Hochaufgelöste Niederschlagsklimatologie für Deutschland zur nutzerspezifischen Analyse von Extremereignissen

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1 10. Annaberger Klimatage Mai 2016 Hochaufgelöste Niederschlagsklimatologie für Deutschland zur nutzerspezifischen Analyse von Extremereignissen Dr. Tanja Winterrath, Thomas Junghänel, Christoph Brendel, Anna Schmitt, Ewelina Walawender, Julia Schiller, Elmar Weigl, Mario Hafer, Dr. Andreas Becker Deutscher Wetterdienst KU4 - Hydrometeorologie

2 Motivation Niederschlagsmonitoring - Ombrometer vs. Radar Ereignis wird nur vom Radar erfasst STARKREGEN +++ Münster 28. Juli Bessere Quantifizierung durch zusätzliche Bodendaten in Radarklimatologie Bodenmessnetz (REGNIE) RADOLAN-Online RADOLAN-Offline Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 2 von 46

3 Motivation Steigende Einsatzzahlen von Hilfsorganisationen geben einen Hinweis auf eine potenzielle Zunahme an Extremniederschlägen Klimamodelle projizieren einen Wandel der Niederschlagscharakteristik hin zu stärkeren Niederschlagsereignissen Die Erfassung und Analyse lokal begrenzter Starkregenereignisse mit klassischen Bodenmessdaten ist schwierig Radardaten ermöglichen die Erfassung kleinräumiger Extremereignisse Die quantitative, hochaufgelöste und flächenhafte Niederschlagsbestimmung ab 2001 ist Bestandteil des Radarklima -Projekts Die im Rahmen des Klimawandels projizierten Häufungen von extremen Niederschlagsereignissen erfordern Anpassungsmaßnahmen Hochaufgelöste und flächenhafte Niederschlagsdaten eröffnen neue Möglichkeiten der detaillierten Analyse von Gefährdungen und Risiken, insbesondere in urbanen Räumen Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 3 von 46

4 Hochaufgelöste Niederschlagsklimatologie für Deutschland zur nutzerspezifischen Analyse von Extremereignissen Dr. Tanja Winterrath et al. 1 Das Radarklima-Projekt 2 Statistische Auswertungen 3 4 Abgeleitete Produkte Ereignisbasierte Auswertungen Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 4 von 46

5 Hochaufgelöste Niederschlagsklimatologie für Deutschland zur nutzerspezifischen Analyse von Extremereignissen Dr. Tanja Winterrath et al. 1 Das Radarklima-Projekt 2 Statistische Auswertungen 3 4 Abgeleitete Produkte Ereignisbasierte Auswertungen Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 5 von 46

6 1 Das Radarklima-Projekt RADOLAN Radar-Online-Aneichung Automatische Niederschlagsstationen des DWD und ausgewählter Bundesländer (Nov 2015: 1226) 17 C-Band Doppler-Radarstandorte + Quantifizierung der radarbasierten Niederschlagsdaten mit Ombrometer-Daten Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 6 von 46

7 1 Das Radarklima-Projekt RADOLAN (Radar-Online-Aneichung) Das Verfahren wurde in Kooperation des DWD mit den Wasserwirtschaftsverwaltungen der Bundesländer (LAWA) entwickelt ( ) Operationeller Routinebetrieb seit Juni 2005 Kombination aus den punktuell an den Niederschlagsstationen gemessenen stündlichen Werten mit flächendeckender Niederschlagserfassung des DWD Radarverbundes Liefert zeitlich und räumlich hoch aufgelöste quantitative Niederschlagsdaten im Echtzeitbetrieb Nutzung durch die Hochwasservorhersagezentralen im Rahmen von Hochwasservorsorge und -schutz Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 7 von 46

8 1 Das Radarklima-Projekt Strategische Behördenallianz Anpassung an den Klimawandel Gemeinsames Forschungsprojekt: Erstellung einer dekadischen radargestützten hoch-auflösenden Niederschlagsklimatologie für Deutschland zur Auswertung der rezenten Änderung des Extremverhaltens von Niederschlag Ein Forschungsvorhaben der ressortübergreifenden Behördenallianz Bundesamt für Bevölkerungsschutz und Katastrophenhilfe Bundesanstalt Technisches Hilfswerk Bundesinstitut für Bau-, Stadt- und Raumforschung Deutscher Wetterdienst Umweltbundesamt Erstellung einer dekadischen radargestützten hoch-auflösenden Niederschlagsklimatologie für Deutschland zur Auswertung der rezenten Änderung des Extremverhaltens von Niederschlag Kurztitel: Radarklimatologie Projektstart: 01. Juni 2014 Projektende: 31. August 2016 Projektlaufzeit: Juni 2014 August 2016 Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 8 von 46

