Deutscher Wetterdienst

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1 Deutscher Wetterdienst Hydrometeorologie Die Hydrometeorologie ist ein Teilgebiet der Meteorologie, das sich mit den Wechselwirkungen zwischen atmosphärischen Vorgängen im Wasserkreislauf und den hydrologischen Prozessen befasst (DIN 4049). Dr. Gabriele Malitz Deutscher Wetterdienst, Abt. Hydrometeorologie Lindenberger Weg 24, Berlin de

2 Hydrometeorologische Leistungen Anwendungsbereiche: Hochwasservorhersage vorbeugender Hochwasserschutz h Starkniederschläge Hydrologische Dürre, Niedrigwasser Wasserbilanz der Flussgebiete Planungen im Wasserbau Klimawandel und Wasser 2

3 Aufgaben der Abteilung Hydrometeorologie im DWD Hydrometeorologische Beratung der Wasserwirtschaft Politikberatung (Bundesverwaltung) Beitrag zum Umgang mit Klimawandel Mitarbeit in Fachkommissionen (LAWA, DWA-Arbeitsgruppen ) Bereitstellung der erforderlichen Daten und Produkte des DWD Spezialdienstleistungen, wie z. B. spezielle Gutachten, Analysen und Vorhersagen (RADOLAN, RADVOR-OP, SNOW4, GEBVER, KOSTRA-DWD-2000, REWANUS2000) Weltzentrum für Niederschlagsklimatologie g (WZN) 3

4 Global Precipitation Climatology Centre (GPCC) Produkt: Monatliche gerasterte globale Niederschlagsdaten. Freier Zugriff auf die Produkte im Internet. Zielrichtung: Klimamonitoring und Forschung de Datenbasis: Niederschlagsstationen aus weltweit 180 Ländern 4

5 Der globale Wasserkreislauf Essentiell für das Leben auf der Erde Global: Niederschlag = Verdunstung = 496 km 2 /a = ca mm/a Niederschlag 111 km 3 /a Verdunstung 71 km 3 /a Verdunstung 425 km 3 /a Niederschlag 385 km 3 /a 5

6 Hydrometeorologische Komponenten im Wasserkreislauf Niederschlag (einschließlich der Schneedecke) Für die Bildung von Niederschlag ist erforderlich: 1) Vorhandensein von ausreichend Wasserdampf 2) Hebungsvorgänge, die zu einer Abkühlung unter den Taupunkt führen und damit Kondensations- und Gefriervorgänge einleiten Verdunstung Umwandlung von Wasser, Schnee oder Eis in Wasserdampf bei Temperaturen unterhalb des Siedepunktes 6

7 Mittlere jährliche h Niederschlagshöhe höh für den Zeitraum

8 Mittlere jährliche Bilanzgröße (in mm) von Gewässern, 1961/1990 Hydrometeorologische Daten für die Sanierung der Tagebaulandschaften Zeitreihen: - korrigierter Niederschlag - potentielle Verdunstung (TURC / IVANOV) - Seenverdunstung Trendverhalten Sanierungsgebiet liegt in einer Region mit negativer Wasserbilanz 8

9 140 Mittlere Monats- und Jahreswerte der korrigierten Niederschlagshöhe und der Verdunstung von Land- und Wasserflächen, Brandenburg/Görden, Reihe 1971/ m Monatswerte in m Ja ahreswerte in cm 20 Verdunstung: 0 JAN FEB MRZ APR MAI JUN JUL AUG SEP OKT NOV DEZ JAHR landwirtschaftl. Nutzflächen ,5 See (mittlere Tiefe 4m) ,9 Niederschlag (korr.) ,4 9

10 REGNIE Regionalisierte Niederschlagverteilungen Für viele hydrologische Anwendungen werden Gebietsniederschlagshöhen benötigt: Regionalisierung der Punktmessungen (Übertragung auf ein Gitter) zunächst: Regionalisierung der monatlichen Niederschlagshöhen der Mittelwerte und später: weitere Zeiträume 10

11 Radargestützte, quantitative Niederschlagsanalyse und -vorhersage RADOLAN Radar-Online-Aneichung Aktuelle Niederschlagsanalyse mit Radar- und Ombrometermessungen Prozess des operationellen Routinebetriebs von RADOLAN Input: DX- Radarniederschlagsdaten (16 Standorte; alle 5 min) daten (alle 5 min) 1. Vorverarbeitung der Radarniederschlags- per AFD Abschattungskorrektur Verfeinerte Z-R-Beziehung Kompositerstellung Niederschlagsüberwachung 2. Vorverarbeitung der Radarniederschlagsdaten (zweimal alle 60 min) (alle 60 min) Erste Mal für Definition Ereignisfall Aufsummierung zu DH-Komposits (stündlicher Abruf der Bodenniederschlagsdaten) Interpolation statistische Clutterunterdrückung Zweite Mal Input: RR-Daten (Auswahl; (alle 3. Vorverarbeitung der Radar- mit Bodenniederschlagsdaten (alle 60 min) 60 min) per RADOLAN -Triggerung Glättung BOGRA Voraneichung BORAMA Aneichung der Radar- mit Bodenniederschlagsdaten Output: Angeeichte (alle 60 min) Radarniederschlagsdaten (alle 60 min) Berechnung der Aneichgrößen; Interpolation Aneichungen Verschneidung verschiedener Aneichverfahren zum besten Ergebnis 50 RADVOR-OP Radarniederschlagsvorhersage im operationellen Einsatz Aktuelle Niederschlagsvorhersage mit Radar- und Ombrometermessungen 11

