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54. Deutscher Geographent ag Bern 2003 Extreme Hochwasser in Zentraleuropa seit AD 1000 Mudelsee, M., Börngen, M., Tetzlaff, G. LIM — Institut für Meteorologie der Universität Leipzig, Deutschland unterstützt durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft

Extreme Hochwasser in Zentraleuropa seit AD 1000

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Extreme Hochwasser in Zentraleuropa seit AD 1000. Mudelsee, M., Börngen, M., Tetzlaff, G. LIM — Institut für Meteorologie der Universität Leipzig, Deutschland unterstützt durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft. nach IPCC (2001): CO 2 , etc. Temperatur - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: Extreme Hochwasser in Zentraleuropa seit AD 1000

54. Deutscher Geographentag Bern 2003

Extreme Hochwasser in

Zentraleuropa seit AD 1000

Mudelsee, M., Börngen, M., Tetzlaff, G.

LIM — Institut für Meteorologie der Universität Leipzig, Deutschland

unterstützt durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft

Page 2: Extreme Hochwasser in Zentraleuropa seit AD 1000

54. Deutscher Geographentag Bern 2003

nach IPCC (2001):

CO2, etc.

Temperatur

hydrologischer Zyklus, Niederschlag

Hochwasserauftrittsrate*

Page 3: Extreme Hochwasser in Zentraleuropa seit AD 1000

54. Deutscher Geographentag Bern 2003

OderElbe

Dresden

Eisenhüttenstadt

ErzgebirgeSudeten Mountains

Mittlere Elbe, mittlere Oder: Einzugsgebiet 150,000 km2

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54. Deutscher Geographentag Bern 2003

Hochwasser in Herangehensweise

Zentraleuropa

Daten <= 1850: Weikinns Quellentexte

> 1850: Abflussmessungen

Methoden • Klassenbildung

• statistische Schätzung

Resultate • Hochwasserauftrittsrate mit

Konfidenzbändern

Page 5: Extreme Hochwasser in Zentraleuropa seit AD 1000

54. Deutscher Geographentag Bern 2003

Curt Weikinn (1888 – 1966)

Weikinn, C. Quellentexte zur Witterungsgeschichte Europas von der Zeitwende bis zum Jahre 1850: Hydrographie, Teile 1–4 (Akademie-Verlag, Berlin, 1958–1963), Teile 5–6 (hrsg. von Börngen, M. u. Tetzlaff, G.) (Gebrüder Borntraeger, Berlin, 2000–2002).

Page 6: Extreme Hochwasser in Zentraleuropa seit AD 1000

54. Deutscher Geographentag Bern 2003

1784 & 28. - 29. Febr. & Meißen & Elbe: Eisgang u. Überschwemmung & & 1 & I, 5: 370 (2934)Elbe. 28. Febr. 11 Uhr abends brach das Eis und trieb anfänglich bey zwar ziemlich heranwachsendem Wasser, welches am folgenden Tag [= 29. Febr.] früh schon hier und da in die Stadt trat, ganz ruhig, obgleich sehr gedrange fort, ..., bis um 9 Uhr, um welche Zeit auf einmal die reissende Fluth mit dem Eise, und was sie sonst bei sich führte, durch die Vorstadt zum Fleischer- und Jüdenthore in die Stadt hinein brach, und so über den kleinen Markt durch die Gassen, ..., rauschte. Diese traurige Periode hielt zunehmend bis um 11 Uhr des Vormittags an, in welcher Zeit die großen Eisschollen auch schon der Brücke, ..., dermaßen zusezten. Der Wasserwuchs dieser wüthenden Fluth dauerte, wie gesagt, bis 11 Uhr, alsdann fiel solcher wieder, bis des Nachmittags um 4 Uhr 1 Elle 12 Zoll, aber in einer Stunde darauf stellte sie sich von neuem, und fast noch schneller ein, ... Das Wasser stund aller Orten 3, 4, 5-6 Ellen hoch. Beyde Vorstädte, sowohl vor dem Fleischer- und Jüden- als vor dem Wasserthore, die Wasserburg und die Fischergasse, ..., stunden völlig, ..., zu 4-6 Ellen hoch unter Wasser ..., der Fleischersteg genannt, über die Triebisch, ward bald von der wilden Fluth eingestürzt. Die Stadt selbst stund außer dem großen Markte, der Burggasse und der Rosengasse bey der Stadtkirche, völlig eben so hoch unter Wasser. Das Jüdenthor bedeckte es völlig, und wenigstens noch eine Elle darüber. [9 Personen ertrunken]. Größte Höhe der Fluth: 12 Ellen 10 Zoll. Das Wasser stand in der Kirche 1 reichliche Elle höher als drittehalbe Ellen.

