Sommerliches Unwetterpotential in Thüringen

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1 Sommerliches Unwetterpotential in Thüringen

2 Herausgeber: Thüringer Landesanstalt für Umwelt und Geologie - Thüringer Klimaagentur - Göschwitzer Str Jena Internet: klimaagentur@tlug.thueringen.de Stand: November 2015

3 Sommerliches Unwetterpotential in Thüringen Thüringer Landesanstalt für Umwelt und Geologie - Thüringer Klimaagentur -

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5 Inhaltsverzeichnis Vorwort Einleitung Was ist Konvektion? Gefahrenpotentiale 7 4. Projektinformation und Datengrundlage 8 5. Konvektive Unwettergefahren in Thüringen Regionaler Starkregen Blitzschlag Hagel Blick in die Zukunft Beitrag der Projektergebnisse zur Anpassung an die Folgen des Klimawandels Interaktives Kartenmodul Konvektives Unwetterpotential in Thüringen. 16 Literatur und Fotonachweis

6 Foto Präsident? Vorwort Der Begriff Klimawandel wird verbreitet mit einer gleichmäßigen Temperaturzunahme gleichgesetzt. Die Thematik ist jedoch weitaus fassettenreicher. Neben dem nachweislichen Anstieg der globalen Mitteltemperatur werden stärkere Witterungsschwankungen und eine deutliche Zunahme von Witterungsextremen erwartet. Diese umfassen sowohl großräumige Ereignisse (Stürme, Trocken und Hitzeperioden, Überflutungen auslösender Niederschlag) alsauch lokale Phänomene. Gewitter sind räumlich meist eng begrenzt und nur von kurzer Dauer. Die mit ihnen einhergehenden Gefahren wie Blitzschlag, Hagel, Starkregen und lokale Sturmböen verfügen jedoch über ein erhebliches Schadenspotential. Kenntnisse über die lokale Auftrittshäufigkeit und die Identifizierung von besonders betroffenen Regionen ermöglichen eine zielgerichtet Anpassung und vorsorgende Planung. Das Projekt Bestimmung des konvektiven Unwetterpotentials über Thüringen hatte zum Ziel, das durchschnittliche räumliche und zeitliche Auftreten von sommerlichen Unwetterereignissen flächendeckend für Thüringen zu beschreiben. Die Ergebnisse sind ein wesentlicher fachlicher Beitrag der TLUG zur Risikokommunikation und zur Anpassung an die Folgen des Klimawandels in Thüringen. Martin Feustel (m.d.w.d.g.b.) Präsident der TLUG 4

7 1. Einleitung Die vorliegende Studie beschäftigt sich mit dem Auftreten von atmosphärischer Konvektion und damit verbundenen sommerlichen Unwettern über dem Bundesland Thüringen. Die damit einhergehenden Phänomene Starkregen, Blitzschlag, Hagel und lokale Sturmböen verursachen immer wieder hohe Schäden, wodurch eine Motivation zu einer gezielten Untersuchung entstand. Zur Analyse der atmosphärischen Konvektion für gegenwärtige Zeiträume kamen unterschiedliche Fernerkundungsdatensätze (Radar, Blitze, Satelliten) zum Einsatz. Simulationen mit dem regionalen Klimamodell COSMO CLM wurden für Sensitivitätsstudien zur Änderung der Landoberfläche und zur Abschätzung der zukünftigen Entwicklung atmosphärischer Konvektion verwendet. Zusätzlich wurden statistische Zusammenhänge zwischen dem wetterlagenabhängigen Auftreten von Konvektion gebildet, um einen alternativen Ansatz für die Abschätzung der konvektiven Aktivität zu erhalten. Schwerpunkte der konvektiven Aktivität sind am Thüringer Wald und im Osten Thüringens zu beobachten. Den großen Einfluss des Thüringer Waldes auf konvektiven Niederschlag zeigen auch die Sensitivitätsstudien. Für die Zukunft ist mit einer Zunahme atmosphärischer Konvektion über Thüringen bis zum Ende des Jahrhunderts zu rechnen [Brendel et al. 2014]. Im Jahr 2014 gab es bereits ab Ende April starke Gewitter mit lokalen Überschwemmungen. Der Ort Troistedt im südlichen Weimarer Land war dadurch bereits das zweite Jahr in Folge von Sturzfluten betroffen, was erneut zu erheblichen Schäden im Ort führte. Der Monat Juli war nicht nur überdurchschnittlich warm, sondern auch ausgesprochen niederschlagsreich. Die schwülwarme Witterung löste thüringenweit Unwetter aus. Straßenüberschwemmungen, Sturzfluten und vollgelaufene Keller waren unter anderen die Folgen davon. Die Gewittersaison war damit noch nicht beendet und zog sich bis zum kalendarischen Herbstanfang im September. Im Jahr 2014 gab es damit in Thüringen nicht nur ausgesprochen viele konvektive Unwetterereignisse, sondern auch mit April bis September einen langen Zeitraum, in dem diese auftraten. 5

