Maximal möglicher Niederschlag verschiedener Wiederkehrzeiten und Klimawandel

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1 Maximal möglicher Niederschlag verschiedener Wiederkehrzeiten und Klimawandel A. Raabe, M. Barth, M. Wilsdorf Partner: LTV Sachsen, Pirna 1

2 Maximal möglicher Niederschlag verschiedener Wiederkehrzeiten und Klimawandel Motiv: Aus Beobachtungen sind gebietsbezogene maximale Niederschlagmengen bis zu Wiederkehrzeiten von 100 Jahren ableitbar Über statistische oder physikalische Modelle sind gebietsbezogene flächengemittelte maximal mögliche Niederschlagsmengen (fmmn) angebbar. Ist es möglich die Veränderung der gebietsbezogenen maximalen Niederschlagmengen für verschiedene Wiederkehrzeiten aufgrund von Klimaprojektionen abzuschätzen? Quelle: LTV 2

3 Verschiedene Vorgehensweisen: 1) Abschätzung eines fmmn (Extremwerte für Atmosphärenstruktur und Niederschlagberechnung, Tetzlaff, Raabe, 1999) Oder Malter reservoir U Dresden-Klotzsche Zinnwald Elbe river Gottleuba reservoir 7 km Niederschlagsangaben in Intervallen von 1 mm/h Windrichtung 340 Erzgebirge (Zimmer u.a., 2006) 2) MGN (Maximierter Gebietsniederschlag, Extremwertstatistik nach Beobachtungen, Schmidt,DWD 1997) Oder 3) KOSTRA (extremwertstatistisch ermittelten Starkniederschlagshöhen, Regionalisierung als regelmäßiges Raster versch. Wiederholzeiten, KOSTRA, STRASA (Malitz,u.a. DWD, 2005,2008) Niederschlagsangaben Jahreszeit Dauerstufe Gebietsgröße (Schmidt, 1997) 3

4 Methode 3: Die Niederschlagsmengen, ermittelt nach Methode 3, für verschiedene Wiederholzeiten für die Jetztzeit spiegeln sich in KOSTRA bzw. STRASA wider, sowohl in Beobachtungen (Mittelgebirge, STRASA, Malitz u.a. 2008)) als auch in den Projektionen (ECHAM 20C3M gegenüber KOSTRA_2000; Malitz u.a. 2005). Die Niederschlagsmengen für verschiedene Wiederholzeiten für die Zukunft lassen sich aus einem Klimamodell zumindest nicht für einen Mittelgebirgsstandort ableiten (ECHAM: 130km x 210km; Roeckner, u.a., 2005,2006) 4

5 Wir entscheiden uns für die Methode 1) um etwas über die Regenmengen und Wiederholzeiten in der Zukunft auszusagen: WEIL: Die Regenmengenberechnungen in den Klimaszenarien lassen sich nicht auf Mittelgebirgsstandorte abbilden: GRUND: Die räumliche Auflösung der Modelle (Bsp. ECHAM: 130km x 210km) kann die Topographie des Mittelgebirges nicht wiedergeben 5

6 Für die weiteren Betrachtungen nach Methode 1 benötigen wir keine Niederschlagsdaten, sondern die meteorologischen Verhältnisse, die zu einem extrem hohen Niederschlag führen können: Niederschlagsbildungsprozess: Benötigt: Luft einer bestimmten Temperatur die Wasserdampf enthält (Taupunkt) Aufsteigen der Luft (adiabatische Abkühlung) durch Aufgleiten von Luftmassen an Fronten (synoptische Ursachen) Aufgleiten von Luftmassen auf Gebirgsstrukturen (orografische Ursachen) Benötigt: Aufgleitgeschwindigkeit Hebungsgeschwindigkeit Wasserdampf kondensiert Flüssigwasser - Regenwasser 6

7 Benötigte Daten zur Berechnung eines MAXIMAL MÖGLICHEN NIEDERSCHLAGES (MMN) (z.b. aus Radiosondenmessungen (hier Station Lindenberg) für die Jetztzeit, ) Das maximale Taupunktprofil Die maximale Windgeschwindigkeit in den verschiedenen Dauerstufen (z.b. über 24h) Das dazu angepasste maximale Temperaturprofil 7

8 Niederschlagsbildungsprozess: ~OMEGA(hPa/h) Aus der synoptische Hebung resultiert ein Synoptisch erzeugter (maximal möglicher) Niederschlag s(mm)n Aus der orografischen Hebung resultiert ein Orografisch erzeugter (maximal möglicher) Niederschlag o(mm)n Die Summe dieser beiden Teile ergibt den flächengemittelten (maximal möglichen) Niederschlag: f ( MM ) N = s( MM ) N + o( MM ) N wenn die Niederschlagsanteile über eine interessierenden Landschaftsausschnitt (z.b. dem Einzugsgebiet einer Talsperre) hinweg betrachtet werden 8

