Extremereignisse
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Vorlesung Erd- und Produktionssystseme, Herbstsemester 2007 1 Klimasystem und Wasserkreislauf Christoph Schär Institut für Atmosphäre und Klima ETH Zürich http://www.iac.ethz.ch/people/schaer TEIL 4 Extremereignisse Schär, ETH Zürich 2 TEIL 4: Extremereignisse Kapitel 15. Einleitung und Definitionen Kapitel 16. Beispiele Kapitel 17. Schäden und Folgen Schär, ETH Zürich 1 3 Definition 1: Klima Klima: statistische Verteilung der Wetterelemente über eine längere Zeitperiode Häufigkeit Temperatur Mittelwert Bemerkungen: • Einfache Beschreibung: mit Mittelwert, Standardabweichung • Vollständige Beschreibung: mit Häufigkeitsverteilung • Bezugsperiode: mehrere Jahrzehnte (z.B. 30 Jahre) Schär, ETH Zürich 4 Definition 2: Extremereigniss Extremereignis: Seltenes Wetter- und Naturereigniss, welches markant vom statistischen Durchschnitt abweicht Häufigkeit extrem kalt extrem warm Temperatur Mittelwert Bemerkungen: • Extremereignisse sind Teil jeder Wahrscheinlichkeitsverteilung • Nicht jedes Extremereignis verursacht Schäden! Schär, ETH Zürich 2 5 „Statistischer Durchschnitt“ Schär, ETH Zürich 6 „Markante“ Abweichung vom Durchschnitt Schär, ETH Zürich 3 11 Definition 3: Naturkatastrophe Naturkatastrophe: ein Schadenereigniss, dessen Folgen die Kräfte der betroffenen Bevölkerung übersteigt 20.-23. August 2005 Weesen Bern, Mattequartier Ob ein Extremereignis zur Naturkatastrophe wird hängt von der betroffenen Region, der dort vorliegenden Bevölkerungsdichte und Wertekonzentration, und auch der Vorbereitung (z.B. Hochwasserschutz) und Reaktion (z.B. Katastrophenschutz) ab. OcCC Bericht “Extremereignisse und Klimaänderung”, http://www.proclim.ch/About/products.html Schär, ETH Zürich 12 Definition 4: Wiederkehrperiode Ein Ereignis, das statistisch betrachtet alle 10 Jahre zu erwarten ist, hat eine Wiederkehrperiode von 10 Jahren. (Wiederkehrperiode = Rückkehrperiode = Jährlichkeit) Häufigkeit ρ(T) Normierung extrem kalt +∞ ∫ ρ(T)dT = 1 extrem warm −∞ Temperatur T Tmin € Wiederkehrperiode J(T ≥ Tmax ) = Überschreitungswahrscheinlichkeit +∞ 1 P(T ≥ Tmax ) P(T ≥ Tmax ) = ∫ ρ(T)dT T max Schär, ETH Zürich € Tmax € 4 13 Beispiel: Abfluss Rhein bei Rheinfelden Abflussmessstelle Rheinfelden 262 m.ü.M. 34’550 km2 Schär, ETH Zürich 17 Abfluss Rheinfelden 1993-2003 [m3/s] grösster beobachteter Abfluss (1933-2003) 12. Mai 1999, 4550 m3/s Rückkehrperiode 100 y 20 y 5y 2y Jahresspitze (momentan) Mittlerer Jahresgang Tagesabfluss [m3/s] “normales” Jahr feuchter Frühsommer feuchter extrem Spätsommer trocken Schär, ETH Zürich 5 18 Abfluss Rheinfelden 1993-2003 [m3/s] grösster beobachteter Abfluss (1933-2003) 12. Mai 1999, 4550 m3/s Rückkehrperiode 100 y 20 y 5y 2y Extremabflüsse • Flussbett zu klein • Überschwemmungen • starke Erosion Normale Abflüsse • Flussbett angepasst • geringe Erosion Trockenheit “normales” Jahr feuchter Frühsommer feuchter extrem Spätsommer trocken Schär, ETH Zürich 19 Definition 5: Klimaänderung Klimaänderung: eine signifikante Veränderung der Häufigkeitsverteilung des Klimas Häufigkeit Temperatur extrem kalt Mittelwert extrem warm Eine signifikante Klimaänderung führt im Allgemeinen zu einer Veränderung in der Häufigkeit der Extremereignisse Eine Änderung der Form der Häufigkeitsverteilung (Varianz, Schiefe) kann für Extremereignisse ebenso wichtig sein wie eine Veränderung des Mittels. Schär, ETH Zürich 6 21 TEIL 4: Extremereignisse Kapitel 