8 2. Was ist Konvektion? Konvektion Konvektion im physikalischen Sinne ist eine Form der Wärmeübertragung. Dabei wird Wärme (Energie) durch ein bewegtes Medium transportiert. Man unterscheidet zwischen Konduktion (Wärmeleitung), Temperaturstrahlung und Konvektion. Meist treten alle drei Formen der Wärmeübertragung gleichzeitig auf. Unter atmosphärischer Feuchtkonvektion versteht man in der Meteorologie Quellwolken, Schauer und Gewitter. Für deren Entstehung benötigt es wie bei einem Kochrezept drei Grundzutaten: Einen ausreichend großen Wasserdampfgehalt in der Luft, einen Hebungsantrieb (z. B. durch Sonneneinstrahlung oder auch Gebirgshindernisse) und eine starke Abnahme der Temperatur mit der Höhe (Labilität). Der Hebungsantrieb löst das Aufsteigen der Luftmassen aus, was bei einem ausreichend hohen Wasserdampfgehalt zur Wolkenbildung in ca. 1 2 km Höhe führt. Das weitere Wolkenwachstum in die Höhe wird durch die Labilität bestimmt. Die abschließende Würze für die Wetterküche liegt in den Änderungen von Windrichtung und Windgeschwindigkeit mit der Höhe (sogenannte vertikale Windscherung), die für ausgeprägte konvektive Strukturen verantwortlich sind. Je nach Ablauf dieser Prozesse kommt es in deren Folge zum Auftreten von Quellwolken, Schauern oder sogar Gewittern mit Blitzschlag, Starkregen, Hagel sowie Sturmböen. Auslösung und Wolkenbildung Wolkenwachstum Erster Niederschlag und erste Blitze Reifestadium des Gewitters 6

9 3. Gefahrenpotentiale Die mit atmosphärischer Feuchtkonvektion einhergehenden Gefahren setzen sich aus Starkregen, Blitzschlag, Hagel und lokalen Sturmböen zusammen. Die klimatologische Untersuchung lokaler Sturmböen wurde im Projekt nicht durchgeführt. Insbesondere Gewitter sind Wettererscheinungen, die mit hohem Gefahrenpotential einhergehen. Die unmittelbaren Gefahren wie Hagel, Starkregen, Blitzschlag und Windböen sind verbunden mit lokalen Schäden wie Überschwemmungen, entwurzelten Bäumen oder Stromausfällen, die sehr kostenintensiv und aufwendig in ihrer Beseitigung sind. Auch im Hinblick auf regenerative Energieträger bergen Gewitter mit Blitz und Hagelschlagzahlreiche Gefahren in sich. Das gilt vor allem für Windenergieanlagen, die bevorzugt an exponierten Standorten zu finden sind. Daher ist es unerlässlich, Kenntnis über die regionale und saisonale Verteilung der Gewitterhäufigkeit und Intensität zu haben. Dadurch kann bereits in der Planung für zahlreiche Branchen die potentielle Schadensanfälligkeit gegenüber konvektiven Unwettern minimiert werden. Konvektive Wetterereignisse führen lokal und überregional zu zum Teil erheblichen Schäden für die Betroffenen. Auch in Thüringen sind zahlreiche Schäden dieser Art verlässlich registriert und unter anderem auch durch die Medien öffentlich gemacht. Umso wichtiger ist es Hagel, Starkregen, Blitz und lokale Fallböenereignisse räumlich und zeitlich besser einschätzen zu können. Die Handlungsfelder Wasserwirtschaft, Forst und Landwirtschaft, Bauwesen und Katastrophenschutz benötigen Informationen zu konvektiven Wetterphänomenen, was auch aus dem Integrierten Maßnahmenprogramm zur Anpassung an die Folgen des Klimawandels in Thüringen 2013 (IMPAKT) hervorgeht. Gewitterzelle bei Eisenberg am

