Sachsenweite Studie zur Eignung verschiedener Ansätze zur Ableitung von Hochwasserfrühwarnungen

Einführung

Für den Freistaat Sachsen wird derzeit am Landeshochwasserzentrum ein System zur Hochwasserfrühwarnung konzipiert, umgesetzt und operationalisiert. Dabei geht es darum, vor allem eine qualitative Einschätzung über die Hochwassergefährdung, beispielsweise in den nächsten 24 Stunden, abzuleiten. Das Ziel ist weniger, den möglichst exakten Verlauf einer Ganglinie vorherzusagen.

Es fanden bereits Voruntersuchungen zu den Ansprüchen potentieller Nutzer von Frühwarn-Produkten sowie zur Qualität und Eignung verschiedener meteorologischer Antriebsdaten (Niederschlagsvorhersagen) für die Hochwasserfrühwarnung statt.

Eine wichtige Anforderung an eine Frühwarnung ist dabei, dass diese auch und vor allem für kleine, potentiell unbeobachtete Einzugsgebiete einen prädiktiven Nutzen bietet. Es stellt sich die Frage, welcher Modellansatz für die Ableitung von Frühwarn-Informationen geeignet ist. Nun wurde von der Professur für Hydrologie der TU Dresden eine umfassende Analyse vorgelegt, welche diese Frage zu beantwortet.

Untersuchungsgebiete

Untersucht wurden 64 Pegeleinzugsgebiete in Sachsen, maßgeblich in einem Skalenbereich von wenigen bis einigen hundert Quadratkilometern Einzugsgebietsfläche. Das kleinste untersuchte Einzugsgebiet hatte dabei eine Fläche von gerade einmal ca. 6,5 km², das größte ca. 1.000 km².

Übersicht der Untersuchungsgebiete (ohne Pilotgebiete Mandau, Röder und Müglitz).

Übersicht der Untersuchungsgebiete (ohne Pilotgebiete Mandau, Röder und Müglitz).

Verwendete Modellansätze

Es wurden drei verschiedene Ansätze konzipiert, implementiert, angewendet und hinsichtlich ihrer Eignung zur Hochwasserfrühwarnung bewertet. Details zu den Ansätzen finden sich hier.

  1. Modell auf Basis eines künstlichen neuronalen Netzes (KNN)
  2. „Klassisches“ konzeptionell-deterministisches, teilflächenbasiertes Einzugsgebietsmodell
  3. Klassifizierendes Bewertungsverfahren der Hochwasseranfälligkeit („Scoring-Modell“)

Beurteilungskriterien

Bewertet wurden im Wesentlichen zwei Kriterien; Erstens, ob das Modell taugt, qualitative Frühwarnungen abzuleiten („Überschreitung einer Warnstufe in den nächsten 24 Stunden“) >> „Modus Frühwarnung“. Zweitens, ob das Modell in der Lage ist, beobachtete Ganglinienverläufe möglichst gut zu simulieren >> „Modus (Ganglinien-)Vorhersage“.

Zur Beurteilung des ersten Kriteriums eignet sich die AUC (Area Under ROC Curve). Dieses Maß ist am ungünstigsten bei Werten von 0,5 und optimal bei 1. Bei werten ab 0,8 kann man von mindestens einer guten Vorhersagegüte sprechen. Die AUC bewertet, ob ein vorhergesagter Wert innerhalb eines bestimmten Zeitfensters ober- oder unterhalb eines warnrelevanten Wertes (z.B. Alarmstufe) liegt.

Die Kling-Gupta-Effizienz (KGE) misst die Abweichungen zwischen beobachteter und simulierter Ganglinie. Sie ist optimal bei einem Wert von 1.

Modellgüte mit Blick auf Frühwarnung sowie Ganglinienvorhersage

Modus Frühwarnung

Hier geht es wie gesagt darum, zu beurteilen, ob ein vorhergesagter Wert innerhalb eines bestimmten Zeitfensters ober- oder unterhalb eines bestimmten beobachteten Wertes liegt.

