Das CEDIM hat im Jahr 2008 das neue Verbundvorhaben „Hochwassergefahr durch Klimawandel“ als Kooperationsprojekt mit Beteiligung aller das CEDIM tragenden Einrichtungen aufgenommen. Beteiligt sind IMK-TRO (FZK/Universität Karlsruhe), IWG (Universität Karlsruhe), IMK-IFU (FZK und die Sektion Ingenieurhydrologie des GFZ. CEDIM hat somit die Möglichkeit, hohe regionalspezifische Kompetenz in den Bereichen regionale Klimamodellierung und hydrologische Modellierung für Ostdeutschland, den Mittelgebirgsraum und den alpinen Raum gemeinsam zu nutzen. Die Projektergebnisse sind in einem Bericht zusammengestellt, der im Januar 2012 veröffentlicht wurde.

Im vierten Sachstandsbericht des IPCC (2007) wird eine Zunahme der Häufigkeit von Starkniederschlagsereignissen als „sehr wahrscheinlich“ vorausgesagt. Dies bedeutet auch eine Zunahme der Hochwassergefahr. Bereits auf der grob aufgelösten Skala des IPCC-Berichts wird aber auch deutlich, dass beim Niederschlag – mehr als bei anderen Klimagrößen – von einer großen räumlichen und zeitlichen Variabilität auszugehen ist. Auswertungen von Ergebnissen regionaler Klimamodelle, wie sie z.B. im EU-Projekt ENSEMBLES oder vom IMK-TRO innerhalb des Projektes „Herausforderung Klimawandel“ durchgeführt wurden, zeigen diese Variabilität auch für die zukünftig erwartenden Niederschläge im deutschen Raum, allerdings mit großen Unsicherheiten. Es muß davon ausgegangen werden, dass im Sommer trotz einer Tendenz zur Abnahme der Niederschlagsmenge regional Starkniederschläge zunehmen können. Die z.B. im Rahmen von KLIWA durchgeführten statistischen Analysen zeigen, dass solche Tendenzen bereits jetzt nachweisbar sind. Bei Oberläufen und kleinen Einzugsgebieten (z.B. in engen Tälern) ist daher die Gefahr steigender Hochwasserrisiken und Schäden gegeben. Für kleine und mittlere Einzugsgebiete wurden die Änderung der künftigen Starkniederschlagshäufigkeit und -intensität, insbesondere im Sommer, in ihrer räumlichen Variation und ihrer Auswirkung auf den Abfluss und die entsprechende Hochwasserhäufigkeit bislang noch nicht systematisch untersucht. Ebenso fehlen Abschätzungen der Unsicherheit der prognostizierten Niederschlags- und Abflussmengen bei gegebenen Jährlichkeiten, bislang u.a. aus Gründen des enormen Rechenaufwandes. Dieses Defizit ist insbesondere auf die für hydrologische Impaktanalysen erforderliche hohe räumliche Auflösung der verwendeten regionalen Klimamodelle zurückzuführen.

Basierend auf Vorarbeiten der beteiligten Institute werden in diesem CEDIM-Vorhaben „Hochwassergefahr durch Klimawandel“ Aussagen zur klimabedingten Hochwassergefahr in kleineren und mittleren Einzugsgebieten erstmals aus sogenannten Ensembles gekoppelter Klima-Abflußmodelle abgeleitet. Die Methodik erlaubt Genauigkeitsabschätzungen, die bei Klimaszenarien bisher kaum angegeben werden. Die Arbeiten tragen durch ihre Planungsrelevanz und die Angabe von Unsicherheitsmargen direkt zur Katastrophenvorsorge und zum Katastrophenmanagement im Bereich Hochwasser bei CEDIM bei.

Abb. 1: Für das Projekt ausgewählte Einzugsgebiete: Ammer (blau), Ruhr (schwarz), Mulde (orange). Karte: Hydrologischer Atlas Deutschland.

