climate-change; status-quo; causes; risks; future hazard...

climate-change; status-quo; causes; risks; future hazard developments + a procedure securing assets in a resilient and effective way

Matulla, Schmid, Enigl, Mansberger, Frank, Schlögl, Schnetzer and Lehner

Climate Impact Team, Climate Research Branch, ZAMGFederal Ministry of Sustainability and Tourism, BMNTInst.o f Meteorology and Geopysics, Universtiy of Vienna

Klimawandel-getriebene Schadereignisse, Verluste, Auslöser und künftige Risiko-Entwicklungskorridore

+ ein Verfahren zur Unterstützung der Entscheidungsträger

bei der vorrausschauenden Planung nachhaltiger* und effizienter Projekte im Bevölkerungsschutz.

*Berücksichtigung der Zukunft bezogen auf zu erwartende Entwicklungen

5 facts on climate change + what’s climate compared to weather1. over the last million yrs global temperatures varied 10 °C between ice ages and warm periods (inter-stadials)

~10°C

2. in stadials CO2 concentrations have been about 190 ppm, while in inter-stadials 290 ppm have been reached

4. mankind is much most vulnerable to changes in extremes (!)

5. the rise in temperature Würm-Holocene took place over a very short period of time - our pace is ~20 times faster

3. CO2 lets pass stellar energy down to the surface, but hampers energy from the surface escaping back to space

+ Climate is the statistics of weather over some decades

significant challenges come with changes in extremesAll over the world, an increasing number of weather-induced damage events can be observed. They are reportedlydue to enhanced frequencies and intensities of previously scarce weather pattern. This raises consciousnessamong federal officials and industry executives responsible for public protection and security of supplies.

Increasing casualties and losses to society,ecosystems, socio-economics, infrastructurepose the question of how to keep up levels ofcivil protection and supply chain functioningcan be sustained in the decades to come.

Mitigation (covered by Prof. McKinnon) as well as adaption/protection against enhanced threat-levels (that havealready been experienced by now and will likely continue to rise) are two strategies which both need to bepursued simulataneously in the face of climate change.

Here I focus on the latter and will present also a new procedure supporting anticipatory decision-making forsustainably, efficiently safeguarding human lives, investments (or other assets threatened by extreme events).Pertaining research was largely carried out in three theses (finished, submitted to highest-ranking, peer-reviewedscientific journals), which were part of a cooperation between ministry officials responsible for public protection(BMNT), the University of Vienna and the Climate Impact Team (CIT) at the Climate Research Branch KLFOR, ZAMG

strategies how to tackle climate change impacts & challenges

dealing with climate change impacts - protecting what’s worth it

Before a substantial investment is made, it should be ensured that the financed project or product will actually last for the entire period required for the return on investment.

On the example of the (so far) mostcomprehensive population protectionproject in Austria after WWII, thefollowing slides will touch questions ofthe following kind: Which hazardprocesses are to be taken care off?What needs most protection (is mostvulnerable)? Are these hazards linkedto weather? If so, which weatherprocesses trigger them? how couldthese weather events change in thenear and more remote future(according to latest and mostestablished research)? What protectionstrategies are available? How to arriveat the best decision possible?

a very flexible procedure - applicable to threat- defense in general

1. Generation ‘event space’ from WLV, GBA, VIOLA

2. Blending ‘event space’ with SPARTACUS

3. Derivation of CIs (weather-developments triggering hazards)

4. Linking the scales (Optimizationproblem)

6. Downscaling RCPs/GCM Ensembles & Determination of future hazard-corridors

5. Selection of RCPs -Pathways and thereby driven GCM runs

7. Establish procedure (based on decision + probability theory) to support decision-makers

8. Derivation of ranking amongst potential protection strategies

Ziele & Inhalte der 3 folgenden Präsentationen - P1: 1,2,3 , P2: 4,5 , P3: 6,7,8

Etablierung der umfangsreichsten Datenbasis wetterinduzierter Schadereignisse

Detektion regionaler Wetterentwicklungen, die diese Prozesse auslösen

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Motivation

• Zunahme wetterinduzierter Schadprozesse weltweit (IPCC, 2018)Herausforderung für Gesellschaft insgesamt. Hier wegen Signifikanz undKooperationen: Bevölkerungsschutz + europ. Transport, Fracht & Logistik(Matulla et al. 2017, Schlögl & Matulla 2018) enger Austausch mitVerantwortlichen und führenden Unternehmen sind Anlaß für die Arbeiten

