austrian climate research program - tu wien · acrp ‐ austrian climate research program ......

89
1 Austrian research cooperation Austrian Climate Research Programme ACRP 3 nd Call Funded by Climate and Energy Fund ACRP Austrian Climate Research Program Power through Resilience of Energy Systems: Energy Crises, Trends and Climate Change (PRESENCE) Contributions to Work packages 4 – Hydrology and hydropower 5 – Availability of cooling water for thermal power plants and the industry by Institute of Water Management, Hydrology and Hydraulic Engineering (IWHW) University of Natural Resources and Life Sciences, Vienna (BOKU) Project management: Em.O.Univ.Prof. Dipl.Ing. Dr. Hans Peter Nachtnebel Authors: DI Philipp Stanzel, DI Mathew Herrnegger Draft March 2013

Upload: phungminh

Post on 30-Apr-2018

213 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

 

 

 

 

Austrian research cooperation  

Austrian Climate Research Programme ACRP 3nd Call  

Funded by Climate and Energy Fund 

 

 

ACRP ‐ Austrian Climate Research Program  

 

Power through Resilience of Energy Systems: Energy Crises, 

Trends and Climate Change (PRESENCE)  

 

Contributions to Work packages  

4 – Hydrology and hydropower  

5 – Availability of cooling water for thermal power plants and the industry  

by 

Institute of Water Management, Hydrology and Hydraulic Engineering (IWHW) 

University of Natural Resources and Life Sciences, Vienna (BOKU) 

 

Project management: Em.O.Univ.Prof. Dipl.Ing. Dr. Hans Peter Nachtnebel 

Authors: DI Philipp Stanzel, DI Mathew Herrnegger 

 

Draft March 2013 

   

 

 

Table of Content

1.  Introduction ............................................................................................................................ 4 

2.  Methods .................................................................................................................................. 6 

2.1.  Water balance simulations ...................................................................................................... 6 

2.2.  Changes in runoff due to precipitation and temperature changes (Runoff elasticity) ........... 8 

2.3.  Analyses of river runoff time series from scenario simulations .............................................. 8 

2.3.1.  Analysis of low flow periods ......................................................................................................... 9 

2.3.2.  Long‐term persistence and periodicity ....................................................................................... 11 

2.4.  Impact of climate change on alpine reservoirs ..................................................................... 12 

2.5.  Water temperature ............................................................................................................... 14 

2.6.  Groundwater recharge .......................................................................................................... 14 

2.7.  Trends in runoff in Europe .................................................................................................... 15 

3.  Input data .............................................................................................................................. 16 

3.1.  Corrections of RCM data ....................................................................................................... 16 

3.2.  Climate change signals .......................................................................................................... 16 

4.  Results ................................................................................................................................... 19 

4.1.  Performance of the water balance model ............................................................................ 19 

4.1.1.  Simulations with observed input data ........................................................................................ 19 

4.1.2.  Simulations with corrected climate model control runs............................................................. 21 

4.2.  Runoff elasticity ..................................................................................................................... 23 

4.3.  Spatial patterns of change in local runoff ............................................................................. 26 

4.4.  Changes in river runoff .......................................................................................................... 30 

4.4.1.  Mean runoff ................................................................................................................................ 30 

4.4.2.  Analysis for run‐of‐river power plants ........................................................................................ 31 

4.4.3.  Runoff seasonality ...................................................................................................................... 34 

4.4.4.  Low flow runoff under climate change conditions ..................................................................... 37 

4.4.5.  Low flow runoff for shorter periods than a month: Mean annual 7‐day minimum flow ........... 40 

4.4.6.  Time of occurrence of low flow periods ..................................................................................... 42 

4.4.7.  Low flow duration under climate change conditions ................................................................. 43 

4.4.8.  Long‐term persistence and periodicity in simulated runoff time series ..................................... 45 

4.5.  Alpine reservoirs .................................................................................................................... 52 

4.5.1.  Gepatsch ..................................................................................................................................... 52 

4.5.2.  Sellrain‐Silz .................................................................................................................................. 59 

4.5.3.  Kaprun‐Uttendorf ....................................................................................................................... 60 

4.6.  Water temperature ............................................................................................................... 61 

4.7.  Groundwater recharge .......................................................................................................... 62 

4.8.  Trends in runoff and hydropower production in Europe ...................................................... 65 

4.8.1.  Mean runoff and hydropower potential ..................................................................................... 65 

4.8.2.  Seasonal changes ........................................................................................................................ 67 

4.8.3.  Low flow ...................................................................................................................................... 70 

5.  Conclusions ........................................................................................................................... 73 

6.  References ............................................................................................................................. 75 

7.  List of Figures ......................................................................................................................... 78 

8.  List of Acronyms .................................................................................................................... 84 

9.  Annex – Comments on the delivered runoff simulation time series ........................................ 85 

9.1.  Delivered runoff simulation time series ................................................................................ 85 

9.2.  Estimation of the Swiss and German Inn and the German Danube ...................................... 88 

9.3.  Estimation of a typical hydrological regime shift for German hydropower production ....... 89 

 

 

   

1. Introduction 

The core objective of the overall project “PRESENCE – Power through Resilience of Energy Systems: 

Energy Crises, Trends and Climate Change” is to provide measures and pathways how to increase the 

resilience of energy systems in the view of climate change, possible trends and energy crises as well 

as the transformation of our energy system into a low‐ and zero carbon future for the Austrian case. 

In order  to  follow  this basic  idea of  the project,  the  following  sub‐objectives of  “PRESENCE” have 

been defined: 

‐ Identify  and  quantify  the  impact  of  climate  change  on  energy  systems.  This  includes  a 

detailed description and modeling of energy systems in a highly disaggregated way. This will 

imply modeling the climate sensitivity of (1) hydro power, (2) electricity generation, storage 

and  transmission,  (3)  heating  and  cooling  of  buildings  and  (4)  selected  aspects  of  cooling 

water availability for thermal power plants and industrial energy related processes. 

‐ Identify  and  quantify  the  possible  impact  of  other  exogenous  trends,  developments  and 

possible shocks on energy systems. 

‐ Further elaborate the methodological concept of resilience for the case of energy systems. 

‐ Further  develop methodological  concepts  for  assessing  the  impact  of  extreme  events  on 

energy systems. 

‐ Identify steps and concepts  for  increasing  the  resilience of energy systems and quantifying 

the impact of transition paths and measures on resilience indicators. 

‐ Investigate economic aspects of adaptation measures and discuss strengths and  limitations 

of economic concepts for assessing cost and benefits of adaptation measures. 

This report summarizes the contributions of the  IWHW group  to Workpackage  (WP) 4 – Hydrology 

and  hydropower  –  and WP  5  –  Availability  of  cooling  water  for  thermal  power  plants  and  the 

industry. The main objectives of these investigations are: 

‐ Assess the expected impact of climate change on the hydrology of Austria. 

‐ Analyse electricity generation of hydropower in different climate scenarios. 

‐ Investigate cooling water availability under climate change conditions. 

The  main  tool  to  achieve  these  objectives  is  a  detailed  spatio‐temporal  hydrological  model  for 

Austria.  After  calibration  for  a  period  in  the  20th  century,  the model  is  run with  climate  change 

scenario  input  data  for  the  21st  century.  Climate  scenarios  provided  by  the  latest  generation  of 

climate models are prepared and corrected  in WP 1 – Climate models and scenarios. Trends  in the 

resulting  hydrological  scenarios  are  analysed,  with  special  focus  on  impacts  on  hydropower 

production and  cooling water availability. The  simulated  time  series of  runoff will also be used as 

input  in subsequent detailed modeling of hydropower production  in an energy model based on an 

inventory of all major hydropower stations (by the Energy Economics group, EEG). In addition to the 

detailed  investigation  of  expected  changes  in  hydrology  and  hydropower  production  in  Austria, 

external factors related to hydropower production in Europe are investigated and summarized.  

 

Of the analyses of climate change impact presented here, the following points have special relevance 

for hydropower production (WP4): 

‐ Continuous monthly runoff time series of the 21st century for the main Austrian rivers 

‐ Mean runoff and seasonality 

‐ Low flow runoff, time of occurrence and duration of low flow periods 

‐ Specific analysis for run‐of‐river power plants 

‐ Specific analysis for alpine reservoirs 

‐ Trends in runoff and hydropower production in Europe 

For  the  investigation  of  cooling  water  availability  under  climate  change  conditions  (WP5),  the 

following issues discussed here are of special relevance: 

‐ Mean runoff and seasonality 

‐ Low flow runoff, time of occurrence and duration of low flow periods  

‐ Water temperature 

‐ Groundwater recharge 

‐ Trends in runoff in Europe 

 

 

 

   

2. Methods 

2.1. Water balance simulations 

For the water balance simulations, the continuous conceptual hydrological model COSERO is applied. 

COSERO was developed at  IWHW (Nachtnebel et al 1993, Fuchs 1998, Kling 2002, Eder et al. 2005, 

Kling  und Nachtnebel  2009,  among  others),  its  structure  is  similar  to  the HBV model  (Bergström 

1992). All main hydrological processes are represented:  interception, snow accumulation and snow 

melt, evaporation, storage in the soil, runoff separation into fast and slow components. Fig. 1 shows 

a schematic  illustration of the main modules of the COSERO model. These processes are simulated 

for each model zone. River runoff and basin runoff are calculated as sums of the respective model 

zones.  

 

 

Fig. 1: Schematic description of the water balance model 

 

 

In  this  application,  the  model  zones  are  defined  by  a  1x1km  grid  and  basin  boundaries.  188 

catchments are represented explicitly and are grouped into 16 river basins (Fig. 2). Simulation results 

are calculated for monthly time steps. The model  is based on the model applied for water balance 

simulations  (e.g.  Kling  et  al.  2005)  for  the  Hydrological  Atlas  of  Austria  (BMLFUW  2005).  It  is 

calibrated  in  a  regional  calibration procedure  for  the period of 1961‐1990  (cf. Kling 2006). Runoff 

simulations can be evaluated for 141 basins.   

 

 

 

 

 

Fig. 2: 188 Austrian catchments represented in the water balance model, grouped into 16 river basins 

 

The impact of climate change on the terrestrial water balance is investigated using precipitation and 

temperature data resulting from climate model simulations as input. Water balance modeling results 

of  future  periods  under  climate  change  conditions  can  then  be  compared  with  the  reference 

simulations for 1961‐1990.   

For  the  application  with  climate model  data,  the model  is  adapted  regarding  the  simulation  of 

evaporation, snow melt and glaciers.   

Evaporation  is calculated with the method of Thornthwaite  (Thornthwaite and Mathers 1957). This 

method only requires temperature as input. Therefore, the climate signal in the temperature data is 

considered in the calculations of evaporation. Other methods, like the method of Budyko (1974) that 

is originally  implemented  in  the water balance model, need other  input data which  is not  readily 

available  from  climate models  or  is more  complicated  to  correct  than  temperature  data.  In  the 

Thornthwaite method, effects of temperature and radiation are combined in an empirical approach. 

The use of  the  Thornthwaite method with  climate  change  scenario  temperatures  implies  a  linear 

relationship, with potential evaporation rising as much as temperature. However, radiation, which is 

then  implicitly assumed  to  increase  in  the  same way as  temperature,  is not expected  to generally 

increase. This might lead to a small, but systematic overestimation of potential evaporation. 

In the calculation of snow melt, the variability of daily temperature around the monthly mean is fixed 

with a value calculated from data of the calibration period 1961‐1990. In applications for this period, 

time  series of observed daily  temperature are used, which are not available  for monthly  scenario 

data.      

A  simple  glacier model  is  applied  in  combination with  the water  balance model  for  the  scenario 

simulations.  Glaciers  are  not  considered  in  earlier  applications,  and  are  also  not  included  in  the 

simulations of the reference period of 1961‐1990. The glacier melt simulated by the glacier model is 

therefore  the  additional  contribution  by  glaciers  that  so  far  did  not  contribute  to  runoff  in 

1961‐1990. Model  zones which  are mostly  snow  covered  in  summer  in  1961‐1990  are  therefore 

considered as glacierized  (see Fig. 8  in  chapter 2.4). Glacier melt  is  calculated with a  temperature 

index  method.  Lateral  mass  movement  is  not  considered.  Ice  thickness  in  one  model  zone  is 

distributed according to a  log normal distribution.  Ice volumes are estimated based on  information 

by Kuhn et al. (1999) and Span et al. (2005).   

2.2. Changes in runoff due to precipitation and temperature changes 

(Runoff elasticity) 

A second approach of estimating changes in runoff due to changes in driving meteorological variables 

without applying continuous water balance simulations  is tested. For  long term mean values, direct 

relationships  between  runoff  change  and  changes  in  precipitation  and  temperature  can  be 

established.  This  analysis, which  is  usually  referred  to  as  “elasticity  of  runoff”,  can  be  based  on 

observed data or on previous water balance simulations. Examples  for  the use of observations are 

the investigation of precipitation elasticity of runoff in the US by Sankarasubramani et al. (2001), the 

climate elasticity estimation including precipitation and temperature for US and Chinese basins by Fu 

et al. (2007) and the formulation of Gardner (2009) that is based on precipitation, temperature and 

potential evaporation. Based on modeling  results, Chiew  (2006) assessed precipitation elasticity of 

runoff for Australia. 

In  the  analysis presented  here,  changes  in precipitation  and  temperature  are  considered  and  the 

change  in  runoff  is deduced  from water balance modeling  results. Runoff  from 188 catchments  in 

Austria  is  included. The simulations are run with  input data based on  the  three emission scenarios 

A1B, A2 and B1 of the REMO‐UBA model.  

Absolute and  relative changes of 30‐year mean of annual precipitation  (ΔP),  temperature  (ΔT) and 

annual runoff (ΔQ) of three future periods (2021‐2050, 2036‐2065, 2071‐2069) relative to the control 

period  of  1961‐1990  are  used  to  establish  empirical  relationships  of  runoff  elasticity  in  Austria. 

Multiple  linear  regression models  are  tested,  based  on  these  variables  and  also  including mean 

catchment elevation as additional independent variable.  

As PRESENCE climate model data was used again for continuous water balance simulations leading to 

detailed results, including time series of runoff as well as long term means for various periods In the 

21st century, an estimation of runoff change based on runoff elasticity  is not applied with  the new 

climate model data. 

2.3. Analyses of river runoff time series from scenario simulations 

The  availability  of  streamflow  water  for  hydropower  production  and  for  cooling  purposes  is 

investigated for mean flow conditions, for higher runoff and for periods of low flow. The assessment 

is based on runoff simulations in monthly time steps, using climate scenarios of three RCMs as input: 

for REMO‐UBA, data with emission scenarios A1B and A2  is applied, for Aladin‐Arpege and RegCM3 

only A1B scenarios are available (see chapter 3). Climate change impacts projected by REMO‐UBA are 

analysed  for  the  three 30 year periods of 2011‐2040  (around 2025), 2036‐2065  (around 2050) and 

2061‐2090 (around 2075), relative to the simulations of the baseline period 1961‐1990. Results with 

the other two models are examined for the period of 2061‐2090, which shows the effects of climate 

change and therefore also the differences between the models most clearly. The ability of the water 

balance  model  to  accurately  represent  river  runoff  is  shown  in  comparing  observations  and 

simulations for the period of 1961‐1990. Three rivers are selected for detailed analysis: the Enns, the 

Mur and  the Drau. At  these rivers, several run‐of‐river hydropower plants are  located and  there  is 

relevant discharge of cooling water from power plants and industry. These three large Austrian rivers 

have  alpine  headwater  basins  and  therefore  exhibit  generally  similar  hydrological  characteristics. 

Therefore,  some  results  are  compared with  simulations  for  the  Ager  river,  a  smaller  river  basin 

entirely located in the northern foothills of the Alps. The location of the basins is shown in Fig. 3. 

 

 

Fig. 3: Basins selected for the analysis of river runoff 

 

 

Mean flow conditions are  indicated by the mean discharge of each 30 year period (Qm). Long‐term 

mean discharge  is closely  related  to  long‐term mean hydropower production  in  run‐of‐river power 

plants.  

Another  important value  for  run‐of‐river power plants  is  the design  flow. Design  flow values differ 

between  rivers and power plants, according  to  the hydrological  regime and purpose and design of 

the power plant. Design values are mostly between mean runoff and rather high discharge values, 

such  as  the  runoff  exceeded  in  only  10%  of  a  year  (Q10,  see  eg.  Giesecke  and Mosonyi,  2009). 

Therefore,  in addition  to mean  flow, Q10  Is analyzed  for Enns, Mur and Drau. Q10  is determined 

from duration curves in the same way as Q90 or Q95 (see below and Fig. 4). 

The  seasonality  of  river  runoff  is  of  high  relevance  for  both,  hydropower  production  and  cooling 

water availability. Changes in runoff seasonality are considered analyzing mean monthly discharges. 

Continuous  time  series  of  river  runoff  of  all  188  catchments  for  the  periods  of  1961‐1990  and 

2051‐2080  of  the  Aladin‐Arpege  and  RegCM3 models  are  handed  over  to  EEG  as  input  data  for 

energy system modeling. To include inflow time series for the Danube hydropower plants, the Swiss 

and  German  contributions  to  Danube  runoff  are  estimated.  The  methods  are  described  in  the 

comments handed over together with the data (see Annex).    

2.3.1. Analysis of low flow periods 

For low flow runoff, several indicators are applied: the mean lowest monthly runoff in a year (Qmin), 

runoff  exceeded  on  95%  of  the  days  (Q95)  and  runoff  exceeded  on  90%  of  the  days  (Q90).  The 

derivation of Q95 and Q90 from duration curves is shown in Fig. 4. The figure also shows that there 

are  slight  differences  between  the  values  calculated  with  daily  runoff  values  and  with monthly 

values, especially for very high and very low runoff. Where daily observations are available, a transfer 

10 

function between the two duration curves is calculated (according to Smakhtin, 2000). This function 

is  then  also  applied  to  monthly  duration  curves  of  future  periods.  Where  no  observations  are 

available, Q95 and Q90 values are based on duration curves from monthly runoff. 

 

 

Fig. 4: Flow duration curves of the Mur river (from daily observations, red, and monthly means, blue); values of Q90 and Q95 are indicated by vertical lines 

 

To include another indicator widely used in low flow studies (e.g. Stahl et al. 2010, Randall 2010) into 

the analysis, the mean annual 7‐day minimum flow (MAM7), the relation to the mean lowest annual 

monthly  runoff  (Qmin)  is  investigated  from  observational  data.  The  indicator MAM7  relates  to  a 

shorter low flow period of 7 days, which cannot directly be assessed with monthly runoff time series.  

The time of occurrence of low flow periods is also analysed based on the month of the lowest annual 

runoff. Relative frequencies of occurrence of the lowest runoff in each calendar month are calculated 

for each investigated 30 year period.    

The duration of  low  flow periods  is  assessed  for  the Enns  and Drau  rivers  comparing  run  lengths 

below a certain threshold. As threshold the Q90 calculated directly from the monthly values of each 

considered 30‐year period, i.e. the runoff exceeded in 90% of the months is selected. As an example, 

the left part of Fig. 5 shows the time series of monthly Q minus Q90 for the period of 1961‐90 of the 

Drau gauge Lavamünd. For values below 0, the duration in months – the run length of the respective 

low  flow period –  is  counted.  For each period,  the  frequencies of  run  lengths  from one  to  seven 

months (seven months being the highest simulated duration) are calculated. The right part of Fig. 5 

shows the resulting frequencies for the time series in the left graph.  

 

Fig. 5: Analysis of run length below Q90 for 1961‐90 for the Drau river (gauge Lavamünd)  

20

200

2000

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00

Runoff  [m³/s]

Probability of exceedence

Duration Curve (Mur)

Qobs monthly

Qobs daily

Q90

Q95

‐50

0

50

100

150

200

250

300

1961

1962

1963

1964

1965

1966

1967

1968

1969

1970

1971

1972

1973

1974

1975

1976

1977

1978

1979

1980

1981

1982

1983

1984

1985

1986

1987

1988

1989

Monthly Q ‐Q90 (m³/s)

Year

0

5

10

15

1 2 3 4 5 6 7

Frequency

Run Length below Q90 (Months)

Drau  Qsim (30y: 1961‐90)

11 

For  comparison  of  different  periods  and  scenarios  a measure  of  the  skewness  of  the  run  length 

distribution is calculated according to Peel et al. 2004: 

∑,   

with ai being the frequency of run length bi, j the longest observed run length and N the number of 

observed months. 

2.3.2. Long‐term persistence and periodicity 

Time  series  of  runoff  with  21st  century  scenario  input  data  appear  to  show  longer  and  more 

pronounced cyclic fluctuations than observed time series of the 20th century when evaluated visually. 

A systematic  investigation of this effect  is carried out exemplarily for two  large Austrian rivers, the 

Enns in the central northern Alps and the Drau, covering the south of Austria. 

Mean annual runoff time series for the most downstream gauge are aggregated from observations, 

simulations with observed input data and scenario simulations. Three 48‐year periods are compared: 

1952‐1999, 2002‐2049 and 2043‐2090. Linear trends in each 48‐year time series are removed before 

the  analysis.  The  comparison  of  runoff  observations  and  simulations with  observed  input  data  is 

conducted for an upstream gauge for the Drau, where such a long observation is available, and for a 

shorter period of 35 years for the Enns. 

Long‐term persistence and fluctuations in the data is analysed with the run length below median (cf. 

Peel et al. 2004, see also previous section on duration of low flow periods. For the calculation of this 

value,  the  time  series  is  divided  into  years  above  and  below  the  long  term median  (as  shown 

exemplarily for the Enns in Fig. 6, left). The length of consecutive years – the run length – below the 

median is counted. The resulting distribution of different run lengths is plotted, as in Fig. 6 right. The 

5‐year run,  for example, refers to the period of 1982 to 1986. As  for monthly runoff below Q90, a 

skewness measure g is calculated (according to Peel et al. 2004) for the run length distribution. Here, 

N denominates the number of years.  

 

 

Fig. 6: Example of the distribution of run length below the median (right) for a 35 year time series of the Enns (left).  

 

Long‐term periodicity in the runoff time series was also assessed analyzing autocorrelation patterns 

for different lags (cf. Pekárová et al. 2003). Autocorrelation plots are generated for lags of up to N/2. 

Values of autocorrelation coefficients and their sequences are analysed visually.    

‐80

‐60

‐40

‐20

0

20

40

60

80

1965

1967

1969

1971

1973

1975

1977

1979

1981

1983

1985

1987

1989

1991

1993

1995

1997

1999

Mean

 annual Q

 ‐Median Q

 (m³/s)

Year

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Frequency

Run Length below the Median  (Years)

Enns  Qobs (35y:1965‐1999)

12 

For  the  REMO‐UBA model,  results with  emission  scenarios  A1B  and  A2 were  compared.  For  this 

model, no control  run  is available,  so  results  from  scenario  simulations are compared with  results 

from hydrological  simulations using observations as  input data. These analyses are  carried out  for 

both, Enns and Drau river in order to assess regional differences.  

