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: Gabriele.Malitz@dwd.de

Tel.: +49 (0) 030 / 940094 25

Fax: +49 (0) 030 / 940094 66

Vielen Dank

Foto: Jens Koch