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Hennef 22.02.2006 Manfred.Stock@pik-potsdam.de 1

Vom Klimawandel zum Wasserschaden - Einflussfaktoren, Wirkungsmuster & Unsicherheiten

Manfred Stock, Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK)

DWA-Expertengespräch: Klimawandel -Konsequenzen für die Siedlungsentwässerung

INHALT

1. Ursachen Wirkungen bei Starkregenereignissen

2. Beobachtete Veränderungen beim Niederschlag

3. Ansätze zur Abschätzung zukünftiger Veränderungen

4. Mögliche Konsequenzen zur Anpassung

www.pik-potsdam.de/~stock

Klimaveränderung Extremereignisse ?

Klimawandel

Mittlerer Bodenabtrag Deutschlands seit dem 7. Jh. (Bork et al. 1998: Abb. 5.3)

Im Jahre des Herrn 1342, am zwölften Tage vor den Kalenden des August, das war am Sonntag vor Jacobi, schwoll der Main so stark an wie nie zuvor, dass er oberhalb der Stufen des Würzburger Doms und darüber hinaus die ersten steinernen Statuen umspülte. Die Brücke mit ihren Türmen, die Mauern und viele steinerne Häuser in Würzburg stürzten zusammen. In diesem Jahr gab es eine ähnliche Überschwemmung in ganz Deutschland und anderen Gebieten.

Zitiert nach: Rüdiger Glaser, Klima-geschichte Mitteleuropas, 2001; S. 200

? SchadensereignisseMaßnahmen

2.1: Das historische Schadensereignis, bei dem Deutschland einen Großteil seiner Brücken verlor, kann als Vorbote einer beginnenden Klimaveränderung vom „Klimaoptimum“ des Mittelalters zur sog. „Kleinen Eiszeit“ angesehen werden.

Ursachen - Wirkungen - Effekte ©

Klimawandel

Schadensereignisse

Zirkulation & Großwetterlagen1

Regionalklima & Lufttransport

Lokalklima: Verdunstung, Konvektion,Mehrphasenkondensation,

Wolkenbildung & Niederschlag

Landoberfläche 4

Starkregenereignisse

Hydrologie: regionale Abflüsse, lokale Strömungs- und Poolprozesse

Maßnahmen

Veränderungen bei Großwetterlagen I

Andauer der Großwetterlagen in Europa 1861-2004 (10-jährig gleitende Mittelwerte, Gerstengarbe & Werner 2005)

Veränderungen bei Großwetterlagen II

Häufigkeit verschiedener Großwetterlagen im Sommer; 1861-2004 (10-jährig gleitende Mittelwerte, Gerstengarbe & Werner 2005)

NWA, NWZ SWA, SWZ, SEA, SEZ, SA, SZ, TB, TRW

Niederschlag: Jahressumme & Trend 1951-2003

Datenbasis: 1693 DWD-Stationen; Modellierung und Rechnung: Gerstengarbe & Werner 2005

Trend [mm]Mittel [mm]

Niederschlagstrend: Sommer / Winter

Schönwiese & Trömel 2005: Zeitreihe 1901-2003 in Deutschland – Überschreitungswahrscheinlichkeit von 180 mm

Änderung Wahrscheinlichkeit Starkregenereignisse

S. Trömel & C.-D. Schönwiese, PIK Workshop December 12-13, 2005

> 95th percentile

Veränderung - Niederschlagswahrscheinlichkeit

Schönwiese et al. 2005 (INKLIM 2012)

Karl & Trenberth, SCIENCE (302), Dec. 2003

Intensity Classes of Seasonal Precipitation

Seasonal total precipitation: 230mm±5mm. Temperature classes: blue -3˚C to 19˚C, pink 19˚C to 29˚C, dark red 29˚C to 35˚C.