10 4. Projektinformation und Datengrundlage Gemäß seines gesetzlichen Auftrages zur Erfassung meteorologischer Daten mittels modernster Technik unterhält der Deutsche Wetterdienst (DWD) ein Netz von Wetterradaranlagen, den so genannten Radarverbund (RADAR = RAdio Detecting And Ranging). Während Niederschlagsbeobachtungen stets nur Punktmessungen in einem räumlich und zeitlich ablaufenden Niederschlagsereignis sind, erlauben Radarinformationen eine flächendeckende Wetterüberwachung im lokalen und regionalen Bereich. Moderne Systeme liefern Daten über die Niederschlagsverteilung mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung. [DWD Wetterlexikon, 2015] Prinzip Niederschlagsradarmessung Auftraggeber für das Projekt Bestimmung des atmosphärischen Konvektionspotentials über Thüringen war der Freistaat Thüringen (TMUEN Thüringer Ministerium für Umwelt, Energie und Naturschutz und TLUG Thüringer Landesanstalt für Umwelt und Geologie). Die Bearbeitung wurde durch das Institut für Atmosphäre und Umwelt der Goethe Universität Frankfurt am Main durchgeführt. Die verwendeten Radardaten wurden im Rahmen der Verwaltungsvereinbarung zwischen der TLUG und dem Deutschen Wetterdienst (DWD) zur Verfügung gestellt. Wesentliche Inhalte und Ergebnisse des Projektes veröffentlichten die Projektpartner in der Schriftenreihe Berichte des Deutschen Wetterdienstes, Nr Die über mehrere Jahre laufende, umfassende Studie zum konvektiven Unwetterpotential über Thüringen hatte schwerpunktmäßig die Untersuchung folgender Fragestellungen zum Ziel: Erfassung des gegenwärtigen Gefährdungspotentials über Thüringen, Ursachenanalyse des gegenwärtigen Gefährdungspotentials, Rückschlüsse auf das mögliche Gefährdungspotential in der Zukunft. Ergänzend zu den Niederschlagsradardaten kamen Blitzdaten der Firma Siemens (Blitz Informationsdienst von Siemens BLIDS) zur Anwendung. Dies erlaubt zusätzlich eine Unterscheidung zwischen Schauern und Gewittern und ermöglicht eine ergänzende Auswertung zur Blitzschlaggefährdung. Das Projekt ist eine wichtige fachliche Grundlage für das Thüringer Klima Anpassungsprogramm. Es liefert das räumliche und zeitliche Gefährdungspotential durch konvektive Wetterereignisse in Thüringen und dient damit unmittelbar der Vermeidung und Verminderung ökologischer, wirtschaftlicher und sozialer Schäden durch extreme Wetterereignisse, wie Starkniederschläge, Hagel und Blitzschlag. Mit Hilfe des Projektes können Aussagen zur örtlichen Lage der potentiell betroffenen Regionen in Thüringen sowie zur Häufigkeit und Intensität derartiger Ereignisse gegeben werden. 8

