Das hydrometeorologische Wort zur Woche #Dürre #Trockenheit

Heuer geistern, wahrscheinlich getriggert durch aktuelle Einzelereignisse wie die 2018er-Trockenheit, die aktuelle (Noch-)Trockenheit oder lokal verheerende Starkregen/Sturzfluten wie im Vogtland im Mai 2018, argumentativ-kausale Verbindungen zwischen solcherlei Ereignissen und dem Klimawandel in den (v.a. sozialen) Medien herum (teilweise in Ausprägungen wie #Klimakrise). Manchmal scheint es so, als wird da einfach mal “einer rausgehauen”.

Nur mal eines von unzähligen Beispielen:

Das ist ziemlich unwissenschaftlich. Warum, will ich im Folgenden kurz darlegen.

Extremereignisse sind in zweierlei Hinsicht extrem: Sie sind erstens selten und zweitens gehen Sie u.U. mit spürbaren Auswirkungen für die Betroffenen einher (sog. Low Probability/High Impact Events). Beides ist für eine objektive Wahrnehmung durch uns Menschen herausfordernd; etwas, was sehr selten ist und uns gleichzeitig schadet, wirkt zunächst eher emotional und subjektiv auf uns.

Problematisch wird es, wenn diese Subjektivität sich in der Argumentation niederschlägt. Nehmen wir das Beispiel Niederschlag/Starkregen. Dieser Tage bin ich zufällig beim Aufräumen auf einen alten Ausdruck aus unserem Frühwarnprojekt gestoßen (siehe Bild). Er zeigt die Häufigkeit nach Schwellenwerten klassifizierter 6-h-Summen des Gebietsniederschlages für eines “unserer” 16 Frühwarngebiete integral für einen 3-Jahres-Zeitraum.

Es sind diverse Niederschlagsprodukte dargestellt; widmen wir uns nur mal den Niederschlagsmessdaten (schwarze Balken). Nicht dargestellt/ausgewertet sind all jene 6-h-Intervalle, in denen kein Regen vorhanden war (0 mm).

Häufigkeit nach Schwellenwerten klassifizierter 6-h-Summen des Gebietsniederschlages (logarithmierte Ordinate!)

Wir ersehen folgende Häufigkeiten bestimmter Niederschlagsereignisse innerhalb des dreijährigen Betrachtungszeitraumes:

Schwellenwert                 Häufigkeit
0,1 mm                                > 1000
1 mm                                    > 500
2 mm                                    > 300
5 mm                                    > 100
10 mm                                  > 30
15 mm                                  ~ 9
20 mm                                  ~ 4
25 mm                                  ~ 2
30 mm                                  0

Jetzt muss man noch wissen, dass eigentlich erst in den 1990er/2000er-Jahren flächendeckend angefangen wurde, mit sub-täglichen Auflösungen Niederschlag zu erfassen (meist stündlich) und dass erst das Wetterradar, was in Deutschland seit rund 20 Jahren verfügbar ist, auch eine sub-stündliche und vor allem räumlich gut aufgelöste Niederschlagsquantifizierung zulässt.

Gehen wir also mal bestenfalls davon aus, dass wir z.B. 30 Jahre “gute” Kenntnis über das sub-tägliche Niederschlagsgeschehen hätten* und damit eine Datenbasis, mit der man Statistik machen könnte, und extrapolieren wir mal die o.g. Häufigkeiten des 3-jährigen Betrachtungszeitraumes (Faktor 10), so stellen wir fest, dass beispielsweise die Ereignisse > 20 mm in 6 h geschätzt 60 mal in unserer 30-jährigen Basisperiode auftauchen müssten. Das sind größenordnungsmäßig 60 mal 6 h von 30 Jahren (bzw. von 43.800 6-h-Intervallen) – also haben wir ein “Signal” für die in Rede stehenden Ereignisse in ca. 0,14 % der Fälle.