9 1 Das Radarklima-Projekt Das Projekt Radarklimatologie Komplette Re-Analyse ab 2001 Verwendung zusätzlicher Daten(quellen) Entwicklung von Korrekturverfahren für das RADOLAN-System Extremwertstatistische Auswertung Entwicklung und Anwendung statistischer Auswerteverfahren für kurze Zeitreihen räumlich hoch-aufgelöster Rasterdaten Nutzerberatungs-Modul Projektbegleitende Kommunikation mit den Nutzern Entwicklung von Kundenprodukten (GIS-basiert) Fallstudien Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 9 von 46

10 1 Das Radarklima-Projekt Boden-Niederschlagsstationen Zusätzliche Daten für Klimatologie verfügbar Automatische Niederschlagsstationen des DWD und ausgewählter Bundesländer (Nov 2015:1226) Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 10 von 46

11 1 Das Radarklima-Projekt Verwendung von Tagesdaten DIAGG-Verfahren x 1,2 x 1,2 Erzeugte Stundenwerte für die Aneichung Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 11 von 46

12 1 Das Radarklima-Projekt Erhöhung der Anzahl der Aneichstationen Beispiel: in Südbayern Eliminierung von Interpolationsartefakten Erfassung der Niederschläge im (Vor-)Alpenbereich Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 12 von 46

13 1 Das Radarklima-Projekt Das Projekt Radarklimatologie Komplette Re-Analyse ab 2001 Verwendung zusätzlicher Daten(quellen) Entwicklung von Korrekturverfahren für das RADOLAN-System Extremwertstatistische Auswertung Entwicklung und Anwendung statistischer Auswerteverfahren für kurze Zeitreihen räumlich hoch-aufgelöster Rasterdaten Nutzerberatungs-Modul Projektbegleitende Kommunikation mit den Nutzern Entwicklung von Kundenprodukten (GIS-basiert) Fallstudien Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 13 von 46

14 1 Das Radarklima-Projekt Speichenkorrektur Beispiel: Radar Hamburg Verfahren nach Jacobi et al Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 14 von 46

15 1 Das Radarklima-Projekt Entfernungskorrektur Beispiel: Radar Dresden + Erz-/Riesengebirge Verfahren nach Wagner et al Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 15 von 46

16 1 Das Radarklima-Projekt Neue klimatologische Korrekturverfahren geplante Version 3 Höhenabhängige Korrektur Automatisierte Speichenkorrektur Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 16 von 46

17 Hochaufgelöste Niederschlagsklimatologie für Deutschland zur nutzerspezifischen Analyse von Extremereignissen Dr. Tanja Winterrath et al. 1 Das Radarklima-Projekt 2 Statistische Auswertungen 3 4 Abgeleitete Produkte Ereignisbasierte Auswertungen Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 17 von 46

18 2 Statistische Auswertungen Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 18 von 46

19 2 Statistische Auswertungen Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 19 von 46

20 2 Statistische Auswertungen Das Projekt Radarklimatologie Komplette Re-Analyse ab 2001 Verwendung zusätzlicher Daten(quellen) Entwicklung von Korrekturverfahren für das RADOLAN-System Extremwertstatistische Auswertung Entwicklung und Anwendung statistischer Auswerteverfahren für kurze Zeitreihen räumlich hoch-aufgelöster Rasterdaten Nutzerberatungs-Modul Projektbegleitende Kommunikation mit den Nutzern Entwicklung von Kundenprodukten (GIS-basiert) Fallstudien Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 20 von 46

21 2 Statistische Auswertungen Statistische Starkniederschlagsanalyse basierend auf der Richtlinie DWA-A 531 Vergleichbar zu der Methode in KOSTRA (stationsbasiert) Automatisierung aufgrund der Datenmenge erforderlich automatisierte Bestimmung der statistischen Niederschlagshöhen für verschiedene Wiederkehrzeiten zwischen 1a und 20a für verschiedene Dauerstufen zwischen 1h und 72h basierend auf den 30 ranghöchsten unabhängigen Niederschlagssummen inkl. Ausreißerbehandlung (konfigurierbar; hier: 1 Ausreißer) inkl. Test auf monoton fallende Regenspende für die 15-jährigen Zeitserien für jedes 1km x 1km Pixel Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 21 von 46