11 5. Konvektive Unwettergefahren in Thüringen 5.1 Regionaler Starkregen Anzahl an Starkniederschlagsgebieten Für die Starkregenhäufigkeit wurde die Summe aller im Radar identifizierten Starkniederschlagsgebiete, die eine Fünf Minuten Niederschlagsintensität von 20 mm/h überschreiten, ausgewertet. Die größte Starkniederschlagshäufigkeit zeigt sich über dem mittleren und südlichen Thüringer Wald, dem Thüringer Schiefergebirge und dem Thüringer Holzland. Neben diesen Schwerpunkten ist zudem eine erhöhte Auftrittshäufigkeit im westlichen Thüringen über der Rhön an der Grenze zu Hessen zu erkennen. Konvektive Starkregenereignisse sind oftmals räumlich eng begrenzt und dauern meist nicht länger als eine Stunde. Die entladene Niederschlagsmenge über den betroffenen Orten ist bezogen auf die kurze Niederschlagsdauer jedoch sehr hoch und oft nur über Oberflächenabfluss ableitbar. Lokale Sturzfluten, Hangrutschen und Schlammlawinen können die Folge sein. Für das Schadenspotential sind aus meteorologischer Sicht neben den topografischen und geologischen Bodengebenheiten die Starkregenhäufigkeit, die Starkregenintensität und die Niederschlagsmenge entscheidend. Konvektive Starkregenereignisse können bei großflächigem und mehrtägigem AuftretenzuHochwasserinFlüssenundBächen führen. Zur Karte Dargestellt ist auf einem 1 km Raster die mittlere Anzahl von Niederschlagsgebieten, die eine momentane Niederschlagsintensität von 20 mm/h überschreiten. Die Spanne in Thüringen reicht von durchschnittlich weniger als einem bis zu mehr als sechs derartigen Niederschlagsereignissen pro Jahr. 9

12 Starkregenintensität Die mittlere Starkregenintensität ergibt sich aus dem Mittelwert der Niederschlagsintensität aller Starkniederschlagsgebiete, die eine Fünf Minuten Niederschlagsintensität von 20 mm/h überschreiten. Trotz der heterogenen räumlichen Verteilung in Thüringen lassen sich einzelne Schwerpunkte für das Auftreten potentiell hoher Niederschlagsintensitäten identifizieren. Dazu gehören das Thüringer Schiefergebirge, die Region südlich von Weimar und Erfurt sowie der Westen und Nordwesten Thüringens. Gewitterstimmung bei Bürgel Zur Karte Je mehr Niederschlag innerhalb weniger Minuten fällt, desto stärker ist sein Schadenspotential. Der Niederschlag hat keine Zeit zu versickern und fließt ausschließlich oberflächennah ab. In Thüringen gibt es Orte, wo Starkniederschlagsereignisse durchschnittlich mehr als 50 mm/h Niederschlagsintensität aufweisen. 10

13 Lokale Sturzfluten Die Auslösung einer lokalen Sturzflut ist von den Oberflächenflächeneigenschaften (Topografie und Boden) und der über dem jeweiligen Ort abgeladenen Niederschlagsmenge abhängig. Je langsamer ein Niederschlagsgebiet zieht und je größer dessen Niederschlagsintensität ist, umso größer ist die Niederschlagsmenge, die sich über einem Ort entladen kann. Der Quotient aus Niederschlagsintensität und Verlagerungsgeschwindigkeit ergibt somit einen Indikator für das atmosphärische Sturzflutpotential. Schwerpunktmäßig erstrecken sich diese Gebiete (ohne Berücksichtigung von Topografie und Gewässereinzugsgebieten) vom Thüringer Schiefergebirge und dem südlichen Thüringer Vogtland bis hin zur Städtekette Erfurt / Gera. Vereinzelte Bereiche im Westen und Nordwesten des Landes weisen ebenfalls ein erhöhtes Potential auf. Troistedt Der kleine Ort Troistedt südwestlich von Weimar war 2013 und 2014 gleich zweimal in Folge von einer lokalen Sturzflut betroffen. Schlamm und Wassermassen flossen durch den Ort, richteten erhebliche Schäden an Gebäuden an und rissen sogar Autos mit sich. Sturzflutpotential [mm/km] Zur Karte Lokale Sturzfluten werden unter Voraussetzung der topografischen Gegebenheiten und der Bodeneigenschaften durch extreme Niederschlagsmengen innerhalb kurzer Zeit typischerweise innerhalb weniger Minuten hervorgerufen. Die Karte zeigt einen Sturzflutindikator, der aus dem Verhältnis von Niederschlagsintensität [mm/h] zur Verlagerungsgeschwindigkeit des Niederschlagsgebietes [km/h] besteht. Der Sturzflutindikator sagt aus, wieviel Millimeter Niederschlag pro Kilometer Niederschlagsgebietsverlagerung fallen. 11

