearisierten Form der relativen Modelldifferenz, entwickelt. Neben den etablierten univariaten statistischen Kennwerten (Mittelwert, Varianz, Trend) enthält das Gütekennzahlensystem auch ein bivariates statistisches Maß, welches die zweidimensionalen Stichprobenverteilungen zweier Variablen (beispielsweise Temperatur und Niederschlag) bewertet.
Im Rahmen der Kalibrierung konnte ein Großteil des Parameterraums des statistischen Modells STARS systematisch untersucht werden. Es zeigte sich, dass nur wenige Parameter einen Einfluss auf die Simulationen haben. Die meisten Parameter zeigten eine geringe und teilweise unsystematische Beeinflussung. Es konnte zudem eine Schwachstelle des Modells in Bezug auf die Variablenkorrelationen identifiziert werden. Bei der Kalibrierung des dynamischen Regionalmodells CCLM zeigte sich, dass aufgrund der groben horizontalen Auflösung des Modells eine signifikante Verbesserung der Simulationen durch eine Anpassung der physikalischen Parametrisierungen erfolgen kann.
Im Rahmen einer abschließenden Evaluierung wurden beide Modelle hinsichtlich ihres räumlichen Bias, des simulierten Jahresgangs und der Abbildung des asiatischen Monsunphänomens untersucht. Im ersten Punkt ergab sich kein qualitativer Unterschied zwischen CCLM und STARS. Beide Modelle zeigen eine deutliche Überschätzung der 2m-Temperatur im Winter über dem nördlichen Teil CORDEX-Ostasiens und eine Überschätzung des Luftdrucks über dem Hochland von Tibet im Sommer. Unterschiede zwischen beiden Modellen ergaben sich hingegen beim simulierten Jahresgang.
In Bezug auf die Modellierung des Monsunphänomens zeigt CCLM eine Unterschätzung der Intensität des indischen Sommermonsuns und eine Überschätzung des Sommermonsuns über dem westlichen Nordpazifik. Das statistische Modell STARS zeigte eine Auffälligkeit bei der Simulation des Jahresgangs sowie der räumlichen und zeitlichen Entwicklung des Sommermonsuns. Aufgrund der Konzeption des Modells ergab sich in einzelnen Regionen eine systematische Deformation des Jahresgangs. Trotz der identifizierten Schwachstellen von CCLM und STARS, bilden beide Modelle das Klima über der Region CORDEX-Ostasien qualitativ ähnlich gut ab wie aktuelle Reanalysen (ERA-Interim).
Auf Basis der kalibrierten und evaluierten Modelle wurden Klimaprojektionen für einen nahen (2020-2046), mittleren (2041-2070), und späten (2071-2100) Projektionszeitraum unter den Emissionsszenarien RCP2.6, RCP4.5 und RCP8.5 durchgeführt. Aufgrund von Modellbeschränkungen begrenzen sich die Rechnungen des Modells STARS auf den nahen Projektionszeitraum und die Emissionsszenarien RCP2.6 und RCP4.5. Die Projektionen beider Modelle zeigen eine deutliche und statistisch signifikante Erhöhung der 2m-Temperatur über der gesamten Region mit einer stärkeren Erwärmung über dem Kontinent gegenüber dem Meer. Aufgrund der relativ großen interannulären Variabilität des Niederschlags und des Luftdrucks werden statistisch nicht signifikante Änderungssignale und teils widersprüchliche Änderungen für den nahen Projektionszeitraum simuliert. Für den späten Projektionszeitraum ergeben sich jedoch deutliche Änderungssignale in den Simulationen des Modells CCLM. Insbesondere über dem Hochland von Tibet wird für den Zeitraum von 2071-2100 eine Temperaturerhöhung von über 7.0°C simuliert. Der Luftdruck und der Niederschlag zeigen räumlich heterogene Änderungssignale. Die spezifische Ausprägung der Luftdruckänderungen deutet auf eine Abschwächung der indischen Sommermonsunzirkulation und eine deutlichen Intensivierung des Sommermonsun über dem westlichen Nordpazifik hin. Die Niederschlagsänderungen über dem ostasiatischen Monsungebiet lassen auf eine Entkopplung der östlichen Monsunsysteme schließen. Trotz der heterogenen Änderungssignale im Niederschlag wird in den meisten Regionen eine Zunahme der Intensität von Extremniederschlägen simuliert. Dies gilt selbst für Regionen mit einer simulierten Abnahme der jährlichen Niederschlagssumme wie Westindonesien.
