Langfristige Variabilität extremer Hochwasserereignisse

In letzter Zeit sind in Europa eine Reihe großer Hochwässer aufgetreten, die vermuten lassen, dass wir in eine hochwasserreiche Periode eingetreten sind, d.h. eine Periode, in der Hochwässer häufiger und größer als gewöhnlich sind. Um abzuklären, ob und warum dies der Fall ist, sind neue Methoden und Analysen erforderlich. Spezifische Fragen sind, ob sich die Wahrscheinlichkeiten extremer Hochwässer in den letzten Jahren geändert haben, was die Prozessursachen solcher Änderungen sind und welche Auswirkungen sie auf extreme Hochwässer in der Zukunft haben. In der ersten Förderperiode wurden Methoden zur Bestimmung hochwasserreicher Perioden auf der Grundlage beobachteter Hochwasserdaten in Österreich und Deutschland entwickelt. Potenzielle Prozessursachen für sich ändernde Hochwässer wie Klimawandel, Landnutzungsänderungen und Wasserbauten wurden identifiziert. Ziel der zweiten Förderperiode ist es, die Hochwasseränderungen diesen Prozessursachen räumlich verteilt zuzuweisen. In kleinen landwirtschaftlichen Gebieten in Norddeutschland dürfte beispielsweise die Landnutzungsänderung wichtig sein, während in den österreichischen Alpen Klimaprozesse möglicherweise relevanter sind. Dafür wird eine Methode entwickelt, die die räumlich unterschiedlichen Abflussprozesse wie kurze konvektive Niederschläge, lange Frontalniederschläge und Schneeschmelze berücksichtigt. Da große Hochwässer gesellschaftlich besonders relevant sind, wird untersucht, wie Hochwasseränderungen und Prozessursachen von der Größe der Hochwässer abhängen. Durch historische Informationen werden die Hochwasserdaten bis in das 16. Jahrhundert zurück verlängert, wodurch z.B. untersucht werden kann, ob Hochwässer in kalten oder warmen Perioden häufiger auftraten. Wir entwickeln ein probabilistisches Modell der Hochwasseränderungen , das explizit die Mechanismen beschreibt, wie z.B. Bodenverdichtung, Verlust der Hochwasserrückhalteflächen und ÜbergangvonSchnee aufRegen bei Extremniederschlägen. Anhand des Modells soll untersucht werden, wie sich die Prozessursachen auf zukünftige Hochwasserwahrscheinlichkeiten auswirken könnten. Das Projekt beschreitet wissenschaftliches Neuland wie folgt: (a) Entwicklung neuer Methoden um Hochwasseränderungen ihren Prozessursachen in heterogenen Regionen zuzuordnen. (b) Untersuchung der Abhängigkeit der Hochwasseränderungen und ihrer Prozessursachen vom Wiederkehrintervall, d.h. ob kleine und große Hochwässer ein ähnliches Verhalten aufweisen. (c) Entwicklung eines probabilistischen Modells für Hochwasseränderungen, das die Änderungsmechanismen explizit erfasst und Vorhersagen über potenzielle zukünftige Hochwasseränderungen und deren Unsicherheiten ermöglicht. Das von Prof. Günter Blöschl und Dr. Andrea Kiss geleitete Projekt wird zu einem verbesserten Verständnis von Hochwasseränderungen und deren Prozessursachen führen, wodurch eine Grundlage für genauere Berechnungsmethoden in Gebieten mit und ohne Abflussmessungen gelegt wird.

Das Projekt untersuchte die räumliche Variabilität der Hochwasserprozesse und ihre Wahrscheinlichkeiten. Die Grundidee dieses Projekts bestand darin zu analysieren, wie die wichtigsten statistischen Eigenschaften von Hochwasserserien in Europa von der Größe des Einzugsgebiets, dem Klima und von anderen Faktoren abhängen. Es zeigt sich, dass niederschlagsbezogene Variablen die wichtigsten Einflussfaktoren auf die räumliche Verteilung des mittleren jährlichen Hochwassers in den meisten Teilen Europas sind. Eine Ausnahme ist Regionen, in denen Schneeschmelze die Überflutungen bewirkt. Dort spielt die Lufttemperatur eine größere Rolle. Die Variabilität der Überflutungen in Europa kann hingegen durch einen Trockenheitsindex erklärt werden. Insgesamt deuten die Ergebnisse darauf hin, dass bei Betrachtung von ganz Europe Klimavariablen die räumliche Verteilung der Hochwasser am besten erklären, während die Merkmale der Landoberfläche (z.B. Landnutzung und Bodentyp) weniger entscheidend sind. Es wurde ein neuer statistischer Ansatz entwickelt, um den Beitrag solcher klimatischen Faktoren zu den Hochwasserveränderungen in Abhängigkeit von der Wiederkehrperiode in einem regionalen Kontext zu quantifizieren. Der Ansatz wurde auf europäische Einzugsgebiete angewandt und zeigte, dass in Nordwesteuropa vor allem die Veränderungen extremer Niederschläge die Veränderungen der Hochwassern erklären, während die Beiträge der Bodenfeuchte von untergeordneter Bedeutung sind. In Südeuropa tragen sowohl die Bodenfeuchte als auch die Veränderungen der Niederschläge zu den Hochwasserveränderungen bei. Die Rolle der Bodenfeuchte nimmt mit der Wiederkehrperiode ab. In Osteuropa ist die geringere Schneeschmelze wichtigste Grund für Abnahme sowohl bei kleinen als auch bei großen Hochwassern. Zur Untersuchung zukünftiger Hochwasserwahrscheinlichkeiten wurde ein neuer Ansatz von Intensitäts-Dauer-Häufigkeits-Statistiken der Extremniederschläge und Hochwasser entwickelt. Der Ansatz besteht in der Analyse der prozentualen Änderung des Hochwasserabflusses für eine 1%ige Änderung der extremen Niederschlagsmenge (die sogenannte Elastizität). In niederschlagsreichen Einzugsgebieten sind die Elastizitäten ungefähr eins, d.h. die Kurven der Niederschlags- und Hochwasserhäufigkeit sind aufgrund der anhaltend hohen Bodenfeuchte ähnlich steil. In trockenen Einzugsgebieten sind die Elastizitäten viel höher, was bedeutet, dass die Hochwasserhäufigkeitskurven steiler verlaufen als die Niederschlagskurven, was als schiefere Verteilungen der Ereignisabflusskoeffizienten interpretiert wird. Mit zunehmender Wiederkehrperiode tendieren die Elastizitäten gegen Eins. Während regionale Unterschiede in den Elastizitäten sowohl auf dominante regionale Niederschlagsmechanismen als auch auf regionale Einzugsgebietsmerkmale zurückgeführt werden können, deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass die Einzugsgebietsmerkmale die dominierenden Einflussfaktoren sind. Die Gesamtergebnisse des Projekts liefern neue und umfassende Erkenntnisse über die Ursachen von Hochwasserveränderungen in Europa, ihre räumliche Variabilität und ihre Abhängigkeit von der Wiederkehrperiode. Es hat sich gezeigt, dass klimatische Faktoren die räumliche Variabilität der statistischen Eigenschaften von Hochwasserserien dominieren und auch die Hochwasserveränderungen bei unterschiedlichen Wiederkehrperioden stark beeinflussen. Einzugsgebietseigenschaften hingegen haben einen Einfluss auf die Art und Weise, in der Einzugsgebiete auf Änderungen der Niederschläge reagieren. Dies ist eine wichtige Grundlage für die aussagekräftige Analyse und Prognose von Änderungen der Hochwasserwahrscheinlichkeiten in der Zukunft.