Zur Entwicklung von Wasserhaushalt und Dürren in Deutschland | Hitze, Dürre, Anpassung | bpb.de

Die globalen Temperaturen steigen an, Extremwetter nehmen zu, das Meereis geht dramatisch zurück – dies ist heute in der Wissenschaft unumstritten. Zu den Folgen des Klimawandels in Deutschland zählt die Zunahme von Starkregenereignissen, aber auch die Zahl aufeinanderfolgender Trockentage vor allem im Sommer sowie die Dauer von Hitzewellen. Diese Vorgänge haben zur Folge, dass hydroklimatische Gefahren wie Dürren größer werden. Zahlreiche Wirtschaftsbranchen bekommen die Auswirkungen von Dürren bereits zu spüren, etwa die Energieerzeugung, die produzierende Industrie oder die Wasserversorgung.

Die trockenen Jahre 2018 bis 2020 haben zu einer extremen Dürre bis in tiefere Bodenschichten geführt. Eine Studie mit rekonstruierten Klimadaten zurück bis ins Jahr 1766 hat ergeben, dass im zurückliegenden Vierteljahrtausend mit großer Wahrscheinlichkeit kein größeres Dürreereignis in Mitteleuropa aufgetreten ist. Täglich aktualisierte Daten des Deutschen Dürremonitors zum Bodenfeuchtezustand sind seit nunmehr fast zehn Jahren verfügbar. Demnach wird für den Gesamtboden bis in zwei Meter Tiefe in einigen Regionen Deutschlands eine mittlerweile fünf Jahre andauernde Dürre ausgewiesen, die auch die Entwicklung von Grundwasserständen beeinflusst. Daraus resultierende Folgen betreffen etwa Wälder und Forstwirtschaft sowie den Naturschutz und die Wasserwirtschaft. Die Landwirtschaft dagegen ist eher von Dürren im Oberboden betroffen, die deutschlandweit 2018 am stärksten ausgeprägt war.

Neben der möglichen klimabedingten Änderung von Extremereignissen ist auch die potenzielle Änderung der langfristigen mittleren Wasserverfügbarkeit bei der Anpassung an den Klimawandel zu berücksichtigen. Das genutzte Wasserdargebot setzt sich im Wesentlichen aus Grundwasser, Fließgewässern und Talsperren zusammen. Im Folgenden werden wir auf einige der zu erwartenden Auswirkungen eingehen.

Szenarien und Simulationen

Da die zukünftige Treibhausgaskonzentration der Atmosphäre nicht vorhergesagt werden kann, wird mit Szenarien gearbeitet. Das optimistische Szenario des Weltklimarates "Klimaschutz" (RCP 2.6) und das pessimistische "Weiter-so"-Szenario (RCP 8.5) bilden die Spannbreite der möglichen Entwicklungen im Klimawandel ab. Die damit verbundene Temperaturerhöhung in Deutschland reicht im Median über alle Simulationen von 1,2 Grad Celsius (aus 21 verfügbaren Klimasimulationen unter RCP 2.6) bis 3,6 Grad Celsius (49 Simulationen unter RCP 8.5).

Im Rahmen der Helmholtz-Klimainitiative wurde ein hochaufgelöster Referenzklimafolgendatensatz entwickelt, für den insgesamt 70 Klimasimulationen aus den Projekten EURO-CORDEX sowie ReKliES-DE verwendet wurden. Ein Vergleich der simulierten Daten der Vergangenheit mit Beobachtungsdaten ermöglicht die Einschätzung der Modellierungsgüte. Die Klimasimulationen decken das Gebiet Deutschlands sowie die in den Nachbarländern liegenden Ursprungsgebiete von Rhein, Elbe, Oder und Donau ab. Mit dem am Zentrum für Umweltforschung (UFZ) entwickelten mesoskaligen hydrologischen Modell (mHM) wurden Klimafolgen für den Wasserhaushalt abgeschätzt.

Mit diesem Umweltsystemmodell können neben den täglichen Oberflächenabflüssen zum Beispiel auch Schneespeicher, Bodenwasserkomponenten, Grundwasserneubildung, die aktuelle Verdunstung sowie weitere Faktoren berechnet werden. Das Modell wurde durch alle Klimasimulationen angetrieben, sodass insgesamt 70 Wasserhaushaltssimulationen mit täglichen Daten zwischen 1971 und 2098 vorliegen. Die hier eingesetzte Ensemble-Strategie erlaubt eine umfassende Auswertung sowohl der wahrscheinlichsten Entwicklung (Median der Änderungen über alle Klimasimulationen in einem Klimaszenario) als auch der Gesamtspannbreite der möglichen Veränderungen (zum Beispiel für Worst-Case-Betrachtungen) sowie der Robustheit der Änderungen unter verschiedenen Szenarien des Klimawandels.

