Langzeitverhalten der Starkniederschläge in Baden-Württemberg und Bayern

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1 Langzeitverhalten der Starkniederschläge in Baden-Württemberg und Bayern KLIWA-Projekt A Analyse zum Langzeitverhalten der Starkniederschläge Photo: sturmwetter.de KLIWA-Arbeitsbericht Zusammenfassung

2 KLIWA-Projekt A 1.1.3: Langzeitverhalten von Starkniederschlägen in Bayern und Baden-Württemberg Zusammenfassung der Untersuchungsergebnisse (Stand: Dezember 2002) Inhalt 1 EINLEITUNG DATENGRUNDLAGE TRENDVERHALTEN DER STARKNIEDERSCHLAGSHÖHEN METHODISCHES VORGEHEN ERGEBNISSE FÜR DER ZEITREIHEN / Allgemeiner Trend Signifikante Trends ERGEBNISSE FÜR DIE SEHR LANGEN ZEITREIHEN REGIONALISIERTE NIEDERSCHLAGSHÖHEN ZU- UND ABNAHME DER STARKNIEDERSCHLAGSTAGE IN BAYERN EXTREME TROCKEN- UND NASSPERIODEN DEFINITION UND UNTERSUCHUNGEN ERGEBNISSE ZUSAMMENFASSUNG LITERATUR...22

3 2 1 Einleitung Seit Beginn des 20. Jahrhunderts ist die mittlere globale Temperatur an der Erdoberfläche um 0.3 C bis 0.6 C angestiegen. In Deutschland haben sich die Mitteltemperaturen im letzten Jahrhundert um etwa 0.6 C erhöht, wobei insbesondere die Dekade der 90er Jahre einen hohen Beitrag geliefert hat (Müller-Westermeier 2002). Für die nächsten hundert Jahre wird mit einer Erhöhung der mittleren globalen Lufttemperatur um 1,4 bis 5,8 C gerechnet (IPCC 2001). Als Ursachen sind sowohl natürliche als auch anthropogene Einflüsse verantwortlich. Eine wärmere Atmosphäre enthält mehr Energie, über den Ozeanen verdunstet mehr Wasser und es kann mehr Wasserdampf in den Luftmassen gespeichert werden, sodass der Wasserkreislauf intensiviert wird und höhere Niederschläge fallen können. Um die großräumigen Aussagen der Klimamodellierungen durch regionale Untersuchungen zu ergänzen und zu differenzieren, bearbeiten das Bayerische Landesamt für Wasserwirtschaft und die Landesanstalt für Umweltschutz Baden-Württemberg gemeinsam mit dem Deutschen Wetterdienst das längerfristig angelegte Kooperationsvorhaben KLIWA ( Klimaveränderung und Konsequenzen für die Wasserwirtschaft ). Eine Teiluntersuchung beschäftigt sich dabei mit dem Langzeitverhalten von extremen Niederschlagsereignissen, den sog. Starkniederschlägen. Diese lösen zum einen als Einzelereignisse oft Hochwasser aus. Extremwertstatistische Auswertungen von Starkniederschlägen stellen eine wichtige Bemessungsgrundlage für wasserwirtschaftliche Anlagen (Regenrückhaltebecken, Talsperren, Kanalisation) dar (Bartels et al. 1997). Mit Starkniederschlag wird ein Niederschlag bezeichnet, der im Verhältnis zu seiner Dauer eine hohe Niederschlagsintensität hat und damit selten auftritt, z.b. im Mittel höchstens zweimal jährlich (DIN 4049, 1994). Damit sind Starkniederschlagshöhen an den einzelnen Niederschlagsstationen über die Wahrscheinlichkeit ihres Auftretens definiert. In der hier vorgelegten Untersuchung werden die jeweiligen Höchstwerte einer Zeitspanne (Jahr, Sommer- und Wintermonate) verwendet. Als Wertebasis für die Untersuchung erhält man Jahresreihen der Starkniederschlagshöhen, bezogen auf die jeweilige Zeitspanne, die räumlich und zeitlich eine große Variationsbreite aufweisen. Um eine, für die gesamte Fläche von Deutschland operationell anwendbare Zahl zur Orientierung zu haben, wird in den Unwetterwarnungen des Deutschen Wetterdienstes zur Zeit von einem Starkniederschlag bei mindestens 25 mm (Liter pro Quadratmeter) in 6 Stunden ausgegangen. Ein absoluter Spitzenwert in Deutschland seit Beginn der Messungen war 312 mm/d in Zinnwald-Georgenfeld (Osterzgebirge) am Die hydrologische Bedeutung von Starkniederschlägen leitet sich neben ihrer Intensität (Niederschlagshöhe pro Zeiteinheit) von ihrer räumlichen Ausdehnung ab. So wurde das katastrophale Hochwasser im August 2002 in Sachsen besonders durch die großräumige Verteilung und Ortstreue des Niederschlagsfeldes ( : Zinnwald 406 mm/3d) aufgrund von Hebungsvorgängen und Stau am Erzgebirge verursacht. Die zugehörigen theoretisch größten Niederschlagshöhen, die innerhalb der o.a. Zeitspannen in diesem Gebiet und dieser Jahreszeit physikalisch (durch Maximierung des atmosphärischen Wassergehalts) möglich sind, erreichen rund 350 mm/d bzw. 500 mm/3d (DWD-HM, 1997). Mit den großen Hochwassern der jüngsten Vergangenheit wurde wieder verstärkt die Frage aufgeworfen, inwieweit sich die Klimaerwärmung schon in einer Zunahme von

