Analyse der extremen Hochwasser-Ereignisse in den Abflusssimulationen unter Verwendung der Klimaprojektionen RCA4-run12 und CCLM5.0-run1 - LARSIM
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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
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
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 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 Niederschläge
CCLM5.0
CCLM5.0
5
Analyse der Niederschläge
CCLM5.0
CCLM5.0
6
Analyse der Niederschläge
CCLM5.0
RCA4
7
Analyse der Hochwasser-Ereignisse
8
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 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
10Analyse 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
11Analyse 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)
12Analyse 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
13Analyse 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!)
14Analyse 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
15Analyse des Hochwasser-
Ereignisses RCA4 Dezember 2029
Außergewöhnlich hohe Niederschlags-
Summe und Niederschlags-Rate:
• Im Vergleich zum Ist-Zustand
• im Vergleich zu naher Zukunft
16Analyse 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
17Analyse 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
18Zusammenfassung 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.
19Zusammenfassung 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!
20Literatur
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
21Einordnung 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
22Einordnung 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
23Einordnung 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
24Einordnung der Niederschläge
• Übersicht über die aus Messdaten ermittelten Niederschläge verschiedener Jährlichkeit
für die Schweiz
T = 100 a T = 300 a
25Sie können auch lesen
