Extreme Hochwasserereignisse wie z.B. das Elbehochwasser 2002, die den Bemessungsfall technischer Schutzmaßnahmen überschreiten, bergen hohe Gefahrenpotenziale für Menschen und Sachwerte, wenn zum Beispiel aufgrund lang anhaltender hoher Wasserstände ein Versagen von Deichen und damit eine unkontrollierte Überflutung bebauter Gebiete droht. Solche Gefahrensituationen müssen durch Vorhersagesysteme möglichst frühzeitig erkannt und durch vorab erprobte Maßnahmen des operationellen Hochwassermanagements sowie durch den situationsorientierten Einsatz des Katastrophenschutzes bewältigt werden.

Elbehochwasser 2002 bei Elster. Foto:M. Zebisch, TU Berlin in: Klimastatusbericht 2002 des DWD.

Die angemessene Reaktion auf Extremereignisse stellt in großen Flussgebieten ein komplexes Problem dar. So ergeben sich an Flüssen wie Rhein und Elbe besondere Herausforderungen z.B. aus der Frage der Überlagerung der Hochwasserwellen von Haupt- und Nebengewässern, der räumlichen Verteilung der Zuständigkeiten, der Vielfalt der Informationen und betroffenen Akteure, der langen Planungshorizonte und hohen Kosten für Deichbaumaßnahmen etc. An dieser Stelle setzt das hier vorgestellte Projekt an, dessen Gesamtziel die durchgängige Quantifizierung von Extremereignissen und die Bereitstellung von operationell einsetzbaren Komponenten für das Katastrophenmanagement ist. Dies soll über die Integration und Weiterentwicklung bereits bestehender Komponenten für die einzelnen Prozesskomplexe von der Großwetterlage bis zum Überflutungsrisiko umgesetzt werden. Beispielhaft soll dies auf die Situation entlang der eingedeichten Mittleren Elbe bis einschließlich Muldemündung (Raum Dessau) zugeschnitten werden. Die Beurteilung der Überflutungsgefahren im Bereich der Mittleren Elbe bei drohendem Versagen von Deichen wird zunächst anhand von Extremereignissen (Niederschlag, Abfluss) der Vergangenheit erprobt. Dabei wird schrittweise von der räumlichen Skala der Niederschlagsbelastung in großen Teileinzugsgebieten der Elbe (siehe Beschreibung Teilprojekt TP1 des IMK-TRO weiter unten) auf die Skala der lokalen Überflutungsgefahren am Fluss bzw. im Deichhinterland übergegangen. Entsprechend der „Wirkungskette Hochwasser“ gliedert sich das Vorhaben in die Aufgabenkomplexe

• Niederschlag/Meteorologie im Einzugsgebiet (Beitrag IMK-TRO)
• Hydrologie im Einzugsgebiet und Flusssystem
• Hydraulik im Flussabschnitt 
• Deichsicherheit im Flussabschnitt
• Gefährdung und Schadenpotenzial hinter Deichen

welche in Anbetracht der komplexen Zielsetzung eng vernetzt sind.

Im Folgenden wird das „meteorologische“ Teilprojekt TP1: "Hoch aufgelöste Simulationen extremer Niederschläge für das Hochwassermanagement"  näher vorgestellt.

Weitere Details zum Gesamtprojekt und zu den anderen Teilprojekten finden Sie hier.

"Hoch aufgelöste Simulationen extremer Niederschläge für das Hochwassermanagement”

 

Bearbeitung
Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Universität/Forschungszentrum Karlsruhe

Zielsetzung
In der ersten Phase sollen im Untersuchungsgebiet räumlich und zeitlich hoch aufgelöste, mit einer genesteten Version des COSMO-LM des Deutschen Wetterdienstes (DWD) simulierte Niederschlagsdaten in ausgewählten Extremsituationen bereitgestellt werden, die von den anderen Teilprojekten zur Abflussmodellierung und für Folgeuntersuchungen (Retention, Deichsicherheit) verwendet werden können. Die räumliche Auflösung liegt im einstelligen Kilometerbereich. Ausgehend von den gesammelten Erfahrungen soll in einer zweiten Phase mit Hilfe von Modellrechnungen die Streubreite der Intensität von Extremereignissen untersucht werden. Neben der Abschätzung der Variabilität von Extremereignissen können diese Arbeiten auch der Verbesserung der wasserbaulichen Bemessungsgrundlagen dienen.

