Hochwasser

Klimawandel und Hochwasser im Elbeeinzugsgebiet
Změna klimatu a povodňové v povodí Labe
Hochwasserrisikomanagement
für Mitteleuropa das CENTRAL EUROPE Projekt LABEL
Management povodňových rizik pro střední
Evropu - program CENTRAL EUROPE projekt
LABEL
Udo Mellentin
Sächsisches Landesamt für Umwelt,
Landwirtschaft und Geologie
Leipzig den 25.10.2010
Foto: W. Küchler
Natürliche Eigenschaften des Einzugsgebietes Landnutzungsänderung
Flussbauliche Maßnahmen
Witterungs‐ und Niederschlagscharakteristiken
Hochwasser
2 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Natürliche Eigenschaften des Einzugsgebietes Landnutzungsänderung
Flussbauliche Maßnahmen
Witterungs‐ und Niederschlagscharakteristiken
Hochwasser
Klimawandel
Identifikation von Zusammenhängen
Analyse der Veränderungen in Diagnose und Projektion
Entwicklung von plausiblen / belastbaren Szenarien
3 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Übersicht
❙
Wirkungskette klimabedingter Änderungen des
Hochwasserregimes
❙
Temperatur - Treiber der Änderungen im Wasserkreislauf
❙
Wird das Klima Sachsens extremer?
❙
Analysen subjektiver Großwetterlagen - Mitteleuropa
❙
Analyse Zyklonentracking - Mitteleuropa
❙
Resümee
4 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Wirkungskette klimabedingter
Änderungen des Hochwasserregimes
5 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Historische Hochwasser
in der Müglitz
Hochwasserschäden in Weesenstein im Sommer 1897
Ortslage Weesenstein im August 2002
6 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
1897
1927
1954
1957
2002
Wahrscheinlichkeiten von sehr seltenen Ereignissen sind
schwer bestimmbar.
Für Heute sehr unsicher und für Morgen noch unsicherer.
Selbst wenn wir die richtige Wahrscheinlichkeit kennen
würden, wüssten wir nicht wann das Hochwasser kommt.
7 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Wirkungskette klimabedingter Veränderungen von Hochwasser in Sachsen
8 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Wirkungskette klimabedingter Veränderungen von Hochwasser in Sachsen
Hochwasserereignis
-
Sturzflut
Überschwemmung
Sommerhochwasser
Winterhochwasser
Abflussbildung
(Vorfeuchte, Versieglung, …)
Abflusskonzentration
Abflussverlauf
9 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Wirkungskette klimabedingter Veränderungen von Hochwasser in Sachsen
Hochwasserereignis
-
Sturzflut
Überschwemmung
Sommerhochwasser
Winterhochwasser
Abflussbildung
(Vorfeuchte, Versieglung, …)
Abflusskonzentration
Abflussverlauf
Hydrologische Extremwertstatistik
Durchflussmessungen
Abflussmodellierung
Referenz / Ensembleprojektionen
10 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Wirkungskette klimabedingter Veränderungen von Hochwasser in Sachsen
Starkniederschlag
Intensität, Dauer,
räumliche Ausprägung
und Frequenz der
Ereignisse
Orographie
Advektion
Konvektion
Zyklonentracking
Involvierte Luftmassen
Meteorologische Extremwertstatistik
11 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Beobachtung
Klimamodelle (Global, Regional)
Referenz / Ensembleprojektion
Hochwasserereignis
-
Sturzflut
Überschwemmung
Sommerhochwasser
Winterhochwasser
Abflussbildung
(Vorfeuchte, Versieglung, …)
Abflusskonzentration
Abflussverlauf
Hydrologische Extremwertstatistik
Durchflussmessungen
Abflussmodellierung
Referenz / Ensembleprojektionen
Wirkungskette klimabedingter Veränderungen von Hochwasser in Sachsen
Atmosphärische
Prozesse
Primär:
CO2-Anstieg
Sekundär: Globale Windsysteme
Mitteleuropa:
Andauer und Häufigkeit von
GWL
Sachsen: Charakteristik von
GWL (Trend, Variabilität im
Niederschlag)
Wetterlagenklassifizierung
Starkniederschlag
Intensität, Dauer,
räumliche Ausprägung
und Frequenz der
Ereignisse
