Erforschung hydrologischer Dürreereignisse in einem großen meteorologischen Datensatz

Abflussmodellierung mit WRF-Hydro unter Verwendung bisher nicht beobachteter meteorologischer Dürreperioden

Die Vorhersage hydrologischer Dürren ist schwierig, da sie von mehreren Faktoren abhängt, die über längere Zeiträume hinweg auftreten. Viele Studien haben sich darauf konzentriert, den Übergang von meteorologischen zu hydrologischen Dürren durch die Korrelation verschiedener Trockenheitsindizes zu bestimmen. Dieser Prozess wurde für einen Abschnitt des Rheineinzugsgebiets untersucht (Efuhrt et al., 2020). Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass der hydrologische Trockenheitsindex am Oberrhein eine gute Korrelation mit dem SPEI (Standard Precipitation and Evapotranspiration Index) für die Akkumulationszeiträume von drei, sechs und zwölf Monaten aufweist.

In dieser Studie wurde der LAERTES-EU-Datensatz (Large Ensemble of Regional Climate Model Simulations for Europe) verwendet, um die Ergebnisse von Erfurt et al. (2020) zu bewerten. LAERTES-EU besteht aus einer Reihe dekadischer regionaler Klimasimulationen unter heutigen Bedingungen, die mit dem regionalen Klimamodell COSMO-CLM durchgeführt wurden. Die Simulationen variieren hinsichtlich der Auflösung der Randbedingungen und des Anfangszeitraums der Simulation. Dies führt letztendlich zu 12.000 Modelljahren meteorologischer Informationen (Ehmele et al., 2020). Die 2-Meter-Temperatur und der Niederschlag wurden in einem separaten Projekt (Ehmele et al., 2022) fehlerkorrigiert und zur Berechnung der SPEI-Werte aus dem Datensatz verwendet.

Drei Diagramme zeigen SPEI-Werte über 12 Monate für unterschiedliche Ereignisse.
Abbildung 1: Monatliche SPEI-Werte aus LAERTES-EU für Akkumulationszeiträume von 3 (a), 6 (b) und 12 (c) Monaten. Die farbigen Linien stellen die zehn extremsten Jahre dar, alle anderen Jahre sind grau dargestellt. Die roten Punkte zeigen die minimalen SPEI-Werte zur Einordnung der Extremereignisse.

Aufgrund von Einschränkungen bei der Rechenkapazität ist eine Vorauswahl von meteorologischen Dürreperioden erforderlich, um die potenzielle Ausbreitung dieser hin zu hydrologischen Dürreperioden mithilfe des WRF-Hydro zu bewerten. Hierfür wurden die zehn extremsten Ereignisse auf Grundlage des SPEI ausgewählt, die in den Akkumulationszeiträumen von drei, sechs und zwölf Monaten den niedrigsten SPEI aufweisen (Abbildung 1). Die ausgewählten Ereignisse wurden mit einem Jahr Vorlauf modelliert, um die hydrologischen Vorbedingungen im Einzugsgebiet zu berücksichtigen. 

Die simulierten Abflüsse an den sechs berücksichtigten Pegeln entlang des Rheins wurden mit dem Dürrejahr 2018 sowie mit einem Schwellenwert für die Schifffahrt (GlQ20) verglichen. Der GlQ20, auch Ersatzabfluss genannt, wird auf der Grundlage eines langjährigen Mittelwerts der 100-jährlichen Abflusswerte geschätzt (Zentrale Kommission für die Rheinschifffahrt, 2014). Er dient als Maßstab, um die Schiffbarkeit zu beurteilen und festzustellen, ob Wartungsmaßnahmen, wie das Ausbaggern des Flussbettes, erforderlich sind (Bundesanstalt für Wasserbau, 2019). Der simulierte Abfluss, der auf dem stärksten LAERTES-EU-Ereignis (nach dem SPEI-Ranking) basiert, weist sowohl absolut als auch für eine längere Dauer (etwa 120 Tage) Werte auf, die unter denen des Jahres 2018 bzw. unter dem GlQ20 liegen. Ähnliche Ergebnisse werden mit den anderen neun ausgewählten Dürreereignissen in LAERTES-EU erzielt (nicht gezeigt). Diese Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass der SPEI ein geeigneter Parameter ist, um die Ausbreitung von meteorologischen zu hydrologischen Dürreereignissen im Rheineinzugsgebiet zu bewerten.

Diagramm der Durchflussdaten an sechs Rheinstandorten, Basel bis Lobith.
Abbildung 2: Ganglinien des täglichen Abflusses, simuliert aus dem an erster Stelle gelisteten LAERTES-EU-Ereignis (blau) und der Dürre im Jahr 2018 (grau), ermittelt an sechs Pegeln im Rheineinzugsgebiet. Die rote Linie stellt die Navigationsschwelle GlQ20 dar.

Referenzen

Ehmele, F., Kautz, L.-A., Feldmann, H., & Pinto, J. G. (2020). Long-term variance of heavy precipitation across central Europe using a large ensemble of regional climate model simulations. Earth System Dynamics, 11(2), 469–490. https://doi.org/10.5194/esd-11-469-2020.

Ehmele, F., Kautz, L.-A., Feldmann, H., He, Y., Kadlec, M., Kelemen, F. D., Lentink, H. S., Ludwig, P., Manful, D., & Pinto, J. G. (2022). Adaptation and application of the large LAERTES-EU regional climate model ensemble for modeling hydrological extremes: A pilot study for the Rhine basin. Natural Hazards and Earth System Sciences, 22(2), 677–692. https://doi.org/10.5194/nhess-22-677-2022.

Erfurt, M., Skiadaresis, G., Tijdeman, E., Blauhut, V., Bauhus, J., Glaser, R., Schwarz, J., Tegel, W., & Stahl, K. (2020). A multidisciplinary drought catalogue for southwestern Germany dating back to 1801. Natural Hazards and Earth System Sciences, 20(11), 2979–2995. https://doi.org/10.5194/nhess-20-2979-2020.

Federal Waterways Engineering and Research Institute (2019). Equivalent water level. https://wiki.baw.de/en/index.php/Equivalent_water_level. Access: 01.04.2025.

Zentralkomission für die Rheinschifffahrt (2014). Herbstsitzung 2014 Angenommene Beschlüsse (2014-II). https://www.ccr-zkr.org/files/documents/resolutions/ccr2014_IId.pdf

Zugehöriges Institut am KIT: Institut für Meteorologie und Klimaforschung Troposphärenforschung (IMKTRO)
Autoren: Andrea Campoverde Márquez, Patrick Ludwig (Mai 2025)