For  the models Aladin‐Arpege and RegCM3, hydrological simulation with control  run data as  input 

can be used. For these models, scenario simulations are compared with control run simulations,  in 

order to assess,  if climate model data generally  leads to different persistence and cyclicity behavior 

in the hydrological time series or if trends are due to climate change. 

2.4. Impact of climate change on alpine reservoirs 

For  the  catchment  areas  of  three  selected  alpine  reservoirs  changes  in  the  long  term means  of 

relevant water balance  components are analysed. The development of  runoff and precipitation  in 

general, but also portions of snow and rain precipitation, snow accumulation and snow melt and the 

contributions of snow melt and glacier melt to runoff are considered. The analyses are mostly based 

on water balance simulations driven by REMO‐UBA A1B input data, with some comparison to results 

with different emission scenarios (A2, B1) and different models (Aladin‐Arpege, RegCM3). Only local 

runoff and precipitation in the alpine catchment areas is included. 

The  location of  the selected catchment areas  is shown  in Fig. 7,  top  left. The other maps  in Fig. 7 

show the catchment areas and the respective 1x1km elements of the water balance model.  

The Gepatsch  reservoir  is  located  in  the Kaunertal  in  Tyrol, damming  the  Fraggenbach or  Fragge. 

Water is also diverted from the adjacent catchments of the Pitze, of some smaller Inn tributaries and 

some downstream Fragge tributaries (Fig. 7, bottom left). The areas in the water balance model that 

are considered to be part of these catchments sum up to 286 km², with a glacierized area of 51 km² 

(in 2000).  The mean elevation is 2636 m a.s.l. 

Also  in  Tyrol,  the  catchment  areas  of  the  Sellrain‐Silz  area  are  dammed mainly  in  the  Finstertal 

reservoir  and  contribute  to  hydropower  production  of  the  Kühtai  power  plant. Water  of  several 

tributaries of the Ötztaler Ache and the Inn is diverted to the reservoir (Fig. 7, bottom right). Of the 

catchment areas of 138 km² in the water balance model, 18 km² are glacierized (in 2000). The mean 

elevation in the catchments is 2530 m a.s.l. 

Information about the catchment areas of the hydropower plant systems of Gepatsch/Kaunertal and 

Sellrain‐Silz was provided by TIWAG.  

The catchment areas of the Uttendorf and Kaprun reservoirs and hydropower plants are  located  in 

Salzburg  and  Carinthia. Water  from  headwater  basins  of  tributaries  of  the  Salzach  and  Drau  are 

diverted  to  several  alpine  reservoirs  (Fig.  7,  top  right).  The  catchment  areas  considered  in  this 

analysis sum up to 192 km², with 36 km² of glaciers, and a mean elevation of 2571 m a.s.l. 

For  the  Gepatsch  reservoir,  a  detailed  investigation  of  the  development  of  the  glaciers  in  the 

catchment  areas  is  conducted.  In  this  context,  the  sensitivity  of  simulated  glacier  melt  to  the 

selection of day‐degree‐factors (DDFs) for ice is assessed. In the original simulations with the simple 

glacier melt model,  the  same day‐degree‐factors were assigned  for  snow and  ice. Their values are 

based on values determined by Kling (2006) for snow. Ice DDfs might, however, be higher than snow 

DDFs due to the darker surface (and therefore reduced albedo) of glaciers. Based on publications by 

Maniak (2010) , Nolin et al. (2010) and Kayastha et al. (2003) it is concluded, that values for ice DDFs 

are in the range of 1 to maximum 2 times snow DDFs (most of the values in the cited literature are 

13 

around  1.5).  For  the  sensitivity  analysis,  the maximum  of  ice DDFs  of  2  times  the  snow DDFs  is 

applied.     

 

 

Fig. 7: Locations and and detailed maps of the three selected alpine reservoir catchment areas (background map: Pirker, 2005) 

 

 

Glacierized areas in the water balance model are determined from results of the simulations of 1961‐

1990  (as explained  in more detail  in Nachtnebel et al. 2010). The areas with a mean August snow 

cover of over 90% are regarded as glaciers for the scenario simulations. This leads to simulations that 

are consistent with the reference and calibration simulations of the water balance models, in which 

glacier  runoff was not  considered at all. With  this definition,  the areas defined as glaciers  for  the 

scenario simulations were mostly snow covered  in the reference period and did not (or almost not) 

contribute  to  runoff with  ice melt.  If  they  become  snow  free  in  the  scenario  runs,  they  produce 

additional  ice melt  runoff, which  is considered now  in  the  runoff scenario simulations. Due  to  this 

methodology, the ice covered areas are slightly smaller than glacier areas in recent inventories (Kuhn 

and  Lambrecht  2005). Mostly,  smaller  glaciers  of  lower  elevations  are  disregarded.  The  generally 

good agreement of  the areas determined as described and  the  inventory of Kuhn and  Lambrecht 

(2005)  in  the Hydrological Atlas of Austria  is  shown  in  Fig. 8  for Western Tyrol  and  the Gepatsch 

reservoir catchments. 

 

Gepatsch reservoir / Kaunertal Finstertal reservoir / Sellrain Silz

Kaprun Uttendorf

14 

 

Fig. 8: Glacier areas in the water balance (WB) model and in the inventory of Kuhn and Lambrecht (2005, in the Hydrological Atlas of Austria HAO) 

 

2.5. Water temperature 

The development of water temperature can be assessed by a model according to Hostetler (1991, in 

Nobilis and Webb 1994). Only air temperature and discharge are needed as input data:   

Mean water temperature Tw of month m is calculated with: 

1,54,3210, 365

2cos

365

2sin

mwmmamw TBQBTB

dB

dBBT

 

where d ist he number of days from the beginning of the year to the middle of the respective month, 

Ta is mean monthly air temperature, Qm is mean monthly runoff, and Tw,m‐1 is water temperature of 

the preceding month. 

Parameters   B0 to B5 are estimated from observations of water temperature, minimizing the mean 

squared error of model  results  for  the observation period. Very high  correlations between model 

results and observations are obtained, from 0.977 for the Ager river to 0.99 for the Mur river.  

2.6. Groundwater recharge 

In  south‐east  Austria,  substantial  amounts  of  water  for  industrial  use  are  abstracted  from 

groundwater.  Therefore,  changes  in  groundwater  recharge  are  estimated  from  the water balance 

simulations. The model variable examined  is  the  inflow  from  the  interflow  reservoir  into  the base 

flow reservoir, which can be regarded as groundwater recharge. However, no explicit groundwater 

15 

model is applied, and groundwater flow over borders of subbasins in the water balance model is not 

considered. The results therefore refer only to  local groundwater recharge. Groundwater bodies  in 

connection with  larger rivers, as  in the downstream Mur basin, are  influenced by both, surface and 

groundwater inflow from upstream. Further analysis of effects of changes in groundwater availability 

for  water  abstraction  in  such  regions  should  combine  information  about  changes  in  local 

groundwater recharge and in river runoff. 

Mean values of simulated groundwater recharge are analysed for months, the whole year, and the 

period  of March  to  June, when  generally  the  highest  amounts  of  groundwater  recharge  occur  in 

Austria. Changes between 2061‐90 and 1961‐90 are analysed for four basins: the most downstream 

reach of the Mur, Raab, Rabnitz and a part of the Leitha basin (Fig. 9).    

 

 

Fig. 9: Basins selected for the analysis of groundwater recharge 

 

 

2.7. Trends in runoff in Europe 

For an analysis of possible changes  in river runoff due to climate change for the whole of Europe a 

hydrological model covering the entire area is needed. The task of setting up, calibrating and running 

such  a model  goes  beyond  the  scope  of  the  PRESENCE  project.  Therefore,  literature  on  possible 

climate‐induced trends in European streamflow is reviewed. As analyses of single basins or countries 

usually  differ  from  each  other  in  the  applied  methodologies  (hydrological  and  climate  models, 

emission  scenarios,  trend  analyses), mainly  studies  covering  the whole of  Europe  are  considered. 

Some publications on large European basins were included. 

   

16 

3. Input data 

For PRESENCE, data of  three  regional  climate models  (RCMs) published  in  the ENSEMBLES project 

(van der Linden and Mitchell 2009) are selected, downloaded, corrected and prepared for the use in 

impact assessment by the Institute of Meteorology (BOKUMET). For the hydrological application, the 

variables  temperature and precipitation are used. The  three  selected models are RegCM3 by  ICTP 

(driving General  Circulation Model  – GCM  –  ECHAM5),  Aladin‐Arpege  by  CNRM  (the  RCM  Aladin 

driven by  the GCM Arpege) and REMO by MPI  (driving GCM ECHAM5).  In  the new water balance 

simulations  in  the  framework  of  PREENCE,  only  the  two models  RegCM3  and  Aladin‐Arpege  are 

applied. REMO results from the 25km ENSEMBLES version of this model are supposed to be rather 

similar  to  the  results  from  the 10km REMO‐UBA version,  that has been  successfully applied  in  the 

preceding  KlimAdapt  project.  Therefore,  the  results with  REMO‐UBA  are  used  together with  new 

simulation results with RegCM3 and Aladin‐Arpege for further and more detailed analysis of climate 

change impacts on hydrology. 

3.1. Corrections of RCM data  

The selected ENSEMBLES models are corrected with a quantile mapping approach (cf. Déqué 2007) 

using  large  scale  25x25km  observation  fields  for  temperature  (E‐OBS,  Haylock  et  al.  2008)  and 

precipitation  (Frei  and  Schär  1998)  as  reference  observations.  The  reference  period  for  this 

correction is 1971‐1999 for precipitation and 1971‐2000 for temperature.   

It is known that local and regional distributions of the variables temperature and precipitation in the 

large scale observation data set do not correspond well with  local observations and  that therefore 

RCM data corrected based only on these data are not suitable for hydrological applications (Senoner 

et al. 2011). Therefore, a 1x1km climatology for 1961‐1990 of temperature and precipitation that has 

been developed at the IWHW especially for water balance modeling in Austria (Fürst et al. 2007), is 

used  as  second  reference  in  a  further  correction  step.  After  preliminary  application  by  the 

meteorologists,  the values  for  the catchment area of  the Erlauf  river  (subbasin 09_15  in  the water 

balance model) were replaced by the values in the very similar climatology of Kling et al. 2005. While 

the quantile mapping correction  is conducted with daily data,  the  second correction  is applied  for 

monthly data only. The differences between the  long term monthly mean values of the  large scale 

observation  data  set  (E‐OBS  for  temperature  and  Frei/Schär  for  precipitation)  and  the  IWHW 

observation data  set  is  calculated  for each 1x1km pixel. These mean monthly deviations are  then 

applied as correction factors to the RCM data that was corrected with the  large scale observations. 

Due to different reference periods (1971‐1999/2000 for the 25km data and 1961‐1990 for the IWHW 

1km data),  the  resulting means of  the  reference period of  the hydrological  simulation, 1961‐1990, 

deviate slightly from the original IWHW data (see chapter 4.1.2).  

3.2. Climate change signals 

The  following graphs  (Fig. 10  to Fig. 13) show climate change signals of mean annual  temperature 

and precipitation of the two PRESENCE climate models for the periods of 2051‐2080 and 2061‐2090, 

both compared to 1961‐1990.  

Generally, Aladin‐Arpege  projects  higher  temperature  increases  (Fig.  10  and  Fig.  11).  The models 

coincide projecting a more pronounced rise in temperature for alpine areas.  

17 

For  precipitation  (Fig.  12  and  Fig.  13),  Aladin‐Arpege  projects  small  increases  in  the  south  and 

decreases  in  the  north. RegCM3  shows  the  opposite  picture, with  decreasing  precipitation  in  the 

south‐west and increases in the north‐east. 

The  comparison  of  the  two  periods  shows  that,  as  expected,  the  temperature  change  is  more 

pronounced  in  the  later period  (note  the different  scales  for  the different periods).  Precipitation, 

however,  shows  a  slightly  smaller  change  –  i.e.  higher  precipitation  –  in  the  later  period  of 

2061‐2090. This again demonstrates  the  rather  linear  trend  in  rising  temperatures and  the  strong 

effects of cyclic “weather” fluctuations in precipitation that can cover climate change effects. 

 

 

 

Fig. 10: Climate change signals for temperature for 2051‐2080 in RegCM3 (left) and Aladin‐Arpege (right) data (Source: BOKUMET) 

 

Fig. 11: Climate change signals for temperature for 2061‐2090 in RegCM3 (left) and Aladin‐Arpege (right) data (Source: BOKUMET) 

18 

 

Fig. 12: Climate change signals for precipitation for 2051‐2080 in RegCM3 (left) and Aladin‐Arpege (right) data (Source: BOKUMET) 

 

 

Fig. 13: Climate change signals for precipitation for 2061‐2090 in RegCM3 (left) and Aladin‐Arpege (right) data (Source: BOKUMET)   

19 

4. Results 

4.1. Performance of the water balance model 

4.1.1. Simulations with observed input data 

The following graphs (Fig. 14 to Fig. 16) show simulated (SIM) and observed (OBS) values for duration 

curves (based on monthly runoff), mean monthly runoff and relative frequency of occurrence of the 

lowest annual runoff in each calendar month for the rivers Enns, Mur and Drau. The left side always 

shows results for one upstream gauge and the right side for one downstream gauge (in the cases of 

Mur and Drau the last gauge on Austrian territory).    

 

 

    

 

Fig. 14: Simulated and observed duration curves (upper panel), mean monthly runoff (middle panel) and relative frequencies of occurrence of the lowest annual runoff in each calendar month (lower panel) for one upstream gauge (Liezen) and one downstream gauge (Steyr/Ortskai) of the Enns river 

 

 

10

100

1000

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00

Runoff [m

³/s]

Probability of Exceedance

Liezen

m_Qobs 1961‐1990m_Qsim 1961‐1990

10

100

1000

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00

Runoff [m

³/s]

Probability of exceedance

Steyr (Ortskai)

m_Qobs 1961‐1990m_Qsim 1961‐1990

0

100

200

300

400

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Runoff  (m³/s)

Month

Liezen

QOBS 1961‐90

QSIM 1961‐90

0

100

200

300

400

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Runoff  (m³/s)

Month

Steyr (Ortskai)

QOBS 1961‐90

QSIM 1961‐90

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8

Relative frequency (/)

Month

Liezen

OBS

SIM

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8

Relative frequency (/)

Month

Steyr (Ortskai)

OBS

SIM

20 

The  simulated  duration  curves  show  a  very  good  agreement with  duration  curves  from  observed 

discharge for all six gauges. The overall distribution of runoff is therefore simulated very well. In the 

range of the lowest values some very small deviations appear.    

The  seasonal distribution of  runoff  is  also  simulated  very well, but  there  are higher discrepancies 

between  simulations  and  observations.  For  Drau  and  Mur  rivers,  the  simulations  show  slight 

overestimations  of  simulated  mean  monthly  runoff  in  spring  and  summer  and  a  slight 

underestimation  in  fall  and winter.  For  the  Enns, mean  runoff  in  spring  and winter  is  simulated 

accurately, in summer, simulations are too low, and in fall slightly too high.    

 

 

 

 

 

Fig. 15: Simulated and observed duration curves (upper panel), mean monthly runoff (middle panel) and relative frequencies of occurrence of the lowest annual runoff in each calendar month (lower panel) for one upstream gauge (Gestüthof) and one downstream gauge (Mureck/Spielfeld) of the Mur river 

 

 

1

10

100

1000

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00

Runoff [m

³/s]

Probability of exceedance

Gestüthof

m_Qobs 1961‐1990m_Qsim 1961‐1990

10

100

1000

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00

Runoff [m

³/s]

Probability of exceedance

Mureck/Spielfeld

m_Qobs 1974‐2000m_Qsim 1961‐1990

0

100

200

300

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Runoff  (m³/s)

Month

Gestüthof

QOBS 1961‐90

QSIM 1961‐90

0

100

200

300

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Runoff  (m³/s)

Month

Mureck/Spielfeld

QOBS 1961‐90

QSIM 1961‐90

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8

Relative frequency (/)

Month

Gestüthof

OBS

SIM

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8

Relative frequency (/)

Month

Mureck/Spielfeld

OBS

SIM

21 

Larger differences between observed and simulated data are found for the time of occurrence of the 

minimal  annual  runoff.  This  implies  a  larger  uncertainty  of  projections  of  temporal  shifts  in  the 

occurrence of  low  flow periods. As will be seen  in  the  respective section,  the scenario simulations 

show temporal shifts that are much more pronounced than the discrepancies between simulations 

and observations. 

 

 

    

 

Fig. 16: Simulated and observed duration curves (upper panel), mean monthly runoff (middle panel) and relative frequencies of occurrence of the lowest annual runoff in each calendar month (lower panel) for one upstream gauge (Oberdrauburg) and one downstream gauge (Lavamünd) of the Drau river 

 

4.1.2. Simulations with corrected climate model control runs 

Fig.  17  shows  the  differences  for  precipitation  and  potential  evapotranspiration  ETP0  (which  is 

calculated only  from  temperature) between Aladin‐Arpege and RegCM3 1961‐1990  reference  runs 

and the  reference run with the original IWHW climate data (denominated KlimAdapt in Fig. 17). It is 

obvious that differences are small, but for temperature and resulting ETP0, the corrected RCM data 

are systematically lower than the IWHW data. The resulting differences in runoff amount to only +/‐

10

100

1000

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00

Runoff [m

³/s]

Probability of exceedance

Oberdrauburg

m_Qobs 1961‐1990m_Qsim 1961‐1990

20

200

2000

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00Runoff [m

³/s]

Probability of Exceedance

Lavamünd

m_Qobs 1961‐1990m_Qsim 1961‐1990

0

100

200

300

400

500

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Runoff  (m³/s)

Month

Oberdrauburg

QOBS 1961‐90

QSIM 1961‐90

0

100

200

300

400

500

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Runoff  (m³/s)

Month

Lavamünd

QOBS 1961‐90

QSIM 1961‐90

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8

Relative frequency (/)

Month

Oberdrauburg

OBS

SIM

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8

Relative frequency (/)

Month

Lavamünd

OBS

SIM

22 

4%  (Aladin‐Arpege)  and  ‐3  to  +5%  (RegCM3)  of  annual  runoff  and  are  therefore  regarded  as 

acceptable. Compared to observations in 140 basins with reliable measurements, simulated seasonal 

runoff has high correlations (Fig. 18). The coefficients of determination are 0.976 for both input data 

sets, which means that the model explains more than 97% of the spatial variance of seasonal runoff 

in  Austria  (cf.  Kling  2006).  This  value  is  only  slightly  below  the  value  of  0.983  achieved  in  the 

KlimAdapt simulations with the original IWHW input data.   

 

    

    

Fig. 17: Scatterplots of precipitation (left) and potential evapotranspiration ETP0 (right) in the reference runs with Arpege (above) and RegCM3 (below) input data and the KlimAdapt reference run with IWHW input data  

 

    

Fig. 18: Scatterplots of observed and simulated seasonal runoff in the reference period, with input data from Arpege (left) and RegCM3 (right)  

500

1000

1500

2000

2500

500 1000 1500 2000 2500

Me

an

An

nua

l Pre

cip

itatio

n 1

96

1-9

0

PR

ES

EN

CE

AR

PE

GE

(mm

)

Mean Annual 1961-90 Precipitation KlimAdapt (mm)

200

300

400

500

600

700

200 300 400 500 600 700Me

an

An

nua

l ET

P0

19

61

-90

PR

ES

EN

CE

A

RP

EG

E (m

m)

Mean Annual ETP0 1961-90KlimAdapt (mm)

500

1000

1500

2000

2500

500 1000 1500 2000 2500

Me

an

An

nua

l Pre

cip

itatio

n 1

96

1-9

0

PR

ES

EN

CE

Re

gC

M3

(mm

)

Mean Annual 1961-90 Precipitation KlimAdapt (mm)

200

300

400

500

600

700

200 300 400 500 600 700Me

an

An

nua

l ET

P0

19

61

-90

PR

ES

EN

CE

R

eg

CM

3 (m

m)

Mean Annual ETP0 1961-90KlimAdapt (mm)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 200 400 600 800

Me

an

se

aso

nal r

un

off

19

61

-90

P

RE

SE

NC

E A

RP

EG

E (m

m)

Mean seasonal runoff 1961-90 (observed, mm)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 200 400 600 800

Me

an

se

aso

nal r

un

off

19

61

-90

P

RE

SE

NC

E R

eg

CM

3 (m

m)

Mean seasonal runoff 1961-90 (observed, mm)

23 

4.2. Runoff elasticity 

The analysis of relative runoff change and relative precipitation change generally shows a non‐linear 

relation of these variables (Fig. 19). A clearly matching trend line can be drawn (in Fig. 17 a second‐

order polynomial), but there  is substantial scatter.  In Fig. 20 differences  in temperature change are 

depicted in different colors. The graph reveals that some, but not all of this scatter can be explained 

by the different changes in temperature.   

  

 

Fig. 19: Relative runoff change (ΔQ) in relation to relative precipitation change (ΔP) 

 

 

Fig. 20: Relative runoff change (ΔQ) in relation to relative precipitation change (ΔP) for classes of temperature change (ΔT) 

 

The  same  analysis  for  absolute  values of  runoff  and precipitation  change  (Fig.  21)  shows  a  linear 

relationship and clearer shift of the linear correlations depending on temperature change. Therefore, 

the regression formulations are based on absolute values. The lack of clarity in the relation of relative 

values can be explained by the behavior of dry catchments in the east of Austria. In these areas with 

generally  low  runoff,  small differences  in  absolute  runoff  imply high  relative  changes. Also, water 

‐20%

‐10%

0%

10%

20%

30%

‐5% 0% 5% 10% 15%

ΔQ (%

)

ΔP (%)

‐20%

‐10%

0%

10%

20%

30%

‐5% 0% 5% 10% 15%

ΔQ (%

)

ΔP (%)

3 < dT < +4.15

2 < dT < 3

1 < dT < 2

dT < 1.0

24 

balance  simulations  have  higher  uncertainties  in  these  catchments,  which  can  lead  to  slightly 

different  results  due  to  similar  precipitation  and  temperature  changes  (which  then  mean  high 

relative differences). 

 

Fig. 21: Absolute runoff change (ΔQ) in relation to absolute precipitation change (ΔP) for classes of temperature change (ΔT) 

 

A multiple linear regression with ΔQ as dependent variable and ΔP and ΔT as explanatory variables is 

carried out  including all values  (9  cases: 3 periods  for each of  the 3  scenarios)  in all 188 Austrian 

catchments.  The  regression  yields  a  high  coefficient  of  determination  of  0.91 with  the  following 

equation: 

∆ 0.9893 ∙ ∆ 1.8400 ∙ ∆ 0.0456 

Fig. 22 shows a scatter plot with the original results of runoff change ΔQ of the water balance model 

and the results from this regression model based on the simulation data. There  is a generally good 

agreement, with larger deviations for lower runoff. Including mean catchment elevation as additional 

explanatory variable leads to no significant improvement, with a coefficient of determination of 0.92. 

