Langzeitsimulation der Wassertemperatur von Fließgewässern mit Berücksichtigung der Beschattungsdynamik durch Ufergehölze

Stein, Karoline

Dynamische Vegetationszustände am Gewässerufer im Tiefland gemäßigter Breiten können die Temperatur- und Lichtverhältnisse im Gewässer maßgeblich beeinflussen. Die Phänologie der Pflanzen hat bisher kaum Eingang in die Simulation von Prozessen in oder an Fließgewässern gefunden. In der vorliegenden Arbeit wurden vergleichende Untersuchungen zur Abbildung einer jahreszeitlich variablen Beschattung und dynamischer, von den meteorologischen Bedingungen gesteuerten Vegetationsperioden bei der deterministischen Langzeitsimulation der Fließgewässertemperatur durchgeführt. Beginn und Ende der Blattentfaltung und des Blattfalls wurden aus dem beobachteten Eintritt phänologischer Leitphasen mithilfe des Konzeptes der phänologischen Jahreszeiten ermittelt. Darüber hinaus wurde der Eintritt der für die Gewässerbeschattung relevanten Leitphasen für einen Zeitraum von 26 Jahren mit phänologischen Modellen in Abhängigkeit von den klimatischen Bedingungen simuliert und mit phänologischen Beobachtungen verglichen. Mit den beobachteten und simulierten Zeiträumen der Blattentfaltung und des Blattfalls im Jahr 2015 wurden hydrodynamische Simulationen der Wassertemperatur vorgenommen und anhand zeitlich hochaufgelöster Beobachtungen der Wassertemperatur in Hinblick auf die Modellgüte verglichen. Die Untersuchungen erfolgten an einem Gewässerabschnitt der Böhme, einem Tieflandfluss im Naturraum Lüneburger Heide. Der Einsatz von phänologischen Modellen eignete sich für eine dynamische Abbildung der Blattentfaltungsphase. Es konnte weiterer Forschungsbedarf für Simulation des herbstlichen Blattfalls abgeleitet werden. Die Wassertemperatursimulation erwies sich als allgemein sehr sensitiv gegenüber dem Beschattungsparameter. Es konnte nachgewiesen werden, dass eine vegetationsperiodenabhängige Parametrisierung der Beschattung die Modellfehler bei der Simulation der Wassertemperatur verringern kann. Die Berücksichtigung einer zeitlich variablen Gewässerbeschattung ist insbesondere für kleine und mittlere Fließgewässer zu empfehlen, bei denen große Unterschiede in der Gewässerbeschattung zwischen der vollständigen Vegetationsentwicklung im Sommer und der Vegetationsruhe im Winter zu erwarten sind.

Dynamic riparian vegetation conditions of temperate lowland rivers can significantly influence the temperature and light conditions in the river water. The phenological development stages of plants have not yet comprehensively been considered in the simulation of processes in or on streams. In this comparative study, different approaches were applied to account for seasonal variable shading as well as dynamic, meteorologically triggered vegetation periods in the deterministic long-term simulation of the water temperature. The start and the end of leaf unfolding and leaf fall were derived from phenological point-scale observations of Germany’s national meteorological service using the concept of phenological seasons. These are defined based on specific growth stages of selected plants that are used as indicator phases. In a second approach the indicator phases were simulated with phenological models for a 26 years’ time period. The observed and simulated times of leaf unfolding and leaf fall in 2015 were then integrated into hydrodynamic water temperature simulations. Model performance was evaluated on an hourly basis using continuous water temperature observations. The investigations were carried out on a section of the lowland river Böhme in Northern Germany. Phenological models showed to be suited for a weather-dependent forecast of leaf unfolding in spring. Nonetheless, predicting leaf fall remains difficult and should be the subject of future research. Water temperature simulations proved to be generally very sensitive to the shading parameter. It could be shown that the performance of water temperature simulations can be improved by a time-varying parametrization of river shading according to the vegetation period of riparian vegetation. Accounting for seasonal variable shading in long-term water temperature simulations is highly recommended for small and medium rivers, especially when there are pronounced differences between riparian shade during and outside the vegetation period.

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Stein, Karoline: Langzeitsimulation der Wassertemperatur von Fließgewässern mit Berücksichtigung der Beschattungsdynamik durch Ufergehölze. 2019.

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