9 Aufgleiten von Luftmassen an Gebirgshängen (orografische Ursachen): Aus der orografischen Hebung resultiert ein orografisch erzeugter (maximal möglicher) Niederschlag o(mm)n Der orografisch erzeugte, maximal mögliche, Niederschlag wird berechnet wenn die Luftmasse an einem vorgegebenen Gebirgshang Mittleres Erzgebirge aufsteigt: 9

10 Für eine Ableitung maximal mögliche Niederschlagsmengen bezüglich unterschiedlicher Wiederkehrzeiten, müssen die Eingangsdaten für diese Wiederholzeiten zur Verfügung stehen und das für verschiedene Klimaprojektionen (hier: Modell ECHAM) Überschreitungswahrscheinlichkeit Windgeschwindigkeit Wiederkehrzeit 2Jahre 100Jahre Taup./Temperatur-Profile Überschreitungswahrscheinlichkeit Taupunkt Bsp.: Variabilität des Taupunktes nach Berechnungen verschiedener Klimaprojektionen (Modell ECHAM) und die daraus erstellten Taupunktprofile 10

11 Die aus den Projektionen für die verschiedenen Wiederkehrzeiten ermittelten Parameter werden für die Berechnung des fmmn verwendet Die fmmn geben die physikalisch möglichen Maximalwerte bezüglich der Wiederkehrzeiten an und müssen auf die BEOBACHTUNGEN bezogen werden Der Bezug zwischen fmmn (Jetztzeit) und den BEOBACHTUNGEN legt die Effektivität des Starkniederschlagsprozesses fest, die auch für die fmmn(zukunft) zutreffen soll: Beob. fmmn Effektivität 2J: 62mm 245mm 0,25 100J: 192mm 412mm 0,47 Niederschl ag( Zukunft) = Effektivität * fmmn( Zukunft) 11

12 Zusammenfassung: Veränderung des Starkniederschlags verschiedener Wiederkehrzeiten und Klimaszenarien GEBIRGE (ÄNDERUNG %) T in a MW 20C3M (STR A1B A B Mittelgebirge: +20% FLACHLAND (ÄNDERUNG %) T in a MW 20C3M (STR A1B A B Vorland der Mittelgebirge: +10% Vorteil der fmmn-methode im Rahmen von Klimaszenarien: Es werden relativ plausible (heute schon) bereitstellbare Daten verwendet, um einen synoptisch und orografisch generierten Niederschlag zu berechnen: (Temperatur(z), Taupunkt(z), Windgeschwindigkeit(z), z - Höhe) Damit wird die Schwierigkeit umgangen, dass die Klimamodelle die Topografie der Mittelgebirge nicht gut wiedergeben, was dazu führt, dass die aus den Szenarien herauslesbaren Maximalniederschlagsdaten nicht ohne weiteres mit Beobachtungen (im Mittelgebirge) verglichen werden können. Die Zunahme der Starkniederschlagshöhen in der Zukunft ist durch die Erwärmung der Luftmassen und einem damit einhergehenden Anstieg der Taupunkttemperatur zu erklären. Eine untergeordneten Einfluss hat die Veränderung der horizontalen bzw. vertikalen Windgeschwindigkeit, da sich diese zwischen Jetztzeit und Zukunftsszenarien nicht signifikant unterscheiden. 12

13 VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT Liebe Studierende: FORM eines fallenden Regentropfens: Quelle/Referenzen/Literatur: Schmidt T., (Bearb.), 1997: Maximierte Gebietsniederschlagshöhen für Deutschland DVWK-Mitteilungen, 29, 112 Raabe,A., Wilsdorf,M., Barth, M., 2014: Maximum Possible Precipitation over a low mountain range, Wiss. Mitteil. Inst. f. Meteorol. Univ. Leipzig, Bd. 52, S ( Tetzlaff, G., Raabe, A., 1999: Räumliche und zeitliche Verteilung maximaler Niederschläge. In: Extreme Naturereignisse und Wasserwirtschaft - Niederschlag und Abfluss, Intern. Symposium, Bayr. Landesamt f. Wirtschaft, Informationsheft Nr. 5,S Zimmer, J., Raabe, A., Tetzlaff, G., 2006: Quantification of topographic effects on predicted precipitation in the Erzgebirge, Wiss. Mitteil. Inst. f. Meteorol. Univ. Leipzig, Bd. 37, S ( REGNIE, WebWerdis Deutscher Wetterdienst, LTV Sachsen (Pirna) Wiederkehrintervalle Erzgebirge Malitz, G., Ertel, H., 2008: STRASA Extremwertstatistisch ermittelte Starkniederschlagshöhen für Sachsen, DWD Offenbach, 14S. Malitz, G. (ed.), 2005: KOSTRA-DWD-2000, Starkniederschlagshöhen für Deutschland ( ) Grundlagenbericht, DWD, Offenbach 32S. Roeckner, E., Lautenschlager, M., Schneider, H., 2005,2006: IPCC-AR4 MPI-ECHAM5_T63L31 13