 

 

Fig. 22: Comparison of results for absolute runoff change (ΔQ) with the water balance model and the regression model based on precipitation and temperature change 

‐20

‐15

‐10

‐5

0

5

10

15

20

‐10 ‐5 0 5 10 15 20ΔQ (m

m)

ΔP (mm)

3 < dT < +4.15

2 < dT < 3

1 < dT < 2

dT < 1.0

‐25 

‐20 

‐15 

‐10 

‐5 

10 

15 

20 

25 

‐25  ‐20  ‐15  ‐10  ‐5  ‐ 5  10  15  20  25 

∆Q (m

m) water balance model

ΔQ (mm)  regression model

Austria (188 catchments)

25 

 

As  the  highest  deviations  of  the  regression model  for  all  Austrian  catchments  occur  for  eastern 

lowland  catchments,  the  procedure  is  rerun  for  alpine  catchments  and  lowland  catchments 

separately.    The  total  188  catchments  are  grouped  into  107  alpine  catchments  and  81  lowland 

catchments, as shown in Fig. 23. The division is based on the main river basins in the water balance 

model, which leads to the inclusion of some partially alpine catchments (as for example the Ybbs and 

Traisen catchments) into the lowland part and vice versa (as for example the Ager catchment).  

Alpine runoff elasticity can be explained with the following equation, yielding a very high coefficient 

of determination of 0.97:  

∆ 1.0264 ∙ ∆ 2.2641 ∙ ∆ 0.0377 

Lowland runoff elasticity is explained with a lower coefficient of determination of 0.86 by: 

∆ 0.8055 ∙ ∆ 1.0067 ∙ ∆ 0.4955 

The scatter plots  in Fig. 24 shows a better  fit along  the  range of change values  in both areas. The 

remaining  overestimated  ΔQ  values  around  ‐10mm  of  the  regression  model  are  all  results  for 

catchments in the South of Austria. This suggests that a more detailed regional division could further 

improve the performance of the regression model based on ΔP and ΔT. 

 

Fig. 23: Division into alpine and lowland catchments 

 

    

Fig. 24: Comparison of results for ΔQ with the water balance model and the regression models for alpine and lowland catchments  

‐25 

‐20 

‐15 

‐10 

‐5 

10 

15 

20 

25 

‐25  ‐20  ‐15  ‐10  ‐5  ‐ 5  10  15  20  25 

ΔQ (m

m) water balan

ce model

ΔQ (mm)  regression model

Alpine (107 catchments)

‐25 

‐20 

‐15 

‐10 

‐5 

10 

15 

20 

25 

‐25  ‐20  ‐15  ‐10  ‐5  ‐ 5  10  15  20  25 

ΔQ (m

m) water balan

ce model

ΔQ  (mm)  regression model

Lowland (81 catchments)

26 

4.3. Spatial patterns of change in local runoff 

The maps in Fig. 25 show the relative change in mean annual runoff of each of the 188 basins of the 

water balance model for the period of 2051‐2080, relative to the mean of 1961‐1990, simulated with 

Aladin‐Arpege and RegCM3 model data.    

 

  

 

Fig. 25: Change in mean annual runoff 2051‐2080 relative to 1961‐1990, simulated with Aladin‐Arpege (top) and RegCM3 (bottom) input data  

27 

For almost the entire Austrian area, results from both models coincide in projecting decreasing mean 

annual runoff. Spatial patterns, however, are distinct  in the two models . While Aladin‐Arpege data 

leads to stronger decreases  in northern and especially north‐eastern Austria, RegCM3 produces the 

most  pronounced  decrease  in  the  south  and  south‐west.  In  some  north‐eastern  areas,  a  small 

increase in mean runoff is expected according to RegCM3.  

A comparison of the results with Aladin‐Arpege and RegCM3 with REMO‐UBA results with the A1B 

emission  scenario  is  possible  for  the  period  of  2061‐2090  (Fig.  26  and  Fig.  27).  There  is  a  clear 

resemblance between RegCM3 and REMO‐UBA results, which can be attributed to the same driving 

GCM, ECHAM5, in both RCMs. Generally, RegCM3 is slightly “drier” than REMO‐UBA.  

 

 

Fig. 26: Change in mean annual runoff 2061‐2090 relative to 1961‐1990, simulated with Aladin‐Arpege (top) and RegCM3 (bottom) input data  

28 

Comparing  the maps of Aladin‐Arpege  and RegCM3  in  Fig. 25  and  Fig. 26  reveals  that  the  spatial 

patterns of the mean change of each model is very similar for these two rather close periods, but the 

general  level  of  mean  runoff  is  higher  in  the  later  period  in  both  models.  This  means  that 

precipitation  is considerably higher  in  the period of 2061‐2090  than  in 2051‐2080, as  temperature 

and  therefore  evapotranspiration  are  also  higher  in  the  later  period.  This  again  underlines  the 

importance of keeping in mind that precipitation in climate model data – like observed precipitation 

–  shows  cyclic  fluctuations  and  that  therefore  the  selection  of  the  periods  for  comparison  has  a 

relevant effect on the results.  

 

 

 

 

 

Fig. 27: Change in mean annual runoff 2061‐2090 relative to 1961‐1990, simulated with REMO‐UBA (from Kranzl et al. 2010) 

 

 

 

Spatial patterns  in  seasonal  runoff  resulting  from Aladin‐Arpege  and RegCM3  are more  similar  to 

each other  (Fig. 28 and Fig. 29). Also  the  results of  the  two periods 2051‐2080 and 2061‐2090 are 

very similar (and the graphs for 2061‐2090 are not shown therefore). The clearest differences can be 

found for autumn and winter, for which RegCM3 shows generally higher runoff than Aladin‐Arpege. 

The seasonal runoff maps of REMO‐UBA (not reproduced here) closely resemble those of RegCM3, 

with a slightly wetter autumn in the RegCM3 results. 

 

29 

 

Fig. 28: Change in mean seasonal runoff 2051‐2090 relative to 1961‐1990 with Aladin‐Arpege  

 

 

Fig. 29: Change in mean seasonal runoff 2051‐2090 relative to 1961‐1990 with RegCM3 

30 

4.4. Changes in river runoff  

4.4.1. Mean runoff 

Results  for  mean  flow  conditions  under  climate  change  depend  on  the  climate  model  and  the 

emission scenario. Fig. 30 shows  the development of  the simulated mean discharge MQsim  for all 

considered  gauges  along  the  three  rivers  Enns,  Mur  and  Drau  (from  upstream,  left,  to 

downstream,right) based on REMO‐UBA data. The mean value of the period 1961‐1990  is regarded 

as reference value for each gauge and has the value 1.  

 

 

 

 

Fig. 30: Development of simulated mean flow (MQsim) through 30‐year periods around 1975, 2025, 2050, and 

2075 for  Enns (top), Mur (middle) and Drau (bottom) with the REMO‐UBA scenarios A1B (left) and A2 (right)  

 

The simulated changes are generally  in the range of +/‐ 10%.   In the second half of the 21st century 

simulated discharges tend to be  lower  in the generally “drier” A1B scenario (left column  in Fig. 30) 

than in the “wetter” A2 scenario (right column in Fig. 30).  Both scenarios, however, show a negative 

0.8

0.9

1

1.1

1.2

Schladming Liezen (Röthelbrücke)

KW Schönau / SB 8_6

Steyr (Ortskai)

Enns ‐ A1B

MQsim 1961‐90 MQsim 2011‐40 MQsim 2036‐65 MQsim 2061‐90

0.8

0.9

1

1.1

1.2

Schladming Liezen (Röthelbrücke)

KW Schönau / SB 8_6

Steyr (Ortskai)

Enns ‐ A2

MQsim 1961‐90 MQsim 2011‐40 MQsim 2036‐65 MQsim 2061‐90

0.8

0.9

1

1.1

1.2

St.Michael i. Lg. (Mur)

Gestüthof St.Georgen ob 

Judenburg

Leoben Bruck an der Mur 

unter Mürz

Friesach Mureck / Spielfeld

Mur ‐ A1B

MQsim 1961‐90 MQsim 2011‐40 MQsim 2036‐65 MQsim 2061‐90

0.8

0.9

1

1.1

1.2

St.Michael i. Lg. (Mur)

Gestüthof St.Georgen ob 

Judenburg

Leoben Bruck an der Mur 

unter Mürz

Friesach Mureck / Spielfeld

Mur ‐ A2

MQsim 1961‐90 MQsim 2011‐40 MQsim 2036‐65 MQsim 2061‐90

0.8

0.9

1

1.1

1.2

Rabland Oberdrauburg Sachsenburg (Brücke)

Villach Lavamünd

Drau ‐ A1B

MQsim 1961‐90 MQsim 2011‐40 MQsim 2036‐65 MQsim 2061‐90

0.8

0.9

1

1.1

1.2

Rabland Oberdrauburg Sachsenburg (Brücke)

Villach Lavamünd

Drau ‐ A2

MQsim 1961‐90 MQsim 2011‐40 MQsim 2036‐65 MQsim 2061‐90

31 

trend  in mean  runoff within  the 21st century  for almost all considered gauges.  In  the A2  scenario, 

mean runoff around 2075 is still higher than around 1975, for Enns and Mur. For the entire Austrian 

Drau basin (analysed at the last gauge in Lavamünd), mean runoff around 2075 is lower than around 

1975  in both scenarios.  In all  three  rivers,  results  for mean  flow are very similar  for all considered 

gauges. 

The comparison of results with the other models for the period 2061‐2090 (Fig. 31) includes the Ager 

river.  It shows that a decrease in mean annual runoff is simulated in all basins with all three climate 

models. For the Enns, REMO‐UBA results are between the higher runoff values of RegCM3 and the 

lower values of Aladin‐Arpege. For  the Mur, RegCM3 and Aladin‐Arpege  show very  similar  results, 

with more pronounced decreases  in mean  flow than with REMO‐UBA. Also  for the Drau, results of 

the  three models are close  to each other, with Aladin‐Arpege data  leading  to slightly higher mean 

runoff.  For  the  Ager,  RegCM3  shows  only  a  very  small  decrease,  Aladin‐Arpege  leads  to  a  high 

reduction in mean runoff of almost 20%.    

   

Fig. 31: Comparison of the ratio of simulated mean flow (MQsim) in the 30‐year periods around 2075 and 1975 

with A1B scenarios of REMO‐UBA (black), RegCM3 (orange) and Aladin‐Arpege (violet) for Enns, Mur, Drau and 

Ager 

 

4.4.2. Analysis for run‐of‐river power plants 

The maps  in  Fig.  32  show  another  graphic  representation  of  the  results  for mean  runoff  for  the 

period of 2061‐1090 with REMO‐UBA data. The value for a river reach is assigned based on the value 

simulated for  its basin outlet gauge. Fig. 34 shows the results for changes  in higher runoff (Q10)  in 

the upper range of possible design flow values. Q10 mostly shows a stronger decrease than MQ (or a 

smaller  increase). This can also be detected  in duration curves (see Fig. 39) and  is a negative effect 

for run‐of‐river hydropower production.         

0.8

0.9

1

1.1

1.2

Schladming Liezen (Röthelbrücke)

KW Schönau / SB 8_6

Steyr (Ortskai)

Enns : A1B ‐ 2061‐90

MQsim 1961‐90 MQsim REMO‐UBA MQsim RegCM3  MQsim Arpege

0.8

0.9

1

1.1

1.2

St.Michael i. Lg. (Mur)

Gestüthof St.Georgen ob 

Judenburg

Leoben Bruck an der Mur 

unter Mürz

Friesach Mureck / Spielfeld

Mur : A1B ‐ 2061‐90

MQsim 1961‐90 MQsim REMO‐UBA MQsim RegCM3  MQsim Arpege

0.8

0.9

1

1.1

1.2

Rabland Oberdrauburg Sachsenburg (Brücke)

Villach Lavamünd

Drau : A1B ‐ 2061‐90

MQsim 1961‐90 MQsim REMO‐UBA MQsim RegCM3  MQsim Arpege

0.8

0.9

1

1.1

1.2

Ager (Schalchham)

Ager : A1B ‐ 2061‐90

MQsim 1961‐90 MQsim REMO‐UBA MQsim RegCM3  MQsim Arpege

32 

 

Fig. 32: Mean runoff (MQ )of 2061‐2090 relative to 1961‐1990 for Enns, Mur and Drau, based on REMO‐UBA scenarios A1B (top) and A2 (bottom) 

 

33 

 

Fig. 33: Q10 of 2061‐2090 relative to 1961‐1990 for Enns, Mur and Drau, based on REMO‐UBA scenarios A1B (top) and A2 (bottom) 

 

34 

4.4.3. Runoff seasonality 

For  seasonal  runoff, expected changes are  rather  independent of  the climate model and  scenario. 

Fig. 34 again compares  results with  the different emission  scenarios of REMO‐UBA,  for  the period 

around 2075. 

 

 

 

  

Fig. 34: Mean monthly runoff in 2061‐90 for the scenarios A1B and A2, compared to 1961‐90, for Enns, Mur and 

Drau  

0

100

200

300

400

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Runoff (m³/s)

Month

Enns

Steyr (Ortskai) 1961‐1990

Steyr (Ortskai) 2061‐90 A1B

Steyr (Ortskai) 2061‐90 A2

Liezen 1961‐1990

Liezen 2061‐90 A1B

Liezen 2061‐90 A2

0

50

100

150

200

250

300

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Runoff (m³/s)

Month

Mur

Mureck / Spielfeld 1961‐1990

Mureck / Spielfeld 2061‐90 A1B

Mureck / Spielfeld 2061‐90 A2

Gestüthof 1961‐1991

Gestüthof 2061‐90 A1B

Gestüthof 2061‐90 A2

0

100

200

300

400

500

600

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Runoff (m

³/s)

Month

Drau

Lavamünd 1961‐1990

Lavamünd 2061‐90 A1B

Lavamünd 2061‐90 A2

Oberdrauburg 1961‐1990

Oberdrauburg 2061‐90 A1B

Oberdrauburg 2061‐90 A1B

35 

 

The generally higher runoff in the A2 scenario is visible also in mean monthly flows, especially for the 

Mur  and  Enns  rivers.  In  both  scenarios,  however,  a  clear  increase  in winter  and  spring  runoff  is 

simulated. Summer and fall runoff is projected to decrease, moderately in scenario A2, substantially 

in scenario A1B. A one‐month shift of the peak  in monthly runoff to earlier occurrence  is simulated 

more consistently for the upstream gauges, for the Drau river also for the downstream gauges. Peaks 

in  spring  are  caused  by  large  snow melt  contributions, which  are  expected  to  occur  earlier  and 

decrease due  to higher  temperatures  and  less  snow precipitation.  The  influence of  these  climate 

change  impacts  is stronger with a higher  relevance of snow processes  for  runoff generation  in  the 

upstream reaches of the investigated alpine rivers. 

These  changes  in  runoff  seasonality  are  also  simulated  by  the  other  two models,  RegCM3  and 

Aladin‐Arpege. Simulated mean monthly  runoff with all  three models  for 2061‐2090, compared  to 

1961‐1990, is shown for the same gauges in  Fig. 35 (Enns), Fig. 36 (Mur) and Fig. 37 (Drau). For the 

Enns, RegCM3 results are very close to REMO‐UBA simulations. For Mur and Drau, they are also very 

similar,  but  RegCM3  shows  a  stronger  decrease  in  summer.  Scenario  runoff  simulated  with 

Aladin‐Arpege data generally exhibits  less pronounced  increases  in winter  than with  the other  two 

models. 

 

 

 

   

Fig. 35: Mean monthly runoff in 2061‐90, with REMO‐UBA (top), RegCM3 (bottom left) and Aladin‐Arpege 

(bottom right), compared to 1961‐90, for two gauges of the river Enns 

 

 

0

100

200

300

400

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Runoff (m

³/s)

Month

Enns

Steyr (Ortskai) 1961‐1990

Steyr (Ortskai) 2061‐90        REMO‐UBA A1B

Liezen 1961‐1990

Liezen 2061‐90 REMO‐UBA A1B

0

100

200

300

400

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Runoff (m³/s)

Month

Enns

Steyr (Ortskai) 1961‐1990 RegCM3

Steyr (Ortskai) 2061‐90 RegCM3

Liezen 1961‐1990 RegCM3

Liezen 2061‐90 RegCM3

0

100

200

300

400

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Runoff (m³/s)

Month

Enns

Steyr (Ortskai) 1961‐1990 Arpege

Steyr (Ortskai) 2061‐90 Arpege

Liezen 1961‐1990 Arpege

Liezen 2061‐90 Arpege

36 

 

  

Fig. 36: Mean monthly runoff in 2061‐90, with REMO‐UBA (top), RegCM3 (bottom left) and Aladin‐Arpege 

(bottom right), compared to 1961‐90, for two gauges of the river Mur 

 

 

   

Fig. 37: Mean monthly runoff in 2061‐90, with REMO‐UBA (top), RegCM3 (bottom left) and Aladin‐Arpege 

(bottom right), compared to 1961‐90, for two gauges of the river Drau 

 

The seasonal distribution of runoff exhibits a generally different behavior on the Ager (Fig. 38), with a 

less pronounced  seasonality and an earlier peak,  in March/April,  resulting  from earlier  snow melt. 

With all  three models decreasing  summer  runoff  is  simulated with  scenario data. The decrease  is 

strongest with Aladin‐Arpege, which again projects no increases in winter runoff and leads to a lower 

peak  in  the  beginning  of  the  year.  In  the  other  two models, winter  discharge  increases. RegCM3 

simulations show a lower peak in March, but no changes in April. With REMO‐UBA, the March/April 

peak is projected to increase.    

0

50

100

150

200

250

300

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Runoff (m³/s)

Month

Mur

Mureck / Spielfeld 1961‐1990

Mureck / Spielfeld 2061‐90          REMO‐UBA A1B

Gestüthof 1961‐1991

Gestüthof 2061‐90 REMO‐UBA A1B

0

50

100

150

200

250

300

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Runoff (m³/s)

Month

Mur

Mureck / Spielfeld 1961‐1990 RegCM3

Mureck / Spielfeld 2061‐90 RegCM3

Gestüthof         1961‐1991 RegCM3

Gestüthof        2061‐60 RegCM3

0

50

100

150

200

250

300

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12Runoff (m³/s)

Month

Mur

Mureck / Spielfeld 1961‐1990 Arpege

Mureck / Spielfeld 2061‐90 Arpege

Gestüthof         1961‐1991 Arpege

Gestüthof        2061‐60 Arpege

0

100

200

300

400

500

600

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Runoff (m³/s)

Month

Drau

Lavamünd 1961‐1990

Lavamünd 2061‐90 REMO‐UBA

Oberdrauburg 1961‐1990

Oberdrauburg 2061‐90 REMO‐UBA

0

100

200

300

400

500

600

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Runoff (m³/s)

Month

Drau

Lavamünd 1961‐1990

Lavamünd 2061‐90 RegCM3

Oberdrauburg 1961‐1990

Oberdrauburg 2061‐90 RegCM3

0

100

200

300

400

500

600

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Runoff (m³/s)

Month

Drau

Lavamünd 1961‐1990

Lavamünd 2061‐90 Arpege

Oberdrauburg 1961‐1990

Oberdrauburg 2061‐90 Arpege

37 

 

 

   

Fig. 38: Mean monthly runoff in 2061‐90, with REMO‐UBA (top), RegCM3 (bottom left) and Aladin‐Arpege 

(bottom right), compared to 1961‐90, for the river Ager 

 

 

4.4.4. Low flow runoff under climate change conditions 

The more balanced seasonal runoff in climate change scenarios generally leads to decreasing slopes 

in the duration curves, as shown in the example graphs of REMO‐UBA simulations for the upstream 

Liezen gauge of the Enns in  Fig. 39.  

 

 

Fig. 39: Development of simulated duration curves through 30‐year periods around 1975, 2025, 2050, and 2075 

for the upstream gauge Liezen of the Enns river    

 

This  implies  rising  low  flow values under  climate  change assumptions  for  the 21st  century. Fig. 40 

shows the development of the three low flow runoff indicators Qmin (mean lowest monthly runoff in 

a year), Q95 (runoff exceeded on 95% of the days) Q90 (runoff exceeded on 90% of the days) for the 

0

10

20

30

40

50

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12Runoff (m³/s)

Month

Ager

REMO‐UBA 2061‐2090

REMO‐UBA 1961‐1990

0

10

20

30

40

50

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Runoff (m³/s)

Month

Ager

RegCM3 1961‐1990

RegCM3 2061‐2090

0

10

20

30

40

50

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Runoff (m³/s)

Month

Ager

Aladin‐Arpege 1961‐1990

Aladin‐Arpege 2061‐2090

10

100

1000

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00

Runoff [m³/s]

Probability of exceedance

Enns A1B (Liezen)

d_Qsim 1961‐1990d_Qsim 2011‐40d_Qsim 2036‐65d_Qsim 2061‐90

10

100

1000

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00

Runoff [m³/s]

Probability of exceedance

Enns A2 (Liezen)

d_Qsim 1961‐90d_Qsim 2011‐40d_Qsim 2036‐65d_Qsim 2061‐90

38 

four considered gauges of the Enns river and REMO‐UBA simulations. Qmin has the highest value of 

these  indicators with a  reference values  for 1961‐90 at Steyr  (Ortskai) of 89m³/s, while Q90 has a 

value  of  80m³/s  and Q95  of  77m³/s.  The  tendencies  of  the  three  indicators  are  analogue  for  all 

gauges,  time  periods  and  scenarios.  The  only  exception  can  be  found  in  the  last  two  periods  at 

Steyr/Ortskai,  where  the  scenario  A2  shows  a  clear  increase  of  runoff  and  A1B  shows  only  a 

moderate  increase for Qmin and Q90 and stable values for Q95. Generally, the changes (increases) 

are higher  in  the upstream gauges. This again can be attributed  to  the stronger  influence of snow 

processes  on  the  runoff  regime,  which  are  altered  by  increasing  temperature.  The  higher 

precipitation in the A2 scenario leads to generally higher values of low flow runoff. 

