Energiewende in Thüringen Landesarbeitskreis Klima & Energiewende des BUND Thüringen
Bemessungsniederschläge in Thüringen - thueringen.de · Bemessungsniederschläge in Thüringen...
Transcript of Bemessungsniederschläge in Thüringen - thueringen.de · Bemessungsniederschläge in Thüringen...
Bemessungsniederschläge in Thüringen Dr. Gabriele Malitz, Abt. Hydrometeorologie, Außenstelle Berlin-Buch
„Das atmosphärische Konvektionspotential über Thüringen“, 03.06. 2014 in Jena
Übersicht
Einleitung
Beispiel für Starkregen
Definitionen für Starkregen
Begriffe bzgl. Bemessungsregen (Starkregen nach DIN 4049)
Bemessungsniederschlag laut KOSTRA-DWD-…
KOSTRA-DWD-2010 (Blicke in die Werkstatt)
Zusammenfassung
06/2014 2
Abteilung Hydrometeorologie (KU 4)
Referat KU 41
Auswertungen, Beratungen und wissenschaftlicher
Fachdienst
Komplexe hydro-meteorologische Bilanzen
(Berlin-Buch)
Referat KU 42
Niederschlags-überwachung
Weltzentrum für Niederschlagsklimatologie
06/2014 3
Prozess Hydrometeorologie
06/2014 4
Hydrometeorologische Bilanz
Bemessungsniederschläge
Extremwerte von Niederschlag und Niederschlagsdargebot
Klimamonitoring und Klimaprojekte (von deutschland- bis weltweit)
mit Schwerpunkt Niederschlag
Radarniederschlagsanalyse Radarniederschlagsvorhersage
Radarklimatologie
Ergebnisse der Modelle zur Wettervorhersage und zur Schneeschmelzvorhersage
Wasserwirtschaftliche Praxis
06/2014 5
Mittlerer Jahresniederschlag1981/2010 [mm]
430 - 500
501 - 600
601 - 700
701 - 800
801 - 900
901 - 1000
1001 - 1100
1101 - 1200
1201 - 1300
1301 - 1419
Großräumiger Starkregen
(23. bis 29. Mai 2014)
Anwendungsbeispiel REGNIE
Niederschlagshöhe in 1/10 mm
verbreitet mehr als 60 mm in
sieben Tagen
06/2014 6
Beispiele für starke konvektive Niederschläge
Gera-Leumnitz am 22.07.1992
D = 5 min 14 mm
D = 15 min 29 mm
D = 2 Stunden 75 mm
D = 24 Stunden 102 mm
Leinefelde am 28.07.2006
D = 15 min 31 mm
D = 60 min 50 mm
Kaltennordheim am 14.07.1997
D = 10 min 16 mm
D = 30 min 32 mm
Sonneberg-N. am 29.07.2005
D = 5 min 14 mm
D = 15 min 27 mm
Erfurt-Bindersleben am 21.08.1996
D = 20 min 25 mm
D = 90 min 36 mm
06/2014 7
Niederschlag am
28.07.2006
Boden + Radar
6 Stunden (14 bis 20 Uhr MESZ)
06/2014 8
Starkregen (adressatenorientierte Definitionen)
06/2014 9
Beispiel Uni-Projekt:
Anzahl von Stunden mit
mindestens 10 l/m²
Warnkriterien des DWD vor
heftigem Starkregen:
> 25 l/m² in 1 Stunde
> 35 l/m² in 6 Stunden
Definition nach DIN 4049:
Auftreten zweimal pro Jahr
oder seltener
(von Schauer über
Landregen bis Dauerregen)
Ausgewählte Begriffe zum Thema Niederschlag nach DIN 4049-3
Bemessungsniederschlag [mm] (engl. design depth of precipitation): Niederschlagshöhe eines bestimmten Niederschlagsereignisses, das der wasserwirtschaftlichen und baulichen Planung zugrunde gelegt wird