22 2 Statistische Auswertungen Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 22 von 46

23 2 Statistische Auswertungen Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 23 von 46

24 2 Statistische Auswertungen Statistische Starkniederschlagsanalyse Ähnliche großräumige Verteilung der Hot Spots für kleine Wiederkehrzeiten Unterschiedliche großräumige Verteilung der Hot Spots für größere Wiederkehrzeiten Deutlich heterogenere räumliche Verteilung der radarbasierten Auswertung; insbesondere für größere Wiederkehrzeiten Radarbasierte Extremwertstatistik liefert mehr Details Aufgrund der (noch) kurzen Zeitreihe ist die radarbasierte Extremwertstatistik stärker durch Einzelereignisse bestimmt Radardaten liefern (perspektivisch) eine wertvolle Grundlage für die statistische Auswertung von Extremniederschlägen Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 24 von 46

25 Hochaufgelöste Niederschlagsklimatologie für Deutschland zur nutzerspezifischen Analyse von Extremereignissen Dr. Tanja Winterrath et al. 1 Das Radarklima-Projekt 2 Statistische Auswertungen 3 4 Abgeleitete Produkte Ereignisbasierte Auswertungen Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 25 von 46

26 3 Abgeleitete Produkte Das Projekt Radarklimatologie Komplette Re-Analyse ab 2001 Verwendung zusätzlicher Daten(quellen) Entwicklung von Korrekturverfahren für das RADOLAN-System Extremwertstatistische Auswertung Entwicklung und Anwendung statistischer Auswerteverfahren für kurze Zeitreihen räumlich hoch-aufgelöster Rasterdaten Nutzerberatungs-Modul Projektbegleitende Kommunikation mit den Nutzern Entwicklung von Kundenprodukten (GIS-basiert) Fallstudien Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 26 von 46

27 3 Abgeleitete Produkte Potenzielle Nutzer und Anwendungsgebiete Bevölkerungsschutz Stadt- und Raumplanung Versicherungen Strategische Einsatzplanung Landwirtschaft Risikokartierung Wasserwirtschaft Elementarschäden Erosionsmonitoring, R-Faktor Abflussmodellierung, Bemessungsniederschläge Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 27 von 46

28 3 Abgeleitete Produkte Bevölkerungsschutz Starkregenereignis Hamburg Einsätze mit Stichwort Wasser 17:00 bis 21:30 Uhr MESZ Niederschlagssumme 16:50 20:50 MESZ Strategische Einsatzplanung + Quelle: Feuerwehr Hamburg (D. Batlle) Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 28 von 46

29 3 Abgeleitete Produkte Potenzielle Nutzer und Anwendungsgebiete Bevölkerungsschutz Stadt- und Raumplanung Versicherungen Strategische Einsatzplanung Landwirtschaft Risikokartierung Wasserwirtschaft Elementarschäden Erosionsmonitoring, R-Faktor Abflussmodellierung, Bemessungsniederschläge Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 29 von 46

30 3 Abgeleitete Produkte Erosion und Bodenabtrag Landwirtschaft Bestimmung des R-Faktors (Regenerosivität) der Allgemeinen BodenAbtragsGleichung (ABAG) Bodenmessdaten Basis: Niederschlagssummen Radardaten Basis: Ereigniserosivität ohne RADOLAN-Stundensummen (RW) Ausreißerkontrolle geplant: Quasi-angeeichte RADOLAN-5-Minuten-Werte Berechnung nach DIN19708 Erosionsmonitoring, R-Faktor Laufende Projekte in verschiedenen Bundesländern: Bayern (F. Fischer), Sachsen (P. Kuhnert), Hessen (J. Peußner) Quelle: BGR Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 30 von 46

31 3 Abgeleitete Produkte R-Faktoren für Deutschland auf Basis von Bodendaten (links) und auf Basis der Radarklimatologie (Mitte und rechts) Quelle: Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 31 von 46

32 3 Abgeleitete Produkte Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 32 von 46

33 3 Abgeleitete Produkte Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 33 von 46

34 3 Abgeleitete Produkte Hagelklimatologie (Junghänel et al., 2016*) Jahresgang der Hagelbeobachtungen Enthält Plausibilisierung durch Blitze Echtzeitbasis * T. Junghänel et al. (2016): Towards a radar- and observation-based hail climatology for Germany; Met. Zeitschrift, PrePub DOI /metz/2016/0734 Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 34 von 46

