ExUS: Extremwertstatistische Untersuchung von Starkniederschlägen in NRW

Ein Projekt für das Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz Nordrhein-Westfalen in Zusammenarbeit mit aqua_plan GmbH und dr. papadakis GmbH

Vor dem Hintergrund des Klimawandels werden für Wasserwirtschaft und Hochwasserschutz differenzierte Untersuchungen zur Entwicklung von Niederschlag und Starkregen benötigt. Im Rahmen des Projektes ExUS wurden Niederschlagsmessungen in Nordrhein-Westfalen von 1950 bis 2008 systematisch auf Trends untersucht und mithilfe von regionalen Klimamodellen Klimatrendabschätzungen für den Niederschlag der Zeiträume 2021 - 2050 und 2071 - 2100 analysiert.

Die Datenbasis bestand aus über 1000 Stationsreihen, die sorgfältig auf ihre Qualität und Verwendbarkeit hin geprüft wurden. Die Qualitätskontrolle beinhaltete die Untersuchung auf Datenlücken, auf Messungen außerhalb von physikalischen Grenzwerten und auf über längere Zeit konstante Daten; auffällige Datenabschnitte wurden von Hand geprüft. Anschließend verblieben noch mehr als 600 Stationsreihen in geprüfter Qualität.

Für die Auswertung wurden Standardwerte wie Jahressummen, Halbjahressummen, Monatssummen, Anzahl trockener Tage und Tage mit Regenmengen über einem bestimmten Grenzwert sowie partielle Serien und Extremwertstatistiken berechnet. In den letzten 50 Jahren wurden Änderungen im Niederschlagsverhalten beobachtet, diese wichen teilweise regional voneinander ab:

• Starkregen: Die Anzahl der verzeichneten Starkregenereignisse hat insbesondere seit 1990 zugenommen (siehe Abbildung), diese Zunahme ist aber sicher teilweise durch die Umstellung auf neue Messgeräte (zunächst auf Wippengeräten und ab etwa dem Jahr 2000 auf Wägegeräte) bedingt, mit denen hochaufgelöste Kurzzeitniederschläge besser erfasst werden. Daher kann die Zunahme nicht rein als Klimaauswirkung interpretiert werden.
  

  Anzahl der verzeichneten Starkregenereignisse pro Jahr und Station seit 1950.

• Zeitreihen Jahressummen: Wenn im Gesamtzeitraum von 1950-2008 Zeitabschnitte über 30 Jahre betrachtet wurden, ergaben sich je nach Auswahl des Intervalls und des Ortes widersprüchliche Ergebnisse. Über einen Zeitraum von 50 Jahren war der Trend viel homogener; dekadische Variabilität und Einzelereignisse fallen weniger ins Gewicht.
• Die Trends wurden mit zwei Methoden analysiert: dem Mann-Kendall Test und der linearen Regression mit t-Test. Für den Gesamtzeitraum ergaben sich für die Jahresniederschlagssummen überwiegend positive Trends, je nach Station zwischen 0 und 3,7 mm/Jahr. Im Mittel lag der Trend bei 1,56 mm/Jahr. Die positiven Trends der Jahresniederschlagssummen sind im Wesentlichen auf den Anstieg im Winterhalbjahr zurückzuführen. In den Wintermonaten zeigen 82% der Stationen einen signifikant positiven Trend (Signifikanzniveau 80%), während in den Sommermonaten geringfügige überwiegend nicht signifikante Trends gemessen wurden (siehe Abbildung).

  Niederschlagstrends an den verschiedenen Stationen in NRW im Winter (links) und im Sommer. Blau steht für positive und rot für negative Trends. Die Größe der Symbole zeigt das Signifikanzniveau an.

• Tagessummen: Im Winter nahm die Anzahl von trockenen Tagen in den letzten 50 Jahren in Nordrhein-Westfalen ab, während sie im Sommer im Durchschnitt zunahm. Die Anzahl von Tagen mit einer hohen Niederschlagsmenge (> 10-20 mm/Tag) nahm im gleichen Zeitraum ganzjährig signifikant zu, mit einem Schwerpunkt der Zunahme im Winter. Im Sommer war der Trend schwächer und statistisch nicht signifikant.

Klimatrendabschätzung mithilfe von Regionalmodellen:

Die drei Regionalmodelle CLM, WETTREG und STAR2 wurden verwendet, um Läufe bis 2050 und bis 2100 durchzuführen. Grundlage war das IPCC Szenario A1B.

Die Ergebnisse der Klimamodelle zeigen im Lauf bis 2050 eine Fortsetzung der beobachteten Trends mit signifikant positiven Trends in den Wintermonaten und unterschiedlichen Trends in den Sommermonaten. Durch die Unsicherheiten in den Annahmen, die den Modellen zugrunde liegen, nimmt auch die Unsicherheit für den Niederschlagstrend bis 2100 stark zu und die Modelle zeigen verschiedene mögliche Entwicklungen. Bezüglich der Entwicklung von Starkregenereignissen können Klimamodelle nur eingeschränkte Aussagen machen, da die kleinskaligen Konvektionswetterlagen nicht ausreichend genau wiedergegeben werden. Die Voraussetzungen für eine Zunahme von Starkregenereignissen sind aber gegeben.

Wetterextreme mit hohen lokalen Niederschlagssummen werden auch in Zukunft auftreten und es ist unabhängig von den Niederschlagstrends zielführend, diese Ereignisse stärker zu berücksichtigen. Als Konsequenz für die städtische Hydrologie bieten sich flexiblere Gewässersysteme an, die z.B. mithilfe von Notwasserleitungen und Auffangbecken auch Abflüsse jenseits der Bemessungsgrenze berücksichtigen.