4 3 Starkniederschlägen auswirkt. Hierzu liegen eine Reihe von einzelnen Stationsauswertungen vor, z.b. Günther & Stalmann (2002), Malitz & Ertel (2002), Blümel et al. (2001) sowie auch die sehr lange Messreihe ( ) des Observatoriums Hohenpeißenberg im Voralpenraum. Letztere liefert für Niederschlagstage >30 mm/d eine mittlere Zunahme von 2,8 auf 5,2 Tagen in diesem Zeitraum (Fricke & Kronier (2001), Süddeutsche Zeitung vom , Spiegel vom ). Aussagen für einzelne Stationen sind aber räumlich nur eingeschränkt aussagekräftig (in der Regel ca. 25 km 2 um die Messstation), da insbesondere der Niederschlag eine hohe räumliche Variabilität aufweist. Trends von Einzelstationen können zudem durch Inhomogenitäten - verursacht durch Veränderungen in der Umgebung des Messortes - entstehen. Für den Süden Deutschlands zeigte eine räumlich differenzierte Untersuchung (Rapp & Schönwiese 1995, Sanchez Penzo et al. 1998) eine signifikante Zunahme der Niederschlagshöhen ( ) des hydrologischen Winterhalbjahrs November-April von rd % im Gegensatz zum Sommerhalbjahr, die sich entsprechend auch bei einer Jahresbetrachtung bemerkbar machte. Bei einer Zunahme des Jahresniederschlags sind laut IPCC (2001) entsprechende Zunahmen auch in den Starkniederschlägen wahrscheinlich. Im Rahmen des Untersuchungsprogramms KLIWA wurde deshalb unter Federführung des Geschäftsfelds Hydrometeorologie im DWD eine zeitreihenstatistische Auswertung der Starkniederschläge einer großen Anzahl von langen ( /99) bzw. sehr langer Niederschlagsmessreihen ( /99) aller verfügbaren Stationen in Bayern und Baden-Württemberg vorgenommen, die in dieser zeitlichen und räumlichen Auflösung in Deutschland bisher einmalig ist. Für die Ergebnisse, die auf dem bestmöglichen geprüften und ergänzten Datenmaterial beruhen, kann somit auch eine räumliche Repräsentanz unterstellt werden. 2 Datengrundlage Für die Untersuchung der Niederschlagshöchstwerte wurden 310 DWD- Niederschlagsstationen in Bayern sowie 96 Stationen in Baden-Württemberg mit einer Zeitreihenlänge von /99 ( lange Zeitreihen ) herangezogen. Davon sind 56 Zeitreihen aus Bayern sowie 19 Zeitreihen in Baden-Württemberg, die teils bereits 1879 beginnen, aber immer auch den Zeitraum der Jahre /99 abdecken ( sehr lange Zeitreihen ) gesondert betrachtet, um eine höhere Aussagekraft hinsichtlich der zeitlichen Abläufe klimatologischer Prozesse durch die unterschiedlichen Wetterlageneinflüsse zu haben. Abb. 1: Jährliche Niederschlagshöchstwerte der Sommer- (Mai-Sept.) und der Wintermonate (Okt.-Apr.) der Dauer D= 24 h für die Periode , DWD-Station Hohenpeißenberg.

5 4 Der eingangs erläuterten Definition von (selten auftretenden) Starkniederschlagsereignissen folgend, werden die jährlichen Höchstwerte verschiedener Dauerstufen sowie der Andauer von extremen Nass- und Trockenperioden als Basisdatenmaterial zugrundegelegt. Daneben werden auch die Höchstwerte der Sommermonate Mai- September und die der Wintermonate Oktober-April aus den Zeitreihen gebildet, um eine saisonale Differenzierung zu ermöglichen. Beispielhaft für die verwendete Datenbasis sind die halbjährlichen Höchstwerte der Dauerstufe D= 24 h der Zeitreihe 1879 bis 1999 für die Station Hohenpeißenberg dargestellt (Abb. 1). Die Niederschlagsstationen der Zeitreihe /99 decken in ihrer räumlichen Verteilung Bayern und Baden-Württemberg relativ gut ab (Abb. 7a-h). Die sehr langen Zeitreihen ( /99) sind dagegen recht ungleichmäßig über das Untersuchungsgebiet verteilt und können daher nur für einzelne Landesteile als repräsentativ betrachtet werden (Abb. 9). Die betrachteten Stationen repräsentieren in ihrer Höhenverteilung überwiegend die Höhenklassen zwischen 500 bis 1000 m ü. NN. Soweit die Zeitreihenkollektive ( /99, /99) zeitliche Datenlücken aufwiesen, sind diese entweder durch regionalisierte Niederschlagswerte (nach 1931) oder durch den Mittelwert aller Höchstwerte (vor 1931) geschlossen worden. 3 Trendverhalten der Starkniederschlagshöhen 3.1 Methodisches Vorgehen Die nachfolgend beschriebenen statistischen Untersuchungen konzentrieren sich darauf, lineare Trends sowie deren Signifikanz in den Zeitreihen der Höchstwerte zu ermitteln, bezogen zum einen auf das gesamte Jahr, zum anderen bezogen auf die Sommer- (Mai-September) sowie die Wintermonate (Oktober-April). Da der jährliche Trend die saisonalen Trends verwischt, werden im weiteren die Sommer- und Wintermonate getrennt beleuchtet. Als Niederschlagsdauerstufen wurden D = 24h, 72h, 120 h, 240 h gewählt. Kürzere Niederschlagsdauern (D<24h) können nicht ausgewertet werden, da zeitlich höher aufgelöste Niederschlagsmessungen vor 1950 nicht digital verfügbar sind. Die Trenduntersuchungen wurden zunächst anhand der halbjährlichen Höchstwerte der Zeitreihe /99 durchgeführt, um ausreichend genaue flächendeckende Aussagen machen zu können. Anschließend wurden sie auch auf die sehr langen Zeitreihen ( /99) ausgedehnt. Die verwendete Methodik zum Nachweis von Trends war dabei die Berechnung des linearen Trends nach dem Prinzip der kleinsten Fehlerquadrate und des Trendmaßes Q nach Mann-Kendall. Aus dem absoluten linearen Trend wird die Betragsänderung als Prozentanteil des Mittelwerts der Höchstwerte ( relativer Trend ) abgeleitet sowie für die Signifikanzbewertung das Trendmaß Q nach Mann-Kendall berechnet. Trends sollten für weitergehende Schlussfolgerungen nicht ohne eine Information über ihre statistische Sicherheit ( Signifikanz ) interpretiert werden. Die Signifikanz beschreibt, wie deutlich sich der Trend gegenüber der gesamten Zeitreihenvariabilität heraushebt (Schönwiese & Rapp 1995).

