CEDIM Forensic Disaster Analysis

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1 CEDIM Forensic Disaster Analysis Anhand eines konkreten Hochwasserereignisses sollen für die Forensic Disaster Analysis in CEDIM die Schnittstellen zwischen den multidisziplinären Einzelprojekten identifiziert werden, um konkret und effizient die weitere Zusammenarbeit zu planen und einen projektübergreifenden Workflow für den Ereignisfall zu entwickeln. CEDIM Szenario: Hochwasser im Januar 2011 in Deutschland* Schneeschmelze und ergiebige Flächenniederschläge nach vorhergehendem Warmlufteinbruch am 7./8. und intensiver - am 13./14. Januar 2011 führen fast im gesamten Bundesgebiet zu Hochwassersituationen von allerdings unterschiedlicher Intensität. Im Osten Deutschlands wird die Lage, insbesondere an der Oder, durch Eisdecken, Eisversatz und Treibeis zusätzlich verkompliziert. Teilweise erreichen die Abflüsse Jährlichkeiten von mehr als HQ 50. Die größten Jährlichkeiten wurden am Main, der Saale und im oberen Bereich des Wesereinzugsgebietes erreicht. Am besonders betroffenen Main zeigen die Abflusskurven zwei deutlich ausgeprägte Spitzen. In den anderen Gebieten ist das in geringerem Maße der Fall. Die Schifffahrt ist abschnittweise behindert bzw. eingestellt. Aufgrund der flächenhaften Wirksamkeit des Ereignisses ist zu vermuten, dass kumuliert durchaus signifikante monetäre Schäden aufgetreten sind. Diese haben allerdings nirgendwo katastrophale Ausmaße erreicht. * Die Kurzbeschreibung basiert auf dem internen Bericht Januar Hochwasser in Deutschland - Rapid Assessment des Ereignisses und seiner Auslöser - Lessons Learned von Steffi Uhlemann, Florian Elmer und Florian Betz (bei Interesse am gesamten Bericht, bitte an Florin Elmer wenden)

2 Abb. 1 Wiederkehrintervalle und Hydrographen an ausgewählten Pegeln Im Folgenden sind die Planungen der folgenden CEDIM Projekte zusammengestellt: CEDIM-Projekt: ATMO Forensic Prediction and Analysis / Wettergefahren-Frühwarnung, Verantwortlich: Bernhard Mühr, Michael Kunz CEDIM-Projekt: Schnelle Hochwasserrisikoanalyse, Verantwortlich: Heidi Kreibich, Sektion 5.4 Hydrologie GFZ CEDIM-Projekt: Schnelle Abschätzung der Betriebsunterbrechungskosten, Verantwortlich: Dr. Tina Comes und Marjorie Vannieuwenhuyse, IIP CEDIM-Projekte: Crowdsourcing/Social Sensors, Verantwortlich: Doris Dransch/Joachim Fohringer, Sektion 1.5 Geoinformatik, GFZ

3 Beteiligung bei der Bewertung von Hochwasserereignissen ATMO Forensic Prediction and Analysis / Wettergefahren-Frühwarnung Bernhard Mühr, Michael Kunz, 09. Januar ) Vorhersage Prognose möglicher Hochwasserlagen Die Prognosen können 1 bis 5 Tage im Voraus erfolgen und sich auf Regionen in Deutschland, Europa oder der gesamten Welt beziehen. Die Grundlage solcher Vorhersagen bilden Modellprognosen verschiedener Wetterdienste. Als Arbeitsmodell steht derzeit das globale Modell GFS zur Verfügung, das derzeit in einer Auflösung von 0.5 Grad 3 stündige-niederschlagsvorhersagen liefert. Für Deutschland können im Ereignisfall oder routinemäßig Niederschlagswerte für etwa 230 Gitterpunkte bereitgestellt werden. Das Format der Dateien (die z.b. als Eingangsdaten für andere Modelle) kann nach Bedarf angepasst werden. In der Zukunft werden weitere Vorhersagemodelle und systeme berücksichtigt (siehe Punkt 4). Persönliche Einschätzung Bei einer möglicherweise bevorstehenden Hochwasserlage oder während einer solchen können persönliche Einschätzungen angefordert werden mit Angaben zu Intensität und Dauer möglicher Wassereinträge (in Abhängigkeit der Temperatur zusätzlicher Schmelzwassereintrag, zeitliche und räumliche Abflussspitzen in bestimmten Einzugsgebieten usw..). Der Informationsaustausch kann schriftlich in Form kurzer Mitteilungen oder telefonisch erfolgen. Pegelprognosen oder Wasserstandsangaben können nicht gemacht werden. 2.) Im Ereignisfall Während eines Hochwasserereignisses, das manchmal mehrere Tage oder sogar Wochen andauert, können sowohl persönliche Einschätzungen gegeben als auch weitere Niederschlagsprognosen-Daten bereitgestellt werden. Diese Informationen werden ergänzt durch aktuelle Messwerte (Niederschlagsmeldungen (stündlich oder täglich, Pegelstände, Radarbilder usw.). Für Deutschland stehen Daten von rund 4000 Niederschlagsstationen des Deutschen

