Wird der Starkregen immer stärker?Analyse von erosions-relevanten Starkregen
Dr. Eva Nora MüllerEmmy-Noether Gruppe ECHO
Institut für Erd- und UmweltwissenschaftenUniversität Potsdam
Welcher Starkregen?
Dauer: TageSkala: Makro-MesoAuswirkung: Überschwemmung
Dauer: MinutenSkala: Mikro-HangAuswirkung: Splash Erosion
Dauer: ~ 1 StundeSkala: Mikro-MesoAuswirkung: Flash floods, Stadtentwässerung
Trendanalyse von StarkregenDatengrundlage:Ort: 8 Regenreihen aus dem Emscher & Lippe EZGLänge: 51-79 JahreAuflösung: bis zu einer Minute genauArt: analoge Schreibstreifen < 1990er
digitale Daten > 1990er
Verfahren:Herausfilterung von Extremniederschlägen mit
1. t=1-30 min 2. h=1-10 mm 3. i=0.03-10 mm/min
Mann-Kendall Test der Extremereignisse/Jahr nach der Yu Pilon Methode
(prewhitened, Autokorrelations-bereinigt)
Steigung der Trendgerade nach der Theil-Sen Schätzung
Minimaler erosionsrelevanter Regen: > 0.3 mm/min (≡ 20 mm/h)Trendanalyse veröffentlicht: Mueller & Pfister (2011) J Hydrology
Zeitreihe für erosionsrelevanten StarkregenBeispiel: Station Soest
Dauer: 1 min
Höhe: 1-2 mm
Intensität: 1-2 mm/min
Dauer: 4 min
Tiefe: 2-3 mm
Intensität: 0.5-0.7 mm/min
02468
10121416
1940 1960 1980 2000Time
No.
of
even
ts p
er y
ear
0
2
4
6
8
10
12
1940 1960 1980 2000Time
No.
of
even
ts p
er y
ear
Trend Bubble Diagramm:Intensität – Dauer – Höhe
Positive Trends für 1940er-2009
Positive Trends für 1975-2009
Positive Trends für 1975-2009Statistisch signifikant
Positive Trends für 1975-2009Statistisch signifikantErosions-relevant
Trend Bubble Diagramm:Intensität – Dauer – Höhe
Positive Trends für 1940er-2009
Positive Trends für 1975-2009
Positive Trends für 1975-2009Statistisch signifikant
Positive Trends für 1975-2009Statistisch signifikantErosions-relevant
Trend Bubble Diagramm:Intensität – Dauer – Höhe
Positive Trends für 1940er-2009
Positive Trends für 1975-2009
Positive Trends für 1975-2009Statistisch signifikant
Positive Trends für 1975-2009Statistisch signifikantErosions-relevant
Trend Bubble Diagramm:Intensität – Dauer – Höhe
Positive Trends für 1940er-2009
Positive Trends für 1975-2009
Positive Trends für 1975-2009Statistisch signifikant
Positive Trends für 1975-2009Statistisch signifikantErosions-relevant
Linearer TrendZeitraum 1940er-2009 Zeitraum 1975-2009
Station
Essen
Station
Hamm
Station
Soest
Linearer TrendZeitraum 1940er-2009 Zeitraum 1975-2009
Station
Essen
Station
Hamm
Station
Soest
Saisonalität der Starkregen
Jan.-März April-Juni Juli-Sept. Okt.-Dez.
Essen
Ham
mS
oest
Projektionen von erosionsrelevanten Starkregen
Year S1 S2 S3 S4
Essen
No.
of e
vent
s
05
1015
R(1min,1-2mm)R(2min,1-2mm)R(3min,1-2mm)R(4min,2-3mm)
Year S1 S2 S3 S4
Bochum
No.
of e
vent
s
05
1015
R(1min,1-2mm)R(2min,1-2mm)R(3min,1-2mm)R(4min,2-3mm)
Year S1 S2 S3 S4
Hamm
No.
of e
vent
s
05
1015
R(1min,1-2mm)R(2min,1-2mm)R(3min,1-2mm)R(4min,2-3mm)
Year S1 S2 S3 S4
Huenxe
No.
of e
vent
s
05
1015
R(1min,1-2mm)R(2min,1-2mm)R(3min,1-2mm)R(4min,2-3mm)
Year S1 S2 S3 S4
Lembeck
No.
of e
vent
s
05
1015
R(1min,1-2mm)R(2min,1-2mm)R(3min,1-2mm)R(4min,2-3mm)
Year S1 S2 S3 S4
Recklinghausen
No.
of e
vent
s
05
1015
R(1min,1-2mm)R(2min,1-2mm)R(3min,1-2mm)R(4min,2-3mm)
Year S1 S2 S3 S4
Soest
No.
of e
vent
s
05
1015
R(1min,1-2mm)R(2min,1-2mm)R(3min,1-2mm)R(4min,2-3mm)
Year S1 S2 S3 S4
Duelmen
No.
of e
vent
s
05
1015
R(1min,1-2mm)R(2min,1-2mm)R(3min,1-2mm)R(4min,2-3mm)
Trendzunahme von
0.2-0.5 Ereignissen/Jahr
IMPAKT??
