Bemessungsniederschläge in Thüringen Dr. Gabriele Malitz, Abt. Hydrometeorologie, Außenstelle Berlin-Buch

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1 Bemessungsniederschläge in Thüringen Dr. Gabriele Malitz, Abt. Hydrometeorologie, Außenstelle Berlin-Buch Das atmosphärische Konvektionspotential über Thüringen, in Jena

2 Übersicht Einleitung Beispiel für Starkregen Definitionen für Starkregen Begriffe bzgl. Bemessungsregen (Starkregen nach DIN 4049) Bemessungsniederschlag laut KOSTRA-DWD- KOSTRA-DWD-2010 (Blicke in die Werkstatt) Zusammenfassung 06/2014 2

3 Abteilung Hydrometeorologie (KU 4) Referat KU 41 Referat KU 42 Auswertungen, Beratungen und wissenschaftlicher Fachdienst Niederschlagsüberwachung Komplexe hydrometeorologische Bilanzen (Berlin-Buch) Weltzentrum für Niederschlagsklimatologie 06/2014 3

4 Prozess Hydrometeorologie Hydrometeorologische Bilanz Bemessungsniederschläge Extremwerte von Niederschlag und Niederschlagsdargebot Klimamonitoring und Klimaprojekte (von deutschland- bis weltweit) mit Schwerpunkt Niederschlag Wasserwirtschaftliche Praxis Radarniederschlagsanalyse Radarniederschlagsvorhersage Radarklimatologie Ergebnisse der Modelle zur Wettervorhersage und zur Schneeschmelzvorhersage 06/2014 4

5 Mittlerer Jahresniederschlag 1981/2010 [mm] /2014 5

6 Großräumiger Starkregen (23. bis 29. Mai 2014) Anwendungsbeispiel REGNIE Niederschlagshöhe in 1/10 mm verbreitet mehr als 60 mm in sieben Tagen 06/2014 6

7 Beispiele für starke konvektive Niederschläge Gera-Leumnitz am D = 5 min 14 mm D = 15 min 29 mm D = 2 Stunden 75 mm D = 24 Stunden 102 mm Leinefelde am D = 15 min 31 mm D = 60 min 50 mm Kaltennordheim am D = 10 min 16 mm D = 30 min 32 mm Sonneberg-N. am D = 5 min 14 mm D = 15 min 27 mm Erfurt-Bindersleben am D = 20 min 25 mm D = 90 min 36 mm 06/2014 7

8 Niederschlag am Boden + Radar 6 Stunden (14 bis 20 Uhr MESZ) 06/2014 8

9 Starkregen (adressatenorientierte Definitionen) Beispiel Uni-Projekt: Anzahl von Stunden mit mindestens 10 l/m² Warnkriterien des DWD vor heftigem Starkregen: > 25 l/m² in 1 Stunde > 35 l/m² in 6 Stunden Definition nach DIN 4049: Auftreten zweimal pro Jahr oder seltener (von Schauer über Landregen bis Dauerregen) 06/2014 9

10 Ausgewählte Begriffe zum Thema Niederschlag nach DIN Bemessungsniederschlag [mm] (engl. design depth of precipitation): Niederschlagshöhe eines bestimmten Niederschlagsereignisses, das der wasserwirtschaftlichen und baulichen Planung zugrunde gelegt wird Schauer (engl. shower): Kurz andauerndes Niederschlagsereignis (bis max. 45 Minuten) mit meist hoher, manchmal schnell wechselnder Niederschlagsintensität und eng begrenztem Niederschlagsfeld (kleiner als etwa 10 km²). ANMERKUNG: Durch starke vertikale Luftbewegung (Konvektion) entstanden und daher auch als konvektiver Niederschlag bezeichnet Dauerniederschlag (engl. persistent precipitation): Lang andauerndes Niederschlagsereignis (mehr als etwa sechs Stunden) mit geringer, sich meist wenig ändernder Niederschlagsintensität und ausgedehntem Niederschlagsfeld (größer als etwa 1000 km²). ANMERKUNG: Durch überwiegend horizontale Luftbewegung (Advektion) entstanden und daher auch als advektiver Niederschlag bezeichnet; Dauerniederschlag in flüssiger Form: Landregen, Dauerregen Starkregen (engl. storm rainfall): Regen, der im Verhältnis zu seiner Dauer eine hohe Niederschlagsintensität hat und daher selten auftritt (zweimal jährlich oder seltener) 06/

