Abstract:
Die Intensität von Starkniederschlägen hat in den letzten Jahrzehnten als Folge des Klimawandels zugenommen und Projektionen sagen eine weitere Zunahme voraus. Um effektive Anpassungsmaßnahmen an das dadurch zunehmende Hochwasserrisiko entwickeln zu können, ist es entscheidend, die regionalen Veränderungen von Starkniederschlagsereignissen nicht nur hinsichtlich ihrer Intensität, sondern auch hinsichtlich ihrer Häufigkeit, Dauer und ihres zeitlichen Profils zu verstehen. Regionale Klimamodelle basieren auf einer Parametrisierung von Konvektion und können Starkniederschlagsereignisse daher nicht mit der notwendigen Genauigkeit abbilden. ... mehrHochauflösende, so genannte konvektionserlaubende Modelle (CPM, 1-4 km Auflösung) können Niederschlagsereignisse deutlich realistischer abbilden. Aufgrund der hohen Rechenzeiten beschränken sich diese für Deutschland verfügbaren Simulationen derzeit auf Simulationen von Zeitscheiben, und in der Regel auf Simulationskonfigurationen mit einer einzigen Realisierung und Beschränkung der zeitlichen Auflösung auf eine Stunde.
Um das Verständnis zukünftiger Starkniederschlagsereignisse, insbesondere solcher von kurzer Dauer, zu verbessern, stellen wir das KIT-KLIWA Ensemble vor. Es besteht aus vier COSMO-CLM Modellläufen mit einer Auflösung von 2,8 km, die mit vier globalen Klimamodellen angetrieben werden. Dieses Ensemble liefert die ersten transienten konvektionserlaubenden Ensembleprojektionen für Süddeutschland, mit einem Simulationszeitraum von 1971 bis 2100 sowie derzeit einzigartige 5-min Niederschlagssimulationen für ausgewählte Zeiträume.
Basierend auf den Anforderungen der Praxis untersuchen wir das Klimaänderungssignal von Starkniederschlägen auf verschiedenen Skalen (Wiederkehrperioden von 1 bis 100 Jahren und Dauerstufen von 1 Stunde bis 3 Tage). Das CPM Ensemble projiziert eine Zunahme der Wiederkehrwerte von bis zu 8,5 % pro 1 °C Anstieg des globalen Erwärmungsniveaus, mit den größten Änderungen für kurze Dauerstufen und lange Wiederkehrperioden. Die Sensitivitätsanalyse zeigt den Mehrwert von transienten Datensätzen gegenüber Zeitscheiben-Experimenten, mit einer zuverlässigeren Abschätzung des Klimaänderungssignals, insbesondere für Intensitäten langer Dauerstufen.
Um die Einschränkungen der klassischen Extremwertanalyse zu überwinden, die auf Intensitäten einer festen Dauerstufe basiert, haben wir eine ereignisbasierte Analysemethode entwickelt. Diese zeigt in den historischen Simulationen im Vergleich zu Beobachtungsdaten eine Tendenz zur Überschätzung lang andauernder Ereignisse im CPM Ensemble und Defizite in der Simulation der Häufigkeit kurz andauernder konvektiver Ereignisse. Für Extremereignisse, die zu 1-stündigen und 6-stündigen Jahresmaxima führen, stimmen die simulierten 5-min Spitzenintensitäten mit den Radardaten überein, liegen aber unter den Intensitätsmaxima der Stationsdaten. Das CPM Ensemble reproduziert die dominant auftretenden frontbetonten zeitlichen Niederschlagsprofile der 1-stündigen Jahresmaxima.
Bei Anwendung der ereignisbasierten Methode auf die Klimaprojektion zeigt das CPM Ensemble eine Zunahme der mittleren Niederschlagsintensität der Ereignisse, sowie das Auftreten von Ereignissen mit Rekordwerten der mittleren Niederschlagsintensität für alle Ereignislängen. Die Veränderungen im Jahresgang führen zu einer Abnahme der langen (12-24 h) und mittleren (3-12 h) Ereignisse im Sommer und einer Zunahme im Winter. Kurze Ereignisse (1-3 h) nehmen über das Jahr hinweg leicht zu. Die Häufigkeit von Starkniederschlägen nimmt vor allem im Sommer zu.
