Floods in Germany [Elektronische Ressource] : analyses of trends, seasonality and circulation patterns / by Theresia Petrow

Petrow, Theresia

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• Publié par: universitat_potsdam
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 2
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 7 Mo

Extrait

Institute of Geoecology
FloodsinGermany–AnalysesofTrends,
SeasonalityandCirculationPatterns
Dissertation
for the degree of Doctor of Natural Sciences
(Dr.rer.nat.)
in Geoecology
submitted to the Faculty of Mathematics and Natural Sciences
at the University of Potsdam, Germany
by
Theresia Petrow
Potsdam, June 2009













































Published online at the
Institutional Repository of the University of Potsdam:
URL http://opus.kobv.de/ubp/volltexte/2009/3739/
URN urn:nbn:de:kobv:517-opus-37392
[http://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:517-opus-37392] Abstract
Floodhazardestimationsareconductedwithavarietyofmethods. Theseincludefloodfre-
quencyanalysis(FFA),hydrologicandhydraulicmodelling,probablemaximumdischarges
aswellasclimatescenarios. However,mostofthesemethodsassumestationarityofthe
usedtimeseries,i.e.,theseriesmustnotexhibittrends. Againstthebackgroundofclimate
changeandprovensignificanttrendsinatmosphericcirculationpatterns,itisquestionable
whetherthesechangesarealsoreflectedinthedischargedata.
TheaimofthisPhDthesisisthereforetoclarify,inaspatially-explicitmanner,whether
the available discharge data derived from selected German catchments exhibit trends.
Concerningthefloodhazard,thesuitabilityofthecurrentlyusedstationaryFFAapproaches
isevaluatedforthedischargedata. Moreover,dynamicsinatmosphericcirculationpatterns
arestudiedandthelinkbetweentrendsinthesepatternsanddischargesisinvestigated.
To tackle this research topic, a number of different analyses are conducted. The first
part of the PhD thesis comprises the study and trend test of 145 discharge series from
catchments,whichcovermostofGermanyfortheperiod1951–2002. Theseasonalityand
trendpattern ofeightflood indicators, suchasmaximum series andpeak-over-threshold
series, are analyzed in a spatially-explicit manner. Analyses are performed on different
spatialscales: atthelocalscale,throughgauge-specificanalyses,andonthecatchment-wide
andbasinscales.
Besidestheanalysisofdischargeseries,dataonatmosphericcirculationpatterns(CP)are
animportantsourceofinformation,uponwhichconclusionsaboutthefloodhazardcanbe
drawn. Theanalyses of these circulation patterns(after Hess und Brezowsky) andthe study
ofthelinktopeakdischargesformthesecondpartofthethesis. Forthis,dailydataonthe
dominantCPacrossEuropearestudied;thesearerepresentedbydifferentindicators,which
aretestedfortrend. Moreover,analysesareperformedtoextractfloodtriggeringcirculation
patternsandtoestimatethefloodpotentialofCPs. Correlationsbetweendischargeseries
andCPindicatorsarecalculatedtoassessapossiblelinkbetweenthem. Forthisresearch
topic,datafrom122meso-scalecatchmentsintheperiod1951–2002areused. Inathird
part, the Muldecatchment, amesoscale sub-catchment oftheElbe basin, isstudiedin more
detail. Fifteendischargeseriesofdifferentlengthsintheperiod1910–2002areavailable
fortheseasonallydifferentiatedanalysisofthefloodpotentialofCPsandfloodinfluencing
landscapeparameters.
FortrendtestsofdischargeandCPdata,differentmethodsareused. TheMann-Kendall
testisappliedwithasignificancelevelof10%,ensuringstatisticallysoundresults. Besides
thetestoftheentireseriesfortrend,multipletime-varyingtrendtestsareperformedwith
the help of a resampling approach in order to better differentiate short-term fluctuations
iAbstract
fromlong-lastingtrends. Calculationsofthefieldsignificancecomplementthefloodhazard
assessmentforthestudiedregions.
The present thesis shows that the flood hazard is indeed significantly increasing for
selectedregionsinGermanyduringthewinterseason. Especiallyaffectedarethemiddle
mountain ranges in Central Germany. This increase of the flood hazard is attributed to
a longer persistence of selected CPs during winter. Increasing trends in summer floods
arefoundintheRhineandDanubecatchments,decreasingtrendsintheElbeandWeser
catchments. Finally,asignificanttrendtowardsareduceddiversityofCPsisfoundcausing
fewerpatternswithlongerpersistencetodominatetheweatheroverEurope. Thedetailed
studyoftheMuldecatchmentrevealsafloodregimewithfrequentlowwinterfloodsand
fewersummerfloods,whichbear,however,thepotentialofbecomingextreme.
Based on the results, the use of instationary approaches for flood hazard estimation is