Orographie
Advektion
Konvektion
Zyklonentracking
Involvierte Luftmassen
Meteorologische Extremwertstatistik
(Beobachtung, Klimamodelle)
auf Fragestellung und
Region angepasst
Re‐Analyse / Ensembleprojektionen
12 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Beobachtung
Klimamodelle (Global, Regional)
Referenz / Ensembleprojektion
Hochwasserereignis
-
Sturzflut
Überschwemmung
Sommerhochwasser
Winterhochwasser
Abflussbildung
(Vorfeuchte, Versieglung, …)
Abflusskonzentration
Abflussverlauf
Hydrologische Extremwertstatistik
Durchflussmessungen
Abflussmodellierung
Referenz / Ensembleprojektionen
Wirkungskette klimabedingter Veränderungen von Hochwasser in Sachsen
Atmosphärische
Prozesse
Primär:
CO2-Anstieg
Sekundär: Globale Windsysteme
Mitteleuropa:
Andauer und Häufigkeit von
GWL
Sachsen: Charakteristik von
GWL (Trend, Variabilität im
Niederschlag)
Wetterlagenklassifizierung
Starkniederschlag
Intensität, Dauer,
räumliche Ausprägung
und Frequenz der
Ereignisse
Orographie
Advektion
Konvektion
Zyklonentracking
Involvierte Luftmassen
Meteorologische Extremwertstatistik
(Beobachtung, Klimamodelle)
auf Fragestellung und
Region angepasst
Re‐Analyse / Ensembleprojektionen
13 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Beobachtung
Klimamodelle (Global, Regional)
Referenz / Ensembleprojektion
Hochwasserereignis
-
Sturzflut
Überschwemmung
Sommerhochwasser
Winterhochwasser
Abflussbildung
(Vorfeuchte, Versieglung, …)
Abflusskonzentration
Abflussverlauf
Hydrologische Extremwertstatistik
Durchflussmessungen
Abflussmodellierung
Referenz / Ensembleprojektionen
Temperatur – Treiber der Änderungen
im Wasserkreislauf
14 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Anomalie der globalen Mitteltemperatur (Referenzperiode 1880-1920)
Roter Punkt:
Graue Linie:
Rote Linie:
Jahresmittelwert
gleitendes Mittel über 12 Monate
Langzeittrend
Quelle: NASA
15 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Entwicklung der Lufttemperatur im Raum Dresden
(Gleitendes 30jähriges Mittel der Perioden 1901-1930 bis 1980-2009)
9,3
9,2
9,1
Temperatur [°C]
9,0
8,9
8,8
8,7
8,6
8,5
8,4
16 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
2005
2000
1995
1990
1985
1980
1975
1970
1965
1960
1955
1950
1945
1940
1935
1930
8,3
Wird das Klima in Sachsen extremer ?
Trockenheit
versus
Niederschlagsextreme
17 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Trockenheit
18 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Niederschlagshöhe in Deutschland – Juli 2006
An den Stationen Dresden und Görlitz
6 mm Monatsniederschlag
19 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Quelle: DWD
Die klassische „Omega-Wetterlage“
Bildquelle: ARD Tagesschau
20 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Typische „Omega-Wetterlage“
Höhenwetterkarte für 500 hPa am 3. Juli 2006
Quelle: Tägliche Wetterkarte der FU Berlin
21 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Trockenheit Sommer 2006 - Mündung der Müglitz in die Elbe
22 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Szenario der Niederschlagsänderung in Sachsen im Sommer in der Dekade 2091- 2100
gegenüber der Referenzperiode 1981/2000 unter Szenario A2
23 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Häufigkeiten und Andauern von Trockenperioden in Ostsachsen:
Projizierter Trend für das 21. Jahrhundert
Quelle: LfULG, WEREX III, 2004
24 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Dresden Ende des 21. Jahrhunderts –
Mit bisher unbekannter Sommertrockenheit?
Niederschlagsextreme
26 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Beobachten wir einen Anstieg der Starkregen?
Es gibt einen Anstieg der
Niederschläge mit hohen
Intensitäten (>= 10 mm and
>= 20 mm) im Juli und
August.