(C. G. Poetzsch 1784 “Chronolog. Geschichte d. großen Wasserfluthen d. Elbstroms etc.” S. 150/53 u. 159.)

1784 & 28. - 29. Febr. & Dresden & Elbe: Eisgang u. Hochwasser & & 1 & I, 5: 370 (2935)Elbe. Vormittags rührte sich auch das Eis hinter der Brücke und schob sich sehr ruhig, bis unter die Stadt hinunter; allein oberhalb derselben blieb es noch unbeweglich stehen. Des Nachmittags fiel sogar das Wasser wieder 9 Zoll, folglich bis an 1 Elle 15 Zoll herunter. 9 Uhr abends erfolgte der Aufbruch. Dieser gewaltige Aufbruch mit einem fast unglaublich schnellen Anwuchse des Wassers war erschrecklich.

(C. G. Poetzsch 1784 “Chronolog. Geschichte d. großen Wasserfluthen d. Elbstroms etc.” S. 117 u. 136.)

1784 & 28. - 29. Febr. & Dresden & Elbe: Eisgang u. Hochwasser & & 2 & I, 5: 370 (2936)Es bricht die Elbe auf und wächst von 3 auf 9 Ellen Höhe mit unbegreiflicher Schnelligkeit.

(Dr. G. Klemm “Chronik d. etc. Residenzstadt Dresden”, edid. P. G. Hilscher 1837. II. S. 513.)(Fr. W. Pohle 1886 “Chronik von Loschwitz” S. 77. u. S. 79.)

Weikinn, C. (2000) [Teil 5]

Page 7: Extreme Hochwasser in Zentraleuropa seit AD 1000

54. Deutscher Geographentag Bern 2003

1784 & 28. - 29. Febr. & Meißen & Elbe: Eisgang u. Überschwemmung & & 1 & I, 5: 370 (2934)Elbe. 28. Febr. 11 Uhr abends brach das Eis und trieb anfänglich bey zwar ziemlich heranwachsendem Wasser, welches am folgenden Tag [= 29. Febr.] früh schon hier und da in die Stadt trat, ganz ruhig, obgleich sehr gedrange fort, ..., bis um 9 Uhr, um welche Zeit auf einmal die reissende Fluth mit dem Eise, und was sie sonst bei sich führte, durch die Vorstadt zum Fleischer- und Jüdenthore in die Stadt hinein brach, und so über den kleinen Markt durch die Gassen, ..., rauschte. Diese traurige Periode hielt zunehmend bis um 11 Uhr des Vormittags an, in welcher Zeit die großen Eisschollen auch schon der Brücke, ..., dermaßen zusezten. Der Wasserwuchs dieser wüthenden Fluth dauerte, wie gesagt, bis 11 Uhr, alsdann fiel solcher wieder, bis des Nachmittags um 4 Uhr 1 Elle 12 Zoll, aber in einer Stunde darauf stellte sie sich von neuem, und fast noch schneller ein, ... Das Wasser stund aller Orten 3, 4, 5-6 Ellen hoch. Beyde Vorstädte, sowohl vor dem Fleischer- und Jüden- als vor dem Wasserthore, die Wasserburg und die Fischergasse, ..., stunden völlig, ..., zu 4-6 Ellen hoch unter Wasser ..., der Fleischersteg genannt, über die Triebisch, ward bald von der wilden Fluth eingestürzt. Die Stadt selbst stund außer dem großen Markte, der Burggasse und der Rosengasse bey der Stadtkirche, völlig eben so hoch unter Wasser. Das Jüdenthor bedeckte es völlig, und wenigstens noch eine Elle darüber. [9 Personen ertrunken]. Größte Höhe der Fluth: 12 Ellen 10 Zoll. Das Wasser stand in der Kirche 1 reichliche Elle höher als drittehalbe Ellen.

(C. G. Poetzsch 1784 “Chronolog. Geschichte d. großen Wasserfluthen d. Elbstroms etc.” S. 150/53 u. 159.)

