Konvektive Niederschläge im urbanen Raum

In den meisten Regionen Deutschlands hat die Häufigkeit und Intensität extremer Niederschlagsereignisse in den vergangenen Jahren zugenommen. Insbesondere in urbanen Regionen kann es dabei zu starken Beeinträchtigungen an Infrastrukturen wie Klärwerken und einer Überlastung von Kanalisationen kommen. Dies führt zu einer signifikanten Zunahme an Überschwemmungen und damit verbunden zu mehr Schäden an Gebäuden und Infrastrukturen und massiven Verschmutzungen von Frischwasser. Da zukünftig mit einer weiteren Zunahme solcher Extreme zu rechnen ist, müssen geeignete Anpassungsstrategien entwickelt werden. Im Teilprojekt „Urbane Sturzfluten und Kläranlagen” im Rahmen der Helmholtz-Klimainitiative „Anpassung und Vermeidung" (HI-CAM) wird die gesamte Prozesskette von extremen Niederschlag-Szenarien, dem seriellen Auftreten konvektiver Starkniederschlagsereignisse und Überschwemmungen bis hin zu den daraus resultierenden Schäden an Infrastrukturen und den Folgen für die Wasserqualität untersucht.

Studien belegen, dass häufig auftretender konvektiver Niederschlag (≤ 90 % Perzentil) in Deutschland deutlich von der Topografie geprägt wird (z.B. Abt, 2018). In den Alpen und Mittelgebirgen sind die Niederschlagssummen deutlich höher als beispielsweise in Küstenregionen (Abb. 1). Im Gegensatz dazu sind seltene bzw. extreme konvektive Niederschläge in Deutschland nahezu gleichverteilt. Aus diesem Grund werden die Analysen zunächst für die Beispielregion Dresden durchgeführt. Ziel ist es, die dort erlangten Kenntnisse im Anschluss auf ganz Deutschland zu übertragen. Für das gegenwärtige Klima (2001 – 2019) wird auf Basis der RADOLAN-Daten des Deutschen Wetterdienstes (DWD) die Häufigkeit und Intensität konvektiver Ereignisse statistisch untersucht. Zur Abschätzung möglicher Änderungen konvektiver Niederschlagssummen unter künftigen Klimabedingungen wird ein Ensemble von 88 hochaufgelösten regionalen Klimamodellen mit verschiedenen Szenarien (1,5 °C, 2 °C, 3 °C) analysiert. Als Bezugszeitraum wird der Zeitraum von 1971 bis 2001 gewählt.

Abb. 1: 90 % (links) und 99,5 % Perzentil der Niederschlagssumme (≥ 0.1 mm/h) basierend auf RADOLAN-Daten des Deutschen Wetterdienstes (2001 – 2018; Abt, 2018).

1. Je höher bzw. extremer der Niederschlag desto größer die projizierte Änderung.
2. Je höher die globale Temperaturzunahme, desto einheitlicher sind die Änderungstendenzen.

Abb. 2. zeigt ein Beispiel für die projizierte Änderung des mittleren Niederschlags [mm/d] in Dresden für ein Ensemble-Mitglied (GCM: IPSL-CM5A-MR_rcp85_r1i1p1; RCM: WRF). Die Änderung im Gebietsmittel liegt bei 0,4 (+1,5 K), 0,7 (+2 K) und 1,3 (+3 K). Für seltenere Ereignisse (90. Perzentil) liegen diese Änderungen bei 1,7 (+1,5 K), 3,3 (+2 K) und 5,2 (+3 K). Für noch seltenere Ereignisse (99,5 Perzentil) beträgt die Änderung 2,8 (+1,5 K), 9,9 (+2,0 K) und 16,4 (+3 K).

Abb. 2: Beispiel für die Niederschlagsänderung unter künftigen Klimabedingungen für ein Ensemble-Mitglied (Antrieb: IPSL-CM5A-MR; rcp85; r1i1p1; RCM: WRF). Links: +1,5 K (im Mittel 0,31 mm/d), Mitte: +2 K (im Mittel 0,32), Rechts: +3 K (im Mittel 0,43 mm/d)

Weitere Analysen zeigen sowohl für die Gegenwart als auch für die Zukunft ein serielles Auftreten konvektiver Ereignisse. Piper et al. (2016) und Mohr et al. (2020) konnten einen Zusammenhang des seriellen Auftretens von Starkniederschlagsereignissen in der Gegenwart mit atmosphärischem Blocking identifizieren. Zusätzlich spielen Telekonnektionen eine Rolle (Piper et al., 2019). Eine mögliche Veränderung der groß-skaligen atmosphärischen Bedingungen unter zukünftigen Klimabedingungen auf Basis der Klimamodelldaten wird nun im nächsten Schritt analysiert.

Referenzen

Abt, R. (2018): Raumzeitliche Variabilität von konvektiven Starkniederschlägen in Deutschland. Bachelorarbeit am Institut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK-TRO), Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Karlsruhe, Deutschland.

Mohr, S., Wilhelm, J., Wandel, J., Kunz, M., Portmann, R., Punge, H. J., Schmidberger, Quinting, J. F., M., Grams, C. (2020): The role of large-scale dynamics in an exceptional sequence of severe thunderstorms in Europe May/June 2018. Weather Clim. Dynam., 1, 325–348, doi:10.5194/wcd-1-325-2020.

Piper D., M. Kunz, F. Ehmele, S. Mohr, B. Mühr, A. Kron, J. Daniell (2016): Exceptional sequence of severe thunderstorms and related flash floods in May and June 2016 in Germany. Part I: Meteorological background Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 16, 2835–2850, doi:10.5194/nhess-16-2835-2016.

Piper, D., Kunz, M., Allen, J. T., Mohr, S. (2019): Investigation of the temporal variability of thunderstorms in Central and Western Europe and the relation to large-scale flow and teleconnection patterns. Q. J. R. Meteor. Soc., 145, 3644–3666, doi:10.1002/qj.3647.