Projekt 2 - Atmosphärische Rahmenbedingungen von extremen Hochwasserereignissen

Bodo Ahrens, Cristina Primo Ramos und Amelie Krug
Institut für Atmosphäre und Umwelt, Goethe Universität Frankfurt, Frankfurt am Main

Die meteorologische Ursache für extreme Hochwasserereignisse sind außergewöhnlich starke Niederschlagsmengen. Die Prozesse, die zu Starkniederschlagsereignissen führen, werden durch das vorangehende und aktuelle Wettergeschehen beeinflusst. Niederschlag wird dabei, z.B. von durchziehenden Fronten, lokaler Konvektion oder orographischer Hebung verstärkt. Darüber hinaus verändert die Variabilität des Klimas die Häufigkeit von verschiedenen Großwetterlagen und Tiefdruckzugbahnen. Die Voraussetzungen für extreme Hochwasserereignisse werden daher sowohl durch lokale als auch großskalige Prozesse im aktuellen Wettergeschehen und Klimasystem beeinflusst. Daher wird bei der Analyse der atmosphärischen Rahmenbedingungen eine Vielzahl an Prozessen auf verschiedenen Skalen betrachtet. Das Ziel des SPATE-Projektes ist ein verbessertes Verständnis der Prozesse, die zu einem extremen Hochwasser führen. Dieses Teilprojekt betrachtet dabei folgende Aspekte: die Großwetterlagen, sowie kleinskalige Prozesse im Kilometerbereich, die extremes Hochwasser begünstigen, und die zeitliche Variabilität dieser Prozesse.

1) Großwetterlagen, die zu extremem Hochwasser führen:

typische Großwetterlagen und Tiefdruckgebietzugbahnen, sowie der großräumige Wasserdampftransport werden v.a. im Hinblick auf sich überlagernde Ereignisse untersucht. Diese sind z.B. der Durchzug einer Vb-Zyklone bei bereits vorangegangenem Niederschlag oder starker Niederschlag zum Zeitpunkt der Schneeschmelze. Die statistische Charakterisierung solcher Faktoren wird mithilfe eines hochaufgelösten neuen Datensatzes, welcher die vergangenen 100 Jahre umfasst, durchgeführt.

2) Kleinskalige Prozesse, die den Niederschlag und seinen Einfluss auf Hochwasser verstärken

Dazu wird die Veränderung von Luftmassen und Fronten auf dem Weg zur Region des Hochwassers betrachtet. Ein Fokus liegt dabei auf dem Einfluss der lokalen Orographie und Bodenbeschaffenheit (wie z.B. Bodenfeuchte) auf die Verstärkung von Niederschlag. Die jeweilige Bedeutung von frontalem und konvektivem bzw. orographischem Niederschlag wird mithilfe von konvektionserlaubender Klimamodellierung untersucht. Dabei werden u. a. einzelne Simulationen zur Vertiefung des Prozessverständnisses wiederholt, wobei relevante Faktoren für extreme Ereignisse gezielt verstärkt werden.


Abb. 1: Extreme Hochwasserereignisse werden durch verschiedene Prozesse auf synoptischer (links) und regionaler Skala (rechts) beeinflusst.
Photographie von Nora Leps.

3) Die zeitliche Variabilität:

Hier liegt das Augenmerk auf dem Verständnis und der Quantifizierung, wie und warum sich meteorologische Voraussetzungen für extreme Hochwasserereignisse in der Vergangenheit verändert haben. Hierfür werden längerperiodische Schwankungen in der Atmosphäre untersucht, wie z.B. die Nordatlantische Oszillation (NOA) oder die jährliche Mode der Nordhemisphäre (NAM) und deren Einfluss auf Großwetterlagen, die Hochwasserereignisse begünstigen. Des Weiteren sollen relevante Niederschlagsprozesse, die zu extremem Hochwasser führen, unter zukünftigen klimatischen Bedingungen simuliert werden und ihre Vorhersagbarkeit evaluiert werden.

Um eine robuste statistische Analyse durchführen zu können, wird eine lange und hochaufgelöste Zeitreihe des Zustandes der Atmosphäre benötigt. Dazu werden zum einen verschiedene Niederschlagsdaten der letzten Jahrzehnte über Deutschland und Österreich zu einem konsistenten und hochaufgelösten Datensatz kombiniert. Zum anderen werden für die vergangenen 100 Jahre meteorologische Reanalysedaten mithilfe eines gekoppelten Atmosphären-Ozean-Modells auf eine Auflösung von rund 12 km regionalisiert. Um die zeitliche Variabilität zu analysieren, wird aus diesen Daten eine Zeitreihe mit Extremwertindices zur Verfügung gestellt.


Abb. 2: Schematische Darstellung des gekoppelten Atmosphären-Ozean Modells.