Schauer (engl. shower): Kurz andauerndes Niederschlagsereignis (bis max. 45 Minuten) mit meist hoher, manchmal schnell wechselnder Niederschlags-intensität und eng begrenztem Niederschlagsfeld (kleiner als etwa 10 km²). ANMERKUNG: Durch starke vertikale Luftbewegung (Konvektion) entstanden und daher auch als konvektiver Niederschlag bezeichnet
Dauerniederschlag (engl. persistent precipitation): Lang andauerndes Niederschlagsereignis (mehr als etwa sechs Stunden) mit geringer, sich meist wenig ändernder Niederschlagsintensität und ausgedehntem Niederschlags-feld (größer als etwa 1000 km²). ANMERKUNG: Durch überwiegend horizontale Luftbewegung (Advektion) entstanden und daher auch als advektiver Niederschlag bezeichnet; Dauernieder-
schlag in flüssiger Form: Landregen, Dauerregen
Starkregen (engl. storm rainfall): Regen, der im Verhältnis zu seiner Dauer eine hohe Niederschlagsintensität hat und daher selten auftritt (zweimal jährlich oder seltener)
10 06/2014
Niederschlagsdauer ● Dauerstufe
06/2014 11
Niederschlagsdauer:
Zeitspanne zwischen Niederschlagsbeginn
und Niederschlagsende des natürlichen
Niederschlagsereignisses
Dauerstufe D:
ausgewählter Zeitabschnitt mit
Niederschlag (einschließlich
Unterbrechungen), unabhängig von
Beginn und Ende des natürlichen
Niederschlagsereignisses
Überschreitungshäufigkeit ● Wiederkehrintervall ● Quantil
06/2014 12
Überschreitungshäufigkeit als realer Ausdruck für die Überschreitungswahrscheinlichkeit
n = 0,01 a-1
Wiederkehrintervall oder Wiederkehrzeit (Jährlichkeit): mittlere Zeitspanne, in
der ein Ereignis einen Wert einmal erreicht oder überschreitet
T = 1/n = 100 a
Ein Quantil definiert einen bestimmten Teil einer Datenmenge und legt fest,
wie viele Werte einer Verteilung über (oder unter) einer bestimmten Grenze liegen. (Beispiel: Der 99-Perzentil-Wert sagt aus, dass höchstens 1 % der Messwerte über dem Schwellenwert liegen dürfen.)
q = 1 – n = 0,99
06/2014
13
Abb.: Schematische Darstellung des
Niederschlagsverlaufs mit
Niederschlagsereignissen
unterschiedlicher Nieder-
schlagsdauer (lt. DIN 4049-3)
Niederschlagsereignis (engl. precipitation
event): Niederschlagsgeschehen, dessen
Niederschlagsdauer, Niederschlagsverlauf
und räumliche Verteilung an der Erdober-
fläche natürlich gegeben oder je nach
Fragestellung hieraus festzulegen sind.
ANMERKUNG: Das Niederschlagsgeschehen
kann sich sowohl auf einen Standort als auch auf
ein wanderndes Niederschlagsfeld beziehen.
Niederschlagsspende rN [l/s km²] (engl.
precipitation yield): Quotient aus dem
Volumen des in einer bestimmten
Zeitspanne auf eine bestimmte Fläche
gefallenen Niederschlags und dem Produkt
aus dieser Zeitspanne und dieser Fläche.
rN in l/(sha)
06/2014 14
Abbildung: Prinzipdarstellung für Niederschlagsereignis und zugehöriges Häufigkeitsprofil (laut Bild 2.19 aus Heft 18 (1999) der Schriftenreihe „Stadtentwässerung und Gewässerschutz“.
