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Deutscher Wetterdienst
Hydrometeorologie
Die Hydrometeorologie ist ein Teilgebiet der Meteorologie,das sich mit den Wechselwirkungen zwischen
atmosphärischen Vorgängen im Wasserkreislauf undatmosphärischen Vorgängen im Wasserkreislauf undden hydrologischen Prozessen befasst (DIN 4049).
Dr. Gabriele MalitzDeutscher Wetterdienst, Abt. Hydrometeorologie
Lindenberger Weg 24, 13125 BerlinE Mail: Gabriele Malitz@dwd deE-Mail: [email protected]
A d b i h
Hydrometeorologische Leistungen
Anwendungsbereiche:
• Hochwasservorhersage
b d H h h t• vorbeugender Hochwasserschutz
• Starkniederschläge
• Hydrologische Dürre Niedrigwasser• Hydrologische Dürre, Niedrigwasser
• Wasserbilanz der Flussgebiete
• Planungen im Wasserbau• Planungen im Wasserbau
• Klimawandel und Wasser
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Aufgaben der Abteilung Hydrometeorologie im DWD
Hydrometeorologische Beratung der Wasserwirtschaft
g g y g
Politikberatung (Bundesverwaltung)
Beitrag zum Umgang mit Klimawandel
Mitarbeit in Fachkommissionen (LAWA, DWA-Arbeitsgruppen …)
Bereitstellung der erforderlichen Daten und Produkte des DWD Bereitstellung der erforderlichen Daten und Produkte des DWD
Spezialdienstleistungen, wie z. B. spezielle Gutachten, Analysen und Vorhersagen (RADOLAN RADVOR-OPAnalysen und Vorhersagen (RADOLAN, RADVOR OP, SNOW4, GEBVER, KOSTRA-DWD-2000, REWANUS2000)
Weltzentrum für Niederschlagsklimatologie (WZN)
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g g ( )
Global Precipitation Climatology Centre (GPCC)Produkt: Monatliche gerasterte globale Niederschlagsdaten.
Freier Zugriff auf dieProd kte im InternetProdukte im Internet.
Zielrichtung:Klimamonitoringund Forschung
http://gpcc dwd de
und Forschung
http://gpcc.dwd.de
Datenbasis: 50 000 Niederschlagsstationen aus weltweit 180 Ländern
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Datenbasis: 50.000 Niederschlagsstationen aus weltweit 180 Ländern
Der globale Wasserkreislauf Essentiell für das Leben auf der Erde
Global: Niederschlag = Verdunstung = 496 km2/a = ca. 1000 mm/a
Niederschlag111 km3/a111 km3/a Niederschlag
385 km3/aVerdunstung425 km3/a
Verdunstung71 km3/a
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Hydrometeorologische Komponenteny g pim Wasserkreislauf
Niederschlag (einschließlich der Schneedecke)Für die Bildung von Niederschlag ist erforderlich:1) Vorhandensein von ausreichend Wasserdampf ) p2) Hebungsvorgänge, die zu einer Abkühlung unter den Taupunkt
führen und damit Kondensations- und Gefriervorgänge einleiten
V d t VerdunstungUmwandlung von Wasser, Schnee oder Eis in Wasserdampf bei Temperaturen unterhalb des Siedepunktes
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Mittl jäh li h Ni d hl höhMittlere jährliche Niederschlagshöhe für den Zeitraum 1961-1990
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Mittlere jährliche Bilanzgröße (in mm) von Gewässern, 1961/1990
Hydrometeorologische y gDaten für die Sanierung der Tagebaulandschaften
Zeitreihen:
- korrigierter Niederschlag
- potentielle Verdunstung(TURC / IVANOV)
- Seenverdunstung
Trendverhalten
Sanierungsgebiet liegt in einer Region mit negativer Wasserbilanz
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negativer Wasserbilanz
Mittlere Monats- und Jahreswerte der korrigierten Niederschlagshöhe und der Verdunstung von Land- und Wasserflächen, Brandenburg/Görden, Reihe 1971/2000
140
120
80
100
m Ja
60
Mon
atsw
erte
in m
ahreswerte in cm
20
40
M
0
landwirtschaftl. Nutzflächen 12 13 28 49 83 90 71 50 37 27 14 11 48,5
See (mittlere Tiefe 4m) 10 15 30 63 97 106 124 117 72 44 25 16 71,9
JAN FEB MRZ APR MAI JUN JUL AUG SEP OKT NOV DEZ JAHRVerdunstung:
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See (mittlere Tiefe 4m) 10 15 30 63 97 106 124 117 72 44 25 16 71,9
Niederschlag (korr.) 47 39 47 39 54 66 57 58 49 41 48 59 60,4
REGNIE Regionalisierte NiederschlagverteilungenREGNIE – Regionalisierte Niederschlagverteilungen
Für viele hydrologische Anwendungen werden y g gGebietsniederschlagshöhen benötigt:
Regionalisierung der Punktmessungen (Übertragung auf ein Gitter)
zunächst:
Regionalisierung der monatlichen Niederschlagshöhen der Mittelwerte 1951-80 und 1961-90
später:später:
weitere Zeiträume
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Radargestützte, quantitative
RADOLANNiederschlagsanalyse und -vorhersage
Prozess des operationellen Routinebetriebs von RADOLANInput: DX- Radarniederschlags-daten (16 Standorte; alle 5 min) per AFD
1. Vorverarbeitung der Radarniederschlags-daten (alle 5 min)
• Abschattungskorrektur• Verfeinerte Z-R-Beziehung• Kompositerstellung RADOLAN
Radar-Online-AneichungAktuelle Niederschlagsanalyse mit Radar und Ombrometer
Kompositerstellung
Niederschlagsüberwachung (alle 60 min)für Definition Ereignisfall(stündlicher Abruf der Bodennieder-schlagsdaten)
2. Vorverarbeitung der Radarniederschlags-daten (zweimal alle 60 min)
• Aufsummierung zu DH-Komposits• statistische Clutterunterdrückung• Interpolation
Input: RR-Daten (Auswahl; (alle 60 min) per RADOLAN -Triggerung
3. Vorverarbeitung der Radar- mit Boden-niederschlagsdaten (alle 60 min)
• Glättung „BOGRA“• Voraneichung „BORAMA“
Output: AngeeichteRadarniederschlags
Aneichung der Radar- mit Bodenniederschlagsdaten (alle 60 min)
„Erste Mal“
„Zweite Mal“
Aktuelle Niederschlagsanalyse mit Radar- und Ombrometer-messungen
50
Radarniederschlags-daten (alle 60 min)
( )• Berechnung der Aneichgrößen; Interpolation• Aneichungen• Verschneidung verschiedener Aneichverfahrenzum „besten Ergebnis“
RADVOR-OPRadarniederschlagsvorhersage im operationellenRadarniederschlagsvorhersage im operationellenEinsatzAktuelle Niederschlagsvorhersage mit Radar- und Ombrometer-
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messungen
Prozess des operationellen Routinebetriebs von RADOLANInput: DX- Radarniederschlags- 1. Vorverarbeitung der Radarniederschlags-daten (16 Standorte; alle 5 min) per AFD
daten (alle 5 min)• Abschattungskorrektur• Verfeinerte Z-R-Beziehung• Kompositerstellungp g
Niederschlagsüberwachung (alle 60 min)fü D fi iti E i i f ll
2. Vorverarbeitung der Radarniederschlags-daten (zweimal alle 60 min)
A f i DH K it„Erste Mal“
für Definition Ereignisfall(stündlicher Abruf der Bodennieder-schlagsdaten)
• Aufsummierung zu DH-Komposits• statistische Clutterunterdrückung• Interpolation
Input: RR-Daten (Auswahl; (alle 60 i ) RADOLAN T i
3. Vorverarbeitung der Radar- mit Boden-i d hl d t ( ll 60 i )
„Zweite Mal“
60 min) per RADOLAN -Triggerung niederschlagsdaten (alle 60 min)• Glättung „BOGRA“• Voraneichung „BORAMA“
Output: AngeeichteRadarniederschlags-daten (alle 60 min)
Aneichung der Radar- mit Bodenniederschlagsdaten (alle 60 min)
• Berechnung der Aneichgrößen; Interpolation• Aneichungen
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• Aneichungen• Verschneidung verschiedener Aneichverfahrenzum „besten Ergebnis“
Starkniederschlag am 05 /06 06 200705./06.06.2007
Das Starkniederschlagszentrum befindet sich im Raum Prenzlau.befindet sich im Raum Prenzlau.
Der dortige punktuelle Niederschlagsspitzenwert von mehr als 90 l/m² innerhalb von sechs Stunden geht wegen seiner Kleinräumigkeit aus der Darstellung nicht explizit hervor.
Die an der ZALF-Station in Dedelow am 05.06.2007 innerhalb von zwei Stunden gemessene Niederschlagsgemessene Niederschlags-menge beträgt 105,5 l/m² (Tageswert: 147,9 l/m²).