1784 & 28. - 29. Febr. & Dresden & Elbe: Eisgang u. Hochwasser & & 1 & I, 5: 370 (2935)Elbe. Vormittags rührte sich auch das Eis hinter der Brücke und schob sich sehr ruhig, bis unter die Stadt hinunter; allein oberhalb derselben blieb es noch unbeweglich stehen. Des Nachmittags fiel sogar das Wasser wieder 9 Zoll, folglich bis an 1 Elle 15 Zoll herunter. 9 Uhr abends erfolgte der Aufbruch. Dieser gewaltige Aufbruch mit einem fast unglaublich schnellen Anwuchse des Wassers war erschrecklich.

(C. G. Poetzsch 1784 “Chronolog. Geschichte d. großen Wasserfluthen d. Elbstroms etc.” S. 117 u. 136.)

1784 & 28. - 29. Febr. & Dresden & Elbe: Eisgang u. Hochwasser & & 2 & I, 5: 370 (2936)Es bricht die Elbe auf und wächst von 3 auf 9 Ellen Höhe mit unbegreiflicher Schnelligkeit.

(Dr. G. Klemm “Chronik d. etc. Residenzstadt Dresden”, edid. P. G. Hilscher 1837. II. S. 513.)(Fr. W. Pohle 1886 “Chronik von Loschwitz” S. 77. u. S. 79.)

Weikinn, C. (2000) [Teil 5]

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54. Deutscher Geographentag Bern 2003

Weikinns Quellentexte (1958–2002)

23160 Einträge zu hydrographischen Ereignissen

Europa, hauptsächlich Deutschland und Nachbargebiete

um Christi Geburt bis einschließlich 1850

Originalquellen, aber auch Sekundärquellen

Page 9: Extreme Hochwasser in Zentraleuropa seit AD 1000

54. Deutscher Geographentag Bern 2003

Checks zum Ausschluss lokaler Ereignisse

Hochwasser an anderen Stellen entlang des Flusses

Hochwasser im Einzugsgebiet

günstige meteorologische Bedingungen vor einer Flut(z. B. schwere, anhaltende Regenfälle, Eis oder Schneedecke)

Page 10: Extreme Hochwasser in Zentraleuropa seit AD 1000

54. Deutscher Geographentag Bern 2003

Stärkeklassen (nach Brázdil et al. 1999, Glaser 2001)

1 kleines Hochwasser

2 starkes Hochwasser

3 außergewöhnlich starkes Hochwasser(z. B. Febr. – März 1784)

Page 11: Extreme Hochwasser in Zentraleuropa seit AD 1000

54. Deutscher Geographentag Bern 2003

Elbe (Dresden)1550–1850

Zuordnung der Pegelhöhen zu den Stärkeklassen.

0

1

2

3

4

500 600 700 800 900 1000

Pegel (cm)

Grö

ßenk

lass

en

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54. Deutscher Geographentag Bern 2003

Elbe (Dresden)1852–1892

1000 2000 3000 4000R unoff (m 3 s -1)

500

600

700

800Fl

ood

stag

e (c

m)

1 2 3

Klassifikation der Flutstärken mittels linearer Regression zwischen Pegelhöhe und Abfluss.

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54. Deutscher Geographentag Bern 2003

Elbe (Dresden), 1852 – 2002 (tägliche Messungen)

1850 1900 1950 20000

10002000300040005000

Run

off (

m3

s-1)

123

A ug 2002

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54. Deutscher Geographentag Bern 2003

Oder (Eisenhüttenstadt), 1920 – 2002 (tägliche Messungen)

1850 1900 1950 20000

1000

2000

Run

off (

m3

s-1)

123

sparse information on floods

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54. Deutscher Geographentag Bern 2003

Year Month Season n Cause Maximum flood stage Runoff Magnitude CLIMDAT [S, W] [I, S, C, R] [cm] [m^3/s] [+, -] Pillnitz Dresden Meißen1059 Sep S 2 2 1118 Sep S 4 21163 S? 1 2. . . 1498 Jun S 3 21501 Dec! W 1 I? 2 +1501 Aug S 17 866 703 3 +. . .1783 Jan-Feb W 6 I 462 692 472 1 -1783 Jun S 1? C 1 -1784 Feb-Mar W 32 I 670 859 703 3 +. . .1850 Feb W 3 I 706 21852 Feb W 654 1980 1 (-)1853 Apr-May S 633 1980 1 (-). . .1947 Mar W I 2340 1 (1)1948 Dec!-Feb W NI 2160 1 (-)1954 Jul S 2300 1 (1). . .2002 Aug S 940 4700 3 (3)

Page 16: Extreme Hochwasser in Zentraleuropa seit AD 1000

54. Deutscher Geographentag Bern 2003

Elbe, 1021 – 2002

Oder, 1269 – 2002

0

50

100

Num

ber o

f flo

ods

J F M A M J J A S O N D

E lbe

O der

Page 17: Extreme Hochwasser in Zentraleuropa seit AD 1000

54. Deutscher Geographentag Bern 2003

Trends in der

Hochwasseraufrittsrate ??