• Globaler T-Anstieg um 1°C, im Alpenraum um 2°C (Auer et al, 2007)

• Extremereignisse denen im Bevölkerungsschutz + europ. Transp., F&L

Industrie besondere Bedeutung zukommt (schadinduzierendes Wetter – CIs)

• Schadereignisse: Hochwasser, gravitative Massenbewegungen, Hitzewellen



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Anforderungen

• Zur Bestimmung von CIs sind Beobachtungen zu Wetter und Schadereignissen erforderlich:

1. von hoher Qualität und in großem Umfang (statistische Signifikanz)2. die sich über viele Jahrzehnte erstrecken (Definition und Δ)

diese Anforderungen werden so gut wie nie erfüllt

Beispiele aus der Literatur:1. Guzetti et al. (1994, 2007, 2008): Erstellung eines Katalogs von durch

Niederschlag induzierte Hangrutschungen in Italien (753 Ereignisse)2. Ableitung von Niederschlagsschwellwerten, die zum Ereignis geführt

haben (Guzetti et al, 2007; Brunetti et al, 2010; Melillo et al, 2015)



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Ergebnisse: „event space“

• Unter dem Dach des BMNT aggregiert aus qualitativ hochwertigen, viele Dekaden umfassenden Ereignisdatenbasen dreier Behörden deren Erhebungen sich entsprechend den gesetzlichen Aufgaben nachgeordneter ergänzen

• > 20.000 Ereignisse!

• Zeitraum umfasst mehr als zwei vollständige Klimaperioden (7 Dekaden)



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Verschneidung mit meteorologischen Daten & Qualitätskontrolle

• Technisch: gleiche Projektion, gleiches Datumsformat

• Elimination von doppelt erfassten Ereignissen

sehr wenig Überlappungen (< 1%)

• Drei bestehende Ereignisdatenbanken: WLV, GBA, VIOLA

Ereigniskataster weisen eine ausgezeichnete Qualität aus und ergänzen einander bei kleinem Durchschnitt sehr gut

• Zeitraum: 1950 – Oktober 2017



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Verwendete Regionen• Unterteilung in Niederschlagsregionen (Auer et al. 2007, Matulla et al.

2003, Ehrendorfer 1987)

• orographisch, klimatologisch

unterschiedliche Regionen:

1. Alpine Territory (AT)

2. Northern Lowlands (NL)

3. Southern BasinChain (SB)



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Ableitung der CIs

• Für jeden Schadprozess in jeder Kategorie und jeder Region:

1. Bestimmung des nächsten SPARTACUS-Gitterpunkts und seiner 4

Nachbarn

2. Mittelwertbildung der Niederschlagssummen über diese Gitterpunkte

3. Betrachtung von 8-Tages-Sequenzen (Mittel am Ereignistag und

an den sieben Tagen davor: TD bis TD-7; Matulla et al, 2008)

• Bestimmung der Eigenwerte und Eigenrichtungen mit EOF Analyse (von

Storch und Zwiers, 1999)



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Ergebnisse: CIs für Hochwasser im AT

AT



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Conclusio• Bisher umfassendste Datenbank zu wetterinduzierten Schadereignissen

• Eindeutigkeit der CIs für jedes Schadereignis in jeder Region

• Konsistent mit bisherigen Studien (innere Homogenität und äußere Separation

der Regionen)

• Anwendung für verschiedenste Klimaszenarien, zur Eruierung der Entwicklung

von wetterinduzierten Schadereignissen, möglich: Kopplung von möglichen,

zukünftigen Klimaszenarien mit damit einhergehenden Änderungen der Häufigkeit

von Schadereignissen auf regionaler Skala

Optimierungsproblem und Generierung von Ensembles 15/45

Alpine Territory (AT)

Northern Lowlands (NL)

Southern Basins (SB)


Downscaling

Optimierungsproblem

GCMs

DD oder ESD


“captured information” “Coherence”

