Vorhersage von Hochwasser bis zum einzelnen Gebäude?
Der Klimawandel verursacht häufigere Extremereignisse wie Hochwasser, was die Entwicklung präziserer Hochwasservorhersagemethoden vorantreibt. Ein Forschungsteam hat ein System entwickelt, das nicht nur Wasserstände an Pegeln vorhersagt, sondern auch dynamische Überflutungskarten bereitstellt.
Hochwasservorhersage auf neuer Ebene: Präzise Prognosen bis zum Gebäudeniveau.
Foto: PantherMedia / Michael Röder
Der Klimawandel führt zu mehr Extremwetter, wie zum Beispiel Hochwasser. Deshalb ist es wichtig, bessere und schnellere Methoden zur Vorhersage von Hochwasser zu entwickeln, um die Menschen besser zu schützen. Forscher vom Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) und vom Deutschen GeoForschungsZentrum (GFZ) haben ein System entwickelt, das frühzeitig Informationen über Wasserstände liefert und genaue Überschwemmungskarten erstellt. Damit können die Auswirkungen von Überschwemmungen genau vorhergesagt werden, sogar bis hin zu einzelnen Gebäuden.
Betroffene Bevölkerung frühzeitig informieren
In den letzten Jahren haben sich die Vorhersagen für Hochwasser stark verbessert. Forschende können nun genau die Wasserstände an Pegeln vorhersagen. Bisher war es jedoch schwierig, die Auswirkungen von Überschwemmungen auf Städte und Gemeinden, besonders entlang von Flussufern, richtig einzuschätzen. Diese Genauigkeit ist wichtig, um die betroffene Bevölkerung frühzeitig zu informieren und im Notfall Evakuierungen zu ermöglichen.
„Was es bräuchte, ist ein mit dem neuesten Stand der Technik ausgestattetes Hochwasserfrühwarnsystem, das hochauflösend rechtzeitig Überschwemmungsvorhersagen liefert und angibt, welche Auswirkungen das Hochwasser auf einzelne Gebäude hat“, sagt UFZ-Modellierer Prof. Luis Samaniego, Autor des Artikels in der Zeitschrift Nature Communications. Dies würde die Grundlage für das Krisenmanagement entscheidend verbessern.
Vorhersage von Hochwasser: System kombiniert Daten
Die Forschenden der beiden Helmholtz-Zentren haben für das neue Hochwasservorhersagesystem zuerst die Niederschlagsvorhersagen des Deutschen Wetterdienstes (NWP Limited Area Ensemble Prediction System) mit dem am UFZ entwickelten hydrologischen Modellsystem mHM kombiniert. Dieses Modell liefert nicht nur Informationen zum Wasserabfluss, sondern auch zum zeitlichen Verlauf der Bodenfeuchte, was ein entscheidender Faktor für die Hochwasserentwicklung ist. Anhand der Daten der Hochwasserkatastrophe im Ahrtal im Juli 2021 konnten sie im Nachhinein die Höhe der Flutwelle für den Pegel Altenahr stündlich prognostizieren, indem sie ein Ensemble von 20 Vorhersagemodellen verwendeten. Zudem konnten sie die Wahrscheinlichkeit berechnen, ob ein 50- oder 100-jährliches Hochwasser eintreten würde. Die Modellierung zeigte, dass 47 Stunden, fast zwei Tage vor dem Eintreffen der Flutwelle im Ahrtal, 15 Prozent der Modelle ein 100-jährliches Hochwasser vorhergesagt hätten. Je näher das Ereignis rückte, desto wahrscheinlicher wurde es, dass die Jahrhundertmarke tatsächlich überschritten wurde: 17 Stunden vor der Flutwelle sagten 75 Prozent aller Modelle das Jahrhunderthochwasser voraus, und sieben Stunden davor waren es schließlich 100 Prozent.
„Wenn 75 Prozent der Vorhersagen in einem Ensemble ein Jahrhunderthochwasser anzeigen, ist es sehr wahrscheinlich, dass es eintritt“, sagt der UFZ-Modellierer Dr. Husain Najafi, Erstautor der Studie.
Ausbreitung von Überschwemmungsflächen simulieren
Im nächsten Schritt integrierten die Forscher des Helmholtz-Zentrums das hydrologische Modellsystem mHM mit dem hydrodynamischen Hochwassermodell RIM2D, das vom GFZ Potsdam entwickelt wurde. RIM2D simuliert die Ausbreitung von Überschwemmungsflächen und die dynamische Entwicklung der Überflutungstiefe in kurzer Zeit. Dieses Modell, das eine räumliche Auflösung von 10 Meter x 10 Meter hat, ermöglicht es, stündlich vorherzusagen, bis zu welcher Höhe das Wasser die Flächen überflutet. Dadurch kann genau bestimmt werden, welche Gebäude, Straßen, Eisenbahnstrecken, Krankenhäuser oder andere wichtige Infrastrukturen besonders stark vom Hochwasser betroffen sind. „Zuständige Behörden und Bevölkerung haben so nicht nur Informationen über einen möglichen Pegelstand 30 Kilometer am Flussoberlauf vorliegen, sondern auch eine detaillierte Überflutungskarte, die zeigt, welche Auswirkungen das Hochwasser hat. So könnten sie beispielsweise wissen, wo und welche Personen in Gefahr sein könnten oder wer evakuiert werden muss“, kommentiert der Hydrologe Dr. Sergiy Vorogushyn vom GFZ in einer Pressemitteilung.
Rekonstruktion des extremen Hochwasserereignisses im Ahrtal
Das kombinierte Vorhersagemodell des UFZ und des GFZ hat seinen ersten Test zur Rekonstruktion des extremen Hochwasserereignisses im Ahrtal erfolgreich bestanden. Im Sommer wird die automatisierte Modellkette im Rahmen der Helmholtz-Klima-Initiative in zwei weiteren Einzugsgebieten an der Fils und an der Murr in Baden-Württemberg in Echtzeit getestet. Wenn das Modellsystem auch diese Phase besteht, könnte es aus Sicht der Wissenschaftler für Regionen mit erhöhter Hochwassergefahr, insbesondere durch Sturzfluten, anwendbar sein. Es könnte bestehende Hochwasserfrühwarnsysteme entscheidend ergänzen und den Horizont der Vorhersagen um die Auswirkungen des Hochwassers erweitern. Dies hätte das Potenzial, Personen- und Sachschäden in Zukunft erheblich zu reduzieren.
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