11 Niederschlagsdauer Dauerstufe Niederschlagsdauer: Zeitspanne zwischen Niederschlagsbeginn und Niederschlagsende des natürlichen Niederschlagsereignisses Dauerstufe D: ausgewählter Zeitabschnitt mit Niederschlag (einschließlich Unterbrechungen), unabhängig von Beginn und Ende des natürlichen Niederschlagsereignisses 06/

12 Überschreitungshäufigkeit Wiederkehrintervall Quantil Überschreitungshäufigkeit als realer Ausdruck für die Überschreitungswahrscheinlichkeit n = 0,01 a -1 Wiederkehrintervall oder Wiederkehrzeit (Jährlichkeit): mittlere Zeitspanne, in der ein Ereignis einen Wert einmal erreicht oder überschreitet T = 1/n = 100 a Ein Quantil definiert einen bestimmten Teil einer Datenmenge und legt fest, wie viele Werte einer Verteilung über (oder unter) einer bestimmten Grenze liegen. (Beispiel: Der 99-Perzentil-Wert sagt aus, dass höchstens 1 % der Messwerte über dem Schwellenwert liegen dürfen.) q = 1 n = 0,99 06/

13 Niederschlagsereignis (engl. precipitation event): Niederschlagsgeschehen, dessen Niederschlagsdauer, Niederschlagsverlauf und räumliche Verteilung an der Erdoberfläche natürlich gegeben oder je nach Fragestellung hieraus festzulegen sind. ANMERKUNG: Das Niederschlagsgeschehen kann sich sowohl auf einen Standort als auch auf ein wanderndes Niederschlagsfeld beziehen. Abb.: Schematische Darstellung des Niederschlagsverlaufs mit Niederschlagsereignissen unterschiedlicher Niederschlagsdauer (lt. DIN ) Niederschlagsspende rn [l/s km²] (engl. precipitation yield): Quotient aus dem Volumen des in einer bestimmten Zeitspanne auf eine bestimmte Fläche gefallenen Niederschlags und dem Produkt aus dieser Zeitspanne und dieser Fläche. r N in l/(s ha) 06/

14 Niederschlagsereignis Häufigkeitsprofil 9 Niederschlagshöhe [mm pro 5 min] 30 Wiederkehrzeit [a] max. N - Höhe [mm] Zeit [min] Dauer [min] Wiederkehrzeit max. N-Höhe 10 0 Abbildung: Prinzipdarstellung für Niederschlagsereignis und zugehöriges Häufigkeitsprofil (laut Bild 2.19 aus Heft 18 (1999) der Schriftenreihe Stadtentwässerung und Gewässerschutz. Dr.-Ing. habil. H.-R. Verworn: Die Anwendung von Kanalnetzmodellen in der Stadthydrologie ) 06/

15 Bemessungsniederschlag laut KOSTRA-DWD Die Teile der KOSTRA-DWD-Untersuchungen KOSTRA = Koordinierte Starkniederschlags-Regionalisierung Analysestarts in den Jahren 1987, 1990, 2000 und 2010: - KOSTRA 87 (Tabellen- und Kartenwerk) - KOSTRA 90 und KOSTRA NE (KOSTRA-Atlas) - KOSTRA 2000 (KOSTRA-DWD-2000) - KOSTRA 2010 (KOSTRA-DWD-2010) in Bearbeitung 06/

16 Niederschlagshöhe in mm Jahr Abb.: 15-min-Werte der Niederschlagshöhe 10 mm, Station Potsdam, Mai bis Sep., 1951 bis /

17 Prinzip Jährliche Serie von 24-Stundenwerten der Niederschlagshöhe h N Station Musterstadt, Zeitraum 1951 bis 2000 (M = 50 Jahre) hn [mm] T = 1a T = 2a T = 5a T = 10a T = 20a T = 50a T = 100a ln T Vorabschätzungen der Jährlichkeit T: T(k) = exp (-ln (ln ((M + 0,2) / (M - k + 0,6)))) 17

18 Prinzip Jährliche Serie von 24-Stundenwerten der Niederschlagshöhe h N Station Musterstadt, Zeitraum 1951 bis 2000 (M = 50 Jahre) 160 hn [mm] h N = u + w ln T U = 39 W = T = 1a 0 T = 2a T = 5a T = 10a T = 20a T = 50a T = 100a ln T Vorabschätzungen der Jährlichkeit T: T(k) = exp (-ln (ln ((M + 0,2) / (M - k + 0,6)))) 06/

19 Starkniederschlagshöhen (KOSTRA-DWD-2000) 5 5 Z = Mai bis September Z = Januar bis Dezember D = 60 min T = 10 a KOSTRA-DWD-2000 (1951 bis 2000) Dauerstufe D = 60 min Wiederkehrzeit T = 10 a Angaben in mm < bis < bis < bis < bis < bis < bis < bis < bis < und mehr Blautöne: 30 bis 38 mm DWD, Abteilung Hydrometeorologie /