6 5 3.2 Ergebnisse für der Zeitreihen / Allgemeiner Trend Die Auswertung für die Höchstwerte der Wintermonate aus der Zeitreihe /99 (Abb. 2) aller 406 Niederschlagsstationen in Süddeutschland ergibt im Mittel bei allen Dauerstufen ohne Berücksichtigung der Signifikanz einen positiven relativen Trend von rund 20%. Die relativen Trends der Sommermonate liegen dagegen in allen Dauerstufen deutlich niedriger (-0,6 bis 1,5%) als in den Wintermonaten. Abb. 2: Mittlerer relativer Trend der Starkniederschläge unterschiedlicher Dauer (24h-240h) in Bayern und Baden-Württemberg aller 406 DWD-Niederschlagsstationen für Sommer (Mai-September) und Winter (Oktober-April), /99 (ohne Berücksichtigung der Signifikanz des Trends). Abb. 3: Anteil der Stationen mit positivem Trend der Starkniederschläge in den einzelnen Dauerstufen, alle 406 Stationen, /99 (ohne Berücksichtigung der Signifikanz des Trends).

7 6 In den Wintermonaten weisen um die 90% aller Stationen einen positiven Trend auf, wohingegen für die Sommermonate nur rund 50% aller Stationen eine Zunahme zeigen (Abb. 3). Damit liefern die Wintermonate bei fast allen Stationen eine deutliche Zunahme, während im Sommer keine ausgeprägte Tendenz für eine Zu- oder Abnahme zu erkennen ist. Dabei ist bei der Betrachtung der Anzahl der Stationen nicht hinsichtlich der Signifikanz des Trends unterschieden. Die in den Abbildungen 2 und 3 nur summarisch oder als Mittelwerte dargestellten Trendergebnisse sind für die Dauerstufe D=24 h detailliert nach den Trendklassen - gekennzeichnet durch die Klassenuntergrenzen - dargestellt (Abb. 4) Absolute Häufigkeit Verteilung aller 406 Stationen D=24h in Bayern und Baden-Württemberg /99 Mai-Sept. Okt.-Apr. Klassenuntergrenze des relativen Trends [%] Abb. 4: Absolute Häufigkeit des relativen Trends in den verschiedenen Trendklassen aller 406 Stationen für Winter (Okt.-Apr.) und Sommer (Mai-Sept.), Dauerstufe D = 24h in Bayern und Baden-Württemberg ( /99) (ohne Berücksichtigung der Signifikanz des Trends) Signifikante Trends Wenn nur die deutlich signifikanten Fälle (Signifikanzschwelle S 90%) (Abb. 5) betrachtet werden, verringert sich die Anzahl der zu betrachtenden Stationen (siehe Tab. 1). Dabei verstärkt sich der mittlere positive relative Trend für die Wintermonate (Oktober-April) gegenüber der Betrachtung aller 406 Stationen (Abb. 4). Dabei wird eine mittlere relative Zunahme von 30-35% erreicht (Tab. 1). Tab. 1 : Relative Häufigkeit signifikanter Fälle (Signifikanzschwelle S 90%) im Vergleich von Sommer- und Wintermonaten sowie des mittleren relativen Trends für die Dauerstufen 24 h, 72 h, 120h und 240 h der 406 süddeutschen DWD-Stationen, Zeitreihe /99, alle Angaben in Prozent. Merkmal/Halbjahr D=24h D=72h D=120h D=240h Stationen Mai-Sept. 14% (n=59) 19% (n=77) 18% (n=72) 19% (n=79) Mittlerer relativer Trend Mai-Sept. 2,6% 2,8% -0,8% 1,2% Stationen Okt.-Apr. 41% (n=168) 57% (n=231) 58% (n=237) 61% (n=246) Mittlerer relativer Trend Okt.-Apr. 34,7% 32,2% 31,0% 30,4%

8 7 In den Sommermonaten zeigt sich bei den signifikanten Fällen nur eine geringe mittlere Zunahme mit einer vergleichbaren Verteilung zwischen den Dauerstufen wie schon bei der Betrachtung aller Stationen (Abb. 3). Deutlich liegt die Gesamtanzahl der signifikanten Fälle in den Wintermonaten über denen der Sommermonate (Tab. 1), was auch an der räumlichen Verteilung erkennbar ist (Abb. 7a+b, 7e+f). In den Wintermonaten nimmt mit zunehmender Dauer die Anzahl der signifikanten Stationen zu (Abb. 7g+h), während dies bei den Sommermonaten mit Ausnahme eines Anstiegs zwischen 24 h und 72 h nicht zu erkennen ist. In rund 40-60% aller süddeutschen Stationen ist in den Monaten Oktober bis April eine signifikante Zunahme der halbjährlichen Niederschlagsextrema im Mittel über alle Dauerstufen wahrscheinlich (Tab. 1). Dabei zeigt die mittlere relative Zunahme für die Dauerstufe D= 24 h bei 99% der 168 signifikanten Stationen Werte von mehr als 20% (Abb. 5). 60 Absolute Häufigkeit Verteilung aller signifikanten (>=90%) Stationen D=24 h in Bayern und Baden-Württemberg Zeitreihe /99 Mai-Sept. n=59 (14% aller Stationen) Okt.-Apr. n=168 (41% aller Stationen) Mai-Sept. Okt.-Apr Klassenuntergrenze des relativen Trends [%] Abb. 5: Absolute Häufigkeit des relativen Trends aller signifikanten Stationen (Signifikanzschwelle S 90%), Dauerstufe D = 24 h, Winter (Okt.-Apr.) und Sommer (Mai Sept.), /99. Die Abb. 7 a-h zeigen die Zunahme (Kreis im Uhrzeigersinn gefüllt) und Abnahme (entgegen dem Uhrzeigersinn gefüllt) der Starkniederschlagshöhen für Bayern ( ) und Baden-Württemberg ( ) in Prozent des vieljährigen Mittelwertes. Die Höhe des Trends entspricht dem ausgefüllten Flächenanteil des Kreises. Die Signifikanz des Trends wird durch die Größe des Kreises ausgedrückt. Regionale Schwerpunkte für die Zunahme in den Wintermonaten (Abb. 7e) bilden in Bayern besonders Ober- und Mittelfranken, sowie im geringerem Maße die westliche Oberpfalz und das nördliche Schwaben, wobei ein besonderer Schwerpunkt der Raum Nürnberg ist. Mit zunehmender Niederschlagsdauer (Abb. 7g) dehnt sich dieser Bereich nach Süden in den Bayerischen Wald sowie bis in den Alpenraum aus, wobei hier die Zunahmen geringer und weniger signifikant sind. In Baden-Württemberg (Abb. 7f) ist eine Zunahme für ca. ein Drittel der Stationen im Bereich des gesamten Schwarzwalds wahrscheinlich. Stationen mit Zunahmen finden sich ferner im Kraichgau, Hohenlohe und auf der Schwäbischen Alb.