*Steht hier im Konjunktiv, denn die raum-zeitliche Erfassung des Niederschlags ist weder mit Stationsmessungen, noch mit Radar ohne Unsicherheiten zu haben. Aber das ist ein anderes Thema…

Auch ohne statistischen Signifikanztest sehen wir, dass es einen massiven Stichprobeneffekt gibt. Das heißt NICHT, dass wir mit den Daten keine Statistik machen können – das geht schon und ist auch gut so. Zum Beispiel macht der DWD die als KOSTRA bekannte “Koordinierte Starkniederschlagsregionalisierung und -auswertung”. Was es hingegen heißt ist, dass statistische Schätzungen auf der beschriebenen Datenbasis mit erheblichen Schätzfehlern behaftet sein MÜSSEN!

Auch das ist nicht weiter schlimm. Schlimm wird es nur, wenn aktuelle, empirische Beobachtungen (a.k.a. Extremereignisse) in ihrer Ausprägung einer ÄNDERUNG ihres Häufigkeitsverhaltens (a.k.a. stattfindender Klimawandel) zugeschrieben werden und eben nicht auch vor dem Hintergrund der oben angesprochenen Schätzunsicherheiten bezüglich der Eigenschaften der Grundgesamtheit diskutiert werden. Schätzunsicherheiten werden vor allem bei Untersuchung sub-täglicher Niederschlagsdaten stets um Größenordnungen stärker wirken, als Änderungssignale der Grundgesamtheit.

Die bis hierhin gemachten Aussagen bezüglich Starkregen beziehen sich explizit auf sub-tägliche Daten (welche aber nun mal notwendig sind, um das Thema “lokale Starkregen mit Hochwasser” zu betrachten).

Ähnlich schwierig sieht es hinsichtlich Trockenheits-Ereignissen (wie 2018) aus. Hier gilt zunächst dasselbe: Bei extremen/seltenen Ereignissen wird es sehr vage, diese einer geänderten/instationären Klimatologie zuzuschreiben.

Beispielsweise schreiben dazu Seneviratne et al. im IPCC SREX 2012 bezüglich bisher beobachtbarer Veränderungen (“Observed Changes”) im Häufigkeitsregime von Trockenheiten:

In Europe, there is medium confidence regarding increases in dryness based on some indices in the southern part of the continent, but large inconsistencies between indices in this region, and inconsistent or statistically insignificant trends in the rest of the continent (Table 3-2). Although Dai et al. (2004) found an increase in dryness for most of the European continent based on PDSI, Lloyd-Hughes and Saunders (2002) and van der Schrier et al. (2006b) concluded, based on the analysis of SPI and self-calibrating PDSI for the 20th century (for 1901-1999 and 1901-2002, respectively), that no statistically significant changes were observed in extreme and moderate drought conditions in Europe [with the exception of the Mediterranean region in van der Schrier et al. (2006b)]. Sheffield and Wood (2008a) also found contrasting dryness trends in Europe, with increases in the southern and eastern part of the continent, but decreases elsewhere.

Auch hier zeigt sich also ein eher heterogenes, statistisch eher insignifikantes Bild. Also noch mal als “Lehrsatz”: Gerade bei Extremereignissen (welche naturgemäß stets stark wahrgenommen werden) ist es aus statistischer Sicht oftmals nicht zulässig, daraus abzuleiten, dass sich das zu Grunde liegende Häufigkeitsregime verändert hätte. Oder etwas salopper formuliert: Ein Einzelereignis ist mitnichten ein Beleg für den Klimawandel.

#Trockenheit // kurzes Update vom #LHWZ @LfULG

Wetter trifft Klima – das Jahr 2018 im Zeichen der #Trockenheit

Das Sächsische Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie und der Deutsche Wetterdienst haben für Sachsen – wie jedes Jahr – eine sehr profunde Zusammenschau auf die Witterung des vergangenen Jahres inkl. einer klimatologischen Einordnung vorgestellt. Dominierendes Thema war natürlich die Trockenheit 2018.

