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Gesamtabfluss

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Mit dem Begriff Gesamtabfluss werden alle ober- und unterirdischen Abflusskomponenten zusammengefasst. Der Gesamtabfluss wird maßgeblich durch den Niederschlag beeinflusst, so dass der Gesamtabfluss ein ähnliches räumliches Muster wie die Niederschlagssumme aufweist. Da die Niederschlagsentwicklung im Jahresmittel keinen eindeutigen Trend in den Zukunftsprojektionen zeigt, lässt sich auch aus den Projektionen des zukünftigen Gesamtabflusses kein eindeutiger Änderungstrend bestimmen.

Grundlagen

Der Gesamtabfluss setzt sich aus verschiedenen Abflusskomponenten zusammen: dazu zählen der Oberflächenabfluss, der natürliche Zwischenabfluss und der Abfluss aus künstlichen Entwässerungssystemen (Drainagen), die zusammen unter dem Begriff Direktabfluss zusammengefasst werden können, sowie dem Basisabfluss über die Grundwasserneubildung.

Datenbasis und Kartenerstellung

Der Gesamtabfluss wurde im Rahmen der Studie „Auswirkungen von Klimaänderungen auf das nachhaltig bewirtschaftbare Grundwasserdargebot und den Bodenwasserhaushalt in Nordrhein-Westfalen“ vom Forschungszentrum Jülich untersucht. Die Berechnung des Gesamtabflusses erfolgt über die Wasserhaushaltsgleichung, die die einzelnen Komponenten des Wasserhaushaltes bilanziert. Eine Separierung der einzelnen Abflüsse erfolgt über sog. Base-Flow-Indizes, die standortabhängig charakterisiert werden. Somit werden die Abflusskomponenten als relative Anteile am Gesamtabfluss dargestellt. Relevante Faktoren, die in die Bestimmung der jeweiligen Base-Flow-Indizes eingehen, sind die Oberflächenversiegelung, der Grundwasserflurabstand, die vorliegende Gesteinsart und somit die hydraulische Durchlässigkeit im Festgestein beziehungsweise bindige Bodenschichten (Staunässehorizonte) im Lockergesteinsbereich sowie Drainagen.

Die Bilanzierung der Wasserhaushaltsgleichung und des Gesamtabflusses erfolgte mit Hilfe des Wasserhaushaltsmodelles mGROWA. Über verschiedene Modellschichten können die relevanten Standortfaktoren zur Separierung der Abflusskomponenten im Modell implementiert und berechnet werden.

Die Simulationen mit mGROWA erfolgten zunächst für die Referenzperiode 1971-2000, anhand welcher die Berechnungen evaluiert wurden. Darüber hinaus fanden Simulationen für verschiedene 30-jährige Perioden (1981-2010, 2011-2040, 2041-2070 sowie 2071-2100) statt. Die Landnutzungsdaten wurden dabei als zeitlich konstant angenommen. Die benötigten meteorologischen Eingangsdaten wurden mit Hilfe des regionalen Klimamodelles WETTREG-2010 in der Realisierung 4 für das Klimaszenario A1B (IPCC 2000) berechnet, die stationsbezogenen Ergebnisse wurden mittels des IDW-Verfahrens (Inverse Distanzwichtung) in die Fläche interpoliert.

Die Interpretation der Ergebnisse sollte unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Berechnungen auf den Simulationen eines regionalen Klimamodelles unter dem Einfluss nur eines einzelnen Klimaszenarios basieren, entsprechend vorsichtig erfolgen.

Kartenbeschreibung

In Abbildung 1 ist der mittlere jährliche Gesamtabfluss in Nordrhein-Westfalen für die Referenzperiode 1971-2000 dargestellt. Der Einfluss des Niederschlages auf die Abflussverteilung wird durch das räumliche Verteilungsmuster deutlich, wobei die höchsten Abflusswerte im Rheinischen Schiefergebirge mit Werten über 600 mm pro Jahr erreicht werden. In den Tieflandbereichen wird zudem der Einfluss der Landnutzung, insbesondere der Versiegelung, auf das Abflussverhalten deutlich. So treten in den urbanen Regionen ebenfalls hohe Gesamtabflüsse auf. In Gebieten, die mit Vegetation bestanden sind und Böden mit einem hohen Wasserspeichervermögen aufweisen, kann der Gesamtabfluss hingegen auf Werte unter 200 mm pro Jahr sinken.