Unsere Analyse der Charakteristika der zeitlichen Niederschlagsprofile zeigt, dass wärmere Bedingungen zu einem höheren Anteil der Spitzenintensität am Gesamtniederschlag und zu mehr frontbetonten Profilen führen, was durch eine Verschiebung von stratiformem zu konvektivem Niederschlag erklärt werden kann. Dieser Zusammenhang spiegelt sich jedoch nicht in einem Klimaänderungssignal für sommerliche Extremereignisse wider, da diese bereits überwiegend konvektiv sind. Die Analyse der Temperaturbedingungen, unter denen Niederschlagsereignisse auftreten – ausgewertet über die 2-m Lufttemperatur am Tag des Ereignisses – zeigt, dass diese Event-Temperatur für Extremereignisse mit der globalen Erwärmung schneller ansteigt als für moderate Ereignisse. Das Ergebnis unterstreicht die Bedeutung der Entwicklung der atmosphärischen Bedingungen im Zusammenhang mit Extremereignissen für das Verständnis von Starkniederschlägen im Klimawandel.
Die Analyse des neuen KIT-KLIWA Ensembles verdeutlicht die Notwendigkeit aktualisierter Starkregengefahrenprodukte, die auch in einer wärmeren Welt Bestand haben. Durch die Verwendung einer hohen zeitlichen Auflösung von 5 Minuten zeigen wir, dass zeitliche Niederschlagsprofile in CPMs mit der erforderlichen Genauigkeit wiedergegeben werden. Dies stellt einen bedeutenden Fortschritt in der praktischen Anwendung von CPMs dar. Die Integration von CPMs in die hydrologische Modellierung bietet das Potential für die Entwicklung effektiver Anpassungsmaßnahmen für eine resiliente Siedlungsentwässerung und den Hochwasserschutz in einer wärmeren Welt.
Abstract (englisch):
The intensity of extreme precipitation is projected to increase with global warming, increasing the risk of flooding. To effectively adapt to this risk, it is essential to understand regional changes in extreme precipitation, including the frequency, duration and temporal profile of precipitation events. Conventional regional climate models parametrise convection, which severely limits their ability to accurately simulate extreme precipitation events. High-resolution simulations at the convection-permitting scale (1-4 km) offer improvements, but due to the high computational demands, previous convection-permitting simulations for Germany have been limited to time slice simulations, typically with single realisations and a temporal resolution of 1 h.
... mehr
This thesis presents a detailed analysis of the KIT-KLIWA ensemble, to improve the understanding of extreme precipitation in a warming climate, in particular for short duration events. The KIT-KLIWA ensemble consists of four global climate models downscaled with the regional climate model COSMO-CLM to a convection-permitting scale of 2.8 km. This ensemble provides the first transient convection-permitting model (CPM) projections for southern Germany from 1971 to 2100, including unique 5-minute precipitation simulations for selected periods.
In line with practical engineering requirements, we assess changes in future extreme precipitation across a range of scales (return periods from 1 to 100 years and durations from 1 hour to 3 days). The CPM ensemble projects an increase in return levels of up to 8.5 % per 1 °C increase in global warming level, with the largest changes for short durations and long return periods. Our analysis highlights the importance of transient datasets, as opposed to time-slice experiments, to increase confidence in the climate change signal, especially for precipitation intensities over long durations.
Given the limitations of conventional extreme value analysis, we developed an event-based analysis method that assesses the temporal precipitation event profile. By evaluating the historical CPM simulations with observational station and radar data, this method reveals a tendency for CPMs to overestimate longer events and a bias in the representation of heavy, short-duration convective events. For extreme events leading to 1-hour and 6-hour annual maximum precipitation intensities, simulated 5-minute peak intensities agree with the radar data, but remain below the intensity maxima in the station data. The CPM ensemble reproduces the dominant front-loaded shape of the temporal profile of 1-hour annual maximum events in agreement with observations.
Applying the event-based method to future projections, the CPM ensemble shows an increase in the mean intensity of a precipitation event (total event precipitation sum/duration). Moreover, unprecedented events with record-breaking mean intensity for all event durations occur with global warming. Seasonal changes reveal fewer long (12-24 h) and medium (3-12 h) duration events in summer, but more in winter, and a slight increase in short duration events (1-3 h) across the year. The frequency of extreme precipitation events increases, particularly in summer.
Our analysis of precipitation event profiles shows that warmer conditions lead to more peaked and front-loaded profiles, likely due to a shift from stratiform to convective precipitation. This apparent scaling relationship does not necessarily translate into a distinct climate change signal for extreme summer events, as they are already predominantly convective. We note that the event-associated temperature – evaluated over the 2-m air temperature on the day of the event – increases more rapidly with global warming for extreme events than for moderate events. We thus emphasise the importance of assessing the evolution of atmospheric conditions associated with extreme precipitation events to understand the projected changes.
The analysis of the novel KIT-KLIWA ensemble highlights the need for updated heavy precipitation products for climate adaptation that are also valid in a warmer future climate. Using a resolution of 5 min, we show that CPMs reproduce precipitation event profiles, which represents a significant advance in the practical application of CPMs. The integration of CPMs into impact models could be key to facilitating effective adaptation measures for resilient drainage design and flood protection in a warmer world.
