Die neue radarbasierte Niederschlagsklimatologie des DWD hoch aufgelöst und starkregenfokussiert

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1 Starkregen und Hochwasserschutz 23. November 2018 MUEEF, Mainz Die neue radarbasierte Niederschlagsklimatologie des DWD hoch aufgelöst und starkregenfokussiert Dr. Tanja Winterrath, Thomas Junghänel, Christoph Brendel, Dr. Katharina Lengfeld, Ewelina Walawender, Elmar Weigl, Mario Hafer, Franziska Fischer*, Dr. Andreas Becker Deutscher Wetterdienst KU4 Hydrometeorologie *DWD Weihenstephan / LfL Freising / TUM

2 Motivation Bulletin of the American Meteorological Society; 2017; DOI: /BAMS-D Die Gesamtfläche der DWD-Niederschlagsmesser passt in die Hälfte eines Fünfmeterraums. Dr. Tanja Winterrath et al., 23. November 2018, Starkregen und Hochwasserschutz", MUEEF, Mainz 2 von 32

3 Motivation Niederschlagsmonitoring - Ombrometer vs. Radar Ereignis wird nur vom Radar erfasst STARKREGEN +++ Münster 28. Juli Bessere Quantifizierung durch zusätzliche Bodendaten in Radarklimatologie 53 mm/d 292 mm/d Bodenmessnetz (REGNIE) RADOLAN-Online RADOLAN-Offline Dr. Tanja Winterrath et al., 23. November 2018, Starkregen und Hochwasserschutz", MUEEF, Mainz 3 von 32

4 Die neue radarbasierte Niederschlagsklimatologie des DWD hoch aufgelöst und starkregenfokussiert Dr. Tanja Winterrath et al. 1 Radarbasierte Niederschlagsmessung 2 Niederschlagsklimatologie 3 Starkregenkarten 4 Niederschlagserosivität Dr. Tanja Winterrath et al., 23. November 2018, Starkregen und Hochwasserschutz", MUEEF, Mainz 4 von 32

5 Die neue radarbasierte Niederschlagsklimatologie des DWD hoch aufgelöst und starkregenfokussiert Dr. Tanja Winterrath et al. 1 Radarbasierte Niederschlagsmessung 2 Niederschlagsklimatologie 3 Starkregenkarten 4 Niederschlagserosivität Dr. Tanja Winterrath et al., 23. November 2018, Starkregen und Hochwasserschutz", MUEEF, Mainz 5 von 32

6 1 Radarbasierte Niederschlagsmessung Das Radarmessnetz des Deutschen Wetterdienstes 17 C-Band Doppler-Radarsysteme alle 5 Minuten horizontfolgender Niederschlagsscan bis 150 km Deutschlandkomposit mit 1 km Rasterlänge Dr. Tanja Winterrath et al., 23. November 2018, Starkregen und Hochwasserschutz", MUEEF, Mainz 6 von 32

7 1 Radarbasierte Niederschlagsmessung Vor- und Nachteile der Messmethoden Niederschlagsmesser + direkte quantitative Messung + lange Zeitreihen + teilweise zeitlich sehr hochaufgelöste Messungen - Punktmessungen - unregelmäßige räumliche Verteilung - begrenzte räumliche Repräsentativität - diverse Fehlerquellen - nur teilweise Verfügbarkeit in Echtzeit Radar + Flächenmessung + hohe räumliche Auflösung (1 km 2 ) + hohe zeitliche Auflösung (5 min) + rasche Verfügbarkeit - indirekte Messung - diverse Fehlerquellen - kurze Zeitreihen Lokale Starkregen werden oftmals nur durch das Radar erfasst. Quantität erfordert Stationsmessungen. Dr. Tanja Winterrath et al., 23. November 2018, Starkregen und Hochwasserschutz", MUEEF, Mainz 7 von 32

8 1 Radarbasierte Niederschlagsmessung RADOLAN (Radar-Online-Aneichung) Kombination aus den punktuell an den Niederschlagsstationen gemessenen stündlichen Werten mit flächendeckender Niederschlagserfassung des DWD-Radarverbundes Verfahren wurde in Kooperation des DWD mit den Wasserwirtschaftsverwaltungen der Bundesländer (LAWA) entwickelt ( ) Operationeller Routinebetrieb seit Juni Liefert zeitlich und räumlich hoch aufgelöste quantitative Niederschlagsdaten im Echtzeitbetrieb Nutzung durch Hochwasservorhersagezentralen für Hochwasservorsorge und -schutz Basis für die RADarbasierte NiederschlagsKLIMatologie (RADKLIM) Dr. Tanja Winterrath et al., 23. November 2018, Starkregen und Hochwasserschutz", MUEEF, Mainz 8 von 32