4 Wetterdienstes zur Verfügung. Die Daten werden routinemäßig oder bei Bedarf zusammengestellt und aufbereitet. Eine Beteiligung an ersten Berichten bzw. Reports mit Analysen und Bewertungen ist möglich. 3.) Nach dem Ereignis Nach dem Ereignis erfolgt die Bereitstellung von umfangreicheren Informationen zum Wetterablauf, zum Verlauf der Niederschlagsaktivität mit Messwerten, Karten, Analysen usw,., außerdem Beiträge zu Berichten und Reports. Aus Regnie-Datensätzen, die speziell beim DWD angefordert werden müssen, kann ein hoch aufgelöstes Bild (1 km x 1 km) der Niederschlagsverteilung erstellt werden. Alle für die eventuelle Einspeisung in eine Ereignisdatenbank nötigen Informationen werden je nach Verfügbarkeit und Machbarkeit zusammen- und bereitgestellt. Durch Vergleich mit den Datenarchiven vergangener Ereignisse der Vergangenheit kann eine Bewertung des aktuellen Ereignisses im klimatologischen Kontext vorgenommen werden. 4.) Weitere Informationen / Zukunft Gegenwärtig erfolgt die Implementierung des hochaufgelösten WRF Modells auf einem neuen und leistungsfähigen Rechner. Nach dessen erfolgreicher Inbetriebnahme und der Aufnahme des Routinebetriebs (voraussichtlich Mitte 2012) stehen Prognosen in einer hohen Auflösung zur Verfügung (wenige Kilometer). Dann können für mittlere und größere Einzugsgebiete Prognosedaten (bis ca 3 Tage im Voraus) zur Verfügung gestellt werden in Kartenform oder als ascii-werte oder als netcdf-dateien. Für die nachträgliche Analyse von Hochwasserereignissen kann das WRF-Modell ebenfalls eingesetzt werden. In einem weiteren Schritt werden probabilistische Ensembleprognosen (GFS) gerechnet, die Aussagen über Überschreitungs- bzw. Eintreffwahrscheinlichkeiten von Niederschlagsereignissen ermöglichen. Ein weiteres hochaufgelöstes Modell (COSMO-ART) für den quasi-operationellen Betrieb wird in 2013 implementiert. Mit COSMO steht eine weitere Quelle für Vorhersagen und Analysen zur Verfügung.