9 8 Im Vergleich zum Winter sind die Änderungen im Sommer (Mai-September) insgesamt nur gering und deutlich weniger signifikant (Tab. 1). Nur 56% der 59 signifikanten Stationen zeigen bei der Dauerstufe D= 24 h eine mittlere relative Zunahme von mehr als 20% (Abb. 5), was den eingangs dargestellten geringen mittleren positiven Trend aller Stationen mit erklärt (Abb. 2). Als regionale Schwerpunkte (Abb. 7a) finden sich im Nordwesten Bayerns, d.h. Unterfranken, stärkere Abnahmen mit höherer Signifikanz sowie im nördlichen Schwaben und Oberbayern Zunahmen. In Baden- Württemberg (Abb. 7b) ergeben sich signifikante Zunahmen im mittleren und südlichen Schwarzwald, sowie vereinzelt auf der Schwäbischen Alb. Signifikante Abnahmen finden sich an zwei Stationen im Nordosten des Landes. Hinsichtlich der Signifikanz sind jedoch diese regionalen Schwerpunkte nicht mit denen im Winterhalbjahr zu vergleichen. Insgesamt zeigen die Häufigkeitsverteilungen für die signifikanten Stationen das Übergewicht der Zunahmen in den Wintermonaten (Abb. 5). 100 Absolute Häufigkeit Verteilung aller signifikanten (>=90%) Stationen D=240 h in Bayern und Baden-Württemberg Zeitreihe /99 Mai-Sept. n=79 (19% aller Stationen) Okt.-Apr. n=246 (61% aller Stationen) Mai-Sept. Okt.-Apr Klassenuntergrenze des relativen Trends [%] Abb. 6: Absolute Häufigkeit des relativen Trends aller signifikanten Stationen (Signifikanzschwelle 90%), Dauerstufe D = 240 h, Winter (Okt.-Apr.) und Sommer (Mai Sept.), /99. Mit zunehmender Dauer der Niederschlagshöhen D steigt besonders in den Wintermonaten die Anzahl der signifikanten Stationen an von 168 (41%) mit D= 24 h auf 246 (61%) mit D= 240 h (Abb. 5, 6), so dass insgesamt auch die statistische Sicherheit der angezeigten flächenhaften Zunahme anwächst. In der Flächenverteilung treten bei der Dauer von 24 h schon bestehende regionale Schwerpunkte (Schwäbische Alb, Südschwarzwald, Main- und Regnitzgebiet) bei der längeren Dauer von D = 240h noch deutlicher hervor bei gleichzeitig wachsender Gebietsausdehnung (Abb. 7c-d, 7g-h).

10 9 Abb. 7a (oben): Zu- und Abnahme der Starkniederschläge in Prozent des Mittelwerts (Abnahme Füllung linke Kreishälfte, Zunahme Füllung rechte Kreishälfte) sowie Signifikanz (Kreisgröße), 310 bayerische Stationen, , Sommer (Mai-Sept.), Dauer: 24 h, halbjährliche Höchstwerte. Abb. 7b (links): Zu- und Abnahme der Starkniederschläge in Prozent des Mittelwerts (Abnahme Füllung linke Kreishälfte, Zunahme Füllung rechte Kreishälfte) sowie Signifikanz (Kreisgröße), 96 badenwürttembergische Stationen, , Sommer (Mai-Sept.), Dauer: 24 h, halbjährliche Hochstwerte.

11 10 Abb. 7c (oben): Zu- und Abnahme der Starkniederschläge in Prozent des Mittelwerts (Abnahme Füllung linke Kreishälfte, Zunahme Füllung rechte Kreishälfte) sowie Signifikanz (Kreisgröße), 310 bayerische Stationen, , Sommer (Mai-Sept.), Dauer: 240 h, halbjährliche Höchstwerte. Abb. 7d (links): Zu- und Abnahme der Starkniederschläge in Prozent des Mittelwerts (Abnahme Füllung linke Kreishälfte, Zunahme Füllung rechte Kreishälfte) sowie Signifikanz (Kreisgröße), 96 baden-württembergische Stationen, , Sommer (Mai- Sept.), Dauer: 240 h, halbjährliche Höchstwerte.

12 11 Abb. 7e (oben): Zu- und Abnahme der Starkniederschläge in Prozent des Mittelwerts (Abnahme Füllung linke Kreishälfte, Zunahme Füllung rechte Kreishälfte) sowie Signifikanz (Kreisgröße), 310 bayerische Stationen, , Winter (Okt.-Apr.), Dauer: 24 h, halbjährliche Höchstwerte. Abb. 7f (links): Zu- und Abnahme der Starkniederschläge in Prozent des Mittelwerts (Abnahme Füllung linke Kreishälfte, Zunahme Füllung rechte Kreishälfte) sowie Signifikanz (Kreisgröße), 96 baden-württembergische Stationen, , Winter (Okt.-Apr.), Dauer: 24 h, halbjährliche Höchstwerte

13 12 Abb. 7g (oben): Zu- und Abnahme der Starkniederschläge in Prozent des Mittelwerts (Abnahme Füllung linke Kreishälfte, Zunahme Füllung rechte Kreishälfte) sowie Signifikanz (Größe d. Kreis), 310 bayerische Stationen, , Winter (Okt.-Apr.), Dauer: 240 h, halbjährlich Höchstwerte. Abb. 7h (links): Zu- und Abnahme der Starkniederschläge in Prozent des Mittelwerts (Abnahme Füllung linke Kreishälfte, Zunahme Füllung rechte Kreishälfte) sowie Signifikanz (Größe d. Kreis), 96 baden-württembergische Stationen, , Winter (Okt.-Apr.), Dauer: 240 h, halbjährliche Höchstwerte.

