Analyse der extremen Hochwasser-Ereignisse in den Abflusssimulationen unter Verwendung der Klimaprojektionen RCA4-run12 und CCLM5.0-run1 - LARSIM

 
Analyse der extremen Hochwasser-Ereignisse in den Abflusssimulationen unter Verwendung der Klimaprojektionen RCA4-run12 und CCLM5.0-run1 - LARSIM
Analyse der extremen Hochwasser-Ereignisse in den
    Abflusssimulationen unter Verwendung der
 Klimaprojektionen RCA4-run12 und CCLM5.0-run1

                 Dr. Gabriel Fink, Dr. Manuela Nied
           Landesanstalt für Umwelt Baden-Württemberg

         Dr. Kai Gerlinger, Cornelius Klieber, Mathias Seibert
                            HYDRON GmbH

                            20. März 2019

                                                                 1
Analyse der extremen Hochwasser-Ereignisse in den Abflusssimulationen unter Verwendung der Klimaprojektionen RCA4-run12 und CCLM5.0-run1 - LARSIM
Klimaprojektionsdatensätze

Regionalmodell             COSMO CLM 5.0 run1                RCA4 run12

Globalmodell                        MPI-ESM-LR                       ICHEC-EC-EARTH

Emissions-Szenario                                      RCP8.5

Bias-Korrektur                Quantile mapping mit monatlichen Faktoren für Niederschlag,
                                           Lufttemperatur, rel. Luftfeuchte

                               Linear scaling mit monatlichen Faktoren für Globalstrahlung

Einsatz in WHM                              BW + CH + Bregenzerach + Elsass

Ausgewertete Zeiträume         1971 – 2000 (Ist-Zustand) und 2021 – 2050 (nahe Zukunft)

Räuml. Auflösung                      2,8 km                              12 km

  Emissionszenarien      Globales Klimamodell
                                             Regionales
                                             Klimamodell                      LARSIM

                                                                                             2
Analyse der extremen Hochwasser-Ereignisse in den Abflusssimulationen unter Verwendung der Klimaprojektionen RCA4-run12 und CCLM5.0-run1 - LARSIM
Veranlassung und Ziel

• Einige Extremereignisse deutlich höher als historisch gemessene Ereignisse in den
  simulierten Abflüsse der nahen Zukunft (2021-2050) unter Verwendung der beiden
  Klimaprojektionen CCLM5.0 und RCA4
• Ziel der Untersuchung:
    • Welche meteorologischen und hydrologischen Faktoren haben zur Entstehung der
      Extremereignisse geführt?
    • Stellen diese Faktoren im Kontext der jeweiligen Klimaprojektion eine besondere
      Ausnahmekonstellation dar?
    • Können solche Extremereignisse mit LARSIM simuliert werden?

                                                                                      3
Analyse der extremen Hochwasser-Ereignisse in den Abflusssimulationen unter Verwendung der Klimaprojektionen RCA4-run12 und CCLM5.0-run1 - LARSIM
Analyse der Niederschläge

• Ermittlung der Maxima sowie der Perzentilwerte der Niederschläge in den beiden
  Projektionen
• Für Tages-Niederschläge pro Rasterzelle und Monat
• Vergleich des Ist-Zustands mit den HYRAS-Daten des DWD (1x1 km²-Raster) (Zeitraum
  jeweils 1971 bis 2000)
• Vergleich der nahen Zukunft (2021-2050) mit dem Ist-Zustand
• Jeweils Sommer- und Winterhalbjahr

                                                                                   4
Analyse der extremen Hochwasser-Ereignisse in den Abflusssimulationen unter Verwendung der Klimaprojektionen RCA4-run12 und CCLM5.0-run1 - LARSIM
Analyse der Niederschläge

                            CCLM5.0
                             CCLM5.0

                                  5
Analyse der extremen Hochwasser-Ereignisse in den Abflusssimulationen unter Verwendung der Klimaprojektionen RCA4-run12 und CCLM5.0-run1 - LARSIM
Analyse der Niederschläge

                            CCLM5.0
                             CCLM5.0

                                  6
Analyse der extremen Hochwasser-Ereignisse in den Abflusssimulationen unter Verwendung der Klimaprojektionen RCA4-run12 und CCLM5.0-run1 - LARSIM
Analyse der Niederschläge