Abbildung 1: Mittlerer jährlicher Gesamtabfluss in Nordrhein-Westfalen 1971-2000; simuliert mit mGROWA und Modelleingangsdaten aus Beobachtungen des DWD (Quelle: HERRMANN et al. 2014)

Betrachtet man die Zukunftsprojektionen für die Entwicklung des Gesamtabflusses (Abb. 2) zeigt sich, dass es sowohl im zeitlichen Trend Unterschiede gibt, als auch räumlich sich kein einheitliches Bild der Änderung des Gesamtabflusses zeigt. Doch ist bis zum Ende des Jahrhunderts (Periode 2071-2100) größtenteils mit einer Abnahme des Gesamtabfluss zu rechnen.

Abbildung 2: Mittlerer jährliche Gesamtabfluss im Zeitraum 1981-2010 sowie Änderung des Gesamtabflusses in den Zeiträumen 2011-2040, 2041-2070 und 2071-2100 bezogen auf 1981-2010, simuliert mit mGROWA, basierend auf WETTREG-2010 Klimadaten (Quelle: HERRMANN et al. 2014)

Vor allem die Verdunstung (Evapotranspiration) und der Niederschlag wirken sich auf den Gesamtabfluss aus. Dabei wird eine leichte Abnahme der Niederschläge sowie ein deutlicher Anstieg der Evapotranspiration bis zum Ende des Jahrhunderts projiziert. Hierdurch lässt sich der Rückgang des Abflusses in der Periode 2071-2100 erklären. Die überdurchschnittlich starken Abflussminderungen in dieser Periode beispielsweise im Sandmünsterland lassen sich vor allem über die Evapotranspiration erklären; in diesen grundwasserbeeinflussten Gebieten findet durch die erhöhte Verdunstung vor allem im Sommerhalbjahr kapillarer Aufstieg und somit Grundwasserzehrung statt, wodurch der Gesamtabfluss gemindert wird.

Fazit

Da die hier vorgestellte Projektion des Wasserhaushalts lediglich auf einem einzelnen möglichen klimatischen Entwicklungspfad basiert, sollten die Ergebnisse für sich allein genommen noch nicht als Basis für die Ableitung von Adaptionsstrategien für ein an den Klimawandel angepasstes Wassermanagement in Nordrhein-Westfalen verwendet werden. Diese einzelne Projektion liefert keine zuverlässige Aussage über die Menge des zukünftigen Abflusses. Außerdem können keine Aussagen bezüglich einer Eintrittswahrscheinlichkeit gemacht werden. Die aufgezeigten Tendenzen erscheinen jedoch aufgrund der „Realitätsnähe“ des WETTREG-2010-R4-Szenarios für den Referenzzeitraum (1971-2000) plausibel (Herrmann et al. 2014).

Literatur

Hermann, F.; Chen, S.; Kunkel, R. und Wendland, F. (2014): Auswirkungen von Klimaänderungen auf das nachhaltig bewirtschaftbare Grundwasserdargebot und den Bodenwasserhaushalt in Nordrhein-Westfalen.

Link

IPCC - Intergovernmental Panel on Climate Change (Hrsg.) (2000): SRES – Special Report Emissions Scenarios

Evapotranspiration

Karte  (i)

Der Begriff Evapotranspiration setzt sich zusammen aus Evaporation (Verdunstung von Wasser aus unbewachsenem Boden oder von Wasserflächen) und Transpiration (Verdunstung von Wasser über die Blätter der Pflanzen).

Die Evapotranspiration ist stark von der Flächennutzung abhängig. Daher sind die Evapotranspirationswerte in landwirtschaftlich genutzten und mit Vegetation bestandenen Gebieten deutlich höher als in versiegelten Stadtbereichen. Ein weiterer Einflussfaktor ist die Lufttemperatur. Durch den projizierten Anstieg der Lufttemperatur wird daher zukünftig auch eine Erhöhung der Evapotranspiration erwartet.

