System zur Vorhersage der Auswirkungen entwickelt, um die Frühwarnung vor Überschwemmungen zu verbessern

Wir erleben, wie der Klimawandel die Häufigkeit von schwerwiegenden Ereignissen wie Überschwemmungen erhöht, während es auf der Erde immer heißer wird.

Die Notwendigkeit, genauere und schnellere Hochwasservorhersagemethoden zu entwickeln, um die Bevölkerung in Zukunft besser zu schützen, wird in diesem neuen Szenario, an das wir uns anzupassen versuchen, entscheidend.

Das berichtet ein Team von Forschern des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) und des Deutschen GeoForschungsZentrums (GFZ), die in der Zeitschrift Nature Communications ein Hochwasservorhersagesystem vorstellen, das nicht nur punktuelle Wasserstände, sondern auch hochauflösende dynamische Hochwasserkarten liefert.

In den letzten Jahren wurden große Fortschritte bei der räumlich-zeitlichen Vorhersage von Hochwasser gemacht. So ist es heute möglich, maximale Hochwasserstände an Flusspegelstandorten vorherzusagen. Die Auswirkungen von Überschwemmungen auf Städte und Gemeinden konnten bisher jedoch nur annähernd oder gar nicht abgeschätzt werden, insbesondere für die Bevölkerung in den Unterläufen der Flüsse, die weit von den Pegeln entfernt sind. Diese Informationen sind jedoch unerlässlich, da die betroffene Bevölkerung so schnell wie möglich benachrichtigt werden muss, damit die notwendigen Evakuierungsmaßnahmen eingeleitet werden können.

"Wir brauchen ein hochmodernes Hochwasser-Frühwarnsystem, das rechtzeitig hochauflösende Hochwasservorhersagen liefert und die Auswirkungen des Hochwassers auf einzelne Gebäude anzeigt", sagt Luis Samaniego, Hauptautor der Studie. "Dies wäre eine grundlegende Verbesserung für das Krisenmanagement", sagte er.

Wie funktioniert das Hochwasserfrühwarnsystem?

In einem ersten Schritt zur Entwicklung des neuen Hochwasservorhersagesystems kombinierten die Forscher Niederschlagsprognosen des Deutschen Wetterdienstes (DWD) mit dem am UFZ entwickelten mesoskaligen hydrologischen Modell (mHM). Dieses Modell liefert nicht nur Informationen zum Wasserabfluss, sondern auch zeitliche Informationen zur Bodenfeuchte, einem der entscheidenden Faktoren für die Entstehung von Hochwasser.

Auf der Grundlage der verfügbaren Daten des katastrophalen Hochwassers im Ahrtal im Juli 2021 und eines 20-köpfigen Ensemble-Vorhersagesystems konnten sie die maximalen stündlichen Hochwasserabflüsse am Referenzpunkt Altenahr im retrospektiven Modus vorhersagen. Auf diese Weise schätzten sie die Wahrscheinlichkeit einer Überschreitung der 50- bzw. 100-jährlichen Hochwasserstände ab.

Die Simulationen ergaben, dass 15 Prozent der Ensemblemitglieder die Überschreitung des 100-jährlichen Hochwassers innerhalb von 47 Stunden und damit fast zwei Tage vor dem Scheitel des Hochwassers im Ahrtal vorhergesagt hätten. Je näher das Ereignis rückte, desto wahrscheinlicher wurde die Überschreitung des zu diesem Zeitpunkt festgelegten 100-jährlichen Pegels: 75 Prozent aller Ensemblemitglieder sagten das 100-jährliche Hochwasser 17 Stunden vor dem Hochwasserscheitel voraus, 100 Prozent schließlich 7 Stunden vorher.

Wenn 75 % der Vorhersagen eines Ensembles ein 100-jährliches Hochwasser vorhersagen, ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass dies auch eintritt", so Dr. Husain Najafi, Hauptautor der Studie.

In einem zweiten Schritt kombinierten die Forscher die vom hydrologischen Modell mHM generierte Strömung mit dem vom GFZ entwickelten hydrodynamischen Hochwassermodell RIM2D. RIM2D simuliert die Hochwasserdynamik und die Entwicklung der Hochwassertiefe sehr schnell. Dieses Modell mit einer räumlichen Auflösung von 10 Metern x 10 Metern ermöglicht zum einen die stündliche Vorhersage von Überschwemmungsgebieten und -tiefen und zeigt damit, wo und in welchem Ausmaß Gebäude, Straßen, Schienenwege, Krankenhäuser und andere Infrastrukturen von Überschwemmungen betroffen sein werden.

"So haben die zuständigen Behörden und die Bevölkerung nicht nur Informationen über einen möglichen Hochwasserstand 30 Kilometer flussaufwärts, sondern auch eine hochauflösende Hochwasserkarte, die die Auswirkungen zeigt. Sie könnten zum Beispiel wissen, wo Menschen in Gefahr sind oder evakuiert werden müssen", erklärt Sergiy Vorogushyn, Hydrologe am GFZ.

Das Hochwasservorhersagemodell war bei seinem ersten Test erfolgreich

Das kombinierte Vorhersagemodell von UFZ und GFZ hat den ersten Rekonstruktionstest des Extremhochwassers im Ahrtal bestanden, berichtet die Website phys.org. In der neuen Testphase, die in diesem Sommer beginnt, wird die automatisierte Modellkette im Rahmen der zweiten Phase der Helmholtz-Klima-Initiative in zwei weiteren Einzugsgebieten der Fils und der Murr in Baden-Württemberg im Südwesten Deutschlands in Echtzeit getestet.

Wenn das Modellsystem auch diese Phase übersteht, könnte es auf Regionen mit hohem Hochwasserrisiko, insbesondere durch Sturzfluten, angewendet werden. Damit könnten die derzeitigen Hochwasserfrühwarnsysteme entscheidend gestärkt und der Vorhersagehorizont um die Auswirkungen von Hochwasser erweitert werden. Dies könnte die Zahl der betroffenen Menschen und die materiellen Schäden in Zukunft erheblich verringern.

Quellenhinweis:

Najafi, H. et al. High-resolution impact-based early warning system for riverine flooding. Nature Communications, 15, 2024.