In diesem Projekt soll, ausgehend von globalen Szenarien, für repräsentative kleinere bis mittlere Einzugsgebiete in Deutschland die Veränderung von Starkniederschlägen und Hochwasser untersucht werden. Der Quantifizierung der Unsicherheitspanne der Ergebnisse, insbesondere aufgrund von unterschiedlichen Antriebsdaten, Regionalisierungsverfahren, Modellauflösung und Modelltyp kommt dabei eine zentrale Rolle zu. Unter Verwendung globaler Szenarienrechnungen (z.B. ECHAM, HadCM) werden hoch aufgelöste regionale Klimasimulationen durchgeführt, ausgewertet und mit deren Ergebnissen die Wasserhaushaltsmodelle PRMS, SWIM and WASIM angetrieben. Dies wird sowohl für eine Evaluierungsphase (Zeitraum ca. 1971-2000) als auch für einen Zukunftszeitraum durchgeführt werden. Wegen der komplexen Wechselwirkung Schneeschmelze, Bodenfeuchte, Niederschlag und Abflussereignis werden dabei nicht einzelne Episoden, sondern kontinuierliche Zeitreihen simuliert und extremwertstatistisch ausgewertet. Mit Blick auf kleine und mittlere Einzugsgebiete soll ein Schwerpunkt auf konvektiven sommerlichen Ereignissen mit entsprechend kurzer Reaktionszeit liegen. Bezüglich des Szenarienzeitraums wird ein Kompromiss zwischen näherer Zukunft (geringere Unsicherheit bezüglich des anthropogenen Einflusses, aber schwächeres Klimaänderungssignal) und fernerer Zukunft (höhere anthropogen bedingte Unsicherheiten, aber stärkeres Klimaänderungssignal) eingegangen. Berücksichtig man den Planungshorizont wasserbaulicher Maßnahmen und Systeme, so erscheint der Zukunftszeitraum 2021-2050 sinnvoll. Zur Quantifizierung der Ergebnisunsicherheiten werden Ensembles von Simulationen ausgewertet, welche mit Hilfe gekoppelter meteorologischer und hydrologischer Modelle erzeugt werden. Es sollen hoch aufgelöste (besser als 10 km) projektspezifische Simulationen unter Verwendung zweier regionaler Klimamodelle (COSMO-CLM am IMK-TRO und WRF am IMK-IFU) durchgeführt werden (Antrieb mit verschiedenen Globalmodellen und Verwendung verschiedener Modellkonfigurationen); ergänzend kann auch auf allgemein verfügbare regionale Klimasimulationen (z.B. REMO, CLM-CR, RegCM, HIRHAM) zurückgegriffen werden. Mit Bezug auf bereits am IWG vorliegende Erfahrungen soll die statistische Auswertung einheitlich durchgeführt und an die Vergehensweise im KLIWA-Projekt angelehnt werden, wodurch die methodische Kontinuität sichergestellt wird; daneben sollen weitere statistische Simulationsverfahren entwickelt und angewandt werden, die es erlauben, den Einfluss der Unsicherheiten der simulierten Niederschlagsfelder aufgrund einer begrenzten räumlichen Modellauflösung zu quantifizieren und die damit verbundenen Unsicherheiten in der Veränderung des Abflusses und seiner Kenngrößen abzuleiten. Als hydrologische Modelle sollen die bei den Projektpartnern eingesetzten Modelle verwendet werden.

Hinsichtlich der exemplarisch zu untersuchenden Einzugsgebiete wurde unter Verwendung der Kriterien Größe, Typ und Repräsentativität des Einzugsgebiets (alpin, Mittelgebirge), Schadenspotential und bereits erkennbares Klimaänderungssignal folgende Auswahl getroffen (s. Abb. 1): Alpiner Bereich: Ammer - Mittelgebirge: Ruhr, Mulde.

Abb. 2: Wahrscheinlichkeit künftiger Änderungen des Gesamtniederschlags.

Es soll jedes Einzugsgebiet mit mindestens 2 hydrologischen Modellen gerechnet werden, wobei jedes hydrologische Modell mit mindestens 2 meteorologischen Datensätzen (CLM von IMK-TRO und WRF von IMK-IFU) betrieben wird. Die Zuordnung hydrologische Modellierung / Einzugsgebiet zeigt folgende Tabelle:

	GFZ	IFU	IWG
Ammer		x	x
Mulde	x	x
Ruhr	x		x

Das Projekt soll in den folgenden Arbeitsschritten bearbeitet werden:

1. Definition der Einzugsgebiete, Aufsetzen der Modelle, Beschaffung evtl. ausstehender Daten, Definition der Schnittstellen zwischen Klimamodellen und hydrologischen Modellen.
2. Evaluation: Klimamodellierung Gegenwart mit COSMO-CLM und WRF 
3. Evaluation: hydrologische Modellierung Gegenwart 
4. Evaluation: statistische Auswertung von 2 und 3
5. Projektionen: Klimamodellierung Zukunftszeitraum mit COSMO-CLM und WRF
6. Projektionen: hydrologische Modellierung Zukunftszeitraum
7. Projektionen: statistische Auswertung von 6 und 7
8. Änderungen Zukunft - Gegenwart

Das Vorhaben erfordert eine hohen Arbeitsaufwand, welcher den größten Teil der Projektlaufzeit einnehmen wird; dennoch ist vorgesehen, in dem Projekt auch erste Beiträge zur Risiko- und Schadensanalyse zu leisten, soweit Zeit und Personalstand dies zulassen. Dies soll mit vereinfachten Überflutungsmodellen zum Beispiel im Rahmen begleitender Diplomarbeiten geschehen.

Abb. 3: Das Modellsystem zur Regionalisierung von Klimaszenarien und hydrologischen Modellierung am IMK-IFU. Beispiel Ammer: Modellkette ECHAM4 → MM5 (4km) → WaSiM (100m).

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