 

 

 

 

Fig. 40: Development of simulated values of Qmin (upper row),Q90 (middle row) and Q95 (bottom row) through 

30‐year periods around 1975, 2025, 2050, and 2075 for the Enns river    

 

 

 

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

Schladming Liezen (Röthelbrücke)

KW Schönau / SB 8_6

Steyr (Ortskai)

Enns ‐ A1B

Qmin,sim 1961‐90 Qmin,sim 2011‐40 Qmin,sim 2036‐65 Qmin,sim 2061‐90

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

Schladming Liezen (Röthelbrücke)

KW Schönau / SB 8_6

Steyr (Ortskai)

Enns ‐ A2

Qmin,sim 1961‐90 Qmin,sim 2011‐40 Qmin,sim 2036‐65 Qmin,sim 2061‐90

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

Schladming Liezen (Röthelbrücke)

KW Schönau / SB 8_6

Steyr (Ortskai)

Enns ‐ A1B

Q90(d) 1961‐1990 Q90(d) 2011‐40 Q90(d) 2036‐65 Q90(d) 2061‐90

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

Schladming Liezen (Röthelbrücke)

KW Schönau / SB 8_6

Steyr (Ortskai)

Enns ‐ A2

Q90(d) 1961‐90 Q90(d) 2011‐40 Q90(d) 2036‐65 Q90(d) 2061‐90

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

Schladming Liezen (Röthelbrücke)

KW Schönau / SB 8_6

Steyr (Ortskai)

Enns ‐ A1B

Q95(d) 1961‐1990 Q95(d) 2011‐40 Q95(d) 2036‐65 Q95(d) 2061‐90

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

Schladming Liezen (Röthelbrücke)

KW Schönau / SB 8_6

Steyr (Ortskai)

Enns ‐ A2

Q95(d) 1961‐90 Q95(d) 2011‐40 Q95(d) 2036‐65 Q95(d) 2061‐90

39 

Due to the comparable tendencies in all three indicators, only Qmin is shown for the comparison of 

A1B and A2 scenarios of REMO‐UBA for the rivers Mur (Fig. 42) and Drau  (Fig. 41). For both rivers we 

again see increasing low flow runoff for all gauges and both scenarios, in almost all time periods, but 

consistently for the second half of the 21st century. In the A2 scenario the increase is slightly higher 

than in the A1B scenario, again. For the Mur, like for the Enns, the changes are more pronounced in 

the  more  alpine  upper  reaches.  For  the  Drau,  there  are  almost  no  differences  between  the 

projections for the different gauges. 

 

 

Fig. 41: Development of simulated values of Qmin through 30‐year periods around 1975, 2025, 2050, and 2075 

for the Mur river 

 

 

Fig. 42: Development of simulated values of Qmin through 30‐year periods around 1975, 2025, 2050, and 2075 

for the Drau river 

 

The  comparison  between  results  for Qmin with  different  climate models  for  2061‐2090  (Fig.  43) 

reveals larger discrepancies. In this analysis, the Ager basin is included again.  

For  the  Enns  (Fig.  43,  top  left),  RegCM3  shows  even  larger  increases  in  low  flow  runoff  than 

REMO‐UBA.  With  Aladin‐Arpege,  low  flow  runoff  increase  only  marginally,  and  for  the  most 

downstream  gauge  even  a  slight  decrease  is  expected.  In  scenarios with  all  three models more 

pronounced changes are simulated for the more headwater reaches. 

Lower  low  flow runoff with Aladin‐Arpege than with the other two models  is also simulated  in the 

other analysed basins. This can be connected with the  less pronounced  increase  in winter runoff  in 

the basins with alpine  influence with  this model  (as shown  in Fig. 35, Fig. 36, Fig. 37), as  low  flow 

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

St.Michael i. Lg. (Mur)

Gestüthof St.Georgen ob 

Judenburg

Leoben Bruck an der Mur 

unter Mürz

Friesach Mureck / Spielfeld

Mur ‐ A1B

Qmin,sim 1961‐90 Qmin,sim 2011‐40 Qmin,sim 2036‐65 Qmin,sim 2061‐90

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

St.Michael i. Lg. (Mur)

Gestüthof St.Georgen ob 

Judenburg

Leoben Bruck an der Mur 

unter Mürz

Friesach Mureck / Spielfeld

Mur ‐ A2

Qmin,sim 1961‐90 Qmin,sim 2011‐40 Qmin,sim 2036‐65 Qmin,sim 2061‐90

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

Rabland Oberdrauburg Sachsenburg (Brücke)

Villach Lavamünd

Drau ‐ A1B

Qmin,sim 1961‐90 Qmin,sim 2011‐40 Qmin,sim 2036‐65 Qmin,sim 2061‐90

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

Rabland Oberdrauburg Sachsenburg (Brücke)

Villach Lavamünd

Drau ‐ A2

Qmin,sim 1961‐90 Qmin,sim 2011‐40 Qmin,sim 2036‐65 Qmin,sim 2061‐90

40 

mainly  occurs  in winter  in  these  rivers.  But  also  for  the  Ager, where  low  flow  occurs mainly  in 

autumn, Aladin‐Arpege results in the lowest low flow runoff of all models.  

For the Mur (Fig. 43, top right), this leads to low flow scenario simulations with Aladin‐Arpege below 

the reference values  for 1961‐1990  for all but  the most upstream gauge. With RegCM3,  increasing 

low  flow runoff  is projected, but  less pronounced  than with REMO‐UBA. The gradient of simulated 

change along  the  river  length  is visible  in  results with REMO‐UBA and Aladin‐Arpege, but not with 

RegCM3.  

For the Drau (Fig. 43, bottom  left), results for changes  in  low flow with RegCM3 and Aladin‐Arpege 

are very similar and are markedly smaller than with REMO‐UBA. Aladin‐Arpege leads to practically no 

changes,  except  for  the most downstream  gauge  a  slight  increase  is  expected. RegCM3  generally 

simulates small increases in Qmin. Here, results are similar for all gauges along the river length in all 

models. 

For  the Ager  (Fig. 43, bottom right), all models simulate a decrease  in  low  flow runoff. REMO‐UBA 

and Aladin‐Arpege both result in strong reductions of around 30%, while RegCM3 shows a moderate 

decrease of less than 10%.  

 

   

Fig. 43: Comparison of the ratio of simulated low flow (Qmin) in the 30‐year periods around 2075 and 1975 with 

A1B scenarios of REMO‐UBA (black), RegCM3 (orange) and Aladin‐Arpege (violet) for Enns, Mur, Drau and Ager 

 

4.4.5. Low flow runoff for shorter periods than a month: Mean annual 7‐day minimum 

flow 

For the rivers Mur, Drau and Enns a very close  linear relation between the average  lowest monthly 

runoff of a year(Qmin) and mean annual 7‐day minimum flow (MAM7) is shown (Fig. 44). Each point 

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

Schladming Liezen (Röthelbrücke)

KW Schönau / SB 8_6

Steyr (Ortskai)

Enns : A1B ‐ 2061‐90

Qmin,sim 1961‐90 Qmin,sim REMO‐UBA Qmin,sim RegCM3  Qmin,sim Arpege

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

St.Michael i. Lg. (Mur)

Gestüthof St.Georgen ob 

Judenburg

Leoben Bruck an der Mur 

unter Mürz

Friesach Mureck / Spielfeld

Mur : A1B ‐ 2061‐90

Qmin,sim 1961‐90 Qmin,sim REMO‐UBA Qmin,sim RegCM3  Qmin,sim Arpege

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

Rabland Oberdrauburg Sachsenburg (Brücke)

Villach Lavamünd

Drau : A1B ‐ 2061‐90

Qmin,sim 1961‐90 Qmin,sim REMO‐UBA Qmin,sim RegCM3  Qmin,sim Arpege

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

Ager (Schalchham)

Ager : A1B ‐ 2061‐90

Qmin,sim 1961‐90 Qmin,sim REMO‐UBA Qmin,sim RegCM3  Qmin,sim Arpege

41 

in the plots in Fig. 44 represents a gauge. For the Drau and the Enns, the upstream gauges with lower 

runoff show Qmin values slightly closer to MAM7 than the most downstream gauge. At the Mur no 

such differences are recognizable. For Enns and Drau rivers, tests show that polynomial expressions 

fit even better, but  they are not  shown, as  linear  relations already exhibit a very good  fit and are 

applicable to all three rivers. The ratio Qmin/ MAM7 exhibits values around 1.2 for all three rivers. 

With these factors (also shown in Fig. 44), MAM7 values can be deducted from Qmin. The calculated 

relations are valid for the analysed rivers and  long term means of Qmin and MAM7. As the factors 

show  similar  values,  the  use  of  values  in  their  range  for  other  larger  Austrian  rivers with  alpine 

influence seems justifiable.  

Fig. 45 shows scatter plots of each year’s Qmin and the respective 7‐day minimum flow for gauges 

with long observed time series of the three rivers. The scatter around the trend line is larger than for 

the long term mean values of different gauges along the river (in Fig. 44), especially for Steyr/Ortskai 

at  the  Enns.  However,  there  are  still  strong  linear  relations  in  all  investigated  time  series.  The 

calculation of individual years’ 7‐day low flow from Qmin is therefore also possible. For the analysed 

Mur and Drau gauges, the ratio is slightly below the values for long term values for the entire river, 

which can be attributed to the fact that the gauges are upstream gauges, with long term means also 

below the trend line for the entire river.  

 

    

Fig. 44: Relation between long term mean annual 7‐day minimum flow (MAM7) and mean lowest annual monthly runoff (Qmin) for different gauges along the rivers Enns (left), Mur (middle) and Drau (right) 

 

 

     

Fig. 45: Relation between annual 7‐day minimum flow  ( AM7 ) and lowest annual monthly runoff (Qmin) for time series of selected gauges of  the rivers Enns (left), Mur (middle) and Drau (right) 

 

y = 1.2253xR² = 0.9989

0

20

40

60

80

0 20 40 60 80

Qmin (m

³/s)

MAM7 (m³/s)

Enns

y = 1.2284xR² = 0.9978

0

20

40

60

80

0 20 40 60 80

Qmin (m

³/s)

MAM7 (m³/s)

Mur

y = 1.1727xR² = 0.9929

0

20

40

60

0 20 40 60

Qmin (m

³/s)

MAM7 (m³/s)

Drau

y = 1.2346xR² = 0.7279

40

60

80

100

120

40 60 80 100 120

Qmin (m

³/s)

AM7 (m³/s)

Enns (Steyr/Ortskai)

y = 1.1732xR² = 0.904

10

20

30

40

50

10 20 30 40 50

Qmin (m

³/s)

AM7 (m³/s)

Mur (Leoben)

y = 1.0661xR² = 0.9519

10

20

30

10 20 30

Qmin (m

³/s)

AM7 (m³/s)

Drau (Sachsenburg)

42 

4.4.6. Time of occurrence of low flow periods 

Temporal patterns of the occurrence of low flow periods are shown only for REMO‐UBA simulations. 

Scenario simulations with input data of the other models generally show the same trends.   For each 

calendar month  it  is counted how  frequently this month exhibits the  lowest annual runoff. For the 

reference  period  of  1961‐90,  this  analysis  shows  that  low  flow mostly  occurs  in  the months  of 

December, January and February, for all three rivers along their entire Austrian reaches. The relative 

frequencies of this period are depicted in blue in the upper part of the graphs in Fig. 46 to Fig. 47. Fig. 

46 shows results for the period of 2061‐90 for a more upstream and the most downstream gauge of 

the  Enns  river,  for  both  considered  scenarios. A  shift  of  the  occurrence  of  low  flow  from winter 

months to fall can be seen clearly. Results for the two scenarios are very similar. The temporal shift, 

which  leads  to  a more  even  distribution  of  low  flow  periods  over  the  year,  is  also  very  similar 

upstream and downstream, but slightly more pronounced at the downstream Enns gauge.     

 

   

   

Fig. 46: Relative frequencies of the occurrence of the lowest annual runoff in each calendar month, for the 30‐

year periods around 1975 (blue, upper part of graphs) and 2075 (lower part) for two gauges of the Enns river 

 

Also  for  the Mur and Drau  rivers,  the projected changes are very similar along  the entire Austrian 

reaches,  but most  pronounced  at  the most  downstream  gauges, which  are  therefore  exemplarily 

shown  in Fig. 47. Again, a clear shift from almost exclusively winter  low flow to fall and winter  low 

flow is simulated for both climate change scenarios. 

At the Ager,  low flow periods occur throughout the year  in the 20th century, but most frequently  in 

autumn. Also here, a shift to earlier months is simulated in the scenario simulations with REMO‐UBA, 

leading to a distribution with almost no low flow periods in winter  and spring and a marked increase 

of low flow periods in summer. 

0.0

0.5

1.0

1.50.0

0.5

1.0

1.5

9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8

Relative

 frequency (/)

Relative

 frequency (/)

Month

Enns A1B (Liezen) 2061 ‐ 90 1961 ‐ 90

0.0

0.5

1.0

1.50.0

0.5

1.0

1.5

9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8

Relative

 frequency (/)

Relative

 frequency (/)

Month

Enns A1B (Steyr/Ortskai) 2061 ‐ 90 1961 ‐ 90

0.0

0.5

1.0

1.50.0

0.5

1.0

1.5

9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8

Relative

 frequency (/)

Relative

 frequency (/)

Month

Enns A2 (Liezen) 2061 ‐ 90 1961 ‐ 90

0.0

0.5

1.0

1.50.0

0.5

1.0

1.5

9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8

Relative

 frequency (/)

Relative

 frequency (/)

Month

Enns A2 (Steyr/Ortskai) 2061 ‐ 90 1961 ‐ 90

43 

 

 

Fig. 47: Relative frequencies of the occurrence of the lowest annual runoff in each calendar month, for the 30‐

year periods around 1975 and 2075 for the most downstream gauges of the Mur and Drau rivers 

   

 

Fig. 48: Relative frequencies of the occurrence of the lowest annual runoff in each calendar month, for the 30‐

year periods around 1975 and 2075 for the Ager rivers 

 

 

4.4.7. Low flow duration under climate change conditions 

The run lengths of low flow periods, defined as months with discharge below Q90 of the respective 

30‐year period, is assessed for the Enns and Drau rivers. The skewness measures g of the run length 

distributions  (Fig. 49) exhibit  increases  in  the scenario simulations of both basins with REMO‐UBA, 

because higher values of run length of 5 to 7 months occur (the highest value in the reference period 

is 4 months). These high values occur only one  to  two  times  in 30 years. Within  the 21st  century, 

there  is a decreasing  tendency of g  for both REMO‐UBA  scenarios  for  the Enns. For  the Drau,  the 

REMO‐UBA A1B and the RegCM3 scenarios also exhibit this decreasing trend within the 21st century, 

0.0

0.5

1.0

1.50.0

0.5

1.0

1.5

9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8

Relative

 frequency (/)

Relative

 frequency (/)

Month

Mur A1B (Mureck/Spielfeld) 2061 ‐ 90 1961 ‐ 90

0.0

0.5

1.0

1.50.0

0.5

1.0

1.5

9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8

Relative

 frequency (/)

Relative

 frequency (/)

Month

Mur A2 (Mureck/Spielfeld) 2061 ‐ 90 1961 ‐ 90

0.0

0.5

1.0

1.50.0

0.5

1.0

1.5

9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8

Relative

 frequency (/)

Relative

 frequency (/)

Month

Drau A1B (Lavamünd) 2061‐90 1961 ‐ 90

0.0

0.5

1.0

1.50.0

0.5

1.0

1.5

9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8

Relative

 frequency (/)

Relative

 frequency (/)

Month

Drau A2 (Lavamünd) 2061 ‐ 90 1961 ‐ 90

0.0

0.5

1.0

1.50.0

0.5

1.0

1.5

9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8

Relative

 frequency (/)

Relative

 frequency (/)

Month

Ager A1B  2061 ‐ 90 1961‐1990

44 

but REMO‐UBA A2  and Aladin‐Arpege  show  an  increasing development, with  very high  values  for 

2061‐2090  for  Aladin‐Arpege  which  result  from  one  9 month  run  below  Q90.  RegCM3  scenario 

results are generally below the values of the reference period in the 20th century. 

 For RegCM3 and Aladin‐Arpege, the 1961‐1990 simulations for the Drau result from climate model 

control run data. They can be compared to the results for 1961‐1990 in the REMO‐UBA graph, which 

are calculated with observed  input data. Both  results with model control  run  input, but especially 

RegCM3 results, show higher g measures than the simulations based on observations. For RegCM3, 

the difference  from  simulations with observations as  input  is  in  the  range of  the  change between 

control run and scenario run. The simulations based on climate model data do not reproduce well 

the  persistence  behavior  of monthly  runoff  below Q90  (in  contrast  to  the  persistence  of  annual 

runoff below the median, which is reproduced satisfactorily). 

  

  

   

 Fig. 49: Skewness measure g of the frequency distributions of run length below Q90 in the 30‐year periods 

around 1975 and 2075 for the most downstream gauges of the Enns(top) and Drau(bottom) rivers, simulated 

with REMO‐UBA A1B and A2 scenarios (left) and Aladin‐Arpege and RegCM3 scenario (right, both A1B)   

 

Generally, the changes  in  low flow persistence projected by the different models and scenarios are 

rather  small  – with  the  exception of Aladin‐Arpege  –  and  even differ  in  the  sign of  the  expected 

change.  Simulations  with  climate  model  control  runs  show  deficiencies  in  reproducing  monthly 

persistence behavior. Also,  as  the  low  flow periods  leading  to  low monthly  runoff  in  reality have 

shorter durations  than a month,  the analysis on  the base of monthly  runoff can only give hints of 

changes  in low flow duration. In total, no clear conclusion can be drawn concerning the duration of 

low flow periods under climate change conditions. 

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

1961‐90 2011‐2040 2036‐2065 2061‐2090

Skewness g of Run Len

ght below  Q

90 

(months)

Enns (Steyr/Ortskai) 

A1B

A2

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

1961‐90 2011‐2040 2036‐2065 2061‐2090

Skewness of Run Len

ght below  Q

90 

(months)

Drau (Lavamünd) 

A1B

A2

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

1961‐90 2011‐2040 2036‐2065 2061‐2090

Skewness of Run Len

ght below  Q

90 

(months)

Drau (Lavamünd) 

Aladin‐Arpege

RegCM3

45 

4.4.8. Long‐term persistence and periodicity in simulated runoff time series 

Observed run lengths and simulations based on observed input data 

Fig. 50 shows observed time series of annual runoff (in blue) and water balance model simulations 

driven  by  observed  meteorological  data  (in  red).  The  visual  comparison  of  both  the  absolute 

numbers  (above) and  the differences  to  the median of  the  respective  time series  (below) shows a 

very good agreement. In the graphs that show the difference of each man annual Q to the median of 

the entire series, the division into runs above and below the median is clearly visible. The comparison 

of the resulting distributions of run  length below the median (Fig. 51) shows some differences. The 

skewness measure g amounts to 5.8 for the observation and 7.1 for the simulation.    

 

 

 

Fig. 50: Time series of annual runoff of the Enns at Steyr/Ortskai, observed (blue) and simulated with observed input data (red), above, and shown as difference to the median Q of the respective time series (below)   

 

   

Fig. 51: Distribution of run lengths for the Enns, resulting from the time series in Fig. 50 

 

0

50

100

150

200

250

300

1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995

mean

 annual Q

 (m³/s)

Year

Qobs

Qsim

‐80

‐60

‐40

‐20

0

20

40

60

80

1965

1967

1969

1971

1973

1975

1977

1979

1981

1983

1985

1987

1989

1991

1993

1995

1997

1999

Mean

 annual Q

 ‐Median Q

 (m³/s)

Year

‐80

‐60

‐40

‐20

0

20

40

60

80

1965

1967

1969

1971

1973

1975

1977

1979

1981

1983

1985

1987

1989

1991

1993

1995

1997

1999

Mean

 annual Q

 ‐Median Q

 (m³/s)

Year

0

2

4

6

8

10

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Frequency

Run Length below the Median  (Years)

Enns  Qobs (35y:1965‐1999)

0

2

4

6

8

10

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Frequency

Run Length below the Median  (Years)

Enns  Qsim (35y:1965‐1999)

46 

Differences  between  run  length  distributions  of  observed  and  simulated  time  series  can  also  be 

found  in  the  results  for  the  Drau  (Fig.  52,  for  the  upstream  gauge  Sachsenburg,  as  no  long 

observation series is available for Lavamünd, the most downstream gauge in Austria). The skewness 

measure g is 3.7 for the observed time series and 5.5 for the simulated time series.  

 

 

Fig. 52: Distribution of run lengths for the Drau (at Sachsenburg) 

 

 

 Scenario run length  

Time  series of mean annual  runoff below and above  the median of  the  respective period and  the 

resulting run  length distributions are shown for the periods of 2002‐2049 and 2043‐2090  in Fig. 53 

for  the  Enns.  Fig.  54  shows  only  the  run  length  distributions  for  the Drau  (where  results  for  the 

simulations for the 20th century are included, as they were not shown above.) 

The A1B Enns time series for 2043‐2090 shows a behavior remarkably different from the 20th century 

time series driven by observations  (Fig. 53,  top  right). This  is  reflected  in  the occurrence of a very 

high run of seven years (Fig. 53, top right) and  in a resulting  increase  in g to 11.1 (Fig. 55,  left). The 

earlier  scenario period  is  similar  to  the  reference  run  in  the  20th  century.  The Drau  at  Lavamünd 

already exhibits more higher  run  lengths  in  the  simulation driven by observed  input data  (Fig. 54, 

top).  Here  we  see  an  increase  in  the  maximum  run  length  already  for  2002‐2049  and  very 

pronounced  in  2043‐2090,  where  a  very  long  run  below  the  median  of  10  years  occurs  (Fig. 

54,bottom).  Corresponding  to  this,  the  skewness measure  g  increases  drastically  to  26.6  (Fig.  55, 

left). In Fig. 55, also the results for the A2 emission scenario are shown. In these simulations, there is 

generally no large change in the distribution of ruin lengths. For the Enns, we see a slight decrease of 

g for 2002‐2049, and the value of 7.5 for 2043‐2090 is very close to the value of 6.9 of the reference 

simulations for the 20th century. For the Drau, g decreases in both scenario periods, from 9.8 in the 

reference to 4.4 for 2043‐2090.  

 

 

0

2

4

6

8

10

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12

Frequency

Run Length below the Median  (Years)

Drau (Sachsenburg)  Qobs (48y:1952‐1999)

0

2

4

6

8

10

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12

Frequency

Run Length below the Median  (Years)

Drau (Sachsenburg)  Qsim (48y:1952‐1999)

47 

   

    

Fig. 53: Difference between mean annual runoff and the median for the respective period for 2002‐2043 (left) and 2049‐2090 (right), above; resulting distributions of run lengths, below; REMO‐UBA A1B for the Enns at Styr/Ortskai 

  

    

Fig. 54: Distribution of run lengths in simulated runoff for the periods of 1952‐1999, (top left, blue) and 2002‐2049 (bottom left) and 2043‐2090 (bottom right); REMO‐UBA A1B  for the Drau at Lavamünd 

 

‐80

‐60

‐40

‐20

0

20

40

60

80

2002

2004

2006

2008

2010

2012

2014

2016

2018

2020

2022

2024

2026

2028

2030

2032

2034

2036

2038

2040

2042

2044

2046

2048

Mean

 annual Q

 ‐Median Q

 (m³/s)

Year

‐80

‐60

‐40

‐20

0

20

40

60

80

2043

2045

2047

2049

2051

2053

2055

2057

2059

2061

2063

2065

2067

2069

2071

2073

2075

2077

2079

2081

2083

2085

2087

2089

Mean

 annual Q

 ‐Median Q

 (m³/s)

Year

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Frequency

Run Length below the Median  (Years)

Enns  Qsim (48y: 2002‐49)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Frequency

Run Length below the Median  (Years)

Enns  Qsim (48y: 2043‐90)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Frequency

Run Length below the Median  (Years)

Drau (Lavamünd)  Qsim (48y: 1952‐99)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Frequency

Run Length below the Median  (Years)

Drau (Lavamünd) Qsim (48y: 2002‐49)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Frequency

Run Length below the Median  (Years)

Drau (Lavamünd) Qsim (48y: 2043‐90)

48 

   

Fig. 55: Skewness measure g for the distributions of run lengths in simulated runoff for the periods of 1952‐1999 (blue) and 2002‐2049 and 2043‐2090 (REMO‐UBA, black: A1B, red: A2), for the Enns (left) and the Drau (right) 

 

In  the  analysis  of water  balance  simulations  driven  by  Aladin‐Arpege  and  RegCM3  climate  data, 

results with control run data can be included.  Fig. 56 shows the two control run simulations for the 

Drau (depicted as the difference between mean annual Q and the median of the entire period). It is 

clearly visible, that the sequences are different  in the two simulations, resulting from different and 

random “weather”  in each model  (only  the  long  term means are expected  to be  the same or very 

similar). The amplitudes are markedly higher in the simulations driven by Aladin‐Arpege data (Fig. 56, 

left)  than  in  the  RegCM3  results  (Fig.  56,  right).  The  resulting  values  of  g  of  the  run  length 

distributions (Fig. 57), however, are close to each other (11.1 for Aladin‐Arpege and 9.8 for RegCM3) 

and also very  close  to  the  simulations driven by observed  climate data  (9.8). This means  that  the 

water  balance  simulations  driven  by  climate model  control  run  data  generally  show  a  long‐term 

persistence behavior in accordance with observations and simulations with observed climate data.    