Hitzewellen und natürliches Wasserdargebot

Die Ergebnisse zeigen für Deutschland allgemein, dass die klimabedingten Veränderungen auch unter dem Klimaschutzszenario ungefähr bis zur Mitte des Jahrhunderts anhalten werden und sich danach erst stabilisieren, während unter dem Weiter-so-Szenario die Änderungen bis zum Ende des Jahrhunderts fortschreiten. Neben den mittleren Temperaturen ändern sich auch Hitzeperioden: Bis zum Ende des Jahrhunderts werden bei den Hitzetagen mit Tageshöchsttemperaturen über 30 Grad Celsius unter dem Klimaschutzszenario Zunahmen um etwa vier Tage pro Jahr und unter dem Weiter-so-Szenario um etwa 16 Tage pro Jahr erwartet. Verglichen wird dabei immer gegen die Vergangenheitszeitscheibe 1971 bis 2000, in der im Mittel in Deutschland knapp sechs Hitzetage pro Jahr auftraten. Eine Konsequenz der vermehrten Hitzetage beziehungsweise Hitzewellen ist ein höherer Wasserbedarf, der sich auch in den täglichen Spitzenwasserabgaben der Wasserversorger wiederfindet.

Zukünftige Änderungen des natürlichen Wasserdargebotes werden wesentlich durch den Niederschlag bestimmt. Der Klimawandel wirkt sich auf die Menge und Verteilung des Niederschlages aus. Vor diesem Hintergrund wurden saisonale und jährliche Änderungen des Niederschlages ausgewertet. Generell steigt die Jahresniederschlagssumme mit zunehmender Erwärmung leicht an.

Im Ensemblemedian wird unter dem Klimaschutzszenario regional bis 2050 eine Zunahme zwischen etwa 5 Prozent (Donau, Rhein) und knapp 7 Prozent (Oder) erwartet, danach treten uneinheitliche und nur leichte Änderungen auf. Demgegenüber wird für das pessimistische Weiter-so-Szenario in der Zukunftszeitscheibe 2069 bis 2098 eine Zunahme der mittleren Jahresniederschlagssummen um ungefähr 11 Prozent (Maas) bis knapp 20 Prozent (Oder- und Warnow-Peene-Einzugsgebiet) ersichtlich.

Die Niederschlagsänderungen fallen saisonal sehr unterschiedlich aus. Im Sommer zeigen sich die stärksten mittleren Niederschlagsabnahmen unter dem Weiter-so-Szenario von etwa minus 7 Prozent (Rhein) bis minus 9 Prozent (Maas). Zugleich zeigt sich im Oder-Gebiet eine leichte Zunahme um plus 7 Prozent. Im Winter werden im Median über alle Simulationen hinweg Niederschlagszunahmen erwartet. Diese fallen an Maas mit plus 27 Prozent und im Warnow-Peene-Gebiet mit plus 33 Prozent am stärksten aus.

Die prozentualen Änderungen weisen dabei den Median über alle Simulationen aus und zeigen damit im Rahmen der Modellunsicherheiten die wahrscheinlichste Entwicklung. Zwischen den beiden Extremszenarien finden sich sowohl Simulationen mit stärkeren Niederschlagszunahmen als auch mit Niederschlagsabnahmen. Alle Einzelsimulationen sind somit möglich, aber weniger wahrscheinlich als der Median über das gesamte Simulationsensemble.

Niederschlagszunahmen bedeuten jedoch nicht automatisch mehr verfügbares Wasser. In den vergangenen Jahren wurde in Deutschland der Anstieg der Verdunstung als maßgeblicher Treiber der Wasserhaushaltsänderung diskutiert. So hat sich die klimatische Wasserbilanz als Indikator etabliert, bei der die maximal mögliche Verdunstung (potenzielle Evapotranspiration, PET) berechnet wird. Die PET wird maßgeblich durch die Änderungen der maximalen Temperaturen beeinflusst: Mit der klimawandelbedingten Erwärmung steigt auch die maximal mögliche Verdunstung.

