Langzeitentwicklung von Seen infolge des Klimawandels

Der Groß Glienicker See in Berlin ist besonders von sinkenden Wasserständen betroffen (Foto: S. Jordan)

Hintergrund

Der Klimawandel verändert die Verhältnisse in unseren Seen und erfordert Anpassungsstrategien bei der Bewirtschaftung. Steigende Lufttemperaturen führen zu höheren Wassertemperaturen an der Oberfläche, einer längeren Temperaturschichtung im Sommer und verringerte oder komplett ausfallende Eisbedeckung. Diese physikalischen Änderungen haben auch Einfluss auf biologische und geochemiche Prozesse. Biologie und Geochemie. Hohe Wassertemperaturen können zu Algenblüten führen, längere Schichtungsdauer zu Sauerstoffmangel im Tiefenwasser, wodurch wiederum der Lebensraum für Fische verringert wird und eventuell Nährstoffe und toxische Substanzen wie Schwefelwasserstoff Mangan aus dem Sediment gelöst und im Wasser akkumuliert werden können.

In diesem Projekt soll der Einfluss des Klimawandels auf die physikalischen Prozesse in Seen systematisch untersucht werden. Dazu wurden in Seen mit unterschiedlichen Eigenschaften (z. B. unterschiedliche mittlere Tiefe oder Windexposition) Messketten installiert, mit denen in verschiedenen Tiefen Temperatur und Sauerstoffkonzentrationgehalt gemessen werden. Durch diese hochaufgelösten Daten wird es möglich, Temperaturentwicklung und Schichtungsverhalten genau zu erfassen und die Reaktion der Seen auf sich ändernde meteorologische Randbedingungen nachzuvollziehen. Um längerfristige Trends zu identifizieren, wurden neben diesen hochaufgelösten Daten auch langfristige Messreihen regelmäßiger Terminmessungen, die teilweise bis in die 1960er-Jahre zurückreichen, analysiert.

Mit numerischen Seenmodellen können darüber hinaus Wassertemperaturen an der Oberfläche und im Tiefenwasser simuliert werden. In Kombination mit regionalen Klimaprognosen für das 21. Jahrhundert ermöglichen es diese Modelle, die Entwicklung der Seen für mögliche zukünftige Temperaturentwicklungen gemäß verschiedener Treibhausgasemissionsszenarien vorherzusagen. Die empirischen Daten der Messketten leisten hierbei wiederum einen wichtigen Beitrag zur Modellkalibration. Aus diesen Ergebnissen sollen unter Einbeziehung weltweiter Studien auch praktische Empfehlungen für ein Klimamonitoring in Seen Deutschlands abgeleitet werden. 

Methodik

Schematische Abbildung einer Messkette (links), einer Messkette mit Oberflächenboje (mitte) und einer Messstation (rechts)

Insgesamt wurden 14 Seen mit Messketten ausgestattet. Diese besteht aus einem Seil, das durch ein Gewicht am Grund und mit einem Auftriebskörper, der sich unterhalb der Wasseroberfläche befindet, auf Zug gehalten wird. An diesem Seil werden in festgelegten Abständen die Logger befestigt. Datenlogger arbeiten autonom und speichern die Daten jeweils intern, die Stromversorgung erfolgt über Batterien. Etwa einmal pro Jahr werden die Messdaten ausgelesen, und – falls nötig – gereinigt und mit neuen Batterien versorgt.

Ergänzend wurden unter Mithilfe der Landesämter für Umwelt, des Umweltbundesamtes und des Instituts für Seenforschung Baden-Württemberg Langzeitdaten von 116 deutschen Seen gesammelt. Insgesamt 45 dieser Datenreihen decken einen Zeitraum von mindestens 30 Jahren in ca. monatlicher bis zweimonatlicher Auflösung ab. Neben Temperaturen wurden auch Sauerstoffkonzentrationen und teilweise der Gesamtphosphor und Chlorophyllgehalt gemessen.

Die Daten der Messketten wurden verwendet, um numerische Modelle zu kalibrieren. Diese wurden verwendet, um die Endwicklung der Seetemperaturen bis zum Jahr 2100 unter verschiedenen möglichen Entwicklungen des Klimas in Deutschland zu rekonstruieren.

Ergebnisse

Links Plot von 45 Oberflächentemperaturen gegen die Zeit (1950-2020), die Kurve zeigt tendentiell einen ansteigenden Verlauf. Rechts derselbe Plot für die Tiefenwassertemperaturen. Hier ist kein Trend erkennbar.