14 Ergebnisse für die sehr langen Zeitreihen /99 Bei Betrachtung der 75 sehr langen Zeitreihen ( /99) bestätigt sich der schon bei der Zeitreihe /99 festgestellte Trend, dass im Mittel über alle Dauerstufen in den Wintermonaten (65-80% der Fälle) eine deutlich höhere Anzahl der signifikanten Zunahmen gegenüber den Sommermonaten (28-40%) vorliegt (Tab. 2). Tab. 2 : Relative Häufigkeit signifikanter Fälle (Signifikanzschwelle S 90%) im Vergleich von Sommer und Wintermonaten sowie des mittleren relativen Trends für die Dauerstufen 24 h, 72 h, 120 und 240 h der 75 süddeutschen DWD-Stationen, Zeitreihe /99), alle Angaben in Prozent. D=24h D=72h D=120h D=240h Merkmal/Halbjahr [%] [%] [%] [%] Stationen Mai-Sept Mittlerer relativer Trend Mai-Sept. 23,0 24,0 21,4 17,9 Stationen Okt.-Apr Mittlerer relativer Trend Okt.-Apr. 35,3 33,4 31,9 28,2 Im Gegensatz zu dem flächendeckenden Datensatz der Zeitreihe /99 (Tab. 1) zeigt sich für die sehr langen Zeitreihen auch in den Sommermonaten bei den signifikanten Fällen (Signifikanzschwelle S 90%) eine mittlere relative Zunahme von rund 21% (Mittel über alle Dauerstufen) gegenüber der etwas höheren Zunahme von rund 32% in den Wintermonaten. Die Aufteilung in Trendklassen ist in Abb. 8 dargestellt Absolute Häufigkeit Verteilung aller signifikanten (>=90%) Stationen D=24 h in Bayern und Baden-Württemberg Zeitreihe /99 Mai-Sept. n=21 (28% aller 75 Stationen) Okt.-Apr. n=52 (70% aller 75 Stationen) Mai-Sept. Okt.-Apr Klassenuntergrenze des relativen Trends [%] Abb. 8: Absolute Häufigkeit des mittleren Trends aller signifikanten Stationen (Signifikanzschwelle 90%), Dauerstufe D = 24 h, Winter (Okt.-Apr.) und Sommer (Mai Sept.), /99.

15 14 Mai-September Oktober-April Abb. 9: Signifikanz der Zu- und Abnahme der extremen Niederschlagshöhen in Süddeutschland. Dauer D=24h, Mai-September (oben), Oktober-April (unten), /99. Die Zahl in den Kreisen gibt an, seit wievielen Jahrzehnten die gezeigten Trendaussagen bereits nachweisbar sind. Hier ist keine Angabe des relativen Trends enthalten. Bei 28-40% der signifikanten Fällen findet man damit auch in den Sommermonaten eine Zunahme in den Starkniederschlägen (Tab. 2). Hier schlägt sich der zwar zeitlich ausgedehnte, räumlich aber reduzierte Umfang des Datenmaterials in einer Zunahme des relativen Trends nieder.

16 15 Es bleibt jedoch festzuhalten, dass die in den Abb. 5 und 8 summarisch für die beiden untersuchten Zeitreihen dargestellte Häufigkeit der signifikanten Zunahmen in den Wintermonaten deutlich größer und der relative Trend auch betragsmäßig höher ist als in den Sommermonaten. Bei den sehr langen Zeitreihen /99 ergibt sich in den Wintermonaten Oktober-April für einen Großteil der Stationen eine Zunahme des Niederschlagstrends mit zum Teil hoher Signifikanz (Abb. 9 unten). In der Abbildung 9 ist keine Angabe zum relativen Trend enthalten, sondern es wird das Jahrzehnt angezeigt, seitdem ein Trend in der Reihe erkennbar ist. Daraus ist zu entnehmen, dass dieser Trend nicht durch herausragende Einzelereignisse verursacht wird. Für Baden-Württemberg sind - wie bei der kürzeren Zeitreihe ( ) (Abb. 7 e+f) - zunehmende Trends im Schwarzwald und im Nordosten festzustellen. Für die Schwäbische Alb und Oberschwaben kann wegen der geringen Stationsdichte der sehr langen Zeitreihe keine Aussage getroffen werden. In Bayern weisen Franken, Schwaben und der Bayerische Wald ebenfalls identische Trends zur kürzeren Reihe auf, während im Voralpenraum die Signifikanz für eine Zunahme bei den sehr langen Zeitreihen deutlicher wird. In den Sommermonaten ist aufgrund schwacher signifikanter Befunde diese Verteilung wesentlich undeutlicher (Abb. 9 oben, Abb. 7a+b). 3.4 Regionalisierte Niederschlagshöhen In Ergänzung zu den vorstehend dargestellten Untersuchungen wurden auch die Starkniederschläge mit demselben extremwertstatistischen Analyseverfahren (ATV- DVWK, 1985) wie bei KOSTRA in einem 71,5 km²-raster regionalisiert (Bartels et al. 1997). Mithilfe derartiger Verfahren kann eine Bewertung der innerhalb eines Messzeitraums ausreichender Länge und Repräsentanz (z.b. 30 Jahre) aufgetretenen Starkniederschlagsereignisse vorgenommen werden. Ziel war es, zu prüfen, ob der längere Zeitraum ( /99) im Vergleich zum KOSTRA-Zeitraum Hinweise zu einer Neubewertung des extremen Niederschlagsgeschehens enthält. Bei der Interpretation dieses Zeitreihenvergleichs ist zu beachten, dass die räumliche und zeitliche Variabilität sowie der extremwertstatistische Berechnungsansatz aufgrund der natürlichen Klimaschwankungen immer Abweichungen zur Folge haben, die sich innerhalb eines Toleranzbereiches bewegen. Der flächenverteilte Vergleich der regionalisierten Neuauswertungen der Starkniederschläge in Bayern und Baden-Württemberg mit den Ergebnissen des KOSTRA-Atlas zeigt jedoch bei Wiederkehrzeiten/Jährlichkeiten von T= 1 a und T= 100 a, besonders in den Wintermonaten Oktober-April, regionalspezifisch deutliche Abweichungen o- berhalb dieses Toleranzbereiches gegenüber den KOSTRA-Werten von Betroffen davon sind vor allem Franken, der Alpenraum, der Bayerische Wald sowie der Schwarzwald und der Nordosten Baden-Württembergs. Bei den sommerlichen Vergleichszeiträumen kommt es zwar zu Abweichungen, die aber weitaus weniger deutlich ausgeprägt sind. Aufgrund dieser neuen Erkenntnisse wird zur Zeit im DWD eine Fortschreibung des KOSTRA-Atlas vorgenommen. Untersuchungen an einzelnen Niederschlagsstationen mit langen Zeitreihen hatten bisher im Rahmen des angesetzten Toleranzbereiches nur geringfügige Abweichungen vom KOSTRA-Zeitraum gezeigt (Malitz & Ertel, 2002, Günther & Stalmann, 2002).

