Prognose der klimabedingten Änderungen von Hydrodynamik und Wasserqualität im Bodensee
Forschungsansatz
Numerische Modelle ermöglichen die Quantifizierung von hydrodynamischen, chemischen und biologischen Prozessen in Seen. Hierzu liegt das überprüfte Modellsystem von Bodenseeonline vor. Dieses ermöglicht, die seeinternen Prozesse dreidimensional zu beschreiben. Das System simuliert den saisonalen Verlauf der Schichtung, der Primärproduktion und der relevanten Nährstoffe. Darüber hinaus lassen sich die Auswirkungen von Hochwasserereignissen mit erhöhten Sedimentfrachten und Einträgen von sauerstoffhaltigem Wasser in das Hypolimnion quantifizieren. Langzeitsimulationen über die letzten Jahrzehnte zeigen die Veränderungen durch die Reoligotrophierung beim Nährstoffkreislauf, bei der Primärproduktion und der Sauerstoffverteilung auf. Damit ist das Modellsystem bestens für die Prognose der Wirkungen durch die Klimaänderung auf die limnologischen Prozesse im See geeignet. Das zur Verfügung stehende Modellensemble ermöglicht die Simulation auf verschiedenen Raum- und Zeitskalen.
Modellensemble mit Modellnetzen für a) Paläosimulationen mit Flexiblem Netz, b) Langzeitsimulationen mit Finite-Differenzen-Netz, und c) Kurzzeitsimulationen (wenige Jahre).
(© Kobus und Partner)
Vorgehensweise
Die Nahrungskette im bestehenden Informationssystem Bodenseeonline wird um die Wachstums- und Filtrationsprozesse der Quaggamuschel erweitert. Für die Modellierung der Entwicklung der Quaggamuschel wurde ein Modul entsprechend den Daten und Erfahrungen an den Great Lakes von Prof. Dr. Alexander Y. Karatayev entwickelt. Das Modul beinhaltet 3 Größenklassen von Quaggamuscheln und ist Teil des Nährstoffkreislaufs.
Modellkonzept für das Quaggamuschel-Modul mit drei Größenklassen der Muscheln und Einbindung in den Nährstoffkreislauf.
(© Kobus und Partner)
Ebenso wird modelltechnisch das Wachstum von Makrophyten erfasst und die Nachbildung des Zooplanktons weiter verfeinert. Anhand von Paläosimulationen sollen vor allem die langfristigen Entwicklungen der Vergangenheit unter Verwendung von am Institut für Seenforschung entnommenen Sedimentproben untersucht werden. Anhand der Paläobetrachtungen sollen relevante Prozesse für die Prognose bei klimatisch veränderten Verhältnissen identifiziert werden.
Ziele
Das Ziel des Teilprojektes ist es mit Hilfe des numerischen Modells zunächst die aktuellen Entwicklungen der Neozoen abzubilden. Beispielhaft zeigt nachfolgende Abbildung die Nachbildungsgüte.
Vergleich zwischen gemessener und berechneter Quaggamuschelbiomasse und Quaggamuschelgröße auf dem Seeboden des Bodensees für die Jahre 2021 bis 2024.
(© Kobus und Partner)
Unter Berücksichtigung der klimabedingten Änderungen werden mit dem Modellsystem Prognosen über die zukünftige Entwicklung der Schichtungs- und Austauschprozesse erstellt. Darauf aufbauend werden die biologischen und chemischen Entwicklungen simuliert. Es wird prognostiziert, wie sich die Verteilung der Quaggamuschel verändert und wie sich der Nährstoffkreislauf in Zukunft ändern kann. Da die zukünftige Entwicklung der biologischen Prozesse von vielen Faktoren abhängen, wird in einer Sensitivitätsstudie die Bandbreite der möglichen Entwicklungen aufgezeigt. Ziel ist, die nahe Zukunft der nächsten 20 bis 40 Jahre abzuschätzen.
Erste Prognose der Entwicklung der Quaggamuscheldichte in Abhängigkeit von der Tiefe.
(© Kobus und Partner)
Zusammenarbeit im SeeWandel-Klima Projekt
Entwicklung Quaggamusche-Modul: Definition der wesentlichen Parameter für Wachstum, Tiefenabhängigkeit, Filtration, Überprüfung Modell mit Vergleichsdaten (Eawag, Teilprojekt 6A).
Entwicklung Makrophyten-Modul: Aufstellen des Konzeptionellen Modells, Eingrenzung der Wachstumsparameter, Vergleich mit Messdaten (Universität Konstanz, Teilprojekt 3B).
Modellentwicklung Zooplankton: Identifizierung der relevanten Planktonspecies, Modellimplementierung und Testung (Universität Innsbruck, Teilprojekt 4).
Paläosimulationen: Auswahl der Paläohochwasser und Simulationszeitraum, Vergleichsdaten aus Bohrkernen (ISF-LUBW, Teilprojekt 1).
Modellsimulationen und Klimaprojektionen: Vergleich Modelle 1D versus 3D, Auswahl Klimaprojektionen, Entwicklung gemeinsamer Modellprognosen und Parameterbandbreiten (Eawag, Teilprojekt 6C).
Koordination der SeeWandel-Klima Themengruppe „Modellbasierte Vorhersagen“. Die Themengruppe führt insbesondere das Wissen bezüglich prozessorientierter Modellierung zur Vorhersagbarkeit der Folgen relevanter Umweltthemen zusammen.
Projektteam
Ingenieurgesellschaft Prof. Kobus und Partner GmbH (kup), Deutschland
Dr.-Ing. Ulrich Lang – Projektleitung
Dipl.-Ing. Stefan Mirbach – wissenschaftlicher Mitarbeiter
M.Sc. Irina Weber – wissenschaftliche Mitarbeiterin
Dipl.-Ing. M.Sc. Armin Durach – wissenschaftlicher Mitarbeiter