5 CEDIM-Projekt: Schnelle Hochwasserrisikoanalyse Verantwortlich: Heidi Kreibich, Sektion 5.4 Hydrologie GFZ Zeitlicher Ablauf Wann? Ab ca. 7. Januar 2011 (während des Ereignisses wenn Warnstufen überschritten sind, so dass Abflussdaten online verfügbar sind) Ab ca. 18. Januar 2011 (während des Ereignisses nach Grundlagendaten / Input (Quelle) Abflussdaten (häufig nur Wasserstands- Daten verfügbar) Quellen: BfG (UN- DINE), ELWIS/Pegel online, Pegelbetreiber in den Ländern Schnittstelle zu anderen CEDIM Projekten Informationen und Daten über die hydro-meteorologischen Wettergefahren- Frühwarnung (Bernhard Mühr, KIT) und Analysen / Bewertungen Abschätzung der Jährlichkeit der Abflüsse an den einzelnen Pegeln Synthetisieren der hydro-meteorologischen Information Ergebnis (Input für andere CEDIM Projekte?) Räumlich verteilte Informationen zur Jährlichkeitseinschät zung des Ereignisses, Identifikation der Betroffenheit verschiedener Einzugsgebiete Hochwassertypologie des Ereignisses, Informationen zur Ab wann möglich / Vorbereitung, Entwicklungsbedarf ab Mitte 2012 / Verbesserung der Beschaffung von Ad-hoc- Abflussdaten; Aktualisierung und Vervollständigung der Pegeldatenbank, Entwicklung einer Routine zur kontinuierlichen Aktualisierung der Pegeldatenbank; Entwicklung eines Standardverfahrens zur Bestimmung der Wiederkehrwahrscheinlichkeit (schnelles, einfach anwendbares Matlab-Skript) ab Mitte 2012 / Aktualisierung und Ergänzung des Er- Einschränkungen / sonst. Bemerkungen Die Analyse, Bewertung wird nur für großräumige Hochwasserereignisse in Deutschland durchgeführt Siehe oben

6 Überschreitung des; Peaks) Februar / März 2011 (nach dem Ereignis, sobald Überflutungsmasken aus Satellitenbildern vorliegen, bei diesem Ereignis hat es sehr lange gedauert, da es keinen Charter- Call gab, bei Charter-Call-Ereignissen Tage bis wenige Wochen nach dem Überschreiten des Peaks) Ursachen des Hochwassers (z.b. Zirkulationsmuster, Niederschlag, Temperatur, Vorbedingungen (z.b. Bodenfeuchte, Schneedecke) Quelle: Wettergefahren-Frühwarnung (Bernhard Mühr, KIT) und evt. Meteorologie des KIT Überflutungsmasken aus Satelliteninformation Quelle: ZKI-DLR Digitale Geländemodelle Quelle: Landesvermessungsämter, BKG,? Wassertiefen in den Überschwemmungsflächen Quelle: noch unklar, entweder ZKI-DLR oder es muss eine evt. Meteorologie des KIT CEDIM-Projekt Case-based reasoning Evtl. Abgleich der Ergebnisse mit dem CEDIM-Projekt crowd sourcing und der räumlichen Jährlichkeitsverteilu ng zu einer Fluttypologie Einordnung des Ereignisses in einen Katalog historischer großräumiger Hochwasserereignisse in Deutschland (seit 1950 heute) Schnelle Schätzung direkter Schäden für einzelne Schadenssektoren (Wohngebäude, Unternehmen) mit den mesoskaligen Schadensmodellen FLEMOps und FLEMOcs Größenordnung / Schwere des Ereignisses Informationen zu vergleichbaren Ereignissen in der Vergangenheit Größenordnung der resultierenden Schäden sowie der Anzahl der betroffenen Personen; Informationen zu vergleichbaren Ereignissen in der Vergangenheit eigniskatalogs und Weiterentwicklung zur Ereignisdatenbank. Entwicklung von Fact Sheets zu Ereignistypen, Entwicklung einer Methode zur Identifikation vergleichbarer Ereignisse (evtl. Anwendung von Case-based reasoning) Ca. ab Ende 2013 / Klärung der Kooperation mit ZKI-DLR Evtl. Entwicklung und Etablierung einer automatisierten Methode zur Abschätzung der Wassertiefen Weiterentwicklung der FLEMO- Modelle zur schnellen Schadenschätzung Siehe oben; Außerdem kann die Schadenschätzung nur da erfolgen wo Überflutungsmasken vorliegen, d.h. wenn die Satellitendaten nur fragmentiert vorhanden sind, kann keine Schadenschätzung für das gesamte Ereignis durchgeführt werden.