17 16 4 Zu- und Abnahme der Starkniederschlagstage in Bayern An den 56 längeren Zeitreihen ( ) in Bayern wurde ergänzend die Anzahl der Niederschlagstage (definiert als > 0,1 mm/d) bzw. der Tage mit einem Niederschlag >10 mm pro Jahr in ihrem linearen Trend näher untersucht. Die Änderung wurde als Differenz zwischen Beginn und Ende der Trendgeraden ermittelt. Die Grenze von 10 mm/d wurde gewählt, um flächendeckend eine ausreichende Anzahl von Tagen mit stärkeren Niederschlägen zu erhalten, während die Veränderung der Niederschlagstage nur zum Vergleich aufgeführt ist und keine direkte Bedeutung für die Beurteilung des Langzeitverhaltens von Starkniederschlägen hat. Die Tage mit Niederschlag >10 mm nehmen im Mittel während des Untersuchungszeitraums mit 6,7 Tagen zu, die Niederschlagstage weisen dagegen nur eine mittlere Zunahme von 3,2 Tagen auf. Die stärkste Zunahme findet man im Winter (5,5 Tage mit Niederschlag >10 mm/d bzw. 4,5 Niederschlagstage). Abb. 11: Prozentuale Anzahl der Stationen mit Zu- und Abnahme oder keiner Änderung der Niederschlagstage bzw. der Tage mit >10 mm Niederschlag, 56 bayerische Niederschlagsstationen ( ). Die Niederschlagstage mit mehr als 10 mm/d liefern in allen drei Zeitspannen (Jahr, Sommer, Winter) einen stärkeren linearen Trend als der aller Niederschlagstage. Wenn nur die Vorzeichen der Änderung betrachtet werden, ergibt sich in 68% aller Stationen für die Anzahl der Niederschlagstage im Winter eine Zunahme, bei Tagen mit mehr als 10 mm sogar in 96% (Abb. 11). Im Sommer ist die Zunahme dagegen deutlich geringer ausgebildet. Regionale Schwerpunkte lassen sich hier nicht ableiten. Betrachtet man die eingangs zitierten Untersuchungen am Observatorium Hohenpeißenberg, so lässt sich auch hier die Zunahme besonders für die Tage mit mehr als 10 mm Niederschlag in den Wintermonaten Oktober-April erkennen (Abb. 12). Es zeigt sich, dass sowohl im Winter als auch im Sommer eine Zunahme erfolgt. Allerdings ist die Zunahme im Winter wesentlich deutlicher ausgeprägt als im Sommer.

18 Jahr Sommer Winter 12 Zunahme [Tage] Tage Tage >10 mm Tage Tage >10 mm Tage Tage >10 mm Abb. 12: Zunahme der Niederschlagstage und der Tage mit mehr als 10 mm Niederschlag am Hohenpeißenberg ( ) im Jahr, den Sommermonaten Mai-September und den Wintermonaten Oktober-April. 5 Extreme Trocken- und Nassperioden 5.1 Definition und Untersuchungen Änderungen im Verhalten extremer Niederschläge können sich auch auf die Andauer von Niederschlagsereignissen (Nassperioden) sowie von Trockenperioden auswirken. Ein weiterer Teil der Untersuchungen zum Langzeitverhalten extremer Niederschlagsereignisse beschäftigt sich daher mit Trenduntersuchungen zur Andauer von extremen Nass- und Trockenperioden. Eine extreme Nassperiode setzt sich aus einer Folge von mindestens acht nassen Tagen zusammen, wobei ein einzelner trockener Tag die Nassperiode nicht unterbricht. Eine extreme Trockenperiode ist als eine Folge von mindestens 11 Tagen definiert, wobei die Niederschlagshöhe an allen Tagen kleiner oder gleich 1,0 mm sein muss. Zur statistischen Zeitreihenanalyse extremer Trocken- und Nassperioden werden die jährlichen bzw. halbjährlichen Höchstwerte mit denselben Trendverfahren wie bei den Starkniederschlägen behandelt. 5.2 Ergebnisse Bei den extremen Nassperioden findet im Mittel in den Wintermonaten eine Zunahme der Andauer statt, während sich für den Sommer keine Änderung ergibt (Tab. 3). Diese Zunahme in den Wintermonaten spiegelt sich auch im Gesamtjahr wider. Die extremen Trockenperioden verändern sich in den Sommermonaten Mai-September kaum, in den Wintermonaten findet nur eine sehr geringe Zunahme statt, so dass auch die Änderung bezogen auf das Jahr gering bleibt. Ein vergleichbares Verhalten zeigen auch die sehr langen Zeitreihen ( ) für die bayerischen Stationen (Tab. 4).

19 18 Tab. 3: Mittlere Änderungen der Andauer der extremen Nass- und Trockenperioden für die Zeitreihe ( /99) aller 406 Stationen sowie nur der signifikanten Stationen (Signifikanzschwelle S 90%) sowie relative Häufigkeit der signifikanten Stationen in Bayern und Baden-Württemberg. extreme Nassperiode Extreme Trockenperiode Zeitraum Trend [Tage] Signifikanter Trend [Tage] Anzahl signifikante Stationen Trend [Tage] Signifikanter Trend [Tage] Anzahl signifikante Stationen Jan-Dez 3,2 5,9 22% 1,0 3,8 14% Mai-Sept. -0,4-1,4 11% 0,2 1,2 9% Okt.-Apr. 4,1 7,2 16% 1,1 3,7 15% Insgesamt ist zu beachten, dass beim größeren Datenkollektiv /99 nur ein Zehntel bis ein Fünftel der Standorte signifikante Änderungen der Andauer der extremen Nass- und Trockenperioden aufweisen (Tab. 3). Die Trends des Gesamtkollektivs werden bei den signifikanten Stationen verstärkt. So steigt bei den mittleren Änderungen der Andauer der extremen Nassperiode, bezogen auf das Jahr und die Wintermonate, der Trendbetrag auf das Doppelte, während bei den extremen Trockenperioden fast das Vierfache - allerdings auf niedrigerem Niveau des Trends - erreicht wird. Bei den Sommermonaten nimmt die Andauer der extremen Nassperioden deutlicher ab, während sie bei den extremen Trockenperioden zunimmt. Für die extremen Nassperioden liegt der Schwerpunkt der Zunahmen in Baden- Württemberg in den Monaten Oktober-April im Südwesten (Schwarzwald) (Abb. 13a links). Bei den Abnahmen in den Monaten Mai-September (Abb. 13b links) ergibt sich ein neuer Schwerpunkt im Süden und ein zweiter im Nordosten kommt hinzu. In Bayern weisen die extremen Nassperioden eine zunehmende Länge in einem Gebietsstreifen auf, der sich vor den Alpen vom südlichen Schwaben bis in den Bayerischen Wald zieht, wobei der gesamte Norden signifikante Zunahmen der Andauer um 30% des Mittelwerts aufweist (Abb. 13a rechts). Die Auswertung der sehr langen Zeitreihen (Tab. 4) weist in den obigen Schwerpunkten vergleichbare Werte auf, ermöglicht aber aufgrund ihrer geringen Dichte und ungleichen Verteilung keine flächenrepräsentative Aussage. Tab. 4: Mittlere Änderungen der Andauer der extremen Nass- und Trockenperioden für alle 56 bayerische Stationen ( /99). Zeitraum extreme Nassperiode [Tage] extreme Trockenperiode [Tage] Jan.-Dez. 3,5 0,0 Mai-Sept. 0,03 0,07 Okt.-Apr. 3,7 0,4