recommendedinordertoaccountforthedetectedtrendsinmanyoftheseries. Through
thismethodologyitispossibletodirectlyconsidertemporalchangesinfloodseries,which
inturnreducesthepossibilityoflargeunder-oroverestimationsoftheextremedischarges,
respectively.
iiZusammenfassung
Hochwasserabschätzungen werden mit Hilfe einer Vielzahl von Methoden ermittelt. Zu
diesen zählen Hochwasserhäufigkeitsanalysen, die hydrologische und hydraulische Mo-
dellierung, Abschätzungen zu maximal möglichen Abflüssen wie auch Langzeitstudien
undKlimaszenarien.DenmeistenMethodenistjedochgemein,dasssiestationäreBedin-
gungenderbeobachtetenAbflussdatenannehmen.Dasheißt,indengenutztenZeitreihen
dürfenkeineTrendsvorliegen.VordemHintergrunddesKlimawandelsundnachgewiesener
TrendsinatmosphärischenZirkulationsmustern,stelltsichjedochdieFrage,obsichdiese
VeränderungennichtauchindenAbflussdatenwiderspiegeln.
ZielderDissertationistdaherdieÜberprüfungderAnnahmevonTrendfreiheitinAbflüs-
senundGroßwetterlagen,umzuklären,obdieaktuellgenutztenstationärenVerfahrenzur
Hochwasserbemessung für die vorhandenen Daten in Deutschland geeignet sind. Zu prüfen
istdesWeiteren,inwiefernregionalundsaisonaleineVerschärfungbzw.Abschwächung
derHochwassergefahrbeobachtetwerdenkannundobeindeutigeKorrelationenzwischen
AbflüssenundGroßwetterlagenbestehen.
DenerstenSchwerpunktdervorliegendenDissertationbildetdiedeutschlandweiteAna-
lysevon145AbflusszeitreihenfürdenZeitraum1951–2002.AchtHochwasserindikatoren,
die verschiedene Aspekte der Hochwasser-Charakteristik beleuchten, werden analysiert
undbezüglichmöglicherTrendsgetestet.UmsaisonalenUnterschiedeninderHochwasser-
charakteristikdereinzelnenRegionengerechtzuwerden,werdennebenjährlichenauch
saisonaleReihenuntersucht.DieAnalysevonMaximalreihenwirddurchSchwellenwert-
analysenergänzt,diedieHochwasserdynamikbzgl.FrequenzundMagnitudedetaillierter
erfassen.DieDatenwerdenaufverschiedenenSkalenuntersucht:sowohlfürjedeneinzelnen
PegelwieauchfürganzeRegionenundEinzugsgebiete.
Nicht nur die Analyse der Abflussdaten bietet die Möglichkeit, Bewertungen für die
zukünftigeHochwasserabschätzungabzuleiten.AuchGroßwetterlagenbildeneinebedeu-
tende Informationsquelle über die Hochwassergefahr, da in der Regel nur ausgewählte
ZirkulationsmusterdieEntstehungvonHochwasserbegünstigen.Diesaisonaldifferenzierte
UntersuchungderGroßwetterlagenunddiePrüfungeinerKorrelationzudenAbflüssenan
122 mesoskaligen Einzugsgebieten bilden deshalb den zweiten Schwerpunkt der Arbeit.
HierzuwerdentäglicheDatenderüberEuropadominierendenGroßwetterlage(nachHess
und Brezowsky) mit Hilfe verschiedener Indikatoren untersucht. Analysen zum Hoch-
wasserpotential der einzelnen Wetterlagen und weiterer Einflussfaktoren werden für das
mesoskalige Einzugsgebiet der Mulde in einer separaten Studie durchgeführt. Für diese
Detail-Studiestehen15AbflusszeitreihenverschiedenerLängeimZeitraum1909–2002zur
Verfügung.
iiiZusammenfassung
UmdieDatenvonAbflüssenundGroßwetterlagenbezüglichvorhandenerTrendzutesten,
werdenverschiedeneMethodengenutzt.DerMann-KendallTestwirdmiteinemSignifi-
kanzniveauvon10%(zweiseitigerTest)angewendet,wasstatistischsichereBewertungen
ermöglicht.NebenderPrüfungdergesamtenDatenreihewerdenmultiplezeitlich-variable
TrendanalysenmitHilfeeinesResampling-Ansatzesdurchgeführt.Darüberhinauswerden
räumlichdifferenzierteAnalysendurchgeführt,umdiesaisonaleHochwassercharakteristik
einzelnerRegionenbesserzuverstehen.DiesewerdendurchTestszurFeldsignifikanzder
Trendsergänzt.
Mit der vorliegenden Arbeit kann gezeigt werden, dass die Hochwassergefahr für ein-
zelneRegionenimWinterhalbjahrsignifikantsteigt.DavonsindinsbesondereGebietein
Mitteldeutschlandbetroffen.DieVerschärfungderHochwassergefahrdurcheinelängere
PersistenzausgewählterGroßwetterlagenkonnteebenfallsfürdasWinterhalbjahrnachge-
wiesenwerden.Sommerhochwasserzeigenzwarebenfallssteigende,aberauchfallende
Trends,dieräumlichgeclustertsind.ImElbe-undWeser-EinzugsgebietsinkendieAbflüsse
signifikant, im Donau- und Rheineinzugsgebiet steigen sie nachweisbar. Darüber hinaus ist
einesignifikanteAbnahmederAnzahlverschiedenerGroßwetterlagensowohlimSommer
als auch im Winter zu verzeichnen. Bzgl. der Studie zum Mulde-Einzugsgebiet konnte
einzweigeteiltesHochwasserregimenachgewiesenwerden.IndenWintermonatentreten
häufigkleineHochwasserauf,dieauchdieMehrheitderjährlichenMaximalwertebilden.
Sommerhochwassersindseltener,könnenaberextremeAusmaßeannehmen.EinVergleich
dergeschätztenJährlichkeitenmitverschiedenenZeitreihenzeigtdieNotwendigkeitder
BerücksichtigungsaisonalerAspektefürdieBemess