7 eigene Methode entwickelt werden und die Berechnungen müssen in der Sektion 5.4 durchgeführt werden Ergänzung des Ereigniskatalogs mit Schadeninformationen Aktualisierte Daten zur Exposition von Wohngebäuden und Unternehmen in Deutschland liegen in der Sektion 5.4 vor

8 CEDIM-Projekt: Schnelle Abschätzung der Betriebsunterbrechungskosten Verantwortlich: Dr. Tina Comes und Marjorie Vannieuwenhuyse, IIP Zeitlicher Ablauf Wann? Nach 2-3 Tagen Grundlagendaten / Input (Quelle) Dauer der Betriebsunterbrechung (Schätzung aus vergangene Ereignisse) betroffene Sektoren Information zu vergangene Schäden Nationale Input- Output Tabelle der Volkswirtschaftlichen Gesamtrechnung (UNECE) reg. Wertschöpfung pro Sektor (UNECE) BIP Schnittstelle zu anderen CEDIM Projekten CEDIM Projekt Naturkatastrophen und Verkehrsinfrastruktur CEDIM-Projekt Case-Based Reasoning (Informationen zu vergangenen Ereignisse) Analysen / Bewertungen - Einordnung des Ereignisses (Grad der Schwere und Abschätzung der Dauer) /Input von CBR - Analyse der betroffenen Wirtschaftsstrukturen - Analyse der Verflechtungen Ergebnis (Input für andere CEDIM Projekte?) Szenarien zur groben Abschätzung (national) der Schäden Ab wann möglich / Vorbereitung, Entwicklungsbedarf - Prototyp ab Mitte 2012/ Modell muss noch entwickelt werden - automatisches Generieren eines Satzes von Szenarien zur Einordnung der möglichen Schäden gemäß verschiedener Entwicklungspfade: Ende 2013 Einschränkungen / sonst. Bemerkungen I-O Tabellen nur für UNECE Länder verfügbar Nach 5 Tagen während des Ereignisses (wenn erste Informationen zu den betroffenen Gebieten vorliegen); danach: sukzessive Verbesserung der Informationslage ausfallende Infrastrukturen, Schwerpunkt: KRITIS Für jeden Industriesektor, Analyse eines Indikatorensatzes, bspw.: Anzahl Industrieeinheiten CEDIM Projekt Naturkatastrophen und Verkehrsinfrastruktur - Vulnerabilitätsanalyse auf regionaler und sektoraler Ebene (Aggregationsniveau muss je nach verfügbarer Information angepasst werden) - Identifikation von Schwachstellen und Regionale Abschätzung der Vulnerabilität gegenüber Betriebsunterbrechunge n Vulnerabilitätsranking der Industriesektoren und der Regionen Prototyp ab Mitte 2012/ Weiterentwicklung des Indikatorenmodells: Übertragebarkeit und verfügbare Informationen - Identifikation von Hotspots und Ent- Ansatz für D (Ba- Wü) bereits entwickelt

9 und entsprechende Anpassung von Modell und Aktualisierung der Ergebnisse Nach 1-2 Wochen (während des Ereignisses); sukzessive Anpassung und Verbesserung der Ergebnisse Bruttoanalagenvermögen Anzahl Beschäftigten Personalkosten Elektrizitätsverbrauch Wasserverbrauch Selbstgenerierte Elektrizität / Wasser Materialkosten Input Output Rechnung Für jede Region: Wertschöpfung BIP Anzahl Beschäftigte Abschätzung der Vulnerabilität Analyse zu Schwere und Dauer des Ereignisses Vulnerabilitätsanalyse Informationen zur Wirtschaftsstruktur - Information zu weiteren möglichen Entwicklungen der Situation und zu geplanten und implementierten Maß- CEDIM Projekt Naturkatastrophen und Verkehrsinfrastruktur CEDIM-Projekt Case-Based Reasoning (Informationen zu vergangenen Ereignisse) besonders gefährdeten Sektoren - Abschätzung der indirekten ökonomischen Konsequenzen auf nationaler, regionaler und sektoraler Ebene Szenarien, die Entwicklungspfade aufzeigen und die indirekten ökonomischen Schäden quantifizieren Grundlage für Entscheidungsunterstützung (für Firmen und Notfallbehörden) Identifikation von Hotspots und Vulnerabilitätstreibern Basis für Entscheidungsunterstützung: Identifikation der effektivsten Maßnahmen scheidungsunterstützung: ab Mitte Prototyp: Mitte je nach Datenlage evtl. auch für einzelne Unternehmen möglich