Freydank,
CLISAX-Endbericht, 2001
27 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Station Zinnwald
Deutschlandrekord
für 24 h-Niederschlag
342 mm
11. – 13-08.2002:
406,9 mm
28 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Ursachen für das Extremhochwasser August 2002
❙
Vb-Tief mit feuchtwarmen Luftmassen (Mittelmeer, Schwarzes Meer)
❙
Konvektive Prozesse (Schauer und Gewitter)
❙
Orographische Verstärkung des Niederschlages am Nordstau des
Erzgebirges (bewirkte einen Anteil von ca. 60 %)
❙
Lange Andauer der großräumigen Luftdruck- und Strömungsverteilung über
Europa
❙
Vorfeuchte im Boden aus Niederschlägen Anfang August
29 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Entstehung von sommerlichen Starkniederschlägen
in Mitteleuropa infolge der Vb-Zugbahn
30 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Niederschlagshöhe in Deutschland – August 2010
August 2010 – Rekordniederschlag
31 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Quelle: DWD
Ausgeprägte „Troglage“ von Juli zu August 2010
Bildquelle: ARD Tagesschau
32 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Trog Mitteleuropa - Beispiel 12. August 2002
33 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Häufigkeit der Großwetterlage Trog Mitteleuropa 1881-2009
5-jährig gleitende Mittelwerte
50
45
40
Häufigkeit in Tagen pro Jahr
35
30
25
20
15
10
5
Jahr
34 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
2006
2003
2000
1997
1994
1991
1988
1985
1982
1979
1976
1973
1970
1967
1964
1961
1958
1955
1952
1949
1946
1943
1940
1937
1934
1931
1928
1925
1922
1919
1916
1913
1910
1907
1904
1901
1898
1895
1892
1889
1886
1883
0
Gleitende 11-Jahresmittel des Anteils am Jahresniederschlag
(erhöhtes Potenzial für Niederschlagsextreme)
35 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Atmosphärische Zirkulationsverhältnisse
prägen im regionalen Scale die
 Stärke des Trends (Anstiegs) der Lufttemperatur
 Dynamik von Extremereignissen (Dürreperioden;
Starkregenereignisse)
 Regionale Differenzierung der Klimaänderungen
36 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Analyse subjektiver Großwetterlagen
in Mitteleuropa
37 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Trend von Großwetterlagen mit signifikantem Rückgang und
Zunahme im Sommer zwischen 1881 – 2001 mit 30-jähriger
Tiefpassfilterung
Quelle: DWD
-
Mit der Häufigkeit kann sich die Niederschlagscharakteristik in der GWL ändern.
Sächsische Forschungsvorhaben sind darauf ausgerichtet, offene Fragen der
weiteren Entwicklung zu klären.
38 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Zentrale Frage:
Wie reagiert die polare Frontalzone
der Nordhemisphäre auf eine
weitere globale Erwärmung?
39 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Aus Veränderungen von Lage und
Ausprägung der polaren Frontalzone
können gravierende Veränderungen im
Niederschlagsregime des
Elbeeinzugsgebietes resultieren.
40 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Neue aktuelle Forschungsergebnisse
Im Zuge des Klimawandels haben sich (in der Nordhemisphäre)
bereits veränderte Druck- und Zirkulationsmuster eingestellt.



Geophysical Research Letters, 2008
Stanford University, 2009
PIK Potsdam, 2009
41 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Neue „abrupte Klimaänderungsmuster“
Heutige Untersuchungen bestätigen Flohn’s bereits 1940 gezogenen Schlussfolgerungen für
die atmosphärische Zirkulation bei nordhemisphärischer Erwärmung.
Nordverlagerung und Abschwächung des nordhemisphärischen polaren Jetstreams deutet sich
bereits an (Archer et al. 2008; Trenberth et al. 2007).
Polwärtige Verlagerung der Hauptzugbahnen wird sich mit hoher Wahrscheinlichkeit auch in
der Zukunft fortsetzen (Hegerl et al. 2007; Meehl et al. 2007).
Eine gravierende Veränderung der atmosphärischen Zirkulation über dem Nordatlantik ist
festzustellen (Bakke et al. 2008).
Durchschnittliche Andauern typischer atmosphärischer Zirkulationsmuster im nordatlantischeuropäischen Raum haben sich seit Anfang der 70er Jahre erheblich verlängert (PIK 2009).