Tabelle 1 zeigt am Beispiel des Elbe-Einzugsgebietes, dass die simulierte Zunahme der tatsächlichen Verdunstung weniger stark ausfällt als die potenzielle. Bei abnehmenden Sommerniederschlägen und regelmäßig stärker austrocknenden Böden in der Vegetationsperiode zwischen Juli und September tritt zukünftig vermehrt eine Limitation der Verdunstung auf, da weniger Wasser verfügbar ist. Weiterhin ist ersichtlich, dass die zukünftige atmosphärische Bilanz von Jahresniederschlag (P, von engl. precipitation) und tatsächlicher Verdunstung positiv ist und somit terrestrisch zukünftig dennoch ein leichter Wasserüberschuss entsteht.

Ein weiterer Faktor für das natürliche Wasserdargebot ist die Entwicklung der Wasserstände und Durchflussmengen in Flüssen. Die Auswertung der Änderung der mittleren jährlichen Abflüsse als Teil des zukünftig verfügbaren Wasserdargebotes ergibt insgesamt für Deutschland zunehmende jährliche Abflussmengen. Wie in Abbildung 1 zu erkennen ist, steigern sich diese von Südwesten nach Nordosten sowie mit zunehmender Erwärmung. Jährliche Abnahmen finden sich nur vereinzelt, etwa in der Weser oder im Schwarzwald.

Für das Wassermanagement spielt zudem die Speicherung eine wichtige Rolle. Daher wurden die zukünftigen Änderungen der jährlichen Zuflüsse für die 96 größten Trinkwasser-Talsperren untersucht. Die Einzugsgebiete im Setup des hydrologischen mHM-Modells wurden anhand hochaufgelöster digitaler Geländemodelle bestimmt. Technische Infrastruktur wird dabei nicht berücksichtigt. Von den 27 Talsperren mit einem Einzugsgebiet größer als 50 Quadratkilometer zeigen unter dem Weiter-so-Szenario bis zum Ende des Jahrhunderts alle Talsperren einen steigenden mittleren jährlichen Zufluss, unter dem Klimaschutzszenario weist eine der Talsperren einen zukünftigen leichten Rückgang des mittleren jährlichen Zuflusses aus.

Der wichtigste Bestandteil des Wasserdargebotes für die Wasserversorgung in Deutschland ist das Grundwasser. Die Grundwasserneubildung beschreibt den Anteil des Niederschlages, der bis ins Grundwasser einsickert. Sie ist unter anderem abhängig von der Art, der Menge und der Intensität des Niederschlages. Niederschläge im Sommerhalbjahr spielen wegen der Vegetationsaktivität und höheren aktuellen Verdunstung im Vergleich zum hydrologischen Winterhalbjahr eine untergeordnete Rolle. Aufgrund großer naturräumlicher und klimatischer Unterschiede schwankt die langjährige Grundwasserneubildung in Deutschland zwischen unter 25 Millimeter pro Jahr, zum Beispiel im Mitteldeutschen Trockengebiet, und deutlich über 350 Millimeter pro Jahr im Mittelgebirgsraum sowie im Alpenvorland und den Alpen.

Im hydrologischen mHM-Modell wurde die jährliche Grundwasserneubildung aus den täglichen vertikalen Wasserflüssen im Boden abgeschätzt. Wie schon beim Jahres- und Winterniederschlag nimmt der Median der jährlichen Grundwasserneubildung mit zunehmender Erwärmung über alle zukünftigen 30-jährigen Zeiträume zu. Während in den Winterhalbjahren Niederschlag insgesamt zunimmt, nehmen die Tage mit Minimumtemperaturen unter Null Grad Celsius ab. Im Klimaschutzszenario gibt es bis zum Ende des Jahrhunderts im Median 20 Frosttage weniger im Jahr, im Weiter-so-Szenario sind es sogar 58 Frosttage weniger.

Ein Rückgang von Tagen mit Bodenfrost begünstigt wiederum den relativen Anteil des Niederschlages, der in den Boden einsickert (Infiltration). Die absoluten Änderungen der Grundwasserneubildung sind insgesamt über die gesamte Fläche Deutschlands klein, regional sind diese prozentual aber teilweise hoch. Dies betrifft vor allem den Nordosten Deutschlands, wie in Abbildung 2 ersichtlich ist.