Grundlagen

Unter dem Begriff der Evapotranspiration werden die Wasserhaushaltsgrößen Verdunstung (Evaporation) und Transpiration zusammengefasst. Somit beinhaltet die Wasserhaushaltsgröße Evapotranspiration sowohl die Verdunstung von Wasseroberflächen und dem Boden als auch die Transpiration von Pflanzen. Man unterscheidet die tatsächliche (oder auch aktuelle) Evapotranspiration von der potenziellen Evapotranspiration. Erstere bezeichnet die tatsächlich stattfindende Evapotranspiration bei gegebenem Energiegehalt (z. B. durch Sonneneinstrahlung etc.) unter der zur Verfügung stehenden Wassermenge; letztere hingegen beschreibt die potenziell mögliche Evapotranspiration bei gegebenem Energiegehalt, wenn keine Wasserlimitierung bestünde.

Datenbasis und Kartenerstellung

Die Evapotranspiration wurde im Rahmen der Studie „Auswirkungen von Klimaänderungen auf das nachhaltig bewirtschaftbare Grundwasserdargebot und den Bodenwasserhaushalt in Nordrhein-Westfalen“ vom Forschungszentrum Jülich bestimmt. Die Berechnung der Evapotranspiration (Vegetationsbestandener Flächen) erfolgte über die Gras-Referenz-Evapotranspiration mit Hilfe der Penman-Monteith-Gleichung (Hermann et al. 2014). Dabei fließen sowohl meteorologische Faktoren, wie beispielsweise die Strahlungsbilanz, als auch pflanzenspezifische Eigenschaften, wie beispielsweise der Stomatawiderstand[1], mit ein. Zusätzlich wurden standortspezifische Faktoren, wie die Hangexposition und –neigung berücksichtigt.

Um die landnutzungsspezifische Evapotranspiration zu erhalten, werden auf die Ergebnisse der Gras-Referenz-Evapotranspiration bestimmte Verdunstungsfaktoren für die auftretenden Bestands- und Kulturarten bzw. Bodenoberflächen angewandt. Dabei weisen vor allem Ackerkulturen je nach Wachstumsphase einen deutlichen Jahresgang der Evapotranspiration auf. Da für Nordrhein-Westfalen keine flächendeckenden Daten zur Kulturfolge vorlagen, wurden die landwirtschaftlichen Flächen nur in Ackerland, Grünland, Dauerkulturen/Wein- und Obstbau und heterogene landwirtschaftliche Flächen unterschieden (Herrmann et al. 2014).

Die Berechnung der tatsächlichen Evapotranspiration erfolgte mit dem Wasserhaushaltsmodell mGROWA, das eine Berechnung der Daten in Tagesschritten erlaubt und die Ergebnisse als Monatssumme ausgibt. Über verschiedene Modellschichten kann die Evapotranspiration in Abhängigkeit vom pflanzenverfügbaren Wasser sowie der Bodenart berechnet werden. Zusätzlich zur Evapotranspiration der mit vegetationbestandenen Flächen wird auch die Verdunstung, die von urbanen Oberflächen oder freien Wasserflächen ausgeht, betrachtet.

Die Simulationen mit mGROWA erfolgten zunächst für die Referenzperiode 1971-2000. Darüber hinaus fanden Simulationen für verschiedene 30-jährige Perioden (1981-2010, 2011-2040, 2041-2070 sowie 2071-2100) statt. Die Landnutzungsdaten wurden dabei als zeitlich konstant angenommen. Die benötigten meteorologischen Eingangsdaten wurden mit Hilfe des regionalen Klimamodelles WETTREG-2010 in der Realisierung 4 für das Klimaszenario A1B (IPCC 2000) berechnet, die stationsbezogenen Ergebnisse wurden mittels des IDW-Verfahrens (Inverse Distanzwichtung) in die Fläche interpoliert.

Die Interpretation der Ergebnisse sollte unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Berechnungen auf den Simulationen eines regionalen Klimamodelles unter dem Einfluss nur eines einzelnen Klimaszenarios basieren, entsprechend vorsichtig erfolgen.

Kartenbeschreibung

Abbildung 3 zeigt die mittlere jährliche Evapotranspiration in der Referenzperiode 1971-2000. Die Gebiete mit den geringsten Werten stellen die urbanen Räume mit einem hohen Versiegelungsgrad und geringer Wasserverfügbarkeit dar, oftmals zeigen sie jährliche Evapotranspirationswerte unter 350 mm pro Jahr. Große Flächen Nordrhein-Westfalens zeigen eine mittlere jährliche Evapotranspiration zwischen 400 und 500 mm pro Jahr, hierzu zählt auch ein Großteil der land- und forstwirtschaftlich genutzten Flächen. Evapotranspirationswerte über 600 mm im Jahr werden nur in Bereichen erreicht, die durch kapillaren Aufstieg aus dem Grundwasser beeinflusst sind (Herrmann et al. 2014).