Neueste internationale Forschungsergebnisse liefern Hinweise, dass sich in hohen nördlichen
Breiten bereits ein neues, stärker meridional – also entlang der Längenkreise – ausgerichtetes
Strömungsregime herausgebildet hat. Dieses ist mit einem ausgeprägten polwärtigen
Wärmetransport verbunden und stellt offensichtlich die treibende Kraft hinter den aktuellen
Klimaänderungen in der Arktis dar (Overland 2008).
Aktuelle Studie US-amerikanischer, norwegischer und deutscher Wissenschaftler (Zhang et
al. 2008). Luftdruckverhältnisse über dem Nordatlantik haben sich verändert. Strömung in der
Nordhemisphäre jetzt nicht mehr bevorzugt zonal, sondern meridional. Damit erfolgt ein tief
greifender Wärmetransport in die Arktis, der letztendlich mit einem rasanten Rückgang des
arktischen Eises gekoppelt ist.
42 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Analyse des Zyklonentrackings
in Mitteleuropa
43 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Zugbahnen von Tiefdruckgebieten
nach van Bebber
44 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Zugbahnparameter
DIAGNOSE 20. JH
Gibt es Trends bei den Zugbahnparametern?
MODELL-VALIDIERUNG
Ist das Klimamodell in der Lage, Zustände und
Entwicklungen der Jetztzeit zu rekonstruieren?
MODELL-PROJEKTION 21. JH
Zeichnen sich zukünftige Entwicklungen bei den
Zugbahnparametern ab?
45 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
46 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Erkenntnisse
Die für Extremwettereignisse im östlichen Mitteleuropa relevante
van Bebber - Klasse Vb tritt nur selten auf.
Neben der Klasse Vb besitzen vier weitere besondere Bedeutung
für die Witterung im Freistaat Sachsen.
47 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
48 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Klasse 10
• NCAR-Reanalysedaten
• ECHAM 5 20C-Daten
• ECHAM 5 Szenario A1B
• EHCAM 5 Szenario B1
49 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Sequenz von
Niederschlagsverteilungen
in Sachsen zu den Terminen 1-20
beim Durchzug eines Tiefs
auf der normierten Bahn 10 (Vb)
50 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Klasse 14
1951–2007
1951–2000
2001–2100
2001–2100
Erwartete Entwicklung der Tief-Zugbahnen in Europa
Einflussbereich atlantischer und meditteraner Tiefs.
Welchen Einfluss könnten sie künftig ausüben?
Aktuellste Forschungsresultate:
Hauptzugbahnen verlagern sich polwärts.
Verstärkung der Tiefdrucktätigkeit im Raum Nordatlantik/Skandinavien.
Abschwächung der Tiefdrucktätigkeit im Mittelmeerraum.
Ursache: Ausdehnung der subtropischen Hadley-Zirkulation
51 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Resümee
52 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Resümee Klimadiagnose:
 Gravierender Temperaturanstieg (stärkere Verdunstung)
 Markanter Rückgang der Niederschläge in der Vegetationsperiode
 Keine nennenswerte Zunahme der Winterniederschläge in Sachsen
 Im Sommer Anzeichen der Verschiebung von Regen zu
konvektiven Starkniederschlägen in Sachsen
 Bis Mitte des 21. Jahrhunderts ist eine signifikante Zunahme
extremer Witterungssituationen zu erwarten. Diese Entwicklung
zeichnet sich diagnostisch bereits ab.
53 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Resümee zukünftige Klimaentwicklung:
 Physikalisch plausible Wirkungskette:
Erwärmung durch Treibhausgase > Intensivierung des
Wasserkreislaufes > häufigere bzw. intensivere z.T. lang
anhaltende Niederschläge
 Unsicherheit Globale Windsysteme > Trockenheit und
Niederschlagsextreme in Mitteleuropa sehr unsicher
 Die Atmosphäre bietet zahlreiche Reaktionsmöglichkeiten >
nur ebenso komplexe Klimamodelle erlauben einen Blick in
die Zukunft > Analyse von Modellensembles notwendig
54 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
55 | 25. Oktober 2010 | Udo Mellentin | Referat 55