ESD



ESD


Experiment 1 Experiment 2


Geographisches Fenster


Conclusio

• Geographisches Fenster für ESD nicht frei wählbar

• Zentren der Wetterentwicklung (Feuchtequellen) unterschiedlichen Einfluss auf LOSC der

3 betrachteten Regionen AT, NL, SB

• Es gibt ein einziges (!) optimales Fenster zur sinnvollen Anwendung der AM unter

Berücksichtigung des Infimum und Supremum (von Storch 1993, van den Dool 1994) für

alle 3 Regionen zugleich

• Wenn in Alpen anwendbar, dann auch in weniger komplizierten Regionen

Effiziente Implementierung nachhaltiger Schutzstrategien –

Aufrechterhaltung des hohen Niveaus im Bevölkerungsschutz im Klimawandel der kommenden Dekaden

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Bevölkerungschutzprojekt: Machland Nord

Topographische Lage seit jeher anfällig für HW

Schwere Hochwasser in den Jahren 1991, 2002 und 2013

Schutzstrategien: Linear L, Retention R und Absiedelung A

Timetable:

1991: Hochwasser, Absiedelung von 33 Objekten entlang der Donau

2002: Jahrhunderthochwasser in Österreich, aktueller

Hochwasserschutz war nicht (mehr) ausreichend. Initiation des

Jahrhundertprojektes ‘Machland Nord‘ (2008-2015)

2008-2015: Beteiligung aller 7 Gemeinden. Realisierung von

Hochwasserschutzmaßnahmen verschiedener Schutzklassen (HQ30,

HQ100). Referenz: 2002



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Bevölkerungschutzprojekt: Machland Nord

Eines der komplexesten, ressourcenintensivsten

Hochwasserschutzprojekte in Österreich.

Insgesamt wurden knapp 265 Mio. € innerhalb von 25 Jahren in

den Hochwasserschutz investiert (LRH, 2014).

Sieben betroffen Gemeinden 35 km entlang der Donau.

Realisierung von 3 Schutzstrategien „Machland Nord“ (2008-

2015):

Absiedelung (220 Objekte, ca. 85 Mio. €)

Retentionsverbauung (8.7 km, ca. 15 Mio. €)

Lineare Verbauung (36 km, ca. 165 Mio. €)

Abbildungen: Baulose 1-8 des HWS Projektes „ Machland Nord“

sowie dazu passende Gefahrenzonenkarte aus dem Projekt „Danube

Floodrisk“.



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Gefahrenkorridore für Hochwasser im Machland bis 2100

RCP-Szenarien & Climate Indices

Hochwasser EOFs (by Enigl)Abbildungen: Mittlere Entwicklung von Hochwasserereignissen in den ‚Northern Lowlands‘ bis 2100 für die nahe

(2035-2065) und ferne (2071-2100) Zukunft der drei Zukunftsszenarien RCP2.6, RCP4.5 und RCP8.5.



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Die Entscheidungstheorie

Entscheidung unter Unsicherheit

In der Entscheidungstheorie ist es oft von Vorteil monetäre Daten in Nutzenwerte umzuwandeln. Dies geschieht mit sogenannten Nutzenfunktionen u (Portfoliomanagement I & II).

Entscheidung unter Ungewissheit (Wsl. der Umweltzustände nicht bekannt)

Entscheidung unter Risiko (Wsl. der Umweltzustände bekannt)

Risikoaversion (konkaver Kurvenverlauf)

Risikoneutralität (linearer Kurvenverlauf)

Risikofreudigkeit (konvexer Kurvenverlauf)

Abbildung: Verläufe der

drei Nutzenfunktionen u

(Portfoliomanagement I).



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Abbildung: Mittlere Entwicklung von Hochwasserereignissen in den ‚Northern Lowlands‘ bis 2100 für die nahe (2035-2065) und ferne (2071-2100) Zukunft der drei

Zukunftsszenarien RCP2.6, RCP4.5 und RCP8.5.