Abbildung 3: Mittlere jährliche tatsächliche Evapotranspiration in Nordrhein-Westfalen 1971-2000; simuliert mit mGROWA und Modelleingangsdaten aus Beobachtungen des DWD (Quelle: HERRMANN et al. 2014)

Betrachtet man die Zukunftsprojektionen (Abb. 4) zeigt sich, dass die Evapotranspiration im gesamten Landesgebiet, bedingt durch die Zunahme der Lufttemperaturen, bis 2100 deutlich ansteigt. Insbesondere auf Standorten, die durch kapillaren Aufstieg aus dem Grundwasser beeinflusst sind, ist eine Erhöhung der Evapotranspiration um über 200 mm pro Jahr möglich (Herrmann et al. 2014).

Abbildung 4: Mittlere jährliche tatsächliche Evapotranspiration im Zeitraum 1981-2010 sowie Änderung der Evapotranspiration in den Zeiträumen 2011-2040, 2041-2070 und 2071-2100 bezogen auf 1981-2010, simuliert mit mGROWA, basierend auf WETTREG-2010 Klimadaten (Quelle: HERRMANN et al. 2014)

Fazit

Da die hier vorgestellte Projektion des Wasserhaushalts lediglich auf einem einzelnen möglichen klimatischen Entwicklungspfad basiert, sollten die Ergebnisse für sich alleine genommen noch nicht als Basis für die Ableitung von Adaptionsstrategien für ein an den Klimawandel angepasstes Wassermanagement in Nordrhein-Westfalen verwendet werden. Diese einzelne Projektion liefert keine zuverlässige Aussage über die Menge der zukünftigen Evapotranspiration. Außerdem können keine Aussagen bezüglich einer Eintrittswahrscheinlichkeit gemacht werden. Die aufgezeigten Tendenzen erscheinen jedoch aufgrund der „Realitätsnähe“ des WETTREG-2010-R4-Szenarios für den Referenzzeitraum (1971-2000) plausibel (Herrmann et al. 2014).

Literatur

Herrmann, F.; Chen, S.; Kunkel, R. und Wendland, F. (2014): Auswirkungen von Klimaänderungen auf das nachhaltig bewirtschaftbare Grundwasserdargebot und den Bodenwasserhaushalt in Nordrhein-Westfalen.

Link

IPCC - Intergovernmental Panel on Climate Change (Hrsg.) (2000): SRES – Special Report Emissions Scenarios


[1] Def.: Der Stomatawiderstand gibt an, in wie weit die Abgabe von Gasen (und Wasser) durch die Spaltöffnungen (Stomata) einer Pflanze eingeschränkt ist.

Grundwasserneubildung

Karte  (i)

Mit Grundwasserneubildung wird der Teil des Wasserkreislaufs bezeichnet, der als infiltrierendes Sickerwasser den Grundwasserleiter speist. Die Grundwasserneubildung wird zum einen durch die Landnutzung und die Untergrundgegebenheiten beeinflusst, zum anderen spielen Niederschlagsverhältnisse und Verdunstungsprozesse eine Rolle. Daher ist das räumliche Muster der Grundwasserneubildung in Nordrhein-Westfalen eher heterogen. Für die zukünftige Grundwasserneubildung lassen sich keine gesicherten Trendaussagen treffen, da auch die Zukunftsprojektionen der Einflussfaktoren Niederschlag und Evapotranspiration keinen einheitlichen Entwicklungstrend zeigen.

Grundlagen

Die Grundwasserneubildung wird nach DIN 4049-3 als »Zugang von infiltriertem Wasser zum Grundwasser« definiert.  Die Grundwasserneubildung ist somit der Anteil des Niederschlags, der weder verdunstet noch abfließt, sondern bis ins Grundwasser versickert. 

