Neue Studienerkenntnisse können helfen, Hochwasser-Prognosen zu verbessern

Der Klimawandel wird vor allem wegen der Zunahme intensiver Starkregenereignisse zu mehr und stärkeren Hochwassern und Fluten führen. Um einschätzen zu können, wie genau sich dabei die Hochwasserrisiken und die Ausprägung von Überschwemmungen verändern, hilft es insbesondere zwei unterschiedliche Arten von solchen Extremniederschlagsereignissen – schwächere und stärkere – zu betrachten. Diesen bislang wenig beforschten Aspekt hat nun eine internationale Gruppe von Wissenschaftler*innen rund um die Freiburger Hydrologin Dr. Manuela Brunner vom Institut für Geo- und Umweltnaturwissenschaften der Universität Freiburg und Prof. Dr. Ralf Ludwig von der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) beleuchtet.  Dabei stellten sie fest, dass die schwächeren und zugleich häufiger vorkommenden Extremniederschlagsereignisse (im Mittel alle rund 2 bis 10 Jahre) in Frequenz und Menge zunehmen, allerdings nicht zwangsläufig zu Überschwemmungen führen. An manchen Orten kann hierbei durch den Klimawandel das Hochwasserrisiko sogar wegen trockener werdenden Böden sinken. Ebenso nehmen die stärkeren und zugleich seltener vorkommenden Extremniederschlagsereignisse (im Mittel seltener als 50 Jahre – und wie im Juli 2021 in der Eifel ereignet) in Frequenz und Menge zu – dabei führen sie aber auch generell häufiger zu Überschwemmungen. Die Ergebnisse ihrer Studie veröffentlichte das Team in der Zeitschrift Communications Earth & Environment.

Mancherorts führt der Klimawandel zu geringerem Hochwasserrisiko

„Bei den stärkeren und zugleich selteneren Extremniederschlagsereignissen treffen so große Niederschlagsmengen auf den Boden, dass seine aktuelle Beschaffenheit kaum noch einen Einfluss darauf hat, ob es zu einer Überschwemmung kommt“, erläutert Manuela Brunner. „Seine Kapazität, Wasser aufzunehmen, wird relativ schnell erschöpft, ab da an fließt der Regen über die Oberfläche ab – flutet also die Landschaft.“ Anders verhalte es sich bei den schwächeren und zugleich häufigeren Extremniederschlagsereignissen“, so Brunner. „Hier ist die jeweils aktuelle Bodenbeschaffenheit entscheidend. Ist der Boden trocken, kann er viel Wasser aufnehmen und das Hochwasserrisiko ist gering. Liegt allerdings schon eine hohe Bodenfeuchte vor, kann es auch hier zu Überschwemmungen kommen.“ Da durch den Klimawandel viele Böden trockener werden, kann dort also das Hochwasserrisiko bei den schwächeren, häufigeren Extremniederschlagsereignissen sinken – nicht allerdings bei den seltenen, heftigen.

In Bayern nimmt Starkregen generell zu

Für das konkrete Beispiel Bayern sagen die Wissenschaftler*innen zudem voraus, wie dort die unterschiedlichen Extremniederschlagsereignisse zahlreicher werden. Schwächere, die in den Jahren von 1961 bis 2000 im Mittel etwa alle 50 Jahre auftraten, werden demnach im Zeitraum von 2060 bis 2099 doppelt so oft vorkommen. Stärkere, die im Zeitraum von 1961 bis 2000 im Mittel etwa alle 200 Jahre eintraten, werden sich in der Zukunft bis zu viermal häufiger ereignen.

„Bisherige Untersuchungen haben belegt, dass Niederschläge aufgrund des Klimawandels zunehmen werden, die Zusammenhänge zwischen Überschwemmungsstärken und schwereren Niederschlagsereignissen ist aktuell aber noch nicht ausreichend erforscht. Da haben wir angesetzt“, erklärt Manuela Brunner. Ralf Ludwig ergänzt: „Mithilfe unseres einzigartigen Datensatzes liefert diese Studie einen wichtigen Baustein zu einem dringend benötigten, besseren Verständnis des sehr komplexen Zusammenhangs von Starkniederschlägen und Abflussextremen.“ Dies könne auch helfen, um Hochwasserprognosen zu verbessern.

78 Gebiete untersucht

In seiner Analyse hat das Team für die Mehrzahl der 78 untersuchten Oberwassereinzugsgebiete in der Region um Inn, Donau und Main sogenannte Häufigkeitsschwellenwerte in der Beziehung zwischen zukünftiger Niederschlagszunahme und Hochwasseranstieg identifiziert. Diese ortsspezifischen Werte beschreiben, welche extremen Niederschlagereignisse – klassifiziert anhand ihrer auftretenden Häufigkeit –– wahrscheinlich auch zu verheerenden Fluten führen, wie etwa dem im Juli in der Eifel.

Für seine Untersuchung generierte das Forschungsteam ein großes Ensemble von Daten, indem es erstmalig hydrologische Simulationen für Bayern mit einem großen Ensemble an Simulationen mit einem Klimamodell koppelte. Die Modellkette wurde für die 78 Flusseinzugsgebiete auf historische (1961-2000) und wärmere zukünftige (2060-2099) Klimabedingungen angewandt. „Die Region um die Oberwassereinzugsgebiete von Inn, Donau und Main ist ein Gebiet mit ausgeprägter hydrologischer Heterogenität. Dadurch berücksichtigen wir in unserer Studie eine große Vielfalt an Hydroklimata, Bodentypen, Landnutzungen und Abflusswegen“, sagt Brunner.

Neben Brunner und Ludwig arbeiteten weitere Forschende der LMU, des US-amerikanischen National Center for Atmospheric Research und der University of California Los Angeles/USA an dem Projekt mit. Gefördert wurde die Forschungsarbeit unter anderem vom Bayerischen Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz, dem Bundesministerium für Bildung und Forschung sowie dem Schweizerischen Nationalfonds.

Originalpublikation:
Brunner, M. I., Swain, D. L., Wood, R.R., Willkofer, F., Done, J.M., Gilleland, E., Ludwig, R. (2021): An extremeness threshold determines the regional response of floods to changes in rainfall extremes. In: Communications Earth & Environment. DOI: 10.1038/s43247-021-00248-x