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Ausblick: Untersuchungen zuStarkniederschlagsereignissen
• Anwendung in der Klimaüberwachung: Berechnung quantitativerAnwendung in der Klimaüberwachung: Berechnung quantitativerradargestützter Niederschlagsanalysen ab 2001 in Planung:
erste Stufe: Auswertung vorliegender Daten ab Mai 2004
• Genauigkeit von RADOLAN:
rel. und abs. Fehler durch Vergleich der stündlichen Daten
• Verifikation von RADOLAN:
Verifikation der täglichen Daten in Abhängigkeit verschiedenerVerifikation der täglichen Daten in Abhängigkeit verschiedener Niederschlagsschwellenwerte, von der Entfernung zum Radar-standort, von der Überdeckung mehrerer Radars, von der Aneich-stationsdichte und den umliegenden Radarpixeln
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g p
Vorhersage von Niederschlag und Schneeschmelze
• Die Modellkette des DWD mit Bezug zur Hochwasservorhersage
g g
• Die Modellkette des DWD mit Bezug zur Hochwasservorhersage
• Auswertung der Vorhersagen nach Extremereignissen (Hochwasser)
• Pflege und Betrieb eines Anschlussmodels SNOW• Pflege und Betrieb eines Anschlussmodels SNOW
In diesem Rahmen besteht die Aufgabe der Abteilung Hydrometeorologieinsbesondere in der fachlichen Beratung der Schlüsselkunden des DWD, d h d H h h t l d B d lä d i dd.h. der Hochwasservorhersagezentralen der Bundesländer sowie der hydrologischen Fachbehörden von Bund und Ländern.
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Meteorologische Messdaten GTS + Europa + national
NiederschlagsvorhersageGlobales Vorhersagemodell „GME“
HydrologischeMessdaten
Schneehöhe undWasseräquivalent
Globales Vorhersagemodell „GMEVorhersage 7 Tage, Auflösung: 40 km
COSMO-EU Vorhersage 72 hVorhersage 72 hAuflösung 7 km
SNOW: BerechnungCOSMO-DE
SNOW: Berechnungder SchneeschmelzeAuflösung 1 km
Vorhersage 21 h Auflösung 2,8 km
Hydrologische Modelle:Wasser-b hö d
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Wasserstand, Hochwasserwelle, Abflussbehörden:
Ergebnisbeispiele vom Winter 2009/2010: Analyse Wn und Vorhersage + 66 Std. für Nd vom 16. Februar 2009, 12:00 UTC
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Kimawandel und WasserKimawandel und Wasser
• Trend hydrometeorologischer Größen in Deutschlandy g
• Kooperation KLIWA des DWD mit BY, BW, RP(KLIWA = Klimaänderungen und Auswirkungen auf die Wasserwirtschaft)
• Kooperation KLIWAS innerhalb des BMVBS zur Entwicklung von AnpassungsoptionenAnpassungsoptionen (KLIWAS = Auswirkungen des Klimawandels auf Wasserstraßen und Schifffahrt)
• Weltzentrum für Niederschlagsklimatologie (WZN)
= Global Precipitation Climatology Centre (GPCC)
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KLIWA: exemplarische Ergebnisse für Bayern und Baden-Württemberg
Niederschlaggeringe Veränderung der Jahreswerte
aber „Umverteilung“ im Jahresgang
- im Sommer trockener,- im Winter u. Frühjahr feuchter
V ä d d Hä fi k it t ilVeränderung der Häufigkeitsverteilung,zu höheren Niederschlägen hin,besonders im Frühjahr und
Winter
KLIWA-Berichte: www.kliwa.de
Zunahme der Starkniederschlägeim Winter und Frühjahr
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Zunahme der Nassperioden im Winter
KLIWA: Praktikable Berücksichtigung eines KlimaänderungsfaktorsBeispiel Hochwasserdamm:Beispiel Hochwasserdamm: Der Damm wird gebaut wie geplant, an der Außenseite wird aber ein Streifen freigehalten, sodass bei Bedarf der Damm problemlos erhöht werden kann.