10 Sobald Information zu vergleichbare Ereignisse vorliegen und die Vulnerabilität bestimmt wurde nahmen Information zu vergangenen Ereignis bzgl. Indikatoren und indirekten Schäden Case-Based Reasoning Abschätzung der Schäden Ab Mitte 2013/ Szenarioentwicklung und Schnittstelle zu CBR und Vulnerabilitätsanalyse müssen entwickelt werden

11 CEDIM-Projekte: Crowdsourcing/Social Sensors Verantwortlich: Doris Dransch/Joachim Fohringer, Sektion 1.5 Geoinformatik, GFZ Christian Lucas, Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung, KIT Zeitlicher Ablauf Wann? Grundlagendaten / Input (Quelle) Schnittstelle zu anderen CEDIM Projekten Analysen / Bewertungen Ergebnis (Input für andere CEDIM Projekte?) Ab wann möglich / Vorbereitung, Entwicklungsbedarf Einschränkungen / sonst. Bemerkungen Ab ca. 7. Januar 2011 (sobald Social Media-Nutzer Nachrichten über ein Ereignis austauschen) Twitter, evtl. weitere Social Networks Hochwasser, Erdbeben Selektion ereignisrelevanter Nachhrichten. Erste grobe Lokalisierung sowie räumliche Ausmasse des Ereignisses, Bestimmung der Nachrichtenfrequenz (z.b. als Indikator für Stärke des Ereignisses) Sammlung von gefilterten Nachrichten, die potentiell Informationen zu einem bestimmten Ereignis enthalten Ab 1. Quartal 2012, Entwicklung eines Algorithmus zur Datensammlung, Entwicklung eines browserbasierten Prototyp zur Unterstützung der Lokalisierung des Meldungsbezuges Menge der Daten hängt ist abhängig vom Ereignis, großräumige Ereignisse sind vermutlich zur Informationsgewinnung besser geeignet, Prototyp wird zunächst auf OSM- Daten arbeiten und sich auf den urbanen Raum beschränken Ab ca. 10. Januar 2011, ggf. früher Twitter, ggf. weitere Datenquellen, bei hinreichender Größe des Ereignisses wird vermutlich ein CrowdMap- Service (ushahidi) Hochwasser, Erdbeben Klassifikation von relevanten Nachrichten, Genauere Lokalisierung, Plausibilitätsprüfungen, Vergleich mit anderen Datenerste (vorläufige) Parameter für Schadenschätzung (z.b. durch Social-Media- Nutzer erfasste Wassertiefen, Beben- Intensität) Ab Mitte/Ende 2012, Identifikation der für Schadenmodelle relevante Parameter. Entwicklung Parameterextraktionsmethoden aus Nachrich- Ab Mitte/Ende2012, Erweiterung des Prototyp um die Möglichkeit der Verarbeitung globaler Referenzeirungen Ab 2013, Berück-

12 aufgesetzt quellen ten, Identifikation von verfügbaren Datenquellen zur Ergänzung der extrahierten Daten, Entwicklung von Datenintegrationsmethoden, Erweiterung des Funktionsumfanges des Prototypen sichtigung zusätzlicher Information, bspw. aus Googel, um den raumbezogenen Informationsgehalt von OSM anzureichern und globale Lokalisierung zu ermöglichen, Multilingualität Februar/März 2011 (nach dem Ereignis, wenn keine oder nur noch irrelevante Nachrichten ausgetauscht werden) Twitter, ggf. weitere Datenquellen Hochwasser, Erdbeben Auswertung des zeitlichen Verlaufs der Informationsextraktion (ab wann war welche Information in welcher Qualität verfügbar) Parameter für Schadenmodelle (z.b. FLEMO-Modelle, Erdbeben- Intensitätsdaten basierend auf EMS-98) 2013