UFZ-Studie verbindet Klima- und Hydrologiemodelle zur Analyse von Hochwasserspitzen
Wie stark der menschengemachte Klimawandel die Intensität extremer Niederschläge verändert, lässt sich inzwischen für einzelne Ereignisse gut abschätzen. Für die daraus entstehende Hochwassergefahr gilt das bislang kaum. Eine neue Studie unter Leitung des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) kommt am Beispiel von Sturm Boris im Jahr 2024 zu dem Ergebnis, dass der Klimawandel die Hochwasserspitzen erheblich stärker beeinflusst hat als den Niederschlag selbst. Demnach können reine Niederschlagsanalysen die tatsächliche Veränderung der Hochwassergefahr unterschätzen. Die Studie wurde im Fachmagazin Science Advances veröffentlicht.
(Pressemitteilung UFZ)
Im September 2024 sorgte Sturm Boris in weiten Teilen Mittel- und Osteuropas für extreme Niederschläge und schwere Überschwemmungen. Besonders betroffen waren Polen, Tschechien und Österreich. Lokal fielen innerhalb weniger Tage mehrere hundert Millimeter Regen, zahlreiche Flüsse traten über die Ufer.
Dass die Erderwärmung die Niederschläge während des Sturms Boris verstärkt hatte, war bereits aus früheren Attributionsstudien bekannt. Dabei vergleichen Forschende das beobachtete Ereignis mit einem kontrafaktischen Szenario, in dem der menschliche Einfluss auf das Klima weitgehend ausgeblendet wird. Solche Analysen enden jedoch meist beim meteorologischen Ereignis selbst, etwa bei der Frage, um wie viel intensiver ein Starkregen geworden ist. Wie sich diese Veränderung anschließend auf die Hochwassergefahr auswirkt, bleibt dabei häufig offen.
„In unserer Studie sind wir einen Schritt weiter gegangen“, sagt Erstautor Peter Miersch vom UFZ. „Mithilfe hydrologischer Modelle haben wir untersucht, wie sich durch den Klimawandel veränderte Niederschlagsmengen auf das Ausmaß des Hochwassers auswirken.“ Zwar ist bekannt, dass zusätzliche Niederschläge nicht eins zu eins zu stärkeren Hochwasserereignissen führen. Wie groß dieser Effekt bei einem konkreten Ereignis ist und in welchem Maß er auf den anthropogenen Klimawandel zurückgeht, war bislang jedoch unklar.
Um das herauszufinden, verknüpften die Forschenden Klimasimulationen mit zwei unterschiedlichen hydrologischen Modellen. So konnten sie gewissermaßen verfolgen, wie aus dem Regen im Einzugsgebiet Abfluss und schließlich Hochwasser entstehen. Die Unterschiede waren erheblich: Ohne den anthropogenen Klimawandel wären die Niederschläge während Sturm Boris je nach Klimamodell um etwa 6 bis 9 Prozent geringer gewesen. Die Hochwasserspitzen hätten im Mittel jedoch um 14 bis 22 Prozent niedriger gelegen.
Der Grund liegt darin, wie die Einzugsgebiete auf zusätzlichen Regen reagieren. „Der Boden kann zunächst einen Teil eines Starkregenereignisses abfangen“, erklärt Peter Miersch. „Aber irgendwann ist er voll, und dann gelangt jeder zusätzliche Millimeter Wasser direkt in den Fluss.“ Ist die Speicherfähigkeit des Bodens erschöpft, schlägt zusätzlicher Regen deshalb besonders stark auf den Abfluss durch.
Um zu prüfen, wie belastbar das Ergebnis ist, kombinierten die Forschenden zwei unterschiedliche Klimamodelle mit zwei Verfahren zur hydrologischen Berechnung, darunter auch einen Machine-Learning-Ansatz. Trotz der verschiedenen methodischen Zugänge zeigte sich in allen Kombinationen dasselbe Grundmuster: Die Hochwasserspitzen reagierten deutlich stärker als die Niederschläge.
Besonders relevant wird dieser Effekt dort, wo Hochwasserschutzmaßnahmen für bestimmte Belastungsgrenzen ausgelegt sind. „Wenn der Klimawandel zu zehn Prozent mehr Extremniederschlag führt, bedeutet das nicht, dass das Hochwasser ebenfalls nur zehn Prozent stärker wird. Es können auch zwanzig Prozent sein“, sagt Co-Autor Prof. Dr. Jakob Zscheischler, Klimaforscher am UFZ und Professor für Data Analytics in Hydro Sciences an der Technischen Universität Dresden (TUD). „Wenn dabei Schwellenwerte überschritten werden, auf die Hochwasserschutzmaßnahmen ausgelegt sind, können schnell sehr große Schäden entstehen.“ Für Risikobewertung und Hochwasserschutz bedeutet das: Wer nur die Veränderung extremer Niederschläge betrachtet, kann die Zunahme der Hochwassergefahr unterschätzen.
Die Studie setzt allerdings bewusst einen engen Fokus und isoliert den Klimaeffekt. Sie untersucht, wie stark sich ein konkretes Ereignis unter ansonsten gleichen Bedingungen durch den anthropogenen Einfluss verändert. Ob Wetterlagen wie bei Sturm Boris dadurch wahrscheinlicher oder unwahrscheinlicher werden, lässt sich daraus nicht ableiten. Auch Veränderungen der Landnutzung oder des Wassermanagements wurden nicht berücksichtigt. Vereinfacht gesagt wurde dieselbe heutige Landschaft unter unterschiedlichen klimatischen Bedingungen verglichen.
Die Ergebnisse zeigen damit, dass sich Hochwassergefahren im Klimawandel nicht allein aus Veränderungen des Niederschlags ableiten lassen. Für künftige Risikoabschätzungen und Anpassungsstrategien ist es deshalb wichtig, die gesamte Wirkungskette vom Wetterereignis bis zum Abfluss im Fluss zu berücksichtigen.
Publikation:
Peter Miersch, István Dunkl, Antonio Sánchez-Benítez, Marylou Athanase, Oldrich Rakovec, Daniel Klotz, Sebastian Sippel, Helge Goessling, Jakob Zscheischler: Evidence from 2024 Storm Boris indicates anthropogenic climate change amplifies floods more than extreme precipitation; Science Advances, https://doi.org/10.1126/sciadv.aef7703