35 3 Abgeleitete Produkte Hageltage pro Jahr aus Beobachtungen (links) und inkl. Radar (rechts); Datenbasis :Sommerhalbjahre (Apr-Sep) ; DX-Online Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 35 von 46

36 3 Abgeleitete Produkte Hageltage pro Jahr aus Beobachtungen (links) und inkl. Radar (rechts) für Sachsen Basis: DX-Daten der Echtzeitanalyse Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 36 von 46

37 Hochaufgelöste Niederschlagsklimatologie für Deutschland zur nutzerspezifischen Analyse von Extremereignissen Dr. Tanja Winterrath et al. 1 Das Radarklima-Projekt 2 Statistische Auswertungen 3 4 Abgeleitete Produkte Ereignisbasierte Auswertungen Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 37 von 46

38 4 Ereignisbasierte Auswertungen Wiederkehrzeiten Starkregenindex (nach T. Schmitt) Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 38 von 46

39 4 Ereignisbasierte Auswertungen Weather Extremity Index (Müller und Kaspar, 2014*) WEI = max(e ) log Mittlere log. Wiederkehrzeit Fläche Extremität eines Ereignisses = maximale Kombination von Wiederkehrzeit, Flächenausdehnung und Dauerstufe Münster (NRW), 28. Juli 2014 *Müller, M. and Kaspar, M.: Event-adjusted evaluation of weather and climate extremes, Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 14, , doi: /nhess , 2014 Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 39 von 46

40 4 Ereignisbasierte Auswertungen E ta -Fläche-Diagramm, Münster-Ereignis 2014 Charakteristische Dauerstufe Zeitpunkt maximaler Extremität Charakteristische Fläche Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 40 von 46

41 4 Ereignisbasierte Auswertungen Weather Extremity Index für Claudia 2002 WEI = 367; D = 24 h; A = km 2 (Münster: WEI = 67; D = 9 h; A = 1211 km 2 ) Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 41 von 46

42 4 Ereignisbasierte Auswertungen Anwendung des WEI auf die Radarklimatologie Wechsel von Einzelereignissen zu 15 Jahren Gitterdaten Definition des Referenzgebiets Äquidistantes Gitter Geografische oder Geopolitische Regionen (z. B. Bundesländer) Ist die WEI-Klassifikation geeignet, um die Extremität des Niederschlags zwischen verschiedenen Gebieten zu vergleichen? Trends zu bestimmen? Häufigkeiten von Extremereignissen zu bestimmen? Masterarbeit Julia Schiller (2016) Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 42 von 46

43 4 Ereignisbasierte Auswertungen Anwendung des WEI auf die Radarklimatologie (Referenzgebiet Deutschland) Deutlicher Jahresgang sichtbar Bekannte Einzelereignisse sichtbar Claudia + Elbehochwasser Cathleen Veit Quirinus Hochwasser Südund Ostdeutschland Münster D max = 24h, T min = 5a Quelle: Thomas Junghänel (GDV-Starkregen-Projekt), Julia Schiller Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 43 von 46

44 4 Ereignisbasierte Auswertungen Anwendung des WEI auf die Radarklimatologie (Referenzgebiet Sachsen) Elbehochwasser Hochwasser 2010 Leipzig Superzelle Westerzgebirge Superzelle Großenhain Hochwasser 2013 Meißen D max = 24h, T min = 5a Quelle: Thomas Junghänel (GDV-Starkregen-Projekt), Julia Schiller Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 44 von 46

45 Zusammenfassung Im Projekt Radarklimatologie erfolgt eine optimierte Datenaufbereitung: Eliminierung typischer Fehler in Radarmessungen Quantifizierung mit umfangreicher Bodendatenbasis Erstellung und Visualisierung umfangreicher Kundenprodukte Radardaten liefern (noch) kurze Zeitreihen ab 2001 jährliches Update geplant Radarmessungen ermöglichen die hochaufgelöste, flächendeckende Erfassung von (Extrem-)Niederschlägen und (Extrem-)Ereignissen Indizes (z. B. der WEI) ermöglichen die Klassifizierung von Ereignissen Radardaten liefern die Grundlage für eine räumlich und zeitlich hochaufgelöste Analyse von Extremniederschlägen und -ereignissen Dr. Tanja Winterrath et al., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 45 von 46

46 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., Mai 2016, 10. Annaberger Klimatage 46 von 46