 

 

 

Fig. 56: Mean annual runoff time series (mean annual Q ‐ median Q of the entire period) for the simulations with control run climate model data for Aladin‐Arpege (left) and RegCM3 (right).  

 

 

The distributions of run  lengths  in the scenario simulations of the two models, as described by the 

value of g (Fig. 57), are also rather close to each other. For the period of 2002‐2049, they both show 

a decline of g, which  is  in contrast to the slight  increase  in the REMO‐UBA A1B simulations. For the 

more distant period of 2043‐2090, with a stronger climate change signal, they both show an increase 

0

5

10

15

20

25

30

1952‐1999 2002‐2049 2043‐2090

Skewness of Run Lenght below  M

edian 

Enns (Steyr/Ortskai) 

A1B

A2

0

5

10

15

20

25

30

1952‐1999 2002‐2049 2043‐2090

Skewness of Run Lenght below  M

edian 

Drau (Lavamünd) 

A1B

A2

‐100

‐80

‐60

‐40

‐20

0

20

40

60

80

100

1952

1954

1956

1958

1960

1962

1964

1966

1968

1970

1972

1974

1976

1978

1980

1982

1984

1986

1988

1990

1992

1994

1996

1998

Mean

 annual Q

 ‐Median Q

 (m³/s)

Year

‐100

‐80

‐60

‐40

‐20

0

20

40

60

80

100

1952

1954

1956

1958

1960

1962

1964

1966

1968

1970

1972

1974

1976

1978

1980

1982

1984

1986

1988

1990

1992

1994

1996

1998

Mean

 annual Q

 ‐Median Q

 (m³/s)

Year

49 

in g, as in the REMO‐UBA model, but markedly less pronounced. This generally consistent behavior of 

all  three  models  with  the  A1B  scenario  indicates  that  the  change  towards  longer  periods  of 

persistence  in annual runoff might be attributed to the effects of climate change. Also the fact that 

the  simulations  with  control  run  data  do  not  exhibit  higher  run  lengths  than  those  driven  by 

observations  suggests  that  the  different  run  length  distribution  in  the  distant  future  scenario 

simulations are not just climate model artefacts. However, the change simulated with these models 

is much smaller than that projected with REMO‐UBA, for which control run results are not available.    

 

 

Fig. 57: Skewness measure g for the distributions of run lengths in simulated runoff for the periods of 1952‐1999, 2002‐2049 and 2043‐2090 (Aladin‐Arpege: violet, RegCM3: orange, both A1B) 

 

 

Autocorrelation of mean annual runoff 

The  following graphs  show  the autocorrelation plots  for  the analysed 48‐year  time  series of mean 

annual  runoff.  Autocorrelation  coefficients  for  increasing  lags  of  up  to  24  years  are  shown.  The 

sequence  of  autocorrelation  coefficients  in  runoff  time  series  simulated  with  observed 

meteorological  input shows considerable differences between  the Enns  (Fig. 58,  top) and  the Drau 

(Fig. 59, top). The Enns data has the strongest negative autocorrelation for 3 and 6 years and a peak 

of positive autocorrelation for 8 years. A cyclic alternation of positive and negative autocorrelation 

periods is visible. The Drau shows no such longer periods of alternating autocorrelation. High positive 

coefficients are detected for 2, 5, 7 and 12 years, less pronounced negative peaks in autocorrelation 

for 9 and 11 years.    

The  results  for  the  A1B  scenario  simulations  (Fig.  58  and  Fig.  59, middle  row)  exhibit markedly 

different  patterns  of  autocorrelation.  For  the  period  of  2002‐2049,  higher  peaks  of  especially 

negative autocorrelation are reached for both rivers. For the Enns, these highest values occur for lags 

of  7‐9  years  (Fig.  58, middle  left).  For  the  Drau,  they  occur  for  lags  of  4  and  10‐11  years.  The 

autocorrelation plot for 2002‐2049 for the Drau (Fig. 59, middle  left) also shows very distinct cyclic 

fluctuations of positive and negative autocorrelation. For the period of 2043‐2090, the Drau (Fig. 59, 

middle right) results do not exhibit such a remarkable periodicity, but very  long periods of positive 

autocorrelation (1‐7 years) and negative autocorrelation (8‐15, with just one exception at a lag of 10 

years). Like the drastic change in the run length distribution presented above, this shows a significant 

change  in  long  term  persistence  characteristics  of  the  runoff  time  series,  as  the  20th  century 

simulations exhibit very short periods of autocorrelation coefficients with the same sign. This change 

0

5

10

15

20

25

30

1952‐1999 2002‐2049 2043‐2090

Skewness of Run Lenght below  M

edian 

(Years)

Drau (Lavamünd) 

Aladin‐Arpege

RegCM3

50 

is even more obvious  in  the A1B autocorrelation plot  for 2043‐2090  for  the Enns  (Fig. 58, middle 

right), where positive autocorrelations are found for lags of 1‐7 years (with very high coefficients for 

1‐3  years  and  one  exception  with  low  negative  autocorrelation  for  5  years)  and  a  series  of  14 

negative coefficients for lags of 11‐24 years. 

The results for the simulations with A2 data do not show any clear trend for the Enns (Fig. 58, bottom 

row), which corresponds with the almost unchanged values of g of the run length distributions (Fig. 

55, left). For the Drau (Fig. 59, bottom row), there is rather a decrease in autocorrelation coefficients, 

especially for the period of 2043‐2090. This also matches the decrease of g of run length distributions 

(Fig. 55, right). 

In the simulations with control run data of the models Aladin‐Arpege (Fig. 60, top) and RegCM3 (Fig. 

61,  top)  we  can  see  distinct  patterns  of  autocorrelation  coefficients  for  increasing  lags,  but  a 

generally similar periodicity  in changing signs. Aladin‐Arpege shows one distinct negative peak at a 

lag of 3 years, RegCM3 a value of comparable magnitude at a lag of 5 years. 

 

 

 

 

 

   

Fig. 58: Autocorrelation plots for the Enns; simulations for 1952‐1999 driven by observations (top), driven by REMO‐UBA A1B data for 2002‐2049 (middle left) and for 2043‐2090 (middle right), and driven by REMO‐UBA A2 data for 2002‐2049 (bottom left) and for 2043‐2090 (bottem right) 

‐0.5

‐0.4

‐0.3

‐0.2

‐0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

1 6 11 16 21

k (autocorrelation)

Lag (Years)

1952‐1990

‐0.5

‐0.4

‐0.3

‐0.2

‐0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

1 6 11 16 21

k (autocorrelation)

Lag (Years)

2002‐2049‐0.5

‐0.4

‐0.3

‐0.2

‐0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

1 6 11 16 21

k (autocorrelation)

Lag (Years)

2043‐2090

‐0.5

‐0.4

‐0.3

‐0.2

‐0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

1 6 11 16 21

k (autocorrelation)

Lag (Years)

2002‐2049‐0.5

‐0.4

‐0.3

‐0.2

‐0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

1 6 11 16 21

k (autocorrelation)

Lag (Years)

2043‐2090

51 

 

 

 

Fig. 59: Autocorrelation plots for the Drau; simulations for 1952‐1999 driven by observations (top), driven by REMO‐UBA A1B data for 2002‐2049 (middle left) and for 2043‐2090 (middle right), and driven by REMO‐UBA A2 data for 2002‐2049 (bottom left) and for 2043‐2090 (bottem right) 

 

 

  

   

Fig. 60: Autocorrelation plots for the Drau with Aladin‐Arpege; simulations for 1952‐1999 (top), for 2002‐2049 (bottom left) and for 2043‐2090 (bottem right) 

‐0.5

‐0.4

‐0.3

‐0.2

‐0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

1 6 11 16 21

k (autocorrelation)

Lag (Years)

1952‐1990

‐0.5

‐0.4

‐0.3

‐0.2

‐0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

1 6 11 16 21

k (autocorrelation)

Lag (Years)

2002‐2049‐0.5

‐0.4

‐0.3

‐0.2

‐0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

1 6 11 16 21

k (autocorrelation)

Lag (Years)

2043‐2090

‐0.5

‐0.4

‐0.3

‐0.2

‐0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

1 6 11 16 21

k (autocorrelation)

Lag (Years)

2002‐2049‐0.5

‐0.4

‐0.3

‐0.2

‐0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

1 6 11 16 21

k (autocorrelation)

Lag (Years)

2043‐2090

‐0.5

‐0.4

‐0.3

‐0.2

‐0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

1 6 11 16 21

k (autocorrelation)

Lag (Years)

1952‐1990

‐0.5

‐0.4

‐0.3

‐0.2

‐0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

1 6 11 16 21

k (autocorrelation)

Lag (Years)

2002‐2049‐0.5

‐0.4

‐0.3

‐0.2

‐0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

1 6 11 16 21

k (autocorrelation)

Lag (Years)

2043‐2090

52 

  

 

Fig. 61: Autocorrelation plots for the Drau with RegCM3; simulations for 1952‐1999 (top), for 2002‐2049 (bottom left) and for 2043‐2090 (bottem right) 

 

The simulations for the period of 2002‐2049 (Fig. 60 and Fig. 61, bottom  left) show autocorrelation 

coefficients  lower  than  in  the  control  run  simulations  for  both models, which  corresponds with 

decreasing g of the run length distributions (Fig. 57). The increasing values of the coefficients and the 

more  pronounced  periodicity  in  the  period  of  2043‐2090  is  better  visible  in  the  Aladin‐Arpege 

simulations  (Fig.  60,  bottom  right)  than  in  those  of  RegCM3  (Fig.  61,  bottom  right).  This  also 

corresponds  with  the  more  pronounced  increase  in  the  g  value  of  run  length  distributions  for 

Aladin‐Arpege (Fig. 57).  

4.5. Alpine reservoirs 

For all  three considered  reservoir  systems  the development of  runoff and precipitation,  liquid and 

solid precipitation portions, snow accumulation and snow melt and the runoff contributions of snow 

melt  and  glacier melt  are  described.  These  results  are  based mainly  on  REMO‐UBA  A1B  climate 

change  scenarios.  For  the  catchment  areas of  the Gepatsch  reservoir, a more detailed analysis of 

glacier development is conducted, comparing results with different ice melt DDFs and with different 

emission scenarios and different climate models. Therefore,  the  results  for Gepatsch are displayed 

first and described  in more detail. The main results  for Sellrain‐Silz and Kaprun‐Uttendorf are  then 

presented briefly.  

4.5.1. Gepatsch 

Fig. 62 shows the expected seasonal changes in precipitation (liquid and solid) and runoff. While for 

precipitation only minor changes are projected – slight increase in winter and decreases in summer – 

the runoff pattern changes drastically. In 2011‐40, there is almost no change yet, the slightly higher 

runoff in summer can mainly be attributed to glacier melt. In 2036‐65, the trend to a decrease of the 

summer peak and an increase of spring runoff is already visible. In 2061‐90, summer runoff is much 

lower than in the reference period, and has mainly shifted to spring months.      

 

‐0.5

‐0.4

‐0.3

‐0.2

‐0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

1 6 11 16 21

k (autocorrelation)

Lag (Years)

1952‐1990

‐0.5

‐0.4

‐0.3

‐0.2

‐0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

1 6 11 16 21

k (autocorrelation)

Lag (Years)

2002‐2049‐0.5

‐0.4

‐0.3

‐0.2

‐0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

1 6 11 16 21

k (autocorrelation)

Lag (Years)

2043‐2090

53 

 

Fig. 62: Development of precipitation and runoff in the 21st century, compared to 1961‐1990 (Gepatsch) 

 

 

The decrease in summer runoff occurs despite an increase of the rainfall portion of precipitation (Fig. 

63) and an  increase  in glacier melt  (shown below  in Fig. 65).  It can mainly be attributed  to earlier 

snow melt (Fig. 64). 

 

   

Fig. 63: Seasonal course of the snowfall portion of total precipitation, for 1961‐90 (left) and 2061‐90 (right) 

 

The  seasonality of  snow processes  is  expected  to  change  significantly  in  the Gepatsch  catchment 

areas.   Fig. 64 shows mean monthly values of snow water equivalent, snow cover, snow melt and 

accumulated snowfall for the two periods of 1961‐90 and 2061‐90 (note the x‐axis, which in contrast 

to  the  other  graphs  in  this  report  follows  the  hydrological  year  from  August  to  July  to  improve 

readability).  Snow  cover  and  the  amount of  snow water  equivalent  in  the  catchment  is markedly 

lower  in 2061‐90. While  in  the  reference period some snow  remains  in  the area over  the summer 

months, there  is practically no snow  from  July to September at  the end of the century. Snow melt 

starts  in  April  and  has  a  peak  in May  in  the  future  scenario,  one  to  two months  earlier  than  at 

present.  Snow melt  in August  and  September, which  remains high  in  1961‐90, drops  to  very  low 

values in 2061‐90. 

 

0

100

200

300

400

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

mm

Month

Runoff 2061‐90

Precipitation 2061‐90

Runoff 2036‐65

Precipitation 2036‐65

Runoff 2011‐40

Precipitation 2011‐40

Runoff 1961‐90

Precipitation 1961‐90

0

100

200

300

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

mm

Month

1961‐1990 Precipitation

Snowfall

0

100

200

300

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

mm

Month

2061‐2090 Precipitation

Snowfall

54 

 

 

Fig. 64: Seasonal course of snow water equivalent, accumulated snowfall, snow melt and snow cover for 1961‐90 and 2061‐90 (Gepatsch) 

 

 

Part of the reduced summer snow melt runoff is compensated by increases in glacier melt runoff. Fig. 

65  shows  the  development  of  seasonal  snow melt  and  glacier melt  portions  of  total  runoff.  The 

graphs of  the  left  column  correspond  to  the  simulation  results  shown  above, with  ice melt DDFs 

according  to snow melt DDFs  in  the areas. Again,  the seasonal shift and general decrease of snow 

melt in the course of the 21st century is clearly visible. Glacier melt contributions start in July and are 

low in 2011‐40. In 2036‐65 they are expected to increase significantly and start already in June. The 

glacier melt  pattern  for  2061‐90  remains  similar,  but  snow melt  contributions  have  decreased  to 

values below ice melt in summer.  

With higher  ice melt DDFs,  simulated  glacier  contributions  to  runoff  are  already  slightly higher  in 

2011‐40  and markedly  higher  in  2036‐65. Due  to  faster melting,  the  peak  of  glacier melt  occurs 

earlier (see also Fig. 67), which  is reflected  in slightly  lower  ice melt runoff  in 2061‐90.  It has to be 

noted that doubled ice melt DDFs are a rather extreme assumption – values in the range of 1.5 might 

be more probable. The  impact of this parameter can clearly be seen  in the development of glacier 

melt.  The  seasonal  characteristics  and  the  interaction  with  snow  processes,  however,  are 

comparable in both simulations, and the effect on seasonal total runoff is small.  

For annual values,  the slightly higher values of glacier melt  runoff and  thus  total  runoff are better 

identifiable  (Fig. 66). Also  the  still  increasing  ice melt  in 2061‐90 with  ice DDFs according  to  snow 

DDFs, contrasted by the already decreasing ice melt with higher DDFs is visible in Fig. 66. But also in 

the first simulation, glacier melt is decreasing towards the end of the 21st century – which is just not 

reflected in the 30‐year mean due to the peak occurring around the beginning of this period.  

 

 

 

0.1

0.4

0.7

1.0

0

500

1000

8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7

Month

snow cover (/)

mm1961‐90 SWE

2061‐90 SWE

1961‐90 Sum of Snowfall

2061‐90 Sum of Snowfall

1961‐90 Snow melt

2061‐90 Snow melt

1961‐90 Snow cover

2061‐90 Snow cover

55 

 

 

Fig. 65: Seasonal course of total runoff and snow melt and glacier melt portions, for the glacier simulation with ice DDF values like snow DDF values (left) and the simulation with doubled ice DDF values (right) 

 

Fig. 66: Annual sums of total runoff and snow melt and glacier melt contributions, for the glacier simulation with ice DDF values like snow DDF values (left) and the simulation with doubled ice DDF values (right) 

0

100

200

300

400

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

mm

Month

2011‐40Total runoff

Snow melt

Glacier melt

0

100

200

300

400

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

mm

Month

2011‐40DDFice=2*DDFsnow

Total runoff

Snow melt

Glacier melt

0

100

200

300

400

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

mm

Month

2036‐65Total runoff

Snow melt

Glacier melt

0

100

200

300

400

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

mm

Month

2036‐65DDFice=2*DDFsnow

Total runoff

Snow melt

Glacier melt

0

100

200

300

400

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

mm

Month

2061‐90Total runoff

Snow melt

Glacier melt

0

100

200

300

400

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

mm

Month

2061‐90DDFice=2*DDFsnow

Total runoff

Snow melt

Glacier melt

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

2011‐40 2036‐65 2061‐90 2011‐40 2036‐65 2061‐90

DDFice = DDFsnow DDFice = 2*DDFsnow

(mm) Total runoff Snow melt runoff Ice melt runoff

56 

The start of this decrease is visible in Fig. 67, where relative contributions of ice melt to total runoff 

from different  scenarios are  compared  for  the  catchment of  the  river Pitze  (around 50% of which 

discharges  into  the  Gepatsch  reservoir).  The  very  similar  course  of  the  A1B  scenario,  which 

corresponds  to  the  results  shown  above,  and  the  A2  scenario  result  from  similar  temperature 

increases projected by  these  two scenarios.  In  the B1 scenario,  temperature  rises slower and  less, 

leading  to  significantly  slower  melting  of  glaciers  and  a  delayed  increase  in  ice  melt.  The  A1B 

simulation with doubled ice DDF values on the other hand result in faster melting of glaciers and an 

earlier  increase and also an earlier peak and decrease of  ice melt portions of total runoff. Although 

very high ice DDFs are used, the difference to the A1B scenario with lower ice DDFs is in the range or 

even  below  the  difference  between  A1B  and  B1  scenarios.  This  indicates  that  the  uncertainty  in 

glacier melt simulations arising from uncertain ice melt factors is rather below the uncertainty from 

temperature change projections.  

 

 

 

Fig. 67: Floating 30‐year means of ice melt contributions to runoff in the Pitze catchment for different climate change scenarios 

 

 

This conclusion is supported by the comparison of results with different models, as shown in Fig. 68. 

All depicted simulations are based on  low  ice DDFs (equal to snow DDFs). Results with RegCM3 are 

between REMO‐UBAs A2 and B1 simulations. Aladin‐Arpege results show high ice melt already in the 

beginning of the 21st century, almost comparable to the simulations with doubled ice DDFs shown in 

Fig. 67. The reason  for  this differing behavior  is a stronger  increase  in summer  temperature  in  the 

Aladin‐Arpege projections.    

 

0

0.05

0.1

0.15

0.2

2016 2020 2024 2028 2032 2036 2040 2044 2048 2052 2056 2060 2064 2068 2072

Glacier melt portion of annual runoff (/)

Years (Center of 30‐year mean)

A2, DDFice=DDFsnow

B1, DDFice=DDFsnow

A1B, DDFice=DDFsnow

A1B, DDFice=2*DDFsnow

57 

 

Fig. 68: Floating 30‐year means of ice melt contributions to runoff in the Pitze catchment simulated with climate data of different models and different emission scenarios 

 

The drastic loss of glacier volumes corresponding to the shown increases in ice melt runoff is shown 

in  Fig.  69,  again  for  the  A1B  scenario  and  both  ice melt  DDF  assumptions.  This  graph,  like  the 

analyses  before,  refers  to  30‐year means  and  sums  over  the  entire Gepatsch  catchment.  Fig.  70 

shows the spatial distribution of simulated ice water equivalents and refers to snapshots for specific 

years. Therefore, also the very  last simulated year, 2090, can be shown. This reveals that, based on 

very high ice DDF values, the melting of all glaciers in the Gepatsch area is almost completed in 2090 

(Fig. 70, bottom  right). Assuming  low  ice DDFs, substantial areas with glaciers  remain  in 2090, but 

with very low volumes (Fig. 70, bottom left).  

 

 

 

Fig. 69: Development of simulated ice water equivalent in the cachment areas of the Gepatsch reservoir in the 21st century, with ice DDF values like snow DDF values (left) and doubled ice DDF values (right) 

 

 

0

0.05

0.1

0.15

0.2

2016 2020 2024 2028 2032 2036 2040 2044 2048 2052 2056 2060 2064 2068 2072

Glacier melt portion of annual runoff (/)

Years (Center of 30‐year mean)

Pitze 

REMO‐UBA A2

REMO‐UBA B1

REMO‐UBA A1B

ARPEGE A1B

RegCM3 A1B

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

DDFice = DDFsnow DDFice = 2*DDFsnow

Ice water equivalent (M

io. m³)

Start value 2000 Mean 2011‐40 Mean 2036‐65 Mean 2061‐90

58 

 

 

 

 

Fig. 70: Simulated development of glaciers in western Tyrol, with low ice DDFs (left) and high ice DDFs (right, for 2011 only the results with low ice DDFs are displayed, as differences are negligible)  

 

 

 

 

59 

4.5.2. Sellrain‐Silz 

In  the  catchment  areas  of  the  Sellrain‐Silz  hydropower  system,  the decrease  in  summer  runoff  is 

especially pronounced (Fig. 71). This strong decrease  is caused by a significant decrease  in summer 

precipitation  that  is  more  pronounced  than  in  the  other  two  analysed  areas.  Additionally,  the 

Sellrain‐Silz catchments have smaller glacierized portions. This means that the decrease in snow melt 

runoff  in  summer months, which  is  shown  in Fig. 72,  is  less  compensated by  ice melt  runoff. The 

general  pattern  of  lower  summer  and  higher  spring  runoff,  with  an  earlier  peak  (Fig.  71),  is 

comparable  to  the development  in  the other  reservoir  catchment areas. Also, overall decrease of 

accumulated snow water equivalent and seasonal changes in snow cover and snow melt (Fig. 72) are 

similar to the changes in the other investigated areas.  