20 Starkniederschlagshöhen (KOSTRA-DWD-2000) 5 5 Z = Januar bis Dezember D = 48 h T = 100 a KOSTRA-DWD-2000 (1951 bis 2000) Dauerstufe D = 48 h Wiederkehrzeit T = 100 a Angaben in mm < bis < bis < bis < bis < bis < bis < bis < bis < und mehr Blautöne: 130 bis 150 mm DWD, Abteilung Hydrometeorologie /

21 Statistische Starkniederschlagshöhen für Deutschland Tabelle: Starkniederschlagshöhen hn (in mm) laut KOSTRA-DWD-2000 in Abhängigkeit von Dauerstufe D und Wiederkehrzeit T ( bzw. der Überschreitungshäufigkeit n (in 1/a)) für einen Beispielstandort T = 1 a T = 2 a T = 5 a T = 20 a T = 100 a D = 5 min 5,2 mm 6,6 mm 8,5 mm 11,4 mm 14,7 mm Bemessung von Entwässerungsanlagen für Gebäude und Grundstücke DIN : D = 15 min 10,0 mm 12,4 mm 15,6 mm 20,4 mm 26,0 mm D = 60 min 15,3 mm 19,9 mm 26,0 mm 35,3 mm 46,0 mm Planung, Bau und Betrieb von Anlagen zur Versickerung von Niederschlagswasser DWA- A 138 D = 12 h 31,0 mm 41,0 mm 54,2 mm 74,2 mm 97,4 mm D = 24 h 36,7 mm 47,5 mm 61,8 mm 83,5 mm 108,6 mm D = 72 h 47,3 mm 59,7 mm 76,2 mm 101,1 mm 130,0 mm Bemessung von Regenrückhaltebecken DWA- A 117 Bewertung von Überschwemmungen infolge extremer Niederschläge unterschiedlicher Dauer (von Schauer bis Dauerregen) Toleranzbereich von T = 0,5 a bis einschließlich T = 5 a: - 10 % % Toleranzbereich über T = 5 a bis einschließlich T = 50 a: - 15 % % Toleranzbereich über T = 50 a bis einschließlich T = 100 a: - 20 % % 06/

22 Maximierte Gebietsniederschlagshöhen (MGN-Werte) h N,maxx = h N,extrem (W max /W extrem ) h N,extrem ist die bei einem extremen Starkniederschlagsereignis gemessene Niederschlagshöhe. (W max /W extrem ) ist der Maximierungsfaktor. W max ist der theoretisch größte Wasserdampfgehalt der Atmosphäre (in Abhängigkeit von dem Gebiet und der Jahreszeit). W extrem ist der Wassergehalt, der über dem Untersuchungsgebiet während eines beobachteten extremen Starkniederschlagsereignisses gewisser Dauer vorhanden ist. h N,maxx ist die maximierte Niederschlagshöhe. Die Vielzahl der h N,maxx -Werte wurde regionalisiert, d. h. auf die Fläche Deutschlands übertragen, und in Karten der maximierten Gebietsniederschlagshöhen MGN dargestellt. 06/

23 Nördliche Breite (Grad) Maximierte Gebietsniederschlagshöhen MGN-Karte D = 24 h mm 1400 mm 1300 mm 1200 mm 1100 mm 1000 mm 900 mm 800 mm 700 mm 600 mm 550 mm 500 mm 450 mm 400 mm 350 mm 300 mm 275 mm 250 mm 225 mm 200 mm 175 mm 150 mm 125 mm 100 mm 75 mm Gebietsgrößenstufe: 25 km² für 25 km² gilt: MGN = MPN Östliche Länge (Grad) Regionalisierte maximierte Gebietsniederschlagshöhe Dauerstufe D = 24 h, Gebietsgrößenstufe G = 25 km² 06/

24 Automatische Niederschlagsmesser Stationen (des DWD und der Bundesländer) mit Reihen hoch aufgelöster Niederschläge 06/

25 Automatische Niederschlagsmesser Rund die Hälfte dieser Reihen hoch aufgelöster Niederschläge (an Stationen des DWD und der Bundesländer) hat eine Länge von 10 Jahren. 06/

26 Starkniederschlagshöhen [mm] D = 15 min D = 15 min jährige Auswerteintervalle T=1a (30-jährig) T=1a ( ) T=100a (30-jährig) T=100a ( ) Abb.: Gleitende Auswertungen, Station Potsdam (1951 bis 2010), Dauerstufe D = 15 min, Wiederkehrzeiten T = 1 a, T = 100 a 06/