Die folgende Abbildung zeigt exemplarisch Ergebnisse für die AUC. Konkret dargestellt sind die pegelspezifischen Ergebnisse der AUC-basierten Gütebewertung für eine Vorhersageweite von 21 Stunden sowie einen Modellantrieb mit interpolierten Ombrometerdaten als QPE sowie COSMO-DE-Daten als quantitative Niederschlagsvorhersage (QPF).

Ergebnisse der vergleichenden Gütebewertung für mehr als 50 Pegeleinzugsgebiete Sachsens für den Anwendungsfall

Ergebnisse der vergleichenden Gütebewertung für mehr als 50 Pegeleinzugsgebiete Sachsens für den Anwendungsfall “Frühwarnung”. Diagramm unten zeigt die empirische Häufigkeitsverteilung (Dichte) der Ergebnisse. Die Persistenzvorhersage stellt die einfachste Form der Vorhersage dar. Es wird angenommen, dass der Durchfluss Q(i) zum Zeitpunkt i ohne Änderung über den Vorhersagehorizont eintritt. Vorhersageweite 21 Stunden.

Es zeigt sich, dass für den Anwendungsfall „Frühwarnung“ das KNN-Modell am besten abschneidet, dicht gefolgt vom einfachen Scoring-Modell. Der deterministische Ansatz zeigt den geringsten prädiktiven Nutzen, obgleich die erzielten Güten meist immer noch mindestens als „gut“ zu bezeichnen sind; auch dieser Modellansatz bietet also für den Anwendungsfall einen prädiktiven Nutzen.

Modus (Ganglinien-)Vorhersage

Bewertet man hingegen die Abweichungen zwischen beobachteter und simulierter Ganglinie (Anwendungsfall „Ganglinienvorhersage“), so weist das KNN-Modell nach wie vor die höchsten Güten aus. Die Güte und Spezifität der verbleibenden beiden Ansätze fällt im Vergleich dazu ab, wobei das Scoring-Modell auf Grund seiner Besonderheiten (nur klassifizierte Aussagen) kaum in der Lage ist, beobachtete stetige Ganglinienverläufe wiederzugeben.

Ergebnisse der vergleichenden Gütebewertung für mehr als 50 Pegeleinzugsgebiete Sachsens für den Anwendungsfall

Ergebnisse der vergleichenden Gütebewertung für mehr als 50 Pegeleinzugsgebiete Sachsens für den Anwendungsfall “Ganglinienvorhersage”. Diagramm unten zeigt die empirische Häufigkeitsverteilung (Dichte) der Ergebnisse. Die Persistenzvorhersage stellt die einfachste Form der Vorhersage dar. Es wird angenommen, dass der Durchfluss Q(i) zum Zeitpunkt i ohne Änderung über den Vorhersagehorizont eintritt. Vorhersageweite 21 Stunden.

Zur räumlichen Übertragbarkeit der Ansätze

Besonders wenn es um die Frühwarnung vor Hochwasser in kleinen Einzugsgebieten geht, stellt sich die Frage nach der räumlichen Übertragbarkeit von Modellansätzen. Gerade kleine Gebiete sind oftmals unbepegelt, was streng genommen die Einbeziehung bereits beobachteter Durchflussanstiege für eine Frühwarnung nicht zulässt. Um die Möglichkeiten der räumlichen Übertragbarkeit der untersuchten Ansätze bewerten zu können, wurde ein regionales Jackknifing durchgeführt.

Die folgende Abbildung zeigt Güte-Ergebnisse (anhand der AUC – Anwendungsfall „Frühwarnung“) für beobachtete Gebiete („Original“) sowie quasi-unbeobachtete (im Sinne de Jackknifing zwar beobachtete, jedoch als unbeobachtet angesehene) Gebiete („Regionalisiert“).