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Extremwerte von Niederschlag und NiederschlagsdargebotExtremwerte von Niederschlag und Niederschlagsdargebot
als einer der fachlichen Schwerpunkte der Hydrometeorologie
praxisbezogene Abgrenzung der Extremwertstatistik zu Bemessungswerten
Bedeutung der Dauerstufe (Niederschlagsdauer einschließlich Bedeutung der Dauerstufe (Niederschlagsdauer einschließlich Unterbrechungen)
Schauerniederschlag vs. Dauerniederschlagg g
Quantifizierung sehr seltener Extreme
PMP (Probable Maximum Precipitation) für Deutschland( p )
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Serie von 60 min Werten der NiederschlagshöheSerie von 60-min-Werten der Niederschlagshöhe
60,0
40,0
50,0
hN(D;T) = u(D) + w(D) ln T
30,0
hN [m
m]
10,0
20,0
T = 20a T = 100aT = 50aT = 10aT = 5aT = 2a
0,00,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00
ln T
plotting positions: T(k) = (e M + 0 2) / e (k - 0 4)
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plotting positions: T(k) = (e M + 0,2) / e (k - 0,4) M = 30 Jahre (e = 2,718)
KOSTRA-DWD-2000(1951 - 2000)
Januar bis Dezember
StarkniederschlagshöhenStarkniederschlagshöhen(in mm)
Dauerstufe D = 24 hJäh li hk it T 100
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Jährlichkeit T = 100 a
ExtremwerteExtremwertedes Niederschlagsdargebotsdes Niederschlagsdargebots
(Regen und Schneeschmelze)(Regen und Schneeschmelze)
Rasterfelder:8 45 x 8 45 km8,45 x 8,45 km
D = 72 h, T = 100 a
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KOSTRA-DWD-2000-Starkniederschlagshöhen (Feld 27 26)
T = 1 a T = 5 a T = 20 a 100 a
D 15 i 11 5 19 6 26 5 34 6D = 15 min 11,5 mm 19,6 mm 26,5 mm 34,6 mm
D = 60 min 17,8 mm 32,4 mm 44,9 mm 59,5 mm
D = 12 h 34,3 mm 52,8 mm 68,8 mm 87,3 mm
D 24 h 41 5 64 6 84 5 107 6D = 24 h 41,5 mm 64,6 mm 84,5 mm 107,6 mm
D = 72 h 65,1 mm 99,7 mm 129,4 mm 164,0 mm
Toleranzbereich von T = 0,5 a bis einschließlich T = 5 a: - 10 % . . . + 10 %Toleranzbereich über T = 5 a bis einschließlich T = 50 a: 15 % + 15 %
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Toleranzbereich über T = 5 a bis einschließlich T = 50 a: - 15 % . . . + 15 %Toleranzbereich über T = 50 a bis einschließlich T = 100 a: - 20 % . . . + 20 %
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
55
56
55
56
54
55
54
55
52
53ite
(Gra
d)
52
53
50
51
Nör
dlic
he B
rei
50
51
1400 mm1500 mm
49
50
49
50
350 mm400 mm450 mm500 mm550 mm600 mm700 mm800 mm900 mm1000 mm1100 mm1200 mm1300 mm1400 mm
6 7 8 9 10 11 12 13 14 1547
48
47
48
75 mm100 mm125 mm150 mm175 mm200 mm225 mm250 mm275 mm300 mm
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Östliche Länge (Grad)
Regionalisierte maximierte GebietsniederschlagshöheDauerstufe D = 24 h, Gebietsgrößenstufe G = 25 km²
Zwischen KOSTRA bei T = 100 a und MPNZwischen KOSTRA bei T = 100 a und MPN
175
200MPN
sc e OS be 00 a u dsc e OS be 00 a u d
125
150
höhe
[mm
]
??
50
75
100
Nie
ders
chla
gs ?
0
25
50N
0.00000010.0000010.000010.00010.0010.010.11
Überschreitungswahrscheinlichkeit [-]KOSTRA
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Ergänzung der Datenbasis durch Digitalisierung lt Kli d Ni d hl d talter Klima- und Niederschlagsdaten
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Zusammenfassung der Ziele Grundversorgung der Wasserwirtschaft durch flächendeckende
hydrometeorologische Leistungen Überwachung der sich verändernden hydrometeorologischen Größen Überwachung der sich verändernden hydrometeorologischen Größen
hinsichtlich der Auswirkung auf die Langfristbewirtschaftung der Wasserressourcen (Grundwasser, Oberflächengewässer)
Katastrophenschutz i S einer rechtzeitigen Vorhersage von hydrometeoro Katastrophenschutz i. S. einer rechtzeitigen Vorhersage von hydrometeoro-logischen Extremereignissen (Hochwasser- und Niedrigwasservorhersage) zwecks Schadensminimierung
Erstellung hydrometeorologischer Planungsgrundlagen für die Bemessung Erstellung hydrometeorologischer Planungsgrundlagen für die Bemessung wasserwirtschaftlicher Schutzbauwerke zum vorbeugenden Hochwasser-schutz (Katastrophenvorsorge z. B. durch Errichtung von Dämmen, Deichen, Talsperren, Rückhaltebecken). p , )
Überwachung der hydrometeorologischen Komponente des Klimasystems Rückkopplung und Abstimmung mit internationalen Gremien im Rahmen des
Energie und Wasserkreislaufs
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Energie- und Wasserkreislaufs
K t ktKontakt:
Dr. Gabriele MalitzDr. Gabriele MalitzAbt. HydrometeorologieAußenstelle BerlinLindenberger Weg 2413125 B li B h13125 Berlin-Buch
E-Mail: Gabriele.Malitz [at]dwd.deTel : +49 (0) 030 / 940094 25Tel.: +49 (0) 030 / 940094 25Fax: +49 (0) 030 / 940094 66
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
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