20 19 Die extremen Trockenperioden zeigen in Baden-Württemberg nur eine geringe Anzahl von signifikanten Stationen, die sich zudem über das ganze Land verteilen und somit eine regionalspezifische Aussage nicht zulassen (Abb. 13c+d links). In Bayern liefern die extremen Trockenperioden für die Wintermonate (Abb. 13c rechts) einen Schwerpunkt mit deutlichen und signifikanten Zunahmen im gesamten Alpen und Voralpenraum sowie lokal in Nordostbayern im Flussgebiet der Regnitz. Im Bereich des Bayerischen Waldes ist im Winter eine Abnahme festzustellen, während im Sommer eine deutliche Zunahme zu verzeichnen ist (Abb. 13d rechts). Für die Sommermonate stellt der Bayerische Wald den einzigen regionalen Schwerpunkt mit einer höheren Signifikanz und einer Zunahme der extremen Trockenperiode in Bayern dar. Insgesamt sind bei den meisten Stationen die Veränderungen der Andauer von extremen Trocken- und Nassperioden lediglich als Tendenzen einzustufen, da nur wenige Änderungen signifikant sind. Hier zeigen sich bei den extremen Nassperioden jedoch regionale Schwerpunkte im Südwesten und Nordosten beider Bundesländer. Bei den extremen Trockenperioden ergibt sich nur in Bayern ein Schwerpunkt für die Zunahme und zwar im gesamten Alpen- und Voralpenraum. Für die extremen Trockenperioden fallen die Beträge der Änderungen insgesamt jedoch deutlich geringer aus als für die extremen Nassperioden. Wie bei den Starkniederschlägen zeigt das Winterhalbjahr ein deutlicheres Bild als die jährliche Darstellung. Abb. 13a: Zu- und Abnahme der extremen Nassperioden in Prozent des Mittelwerts (Abnahme Füllung linke Kreishälfte, Zunahme Füllung rechte Kreishälfte) sowie Signifikanz (Größe des Kreis), links 96 Stationen in Baden-Württemberg, rechts 310 Stationen in Bayern, /99, Winter (Okt.-Apr.), halbjährliche Höchstwerte.

21 20 Abb. 13b: Zu- und Abnahme der extremen Nassperioden in Prozent des Mittelwerts (Abnahme Füllung linke Kreishälfte, Zunahme Füllung rechte Kreishälfte) sowie Signifikanz (Größe des Kreis), links 96 Stationen in Baden-Württemberg, rechts 310 Stationen in Bayern, /99, Sommer (Mai-Sept.), halbjährliche Höchstwerte. Abb. 13c: Zu- und Abnahme der extremen Trockenperioden in Prozent des Mittelwerts (Abnahme Füllung linke Kreishälfte, Zunahme Füllung rechte Kreishälfte) sowie Signifikanz (Größe des Kreis), links 96 Stationen in Baden-Württemberg, rechts 310 Stationen in Bayern, /99, Winter (Okt.-Apr.), halbjährliche Höchstwerte.

22 21 Abb. 13d: Zu- und Abnahme der extremen Trockenperioden in Prozent des Mittelwerts (Abnahme Füllung linke Kreishälfte, Zunahme Füllung rechte Kreishälfte) sowie Signifikanz (Größe des Kreis), links 96 Stationen in Baden-Württemberg, rechts 310 Stationen in Bayern, /99, Sommer (Mai-Sept.), halbjährliche Höchstwerte. 6 Zusammenfassung Im Rahmen des Kooperationsvorhaben KLIWA ( Klimaveränderung und Konsequenzen für die Wasserwirtschaft ) wurde unter Federführung des Geschäftsfelds Hydrometeorologie im DWD für die Fläche von Baden-Württemberg und Bayern (ca. ein Drittel der Fläche Deutschlands) das Langzeitverhalten der Starkniederschläge anhand der Messungen von 406 DWD-Niederschlagsstationen für den Zeitraum /99 sowie von 75 Niederschlagsstationen der Zeitreihe /99 untersucht. Damit liegt nun erstmals eine flächenrepräsentative Trendanalyse der Starkniederschläge für eine größere Region in Deutschland vor. Zusätzlich wurden extreme Nassund Trockenperioden in die Untersuchung einbezogen, um zu prüfen, ob sich in der Andauer ebenfalls Veränderungen ergeben. In Süddeutschland zeigen die Starkniederschlagshöhen (halbjährliche Höchstwerte im Zeitraum /99) in den Wintermonaten (Oktober bis April) eine deutliche Zunahme im relativen Trend, während in den Sommermonaten (Mai bis September) nur geringe bis keine Änderungen zu verzeichnen sind. Gleichzeitig ist die Anzahl der Stationen mit signifikantem Trend im Winter deutlich höher als im Sommer. Diese Zunahme der relativen Häufigkeit von Stationen mit signifikantem Trend im Winter verstärkt sich mit zunehmender Dauer der Starkniederschläge (von 40% bei 24 Stunden auf rd. 60% bei 240 Stunden). Der prozentuale Anteil von Stationen mit signifikantem Trend im Sommer mit einer Zunahme variiert dagegen lediglich zwischen 15 bis 19%. Eine Zusammenfassung dieser ausgeprägt unterschiedlichen halbjährlichen Gegebenheiten zu einer Aussage für das Jahr ist daher wenig zielführend. Regionale Schwerpunkte für dieses Langzeitverhalten sind in Bayern das Gebiet von Franken sowie Teile des Bayerischen Walds, in Baden-Württemberg der Schwarzwald sowie der Nordosten des Landes.