Datenbasis und Kartenerstellung

Die Grundwasserneubildung wurde im Rahmen der Studie „Auswirkungen von Klimaänderungen auf das nachhaltig bewirtschaftbare Grundwasserdargebot und den Bodenwasserhaushalt in Nordrhein-Westfalen“ vom Forschungszentrum Jülich ermittelt. Die Berechnung der Grundwasserneubildung erfolgt über den Gesamtabfluss. Zunächst werden mit Hilfe der Wasserhaushaltsgleichung die einzelnen Komponenten des Wasserhaushaltes bilanziert. Eine Separierung der einzelnen Abflüsse erfolgt über sog. Base-Flow-Indizes, die standortabhängig charakterisiert werden. Somit werden die Abflusskomponenten als relative Anteile am Gesamtabfluss dargestellt. Relevante Faktoren, die in die Bestimmung der jeweiligen Base-Flow-Indizes eingehen, sind die Oberflächenversiegelung, der Grundwasserflurabstand, die vorliegende Gesteinsart und somit die hydraulische Durchlässigkeit im Festgestein beziehungsweise bindige Bodenschichten (Staunässehorizonte) im Lockergesteinsbereich sowie Drainagen.

Die Bilanzierung der Wasserhaushaltsgleichung und des Gesamtabflusses erfolgte mit Hilfe des Wasserhaushaltsmodelles mGROWA. Über verschiedene Modellschichten können die relevanten Standortfaktoren zur Separierung der Abflusskomponenten im Modell implementiert und berechnet werden. Über die entsprechenden Base-Flow-Indizes kann dementsprechend durch Separierung aus dem Gesamtabfluss die Grundwasserneubildung bestimmt werden.

Die Simulationen mit mGROWA erfolgten zunächst für die Referenzperiode 1971-2000, anhand welcher die Berechnungen evaluiert wurden. Darüber hinaus fanden Simulationen für verschiedene 30-jährige Perioden (1981-2010, 2011-2040, 2041-2070 sowie 2071-2100) statt. Die Landnutzungsdaten wurden dabei als zeitlich konstant angenommen. Die benötigten meteorologischen Eingangsdaten wurden mit Hilfe des regionalen Klimamodelles WETTREG-2010 in der Realisierung 4 für das Klimaszenario A1B (IPCC 2000) berechnet, die stationsbezogenen Ergebnisse wurden mittels des IDW-Verfahrens (Inverse Distanzwichtung) in die Fläche interpoliert.

Die Interpretation der Ergebnisse sollte unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Berechnungen auf den Simulationen eines regionalen Klimamodelles unter dem Einfluss nur eines einzelnen Klimaszenarios basieren, entsprechend vorsichtig erfolgen.

Kartenbeschreibung

In den Tieflandbereichen Nordrhein-Westfalens erreicht die mittlere jährliche Grundwasserneubildung während der Referenzperiode 1971-2000 meist Werte zwischen 50 und 300 mm pro Jahr (Abb. 5). An Grundwasser beeinflussten Standorten kann bei kapillarem Aufstieg eine negative Bilanz durch Grundwasserzehrung im Sommerhalbjahr auftreten. Zusätzlich können künstliche Drainagen eine Grundwasserzehrung verursachen. Dies spielt insbesondere im Münsterland eine Rolle; wobei zur Abschätzung des Einflusses der Drainagen potenziell drainierte Flächen herangezogen wurden. In den Mittelgebirgen beeinflusst vor allem die hydraulische Durchlässigkeit des Gesteins die Grundwasserneubildung. Im rheinischen Schiefergebirge, das eine geringe Durchlässigkeit aufweist, beträgt sie 50 bis 100 mm pro Jahr. In Gebieten mit einer besseren hydraulischen Durchlässigkeit kann die Grundwasserneubildung auf 100 bis 300 mm pro Jahr ansteigen (Herrmann et al. 2014).

Abbildung 5: Mittlere jährliche Grundwasserneubildung in Nordrhein-Westfalen 1971-2000; simuliert mit mGROWA und Modelleingangsdaten aus Beobachtungen des DWD (Quelle: HERRMANN et al. 2014)

Während der verschiedenen simulierten Zukunftszeiträume ist kein einheitlicher Trend der Veränderung der Grundwasserneubildung sichtbar. Zudem finden die Veränderungen nicht flächendeckend statt. So werden sowohl zeitliche als auch räumliche Wechsel leichter Zu- und Abnahme projiziert (Abb. 6). Dennoch muss bis zum Ende des Jahrhunderts mit einer Abnahme der Grundwasserneubildung gerechnet werden.