Die wichtigesten Kernaussagen finden sich komprimiert in zwei Leitvorträgen des LfULG bzw. des DWD. Für Sachsen war das Jahr 2018 (gegenüber dem Zeitraum 1961/1990) beispielsweise 2,2 K wärmer und hatte 33 % weniger Niederschlag.

Im dem genannten Bericht gibt es auch umfassende gewässerkundliche Ausführungen, wie die folgenden Beispiele belegen. Eine Lektüre des Berichts sei Interessierten also unbedingt empfohlen.

Anteil sächsischer Pegel im Niedrigwasser (Wasserführung unterhalb MNQ(Jahr) zum Stichtag Dienstag der dargestellten Wochen) von Mitte Mai 2018 bis Anfang Januar 2019; zwischenzeitliche Rückgänge der Betroffenheit sind durch Niederschlagsereignisse verursacht (Quelle: LfULG-Bericht).

Im Folgenden sind einige Durchfluss-Klimatologien für ausgewählte Pegel dargestellt (Quelle und weitere Erläuterungen: siehe LfULG-Bericht):

Die Auswirkungen der Trockenheit 2018 sind immer noch zu spüren. So ist beispielsweise für schwere Böden mit größeren Mächtigkeiten (wie in Nordsachsen) nach wie vor ein beträchtliches Bodenwasserdefizit zu verzeichnen. Auch ist die allgemeine Tendenz der Grundwasserstände bestenfalls (auf niedrigem Niveau) stagnierend. Das Niederschlagsdargebot der nächsten Monate wird daher entscheidend für den weiteren Verlauf in 2019 sein.

Wichtige Punkte zur Einordung:

  • Trockenheiten gab es immer wieder und wird es auch zukünftig geben
  • Es gab in der (bekannten/jüngeren) Vergangenheit “schlimmere” Trockenheiten in Sachsen (z.B. 1976)
  • Trockenheit ist vor allem abhängig vom Niederschlagsdargebot/-defizit und zu einem geringeren Grad eine Funktion anderer Faktoren, wie Temperatur, Wind, Strahlung etc.
  • Auf Basis einschlägiger Klimaprojektionen ist derzeit nicht sicher zu sagen, wie zukünftig das mittlere Niederschlagsdargebot in Sachsen aussehen mag; die meisten Klimamodelle tendieren hier eher in Richtung Zunahme des mittleren jährlichen Dargebots
  • Generell können aus Einzelereignissen keine klimatologisch belastbaren Informationen abgeleitet werden
  • Auf Einzeleireignisse bezogene Aussagen wie “Die Trockenheit 2018 ist eine Folge des Klimawandels” sind daher nicht zulässig

#EuroDrought18: brief update for Saxony, Germany

This is how the SPI-180d evolved in 2018 for Saxony, Germany; very likely that the start of the upcoming year 2019 will be significantly drier than the beginning of 2018. HOWEVER, (even deeper) droughts of course occurred in former times. So, lining out a direct connection from the 2018 drought to climate change is a bit speculative (one cannot infer climatologically robust information from single events)…

N.B.: Linking single events to Climate Change is not unproblematic (#Klimafolgen) as stated in this post.

Remarkable low flow of River Elbe during #EuroDrought18

N.B.: This is only to shed a light on hydrological conditions at a specific location and a specific day. #EuroDrought18 isn’t over yet for larger regions that were affected up to now. More in-depth analyses need to follow. Additionally, flow in the River Elbe is strongly affected by dams, barrages, locks, etc., located in the Czech part of the catchment, foremost since the 1960’s, where a number of larger dams went into operation. Dams etc. affect the flow regime in both ways; they can sustain the flow by an additional release of water. On the other hand, flow is sometimes retained by technical operations for a certain time, e.g., in order to collect water for a more efficient energy production or to prepare releasing a “wave” to the downstream channel to support navigation, for instance. Therefore, a direct comparison of current conditions to historical extremes (i.e., prior the 1960’s) is not permitted.