1500 2000

Elbe, Winter, Klasse 2–3

Page 18: Extreme Hochwasser in Zentraleuropa seit AD 1000

54. Deutscher Geographentag Bern 2003

Elbe, Winter, Klasse 2–31500 2000

0

5

10

15

4 12 2 6 3

Page 19: Extreme Hochwasser in Zentraleuropa seit AD 1000

54. Deutscher Geographentag Bern 2003

Elbe, Winter, Klasse 2–31500 2000

0

5

10

15

4 12 2 6 3

Schritte zu einer besseren Methode

Page 20: Extreme Hochwasser in Zentraleuropa seit AD 1000

54. Deutscher Geographentag Bern 2003

Elbe, Winter, Klasse 2–31500 2000

0

5

10

15

4 12 2 6 3

Schritte zu einer besseren Methode Vorteile

1. kontinuierliche Verschiebung mehr Schätzpunkte,unzweideutig an Grenzen

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54. Deutscher Geographentag Bern 2003

Elbe, Winter, Klasse 2–31500 2000

0

5

10

15

4 12 2 6 3

Schritte zu einer besseren Methode Vorteile

1. kontinuierliche Verschiebung mehr Schätzpunkte,unzweideutig an Grenzen

2. Nutzung eines Gauss‘schen glatte SchätzkurveFensters

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54. Deutscher Geographentag Bern 2003

Elbe, Winter, Klasse 2–31500 2000

0

5

10

15

4 12 2 6 3

Schritte zu einer besseren Methode Vorteile

1. kontinuierliche Verschiebung mehr Schätzpunkte,unzweideutig an Grenzen

2. Nutzung eines Gauss‘schen glatte SchätzkurveFensters

3. kreuzvalidierte Fensterbreite minimaler Schätzfehler

Page 23: Extreme Hochwasser in Zentraleuropa seit AD 1000

54. Deutscher Geographentag Bern 2003

Elbe, Winter, Klasse 2–31500 2000

00.10 .20 .30 .4

occu

rren

ce ra

te (y

r-1)

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54. Deutscher Geographentag Bern 2003

Elbe, Winter, Klasse 2–31500 2000

00.10 .20 .30 .4

occu

rren

ce ra

te (y

r-1)

OK, wie signifikant ist

dieser Trend ??

Page 25: Extreme Hochwasser in Zentraleuropa seit AD 1000

54. Deutscher Geographentag Bern 2003

Elbe, Winter, Klasse 2–31500 2000

00.10 .20 .30 .4

occu

rren

ce ra

te (y

r-1)

1500 2000

Bootstrap-Resampling (mit Zurücklegen, gleiche Anzahl)

Page 26: Extreme Hochwasser in Zentraleuropa seit AD 1000

54. Deutscher Geographentag Bern 2003

Elbe, Winter, Klasse 2–31500 2000

00.10 .20 .30 .4

occu

rren

ce ra

te (y

r-1)

1500 2000

Bootstrap-Resampling (mit Zurücklegen, gleiche Anzahl)

Page 27: Extreme Hochwasser in Zentraleuropa seit AD 1000

54. Deutscher Geographentag Bern 2003

Elbe, Winter, Klasse 2–31500 2000

00.10 .20 .30 .4

occu

rren

ce ra

te (y

r-1)

1500 2000

Bootstrap-Resampling (mit Zurücklegen, gleiche Anzahl)

1500 2000

2. Bootstrap-Resampling

Page 28: Extreme Hochwasser in Zentraleuropa seit AD 1000

54. Deutscher Geographentag Bern 2003

Elbe, Winter, Klasse 2–31500 2000

00.10 .20 .30 .4

occu

rren

ce ra

te (y

r-1)

1500 2000

Bootstrap-Resampling (mit Zurücklegen, gleiche Anzahl)

1500 2000

2.Bootstrap-Resampling

insgesamt 2000 Bootstrap-Resamplings

Page 29: Extreme Hochwasser in Zentraleuropa seit AD 1000

54. Deutscher Geographentag Bern 2003

Elbe, Winter, Klasse 2–31500 2000

00.10.20.30.4

occu

rren

ce ra

te (y

r-1)

90% Perzentil- konfidenzband

Methode:

Cowling et al. (1996) Journal of the American Statistical Association 91: 1516–1524.