Abbildung 6: Mittlere jährliche Grundwasserneubildung im Zeitraum 1981-2010 sowie Änderung der Grundwasserneubildung in den Zeiträumen 2011-2040, 2041-2070 und 2071-2100 bezogen auf 1981-2010, simuliert mit mGROWA, basierend auf WETTREG-2010 Klimadaten (Quelle: HERRMANN et al. 2014)

Insbesondere in der Niederrheinischen Tieflandsbucht wird bis zum Ende des Jahrhunderts ein starker Rückgang der Grundwasserneubildung simuliert. Dies kann auf die hohe Wasserspeicherfähigkeit der Böden zurückgeführt werden und gebietsweise auch auf geringe Grundwasserflurabstände. Da eine höhere Verdunstung im Sommern und Herbst erwartet wird, dauert die Auffüllung des Bodenwasserspeichers auf Feldkapazität länger, so dass erst verspätet eine Sickerwasserbewegung (die zur Grundwasserneubildung führt) einsetzt. Auch im Sandmünsterland, das ebenfalls grundwasserbeeinflusste Böden aufweist, werden deutliche Rückgänge der Grundwasserneubildung bis 2100 projiziert. Hingegen werden beispielsweise für das durch Festgestein geprägte Sauerland nur geringe Abnahmen bis zum Ende des Jahrhunderts erwartet.

Fazit

Da die hier vorgestellte Projektion des Wasserhaushalts lediglich auf einem einzelnen möglichen klimatischen Entwicklungspfad basiert, sollten die Ergebnisse für sich alleine genommen noch nicht als Basis für die Ableitung von Adaptionsstrategien für ein an den Klimawandel angepasstes Grundwassermanagement in Nordrhein-Westfalen verwendet werden. Diese einzelne Projektion liefert keine zuverlässige Aussage über die Menge des sich zukünftig neubildenden Grundwassers. Außerdem können keine Aussagen bezüglich einer Eintrittswahrscheinlichkeit gemacht werden. Die aufgezeigten Tendenzen erscheinen jedoch aufgrund der „Realitätsnähe“ des WETTREG-2010-R4-Szenarios für den Referenzzeitraum (1971-2000) plausibel (Herrmann et al. 2014).

Literatur

Hermann, F.; Chen, S.; Kunkel, R. und Wendland, F. (2014): Auswirkungen von Klimaänderungen auf das nachhaltig bewirtschaftbare Grundwasserdargebot und den Bodenwasserhaushalt in Nordrhein-Westfalen.

Link

IPCC - Intergovernmental Panel on Climate Change (Hrsg.) (2000): SRES – Special Report Emissions Scenarios

Klimatische Wasserbilanz

Karte  (i)

Die Klimatische Wasserbilanz, als Differenz zwischen Niederschlag und Verdunstung, wird direkt durch Veränderungen von Temperatur und Niederschlag beeinflusst. Sie weist sowohl eine hohe regionale als auch zeitliche Variabilität auf. Zurzeit lässt sich kein statistisch signifikanter Änderungstrend bei der mittleren jährlichen klimatischen Wasserbilanz in Nordrhein-Westfalen nachweisen.

Grundlagen

Die klimatische Wasserbilanz (KWB) ist eine abgeleitete Größe, die sich als Differenz der Niederschlagshöhe (P) und der potenziellen Verdunstung (V) ergibt:

KWB = P - V

Angegeben wird die klimatische Wasserbilanz in mm Wassersäule (1 mm entspricht 1 Liter pro Quadratmeter [l/m²]). Sie stellt eine quantitative Gegenüberstellung von Wassergewinn und -verbrauch in einem bestimmten Gebiet für einen festgelegten Zeitraum dar und beschreibt, wie sich die meteorologischen Bedingungen auf den Bodenwasserhaushalt auswirken: Ist der Niederschlag größer als die Verdunstung, so ist die Wasserbilanz positiv und man spricht von einem humiden, also feuchten Klima. Den umgekehrten Fall nennt man trocken bzw. arid.

Als Verdunstung bezeichnet man die Umwandlung von Wasser in Wasserdampf bei Temperaturen unterhalb des Siedepunktes. Hier wird die Gesamtverdunstung von einer natürlich bewachsenen Bodenoberfläche, die Evapotranspiration betrachtet. Sie setzt sich aus der Evaporation (Verdunstung über einer freien Wasserfläche oder vegetationslosen Erdoberfläche) und der Transpiration (Abgabe von Wasserdampf durch Pflanzen in die Atmosphäre) zusammen.