Dürreereignisse

Dürren sind Extremereignisse mit einer Trockenheit, die statistisch nur in 20 Prozent der Fälle erreicht wird, und die über mehrere Jahre andauern können. Die Entwicklung der langjährigen zukünftigen Änderungen des Niederschlages und der Grundwasserneubildung zeigen deutlich, dass die aktuelle Bodenfeuchtedürre seit 2018 kein neuer Normalzustand, sondern ein außergewöhnlich großes Extremereignis ist.

Innerjährlich nehmen Dürren in der Bodenschicht bis 30 Zentimeter Tiefe zukünftig durch die Stagnation oder Abnahme des Sommerniederschlages im Südwesten Deutschlands am stärksten zu. Dies betrifft vor allem die Vegetationsperiode von Juli bis September. Darüber hinaus wurden zweijährige Dürreintensitäten für die gesamte Fläche Deutschlands und der Ursprungsgebiete der großen Flusseinzugsgebiete berechnet. Das Ergebnis ist in Abbildung 3 dargestellt: Es ist gut zu erkennen, dass in beiden Szenarien die Intensität von Dürren in diesem Jahrhundert zunimmt, im Weiter-so-Szenario jedoch deutlich ausgeprägter als im Klimaschutzszenario. Insgesamt steigt also in Deutschland die Wahrscheinlichkeit zweijährlicher Ereignisse mit größeren Intensitäten als in der Vergangenheitszeitscheibe von 1971 bis 2000.

Fazit und Anpassungsbedarf

Die Anpassung an den Klimawandel erfordert eine robuste Entscheidungsbasis. Dazu wurden alle verfügbaren Klimasimulationen, die Deutschland und die Ursprungsgebiete unserer Einzugsgebiete abdecken, genutzt, um zukünftige Änderungen mit dem hydrologischen Modell mHM abzuschätzen. Neben den Informationen zur wahrscheinlichsten Entwicklung sind auch Informationen zu Trendstabilität, Signifikanz von Änderungen und deren Spannbreiten abgeleitet worden.

Während Temperatur- und Hitzeindikatoren einen eindeutig zunehmenden Trend zeigen, finden sich unter den Klimasimulationen in der Gesamtspannbreite sowohl zukünftige Zu- als auch Abnahmen des Jahresniederschlages. Die wahrscheinlichste Entwicklung – also der Median des Modellensembles – über die Fläche Deutschlands ist eine leichte Jahresniederschlagszunahme, die mit zunehmender Erwärmung stärker ausfällt. Damit verbunden sind ebenfalls leichte Zunahmen des mittleren jährlichen Abflusses und damit der Zuflüsse zu Talsperren sowie der Grundwasserneubildung. Trotz der leichten Zunahme des langjährigen zukünftigen Wasserdargebotes ist innerjährlich mit einem stärkeren Austrocknen der Böden von Juli bis September zu rechnen. Außerdem steigt die Wahrscheinlichkeit zweijähriger Dürreereignisse mit fortschreitender Erwärmung.

Daraus leitet sich der Bedarf der Anpassung an zukünftige Trockenperioden und Dürreereignisse ab. Zum einen wird es nötig, den winterlichen Wasserüberschuss in den Sommer mit höheren Wasserbedarfen zu bringen. Dazu nutzen wir heute bereits Talsperren, für die unter anderem Erhöhungen der Staumauern und die Optimierung des Managements diskutiert werden. Auch die künstliche Anreicherung von Grundwasser durch künstliche Zuführung von Oberflächenwasser trägt heute bereits etwa 7 Prozent zur Wassergewinnung in Deutschland bei und könnte zukünftig wichtiger werden.

Darüber hinaus bedarf es eines Managements von Dürreereignissen. So muss in zukünftigen Zeiten von Wasserknappheit klargestellt sein, welche Nutzer Vorrang haben. Dies ist bisher nicht geregelt. Generell haben einzelne Anpassungsmaßnahmen in mehreren Sektoren häufig nicht nur positive, sondern auch negative Auswirkungen. So kann in der Landwirtschaft die Bewässerung aus Grundwasser in Dürrezeiten zur Ertragsstabilisierung führen. Gleichzeitig kann eine damit verbundene Absenkung des Grundwasserspiegels jedoch zu Schäden in benachbarten Wäldern oder dem Austrocknen von Bächen führen.

Die im Frühjahr 2023 verabschiedete Nationale Wasserstrategie ist daher dringend notwendig und ein guter Startpunkt für die Klimaanpassung des Wassermanagements. Ihr Erfolg wird jedoch von der Umsetzung der insgesamt 78 Maßnahmen ihres Aktionsprogramms abhängen.