23 22 In den Wintermonaten findet auch bei den extremen Nassperioden regionalspezifisch eine Zunahme statt, was sich mit dem Befund bei den Starkniederschlägen deckt. Allerdings liegt die Anzahl der signifikanten Stationen deutlich niedriger als bei der Betrachtung der Starkniederschläge. Die Zunahme im Jahr wird auch hier von den Wintermonaten dominiert, da die Längen der extremen Nassperioden in den Sommermonaten (Mai-September) unverändert bis rückläufig sind. Bei den extremen Trockenperioden sind die Änderungen im Vergleich zu den extremen Nassperioden erheblich geringer. Sowohl bei extremen Nass- wie auch bei extremen Trockenperioden finden sich ausgeprägte regionale Schwerpunkte. In den sehr langen Zeitreihen /99 ist das Verhältnis bei der Signifikanz der Trends für die Starkniederschläge zwischen Sommer- und Wintermonaten ebenfalls wiederzufinden. Von den vorhandenen 75 Stationen weisen rund 70% in den Wintermonaten und zwischen 28% und 40% in den Sommermonaten einen signifikanten Trend auf. Weiterhin zeigt sich, dass der mittlere relative Trend auch in den Sommermonaten im Vergleich zur Situation bei den Zeitreihen /99 mit einer Größenordnung von rd. 20% eine deutliche Zunahme aufweist. Dieser Befund wird als Bestätigung herangezogen, dass die Aussagen zum räumlichen Trendverhalten für die Fläche von Süddeutschland, die aus der Untersuchung der Stationen des Zeitraums /99 erhalten wurden, durchaus gerechtfertigt sind. Bestätigt werden diese Ergebnisse der halbjährlichen Niederschlagsextreme zusätzlich durch das Anwachsen von Niederschlagstagen oberhalb des Schwellenwertes von mindestens 10 mm/d. Als Fazit bleibt festzustellen, dass eine regionalspezifische Zunahme der Starkniederschlagshöhen in den Wintermonaten Oktober-April statistisch signifikant zu verzeichnen ist. Bei Starkniederschlägen (abhängig von der Dauer sowohl als konvektive als auch advektive Ereignisse) sowie extremen Nass- und Trockenperioden sind zwar auf Grund des eingeschränkten Datenkollektivs und der sog. Ausreißer eindeutige Trendaussagen grundsätzlich schwieriger aus dem Rauschen ihrer dadurch höheren Variabilität herauszufiltern als z.b. bei mittleren, jährlichen Niederschlagshöhen; wenn sich aber eine markante Veränderung bei so vielen Starkniederschlagsreihen ergibt, so kann dies als deutliches Zeichen für eine Klimaveränderung ausgelegt werden. Dieser Befund passt zu Untersuchungen außerhalb von KLIWA, die ebenfalls für den Winter die stärkste Veränderungen im Niederschlagsgeschehen zeigen. Die KLIWA- Untersuchungen liefern also Ergebnisse, die auf deutliche regionale Veränderungen im zeitlichen und intensitätsabhängigen Verlauf von Niederschlagsereignissen hinweisen. 8 Literatur ATV-DVWK (1985): Niederschlag-Starkregenauswertung nach Wiederkehrzeit und Dauer. DVWK-Regeln zur Wasserwirtschaft, Heft 124. Bartels, H., Malitz, G., Asmus, S., Albrecht, F,M., Dietzer, B. Günther, T., Ertel, H. (1997): Starkniederschlagshöhen für Deutschland (KOSTRA). Selbstverlag des DWD, Offenbach. Blümel, K., Klämt, A., Malitz, G., Matthäus, H., Rachner, M., Richter, D. (2001): Hydrometeorologische Untersuchungen zum Problem der Klimaveränderungen. Berichte des DWD 219. Eigenverlag, Offenbach 371 S. DIN 4049 (1994): Teil 3: Hydrologie Begriffe zur quantitativen Hydrologie. DWD-Hydrometeorologie (1997): Maximierte Gebietsniederschlagshöhen für Deutschland. In: DVWK-Mitteilungen 29, Bearbeiter: T. Schmidt.

24 23 Fricke, W. & Kronier, M. (2002): Betrachtungen zum Klimawandel am Hohenpeißenberg. In DWD (2002): Klimastatusbericht Eigenverlag, Offenbach, Günther, T. & Stalmann, V. (2002): Hydrometeorologische Untersuchungen zum Langzeitverhalten hydrometeorologischer Größen. KA-Wasserwirtschaft, Abwasser, Abfall 49,7, IPCC (2001): Climate change 2001: contribution of Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change / ed. by Houghton, J.T. et al., Cambridge Univ. Press, 1032 S. Malitz, G. & H. Ertel, H. (2002). Extremwertstatistische Auswertungen von Tageswerten der Niederschlagshöhe. In DWD (2002): Klimastatusbericht Eigenverlag, Offenbach, Müller-Westermeier, G. (2002): Klimatrends in Deutschland. In: DWD (2002): Klimastatusbericht Eigenverlag, Offenbach, Rapp, J. & Schönwiese, C.D. (1995): Atlas der Niederschlags- und Temperaturtrends in Europa Inst. für Meteorologie und Geophysik der Johann Wolfgang Goethe-Univ., Abt. Meteorolog. Umweltforschung, Frankfurt am Main, Frankfurter Geowissenschaftliche Arbeiten, Reihe B, 5, 253 S.. Sanchez Penzo, S., J. Rapp, C.-D. Schönwiese & G. Luft (1998): Räumliche Strukutren aktueller Trends des Gesamt- und Extremwertniederschlags in Baden- Württemberg. DGM 42 (4), Spiegel vom : Zahl der Starkregentage nimmt stetig zu. Süddeutsche vom : Es schüttet immer öfter.