15. Einleitung und Definitionen Kapitel 16. Beispiele • Überschwemmung Brig (24.09.1993) • Hurricane Katrina (29.08.2005) • Europäischer Hitzesommer 2003 • Überschwemmung Alpennordseite (21.08.2005) Kapitel 17. Schäden und Folgen Schär, ETH Zürich 22 Überschwemmung von Brig (24. September 1993) Überschwemmung 24.9.1993 - 2 Todesopfer - 650 Mio CHF Schaden - Folge von kleinräumigen Starkniederschlägen - unmittelbare Ursache: falsch dimensionierter Durchlass der Saltina-Brücke Schär, ETH Zürich 7 24 TEIL 4: Extremereignisse Kapitel 15. Einleitung und Definitionen Kapitel 16. Beispiele • Überschwemmung Brig (24.09.1993) • Hurricane Katrina (29.08.2005) • Europäischer Hitzesommer 2003 • Überschwemmung Alpennordseite (21.08.2005) Kapitel 17. Schäden und Folgen Schär, ETH Zürich Atlantische Hurrikane des Jahres 2005 Folgen von Katrina (SwissRe) Tote: 1836 Schäden versichert: 66.3 Milliarden US$ Schäden total: > 135 Milliarden US$ Schär, ETH Zürich Benannte Tropische Stürme im Atlantik: 26 Arlene Bret Cindy Dennis Emily Franklin Gert Harvey Irene Jose Katrina Lee Maria Nate Ophelia Philippe Rita Stan Tammy Vince Wilma Alpha Beta Gamma Delta Epsilon 8 27 2-Tages-Prognose von 05/08/27 12 UTC Landfall: 2005/08/29, about 12 UTC Schär, ETH Zürich 29 Schär, ETH Zürich 9 40 „Klimafrage“ – Folge der globalen Erwärmung? Meerestemperatur (Juli-September 2005) -4 -3 -2 -1 1 2 3 4 Abweichung vom langjährigen Mittel [ºC] Schär, ETH Zürich 41 Häufigkeit von Hurrikanen „Klimafrage“ noch nicht vollständig geklärt: • Erwärmung führt tendenziell zu einer Intensivierung • Veränderung der Zirkulation tendenziell zu einer Reduktion der Anzahl Hurrikane • Hinweise auf dekadische Variabilität natürlichen Ursprungs • Beobachtete Zeitreihe ist inhomogen Schär, ETH Zürich 10 48 TEIL 4: Extremereignisse Kapitel 15. Einleitung und Definitionen Kapitel 16. Beispiele • Überschwemmung Brig (24.09.1993) • Hurricane Katrina (29.08.2005) • Europäischer Hitzesommer 2003 • Überschwemmung Alpennordseite (21.08.2005) Kapitel 17. Schäden und Folgen Schär, ETH Zürich 49 Extreme Sommer: 2002 … 2003 … 2005 … August 2002, Dresden August 2003, Töss August 2005, Brienz Schär, ETH Zürich 11 52 Schweizer Sommertemperaturen 1864-2003 Durchschnitt der Stationen Zürich, Basel, Bern, Genf 10 Jahre 10 Jahre 100 Jahre 1000 Jahre Schär, ETH Zürich 100 Jahre Mittel 1000 Jahre Schätzung der Rückkehrperiode (Schär et al. 2004, Nature, 427, 332-336) 53 Auswirkungen des Sommers 2003 in Europa • Ernteverluste: 12.3 Milliarden US$ (SwissRe) Reto Stöckli (ETH Zürich, NASA Modis) • Stromverknappung, Spitzenpreise am Spotmarkt (EEX, Leipzig) • Teilweise ernsthafte Problem mit Frischwasserversorgung (Italien), Fischsterben (Schweiz), Waldbränden (Portugal) • Hitzetote: Europaweit zwischen 22’000 und 35’000 vorzeitige Todesfälle (sogenannte “excess mortality”). In der Schweiz cirka 1’000 Fälle. Temperaturen August 2003, relativ zum Mittel 2000-2004 Schär, ETH Zürich 12 54 Mortalität in Baden-Würtemberg Grippe Februar 2003 Hitzewelle August 2003 Hitzewelle Juni 2002 Tägliche Daten langjähriges Mittel Winter Sommer Winter Sommer (Koppe und Jendritzky 2004; Schär and Jendritzky 2004) Schär, ETH Zürich 57 TEIL 4: Extremereignisse Kapitel 15. Einleitung und Definitionen Kapitel 16. Beispiele • Überschwemmung Brig (24.09.1993) • Hurricane Katrina (29.08.2005) • Europäischer Hitzesommer 2003 • Überschwemmung Alpennordseite (21.08.2005) Kapitel 17. Schäden und Folgen Schär, ETH Zürich 13 58 Bern, August 2005 L Schär, ETH Zürich 59 Beobachtete Niederschläge Frei Niederschlagssumme 21.