RCP2.6 4.5 8.5 RCP2.6 4.5 8.5

Eintrittswahrscheinlichkeit 8% 30% 62% 30% 60% 10%

Absiedelung u(e11) u(e12) u(e13) u(e14) u(e15) u(e16)

Retention u(e21) u(e22) u(e23) u(e24) u(e25) u(e26)

Linear u(e31) u(e32) u(e33) u(e34) u(e35) u(e36)

Die Eintrittswahrscheinlichkeiten basieren auf Diskussionen mit Angestellten des PIC, abgeleitet aus den EU-

Klimazielen, nationalen Klimazielen, etc.

Anwenden von verschiedenen Entscheidungsregeln:

+ von Neuman-Morgenstern + Hurwicz + Savage-Niehans

Die Entscheidungstheorie



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Tabelle 2: Nutzenergebnisse mit Ranking für die drei Strategien bewertet nach den Entscheidungsregeln von von-Neumann-Morgenstern,

Hurwicz (λ = 0,3 [pessimistisch] und 0,7 [in Klammer, optimistisch]) sowie der Savage-Niehans Regel.

Vgl. Hochwasserrichtlinie (2007/60/EG):

„Bei den Hochwasserrisikomanagementplänen sollte der Schwerpunkt auf Vermeidung, Schutz und Vorsorge liegen. Um den Flüssen mehr Raum zu

geben, sollten in den Plänen, sofern möglich, der Erhalt und/oder die Wiederherstellung von Überschwemmungsgebieten ....“



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Conclusion

Die Hochwasser-Gefahren-Korridore verändern sich unterschiedlich je nach RCP und betrachtetem Zeithorizont.

Dieses Verfahren erlaubt die Berücksichtigung zukünftiger Veränderungen der Risikolandschaft (Hazard-

Korridoren), ist flexibel (Risikoaffinität, verschiedene Bewertungen der Menschheitspfade, usw. ) und kommt auf

Basis des ‚state of the art‘ zu einem klaren Ergebnis.

Das Bernoulli Prinzips gestattet die Behandlung des Nutzens von Handlungsoptionen im Gegensatz zu einer rein

monetären Bewertung. Der Nutzen hier ist: Sicherung des gegenwärtigen hohen Schutzniveaus in Zukunft.

Verschiedene Entscheidungsregeln führen zu einem übereinstimmenden Ergebnis. Dieses auf

Entscheidungstheorie basierende Verfahren erlaubt eine sinnvolle Unterstützung der verantwortlichen

Entscheidungsträger bei der Entscheidungsfindung.

Danke für Ihre Aufmerksamkeit

‘event space’ + Derivation of weather (CIs) causing damage processes

1: Establishing Austria’s largest ‘event space’. Under the umbrella of BMNT, we were able to integrate the three most comprehensive cadastres of damage processes ( >20.000 events since 1950). A high-quality, solid database is of outstanding importance. Daily weather observations are provided on a 1 km grid.

2: Blending threats withregional scale weather –considering weather on theday of occurrence and theevolution over the weekprior the event.

The 2nd row shows thethree leading temporalpattern triggering landslidesin the Alipne Territory (blueregion). Precipitation totalson the day before the eventcarry much significance.This degree of detail hasn’tbeen achieved before.

Pathways of mankind + Generation of regional scale climate projections 3. In international collaborations so called ‘Representative Concentration Pathways of mankind have been designed e.g. ’business as usual’, ‘first measures’, ‘2°C goal – COP21, Paris’, which we are considering here.

4. In order to provide physically consistent ensembles of projections for each RCP on the regional scale we had to solve a optimization problem under boundary conditions (‘coherence’ and ‘captured information’). This was achieved through about 1000 numerical experiments.

large-scale windows (capturing synoptic dynamics) of various sizes (left, bottom) are centered at 24points on three parallels (left, top). Associated model performances are evaluated & assessed (below).

Design of a (decision & probability theory based) procedure supporting key executives

Decision making under risk; Application of the Bernoulli-Principle (used e.g. in portfolio management) assessing the utility of various alternatives how to implement protection measures (instead of solely monetary weigths) allowing for different kinds of risk perception (left, top2bottom: risk-aversion, risk-affinity).

Once potential future states and associated probabilities of occurrence are established several decision rules (Laplace, Savage-Niehans, von Neumann-Morgenstern, Hurwitz) are applied in order derive a ranking and single out the most suitable alternative.