Bewertung der regionalen Übertragbarkeit der untersuchten Modellansätze mittels Jackknifing. QPE: Ombrometerdaten; QPF: COSMO-DE. Eingezeichnet ist ein AUC-Grenzwert von 0,8 („gut“).

Bewertung der regionalen Übertragbarkeit der untersuchten Modellansätze mittels Jackknifing. QPE: Ombrometerdaten; QPF: COSMO-DE. Eingezeichnet ist ein AUC-Grenzwert von 0,8 („gut“).

Es zeigt sich, dass das Scoring-Modell am robustesten auf eine regionale Übertragung reagiert, was nicht weiterhin verwunderlich ist, da dort keinerlei beobachtete Durchflüsse eingehen.

Fazit

Es hat sich gezeigt, dass für den Anwendungsfall „Frühwarnung“ ein sehr simpler Scoring-Ansatz vergleichsweise hohen prädiktiven Nutzen bietet und gleichzeitig robust regionalisierbar ist. Eingedenk der sehr einfachen implementierungsseitigen und operationellen Ansprüche dieses Ansatzes, ist er nach dem aktuellen Kenntnisstand zur Ableitung von qualitativen Frühwarnprodukten zunächst zu bevorzugen.

Anders sieht es aus, wenn die möglichst exakte Simulation des Ganglinienverlaufs notwendig ist (Anwendungsfall „Ganglinienvorhersage“). Hier sind datengetriebene Verfahren (KNN) oder „klassische“ hydrologische Modellierung durchaus überlegen.

Referenzen

Abbildungen sind entnommen aus bzw. verändert nach:

Metzkes, C. et al.
A comparative study of data-driven approaches for flood early warning in small catchments
Contribution for the European Geosciences Union General Assembly 2017 Vienna, Austria, 23–28 April 2017.

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Aktuelle Hochwassergefährdung in Sachsen

Auf Grund der in den vergangenen Tagen gefallenen Niederschläge sowie der Schneeschmelze kam es – ausgehend von einem niedrigen Niveau – bereits zu einem moderaten Anstieg der Wasserführung. Das betrifft vor allem kleinere Gewässer in mittleren Höhenlagen, wo noch eine signifikante Schneerücklage vorhanden ist, der Niederschlag aber überwiegend als Regen fiel.

Das Tauwetter wird sich in den kommenden Tagen durch allgemein mäßig STEIGENDE TEMPERATUREN (Durchgang einer Warmfront) verstärken. Weiterhin wird sich ab heute im Vorhersagegebiet eine NIEDERSCHLAGSREICHE WITTERUNG einstellen, wobei auch in den höchsten Lagen des Freistaates der Niederschlag überwiegend als Regen fallen wird und somit die SCHNEESCHMELZE SIGNIFIKANT VERSTÄRKT wird.

Im Bergland bewegen sich die Schneehöhen aktuell zwischen 10 und 30 cm, in den Kammlagen bis 40 cm (Fichtelberg: 75 cm). Für Bereiche mit signifikanter Schneerücklage hat der Deutsche Wetterdienst heute AMTLICHE WARNUNGEN VOR TAUWETTER (gültig bis einschließlich Donnerstag) herausgegeben. Für die kommenden 72 h sind Dargebote von verbreitet 20 bis 30 mm im Flachland und 60 bis 90 mm im Bergland zu erwarten; im Stau des Erzgebirges möglicherweise auch darüber!

Diese abflusswirksamen Dargebote werden eine DEUTLICHE ERHÖHUNG DER WASSERFÜHRUNG verursachen, zunächst von kleineren Gewässern im Bergland und dann von größeren Gewässern, auch im Flachland. Damit wird sich die HOCHWASSERGEFÄHRDUNG im Vorhersagezeitraum im Verlauf der Woche STETIG ERHÖHEN.