9 1 Radarbasierte Niederschlagsmessung Problematik radarbasierter Niederschlagsmessungen Speichen, Clutter, Unterschätzung im Fernbereich,... Dr. Tanja Winterrath et al., 23. November 2018, Starkregen und Hochwasserschutz", MUEEF, Mainz 9 von 32

10 Die neue radarbasierte Niederschlagsklimatologie des DWD hoch aufgelöst und starkregenfokussiert Dr. Tanja Winterrath et al. 1 Radarbasierte Niederschlagsmessung 2 Niederschlagsklimatologie 3 Starkregenkarten 4 Niederschlagserosivität Dr. Tanja Winterrath et al., 23. November 2018, Starkregen und Hochwasserschutz", MUEEF, Mainz 10 von 32

11 2 Niederschlagsklimatologie Strategische Behördenallianz Anpassung an den Klimawandel Klimatologische Aufbereitung und Analyse der DWD-Radardaten Komplette Radar-Reprozessierung ab 2001 (bis ) Entwicklung und Anwendung klimatologischer Korrekturverfahren 1 Verwendung zusätzlicher Stationsdaten 2 (Extremwert-)statistische Auswertung Erstellung hoch aufgelöster Starkregenkarten 3 Bestimmung statistischer Niederschläge 4 Nutzerberatungs-Modul Entwicklung spezifischer Kundenprodukte, z. B. Niederschlagserosivität (R-Faktor) 5 Dr. Tanja Winterrath et al., 23. November 2018, Starkregen und Hochwasserschutz", MUEEF, Mainz 11 von 32

12 2 Niederschlagsklimatologie Speichenkorrektur Beispiel: Radar Hamburg Niederschlagssumme Niederschlagssumme [mm] Azimuth [ ] Verfahren nach Jacobi et al Dr. Tanja Winterrath et al., 23. November 2018, Starkregen und Hochwasserschutz", MUEEF, Mainz 12 von 32

13 2 Niederschlagsklimatologie Entfernungskorrektur Beispiel: Radar Dresden + Radarstrahlhöhe [m] Niederschlagssumme Niederschlagssumme [mm] Erz-/Riesengebirge Verfahren nach Wagner et al Mittlere Höhe des Radarstrahls [m] Dr. Tanja Winterrath et al., 23. November 2018, Starkregen und Hochwasserschutz", MUEEF, Mainz 13 von 32

14 2 Niederschlagsklimatologie Erhöhung der Anzahl der Aneichstationen Automatische Niederschlagsstationen des DWD des DWD und ausgewählter (2001 Bundesländer bis 2017: 4401) (November 2017: ~1300) RADOLAN-Online Dr. Tanja Winterrath et al., 23. November 2018, Starkregen und Hochwasserschutz", MUEEF, Mainz 14 von 32

15 2 Niederschlagsklimatologie Klimatologische Korrekturen Ohne Mit RADOLAN-Klima-Korrekturen Dr. Tanja Winterrath et al., 23. November 2018, Starkregen und Hochwasserschutz", MUEEF, Mainz 15 von 32

16 2 Niederschlagsklimatologie Datensätze und Berichte der Radarklimatologie (RADKLIM) Informationen über Leistungssteckbrief Abschlussbericht in Berichte des Deutschen Wetterdienstes (Nr. 251) Niederschlagsstundensummen (RW) der Version : DOI: /DWD/RADKLIM_RW_V Minuten-Niederschlagsraten (YW) der Version : DOI: /DWD/RADKLIM_YW_V Niederschlagsstundensummen (RW) der Version (ohne Klimakorrekturen): DOI: /DWD/RADKLIM_RW_V Aktuell sind die Ergebnisse der Radarklimatologie für den Zeitraum bis auf dem Server opendata.dwd.de abrufbar. Eine Veröffentlichung der jährlichen Fortschreibung ist für das Frühjahr des Folgejahres geplant. Dr. Tanja Winterrath et al., 23. November 2018, Starkregen und Hochwasserschutz", MUEEF, Mainz 16 von 32