Yesterday’s remarkable low flow was caused by a sunk due to the operation of Střekov barrage weir. The barrage was operated to retain water which was later released to improve power generation at Střekov and to support tourist-steamer navigation in and around Dresden on the upcoming weekend. Thus, the current low flow situation in the Elbe clearly is a consequence of #EuroDrought18. However, yesterday’s quite extreme low flow was also influenced by man-made operations.

First of all, here are some impressions of the situation on the evening of yesterday’s August, 23 (all pics taken by myself; feel free to share):

As already mentioned, a comparison with past data should be carried out with caution. Taking data starting from 1965 (data can be downloaded here) and comparing to current data (which can be found here) leads to the conclusion, that yesterday’s mean flow of 73.8 m³/s (mean water level: 43 cm) is the lowest daily mean flow since at least 50 years:

Daily mean flow of Elbe at Dresden from January 01, 1965 to August 23, 2018 (data can be found here and here; note the logarithmic scale of the ordinate axis).

Ripping up the data a bit and comparing it to empirically drawn flow percentiles gives the following image:

Flow climatology for Dresden / Elbe drawn from daily mean flow values from January 01, 1965 to December 31, 2017 and compared to current mean hourly flow values of the years 2017 and 2018 (solid lines). The R-Script used for data analysis and dataviz is courtesy of WSL and can be downloaded here.

The big question is, if the current drought will still last for a while, or not… Seasonal forecasts indicate near-normal conditions for the next months. If they are right, the upcoming rainfall would not fully compensate the current rainfall deficit until the end of the year, though.

ECMW seasonal forecast (Sept-Oct-Nov) of mean precipitation anomaly (source).

Up to now, the present drought seems to be a major event with more severe characteristics than the droughts of 2003 and 2015, at least for parts of Europe. However, this claim needs to be verified by further analyses, which will be carried out by the hydrology community in the future, for sure! In the meantime, feel free to follow the #EuroDrought18 hash tag on Twitter to stay up to date on the topic…

Last not least, here is some visual comparision of the 2015 with the 2018 situation:

Augustus Bridge over River Elbe in Dresden with indicated extreme water levels for selected flood and low flow events (as of August 23, 2018).

#EuroDrought18

Colleague Massimiliano Zappa of WSL proposed via his Twitter channel to connect the scientific community via the hashtag #EuroDrought18 (at least the ones, who are on Twitter):

The proposal faced very broad agreement. The further development of the current drought situation will be interesting since seasonal precipitation forecasts show no fundamental relief of the situation (except parts of Southern Europe):

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Seasonal precipitation anomaly forecast of DWD/MPI/UHH for August to October 2018; (c) DWD, MPI-M and UHH; Source: https://www.dwd.de/DE/leistungen/jahreszeitenvorhersage

Other seasonal forecasting systems point out the same direction; so, there is some evidence that there will be further coverage of #EuroDrought18

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Seasonal precipitation anomaly forecast of ECMWF for August to October 2018; (c) ECMWF; Source: https://www.ecmwf.int/en/forecasts/charts/catalogue/

By now, there has been a lot of interesting coverage going on with Twitter. So please feel free and follow and contribute to #EuroDrought18!

Follow-Up zur regionalen Niederschlagsklimatologie Sachsen

Als kleines Follow-Up zu diesem Artikel nun knapp einen Monat später die SPI-basierte Niederschlagsklimatologie für Sachsen (der SPI sagt mit einfachen Zahlen, ob es nass oder trocken war; mehr Infos dazu siehe o.g. Artikel).

30-Tage SPI per 24.07.2016, abgeleitet aus DWD-REGNIE-Daten.
30-Tage SPI für Sachsen per 24.07.2016, abgeleitet aus DWD-REGNIE-Daten.

Es bedeuten dabei die Farben:

SPI_Legend

Generell sieht man einige regionale Unterschiede, was hauptsächlich durch die in den vergangenen Wochen aufgetretenen eher lokalen Niederschlagsereignisse bedingt ist. Das wiederum ist aber durchaus nicht ungewöhnlich für einen durchschnittlichen mitteleuropäischen Sommer…