Markus Böttle

• The sea level rise induced intensification of coastal floods is a serious threat to many regions in proximity to the ocean. Although severe flood events are rare they can entail enormous damage costs, especially when built-up areas are inundated. Fortunately, the mean sea level advances slowly and there is enough time for society to adapt to the changing environment. Most commonly, this is achieved by the construction or reinforcement of flood defence measures such as dykes or sea walls but also land use and disaster management are widely discussed options. Overall, albeit the projection of sea level rise impacts and the elaboration of adequate response strategies is amongst the most prominent topics in climate impact research, global damage estimates are vague and mostly rely on the same assessment models. The thesis at hand contributes to this issue by presenting a distinctive approach which facilitates large scale assessments as well as the comparability of results across regions. Moreover, we aim to improve the generalThe sea level rise induced intensification of coastal floods is a serious threat to many regions in proximity to the ocean. Although severe flood events are rare they can entail enormous damage costs, especially when built-up areas are inundated. Fortunately, the mean sea level advances slowly and there is enough time for society to adapt to the changing environment. Most commonly, this is achieved by the construction or reinforcement of flood defence measures such as dykes or sea walls but also land use and disaster management are widely discussed options. Overall, albeit the projection of sea level rise impacts and the elaboration of adequate response strategies is amongst the most prominent topics in climate impact research, global damage estimates are vague and mostly rely on the same assessment models. The thesis at hand contributes to this issue by presenting a distinctive approach which facilitates large scale assessments as well as the comparability of results across regions. Moreover, we aim to improve the general understanding of the interplay between mean sea level rise, adaptation, and coastal flood damage. Our undertaking is based on two basic building blocks. Firstly, we make use of macroscopic flood-damage functions, i.e. damage functions that provide the total monetary damage within a delineated region (e.g. a city) caused by a flood of certain magnitude. After introducing a systematic methodology for the automatised derivation of such functions, we apply it to a total of 140 European cities and obtain a large set of damage curves utilisable for individual as well as comparative damage assessments. By scrutinising the resulting curves, we are further able to characterise the slope of the damage functions by means of a functional model. The proposed function has in general a sigmoidal shape but exhibits a power law increase for the relevant range of flood levels and we detect an average exponent of 3.4 for the considered cities. This finding represents an essential input for subsequent elaborations on the general interrelations of involved quantities. The second basic element of this work is extreme value theory which is employed to characterise the occurrence of flood events and in conjunction with a damage function provides the probability distribution of the annual damage in the area under study. The resulting approach is highly flexible as it assumes non-stationarity in all relevant parameters and can be easily applied to arbitrary regions, sea level, and adaptation scenarios. For instance, we find a doubling of expected flood damage in the city of Copenhagen for a rise in mean sea levels of only 11 cm. By following more general considerations, we succeed in deducing surprisingly simple functional expressions to describe the damage behaviour in a given region for varying mean sea levels, changing storm intensities, and supposed protection levels. We are thus able to project future flood damage by means of a reduced set of parameters, namely the aforementioned damage function exponent and the extreme value parameters. Similar examinations are carried out to quantify the aleatory uncertainty involved in these projections. In this regard, a decrease of (relative) uncertainty with rising mean sea levels is detected. Beyond that, we demonstrate how potential adaptation measures can be assessed in terms of a Cost-Benefit Analysis. This is exemplified by the Danish case study of Kalundborg, where amortisation times for a planned investment are estimated for several sea level scenarios and discount rates.…