Dr.-Ing. habil. H.-R. Verworn: „Die Anwendung von Kanalnetzmodellen in der Stadthydrologie“)
Niederschlagsereignis
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0 30 60 90 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240
Zeit [min]
Niederschlagshöhe [mm pro 5 min]
Häufigkeitsprofil
0
5
10
15
20
25
30
0 60 120 180 240 300 360 420 480
Dauer [min]
0
10
20
30
40
50
60
___ Wiederkehrzeit
----- max. N-Höhe
Wiederkehrzeit [a] max. N - Höhe [mm]
Bemessungsniederschlag laut KOSTRA-DWD
Die Teile der KOSTRA-DWD-Untersuchungen
KOSTRA = Koordinierte Starkniederschlags-Regionalisierung
Analysestarts in den Jahren 1987, 1990, 2000 und 2010:
- KOSTRA 87 (Tabellen- und Kartenwerk)
- KOSTRA 90 und KOSTRA NE (KOSTRA-Atlas)
- KOSTRA 2000 (KOSTRA-DWD-2000)
- KOSTRA 2010 (KOSTRA-DWD-2010) ← in Bearbeitung
06/2014 15
06/2014 16
0
5
10
15
20
25
1951 1956 1961 1966 1971 1976 1981 1986 1991 1996 2001 2006
Jahr
Nie
ders
ch
lag
sh
öh
e i
n m
m
Abb.: 15-min-Werte der Niederschlagshöhe ≥ 10 mm, Station Potsdam, Mai bis Sep., 1951 bis 2010
17
Prinzip
Jährliche Serie von 24-Stundenwerten der Niederschlagshöhe hN
Station Musterstadt, Zeitraum 1951 bis 2000 (M = 50 Jahre)
T = 1a T = 20a T = 100aT = 50aT = 10aT = 5aT = 2a
0
20
40
60
80
100
120
140
160
-2 -1 0 1 2 3 4 5 6
ln T
hN [
mm
]
Vorabschätzungen der Jährlichkeit T: T(k) = exp (-ln (ln ((M + 0,2) / (M - k + 0,6))))
18
Prinzip
Jährliche Serie von 24-Stundenwerten der Niederschlagshöhe hN
Station Musterstadt, Zeitraum 1951 bis 2000 (M = 50 Jahre)
T = 2a T = 5a T = 10a T = 50a T = 100aT = 20a T = 1a
0
20
40
60
80
100
120
140
160
-2 -1 0 1 2 3 4 5 6
ln T
hN [
mm
]
Vorabschätzungen der Jährlichkeit T: T(k) = exp (-ln (ln ((M + 0,2) / (M - k + 0,6))))
hN = u + w ln T
U = 39
W = 22
06/2014
KOSTRA-DWD-2000 (1951 bis 2000)
Dauerstufe D = 60 min
Wiederkehrzeit T = 10 a
Blautöne: 30 bis 38 mm
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
0 0
5 5
10 10
15 15
20 20
25 25
30 30
35 35
40 40
45 45
50 50
55 55
60 60
65 65
70 70
75 75
80 80
85 85
90 90
95 95
100 100
105 105
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
© 2005 DWD, Abteilung Hydrometeorologie
Starkniederschlagshöhen
(KOSTRA-DWD-2000)
Z = Mai bis September
Z = Januar bis Dezember
D = 60 min
T = 10 a
Angaben in mm
< 22
22 bis < 24
24 bis < 26
26 bis < 30
30 bis < 34
34 bis < 38
38 bis < 42
42 bis < 46
46 bis < 50
50 und mehr
19 06/2014
20
KOSTRA-DWD-2000 (1951 bis 2000)
Dauerstufe D = 48 h
Wiederkehrzeit T = 100 a
Blautöne: 130 bis 150 mm
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
0 0
5 5
10 10
15 15
20 20
25 25
30 30
35 35
40 40
45 45
50 50
55 55
60 60
65 65
70 70
75 75
80 80
85 85
90 90
95 95
100 100
105 105
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
© 2005 DWD, Abteilung Hydrometeorologie
Starkniederschlagshöhen
(KOSTRA-DWD-2000)
Z = Januar bis Dezember
D = 48 h
T = 100 a
Angaben in mm
< 70
70 bis < 90
90 bis < 110
110 bis < 130
130 bis < 150
150 bis < 180
180 bis < 210
210 bis < 250
250 bis < 290
290 und mehr
06/2014
KOSTRA-D
Statistische Starkniederschlagshöhen für Deutschland
06/2014 21
Bemessung von
Entwässerungsanlagen
für Gebäude und
Grundstücke
DIN 1986-100:2008-05
Planung, Bau und Betrieb
von Anlagen zur
Versickerung von
Niederschlagswasser
DWA- A 138
Bemessung von
Regenrückhaltebecken
DWA- A 117
Bewertung von Über-
schwemmungen infolge
extremer Niederschläge
unterschiedlicher Dauer
(von Schauer bis Dauerregen)
Tabelle: Starkniederschlagshöhen hN (in mm) laut KOSTRA-DWD-2000 in Abhängigkeit von Dauerstufe D
und Wiederkehrzeit T ( bzw. der Überschreitungshäufigkeit n (in 1/a)) für einen Beispielstandort
T = 1 a T = 2 a T = 5 a T = 20 a T = 100 a
D = 5 min 5,2 mm 6,6 mm 8,5 mm 11,4 mm 14,7 mm
D = 15 min 10,0 mm 12,4 mm 15,6 mm 20,4 mm 26,0 mm
D = 60 min 15,3 mm 19,9 mm 26,0 mm 35,3 mm 46,0 mm
D = 12 h 31,0 mm 41,0 mm 54,2 mm 74,2 mm 97,4 mm
D = 24 h 36,7 mm 47,5 mm 61,8 mm 83,5 mm 108,6 mm
D = 72 h 47,3 mm 59,7 mm 76,2 mm 101,1 mm 130,0 mm
Toleranzbereich von T = 0,5 a bis einschließlich T = 5 a: - 10 % . . . + 10 %
Toleranzbereich über T = 5 a bis einschließlich T = 50 a: - 15 % . . . + 15 %
Toleranzbereich über T = 50 a bis einschließlich T = 100 a: - 20 % . . . + 20 %
Maximierte Gebietsniederschlagshöhen (MGN-Werte)
06/2014 22
hN,maxx = hN,extrem · (Wmax/Wextrem)
hN,extrem ist die bei einem extremen Starkniederschlagsereignis gemessene
Niederschlagshöhe.