 

 

 

 

Im August 2002 („Elbehochwasser“) gemessene
Niederschlagsmengen (mm/Monat).
Quelle: Klimastatusbericht 2002 des DWD.

 

 

 

Methoden

 

Die Extremhochwasserereignisse werden nach vier Haupttypen klassifiziert, die sich nach auslösender Wetterlage unterscheiden. Die fett markierten Ereignisse bilden den Einstieg in die Frage der Modellvalidierung und Modellkopplung.

 

 

 

 

 

Das Modellgebiet entspricht dem Einzugsgebiet der Mittleren Elbe und wird durch ein 28 km Gitter abgedeckt, in das weitere Modellgitter mit Gitterweiten von 7 km und 2.8 km genestet sind.

 

 

 

 

Hoch aufgelöste Niederschläge werden für das Einzugsgebiet der Mittleren Elbe
mit dem COSMO-LM des Deutschen Wetterdienstes simuliert. (Karte: IKSE, verändert)

 

 

 

Es sind folgende Arbeitspakete geplant:

 

• Berechnung von hoch aufgelösten Niederschlagsverteilungen, Modellvalidierung und – entsprechend der „Wirkungskette Hochwasser“ – Bereitstellung der Niederschlagsdaten zur Entwicklung und Erprobung von Maßnahmen im vorbeugenden Hochwasserschutz innerhalb des Gesamtprojekts
• Erstellung eines prä-operationellen Systems zur hoch aufgelösten Niederschlagsvorhersage
• Entwicklung und Anwendung einer Methodik zur modellgestützten Abschätzung der Streubreite der Intensität von Extremniederschlägen

 

 

Bisherige Ergebnisse

 

Extremniederschläge wurden für die Zeiträume 2002, 2003, 2006 und 1980 mit verschiedenen Modellkonfigurationen und unterschiedlichen Anfangs- und Randdaten berechnet. Als Antriebsdaten standen GME- und ECMWF-Analysedaten sowie ERA-40 Reanalysen zur Verfügung. Dabei ergab sich, dass die Standardkonfigurationen der operationellen COSMO-Simulationen auch bei Extremereignissen zu guten Ergebnissen geführt haben.

 

 

 

Virtuelle Verschiebungen

 

Neben der Simulation eines Referenzlaufes wurden die Wetterlagen in die vier Himmelsrichtungen gegen die Orografie im 28 km Gitter um eine und um zwei Gitterboxen verschoben. Dies entspricht einer Verschiebung um 28 und um 56 km, die zudem innerhalb der Unsicherheit der Antriebsdaten liegt.

 

 

 

 

Die simulierten Niederschläge geben die Messungen sehr gut wieder,
wobei das Maximum am 12.08.2002 leicht unterschätzt wird.
Die Verschiebungen der Wetterlagen ergeben eine gewisse Streubreite der Niederschläge,
die für hydrologische Szenarienrechnungen verwendet werden.

 

 

 

Manipulation der Anfangs- und Randdaten

 

Die Temperatur- und Feuchtegrößen wurden variiert, um eine feuchtere und wärmere Atmosphäre zu simulieren. Dabei wurde die Temperatur jeweils um 1 und 2 K und die spezifische Feuchte jeweils um 10% und 20% erhöht. Die simulierten Niederschläge reagieren sehr sensitiv auf die Manipulation der Anfangs- und Randdaten, insbesondere zeigen sich unerwünschte Randeffekte, die noch zu eliminieren sind.

 

 

 

Kooperationen

 

• Institut für Wasserwirtschaft und Kulturtechnik, Universität Karlsruhe
• Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik, Universität Karlsruhe
• Deutscher Wetterdienst, Offenbach
• Czech Hydrometeorological Institute, Prag                           
• Landesbetrieb für Hochwasserschutz und Wasserwirtschaft Sachsen-Anhalt
• Landesamt für Umwelt und Geologie des Freistaats Sachsen
• Stadt Dessau