 

 

Fig. 71: Development of precipitation and runoff in the 21st century, compared to 1961‐1990 (Sellrain‐Silz) 

 

 

Fig. 72: Seasonal course of snow water equivalent, accumulated snowfall, snow melt and snow cover for 1961‐90 and 2061‐90 (Sellrain‐Silz) 

 

0

100

200

300

400

500

600

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

mm

Month

Runoff 2061‐90

Precipitation 2061‐90

Runoff 2036‐65

Precipitation 2036‐65

Runoff 2011‐40

Precipitation 2011‐40

Runoff 1961‐90

Precipitation 1961‐90

0.1

0.4

0.7

1.0

0

500

1000

1500

8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7

Monat

snow cover (/)mm

1961‐90 SWE

2061‐90 SWE

1961‐90 Sum of Snowfall

2061‐90 Sum of Snowfall

1961‐90 Snow melt

2061‐90 Snow melt

1961‐90 Snow cover

2061‐90 Snow cover

60 

4.5.3. Kaprun‐Uttendorf 

Seasonal  runoff changes  in  the catchment areas of  the Kaprun‐Uttendorf hydropower  systems are 

less  pronounced  than  in  the  other  two  analysed  areas  (Fig.  73).  Here,  changes  in  seasonal 

precipitation patterns  are  very  small  (Fig. 73),  and  substantial  ice melt  runoff  compensates  lower 

snow melt runoff in the summer months in the future scenario (Fig. 74). But again the overall pattern 

of hydrological change induced by the changing climatic drivers is very similar to those found in the 

other two areas. 

 

 

Fig. 73: Development of precipitation and runoff in the 21st century, compared to 1961‐1990 (Kaprun‐Uttendorf) 

 

 

 

Fig. 74: Seasonal course of total runoff and snow melt and glacier melt portions (Kaprun‐Uttendorf) 

 

0

100

200

300

400

500

600

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

mm

Month

Runoff 2061‐90

Precipitation 2061‐90

Runoff 2036‐65

Precipitation 2036‐65

Runoff 2011‐40

Precipitation 2011‐40

Runoff 1961‐90

Precipitation 1961‐90

0

100

200

300

400

500

600

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

mm

Month

2011‐40Total runoff

Snow melt

Glacier melt

0

100

200

300

400

500

600

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

mm

Month

2036‐65Total runoff

Snow melt

Glacier melt

0

100

200

300

400

500

600

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

mm

Month

2061‐90Total runoff

Snow melt

Glacier melt

61 

4.6. Water temperature 

Water temperature shows a high correlation with air temperature. Therefore, clear trends  in water 

temperature are calculated for the scenarios of the 21st century. For the REMO‐UBA A1B scenarios, a 

rise in water temperature of 2°C for the Ager and 3.5°C for the Mur is expected (Fig. 75).  

Increasing water  temperature has different effects  for  the use of cooling water at different  rivers. 

Legislative water temperature thresholds are defined individually for each case, and differ according 

to the locally relevant guidelines (based mainly on ecological requirements). Generally, the threat of 

surpassing  legislative  water  temperature  thresholds  strongly  depends  on  the  actual  water 

temperature  in  the  respective  river  reach  and  the  imposed  threshold.  If  the water  temperature 

currently  is usually well below  the  threshold, a  rise by some degrees will not  lead  to problems  for 

cooling  water  use.  Possible  negative  effects  for  cooling  water  use  also  depend  on  the  time  of 

occurrence of  low  flow periods. During  these periods with  low  runoff,  the  introduction of  cooling 

water  into rivers has more  impact. Smaller rivers with  low flow periods  in warmer months, such as 

the Ager  river,  are  therefore more  vulnerable  to  rising water  temperature  than  larger  rivers with 

alpine  influence.  In  such  river, as  the Mur, Enns or Drau  low  flow periods mainly occur  in winter, 

when water  temperature  is  very  low. Runoff  in  these periods  is  rather expected  to  increase with 

climate change. Also the expected shift in the time of occurrence to autumn cannot be expected to 

have relevant negative influence regarding water temperature in these rivers. For rivers like the Ager, 

however,  the  shift of  low  flow periods  to  summer months and  the expected decrease of  low  flow 

runoff can aggravate the situation.   

 

 

Fig. 75: Trends in water temperature resulting from water REMO‐UBA A1B climate model data, for the Mur (at Mureck/Spielfeld) and the Ager (at Schalchham)  

 

 

 

‐10

‐5

0

5

10

15

20

25

T [°C]

Mur ‐ Temperaturentwicklung A1B Szenario

Lufttemperatur Wassertemperatur Mur Trend der Wassertemperatur

‐10

‐5

0

5

10

15

20

25

T [°C]

Ager ‐ Temperaturentwicklung A1B Szenario

Lufttemperatur Wassertemperatur Ager Trend der Wassertemperatur

Water temperature Mur (REMO‐UBA A1B)

Water temperature Ager (REMO‐UBA A1B) 

Water temperatureAir temperature  Trend in water temperature

Water temperatureAir temperature  Trend in water temperature

62 

4.7. Groundwater recharge 

The spatial distribution of relative changes  in annual groundwater recharge (Fig. 76, for the REMO‐

UBA A1B simulations) resembles the changes in runoff (see Fig. 27). For the regions analysed in more 

detail, REMO‐UBA  shows distinct  trends, with  groundwater  recharge  decreasing  in  the  south  and 

increasing  in  the east. As  in simulations of runoff  (see Fig. 25 and Fig. 26), a similar spatial pattern 

results from RegCM3 data, while Aladin‐Arpege shows decreases in runoff and groundwater recharge 

all over Austria.  

 

   

Fig. 76: Change in simulated mean annual groundwater recharge 2061‐2090 relative to 1961‐1990, results with REMO‐UBA A1B input data 

 

In the seasonal patterns of simulated groundwater recharge (Fig. 77 to Fig. 80), differences between 

the regions and the models are visible. In the downstream Mur area (Fig. 77) and the Raab basin (Fig. 

78)  groundwater  recharge  declines  after  a  peak  in March  and  April,  but  there  are  still  relevant 

summer contributions. In the basins of Rabnitz (Fig. 79) and Leitha (Fig. 80), groundwater recharge is 

extremely low in July, August and September. In the model projections for 2061‐2090, Aladin‐Arpege 

for  all  basins  shows  a  decrease  of  groundwater  recharge  in  spring  and  summer  and  very  small 

increases  in  autumn  and  winter.  This  leads  to  changes  relative  to  the  values  of  1961‐1990 

between  ‐7% and  ‐13% for the entire year and between  ‐23% and  ‐16% for the period of March to 

June  (MAMJ). With RegCM3 data,  similar  changes  are projected  for Mur  and Raab basins, with  a 

slightly  stronger decrease  in  spring and  summer.  In  the Rabnitz and  Leitha basins, RegCM3  shows 

almost  no  changes,  with  slight  decreases  in  spring  and  slight  increases  in  winter  recharge.  The 

resulting changes for the year are positive, while the changes for March to June are negative. 

REMO‐UBA  results  show almost no changes  in  spring and winter  recharges  for Mur and Raab. For 

Rabnitz  and      Leitha  increasing peaks  in  spring  are projected,  and  a  slight  increase  in winter.  For 

summer and autumn, REMO‐UBA generally expects the most pronounced decrease of groundwater 

recharge.  In the Mur and Raab regions, where summer recharge plays a relevant role, this  leads to 

decreases  in annual values  that are higher  than  the expected decrease  for March  to  June. For  the 

63 

regions  further  to  the east, REMO‐UBA projects  considerable  increases of 14%  (Rabnitz)  and 19% 

(Leitha) in annual groundwater recharge. 

 

 

Fig. 77: Mean monthly simulated groundwater recharge for 1961‐1990 and 2061‐2090 for Aladin‐Arpege (top left), RegCM3 (top right) and REMO‐UBA (bottom left) and comparison of relative changes  of the three models for the entire year and the period of March to June( MAMJ, bottom left); results for the downstream Mur basin  

 

    

Fig. 78: Mean monthly simulated groundwater recharge for 1961‐1990 and 2061‐2090 for Aladin‐Arpege (top left), RegCM3 (top right) and REMO‐UBA (bottom left) and comparison of relative changes  of the three models for the entire year and the period of March to June( MAMJ, bottom left); results for the Raab basin 

0

10

20

30

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

mm

Simulated groundwater recharge: Mur

Aladin‐Arpege 1961‐90

Aladin‐Arpege 2061‐90

0

10

20

30

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

mm

Simulated groundwater recharge: Mur

RegCM3 1961‐90

RegCM3 2061‐90

0

10

20

30

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

mm

Simulated groundwater recharge: Mur

REMO‐UBA 1961‐90

REMO‐UBA 2061‐90

0.6

0.8

1.0

1.2

Aladin‐Arpege 2061‐90 RegCM3 2061‐90 REMO‐UBA 2061‐90

Simulated groundwater recharge: Mur

Year 2061‐90 relative to 1961‐90MAMJ 2061‐90 relative to 1961‐90

0

10

20

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

mm

Simulated groundwater recharge: Raab

Aladin‐Arpege 1961‐90

Aladin‐Arpege 2061‐90

0

10

20

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

mm

Simulated groundwater recharge: Raab

RegCM3 1961‐90

RegCM3 2061‐90

0

10

20

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

mm

Simulated groundwater recharge: Raab

REMO‐UBA 1961‐90

REMO‐UBA 2061‐90

0.6

0.8

1.0

1.2

Aladin‐Arpege 2061‐90 RegCM3 2061‐90 REMO‐UBA 2061‐90

Simulated groundwater recharge: Raab

Year 2061‐90 relative to 1961‐90MAMJ 2061‐90 relative to 1961‐90

64 

 

 

 

Fig. 79: Mean monthly simulated groundwater recharge for 1961‐1990 and 2061‐2090 for Aladin‐Arpege (top left), RegCM3 (top right) and REMO‐UBA (bottom left) and comparison of relative changes  of the three models for the entire year and the period of March to June( MAMJ, bottom left); results for the Rabnitz basin 

 

 

 

Fig. 80: Mean monthly simulated groundwater recharge for 1961‐1990 and 2061‐2090 for Aladin‐Arpege (top left), RegCM3 (top right) and REMO‐UBA (bottom left) and comparison of relative changes  of the three models for the entire year and the period of March to June( MAMJ, bottom left); results for the Leitha basin 

 

0

10

20

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

mm

Simulated groundwater recharge: Rabnitz

Aladin‐Arpege 1961‐90

Aladin‐Arpege 2061‐90

0

10

20

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

mm

Simulated groundwater recharge: Rabnitz

RegCM3 1961‐90

RegCM3 2061‐90

0

10

20

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

mm

Simulated groundwater recharge: Rabnitz

REMO‐UBA 1961‐90

REMO‐UBA 2061‐90

0.6

0.8

1.0

1.2

Aladin‐Arpege 2061‐90 RegCM3 2061‐90 REMO‐UBA 2061‐90

Simulated groundwater recharge: Rabnitz

Year 2061‐90 relative to 1961‐90MAMJ 2061‐90 relative to 1961‐90

0

10

20

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

mm

Simulated groundwater recharge: Leitha

Aladin‐Arpege 1961‐90

Aladin‐Arpege 2061‐90

0

10

20

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

mm

Simulated groundwater recharge: Leitha

RegCM3 1961‐90

RegCM3 2061‐90

0

10

20

30

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

mm

Simulated groundwater recharge: Leitha

REMO‐UBA 1961‐90

REMO‐UBA 2061‐90

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

Aladin‐Arpege 2061‐90 RegCM3 2061‐90 REMO‐UBA 2061‐90

Simulated groundwater recharge: Leitha

Year 2061‐90 relative to 1961‐90MAMJ 2061‐90 relative to 1961‐90

65 

4.8. Trends in runoff and hydropower production in Europe 

4.8.1. Mean runoff and hydropower potential 

Based on an application of the WaterGAP model, runoff trends and their implications for hydropower 

generation are analysed by Lehner et al. (2005).  In a comparison of several  large scale hydrological 

and land surface models, the WaterGAP model recently achieved the best representation of seasonal 

runoff trends (Stahl et al. 2011). The global hydrological model WaterGAP  is driven by precipitation 

and  temperature  input data  from  two GCMs, ECHAM4 and HADCM3. The hydrological model also 

includes  scenarios on human water use  and management.  The  greenhouse  gas  emission  scenario 

applied is similar to the widely used IPCC A1B scenario. The analysed time periods are the decade of 

the 2020s and the 2070s, and the reference period of 1961‐1990. 

Resulting from an overall decrease in runoff, the gross hydropower potential is projected to decrease 

by about 6% by the 2070s, with large regional variability (Lehner et al. 2005). The spatial pattern of 

simulated runoff trends due to climate change projections  is shown  in Figure 1. For the 2020s, the 

differences between  the  two climate models are  immense  (different signs  in Spain and almost  the 

entire  northern  part  of  Europe).  The  large  discrepancies  can  probably  be  explained  by  the  larger 

influence of  the –  random – model “weather”  relative  to  the climate change signal. For  the 2070s 

with their stronger climate change signal, the patterns are similar, with a general decrease of runoff 

south of  the Alps and an  increase north. With both models, Austria  is  located at  the  transition of 

increasing and decreasing trends, with HADCM3 showing mostly a decrease and ECHAM4 no relevant 

change. Calculated with HADCM3  results,  the gross hydropower potential  for Austria decreases by 

15.9 to 17.5% by the 2070s (Table1, depending on the calculation method). In addition to the gross 

hydropower potential, which  is based only on discharge and elevation,  the developed hydropower 

potential was analysed by Lehner et al.  (2005). For  this value,  the discharge at main  reservoir and 

run‐of‐river stations was considered, assuming a constant level of hydropower development. For the 

developed hydropower potential, results  for both models are presented countrywise  (Table 1). For 

Austria and the 2070s, a similar value of decrease results for the HADCM3 model (‐13.1%), while the 

results with  the ECHAM4 model  show practically no  change  (+1.3%), which  is  consistent with  the 

projection of unchanged runoff in Fig. 1.     

The results for Austria and the 2070s can be compared to the results of the KlimAdapt project (Kranzl 

et  al.  2010,  Stanzel  and Nachtnebel  2010)  for  the  period  of  2061‐2090  and  the A1B  scenario.  In 

KlimAdapt, hydropower production was deducted  from  the weighted gross hydropower potential, 

with  weights  according  to  actual  production.  Therefore  it  corresponds  rather  to  the  developed 

hydropower potential of Lehner et al. (2005). The projected decrease of 15% between 2025 and 2075 

in  KlimAdapt  is  very  close  to  their  results  of  ‐13% with  the  HADCM3 model.  Gross  hydropower 

potential was calculated  to decrease by 10%  in KlimAdapt, which  is  lower  than  the  ‐16  to  ‐17% of 

Lehner et al. (2005). The differences can be attributed to different spatial patterns in input variables, 

especially precipitation. Also different topographic information on the larger scale (0.5°, as opposed 

to  1km  in  KlimAdapt)  can  contribute  to  differences  in  resulting  gross  hydropower  potential.  The 

value  for  the 1961‐90 gross hydropower potential  in  Lehner et  al.  (2005) of 150 or 160 TWh/a  is 

similar to that calculated by Pöyry (2008) and slightly higher than that estimated in KlimAdapt, where 

south‐eastern Austria was excluded. As especially  in  the Austrian  south‐east  runoff  is expected  to 

decrease  (in  both,  KlimAdapts  REMO‐UBA model  and  the  HADCM3 model,  see  Fig.  1.),  also  this 

different  coverage of  the  area of Austria might  add  to  the differences  in  the projections of  gross 

hydropower potential.     

66 

Corresponding  to  the  depicted  pattern  of  projected  discharge  changes,  hydropower  potential  is 

expected  to  rise  in northern and north‐eastern Europe and  to  fall  in southern and central Europe. 

The  largest  increases  are  projected  for  Scandinavia,  the  Baltic  countries  and  Russia.  The  highest 

decreases are expected in Spain, the Balkan countries, Turkey and Ukraine.  

 

 

 

Fig. 81: Relative change of mean runoff (compared to 1961‐90) for the 2020s (top) and the 2070s (bottom), and the ECHAM4 (left) and HadCM3 (right) models. Source: Lehner et al. 2005 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

67 

Table 1: Hydropower potential in Europe and projected future change. Source: Lehner et al. 2005 

 

 

 

 

4.8.2. Seasonal changes 

In  addition  to  changes  in  the mean  runoff,  seasonal  changes  in  runoff  regimes  are  anticipated  to 

change with changing climatic conditions.  

Arnell  (1999)  applied  a  hydrological  model  with  the  same  scale  as  WaterGAP  (0.5°),  driven  by 

scenarios for the 2050s of four different climate models. In his analysis of possible seasonal changes 

he concludes, that the main changes are to be expected in snow‐dominated basins. Fig. 2 shows his 

results for the change  in the month of maximum runoff.  In  large parts of Europe, where maximum 

flows  correspond with  snow melt,  the  annual  runoff  peak  shifts  to  earlier months  due  to  earlier 

snow‐melt. A more extreme change is simulated mainly for areas around the Baltic Sea, where winter 

precipitation  changes  from  snow  to  rain  and  the  runoff  regime  shifts  from  snow dominated  to  a 

more maritime regime with winter maxima. 

 

68 

 

Fig. 82: Change in the month of maximum runoff by 2050, compared to 1961‐90. Source: Arnell 1999 

 

 

 

Graham et al. (2007) do not simulate such drastic shifts of the annual runoff peak for the Baltic Sea 

drainage basin (Fig. 3), but still expect a shift of two months because of earlier snow‐melt towards 

the end of  the 21st  century. Applying  several RCMs  from  the PRUDENCE project,  they estimate a 

decrease of 22%  in summer flows and an  increase of 54%  in winter flows on average for the Baltic 

Sea area. For the Rhine basin, Graham et al. 2007 predict a similar change, with decreases in summer 

runoff of 42% and  increases  in winter runoff of 14% on average. For the Alpine parts, peaks due to 

snow melt are expected to occur one month earlier and with a reduced magnitude of around 20%.  

 

69 

 

Fig. 83: Change in seasonal runoff to the Baltic Sea, 2071‐2100 compared to 1961‐90, in 2 B2 scenarios (left) and 3 A2 scenarios (right). Source: Graham et al. 2007 

 

 

Middelkoop et al.  (2001) come  to analog  results  in  their hydrological modeling  study of  the Rhine 

basin, using UKHI and CCC climate model scenarios for 2050 (like Arnell, 1999, see above): “Due to 

climate change  the river Rhine  is expected  to shift  from a combined rainfall‐snowmelt regime  to a 

more  rainfall  dominated  regime.  This  coincides with  a  seasonal  change  in  the  discharge  regime: 

winter discharge will  increase, and summer discharges decrease.” For middle‐mountain areas  they 

expect the least seasonal changes in runoff.  

For  the  Elbe  basin,  with  a  major  influence  from  middle‐mountain  areas,  this  is  also  shown  by 

Hattermann et al. (2008). While they do not expect major seasonal changes in their application with 

an  ECHAM4 A1  scenario,  they  also  come  to  the  conclusion  that by  2050  there will be  less water 

available in summer and that the high flow period due to snow melt will occur earlier in the year. 

For the Danube basin, which has a stronger Alpine  influence, a more pronounced change  in runoff 

seasonality,  as  in  the  Rhine  basin,  is  projected  by  Kling  et  al.  (2012).  Their  simulation  results  for 

2071‐2100 with all 23 RCMs from the ENSEMBLES project show a considerable decrease of summer 

runoff, a moderate  increase of winter  runoff and  the occurrence of  the annual runoff peak one  to 

two months earlier. These results correspond with those for the major Austrian Danube tributaries in 

KlimAdapt  (Stanzel  and  Nachtnebel  2010),  who  furthermore  show  that  the  seasonal  changes  in 

runoff are more pronounced with a higher relevance of snow processes. 

For the Ebro basin, Zambrano‐Bigiarini et al. (2011) use two PRUDENCE RCMs and expect a reduction 

of mean runoff throughout the year for 2071‐2100, with especially strong decreases in winter.   

The outlined projected changes are already observable in runoff measurements, as shown by Stahl et 

al. (2010), who analysed trends in a large dataset of 1962‐2004 streamflow data from basins with no 

direct human influence. They found predominant positive trends in winter runoff, with exceptions of 

decreasing flow in Spain, Southern France, South‐east Austria, Czech Republic and Slovakia. For Italy 

and South‐east Europe, no observations were included in the analysis. For the months from April to 

August,  negative  trends  were  detected  almost  everywhere  in  Europe,  with  some  exceptions  in 

Scandinavia and the UK.  

 

70 

4.8.3. Low flow  

For  the  PRESENCE  project,  possible  trends  in  low  flow  are  of  relevance  for  future  cooling water 

availability for industry and thermal power production. In this context, especially summer low flow is 

important,  when  high  air  and  water  temperatures  coincide  with  reduced  water  availability. 

Therefore,  the more  snow‐dominated  regions with  lowest  flow  in winter,  the  Alpine  region  and 

northern and north‐eastern Europe, are less vulnerable to cooling water shortages than the western 

and  central  European  regions with  lowest  flow  in  summer. The month of minimal  stream  flow  in 

several regions of Europe is shown in the left part of Fig. 4 from Stahl et al. (2011). 

In addition  to their  lower sensitivity to cooling water deficiencies, areas with  lowest  flow  in winter 

months exhibit an  increase of runoff  in  these months  in  the period of 1962‐2004, as shown  in  the 

right part of Fig. 4. Areas with summer  low flow on the other hand mainly show negative trends of 

runoff in the respective months. Stahl et al. (2011) also analysed trends in 7‐day low flow in summer 

(May  to November)  for all depicted runoff gauges and  found  that  their negative  trends are mostly 

stronger  than  the month  of  regime minimum  in  summer  low  flow  areas.  In  the  Alpine  region, 

summer  low  flow has mostly  increased, whereas  it has decreased  in many  Scandinavian  areas.  In 

central Europe, the occurrence of 7‐day low flow in summer has shifted to an earlier date. 

 

 

 

Fig. 84: Month of minimal runoff (left) and trend of runoff in the respective month (right), from 1962‐2004 runoff observations. Source: Stahl et al. 2010   

 

These already observed trends persist  in model based future projections of climate change  impacts 

on  low  flow. Maps of  changes  in  simulated Q90  (the  flow exceeded  in 90% of  the  time) of Arnell 

(1999) for the 2050s (Fig. 5) show a pattern very similar to that detected by Stahl et al. in the second 

half of the 20st century. Varying only  in the magnitude of change, simulations with all four climate 

models  result  in  decreasing  runoff Q90  for  the  summer  low  flow  regions  in most  of  continental 

Europe. For the winter low flow regions of the Alps, Scandinavia and north‐eastern Europe increases 

in Q90 are expected. 