12 Prozess des operationellen Routinebetriebs von RADOLAN 1. Vorverarbeitung der Radarniederschlags- daten (alle 5 min) Abschattungskorrektur Verfeinerte Z-R-Beziehung Kompositerstellung Input: DX- Radarniederschlagsdaten (16 Standorte; alle 5 min) per AFD Niederschlagsüberwachung (alle 60 min) für Definition iti Ereignisfall i (stündlicher Abruf der Bodenniederschlagsdaten) Erste Mal 2. Vorverarbeitung der Radarniederschlagsdaten (zweimal alle 60 min) Aufsummierung zu DH-Komposits statistische Clutterunterdrückung Interpolation Zweite Mal Input: RR-Daten (Auswahl; (alle 3. Vorverarbeitung der Radar- mit Boden- 60 min) per RADOLAN -Triggerung Ti niederschlagsdaten d (alle 60 min) Glättung BOGRA Voraneichung BORAMA Output: Angeeichte Radarniederschlagsdaten (alle 60 min) Aneichung der Radar- mit Bodenniederschlagsdaten (alle 60 min) Berechnung der Aneichgrößen; Interpolation Aneichungen Verschneidung verschiedener Aneichverfahren zum besten Ergebnis 12

13 Starkniederschlag am 05./ Das Starkniederschlagszentrum befindet sich im Raum Prenzlau. Der dortige punktuelle Niederschlagsspitzenwert von mehr als 90 l/m² innerhalb von sechs Stunden geht wegen seiner Kleinräumigkeit aus der Darstellung nicht explizit hervor. Die an der ZALF-Station in Dedelow am innerhalb von zwei Stunden gemessene Niederschlagsmenge beträgt 105,5 l/m² (Tageswert: 147,9 l/m²). 13

14 Ausblick: Untersuchungen zu Starkniederschlagsereignissen Anwendung in der Klimaüberwachung: Berechnung quantitativer radargestützter Niederschlagsanalysen ab 2001 in Planung: erste Stufe: Auswertung vorliegender Daten ab Mai 2004 Genauigkeit von RADOLAN: rel. und abs. Fehler durch Vergleich der stündlichen Daten Verifikation von RADOLAN: Verifikation der täglichen Daten in Abhängigkeit verschiedener Niederschlagsschwellenwerte, von der Entfernung zum Radarstandort, von der Überdeckung mehrerer Radars, von der Aneichstationsdichte und den umliegenden Radarpixeln 14

15 Vorhersage von Niederschlag und Schneeschmelze Die Modellkette des DWD mit Bezug zur Hochwasservorhersage Auswertung der Vorhersagen nach Extremereignissen (Hochwasser) Pflege und Betrieb eines Anschlussmodels SNOW In diesem Rahmen besteht die Aufgabe der Abteilung Hydrometeorologie insbesondere in der fachlichen Beratung der Schlüsselkunden des DWD, dh d.h. der Hochwasservorhersagezentralen h der Bundesländer d sowie der hydrologischen Fachbehörden von Bund und Ländern. 15

16 Meteorologische Messdaten GTS + Europa + national Niederschlagsvorhersage Globales Vorhersagemodell GME Vorhersage 7 Tage, Auflösung: 40 km Schneehöhe und Wasseräquivalent Hydrologische Messdaten COSMO-EU Vorhersage 72 h Auflösung 7 km COSMO-DE Vorhersage 21 h Auflösung 2,8 km SNOW: Berechnung der Schneeschmelze Auflösung 1 km Wasser- behörden: Hydrologische Modelle: Wasserstand, Hochwasserwelle, Abfluss 16

17 Ergebnisbeispiele vom Winter 2009/2010: Analyse W n und Vorhersage + 66 Std. für N d vom 16. Februar 2009, 12:00 UTC 17

18 Kimawandel und Wasser Trend hydrometeorologischer Größen in Deutschland Kooperation KLIWA des DWD mit BY, BW, RP (KLIWA = Klimaänderungen und Auswirkungen auf die Wasserwirtschaft) Kooperation KLIWAS innerhalb des BMVBS zur Entwicklung von Anpassungsoptionen (KLIWAS = Auswirkungen des Klimawandels auf Wasserstraßen und Schifffahrt) Weltzentrum für Niederschlagsklimatologie (WZN) = Global Precipitation Climatology Centre (GPCC) 18