Die Messung der Verdunstung ist sehr aufwendig, da sie u.a. von der Bodenbeschaffenheit, der Art des Bewuchses und vom Wasservorrat im Boden abhängt. Sie kann deshalb nur punktuell ermittelt werden. Daher betrachtet man für räumliche Berechnungen die sogenannte Grasreferenzverdunstung, welche die Verdunstung einer standardisierten Grasdecke in standardisiertem Boden bei optimaler Wasserversorgung angibt. Sie wird mit Hilfe der folgenden Formel (nach Penman-Monteith und Wendling) berechnet:

wobei:

V: Grasreferenzverdunstung in mm
RG: Globalstrahlung in W/m2
T: Monatsmittel der Lufttemperatur in °C
k: Küstenfaktor (0,5 an der Küste, 1 im Binnenland)
h: Seehöhe in m (für h > 600 m wird h = 600 m gesetzt)

Datenbasis und Kartenerstellung

Die klimatische Wasserbilanz sowie die zugrunde liegenden Daten des Niederschlags und der potenziellen Verdunstung werden in monatlicher bzw. jährlicher Auflösung auf der Basis von Daten des Deutschen Wetterdienstes (DWD) berechnet. Der DWD interpoliert die Stationsdaten unter Berücksichtigung der Geländetopographie auf ein Raster von 1 km × 1 km, sodass sich Flächenkarten für NRW ergeben. Die Flächenkarten auf Jahresbasis werden zu zeitlichen Mittelwerten für verschiedene 30-Jahres-Perioden aggregiert. Die Auswertung erfolgte für die Zeiträume 1961-1990, 1971-2010 sowie 1981-2010.

Kartenbeschreibung

Die räumliche Struktur der Karten zur klimatischen Wasserbilanz entspricht weitgehend der räumlichen Verteilung des Niederschlags. Im Jahresmittel ist die klimatische Wasserbilanz in Nordrhein-Westfalen fast flächendeckend positiv; eine Ausnahme stellt ein kleiner Bereich in der Zülpicher Börde dar, der im Jahresmittel eine negative klimatische Wasserbilanz aufweist (s. Abb. 7). Insgesamt treten die niedrigsten Werte, unter 200 mm, entlang des Rheingrabens und in Teilen der Westfälischen Bucht auf. Die größten Bilanzüberschüsse finden sich im Bergischen- sowie Sauer- und Siegerland mit Werten von über 1200 mm. Danach folgen das Weserbergland und die Eifel mit Werten über 800 mm. Im Zeitraum 1981-2010 betrug das Gebietsmittel für NRW im Mittel 340 mm.

Abbildung 7: Mittlere jährliche klimatische Wasserbilanz in Nordrhein-Westfalen im Zeitraum 1961-1990 (oben), 1971-2000 (unten links) und 1981-2010 (unten rechts) (Datengrundlage: DWD)
Abbildung 8: Jahresgang der mittleren monatlichen klimatischen Wasserbilanz als Gebietsmittel für NRW für den Zeitraum 1981-2010. Blaue Balken stellen positive Werte dar, rote Balken negative Werte (Datengrundlage: DWD)

Betrachtet man den Jahresgang der klimatischen Wasserbilanz, zeigt sich, dass neben der hohen regionalen Variabilität auch eine hohe zeitliche Variabilität der Klimatischen Wasserbilanz auftritt (s. Abb. 8). Diese lässt sich auf die im Jahresverlauf unterschiedlich verteilte Niederschlagsmenge sowie die hohe Verdunstung, die während der Sommermonate durch die hohe Einstrahlung und Temperaturen verursacht wird, zurückführen.

Fazit

Die Klimatische Wasserbilanz weist sowohl eine hohe regionale als auch zeitliche Variabilität auf. Dies ist im Wesentlichen auf die starken Schwankungen der Niederschlagshöhe während eines Jahres als auch auf die jahreszeitliche Abhängigkeit der Verdunstung von Temperatur und Einstrahlung zurückzuführen. Zurzeit lässt sich kein statistisch signifikanter Änderungstrend bei der mittleren jährlichen klimatischen Wasserbilanz in Nordrhein-Westfalen nachweisen.