Mudelsee M (2002) Wiss. Ber. Inst. Meteorol. Univ. Leipzig 26: 149–195.

Page 30: Extreme Hochwasser in Zentraleuropa seit AD 1000

54. Deutscher Geographentag Bern 2003

1000 1200 1400 1600 1800 2000Year

0 .00 .10 .20 .30 .4

Occ

urre

nce

rate

(yr-1

)

123

Mag

nitu

de

Ergebnis: Trends in der Flutauftrittsrate

Elbe, Winter, Klasse 2–3

sparse data

LMM ?

fewer freezing !?

Mudelsee et al. (2003) Nature 425: 166–169.

Page 31: Extreme Hochwasser in Zentraleuropa seit AD 1000

54. Deutscher Geographentag Bern 2003

1200 1400 1600 1800 2000Year

0.0

0.1

0.2

0.3

Occ

urre

nce

rate

(yr-1

)

123

Mag

nitu

de

Ergebnis:

Oder, Winter, Klasse 2–3

sparse datafewer freezing !?caution !

Mudelsee et al. (2003) Nature 425: 166–169.

Page 32: Extreme Hochwasser in Zentraleuropa seit AD 1000

54. Deutscher Geographentag Bern 2003

Ergebnis:

Elbe, Sommer, Klasse 2–3

0.0

0 .1

Occ

urre

nce

rate

(yr-1

)

123

Mag

nitu

de

1000 1200 1400 1600 1800 2000Year

No upward trend

Mudelsee et al. (2003) Nature 425: 166–169.

Page 33: Extreme Hochwasser in Zentraleuropa seit AD 1000

54. Deutscher Geographentag Bern 2003

Ergebnis:

Oder, Sommer, Klasse 2–3

0.0

0.1

0.2

Occ

urre

nce

rate

(yr-1

)

123

Mag

nitu

de

1200 1400 1600 1800 2000Year

No upward trend

caution !

Mudelsee et al. (2003) Nature 425: 166–169.

Page 34: Extreme Hochwasser in Zentraleuropa seit AD 1000

54. Deutscher Geographentag Bern 2003

Zusammenschau(Mudelsee et al. (2003) Nature 425: 166–169.)

Page 35: Extreme Hochwasser in Zentraleuropa seit AD 1000

54. Deutscher Geographentag Bern 2003

Vergleich Weikinn vs. CLIMDAT

Elbe, Winter, Klasse 2–3

1000 1200 1400 1600 1800 2000Year

0.00.10.20.30.4

Occ

urre

nce

rate

(yr-1

)

123

Mag

nitu

de

CLIMDAT

Mudelsee et al. (2003) Nature 425: 166–169.

Page 36: Extreme Hochwasser in Zentraleuropa seit AD 1000

54. Deutscher Geographentag Bern 2003

1900 1950 2000

0

500

1000

0

1000

2000

Pre

cipi

tatio

n (m

m)

1900 1950 2000Year

1900 1950 2000

0

500

1000

0

1000

2000

1900 1950 2000Year

50° N , 15° E 50° N , 18.75° E

sum m er

w inter

Test auf Trend in der Auftrittsrate von 25-jährigen Maxima im monatlichen Niederschlag

Page 37: Extreme Hochwasser in Zentraleuropa seit AD 1000

54. Deutscher Geographentag Bern 2003

Reservoirgrößen-Korrektur

1920 1920.05 1920.1ye a r

0

1000

2000

3000

4000ru

noff

(m3 s

-1)

c lass 3

c lass 2

c lass 1

E lbe (D resden), W in ter225 m illion m 3

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G O O D I E S

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)]12/(1[)12(

2/)21(/)(1

ntt

ttnitu

n

i

test H0 “constant occurrence rate”

t = flood event dates, [t1; t2] = observation interval, n = data size

under H0, statistic u is standard normally distributed

e.g., u large negative means downward trend

Cox & Lewis 1966 The Statistical Analysis of Series of Events. Methuen, London.