                            CCLM5.0
                             RCA4

                                  7
Analyse der extremen Hochwasser-Ereignisse in den Abflusssimulationen unter Verwendung der Klimaprojektionen RCA4-run12 und CCLM5.0-run1 - LARSIM
Analyse der Hochwasser-Ereignisse

                                    8
Analyse der extremen Hochwasser-Ereignisse in den Abflusssimulationen unter Verwendung der Klimaprojektionen RCA4-run12 und CCLM5.0-run1 - LARSIM
Modellgebiet

90 Pegel und deren Pegelkontrollbereiche
in Baden-Württemberg, Vorarlberg und
der Schweiz
                                          Pegel
Wasserhaushaltsmodell                     Anzahl
Neckar                                             30
Tauber                                              3
Donau Baden-Württemberg                            12
Schweiz-Hochrhein                                  17
Bodenseezuflüsse aus Baden-Württemberg              7
Hochrheinzuflüsse aus Baden-Württemberg             2
Oberrheinzuflüsse aus Baden-Württemberg            17
Synoptisches Modell Oberrhein                       2

                                                        9
Analyse der extremen Hochwasser-Ereignisse in den Abflusssimulationen unter Verwendung der Klimaprojektionen RCA4-run12 und CCLM5.0-run1 - LARSIM
Analyse der Hochwasser-
         Ereignisse
Ermittlung der unabhängigen
Hochwasser-Ereignisse:
• Ereignisabtrennung nach Mangini et
  al. (2018)
• Abflussereignisse gelten als
  unabhängig, wenn sie durch
  Intervalle getrennt sind, in denen der
  Direktabfluss niedriger ist als der
  Basisabfluss

                                           10
Analyse der Hochwasser-Ereignisse

• Zusammenstellung der zehn identifizierten Großereignisse
• Ein Großereignis wird exemplarisch gezeigt

                                                                                      Anzahl der Pegel mit Überschreitungen von
                     Sommer/
 Nr     Zeitraum                             Abflussschwerpunkt                    Ablusskennwerten (in Klammern: davon Pegel mit
                     Winter
                                                                                           unsicheren Abflusskennwerten)
RCA4                           Schwarzwald Schweiz Allgäu Donau Neckar Tauber HQ5000 HQ1000 HQ200 HQ100               HQ50 HQ1 / HQ2
  1  Dezember 2024      w                                         x      x        -        -         -        1         4        33
  2     Mai 2029        s                     x       x     x                   1 (1)      -       1 (1)      3         1       24 (1)
  3  Dezember 2029      w           x         x       x     x     x      x     20 (3)      4        15        5         7        30
  4  Dezember 2042      w           x         x             x     x               -        -       2 (2)      -         -        30

CCLM
  5     Juni 2024       s           x         x       x      x      x      x      2 (2)      -       3      7 (1)      1       51
  6   Februar 2027      w           x         x       x      x      x               -        -     1 (1)    1 (1)      1      47 (1)
  7  Dezember 2033      w           x         x              x             x        -        6      17        4        7       34
  8     Juni 2034       s                     x       x                           2 (2)      -      10      8 (1)      -       41
  9     Juni 2039       s           x         x       x      x                      -      1 (1)   1 (1)      -        1      22 (1)
 10   Februar 2048      w           x         x                     x               -        -       1        2        1       21

                                                                                                                                11
Analyse des Hochwasser-
Ereignisses RCA4 Dezember 2029
Pegel im Oberlauf des Pegels Maxau/Rhein:
• Pegel Maxau über HQ200
• Viele PKB mit hohen Niederschlägen mit
  zwei Niederschlagsspitzen
• In einigen PKB der Schweiz
  Schneedeckenaufbau
• Hohe Bodenfeuchten in den PKB (mit
  Ausnahmen)

                                            12
Analyse des Hochwasser-
Ereignisses RCA4 Dezember 2029
Pegel im Oberlauf des Pegels Heidelberg/
Neckar:
• Pegel Heidelberg über HQ5000
• Auch im Neckargebiet fast alle PKB mit
  hohen Niederschlägen mit zwei
  Niederschlagsspitzen
• In einigen PKB geringe Schneedecken-
  schmelze
• Einheitlich hohe Bodenfeuchten in den
  PKB