17 Die neue radarbasierte Niederschlagsklimatologie des DWD hoch aufgelöst und starkregenfokussiert Dr. Tanja Winterrath et al. 1 Radarbasierte Niederschlagsmessung 2 Niederschlagsklimatologie 3 Starkregenkarten 4 Niederschlagserosivität Dr. Tanja Winterrath et al., 23. November 2018, Starkregen und Hochwasserschutz", MUEEF, Mainz 17 von 32

18 3 Starkregenkarten Einzelereignisse an die Orografie gebunden Dr. Tanja Winterrath et al., 23. November 2018, Starkregen und Hochwasserschutz", MUEEF, Mainz 18 von 32

19 3 Starkregenkarten abgelöst von der Orografie Dr. Tanja Winterrath et al., 23. November 2018, Starkregen und Hochwasserschutz", MUEEF, Mainz 19 von 32

20 3 Starkregenkarten Niederschlag [mm/24h] mm 90.7 mm Tagesniederschlag, der statistisch alle 100 Jahre auftritt Tagesniederschlag, der statistisch alle 10 Jahre auftritt (geschätzt) Tagesniederschlag, der statistisch einmal pro Jahr auftritt 46.8 mm T Jahr 1 10 Jahre a 100 Jahre 0,5a 1a 2a 5a 10 a 20 a 50 a 100 a Das Für die Anfitten Bestimmung einer Extremwertverteilung des statistischen Niederschlags erlaubt die werden Bestimmung die unabhängigen des statistischen Niederschlagssummen jeder Dauerstufe der Größe nach geordnet und geschätzten Niederschlags für alle Wiederkehrzeiten (beschränkt auf ~ 2 x Länge der Zeitreihe). Wiederkehrzeiten zugeordnet. Dr. Tanja Winterrath et al., 23. November 2018, Starkregen und Hochwasserschutz", MUEEF, Mainz 20

21 3 Starkregenkarten Statistische Niederschläge auf Basis von Stations- (links) und Radarklimadaten (rechts) Dauerstufe = 24 Stunden Wiederkehrzeit = 1 Jahr Ähnliche Strukturen bei langen Andauern und kurzen Wiederkehrzeiten Dr. Tanja Winterrath et al., 23. November 2018, Starkregen und Hochwasserschutz", MUEEF, Mainz 21 von 32

22 3 Starkregenkarten Statistische Niederschläge auf Basis von Stations- (links) und Radarklimadaten (rechts) Dauerstufe = 1 Stunde Wiederkehrzeit = 20 Jahre Verschiedene Strukturen bei kurzen Andauern und langen Wiederkehrzeiten; Ablösung von der Orografie Dr. Tanja Winterrath et al., 23. November 2018, Starkregen und Hochwasserschutz", MUEEF, Mainz 22 von 32

23 3 Starkregenkarten Weniger strikte Bindung der Strukturen an die Orografie Dr. Tanja Winterrath et al., 23. November 2018, Starkregen und Hochwasserschutz", MUEEF, Mainz 23 von 32

24 Die neue radarbasierte Niederschlagsklimatologie des DWD hoch aufgelöst und starkregenfokussiert Dr. Tanja Winterrath et al. 1 Radarbasierte Niederschlagsmessung 2 Niederschlagsklimatologie 3 Starkregenkarten 4 Niederschlagserosivität Dr. Tanja Winterrath et al., 23. November 2018, Starkregen und Hochwasserschutz", MUEEF, Mainz 24 von 32

25 4 Niederschlagserosivität Bestimmung der Niederschlagserosivität Berechnung auf Basis der Radarklimatologie Stundensummen Flächenmittel 1km 2 Wie schaffe ich die Vergleichbarkeit von Radardaten zu Stationsdaten bzgl. Extremwerten? Skalierung (Fischer et al., 2018) Zeitliche Skalierung aufgrund der Unterschätzung der maximalen 30-Minuten-Intensität (f t = 1,9) Räumliche Skalierung aufgrund der systembedingten Messung von Flächenmitteln (f s = 1,13 + 0,35) Gesamtfaktor = 2,81 Dr. Tanja Winterrath et al., 23. November 2018, Starkregen und Hochwasserschutz", MUEEF, Mainz 25 von 32

26 4 Niederschlagserosivität Rain erosivity map for Germany derived from contiguous radar rain data Franziska K. Fischer, Tanja Winterrath und Karl Auerswald bis 14. Dezember in (öffentlicher) Begutachtung: Basis: R-Faktoren aus RADKLIM (skalierte Rasterdaten) Reduzierung des Einflusses extremer Einzelereignisse im 17-Jahres-Zeitraum Auffüllung der Gebiete ohne vollständige Radarabdeckung Mittelwerte für Gemeinden [kj/m 2 mm/h] Dr. Tanja Winterrath et al., 23. November 2018, Starkregen und Hochwasserschutz", MUEEF, Mainz 26 von 32