14 5.2 Blitzschlag Ausgebrannte Windenergieanlage bei Rauschwitz Im Sommer 2013 schlug bei Rauschwitz in der Nähe von Eisenberg ein Blitz in eine Windenergieanlage ein und zerstörte ein Rotorblatt vollständig. Der nordöstliche Saale Holzland Kreis zählt mit zu den blitzreichsten Regionen in Thüringen. Die Auswertung der mittleren jährlichen Blitzdichte (Blitze pro Quadratkilometer und Jahr) zeigt eine erhöhte Gewitteraktivität im Osten Thüringens, insbesondere im Altenburger Land, im nördlichen Saale Holzland Kreis, im Weimarer Land südwestlich von Jena, dem südlichen Saale Orla Kreis, aber auch im zentralen Unstrut Hainich Kreis, dem Gebiet der Rhön und im Süden des Landkreises Hildburghausen. Eine auffällig geringere Blitzdichte ist dagegen von Nordhausen bis Sömmerda und im Eichsfeld zu sehen. Weiterführende Ergebnisse und Analysen zum Thema Gewitter und Blitzschlaggefährdung sind im Internet unter Gewitter in Thüringen veröffentlicht. Zu finden im Internet unter: in thueringen Zur Karte Die Blitzdichte gibt an, wie viele Blitze durchschnittlich pro Jahr in einer bestimmten Region einschlagen. Von Jahr zu Jahr variiert die Blitzanzahl jedoch sehr stark. 12

15 5.3 Hagel Für das Hagelpotential wurde der kombinierte Datensatz aus Radar und Blitzinformation verwendet. Es wurden konvektive Gewitterniederschlagsgebiete mit einer Radarreflektivität von mehr als 55 dbz identifiziert. Dieser Grenzwert und das Vorhandensein von Blitzen als Voraussetzung für Hagel orientieren sich an verschiedenen Studien [Brendel et al. 2014]. Die höchste Gefährdung für das Auftreten von konvektiven Niederschlagsgebieten mit erhöhtem Potential für Hagel am Erdboden haben die Landkreise Sonneberg, Hildburghausen, Saalfeld Rudolstadt, Weimarer Land und der Ilmkreis. August 2013 Anfang August 2013 gab es deutschlandweit mehrere extreme Hagelereignisse. Auch in Thüringen gab es Berichte von tennisballgroßen Hagelkörnern. Zur Karte Für die Abschätzung der Hagelgefährdung wurden vier verschiedene Klassen gewählt. Die meisten Regionen in Thüringen haben weniger als ein Hagelereignis innerhalb von drei Jahren zu verzeichnen. Im Thüringer Schiefergebirge gibt es Regionen mit durchschnittlich einem Hagelereignis pro Jahr. 13

16 6. Blick in die Zukunft Zu den Karten Die dimensionslose Skala von 0 bis 1 stellt die Gefährdung durch konvektive Wetterereignisse dar. Die konvektive Gefährdung setzt sich zu unterschiedlichen Anteilen aus dem allgemeinen Konvektionspotential, dem Starkniederschlagspotential, dem Sturzflutpotential, dem Blitzpotential und dem Hagelpotential zusammen. Die 0 steht dafür für die geringste und 1 für die höchste konvektive Gefährdung im simulierten Gesamtzeitraum von Die Gefährdungskarten für das konvektive Unwetterpotential zeigen die Modellergebnisse der Simulationen mit dem regionalen Klimamodell COSMO CLM, angetrieben durch das globale Klimamodell EC Earth, nachdememissionsszenariorcp 8.5. Für den Vergleichszeitraum von 1976 bis 2005 ist eine niedrige Gefährdung vorwiegend im Norden Thüringens und ein Schwerpunkt hoher Gefährdung im südlichen Thüringer Wald und im Thüringer Schiefergebirge erkennbar. COSMO CLM ist in der Lage, Temperatur und Feuchteänderungen in einem zukünftigen Klima in den konvektionsauflösenden Simulationen zu berücksichtigen. Die Zukunftsprojektionen ergeben für die Zeiträume von 2016 bis 2045 und von 2071 bis 2100 eine deutliche Erhöhung der Gefährdung durch konvektive Ereignisse, die an Häufigkeit und Intensität zunehmen. Diese Aussage ist robust. Die Größenordnung der Gefährdungszunahme und ihr räumliches Muster bleiben aber mit Unsicherheiten behaftet