Folgen von erosionsrelevanten Starkregen
• Erosion (Nährstoff-, Sediment-, Schadstoffverlagerung)
• Auslaugen von Boden
• Verstärkung der Eutrophierung von Gewässern
• Sedimentation von Fließrinnen und Wasserbauwerken
• Auswirkungen auf urbane Strukturen (Defizit in der Dach- und Schachtentwässerung)
Folgen von erosionsrelevanten Starkregen
• Erosion (Nährstoff-, Sediment-, Schadstoffverlagerung)
• Auslaugen von Boden
• Verstärkung der Eutrophierung von Gewässern
• Sedimentation von Fließrinnen und Wasserbauwerken
• Auswirkungen auf urbane Strukturen (Defizit in der Dach- und Schachtentwässerung)
1 2
3
Monitoring: Nährstoffverlagerung von landwirtschaftlich genutzten Flächen
A
B
CD1
D2
D3
E
F
A
B
CD1
D2
D3
E
F
Ort: Ketzin, Brandenburg
Sampling: 2-wöchentlich
Art: Multi-spatiale Beprobung von Nährstoffflüssen (P, NO3, NH4)
1
Nährstoffverlagerung durch Starkregen
Daily rain and max. rain intensities
0
5
10
15
20
25
30
Da
ily r
ain
(m
m)
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
Ex
tre
me
inte
ns
ity
(m
m/m
in)
Daily rain
Extremes intensities
Particulate P
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
01
/04
/11
15
/04
/11
29
/04
/11
13
/05
/11
27
/05
/11
10
/06
/11
24
/06
/11
08
/07
/11
22
/07
/11
05
/08
/11
19
/08
/11
02
/09
/11
16
/09
/11
30
/09
/11
Date
Pa
rtic
ula
te P
(m
g/l)
Sampling location D1P
Sampling location D2
Sampling location B
Partikulär gebundener Phosphor in 3 Gräben
1
Nährstoffverlagerung durch Starkregen
Daily rain and max. rain intensities
0
5
10
15
20
25
30
Da
ily r
ain
(m
m)
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
Ex
tre
me
inte
ns
ity
(m
m/m
in)
Daily rain
Extremes intensities
Particulate P
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
01
/04
/11
15
/04
/11
29
/04
/11
13
/05
/11
27
/05
/11
10
/06
/11
24
/06
/11
08
/07
/11
22
/07
/11
05
/08
/11
19
/08
/11
02
/09
/11
16
/09
/11
30
/09
/11
Date
Pa
rtic
ula
te P
(m
g/l)
Sampling location D1P
Sampling location D2
Sampling location B
Partikulär gebundener Phosphor in 3 Gräben
1
Modellierung von Sedimentverlagerung
Model: Prozess-basiertes Erosionsmodel MAHLERAN
Größe: Versuchsplot (700 m2, 0.5 m Zellen)
Auflösung: Erosionsberechnung in Sekundenauflösung
Zeitraum: 1975-2009
2
Modellierung von Sedimentverlagerung
0200400600800
1000
19
75
19
80
19
85
19
90
19
95
20
00
20
05
Ra
in (
mm
)
0
5
10
15
19
75
19
80
19
85
19
90
19
95
20
00
20
05
Ru
no
ff (
m3
)
0.0
0.1
0.2
19
75
19
80
19
85
19
90
19
95
20
00
20
05S
ed
ime
nt
(kg
)
01234
19
75
19
80
19
85
19
90
19
95
20
00
20
05Ero
sio
n e
ve
nts
Regen
O-Abfluss
Sediment
Anzahl Erosions-ereignisse
2
Urbane Folgen von StarkregenÜberlaufende Dach- und Schachtentwässerung
vollgelaufene Keller
3
Kleineinsatzwagen KLEF für die Stadt Berlin
0
2000
4000
6000
8000
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010Jahr
Anz
ahl d
er E
insä
tze
Schlussfolgerung – Ausblick
• Verfügbare Impaktstudien zu Erosion, Gewässer und urbaner Raum ungenügend
• Re-Analyse von Niederschlagsreihen für andere Gebiete (regional – global) als nächster Schritt
• Meteorologische Analysen (einschließlich Großwetterlagen) erforderlich
! Kooperationen sind willkommen !