27 4 Niederschlagserosivität Das erosive Starkregenereignis am 20. September 2014 im Moschelbachtal, Donnersbergkreis Am 20. September fielen in den Nordpfalz-Gemeinden innerhalb kürzester Zeit ungeheure Wassermengen vom Himmel. Nach den extrem starken Regenfällen haben sich Wasser und Schlamm über die Ortschaften ergossen. [..] In Extremfällen so in Ransweiler und Waldgrehweiler stand das Wasser bis zu 1,70m in den Häusern. [..] ( Waldgrehweiler Angeeichtes Radarprodukt RW Dr. Tanja Winterrath et al., 23. November 2018, Starkregen und Hochwasserschutz", MUEEF, Mainz 27 von 32

28 4 Niederschlagserosivität 76,3 mm/d Obermoschel Obermoschel Waldgrehweiler ~30 mm/d Waldgrehweiler 131 mm/d Das Ereignis wird von den Stationsdaten nicht erfasst! Interpolierte Stationsmessungen Radarmessungen Dr. Tanja Winterrath et al., 23. November 2018, Starkregen und Hochwasserschutz", MUEEF, Mainz 28 von 32

29 4 Niederschlagserosivität Weitere Details zum Thema Erosion im folgenden Vortrag Erosion als Folge des Starkregenereignisses vom Donnersbergkreis am 20. September 2014 Quelle: Hochwasservorsorgekonzept für die von Starkregen geschädigten Ortschaften im Donnersbergkreis WALDGREHWEILER; LfU Rheinland-Pfalz Dr. Tanja Winterrath et al., 23. November 2018, Starkregen und Hochwasserschutz", MUEEF, Mainz 29 von 32

30 Zusammenfassung Der DWD kombiniert die Vorteile der quantitativen bodengestützten Punktmessung und der flächenhaften Radarmessung RADOLAN liefert seit Juni 2005 operationell angeeichte Niederschlagsdaten für den operationellen Hochwasserschutz In RADKLIM erfolgt eine optimierte Datenaufbereitung ab 2001: Eliminierung typischer Fehler in Radarmessungen Quantifizierung mit umfangreicher Bodendatenbasis Radardaten liefern (noch) kurze Zeitreihen ab 2001 jährliches Update geplant Radarmessungen ermöglichen die hochaufgelöste, flächendeckende Erfassung von (Extrem-)Niederschlägen und (Extrem-)Ereignissen Statistische Analysen zeigen, dass extreme Starkregenereignisse überall in Deutschland auftreten (können) Grundlage zur Bestimmung der lokalen Sturzflutgefährdung Dr. Tanja Winterrath et al., 23. November 2018, Starkregen und Hochwasserschutz", MUEEF, Mainz 30 von 32

31 Zusammenfassung Die Radarklimatologie liefert die Grundlage für abgeleitete Produkte für die Stadt- und Raumplanung, den Katastrophenschutz, die Landwirtschaft sowie den (vorbeugenden) Hochwasserschutz Niederschlagssummen Statistische Niederschläge Überschreitungen / Hot Spots R-Faktoren (Niederschlagserosivität) Vorregenindizes Verschiedene Niederschlagsdaten und -produkte des DWD finden Sie im Climate Data Center bzw. auf dem Open Data Server unter ( Niederschlagsanalysen in stündlicher Auflösung aus RADKLIM (RW) DOI: /DWD/RADKLIM_RW_V Niederschlagsanalysen in 5-Minuten-Auflösung aus RADKLIM (YW) DOI: /DWD/RADKLIM_YW_V Dr. Tanja Winterrath et al., 23. November 2018, Starkregen und Hochwasserschutz", MUEEF, Mainz 31 von 32

32 Kontakt: Dr. Tanja Winterrath Deutscher Wetterdienst Abteilung Hydrometeorologie Frankfurter Straße Offenbach am Main Internet: ftp://ftp.dwd.de/pub/data/gpcc/radarklimatologie/index.html Twitter: Vielen Dank! +++ Dr. Tanja Winterrath et al., 23. November 2018, Starkregen und Hochwasserschutz", MUEEF, Mainz 32 von 32