• Viele Regionen in Küstennähe sehen sich durch den Anstieg des mittleren Meeresspiegels einer erhöhten Hochwassergefahr ausgesetzt und die zunehmende Intensität extremer Flutereignisse stellt eine ernstzunehmende Bedrohung dar. Vor allem bei der Überschwemmung bebauter Gebiete können die resultierenden Schäden ein gewaltiges Ausmaß erreichen. Glücklicherweise steigt der mittlere Meeresspiegel langsam und es bleibt ausreichend Zeit sich an die verändernden Umweltbedingungen anzupassen. Dies geschieht üblicherweise durch den Bau oder die Verstärkung von Hochwasserschutzmaßnahmen wie z. B. Deichen oder Ufermauern aber auch angepasste Raumplanung und Katastrophenschutz sind vieldiskutierte Lösungsansätze. Obwohl die Folgenabschätzung des Meeresspiegelanstieges und die Entwicklung von entsprechenden Antwortstrategien zu den bedeutendsten Themen der Klimafolgenforschung gehören, bleiben globale Schadensschätzungen vage und stützen größtenteils auf den gleichen, wenigen Bewertungsmodellen. Diesem Umstand wollen wir mit der vorliegenden ArbeitViele Regionen in Küstennähe sehen sich durch den Anstieg des mittleren Meeresspiegels einer erhöhten Hochwassergefahr ausgesetzt und die zunehmende Intensität extremer Flutereignisse stellt eine ernstzunehmende Bedrohung dar. Vor allem bei der Überschwemmung bebauter Gebiete können die resultierenden Schäden ein gewaltiges Ausmaß erreichen. Glücklicherweise steigt der mittlere Meeresspiegel langsam und es bleibt ausreichend Zeit sich an die verändernden Umweltbedingungen anzupassen. Dies geschieht üblicherweise durch den Bau oder die Verstärkung von Hochwasserschutzmaßnahmen wie z. B. Deichen oder Ufermauern aber auch angepasste Raumplanung und Katastrophenschutz sind vieldiskutierte Lösungsansätze. Obwohl die Folgenabschätzung des Meeresspiegelanstieges und die Entwicklung von entsprechenden Antwortstrategien zu den bedeutendsten Themen der Klimafolgenforschung gehören, bleiben globale Schadensschätzungen vage und stützen größtenteils auf den gleichen, wenigen Bewertungsmodellen. Diesem Umstand wollen wir mit der vorliegenden Arbeit Rechnung tragen und präsentieren einen eigenen Ansatz, der sowohl großskalige Abschätzungen als auch überregionale Vergleichbarkeit ermöglicht. Darüber hinaus leisten wir einen Beitrag zum allgemeinen Verständnis des Zusammenspiels zwischen dem mittleren Meeresspiegel, Anpassungsmaßnahmen und Flutschäden. Unser Vorhaben basiert auf zwei Grundbausteinen. Zum einen sind das makroskopische Flutschadensfunktionen, d. h. Schadensfunktionen zur Bestimmung des gesamten monetären Schadens in einem vorgegebenen Gebiet (z. B. einer Stadt) der durch eine Flut gewissen Ausmaßes verursacht wird. Dazu stellen wir einen systematischen Ansatz zur automatisierten Ermittlung solcher Kurven vor und bestimmen damit die Schadensfunktionen für 140 europäische Städte. Diese können sowohl für individuelle Schadensabschätzungen als auch für vergleichende, überregionale Studien herangezogen werden. Darüber hinaus ermöglicht die große Anzahl an Kurven eine grundlegende Charakterisierung des Anstieges der Schadensfunktion mit Hilfe eines funktionalen Modells. Das vorgeschlagene Modell ist im Allgemeinen s-förmig, weist jedoch für die relevanten Fluthöhen einen potenzgesetzartigen Anstieg auf und wir erhalten für die untersuchten Städte einen durchschnittlichen Exponenten von 3,4. Zur späteren Beschreibung der allgemeinen Zusammenhänge aller beteiligten Größen ist dieses Ergebnis von entscheidender Bedeutung. Der zweite grundlegende Baustein dieser Arbeit ist die Extremwerttheorie mittels derer wir das Auftreten von Flutereignissen schätzen und die in Verbindung mit einer Schadensfunktion die Wahrscheinlichkeitsverteilung der auftretenden Schäden im untersuchten Gebiet liefert. Da alle relevanten Parameter als variabel angenommen werden, bietet der beschriebene Ansatz größtmögliche Flexibilität und lässt sich auf beliebige Regionen anwenden. In Kopenhagen, beispielsweise, stellen wir bei einem Anstieg des mittleren Meeresspiegels von lediglich 11 cm bereits eine Verdopplung des jährlichen, zu erwarteten Schadens fest. Des Weiteren gelingt es uns, allgemeingültige funktionale Beziehungen zwischen den erwarteten Flutschäden und dem mittleren Meeresspiegel, sich verändernden Sturmbedingungen, sowie vorhandenen Schutzhöhen abzuleiten. Damit sind wir in der Lage, zukünftige Flutschäden auf Grundlage nur weniger Parameter zu schätzen: dem bereits erwähnten Exponenten der Schadensfuntion sowie den Extremwertparametern. Ähnliche Untersuchungen stellen wir zur Quantifizierung der aleatorischen Unsicherheit dieser Schätzungen an, wobei wir unter anderem einen Rückgang der Unsicherheit mit steigendem Meeresspiegel feststellen. Schlussendlich zeigen wir wie potenzielle Anpassungsmaßnahmen mit Hilfe einer Kosten-Nutzen-Analyse bewertet werden können. Dies wird anhand der dänischen Fallstudie Kalundborg veranschaulicht, für die wir die Amortisierungszeiten einer geplanten Investition für verschiedene Meeresspiegelszenarien und Diskontierungsraten untersuchen.…