The Tarim River basin, located in Xinjiang, NW China, is the largest endorheic river basin in China and one of the largest in all of Central Asia. Due to the extremely arid climate, with an annual precipitation of less than 100 mm, the water supply along the Aksu and Tarim rivers solely depends on river water. This is linked to anthropogenic activities (e.g., agriculture) and natural and semi-natural ecosystems as both compete for water. The ongoing increase in water consumption by agriculture and other human activities in this region has been enhancing the competition for water between human needs and nature. Against this background, 11 German and 6 Chinese universities and research institutes have formed the consortium SuMaRiO (Sustainable Management of River Oases along the Tarim River; http://www.sumario.de), which aims to create a holistic picture of the availability of water resources in the Tarim River basin and the impacts on anthropogenic activities and natural ecosystems caused by the water distribution within the Tarim River basin. On the basis of the results from field studies and modeling approaches as well as from suggestions by the relevant regional stakeholders, a decision support tool (DST) will be implemented that will then assist stakeholders in balancing the competition for water, acknowledging the major external effects of water allocation to agriculture and to natural ecosystems. This consortium was formed in 2011 and is funded by the German Federal Ministry of Education and Research. As the data collection phase was finished this year, the paper presented here brings together the results from the fields from the disciplines of climate modeling, cryology, hydrology, agricultural sciences, ecology, geoinformatics, and social sciences in order to present a comprehensive picture of the effects of different water availability schemes on anthropogenic activities and natural ecosystems along the Tarim River. The second objective is to present the project structure of the whole consortium, the current status of work (i.e., major new results and findings), explain the foundation of the decision support tool as a key product of this project, and conclude with application recommendations for the region. The discharge of the Aksu River, which is the major tributary of the Tarim, has been increasing over the past 6 decades. From 1989 to 2011, agricultural area more than doubled: cotton became the major crop and there was a shift from small-scale to large-scale intensive farming. The ongoing increase in irrigated agricultural land leads to the increased threat of salinization and soil degradation caused by increased evapotranspiration. Aside from agricultural land, the major natural and semi-natural ecosystems are riparian (Tugai) forests, shrub vegetation, reed beds, and other grassland, as well as urban and peri-urban vegetation. Within the SuMaRiO cluster, focus has been set on the Tugai forests, with Populus euphratica as the dominant tree species, because these forests belong to the most productive and species-rich natural ecosystems of the Tarim River basin. At sites close to the groundwater, the annual stem diameter increments of Populus euphratica correlated with the river runoffs of the previous year. However, the natural river dynamics cease along the downstream course and thus hamper the recruitment of Populus euphratica. A study on the willingness to pay for the conservation of the natural ecosystems was conducted to estimate the concern of the people in the region and in China's capital. These household surveys revealed that there is a considerable willingness to pay for conservation of the natural ecosystems, with mitigation of dust and sandstorms considered the most important ecosystem service. Stakeholder dialogues contributed to creating a scientific basis for a sustainable management in the future.
The Tarim River Basin, located in Xinjiang, NW China, is the largest endorheic river basin of China and one of the largest in whole Central Asia. Due to the extremely arid climate with an annual precipitation of less than 100 mm, the water supply along the Aksu and Tarim River solely depends on river water. This applies for anthropogenic activities (e.g. agriculture) as well as for the natural ecosystems so that both compete for water. The on-going increase of water consumption by agriculture and other human activities in this region has been enhancing the competition for water between human needs and nature. Against this background, 11 German and 6 Chinese universities and research institutes formed the consortium SuMaRiO (www.sumario.de), which aims at gaining a holistic picture of the availability of water resources in the Tarim River Basin and the impacts on anthropogenic activities and natural ecosystems caused by the water distribution within the Tarim River Basin. The discharge of the Aksu River, which is the major tributary to the Tarim, has been increasing over the past 6 decades due to enhanced glacier melt. Alone from 1989 to 2011, the area under agriculture more than doubled. Thereby, cotton became the major crop and there was a shift from small-scale farming to large-scale intensive farming. The major natural ecosystems along the Aksu and Tarim River are riparian ecosystems: Riparian (Tugai) forests, shrub vegetation, reed beds, and other grassland. Within the SuMaRiO Cluster the focus was laid on the Tugai forests, with Populus euphratica as dominant tree, because the most productive and species-rich natural ecosystems can be found among those forests. On sites with groundwater distance of less than 7.5 m the annual increments correlated with river runoffs of the previous year. But, the further downstream along the Tarim River, the more the natural river dynamics ceased, which impacts on the recruitment of Populus euphratica. Household surveys revealed that there is a considerable willingness to pay for conservation of those riparian forests with the mitigation of dust and sandstorms considered as the most important ecosystem service. This interdisciplinary project will result in a decision support tool (DST), build on the participation of regional stakeholders and models based on results and field experiments. This DST finally shall assist stakeholders in balancing the water competition acknowledging the major external effects of any water allocation.