19 KLIWA: exemplarische Ergebnisse für Bayern und Baden-Württemberg Niederschlag geringe Veränderung der Jahreswerte aber Umverteilung im Jahresgang - im Sommer trockener, - im Winter u. Frühjahr feuchter Veränderung der Häufigkeitsverteilung, it t il zu höheren Niederschlägen hin, besonders im Frühjahr und Winter Zunahme der Starkniederschläge im Winter und Frühjahr Zunahme der Nassperioden im Winter KLIWA-Berichte: 19

20 KLIWA: Praktikable Berücksichtigung eines Klimaänderungsfaktors Beispiel Hochwasserdamm: Der Damm wird gebaut wie geplant, an der Außenseite wird aber ein Streifen freigehalten, sodass bei Bedarf der Damm problemlos erhöht werden kann. 20

21 Extremwerte von Niederschlag und Niederschlagsdargebot als einer der fachlichen Schwerpunkte der Hydrometeorologie praxisbezogene Abgrenzung der Extremwertstatistik zu Bemessungswerten Bedeutung der Dauerstufe (Niederschlagsdauer einschließlich Unterbrechungen) Schauerniederschlag vs. Dauerniederschlag Quantifizierung sehr seltener Extreme PMP (Probable Maximum Precipitation) für Deutschland 21

22 Serie von 60-min-Werten der Niederschlagshöhe 60,0 50,0 40,0 hn [mm] 30,0 hn(d;t) = u(d) + w(d) ln T 20,0 10,0 T = 2a T = 5a T = 10a T = 20a T = 50a T = 100a 0,0 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 ln T plotting positions: T(k) = (e M + 0,2) / e (k - 0,4) M = 30 Jahre (e = 2,718) 22

23 KOSTRA-DWD-2000 ( ) Januar bis Dezember Starkniederschlagshöhen (in mm) Dauerstufe D = 24 h Jährlichkeit hk it T = 100 a 23

24 Extremwerte des Niederschlagsdargebots (Regen und Schneeschmelze) Rasterfelder: 8,45 x 8,45 km D = 72 h, T = 100 a 24

25 KOSTRA-DWD-2000-Starkniederschlagshöhen (Feld 27 26) T = 1 a T = 5 a T = 20 a 100 a D = 15 min 11,5 mm 19,6 mm 26,5 mm 34,6 mm D = 60 min 17,8 mm 32,4 mm 44,9 mm 59,5 mm D = 12 h 34,3 mm 52,8 mm 68,8 mm 87,3 mm D = 24h 41,5 mm 64,66 mm 84,5 mm 107,6 mm D = 72 h 65,1 mm 99,7 mm 129,4 mm 164,0 mm 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 % % 25

26 ite (Grad) Nördliche Brei Östliche Länge (Grad) 1500 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 Regionalisierte maximierte Gebietsniederschlagshöhe Dauerstufe D = 24 h, Gebietsgrößenstufe G = 25 km²

27 Zwischen KOSTRA bei T = 100 a und MPN 200 MPN 175 höhe [mm] Niederschlags ?? Überschreitungswahrscheinlichkeit [-] KOSTRA 27

28 Ergänzung der Datenbasis durch Digitalisierung alter Klima- und dniederschlagsdaten d 28

29 Zusammenfassung der Ziele Grundversorgung der Wasserwirtschaft durch flächendeckende hydrometeorologische Leistungen Überwachung der sich verändernden hydrometeorologischen Größen hinsichtlich der Auswirkung auf die Langfristbewirtschaftung der Wasserressourcen (Grundwasser, Oberflächengewässer) Katastrophenschutz i. S. einer rechtzeitigen Vorhersage von hydrometeorologischen Extremereignissen (Hochwasser- und Niedrigwasservorhersage) zwecks Schadensminimierung Erstellung hydrometeorologischer Planungsgrundlagen für die Bemessung wasserwirtschaftlicher Schutzbauwerke zum vorbeugenden Hochwasserschutz (Katastrophenvorsorge z. B. durch Errichtung von Dämmen, Deichen, Talsperren, Rückhaltebecken). Überwachung der hydrometeorologischen Komponente des Klimasystems Rückkopplung und Abstimmung mit internationalen Gremien im Rahmen des Energie- und Wasserkreislaufs 29

30 Kontakt: Dr. Gabriele Malitz Abt. Hydrometeorologie Außenstelle Berlin Lindenberger Weg Berlin-Buch B Gabriele.Malitz [at]dwd.de Tel.: +49 (0) 030 / Fax: +49 (0) 030 / Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 30