Gewitterhäufigkeit und Konvektionsindizes

Konvektionsindizes als Gewitterindikator:• CAPE =: Convective Available Potential Energy• CIM =: Convective Inhibition

C Kottmeier, M Kunz, T Hofherr, N Lichtenberger, J Sander, Karlsruhe 2005 (KLARA 2005)

Zunahme der Anzahl der Gewittertage im Zeitraum 1949-2000

Zunahme der Anzahl von Tagen mit hohen Gewitterpotenzial im Zeitraum 1971-2003 (Station Stuttgart)

Trends der Häufigkeit von Starkregentagen

Starkregentage (> 30 mm)im Sommer (Juni-August)

1881-2001 (30-jährige Glättung)

W. Fricke, GAW-Brief Nr.12 (2002)

Trends der Häufigkeit von Starkregentagen

Starkregentage (> 30 mm)im Sommer (Juni-August)

1881-2001 (30-jährige Glättung)

W. Fricke, GAW-Brief Nr.12 (2002)

Niederschlag

>| |< ~18 kmRegionalisierung

Klimawandel Wasserhaushalt

T~250 km

Globales Szenario GCM

Klimamodell

global

?lokal

Niederschlag2050

Infrastruktur

Böden/Geologie

Landnutzung

Hydrologie

Klimadaten

Regionalisierung von Klimaszenarien

~250 km ECHAM4-OPYC3 MPI Hamburg

Globales Klimamodell

~18 kmRand- und

Anfangswerte

REMO MPI Hamburg

Regionales Klimamodell

Beobachtungs-daten

Zirkulations-muster

WettReg Meteoresearch

Statistisches Downscaling

Beobachtungs-daten

generalisierteTrendinformation

STAR PIK-Potsdam

CLM (nichthydrostatisch)

Regionale Verteilung zukünftiger Niederschläge

Gerd Bürger 2004 (www.dfnk.de)

IST-Klima

Jahresmittel 1800 – 210030-jährige Datenfenster

BAU-Klima BAU-Klima

IST-Klima

(-1.5; -1.25)

(-1.25; -1.0)

(-1.0; -0.75)

(-0.75; -0.5)

(-0.5; -0.25)

(-0.25; 0)

(0; 0.25)

(0.25; 0.5)

(0.5; 0.75)

(0.75; 1.0)

(1.0; 1.25)

(1.25; 1.5)

-350; -300

-300; -250

-250; -200

-200; -150

-150; -100

-100; -50

-50; 0

50; 100

100; 150

150; 200

200; 250

Difference between 1961-1990 and 2070-2099 (A2, HadRM3-P)

Mean precipitation Annual maximum precipitation

Kundzewicz et al. (2004)

Klimawandel Niederschlagsverteilung I

Hennef 22.02.2006 Manfred.Stock@pik-potsdam.de 18Christensen & Christensen, Nature 2003

Klimawandel Niederschlagsverteilung II

Relative percentage change in precipitation for July-September in the IPCC A2 scenario with respect to the present day

seasonal mean five-day mean (> 95th percentile)

Rückkopplungen und Modellfehler

Trenberth et al. 2003

DischargePrecipitation

urbanized area

natural area

Wasserabflussverteilung

Zeitreihen- und Skalenanalyse I

Trends Abflussdaten Donaueinzugsgebiet:

О fallend О nicht signifikant О steigend

(Craigmile-Percival Trendanalyse + wavelets)

Kallache et al. 2005

Zeitreihen- und Skalenanalyse II

Korrelationsstruktur der Abflussdaten Donaueinzugsgebiet:

korreliert

langzeit

kurzzeit

Kallache et al. 2005

Siedlungsentwicklung

Thomas Loster, MuRe 2004

Zuweisung ortsabhängiger Gefährdungsklassen

Thomas Loster, MuRe 2004

unsafe

Einflussfaktoren bei Schadensereignissen

GEWÄSSER

extreme Pegel & Strömungen

Häufigkeit F(r,u,h)

UFER- und FLUSSBETT UMBAU

Extrem-Wetter

KLIMA LANDSCHAFT

STARKREGEN

extreme Abflüsse

Gelände- & Bodenzustand

SIEDLUNGEN

RISIKO R(r,w,u,h) = F*L

WWerte

Schadens-potenzial

Konsequenzen L(r,w)

Schutz-potenzial

r : regionale Lagew : Werteverteilungu : Strömungsgeschwindigkeith : Wasserstandshöhe

Resümee

1. Starkregenereignisse haben vielfach an Häufigkeit und Intensität zugenommen. Dies ist regional sehr unterschiedlich ausgeprägt und vereinzelt zeigen sich auch abnehmende Trends.

2. Bei großen Flutereignissen zeigt sich bisher kein signifikanter Trend, allerdings deutet sich bei Flutereignissen insgesamt ein Anstieg an. Hinweis auf lokale, kleinräumige extreme Ereignisse: Hot Spots!

3. Eine Anpassung der Siedlungsentwässerung an den Klimawandel ist notwendig und erfordert regional differenzierte Maßnahmen.