 

71 

 

Fig. 85: Change in the flow exceeded 90% of the time (Q90) by 2050, compared to 1961‐90.  Source: Arnell 1999 

 

Also  Lehner et al.  (2006)  come  to  corresponding  results  in  the analysis of  runoff extreme of  their 

WaterGAP application with climate model  input data. Fig. 6  shows  the  return period of  the actual 

100‐year  low  flow events  in  the  simulations  for  the 2070s. Again,  for most of Europe, except  the 

snow‐dominated  Alpine  and  northern  European  regions,  an  aggravation  of  the  low  flow  water 

availability  is expected, as today’s drought runoff  level  is projected to be reached more frequently. 

Discrepancies  of  Lehner  et  al.’s  projections  and  those  of Arnell  (1999)  for Germany  and  parts  of 

eastern Europe might be attributed to water use scenarios assumed by Lehner et al. (2006), as they 

expect a decrease  in drought  intensity only from changed water use  in Germany, and a substantial 

increase in eastern Europe. 

 

72 

 

Fig. 86: Change in recurrence of today’s 100‐year droughts (1961‐90) by the 2070s. Source: Lehner et al.  2006 

 

 

   

73 

5. Conclusions 

In this report, the impact of climate change on hydrology is investigated with a special focus on the 

effects for hydropower production and cooling water availability. The assessment is based on water 

balance  simulations  for Austria,  using  climate model  scenarios  as  input  data.  Scenario  data  from 

three different RCMs, REMO‐UBA, Aladin‐Arpege and RegCM3 are applied.   

The relation between changes  in  long term mean annual runoff and changes  in  long term means of 

precipitation and temperature, also termed runoff elasticity, is assessed for 188 Austrian catchments. 

A multiple linear regression model can be fitted very well to simulation results of the water balance 

model  driven  by  three  different  scenarios  of  the  REMO‐UBA model.  Results  can  be  improved  by 

grouping the catchments into alpine and lowland areas and fitting two regression models. For further 

analysis,  the  results  from water  balance  simulations with  different  climate model  input  are  used 

directly, and the regression model is not applied. 

Spatial  patterns  of  changes  in  runoff  induced  by  climate  change  differ  according  to  the  applied 

climate model. REMO‐UBA and RegCM3, which are driven by  the  same GCM,  lead  to hydrological 

scenarios with decreasing runoff  in the south and west of Austria and small  increases  in the north‐

east. Aladin‐Arpege  scenarios  result  in decreasing  runoff all over Austria, but more pronounced  in 

the south and west. 

Simulated  runoff  time  series  are  analysed  for  the  rivers  Enns, Mur  and Drau.  Several  run‐of‐river 

hydropower  plants  are  located  along  these  rivers  and  substantial  discharge  from  thermal  power 

plants and industry is expected. Results from the river Ager are shown to investigate the situation for 

smaller rivers with less alpine influence. 

In  simulations with  the  REMO‐UBA model, mean  runoff  differs  according  to  the  greenhouse  gas 

emission scenario. The A2 scenario, with higher precipitation,  leads to higher runoff  than the drier 

A1B  scenario. Both  scenarios  show  a  decreasing  trend within  the  21st  century.  Similar  trends  are 

simulated by the other two models (both only with A1B scenarios). Stronger decreases are projected 

by Aladin‐Arpege. The expected changes are very similar along the entire Austrian reaches of Enns, 

Mur and Drau. The simulated decrease in mean runoff until the period of 2061‐2090 is around 10%, 

which does not  indicate general  shortages of  cooling water, but  results  in an overall  reduction of 

hydropower production.   

Seasonal  changes  are  simulated  consistently  between models,  scenarios  and  basins,  with  runoff 

increases  in winter  and  spring  and decreases  in  summer  and  fall.  The  summer  runoff decrease  is 

more severe  in the scenario A1B.  Increases  in winter runoff are  less pronounced  in the simulations 

with Aladin‐Arpege. With earlier and  less snow melt, the peak of seasonal runoff  in Enns, Mur and 

Drau is expected to be lower and occur one month earlier. This change is more pronounced in alpine 

upstream catchments with stronger  influence of snow processes. For  the Ager,  the projections  for 

changes  in  the  seasonal peak  in early  spring differ between  the models. The  trend  towards a  less 

pronounced runoff seasonality in all rivers with Alpine influence has positive effects for hydropower 

production, as the divergence between production and demand diminishes.  

In the rivers Enns, Mur and Drau low flow occurs mainly in winter. Increasing winter runoff therefore 

leads to  increasing  low flow runoff. This  increase  in  low flow discharge  is projected consistently by 

RegCM3  and  both  REMO‐UBA  emission  scenarios.  Simulations  with  Aladin‐Arpege  do  not  show 

relevant changes in low flow runoff for these three rivers. For the Ager, all models expect significant 

reductions in low flow runoff. 

74 

Low flow periods are expected to partly shift to earlier months, from winter to autumn for Enns, Mur 

and Drau, from autumn to summer for the Ager. For the Ager and similar rivers, the more frequent 

occurrence  of  low  flow  periods  in  summer  together with  increasing water  temperature  can  have 

negative  effects  for  cooling  water  use.  Concerning  the  duration  of  low  flow  periods,  no  clear 

conclusions can be drawn from the conducted analyses.  

Long‐term persistence and periodicity in runoff time series is more pronounced in simulations for the 

second half of  the 21st century with A1B emission  scenarios  than under  reference conditions. This 

effect  is small  in simulations driven by RegCM3 and Aladin‐Arpege, but considerable  in REMO‐UBA 

results. This weak coincidence and the fact that persistence in simulations with climate model control 

run data and with observations is similar might indicate that longer periods of persistent runoff can 

be expected under climate change conditions. With A2 data, however, no such change in persistence 

behavior is detected.   

Changes in groundwater recharge show spatial patterns similar to those of changes in runoff. For the 

south  of  Austria,  scenario  simulations with  all models  consistently  show  decreasing  groundwater 

recharge.  For  the  east,  the  sign  of  the  expected  change  depends  on  the  applied  model,  with 

REMO‐UBA showing increases, Aladin‐Arpege decreases and RegCM3 no relevant changes.  

Inflow  into  alpine  reservoirs  is  assessed  for  three  reservoir  systems.  While  inflow  in  summer 

decreases under climate change conditions,  spring  inflow  increases. The peak  in monthly  runoff  is 

less  pronounced  and  occurs  one month  earlier.  The main  cause  for  this  is  that  snow melt  starts 

earlier, which  leads to higher snow melt runoff  in spring, and also ends earlier, which  leads to  less 

snow melt contributions in summer. More ice melt runoff from glacierized areas in summer months 

partly compensates the decreasing snow melt contributions. Towards the end of the 21st century, ice 

melt runoff decreases again, due to the advanced loss of glacier ice volumes. The projected changes 

in high alpine areas are triggered by temperature change to a high extent and are therefore subject 

to  less  uncertainty  than  changes  driven  by  precipitation  changes.  Especially  glacier  development, 

however, is also highly sensitive to the (smaller) differences in temperature projections. 

A  literature  review  of  possible  changes  in  runoff  and  hydropower  production  in  Europe  shows 

expected  increases  in  northern  and  north‐eastern  Europe,  especially  in  Scandinavia,  the  Baltic 

countries and Russia. Decreases are expected  in southern and central Europe, notably  in Spain, the 

Balkan  countries,  Turkey  and  Ukraine.  A  more  balanced  seasonal  course  of  runoff  and  power 

production is generally expected, with streamflow increasing in winter and decreasing in summer. In 

southern Europe, as e.g. in the Ebro basin, general decreases of streamflow throughout the year can 

be  expected.  Seasonal  changes  are more  pronounced  in  regions with  stronger  influence  of  snow 

processes, as in the Alps or in northern Europe. In these areas, annual peaks of runoff are projected 

to decrease and to occur one to two months earlier. Low flow runoff, which mainly occurs in winter 

in snow dominated regions,  is expected to rise. For regions with  low flow  in summer a decrease of 

low flow runoff is expected.  

In Austria as well as  in an overall view of Europe, no serious negative effects of climate change on 

hydro power generation can be expected, as the production is rather concentrated in areas with high 

influence of snow processes. In these areas, possible decreases in annual runoff can be compensated 

by  favorable changes  towards  less pronounced  runoff seasonality. Also cooling water availability  is 

not at risk in these regions. In lowland areas, however, low flow periods with less runoff are expected 

to occur more frequently  in summer. Together with  increasing water temperature this can  increase 

the vulnerability to cooling water shortages.    

75 

6. References 

Arnell, N.W. 1999. The effect of climate change on hydrological regimes in Europe: a continental perspective. 

Global Environmental Change 9, 5‐23 

Bergström, S. 1992. The HBV Model ‐ its structure and applications. SMHI Reports Hydrology, No. 4 

BMLFUW (Ed.) 2005. Hydrological Atlas of Austria. 2nd edition. Bundesministerium für Land‐ und 

Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft, Wien 

Chiew F.H.S. 2006. Estimation of rainfall elasticity of streamflow in Australia. Hydrological Sciences Journal, 

51/4, 613‐625 

Déqué, M.  2007.  Frequency  of  precipitation  and  temperature  extremes  over  France  in  an  anthropogenic 

scenario: Model results and statistical correction according  to observed values. Global and Planetary Change 

57, 16‐26 

Eder, G., Fuchs,M.,  Nachtnebel, H.‐P. und Loibl, W. 2005. Semi‐distributed modelling of the monthly water 

balance in an alpine catchment. Hydrological Processes 19, 2339‐2360 

Frei, C. and Schär, C.1998. A precipitation climatology of the alps from high‐resolution rain‐guage observations. 

Int. J. Climatol. 18: 873–900  

Fu,G., Charles, S.P., Chiew F.H.S. 2007. A two‐parameter climate elasticity of streamflow index to assess climate 

change effects on annual streamflow. Water Resources Research, 43, W11419 

Fuchs, M. 1998. Modeling Snowmelt Runoff in an Alpine Watershed. Master Thesis, Universität für 

Bodenkultur, Vienna 

Fürst, J., Kling, H., Hörhan, T., Nachtnebel, H. P. 2007. Seasonal trends in the water balance. In: BMLFUW (Ed.), 

Hydrological Atlas of Austria. 3rd edition. Map  7.3.  Bundesministerium für Land‐ und Forstwirtschaft, Umwelt 

und Wasserwirtschaft, Wien 

Gardner, L.R. 2009. Assessing the effect of climate change on mean annual runoff. Journal of Hydrology, 379, 

351‐359 

Graham, L.P., Hagemann, S., Jaun, S., Beniston, M. 2007. On interpreting hydrological change from regional climate models. Climatic Change 81, 97‐122 

Hattermann, F.F., Post, J. Krysanova, V. Conradt , T., Wechsung, F. 2008. Assessment of Water Availability in a Central‐European River Basin (Elbe) Under Climate Change. Advances in Climate Change Research 4 (Suppl.), 42‐50 

Haylock, M. R., N. Hofstra, A. M. G. Klein Tank, E. J. Klok, P. D. Jones, M. New., 2008. A European daily high‐

resolution gridded data set of surface temperature and precipitation for 1950‐2006, J. Geophys. Res., 113, 

D20119 

Hostetler, S.W. 1991. Analysis and modelling of long‐term stream temperature on the Steamboat Creek Basin, 

Oregno: implications for land use and fish habitat. Water Resources Bulletin 27, 637‐647 

Kayastha, R.B., Ageta, Y., Nakawo, M., Fujita, K., Sakai, A. Matsuda, Y. 2003. Positive degree‐day factors for ice 

ablation on four glaciers in the Nepalese Himalayas and Qinghai‐Tibetan Plateau. Bulletin of Glaciological 

Research 20, 7‐14 

Kling H., Nachtnebel H.P., Fürst J. 2005. Mean areal precipitation (from water balance). In: BMLFUW (Hrsg.), 

Hydrologischer Atlas Österreichs, 2. Lieferung, Kartentafel 2.3. Bundesministerium für Land‐ und 

Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft, Wien 

Kling, H. 2002. Development of tools for a semi‐distributed runoff model (COSERO). Master Thesis, Universität 

für Bodenkultur, Vienna 

76 

Kling, H. 2006. Spatio‐Temporal Modelling of the Water Balance of Austria. Dissertation, Universität für 

Bodenkultur, Vienna 

Kling, H. and Nachtnebel, H.P. 2009. A spatio‐temporal comparison of water balance modelling in an Alpine 

catchment. Hydrological Processes, 23/7, 997 ‐ 1009 

Kling, H., Fuchs, M., Paulin, M. 2012a. Runoff conditions in the upper Danube basin under an ensemble of climate change scenarios. Journal of Hydrology 424–425, 264–277 

Kling, H., Lagler, M., Stanzel, P., Fuchs, M. (2012b): Wasserbilanzmodellierung und Auswirkungen der 

Klimaänderung für den deutschen Abschnitt der Donau – Erweiterte Simulationen. Hydrologische 

Studie im Auftrag der BfG. Endbericht, 248 Seiten. 

Kranzl, L., Haas, R., Kalt, G., Müller, A., Nakicenovic, N., Redl, C., Formayer, H., Haas, P., Lexer, M‐J., Seidl, R., Schörghuber, S., Nachtnebel, H.P., Stanzel, P. 2010. Ableitung von prioritären Maßnahmen zur Adaption des Energiesystems an den Klimawandel ‐ "KlimAdapt"‐Endbericht. Klima‐ und Energiefonds des Bundes, 225 S. 

Kuhn, M. and Lambrecht, A. 2007. Glacier change in the 20st century. In: BMLFUW (Ed.), Hydrological Atlas of 

Austria. 3rd edition. Map  4.3. Bundesministerium für Land‐ und Forstwirtschaft, Umwelt und 

Wasserwirtschaft, Wien 

Lehner, B., Czisch, G., Vassolo, S. 2005. The impact of global change on the hydropower potential of Europe: a model‐based analysis. Energy Policy 33, 839‐855 

Lehner, B., Döll, P., Alcamo, J., Heinrichs, T., Kaspar, F. 2006. Estimating the impact of global change on flood and drought risk in Europe: a continental, integrated analysis. Climatic Change 75, 273‐299 

Maniak, U. 2010. Hydrologie und Wasserwirtschaft: Eine Einführung für Ingenieure. 6. Auflage, Springer, Berlin 

Middelkoop, H., Daamen, K., Gellens, D., Grabs, W., Kwadijk, J.C.J., Lang, H., Parmet, B.W.A.H., Schädler, B., 

Schulla, J., Wilke, K. 2001. Impact of climate change on hydrological regimes and water resources management 

in the Rhine basin. Climatic Change 49, 105‐128 

Nachtnebel, H.P., Baumung, S., Lettl, W. 1993. Abflußprognosemodell für das Einzugsgebiet der Enns und der 

Steyr (Handbuch). Institut für Wasserwirtschaft, Hydrologie und konstruktiven Wasserbau, Universität für 

Bodenkultur Wien, Arbeitsbericht 

Nachtnebel,  H.P.,  Stanzel,  P.,  Pfaffenwimmer,  T.  2010.  Endbericht  KlimAdapt  Arbeitspaket  3  –  Hydrologie. 

Institut  für Wasserwirtschaft,  Hydrologie  und  konstruktiven Wasserbau,  Universität  für  Bodenkultur Wien. 

Arbeitsbericht, 72 S. 

Nobilis, F. and Webb, B.W. 1994. Long‐term water temperature behaviour in Austrian rivers. Mitteilungsblatt 

des hydrographischen Dienstes in Österreich 72, 4‐22 

Nolin, A.W., Phillippe, J., Jefferson, A., Lewis, S.L. 2010. Present‐day and future contributions of glacier runoff to 

summertime flows in a Pacific Northwest watershed: Implications for water resources. Water Resources 

Research, 46, W12509. 

Peel, M.C., Pegram, G.G.S., McMahon, T.A. 2004. Global analysis of annual precipitation and runoff equal to or 

below the median: run length. International Journal of Climatology, 24, 807‐822 

Pekárová, P., Miklanek, P., Pekár, J. 2003. Spatial and temporal runoff oscillation analysis of the main rivers of 

the world during the 19th‐20th centuries. Journal of Hydrology 27, 62‐79 

Pirker, O. 2005. Hydro‐electric power plants.  . In: BMLFUW (Ed.), Hydrological Atlas of Austria. 3rd edition. 

Map  9.1. Wien, Bundesministerium für Land‐ und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft. 

Pöyry 2008. Wasserkraftpotentialstudie Österreich. Studie erstellt von Pöyry Energy GesmbH im Auftrag des 

VEÖ. 

Randall, A.D., 2010. Low flow of streams in the Susquehanna River basin of New York: U.S. Geological Survey 

Scientific Investigations Report 2010–5063, 57 p. Available at: http://pubs.usgs.gov/sir/2010/5063. 

77 

Sankarasubramani, A., Vogel, R.M., Limbrunner, J.F. 2001. Climate elasticity of streamflow in the United States. 

Water Resources Research, 37/6, 1771‐1781. 

Senoner, T., Stanzel, P., Nachtnebel, H.P. 2011. From global change to local assessment: correction of climate 

change scenarios for a hydrological impact study. In: Balint, G., Proceedings of the XXVth Conference of the 

Danube Countries on Hydrological Forecasting and Hydrological Bases of Water Management 

Smakhtin, V.U. 2000. Estimating daily flow duration curves from monthly streamflow data. Water SA 26/1, 

13‐17 

Span, N., Fischer, A., Kuhn, M., Massimo, M., Butschek, M. 2005. Radarmessungen der Eisdicke österreichischer 

Gletscher. Band 1: Messungen 1995 bis 1998. Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik (ZAMG), Wien.    

Stahl, K., Tallaksen, L.M., Hannaford, J., van Lanen, H.A.J. 2011. Abflusstrends in Europa: Vergleich eines Multi‐

Modell‐Experiments mit Beobachtungen. In: Blöschl, G. und Merz, R. (Hrsg.): Hydrologie & Wasserwirtschaft ‐ 

von der Theorie zur Praxis. Beiträge zum Tag der Hydrologie 2011, 24./25. März 2011 an der TU Wien. Forum 

für Hydrologie und Wasserbewirtschaftung 30.11 

Stahl, K.,Hisdal, H., Hannaford, J., Tallaksen, L. M., van Lanen, H. A. J., Sauquet, E., Demuth, S., Fendekova, M., 

Jódar, J. 2010. Streamflow trends in Europe: evidence from a dataset of near‐natural catchments. Hydrology 

and Earth System Sciences 14, 2367‐2382 

Stanzel, P. and Nachtnebel, H.P. 2010. Mögliche Auswirkungen des Klimawandels auf den Wasserhaushalt und 

die Wasserkraftnutzung in Österreich. Österreichische Wasser‐ und Abfallwirtschaft, 62 / 9‐10, 180‐187 

Thornthwaite, C.W. und Mather, J.R. 1957. Instructions and tables for computing potential evaporation and the 

water balance. Publications in Climatology, 10 / 3. 

van der Linden, P., and Mitchell, J.F.B.  (Eds.) 2009.  ENSEMBLES: Climate Change and its Impacts: Summary of 

research and results from the ENSEMBLES project. Met Office Hadley Centre, FitzRoy Road, Exeter EX1 3PB, UK. 

160pp 

Zambrano‐Bigiarini, M., Majone, B., Bellin, A., Bovolo, C.I., Blenkinsop, S., Fowler, H.J. 2011. Hydrological 

Impacts of Climate Change on the Ebro River Basin. In: Barceló, D. and Petrovic, M. (Eds.), The Ebro River Basin. 

The Handbook of Environmental Chemistry 13 

 

   

78 

7. List of Figures 

Fig. 1: Schematic description of the water balance model ..................................................................... 6 

Fig. 2: 188 Austrian catchments represented in the water balance model, grouped into 16 river basins

 ................................................................................................................................................................. 7 

Fig. 3: Basins selected for the analysis of river runoff ............................................................................. 9 

Fig. 4: Flow duration curves of the Mur river (from daily observations, red, and monthly means, blue); 

values of Q90 and Q95 are indicated by vertical lines .......................................................................... 10 

Fig. 5: Analysis of run length below Q90 for 1961‐90 for the Drau river (gauge Lavamünd) ............... 10 

Fig. 6: Example of the distribution of run length below the median (right) for a 35 year time series of 

the Enns (left). ....................................................................................................................................... 11 

Fig. 7: Locations and and detailed maps of the three selected alpine reservoir catchment areas 

(background map: Pirker, 2005) ............................................................................................................ 13 

Fig. 8: Glacier areas in the water balance (WB) model and in the inventory of Kuhn and Lambrecht 

(2005, in the Hydrological Atlas of Austria HAO) .................................................................................. 14 

Fig. 9: Basins selected for the analysis of groundwater recharge ......................................................... 15 

Fig. 10: Climate change signals for temperature for 2051‐2080 in RegCM3 (left) and Aladin‐Arpege 

(right) data (Source: BOKUMET) ............................................................................................................ 17 

Fig. 11: Climate change signals for temperature for 2061‐2090 in RegCM3 (left) and Aladin‐Arpege 

(right) data (Source: BOKUMET) ............................................................................................................ 17 

Fig. 12: Climate change signals for precipitation for 2051‐2080 in RegCM3 (left) and Aladin‐Arpege 

(right) data (Source: BOKUMET) ............................................................................................................ 18 

Fig. 13: Climate change signals for precipitation for 2061‐2090 in RegCM3 (left) and Aladin‐Arpege 

(right) data (Source: BOKUMET) ............................................................................................................ 18 

Fig. 14: Simulated and observed duration curves (upper panel), mean monthly runoff (middle panel) 

and relative frequencies of occurrence of the lowest annual runoff in each calendar month (lower 

panel) for one upstream gauge (Liezen) and one downstream gauge (Steyr/Ortskai) of the Enns river

 ............................................................................................................................................................... 19 

Fig. 15: Simulated and observed duration curves (upper panel), mean monthly runoff (middle panel) 

and relative frequencies of occurrence of the lowest annual runoff in each calendar month (lower 

panel) for one upstream gauge (Gestüthof) and one downstream gauge (Mureck/Spielfeld) of the 

Mur river ................................................................................................................................................ 20 

Fig. 16: Simulated and observed duration curves (upper panel), mean monthly runoff (middle panel) 

and relative frequencies of occurrence of the lowest annual runoff in each calendar month (lower 

panel) for one upstream gauge (Oberdrauburg) and one downstream gauge (Lavamünd) of the Drau 

river ....................................................................................................................................................... 21 

Fig. 17: Scatterplots of precipitation (left) and potential evapotranspiration ETP0 (right) in the 

reference runs with Arpege (above) and RegCM3 (below) input data and the KlimAdapt reference run 

with IWHW input data ........................................................................................................................... 22 

79 

Fig. 18: Scatterplots of observed and simulated seasonal runoff in the reference period, with input 

data from Arpege (left) and RegCM3 (right) ......................................................................................... 22 

Fig. 19: Relative runoff change (ΔQ) in relation to relative precipitation change (ΔP) ......................... 23 

Fig. 20: Relative runoff change (ΔQ) in relation to relative precipitation change (ΔP) for classes of 

temperature change (ΔT) ...................................................................................................................... 23 

Fig. 21: Absolute runoff change (ΔQ) in relation to absolute precipitation change (ΔP) for classes of 

temperature change (ΔT) ...................................................................................................................... 24 