(Wmax/Wextrem) ist der Maximierungsfaktor.
Wmax ist der theoretisch größte Wasserdampfgehalt der Atmosphäre (in
Abhängigkeit von dem Gebiet und der Jahreszeit).
Wextrem ist der Wassergehalt, der über dem Untersuchungsgebiet während
eines beobachteten extremen Starkniederschlagsereignisses gewisser Dauer
vorhanden ist.
hN,maxx ist die maximierte Niederschlagshöhe.
Die Vielzahl der hN,maxx-Werte wurde regionalisiert, d. h. auf die Fläche Deutschlands
übertragen, und in Karten der maximierten Gebietsniederschlagshöhen MGN dargestellt.
Maximierte
Gebietsniederschlagshöhen
MGN-Karte
D = 24 h
Gebietsgrößenstufe: 25 km²
für 25 km² gilt: MGN = MPN
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Östliche Länge (Grad)
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
Nö
rdlic
he
Bre
ite
(G
rad
)
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
75 mm
100 mm
125 mm
150 mm
175 mm
200 mm
225 mm
250 mm
275 mm
300 mm
350 mm
400 mm
450 mm
500 mm
550 mm
600 mm
700 mm
800 mm
900 mm
1000 mm
1100 mm
1200 mm
1300 mm
1400 mm
1500 mm
Regionalisierte maximierte GebietsniederschlagshöheDauerstufe D = 24 h, Gebietsgrößenstufe G = 25 km²
06/2014 23
06/2014
Automatische Niederschlagsmesser
Stationen (des DWD und der Bundesländer)
mit Reihen hoch aufgelöster Niederschläge
24
06/2014
Automatische Niederschlagsmesser
Rund die Hälfte dieser Reihen hoch aufgelöster
Niederschläge (an Stationen des DWD und der
Bundesländer) hat eine Länge von 10 Jahren.