Die Analyse der Langzeit-Monitoringdaten zeigt, dass sich die Seen an der Oberfläche im Durchschnitt um ca. 0.5°C/Dekade erwärmen (Abbildung 1a). Im Gegensatz dazu blieben die Tiefenwassertemperaturen fast konstant (Abbildung 1b). Die Temperaturen erhöhten sich besonders im Sommer und Herbst, was auf eine stabilere Schichtung in dimiktischen Seen hindeutet. Dementsprechend werden auch gegen Ende der Schichtungsperiode im Herbst häufiger geringe Sauerstoffkonzentrationen im Tiefenwasser gemessen. Andere Parameter, z. B. die Sichttiefe oder mittleren Chlorophyll-A-Gehalte, zeigten nur gering ausgeprägte mittlere Trends und hingen stark von den lokalen Bedingungen ab.

Dank der hochaufgelösten Messkettendaten kann in vielen Seen Beginn und Ende der Sommerschichtung auf den Tag genau bestimmt werden. Hier zeigt sich, dass tiefe Seen deutlich später vollständig durchmischen und daher tendentiell auch anfälliger für anoxische Bedingungen im Tiefenwasser sind. Der Beginn der Schichtung wird dagegen in allen Seen hauptsächlich von Lufttemperaturen und der Windgeschwindigkeit im Frühling bestimmt.

Links ein Plot mit den prognostizierten Oberflächentemperaturen der Seen von 2000 bis 2100. Die rote Kurve zeigt einen starken Anstieg und entspricht den Vorhersagen der pessimistischen Annahme für die zukünftigen CO2-Emissionen. Die blaue Kurve zeigt kaum einen Anstieg und enspricht einer optimistischen Annahme. Rechts dasselbe für die Tiefenwassertemperaturen. Hier ist der Anstieg für die pessimistische Annahme viel geringer, für das optimistische Szenario ist keine Veränderung erkennbar.

Die Simulationen bestätigten den bisher beobachteten Trend. Unter Annahme eines weiteren Anstiegs der CO2-Emissionen („business-as-usual“-Szenario RCP 8.5) erhöhen sich die Oberflächentemperaturen auch in der Zukunft um ca. 0.3°C/Dekade (Abbildung 2a), die Tiefenwassertemperaturen blieben auch in der Simulation weitestgehend konstant (Abbildung 2b).  Im optimistischen Emissionsszenario RCP 2.6, in dem der Anstieg der Lufttemperaturen auf ca. 2°C begrenzt wäre, würden auch die Seetemperaturen nach ca. 2050 nicht mehr ansteigen. Im pessimistischen Szenario wäre die sommerliche Schichtungsperiode in geschichteten Seen deutlich verlängert (im Schnitt um etwa einen Monat), in tiefen Seen stärker als in flacheren. Dies hätte starke Auswirkungen auf den Sauerstoffhaushalt. Die Eisbedeckung würde deutlich abnehmen bzw. komplett verschwinden. Die veränderten Schichtungsbedingungen können potentiell auch den Nährstoffhaushalt und die Biologie im See verändern.

Ausblick

Im weiteren Verlauf des Projektes soll der Einfluss der physikalischen Änderungen auf das Ökosystem, z. B. den Sauerstoffhaushalt oder die Entwicklung von Cyanobakterien untersucht werden. Des weiteren sollen Änderungen im Wasserstand der Seen untersucht werden und Möglichkeiten, das Monitoring durch Fernerkundungsdaten zu ergänzen.

Steckbrief

Laufzeit

01.01.2020
31.12.2023
Abteilung(en)
(Abt. 1) Ökohydrologie und Biogeochemie
Programmbereiche
Dimensionen der Komplexität aquatischer Systeme
Projektteam am IGB
Projektleiter
Projektmitarbeiter
Projektmitarbeiterin
Themenbereiche
Finanzierung

Länderarbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA- AK)

Projektpartner

Fachbehörden der Bundesländer

Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Wasser (https://www.lawa.de)

Ansprechpersonen

Robert Schwefel

Postdoktorand*in
Forschungsgruppe
Biogeochemische Prozesse in Sedimenten und Seenrestaurierung

Michael Hupfer

Forschungsgruppenleiter*in
Forschungsgruppe
Biogeochemische Prozesse in Sedimenten und Seenrestaurierung
Publikation
Juni 2022

Auswirkungen des Klimawandels auf Seen in Deutschland: Abschlussbericht ; Seen im Klimawandel [PROJEKT NR. K-4.20]

Ausführende Einrichtung: Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB). Verantwortlicher Wissenschaftler: Dr. Michael Hupfer. Projektbearbeitung: Dr. Robert Schwefel, Dipl. Geogr. Sylvia Jordan. Projektbetreuung: Mitglieder des LAWA EK Seen (LAWA AO), Projektbetreuerin A. Köhler
Juni 2023

Wie reagieren Seen auf den Klimawandel? Prognosen und mögliche Anpassungsstrategien

Robert Schwefel; Sylvia Jordan; Antje Köhler; Michael Hupfer
KW Korrespondenz Wasserwirtschaft. - 16(2023)5, 293-300

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