                                           13
Analyse des Hochwasser-
Ereignisses RCA4 Dezember 2029
• Hohe Bodenfeuchten in fast allen PKB des
  Untersuchungsgebiets
• Schneedeckenaufbau in der Schweiz,
  etwas Schneeschmelze in Baden-
  Württemberg
• Hohe Niederschlagssummen und -raten in
  Teilen des Hochrheingebiets und im
  Schwarzwald, aber auch im Neckargebiet
  insgesamt
• Abflussvolumenspende in fast gleicher
  Höhe und räumlicher Verteilung wie
  Niederschlagssumme
• Hochwasserscheitel an ca. der Hälfte der
  Pegel über HQ100 und noch ein
  Vielfaches davon (bis 3,5fach!)

                                             14
Analyse des Hochwasser-
Ereignisses RCA4 Dezember 2029
Vergleich mit Referenzereignissen am Pegel
Ubstadt/Kraichbach:
• Maximaler Abfluss im Verhältnis zum
  HQ100 sehr hoch (3,5-fach)
• Max. Niederschlagsrate im Vergleich zum
  Mittel und zu den Referenzereignissen
  sehr hoch
• Niederschlagssumme weniger auffällig
• Bodenfeuchte sehr hoch

                                             15
Analyse des Hochwasser-
Ereignisses RCA4 Dezember 2029
Außergewöhnlich hohe Niederschlags-
Summe und Niederschlags-Rate:
• Im Vergleich zum Ist-Zustand
• im Vergleich zu naher Zukunft

                                      16
Analyse des Hochwasser-
Ereignisses RCA4 Dezember 2029
Vergleich der max. Niederschlagsrate mit den
100jährlichen-KOSTRA-Daten:
• In vielen PKB 1-fach, in einigen PKB bis 1,6-
  faches des 100jährlichen-KOSTRA-Wertes

                                                  17
Analyse des Hochwasser-
Ereignisses RCA4 Dezember 2029
Häufigkeiten der Abflüsse, Schneeschmelze und
Bodenfeuchte:
• Abflussvolumenspende: v.a. in Baden-
  Württemberg nur selten höher
• Scheitelabfluss: fast flächendeckend nur
  selten höher (an 20 Pegel HQ5000
  überschritten)
• Schneeschmelze: häufig höhere Schnee-
  schmelzen
• Bodenfeuchte: in vielen PKB Bodenfeuchte
  nur sehr selten höher

                                                18
Zusammenfassung und Fazit

Analyse der Niederschläge der beiden Projektionen:
• Vergleich Ist-Zustand zu HYRAS-Daten: aufgrund der durchgeführten Bias-Korrektur fast
  exakte Übereinstimmung.
• Vergleich 95%-Perzentile der Tages-Niederschläge:
    • Nahe Zukunft vergleichbar mit Ist-Zustand (saisonale Verschiebung in Richtung
      höherer Niederschläge im Winter und geringerer Niederschläge im Sommer.)
    • maximalen Tages-Niederschläge deutlich höher als 95%-Perzentile in der nahen
      Zukunft (Werte von über 200 mm/d)
Analyse der Hochwasserereignisse:
• In beiden Projektionen an vielen Pegeln Abflüsse größer als ein HQ100 in naher Zukunft.
• Die meisten HQ100-Überschreitungen lassen sich einigen Großereignissen zuordnen.
• Extremere Hochwasser häufiger bei CCLM5.0. Extremstes Hochwasser bei RCA4-Daten.
• Sowohl Sommerereignisse als auch Winterereignisse.
• Auffällig: hohe Niederschlagsintensitäten (z.T. deutlich über 100-jährliche 24h-KOSTRA-
  Niederschläge) und zusätzlich großer Ausdehnung.