RCP2.6 RCP4.5 RCP8.5 RCP2.6 RCP4.5 RCP8.5

Expected probability 8% 30% 62% 30% 60% 10%

relocation u(e11) u(e12) u(e13) u(e14) u(e15) u(e16)

retention u(e21) u(e22) u(e23) u(e24) u(e25) u(e26)

linear u(e31) u(e32) u(e33) u(e34) u(e35) u(e36)

near future more remote future

civil protection project‘Machland (Nord)‘

Machland region - prone to flooding;

seven communities 35 km along the

Danube affected.

1991: heavy flood, start of programme:33 residences re-located.2002: historic flooding in Austria, current flood defences no longer sufficient. Initiation of the project of the century ‘Machland Nord‘.2008-2015: Participation of all 7 municipalities. Implementation of flood protection measures of several classes (HQ30, HQ100). Reference: 2002

Application to Austria’s most extensive project in public protection since WWII

About € 265 million invested in flood protection. Implementation of 3 protection measures: linear L, retention R, relocation A

A 220 objects, aprox. 85 Mio. € R 8.7 km, aprox. 15 Mio. € L 36 km, aprox. 165 Mio. €

Derivation of hazard-development-corridors in the decades to come

Please recall the CIs derived earlier as well as the ensembles of regional-scale climate projections pertaining to the considered pathways of mankind: ’business as usual’, ‘first measures’, ‘2°C goal – COP21, Paris’

Now we analyze the ensembles in terms of CI occurrences. Results shown refer to the Machland region and depict courses of potential damaging floodings until 2100. In the past (1980-2010) and on average 8 flooding events hit each year. Solid lines refer to ensemble-means and shaded areas indicate bands containing 68% of corresponding projections. Please note: while 8 events/year can be treated as temporarly well separated, 23+ cannot (‘double hit’).

Findings of the procedure designed to support key executives

Since we are dealing with public protection we have adopted no-risk perception and imposed the condition tosustain current high levels in protection in the decades to come. The goal was to identify the most efficientstrategy that would accomplish this task under changed threat levels driven by climate change.

Results shown below refer to two time horizons – the near future (2035-2065, orange frame) and the moreremote future (2017-2100, red frame) and rely on a survey on the likelihood of the employed pathways ofmankind as well as on data on expenses associated with the implementation of the protection measures (linearL, retention R, relocation A). While in the near future implementing retention measures is slightly more advisablethan relocation, this changes when taking into account longer periods of time. Towards the end of this centuryrelocation clearly outperforms both other alternatives.

This is of importance becauseimplemented infrastructuresare characterized by long life-cycles and by now already asubstantial fraction of thebudget available for civilprotection is tied up in themaintenance of protectivestructures in place.

1. Sufficient amounts of homogeneous, long-term, spatio-temporal high resolved kadasters comprising threats, damages and losses as well as weather data of the same kind.

2. Detection of weather sequences (‘CIs’) causing hazard processes (multivariate analyses).3. Selection of different future pathways of mankind and associated climate responses calculated by Global

Climate Models (available from several large climate computing centers around the globe).4. Downscaling of ensembles of these GCM realizations pertaining to various pathways of mankind – i.e.

generation of sets of regional scale climate change scenarios.5. Identification of CI occurrences in regional scale ensembles > derivation of future hazard-development

corridors – these define future impact-levels that protection structures/measures have to withstand in order to be sustainable (otherwise they are inadequate, need replacement and turn out as loss).

6. Establishment of a procedure supporting those in charge. Our procedure is based on mathematical decision theory and probability. However, significant input (strategies, …) comes from those responsible and experienced in the particular field focus is on. As such this input relies on the expertise and knowledge of those in charge.

7. If all that’s on hand our procedure allows to single out sustainable and efficient strategies implementing most suitable protection measures.

8. Results have been presented 23 times at conferences etc. and will be published in peer-reviewed journals.

this approach is very flexible – applicable to multifarious problems

Vielen Dank für die Möglichkeit gemeinsam die Ergebnisse der Kooperation BMNT-ZAMG-UniWien zu diskutieren!

climate-change; status-quo; causes; risks; future hazard...

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