25
06/2014 26
D = 15 min
D = 15 min
0
5
10
15
20
25
51-80 56-85 61-90 66-95 71-00 76-05 81-10
30-jährige Auswerteintervalle
Sta
rkn
ied
ers
ch
lag
sh
öh
en
[m
m]
T=1a (30-jährig) T=1a (1951-1980)
T=100a (30-jährig) T=100a (1951-1980)
Abb.: Gleitende Auswertungen, Station Potsdam (1951 bis 2010), Dauerstufe D = 15 min, Wiederkehrzeiten T = 1 a, T = 100 a
06/2014 27
Starkniederschlagshöhen
D = 15 min, T = 100 a
1951-1980 vs. 1981-2010
Abnahme
Leichte Zunahme
Zunahme (> 20 %)
Vergleich von Ergebnissen: 1951 bis 1980 (alt) vs. 1951 bis 2010 (neu)
Punktuelle Starkniederschlagshöhen (in mm) an der Station Erfurt
für verschiedene (kleine) Dauerstufen D und Wiederkehrintervalle T
T = 1a
alt
T = 1a
neu
T = 5a
alt
T = 5a
neu
T = 20a
alt
T = 20a
neu
T = 100a
alt
T = 100a
neu
5 min 6,1 5,8 8,2 8,5 10,1 10,8 12,2 13,5
15 min 8,6 9,7 12,6 15,7 16,0 20,9 20,0 26,9
30 min 10,7 12,2 16,6 20,2 21,7 27,2 27,5 35,3
60 min 13,4 14,6 22,0 24,8 29,5 33,6 38,1 43,7
120 min 15,8 18,0 25,2 29,5 33,4 39,4 42,8 50,8
06/2014 28
KOSTRA-DWD-2010 (Blick 1 in die Werkstatt)
KOSTRA-DEKA (anderer
methodischer Ansatz)
Datenbasis: Stundenwerte der
Niederschlagshöhe im Zeitraum
2001 bis 2010
Blaue Farbtöne: ab 38 mm/h
Räumliche Verteilung des zehn-
jährlichen Starkniederschlags
der Dauerstufe D = 60 min
06/2014 29
hN10 [mm]
[20,22](22,24](24,26]
(26,28](28,30](30,32]
(32,34](34,36](36,38]
(38,40](40,42](42,44]
(44,46](46,48]
ROI_J_LM, GUM (Gesamtjahr)
KOSTRA-DWD-2010 (Blick 2 in die Werkstatt)
06/2014 30
REGNIE-extrem für 1951 bis 2000
D = 48 h und T = 10 a
REGNIE-extrem für 1951 bis 2010
D = 48 h und T = 10 a
Herausforderung Klimawandel
Messreihen pflegen und analysieren
Zusatzinformationen berücksichtigen
(zeitlich, räumlich, kausal)
Ergebnisse von Klimamodellen nutzen
Bemessungsniederschläge aktualisieren
Regionale Veränderungen
berücksichtigen
- mehr Niederschlag pro Zeiteinheit?
- öfter Niederschlag pro Zeiteinheit?
Informiertheitsgrad erhöhen
Risikobewusstsein schärfen
Vorsorgemaßnahmen ergreifen
Objektschutz betreiben
Jährliche Serie von 24-Stundenwerten der Niederschlagshöhe hN
Station Musterstadt, Zeitraum 1951 bis 2000 (M = 50 Jahre)
T = 2a T = 5a T = 10a T = 50a T = 100aT = 20a T = 1a
0
20
40
60
80
100
120
140
160
-2 -1 0 1 2 3 4 5 6
ln T
hN [
mm
]
Vorabschätzungen der Jährlichkeit T: T(k) = exp (-ln (ln ((M + 0,2) / (M - k + 0,6))))
Jährliche Serie von 24-Stundenwerten der Niederschlagshöhe hN
Station Musterstadt, Zeitraum 1951 bis 2000 (M = 50 Jahre)
T = 2a T = 5a T = 10a T = 50a T = 100aT = 20a T = 1a
0
20
40
60
80
100
120
140
160
-2 -1 0 1 2 3 4 5 6
ln T
hN [
mm
]
Vorabschätzungen der Jährlichkeit T: T(k) = exp (-ln (ln ((M + 0,2) / (M - k + 0,6))))
31 06/2014
Fazit
Bei Diskussionen über Stark- und Extremniederschläge muss Konsens
bezüglich wesentlicher Aspekte bestehen:
1. Niederschlagsdauer bzw. mindestens Dauerstufe
2. Punktwerte oder Gebietswerte der Niederschlagshöhe
3. Verwendete Definition von „stark“ und „extrem“
Es gibt Gebiete in Deutschland, in denen seltene Starkniederschlags-
ereignisse (dauerstufenabhängig!) seit einigen Jahren zugenommen haben.
Ein vollständiger Überblick wird demnächst vorliegen.
Alle Arten der Informationserweiterung – über die Möglichkeiten der
Extremwertstatistik hinaus – sind zu nutzen.
Ergebnisse extremwertklimatologischer Untersuchungen müssen
interdisziplinär kommuniziert werden.
06/2014 32
33
Kontakt:
Dr. Gabriele Malitz
Abteilung Hydrometeorologie
Außenstelle Berlin
Lindenberger Weg 24
13125 Berlin-Buch
E-Mail: [email protected]
Tel.: +49 (0) 030 / 940094 25
Fax: +49 (0) 030 / 940094 66
Vielen Dank
Foto: Jens Koch