                                                                                            19
Zusammenfassung und Fazit

• Die simulierten extremen Abflüsse lassen durch die meteorologischen Gegebenheiten bei
  gefüllten Bodenspeichern, z.T. noch verstärkt durch Schneeschmelze erklären.
• Die Abflussentstehung und die Abflussberechnung werden durch LARSIM bei den
  untersuchten Ereignissen nachvollziehbar simuliert.
• Die simulierten Extrem-Abflüsse würden nicht tatsächlich in dieser Höhe an den
  Unterliegerpegeln auftreten, da in der Realität die Gerinnegeometrien die simulierten
  Abflussmengen nicht fassen würden.
• Es gibt nur wenige solcher extreme Ereignisse in den CCLM5.0- und RCA4-Klimaprojek-
  tionen der nahen Zukunft.
• Somit: Die aufgetretenen Extremabflüsse sind, wie auch bereits die Analyse der maximalen
  Tages-Niederschlagsdaten zeigt, im Kontext der jeweiligen simulierten Klimaprojektion eine
  besondere Ausnahmekonstellation.

                                                      Vielen Dank für Ihr Aufmerksamkeit!

                                                                                          20
Literatur

BLfU (2017): Sturzfluten- und Hochwasserereignisse Mai/Juni 2016 - Wasserwirtschaftlicher
         Bericht. Bayerisches Landesamt für Umwelt
DWD (2019): https://www.dwd.de/DE/leistungen/nationalerklimareport/
download_einleger_report_2016.pdf?__blob=publicationFile&v=4
Mangini W. et al. (2018): Detection of trends in magnitude and frequency of flood peaks
         across Europe, Hydrological Sciences Journal, 63:4, 493-512
Meteo Schweiz: https://www.meteoschweiz.admin.ch/home/klima/schweizer-klima-im-
detail/extremwertanalysen/kartenniederschlagsextreme.html?filters=1-day-
sum_year_retlev_X300
PEN-Werte: Verworn H.-R., Malitz G., Pfister A. (2009): Praxisrelevante Extremwerte des
        Niederschlags (PEN) zwischen KOSTRA, MGN und NIEFLUD. Forum für Hydrologie
        und Wasserbewirtschaftung Heft 28.10
KOSTRA-DWD2010R-Werte: DWD (2017): KOSTRA-DWD2010R. Bericht zur Revision der
        koordinierten Starkregenregionalisierung und –auswertung des Deutschen
        Wetterdienstes in der Version 2010, Deutscher Wetterdienst, Abteilung
        Hydrometeorologie

                                                                                          21
Einordnung der Niederschläge

• Übersicht über die aus Messdaten ermittelten Niederschläge verschiedener Jährlichkeit
  für Bayern und Baden-Württemberg
        Jährlichkeit   Max. Tagesniederschlag Bayern Mittelwert Tagesniederschlag Bayern   Quelle
                       und Baden-Württemberg         und Baden-Württemberg

        100 a          220 mm/d                      100 mm/d                              KOSTRA-2010R
        1.000 a        293 mm/d                      159 mm/d                              PEN
        10.000 a       366 mm/d                      198 mm/d                              PEN

                                                                               T = 100 a

                                                                                                          22
Einordnung der Niederschläge

• Übersicht über die aus Messdaten ermittelten Niederschläge verschiedener Jährlichkeit
  für Bayern und Baden-Württemberg
        Jährlichkeit   Max. Tagesniederschlag Bayern Mittelwert Tagesniederschlag Bayern   Quelle
                       und Baden-Württemberg         und Baden-Württemberg

        100 a          220 mm/d                      100 mm/d                              KOSTRA-2010R
        1.000 a        293 mm/d                      159 mm/d                              PEN
        10.000 a       366 mm/d                      198 mm/d                              PEN

                                                                               T = 1.000 a

                                                                                                          23
Einordnung der Niederschläge

• Übersicht über die aus Messdaten ermittelten Niederschläge verschiedener Jährlichkeit
  für Bayern und Baden-Württemberg
        Jährlichkeit   Max. Tagesniederschlag Bayern Mittelwert Tagesniederschlag Bayern   Quelle
                       und Baden-Württemberg         und Baden-Württemberg

        100 a          220 mm/d                      100 mm/d                              KOSTRA-2010R
        1.000 a        293 mm/d                      159 mm/d                              PEN
        10.000 a       366 mm/d                      198 mm/d                              PEN

                                                                               T = 10.0000 a

                                                                                                          24
Einordnung der Niederschläge

• Übersicht über die aus Messdaten ermittelten Niederschläge verschiedener Jährlichkeit
  für die Schweiz

  T = 100 a                                    T = 300 a

                                                                                      25
Sie können auch lesen
NÄCHSTE FOLIEN ... Stornieren