TY - JOUR A1 - Bürger, Gerd A1 - Pfister, Angela A1 - Bronstert, Axel T1 - Zunehmende Starkregenintensitäten als Folge der Klimaerwärmung T1 - Increasing intensity of heavy rainfall caused by global warming BT - Datenanalyse und Zukunftsprojektion BT - data analysis and future projections JF - Hydrologie und Wasserbewirtschaftung : HyWa = Hydrology and water resources management, Germany / Hrsg.: Fachverwaltungen des Bundes und der Länder N2 - Extreme rainfall events of short duration in the range of hours and below are increasingly coming into focus due to the resulting damage from flash floods and also due to their possible intensification by anthropogenic climate change. The current study investigates possible trends in heavy rainfall intensities for stations from Swiss and Austrian alpine regions as well as for the Emscher-Lippe area in North Rhine-Westphalia on the basis of partly very long (> 50 years) and temporally highly resolved time series (<= 15 minutes). It becomes clear that there is an increase in extreme rainfall intensities, which can be well explained by the warming of the regional climate: the analyses of long-term trends in exceedance counts and return levels show considerable uncertainties, but are in the order of 30 % increase per century. In addition, based on an "average" climate simulation for the 21st century, this paper describes a projection for extreme precipitation intensities at very high temporal resolution for a number of stations in the Emscher-Lippe region. A coupled spatial and temporal "downscaling" is applied, the key innovation of which is the consideration of the dependence of local rainfall intensity on air temperature. This procedure involves two steps: First, large-scale climate fields at daily resolution are statistically linked by regression to station temperature and precipitation values (spatial downscaling). In the second step, these station values are disaggregated to a temporal resolution of 10 minutes using a so-called multiplicative stochastic cascade model (MC) (temporal downscaling). The novel, temperature-sensitive variant additionally considers air temperature as an explanatory variable for precipitation intensities. Thus, the higher atmospheric moisture content expected with warming, which results from the Clausius-Clapeyron (CC) relationship, is included in the temporal downscaling.
For the statistical evaluation of the extreme short-term precipitation, the upper quantiles (99.9 %), exceedance counts (P > 5mm), and 3-yr return levels of the <= 15-min duration step has been used. Only by adding temperature is the observed temperature observed of the extreme quantiles ("CC scaling") well reproduced. When comparing observed data and present-day simulations of the model cascade, the temperature-sensitive procedure shows consistent results. Compared to trends in recent decades, similar or even larger increases in extreme intensities are projected for the future. This is remarkable in that these appear to be driven primarily by local temperature, as the projected trends in daily precipitation values are negligible for this region. N2 - Extreme Regenereignisse von kurzer Dauer im Bereich von Stunden und darunter rücken aufgrund der dadurch bedingten Schäden durch Sturzfluten und auch wegen ihrer möglichen Intensivierungen durch den anthropogenen Klimawandel immer stärker in den Fokus. Die vorliegende Studie untersucht auf Basis von teilweise sehr langen (> 50 Jahre) und zeitlich hochaufgelösten Zeitreihen (≤ 15 Minuten) mögliche Trends in Starkregenintensitäten für Stationen aus schweizerischen und österreichischen Alpenregionen sowie für das Emscher-Lippe-Gebiet in Nordrhein-Westfalen. Es wird deutlich, dass es eine Zunahme der extremen Niederschlagsintensitäten gibt, welche gut durch die Erwärmung des regionalen Klimas erklärt werden kann: Die Analysen langfristiger Trends der Überschreitungssummen und Wiederkehrniveaus zeigen zwar erhebliche Unsicherheiten, lassen jedoch eine Zunahme in einer Größenordnung von 30 % pro Jahrhundert erkennen. Zudem wird in diesem Beitrag, basierend auf einer "mittleren" Klimasimulation für das 21. Jahrhundert, für ausgewählte Stationen der Emscher-Lippe-Region eine Projektion für extreme Niederschlagsintensitäten in sehr hoher zeitlicher Auflösung beschrieben. Dabei wird ein gekoppeltes räumliches und zeitliches "Downscaling" angewendet, dessen entscheidende Neuerung die Berücksichtigung der Abhängigkeit der lokalen Regenintensität von der Lufttemperatur ist. Dieses Verfahren beinhaltet zwei Schritte: Zuerst werden großräumige Klimafelder in täglicher Auflösung durch Regression mit den Temperatur- und Niederschlagswerten der Stationen statistisch verbunden (räumliches Downscaling). Im zweiten Schritt werden dann diese Stationswerte mithilfe eines sogenannten multiplikativen stochastischen Kaskadenmodells (MC) auf eine zeitliche Auflösung von 10 Minuten disaggregiert (zeitliches Downscaling). Die neuartige, temperatursensitive Variante berücksichtigt zusätzlich die Lufttemperatur als erklärende Variable für die Niederschlagsintensitäten. Dadurch wird der mit einer Erwärmung zu erwartende höhere atmosphärische Feuchtegehalt, welcher sich aus der Clausius-Clapeyron-Beziehung (CC) ergibt, mit in das zeitliche Downscaling einbezogen. Für die statistische Auswertung der extremen kurzfristigen Niederschläge wurden die oberen Quantile (99,9 %), Überschreitungssummen (ÜS, P > 5 mm) und 3-jährliche Wiederkehrniveaus (WN) einer Dauerstufe von ≤ 15-Minuten betrachtet. Diese Auswahl erlaubt die gleichzeitige Analyse sowohl von Extremwertstatistiken als auch von deren langfristigen Trends; leichte Abweichungen von dieser Wahl beeinflussen die Hauptergebnisse nur unwesentlich. Nur durch die Hinzunahme der Temperatur wird die beobachtete Temperaturabhängigkeit der extremen Quantile (CC-Scaling) gut wiedergegeben. Bei Vergleich von Beobachtungsdaten und Gegenwartssimulationen der Modellkaskade zeigt das temperatursensitive Verfahren konsistente Ergebnisse. Im Vergleich zu den Entwicklungen der letzten Jahrzehnte werden für die Zukunft ähnliche oder sogar noch stärkere Anstiege der extremen Niederschlagsintensitäten projiziert. Dies ist insofern bemerkenswert, als diese anscheinend hauptsächlich durch die örtliche Temperatur bestimmt werden, denn die projizierten Trends der Niederschlags-Tageswerte sind für diese Region vernachlässigbar. KW - heavy rainfall KW - short duration KW - global warming KW - Clausius-Clapeyron KW - equation KW - precipitation intensity KW - multiplicative cascade model KW - Strakregen KW - kurzfristige Dauerstufe KW - Klimawandel KW - Clausius-Clapeyron-Gleichung KW - Niederschlagsintensitäten KW - Multiplikatives Kaskadenmodel Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.5675/HyWa_2021.6_1 SN - 1439-1783 SN - 2749-859X VL - 65 IS - 6 SP - 262 EP - 271 PB - Bundesanst. für Gewässerkunde CY - Koblenz ER -