17 7. Beitrag der Projektergebnisse zur Anpassung an die Folgen des Klimawandels Die Ergebnisse des Projektes finden grundsätzlich bei der Erstellung von Regionalplänen Berücksichtigung. Die Ausweisung von Vorbehaltsgebieten Freiraumpotenzial (LEP ) kann auch der Bewältigung der Folgen des Klimawandels dienen, in diesem Zusammenhang durch Einbeziehung von Gebieten mit Gefährdungspotentialen durch Starkregen, Blitzschlag und Hagel. Für die formelle Planung und Strategische Umweltprüfung sind solche Ergebnisse ein Baustein für Analysen und können im Rahmen der Abwägung von Bauvorhaben genutzt werden. Bei der Erstellung des Klimakonzeptes für die Planungsregion Südwestthüringen, werden die Ergebnisse zum Starkregenpotential als Klimasignal verwendet. Im Zuge der Planung von neuen Verkehrsinfrastrukturen können die ermittelten Gefährdungspotentiale eine wichtige Information bzw. Grundlage im Rahmen der Prüfung von Trassenalternativen darstellen. Starkregenereignisse und damit verbundene lokale Sturzfluten führen zu einer hohen Bodenerosionstätigkeit. Dadurch werden binnen weniger Stunden bis Minuten große Mengen an Erdreich unwiderruflich abgetragen. So ergibt sich in der Landwirtschaft und für den Bodenschutz ein sehr großer Handlungsbedarf. In das Programm Förderung von umweltgerechter Landwirtschaft, Erhaltung der Kulturlandschaft, Naturschutz und Landschaftspflege (KULAP 2014) sind daher ebenfalls die Projektergebnisse eingegangen. Die Projektergebnisse werden jährlich durch die Thüringer Klimaagentur aktualisiert und fortgeschrieben. Die dafür erforderlichen Niederschlagsradardaten stellt der Deutsche Wetterdienst bereit. Unwetter in Gera am

18 8. Interaktives Kartenmodul Konvektives Unwetterpotential über Thüringen Begleitend zum Projekt bietet die Thüringer Klimaagentur auf ihrer Webseite ein interaktives Kartenmodul an, das alle wesentlichen Projektergebnisse kartographisch hochwertig aufbereitet enthält. Hier kann der Nutzer auf intuitive Art und Weise die ihn interessierenden Themen aufrufen und kombinieren. Besonders hervorzuheben sind hierbei die in den einzelnen Kategorien ausgewiesenen Flächen mit erhöhtem Schadenspotential. Über Listboxen kann zudem zu einzelnen Landkreisen und Gemeinden navigiert werden. Ein weiteres Highlight sind die animierten Karten für die von Klimamodellen projizierten zukünftigen Entwicklungen. Umfangreiche, nach Themen kategorisierte zusätzliche Informationen runden dieses Internetmodul ab. Zu finden im Internet unter: in thueringen 16

19 Quellen: Brendel et al. 2014: Brendel, B., Brisson, E., Heyner, F., Weigl, E., Ahrens, B.: Bestimmung des konvektiven Unwetterpotentials über Thüringen. Berichte des Deutschen Wetterdienstes, Nr. 244, Offenbach am Main, 2014, Selbstverlag des Deutschen Wetterdienstes. DWD Wetterlexikon, 2015: Wetterlexikon des Deutschen Wetterdienstes. url: Fotonachweis: Frank Heyner (TLUG): Titelbild Dr. Kai Pfannschmidt (TLUG): S.7, S.10 Jens Singer (TLUG): Rückseite Markus Weggässer (Thüringer Storm Chaser): S.15 Druck: Landesamt für Vermessung und Geoinformation Hohenwindenstraße 13a Erfurt

20 Gewitterzelle (Cumulonimbus incus) bei Jena am