27 Starkniederschlagshöhen D = 15 min, T = 100 a vs Abnahme Leichte Zunahme Zunahme (> 20 %) 06/

28 Vergleich von Ergebnissen: 1951 bis 1980 (alt) vs bis 2010 (neu) Punktuelle Starkniederschlagshöhen (in mm) an der Station Erfurt für verschiedene (kleine) Dauerstufen D und Wiederkehrintervalle T T = 1a alt T = 1a neu T = 5a alt T = 5a neu T = 20a alt T = 20a neu T = 100a alt T = 100a neu 5 min 6,1 5,8 8,2 8,5 10,1 10,8 12,2 13,5 15 min 8,6 9,7 12,6 15,7 16,0 20,9 20,0 26,9 30 min 10,7 12,2 16,6 20,2 21,7 27,2 27,5 35,3 60 min 13,4 14,6 22,0 24,8 29,5 33,6 38,1 43,7 120 min 15,8 18,0 25,2 29,5 33,4 39,4 42,8 50,8 06/

29 ROI_J_LM, GUM (Gesamtjahr) KOSTRA-DWD-2010 (Blick 1 in die Werkstatt) hn 10 [mm] [20,22] (22,24] (24,26] (26,28] (28,30] (30,32] (32,34] (34,36] (36,38] (38,40] (40,42] (42,44] (44,46] (46,48] KOSTRA-DEKA (anderer methodischer Ansatz) Datenbasis: Stundenwerte der Niederschlagshöhe im Zeitraum 2001 bis 2010 Blaue Farbtöne: ab 38 mm/h Räumliche Verteilung des zehnjährlichen Starkniederschlags der Dauerstufe D = 60 min 06/

30 KOSTRA-DWD-2010 (Blick 2 in die Werkstatt) REGNIE-extrem für 1951 bis 2000 D = 48 h und T = 10 a REGNIE-extrem für 1951 bis 2010 D = 48 h und T = 10 a 06/

31 Herausforderung Klimawandel Jährliche Serie von 24-Stundenwerten der Niederschlagshöhe hn Station Musterstadt, Zeitraum 1951 bis 2000 (M = 50 Jahre) Messreihen pflegen und analysieren Zusatzinformationen berücksichtigen (zeitlich, räumlich, kausal) hn [mm] Ergebnisse von Klimamodellen nutzen T = 1a T = 2a T = 5a T = 10a T = 20a T = 50a T = 100a Bemessungsniederschläge aktualisieren ln T Vorabschätzungen der Jährlichkeit T: T(k) = exp (-ln (ln ((M + 0,2) / (M - k + 0,6)))) Regionale Veränderungen berücksichtigen Jährliche Serie von 24-Stundenwerten der Niederschlagshöhe h N Station Musterstadt, Zeitraum 1951 bis 2000 (M = 50 Jahre) - mehr Niederschlag pro Zeiteinheit? öfter Niederschlag pro Zeiteinheit? 120 hn [mm] Informiertheitsgrad erhöhen Risikobewusstsein schärfen 20 T = 1a 0 T = 2a T = 5a T = 10a T = 20a T = 50a T = 100a ln T Vorabschätzungen der Jährlichkeit T: T(k) = exp (-ln (ln ((M + 0,2) / (M - k + 0,6)))) Vorsorgemaßnahmen ergreifen Objektschutz betreiben 06/

32 Fazit Bei Diskussionen über Stark- und Extremniederschläge muss Konsens bezüglich wesentlicher Aspekte bestehen: 1. Niederschlagsdauer bzw. mindestens Dauerstufe 2. Punktwerte oder Gebietswerte der Niederschlagshöhe 3. Verwendete Definition von stark und extrem Es gibt Gebiete in Deutschland, in denen seltene Starkniederschlagsereignisse (dauerstufenabhängig!) seit einigen Jahren zugenommen haben. Ein vollständiger Überblick wird demnächst vorliegen. Alle Arten der Informationserweiterung über die Möglichkeiten der Extremwertstatistik hinaus sind zu nutzen. Ergebnisse extremwertklimatologischer Untersuchungen müssen interdisziplinär kommuniziert werden. 06/

33 Kontakt: Dr. Gabriele Malitz Abteilung Hydrometeorologie Außenstelle Berlin Lindenberger Weg Berlin-Buch Tel.: +49 (0) 030 / Fax: +49 (0) 030 / Foto: Jens Koch Vielen Dank 33

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