4. Die Ursachen-Wirkungsanalyse braucht eine Kombination von: - verifizierten regionalen hydrometeorologischen Datenreihen auf Stundenbasis,- innovativen Verfahren der Zeitreihen- und Skalenanalyse sowie- statistischen und dynamischen nichthydrostatischen Klimamodellen.

5. Sowohl Datenlage wie Zustand der Modelle sind derzeit noch für eine Projektion zukünftiger Entwicklungen unbefriedigend bis ungenügend.

Danke!

It‘s better to be vaguely right, than precisely wrong.

(K. Popper)

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!

Literatur- & Quellenhinweise• F.-W. Gerstengarbe, P. C. Werner, 2005: Katalog der Großwetterlagen Europas (1881-2004) nach Paul Hess und Helmut

Brezowsky, 6., verbesserte und ergänzte Auflage (September 2005); PIK-Report No.100 (www.pik-potsdam.de/publications/pik_reports)

• Wolfgang Fricke, Uwe Kaminski, Hohenpeißenberg (2002): „Ist die Zunahme von Starkniederschlägen auf veränderte Wetterlagen zurückzuführen?“; GAW-Brief Nr.12 (www.dwd.de/de/FundE/Observator/MOHP/hp2/gaw/gaw_briefe/gaw_briefe.htm)

• Integriertes Klimaschutzprogramm - INKLIM 2012; Abschlussbericht zu Baustein II (2005), Klimawandel und Klimafolgen in Hessen (www.hlug.de/medien/luft/inklim)

• KLARA - Klimawandel - Auswirkungen, Risiken, Anpassung; M. Stock (Hrsg.) (July 2005), PIK- Report No.99 (www.pik-potsdam.de/publications/pik_reports)

• DWD 2005: Rudolf, B., H. Frank, J. Grieser, G. Müller-Westermeier, J. Rapp, W. Trampf, Hydrometeorologische Aspekte des Hochwassers in Südbayern im August 2005; (www.dwd.de/en/FundE/Klima/KLIS/int/GPCC/News/Bilder/Hochwasser-Bayern-2005.pdf)

• Deutsches Forschungsnetz Naturkatatrophen (DFNK), Abschlussbericht 2004. Herausgeber: Dr.-Ing. Bruno Merz, Dr. Heiko Apel, GeoForschungsZentrum Potsdam (www.dfnk.de)

• Schönwiese & Trömel 2005: Langzeitänderungen des Niederschlags in Deutschland; in J. L. Lozán et al. (Hrsg.): Warnsignal Klima: Genug Wasser für alle?, Hamburg 2005

• Parry, M.L. (ed.), 2000: Assessment of Potential Effects and Adaptations for Climate Change in Europe: The Europe ACACIA Project. University of East Anglia, Norwich, United Kingdom, 324 pp.

• PIK Workshop December 12-13, 2005: New Developments in Trend- and Extreme Value Analysis of Hydrometeorological Time Series (www.pik-potsdam.de/skalenanalyse/)

•M. Kallache, H. Rust, J. Kropp, Stochastic Modelling and Trend Assessment of River Run-Off Data in Southern Germany; Geophysical Research Abstracts, Vol. 7, 04686, 2005

Definition Starkregen

Geiger, H., H. Zeller, G. Röthlisberger (1991): Starkniederschläge des schweizerischen Alpen- und Alpenrandgebietes, Band 7, S. 55 ff., Eidgenössische Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft, Birmensdorf 1991.

Rekorde (DWD 2005):

126 mm in 8 Minuten Füssen, 25. Mai 1920

312 mm / 24 hZinnwald, 12.-13.8.2002

Regen mita) einer im Verhältnis zur Dauer hohen Niederschlagsintensität undb) daher seltenem Eintritt (im Mittel höchstens zwei pro Jahr)

Ortsabhängig!

KOSTRA-2000 (T=100a)

Ursachen - Wirkungen - Effekte

Klimawandel

Schadensereignisse

Zirkulation & Großwetterlagen1

Regionalklima & Lufttransport

Lokalklima: Verdunstung, Konvektion,Mehrphasenkondensation,

Wolkenbildung & Niederschlag

Landoberfläche 4

Starkregenereignisse

Hydrologie: regionale Abflüsse, lokale Strömungs- und Poolprozesse

Maßnahmen

Hennef 22.02.2006 Manfred.Stock@pik-potsdam.de 1 Vom Klimawandel zum Wasserschaden -...

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