Fig. 22: Comparison of results for absolute runoff change (ΔQ) with the water balance model and the 

regression model based on precipitation and temperature change .................................................... 24 

Fig. 23: Division into alpine and lowland catchments ........................................................................... 25 

Fig. 24: Comparison of results for ΔQ with the water balance model and the regression models for 

alpine and lowland catchments ............................................................................................................ 25 

Fig. 25: Change in mean annual runoff 2051‐2080 relative to 1961‐1990, simulated with Aladin‐

Arpege (top) and RegCM3 (bottom) input data .................................................................................... 26 

Fig. 26: Change in mean annual runoff 2061‐2090 relative to 1961‐1990, simulated with Aladin‐

Arpege (top) and RegCM3 (bottom) input data .................................................................................... 27 

Fig. 27: Change in mean annual runoff 2061‐2090 relative to 1961‐1990, simulated with REMO‐UBA 

(from Kranzl et al. 2010) ........................................................................................................................ 28 

Fig. 28: Change in mean seasonal runoff 2051‐2090 relative to 1961‐1990 with Aladin‐Arpege ........ 29 

Fig. 29: Change in mean seasonal runoff 2051‐2090 relative to 1961‐1990 with RegCM3 .................. 29 

Fig. 30: Development of simulated mean flow (MQsim) through 30‐year periods around 1975, 2025, 

2050, and 2075 for  Enns (top), Mur (middle) and Drau (bottom) with the REMO‐UBA scenarios A1B 

(left) and A2 (right) ................................................................................................................................ 30 

Fig. 31: Comparison of the ratio of simulated mean flow (MQsim) in the 30‐year periods around 2075 

and 1975 with A1B scenarios of REMO‐UBA (black), RegCM3 (orange) and Aladin‐Arpege (violet) for 

Enns, Mur, Drau and Ager ..................................................................................................................... 31 

Fig. 32: Mean runoff (MQ )of 2061‐2090 relative to 1961‐1990 for Enns, Mur and Drau, based on 

REMO‐UBA scenarios A1B (top) and A2 (bottom) ................................................................................ 32 

Fig. 33: Q10 of 2061‐2090 relative to 1961‐1990 for Enns, Mur and Drau, based on REMO‐UBA 

scenarios A1B (top) and A2 (bottom) .................................................................................................... 33 

Fig. 34: Mean monthly runoff in 2061‐90 for the scenarios A1B and A2, compared to 1961‐90, for 

Enns, Mur and Drau ............................................................................................................................... 34 

Fig. 35: Mean monthly runoff in 2061‐90, with REMO‐UBA (top), RegCM3 (bottom left) and Aladin‐

Arpege (bottom right), compared to 1961‐90, for two gauges of the river Enns ................................. 35 

Fig. 36: Mean monthly runoff in 2061‐90, with REMO‐UBA (top), RegCM3 (bottom left) and Aladin‐

Arpege (bottom right), compared to 1961‐90, for two gauges of the river Mur .................................. 36 

Fig. 37: Mean monthly runoff in 2061‐90, with REMO‐UBA (top), RegCM3 (bottom left) and Aladin‐

Arpege (bottom right), compared to 1961‐90, for two gauges of the river Drau ................................. 36 

80 

Fig. 38: Mean monthly runoff in 2061‐90, with REMO‐UBA (top), RegCM3 (bottom left) and Aladin‐

Arpege (bottom right), compared to 1961‐90, for the river Ager ......................................................... 37 

Fig. 39: Development of simulated duration curves through 30‐year periods around 1975, 2025, 2050, 

and 2075 for the upstream gauge Liezen of the Enns river ................................................................... 37 

Fig. 40: Development of simulated values of Qmin (upper row),Q90 (middle row) and Q95 (bottom 

row) through 30‐year periods around 1975, 2025, 2050, and 2075 for the Enns river ......................... 38 

Fig. 41: Development of simulated values of Qmin through 30‐year periods around 1975, 2025, 2050, 

and 2075 for the Mur river .................................................................................................................... 39 

Fig. 42: Development of simulated values of Qmin through 30‐year periods around 1975, 2025, 2050, 

and 2075 for the Drau river ................................................................................................................... 39 

Fig. 43: Comparison of the ratio of simulated low flow (Qmin) in the 30‐year periods around 2075 and 

1975 with A1B scenarios of REMO‐UBA (black), RegCM3 (orange) and Aladin‐Arpege (violet) for Enns, 

Mur, Drau and Ager ............................................................................................................................... 40 

Fig. 44: Relation between long term mean annual 7‐day minimum flow (MAM7) and mean lowest 

annual monthly runoff (Qmin) for different gauges along the rivers Enns (left), Mur (middle) and Drau 

(right) ..................................................................................................................................................... 41 

Fig. 45: Relation between annual 7‐day minimum flow  ( AM7 ) and lowest annual monthly runoff 

(Qmin) for time series of selected gauges of  the rivers Enns (left), Mur (middle) and Drau (right) .... 41 

Fig. 46: Relative frequencies of the occurrence of the lowest annual runoff in each calendar month, for 

the 30‐year periods around 1975 (blue, upper part of graphs) and 2075 (lower part) for two gauges of 

the Enns river ......................................................................................................................................... 42 

Fig. 47: Relative frequencies of the occurrence of the lowest annual runoff in each calendar month, for 

the 30‐year periods around 1975 and 2075 for the most downstream gauges of the Mur and Drau 

rivers ...................................................................................................................................................... 43 

Fig. 48: Relative frequencies of the occurrence of the lowest annual runoff in each calendar month, for 

the 30‐year periods around 1975 and 2075 for the Ager rivers ............................................................ 43 

Fig. 49: Skewness measure g of the frequency distributions of run length below Q90 in the 30‐year 

periods around 1975 and 2075 for the most downstream gauges of the Enns(top) and Drau(bottom) 

rivers, simulated with REMO‐UBA A1B and A2 scenarios (left) and Aladin‐Arpege and RegCM3 

scenario (right, both A1B) ..................................................................................................................... 44 

Fig. 50: Time series of annual runoff of the Enns at Steyr/Ortskai, observed (blue) and simulated with 

observed input data (red), above, and shown as difference to the median Q of the respective time 

series (below) ........................................................................................................................................ 45 

Fig. 51: Distribution of run lengths for the Enns, resulting from the time series in Fig. 50 .................. 45 

Fig. 52: Distribution of run lengths for the Drau (at Sachsenburg) ....................................................... 46 

Fig. 53: Difference between mean annual runoff and the median for the respective period for 2002‐

2043 (left) and 2049‐2090 (right), above; resulting distributions of run lengths, below; REMO‐UBA 

A1B for the Enns at Styr/Ortskai ........................................................................................................... 47 

81 

Fig. 54: Distribution of run lengths in simulated runoff for the periods of 1952‐1999, (top left, blue) 

and 2002‐2049 (bottom left) and 2043‐2090 (bottom right); REMO‐UBA A1B  for the Drau at 

Lavamünd .............................................................................................................................................. 47 

Fig. 55: Skewness measure g for the distributions of run lengths in simulated runoff for the periods of 

1952‐1999 (blue) and 2002‐2049 and 2043‐2090 (REMO‐UBA, black: A1B, red: A2), for the Enns (left) 

and the Drau (right) ............................................................................................................................... 48 

Fig. 56: Mean annual runoff time series (mean annual Q ‐ median Q of the entire period) for the 

simulations with control run climate model data for Aladin‐Arpege (left) and RegCM3 (right). ......... 48 

Fig. 57: Skewness measure g for the distributions of run lengths in simulated runoff for the periods of 

1952‐1999, 2002‐2049 and 2043‐2090 (Aladin‐Arpege: violet, RegCM3: orange, both A1B) .............. 49 

Fig. 58: Autocorrelation plots for the Enns; simulations for 1952‐1999 driven by observations (top), 

driven by REMO‐UBA A1B data for 2002‐2049 (middle left) and for 2043‐2090 (middle right), and 

driven by REMO‐UBA A2 data for 2002‐2049 (bottom left) and for 2043‐2090 (bottem right) ........... 50 

Fig. 59: Autocorrelation plots for the Drau; simulations for 1952‐1999 driven by observations (top), 

driven by REMO‐UBA A1B data for 2002‐2049 (middle left) and for 2043‐2090 (middle right), and 

driven by REMO‐UBA A2 data for 2002‐2049 (bottom left) and for 2043‐2090 (bottem right) ........... 51 

Fig. 60: Autocorrelation plots for the Drau with Aladin‐Arpege; simulations for 1952‐1999 (top), for 

2002‐2049 (bottom left) and for 2043‐2090 (bottem right) ................................................................. 51 

Fig. 61: Autocorrelation plots for the Drau with RegCM3; simulations for 1952‐1999 (top), for 2002‐

2049 (bottom left) and for 2043‐2090 (bottem right) .......................................................................... 52 

Fig. 62: Development of precipitation and runoff in the 21st century, compared to 1961‐1990 

(Gepatsch) ............................................................................................................................................. 53 

Fig. 63: Seasonal course of the snowfall portion of total precipitation, for 1961‐90 (left) and 2061‐90 

(right) ..................................................................................................................................................... 53 

Fig. 64: Seasonal course of snow water equivalent, accumulated snowfall, snow melt and snow cover 

for 1961‐90 and 2061‐90 (Gepatsch) .................................................................................................... 54 

Fig. 65: Seasonal course of total runoff and snow melt and glacier melt portions, for the glacier 

simulation with ice DDF values like snow DDF values (left) and the simulation with doubled ice DDF 

values (right) .......................................................................................................................................... 55 

Fig. 66: Annual sums of total runoff and snow melt and glacier melt contributions, for the glacier 

simulation with ice DDF values like snow DDF values (left) and the simulation with doubled ice DDF 

values (right) .......................................................................................................................................... 55 

Fig. 67: Floating 30‐year means of ice melt contributions to runoff in the Pitze catchment for different 

climate change scenarios ...................................................................................................................... 56 

Fig. 68: Floating 30‐year means of ice melt contributions to runoff in the Pitze catchment simulated 

with climate data of different models and different emission scenarios ............................................. 57 

Fig. 69: Development of simulated ice water equivalent in the cachment areas of the Gepatsch 

reservoir in the 21st century, with ice DDF values like snow DDF values (left) and doubled ice DDF 

values (right) .......................................................................................................................................... 57 

82 

Fig. 70: Simulated development of glaciers in western Tyrol, with low ice DDFs (left) and high ice 

DDFs (right, for 2011 only the results with low ice DDFs are displayed, as differences are negligible) 58 

Fig. 71: Development of precipitation and runoff in the 21st century, compared to 1961‐1990 

(Sellrain‐Silz) .......................................................................................................................................... 59 

Fig. 72: Seasonal course of snow water equivalent, accumulated snowfall, snow melt and snow cover 

for 1961‐90 and 2061‐90 (Sellrain‐Silz) ................................................................................................. 59 

Fig. 73: Development of precipitation and runoff in the 21st century, compared to 1961‐1990 

(Kaprun‐Uttendorf) ............................................................................................................................... 60 

Fig. 74: Seasonal course of total runoff and snow melt and glacier melt portions (Kaprun‐Uttendorf)

 ............................................................................................................................................................... 60 

Fig. 75: Trends in water temperature resulting from water REMO‐UBA A1B climate model data, for 

the Mur (at Mureck/Spielfeld) and the Ager (at Schalchham) .............................................................. 61 

Fig. 76: Change in simulated mean annual groundwater recharge 2061‐2090 relative to 1961‐1990, 

results with REMO‐UBA A1B input data ................................................................................................ 62 

Fig. 77: Mean monthly simulated groundwater recharge for 1961‐1990 and 2061‐2090 for 

Aladin‐Arpege (top left), RegCM3 (top right) and REMO‐UBA (bottom left) and comparison of relative 

changes  of the three models for the entire year and the period of March to June( MAMJ, bottom 

left); results for the downstream Mur basin ......................................................................................... 63 

Fig. 78: Mean monthly simulated groundwater recharge for 1961‐1990 and 2061‐2090 for 

Aladin‐Arpege (top left), RegCM3 (top right) and REMO‐UBA (bottom left) and comparison of relative 

changes  of the three models for the entire year and the period of March to June( MAMJ, bottom 

left); results for the Raab basin ............................................................................................................. 63 

Fig. 79: Mean monthly simulated groundwater recharge for 1961‐1990 and 2061‐2090 for 

Aladin‐Arpege (top left), RegCM3 (top right) and REMO‐UBA (bottom left) and comparison of relative 

changes  of the three models for the entire year and the period of March to June( MAMJ, bottom 

left); results for the Rabnitz basin ......................................................................................................... 64 

Fig. 80: Mean monthly simulated groundwater recharge for 1961‐1990 and 2061‐2090 for 

Aladin‐Arpege (top left), RegCM3 (top right) and REMO‐UBA (bottom left) and comparison of relative 

changes  of the three models for the entire year and the period of March to June( MAMJ, bottom 

left); results for the Leitha basin ........................................................................................................... 64 

Fig. 81: Relative change of mean runoff (compared to 1961‐90) for the 2020s (top) and the 2070s 

(bottom), and the ECHAM4 (left) and HadCM3 (right) models. Source: Lehner et al. 2005 ................ 66 

Fig. 82: Change in the month of maximum runoff by 2050, compared to 1961‐90. Source: Arnell 1999

 ............................................................................................................................................................... 68 

Fig. 83: Change in seasonal runoff to the Baltic Sea, 2071‐2100 compared to 1961‐90, in 2 B2 

scenarios (left) and 3 A2 scenarios (right). Source: Graham et al. 2007 ............................................... 69 

Fig. 84: Month of minimal runoff (left) and trend of runoff in the respective month (right), from 

1962‐2004 runoff observations. Source: Stahl et al. 2010 .................................................................... 70 

Fig. 85: Change in the flow exceeded 90% of the time (Q90) by 2050, compared to 1961‐90.  Source: 

Arnell 1999 ............................................................................................................................................ 71 

83 

Fig. 86: Change in recurrence of today’s 100‐year droughts (1961‐90) by the 2070s. 

Source: Lehner et al.  2006 .................................................................................................................... 72 

 

 

   

84 

8. List of Acronyms 

BOKUMET  Institute of Meteorology, University of Natural Resources and Life Sciences  

COSERO  Continuous semi‐distributed rainfall‐runoff model 

DDF    Day degree factor 

EEG    Energy Economics Group, Vienna University of Technology 

GCM     General Circulation Model 

IWHW   Institute of Hydrology, Water Management and Hydraulic Engineering, University of 

Natural Resources and Life Sciences 

m a.s.l.    Meters above sea level 

MAM7    Mean annual 7‐day minimum flow  

MAMJ    period of March, April, May and June 

Q10, Q90, Q95  Runoff exceeded in 10%, 90%, 95% of the time 

Qmin    Lowest monthly runoff of a year 

RCM    Regional Climate Model 

US     United States of America 

WP    Work package 

     

 

   

85 

9. Annex – Comments on the delivered runoff simulation time 

series 

 

9.1. Delivered runoff simulation time series 

Runoff time series with following specifications are delivered as Excel‐files: 

Regional climate models 

1. RegCM (REG) 

2. Aladin‐Arpege (ARP) 

3. REMO‐UBA (REMO) 

Time periods 

1. Reference: 1961 ‐ 1990 

2. Scenario: 2051 – 2080 

Runoff time series 

For every regional climate model a seperate Excel‐file is provided, which includes times series of 

runoff simulations of the water balance model and runoff time series of selected danube river power 

plants. 

Model output of water balance model: 

Time series of 188 catchments (Figure 1) 

Runoff data of  the  catchments  illustrated  in Figure 1 are deliverd. The numbers of  the  catchment 

shown in the map are the same as the headers of the columns in the Excel‐files. 

Danube river power plants (Figure 2): 

Aschach 

Abwinden‐Asten 

Wallsee‐Mitterkirchen 

Ybbs‐Persenbeug 

Altenwörth 

Freudenau 

 

 

86 

 

Figure 1: Catchments of the water balance model. The 16 river basins are represented in different colours 

918

11131012

802

1108

1306

1209

1617

512 806

606

1018

1303

1114

309

203

503

1409

809

409

401 505801

1403

308

708

405

703

1406403

914

504

915

511

404103

805

510 507

1511

807

101

913

1304

513

1408

706

1616

1112

1405

209

1004

410

502

506

1407

803

1508

808

1205

1612

605

1608

1305408

514

1009

702

910

1613

1302

916

1510

804

1201

1214

705

1515

902

602

707

1507

108

1106

3041609

1404

912

1019

1207

906

306

1110

701

1203

1514

1606

1206

603

106

1109

1211

907

1007

1016

1501

302 1615

917

1513

407

1213

1506

1005

1204

1003

1610

1402

905

1504

1008

904

1611

1605

202

1103

1601

402

1001

1014

704 1104

1301

903

104

1107

909

1013

1002

1502

1512

1212

1010

207

901

204

406

1604

205

303

501

208

508 1401

307

102

1006

10111101

908

604

1603

509

1607

206

1202

1102

1503

1614

1017

911

1208

1015

305

107

1602

1111

301

201

1618

1210

105

601

919919

1105

15091505

411

919

1213

1213411411

1017

411

0 50 10025Kilometer

±

87 

 

Figure 2: Storage and river power stations (source: BMLFUW, 2005). Delivered Danube river power plants are shown separately. 

#

###

#

#

!!

!!

!

!

!

!

!

!

!

!!!!

! !

!!

!!!

!

!

!

!

!!

!!!

!

!!

!

!

!

!!

!!

!!

!

! !

!!

!! !

! !!!!!!!

!

!!!!!

! !!!!

!!

!

!!!

! !!

!

! !! ! !!

!! !!

!!!!

!!

!

!!

!!!

!!

!!

!!

!!

!

!!

!!

!

!

!

!

!!

!!!!

!!

!!!!

!!!

!

!!

!

!

!

!!!

!!!!!!

!!!

!!!

!

!

!!

!

!

!

!

!

!

!

!

!!

Aschach

Freudenau

Altenwörth

Abwinden-AstenYbbs-Persenbeug

Wallsee-Mitterkirchen

0 50 10025Kilometer

±

! Storage power plants

! River power plants

# Delivered Danube river power plants

88 

9.2. Estimation of the Swiss and German Inn and the German Danube 

The water balance model only covers Austrian catchments. Therefore, seperate calculations had to 

be performed to estimate the inflow of the Inn river from Switzerland, the runoff contributions of the 

German areas to the Inn and the Danube from Germany. 

Observations  of  runoff  for  the  gauging  station Martina  at  the  border  between  Switzerland  and 

Austria were  provided  by  the  Swiss  Federal  Office  for  the  Environment  (Bundesamt  für  Umwelt 

BAFU). Mean monthly  correlation‐values  between  these  obervations  and  simulations  of  subbasin 

0309 of the Inn basin (Figure 1) were determined. These values were also used for the estimation of 

inflow from Switzerland in the future scenarios. 

For the estimation of the German Inn, the runoff values of the low lying catchments of the Austrian 

Inn (subbasin 0601, 0602, 0603, 0604, 0605, 0606, 0411, 0511 ‐ Figure 1) were extrapolated, taking 

into account the ratio between the areas of the Austrian and German Inn. The overall Inn was then 

calculated  as  the  sum  of  the  German  contribution  and  the  runoff  contributions  of  the  Austrian 

catchments, including the Swiss share. This method is also applied for the future scenarios. 

Similar  to  the  estimation  of  the  Swiss  Inn,  mean  monthly  correlation‐values  were  determined 

between  the  overall  Inn  and German Danube  based  on  values  provided  by  Kling  et  al.  (2012a  – 

RegCM and Aladin; 2012b – REMO‐UBA)  for  the  reference period 1961  ‐ 1990. These values were 

used to calculate runoff in the German Danube in the future, with the overall Inn as a basis. Changes 

in seasonality – which show different characteristics for the German Danube than for the more alpine 

Inn – are  considered by  incorporating  the  future  runoff  simulations of Kling et al.  (2012a, 2012b). 

Kling et al. (2012a, 2012b) use the same climate models as applied  in PRESENCE, but the period of 

2051‐2080  is not  analysed  in  their  study.  From  their  results  for  2021‐2050  and  2071‐2100, mean 

monthly runoff for 2051‐2080 was derived by  linear  interpolation. These results were then used to 

correct  the  seasonal  course  of  runoff  in  the German Danube.  This  is  regarded  as  reasonable,  as 

seasonal  changes  are  triggered  strongly  by  temperature  change, which  shows  a  constant  rate  of 

increase  in the climate models. The mean runoff  is not corrected, but used from the water balance 

model  simulations  for  the  Inn  (Figure  3),  which  incorporate  the  actual  long  term  fluctuation  of 

precipitation in the climate model data for the period of 2051‐2080. 

 

 

Figure 3: Mean monthly runoff conditions of the German Danube (RegCM3 2051 – 2080) with and without consideration of a seasonal shift. 

0

250

500

750

1000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

m³/s

Month

Danube Kling 2065 Danube from Inn (2051‐2080) ‐ without seasonal shift

Danube from Inn (2051‐2080) ‐ including seasonal shift

89 

9.3. Estimation of a typical hydrological regime shift for German 

hydropower production 

For  the  estimation  of  hydropower  production  in  Germany  in  subsequent modelling,  information 

about hydrological changes under climate change conditions are needed. Projections for the Rhine by 

Middelkoop et al. 2001,  simulated with an earlier generation of climate models, are  shown  for an 

alpine gauge and the entire Rhine basin in Figure 4.    

 Figure 4: Monthly average discharge of the Rhine at Rheinfelden (alpine Rhine) and Rees (entire basin); source: Middelkoop et al. 2001 

Figure  5  shows  PRESENCE  results  for  the Danube.  The  pattern  of  seasonal  shift  is  similar  to  the 

patterns  for  the  Rhine.  Results with  RegCM3  show  a  future  seasonality  somehow  inbetween  the 

alpine  and  the  entire  Rhine  in  the  results  of Middelkoop  et  al.  (2001).  The  change  projected  by 

Aladin‐Arpege shows a much more pronounced seasonality. This is also the case for the REMO‐UBA‐

simulation. While  the strong decrease  in summer  is also simulated by Middelkoop et al.  (2001)  for 

the alpine Rhine, the marked increase in spring is not present in their simulations.  

As  the  results  in  Figure  5  are  generated with  the  PRESENCE  climate models,  they  are  in  general 

accordance  with  the  projections  for  Austria  used  in  subsequent  modelling.  It  is  therefore 

recommended  to apply  the changes shown  in Figure 5 as  typical hydrological changes  for German 

hydropower production. If only one future scenario is applied, the RegCM3 or REMO‐UBA projections 

projections are recommended, as they are in better agreement with the results of Middelkoop et al. 

(2001). 

 

 

Figure 5: Monthly average discharge of the Danube upstream of the inflow of the Inn 

0

250

500

750

1000

1250

1500

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

m³/s

Month

German Danube 1961‐1990 RegCM3 2051‐2080

Aladin‐Arpege 2051‐2080 REMO‐UBA 2051 ‐ 2080