-24.08.2005 (06 UTC-06 UTC) Rückkehrperiode der 3-Tages-Summe Schär, ETH Zürich (Frei 2005, Bericht MeteoSchweiz #213) 14 60 Vorhersage mit hochauflösenden Wettermodellen ECMWF EPS Δx=120 km COSMO-LEPS Δx=10 km HR-EPS Δx=2 km Probabilistische Ensemble-Vorhersage mit 10 Simulationen Schär, ETH Zürich (Hohenegger et al. QJRMS, submitted) 61 Tägliche Niederschlagssummen Analysis based on rain-gauge observations No data (MeteoSwiss) Ensemble with Δx=10 km Ensemble with Δx=2 km mm/d Schär, ETH Zürich (Hohenegger et al. QJRMS, submitted) 15 62 Abflussvorhersage Rückkehrperiode (Jahre) 5-Tage Abflussvorhersage, Einzugsgebiet Mellingen (C21, Reuss) Aug. 20 Aug. 21 Aug. 22 Aug. 23 Aug. 24 Diagramm zeigt 3 Vorhersagesysteme: • HALMO: deterministisch, Antrieb durch aLMo (Δx=7 km) • HEPS10: probabilistisches Ensemble mit 10 Mitgliedern (Antrieb: COSMO10) • HEPS51: probabilistisches Ensemble mit 51 Mitgliedern (Antrieb: COSMO10) (Jaun et al, submitted) Schär, ETH Zürich 64 TEIL 4: Extremereignisse Kapitel 15. Einleitung und Definitionen Kapitel 16. Beispiele Kapitel 17. Schäden und Folgen Schär, ETH Zürich 16 66 Naturkatastrophen: Anzahl Ereignisse 2001 Schär, ETH Zürich (Haresh C. Shah, Stanford University, based on MunichRe Data) 67 Naturkatastrophen: Ökonomische Verluste 2001 Schär, ETH Zürich Mio US$ (Haresh C. Shah, Stanford University, based on MunichRe Data) 17 68 Naturkatastrophen: Versicherte Verluste 2001 Schär, ETH Zürich Mio US$ (Haresh C. Shah, Stanford University, based on MunichRe Data) 69 Naturkatastrophen: Todesopfer 2001 Schär, ETH Zürich (Haresh C. Shah, Stanford University, based on MunichRe Data) 18 70 28 grösste Ereignisse 1970-2006, versicherte Schäden (SwissRe) Schär, ETH Zürich 71 28 grösste Ereignisse 1970-2006, Todesopfer Schär, ETH Zürich (SwissRe) 19 Billion US$ (2006) Häufen sich Extremereignisse? 73 “Die Anzahl Naturkatastrophen in den 1990er Jahren ist viermal grösser als in den 1960er Jahren; 100 80 60 Oekonomische Verluste sind acht mal grösser; 40 20 Versicherte Verluste sind 15 mal grösser ... .” 0 Ursachen: • Bevölkerungswachstum und Siedlungsstruktur (demographische Faktoren) • Lebensstandard (ökonomische Faktoren) • zunehmende Verletzlichkeit der Infrastruktur (technologische Faktoren) • Klimawandel (Anteil unbekannt) (SwissRe, Sigma 2001, 2007) Schär, ETH Zürich 74 Trends von Schäden durch Naturkatastrophen Losses (Billions 1995$) US Flood Damage, 1932-1997 Trend Die Zunahme der ÜberschwemmungsSchäden ist primär durch Zunahme des Reichtums bedingt. Per Capita Losses (1995$) (Pielke and Downton 2000) US Flood Damage per Capita US Flood Damage per Unit Wealth Losses per tangible Wealth ($ per Million $) Analyse von ÜberschwemmungsSchäden in den USA Schär, ETH Zürich 20 75 Extremereignisse in der Schweiz Schweizer Schadenstatistik (1972-1996) Insgesamt 1‘186 Überschwemmungen, Murgänge, Rutschungen (Lawinen nicht eingerechnet) 50% von Gewittern und kurzen Starkregen 25% von langandauernden Regenfällen Durchschnittlich 300 Mio Fr. pro Jahr Schadenreichste Jahre: 1987 1993 2005 1‘230 Mio Fr. 900 Mio Fr. 2‘500 Mio Fr. UR, TI, GR VS BE, UR, GR, SG, ... Geschätzter Schaden mit Rückkehrperiode von 100 Jahren: 6 Mia Fr. (Röthlisberger, 1999) Schär, ETH Zürich 76 Jährliche Schäden akkumuliert Akkumulierte Schäden [Mio CHF] Jährliche Schäden [Mio CHF] Unwetterschäden Schweiz Schär, ETH Zürich 21