Aktuelle Trockenheit in Deutschland

Aktuell herrscht in Deutschland eine ausgeprägte Trockenheit. Vor allem die Winterniederschläge blieben in einigen Teilen Deutschlands weit hinter den statistischen Erwartungen zurück (meteorologische Trockenheit). Das trifft vor allem für den Süden und Südwesten zu. Die hydrologische Trockenheit (Niedrigwasser) hat sich partiell auf Grund von Schneeschmelze etwas entspannt. Allerdings ist bisher keine durchgreifende Änderung der Situation abzusehen.

Aktuelle Trockenheitssituation entsprechend UFZ-Dürremonitor.

Aktuelle Trockenheitssituation per Ende Januar 2017 im Vergleich zu den Vorjahren 2014, 2015 und 2016 entsprechend UFZ-Dürremonitor.

Auch für Sachsen gilt, dass vor allem die vergangenen drei Monate statistisch gesehen (z.B. beurteilt anhand des SPI) wenig Niederschläge aufwiesen, allerdings wurde die Wasserführung in den Gewässern durch zwischenzeitliche Schneeschmelzereignisse unterstützt.

SPI über drei Monate zum Stichtag 11.02.2017. Quelle: LHWZ Sachsen.

SPI über drei Monate zum Stichtag 11.02.2017. Quelle: LHWZ Sachsen.

Hochwasserfrühwarnsystem Sachsen: Entwicklung schreitet voran

Das aktuell am Landeshochwasserzentrum Sachsen (LHWZ) in Entwicklung befindliche Hochwasserfrühwarnsystem (Kurzabriss zum Projekt) ist seit einigen Tagen operationalisiert und liefert erste Ergebnis-Produkte.

Methodisch basiert das Verfahren auf einem Scoring-Modell (ScoHM; Hintergründe hier), welches vor allem beobachtete und vorhergesagte Niederschläge sowie die Vorfeuchtebedingungen klassifiziert und die aktuelle und zukünftige Hochwassergefährdung ableitet.

Technisch ist das Modell im Framework Kalypso integriert, welches das LHWZ auch für die Verwaltung und Bedienung von Modellen zur pegelbezogenen Vorhersage nutzt.

Wizard-Ansicht ScoHM-Modell in Kalypso.

Wizard-Ansicht ScoHM-Modell in Kalypso.

Zukünftig (voraussichtlich in 2017) soll ein Ampelkarten-Produkt zur Frühwarnung (Prognosezeitraum 24 h) via Web (LHWZ-Webseite, eventuell Twitter) bereitgestellt und viermal täglich aktualisiert werden. Damit wird für Sachsen ein Produkt wie in Baden-Württemberg, Rheinland-Pfalz oder Hessen verfügbar sein. So könnte die Hochwasserfrühwarnung für Sachsen dann aussehen (Bilder des operationellen internen Prototyps auf Basis einer Leaflet-Visualisierung):

Leaflet-Karte für interne Frühwarn-Website.

Leaflet-Karte für interne Frühwarn-Website.

Durch die kombinierte Bewertung von Gebietseigenschaften, hydrologischen Vorbedingungen, Niederschlagsdaten sowie meteorologischen Vorhersagen wird also eine Karte der regionalen Hochwassergefährdung in kleinen Einzugsgebieten erstellt. Es handelt sich dabei um keine Vorhersage, sondern eine Abschätzung; möglicherweise im Vorhersagezeitraum auftretende Phänomene werden dargestellt. Die Hochwassergefährdung wird mittels einer vierteiligen Skala von “geringe Gefährdung” bis „hohe Gefährdung“ unterteilt (eventuell zusätzlich “sehr hohe Gefährdung”).

Es ist wichtig zu berücksichtigen, dass die in der Frühwarnkarte dargestellte prognostizierte Gefährdungslage sich zwar auf kleine Einzugsgebiete bezieht, jedoch regional (für 16 Teilgebiete Sachsens) dargestellt ist. So ist denkbar, dass für das Gebiet “Obere Zwickauer Mulde” die Warnstufe „hoch“ ausgegeben wird, für den Fluss selbst aber keine erhöhte Hochwassergefährdung besteht. Im Umkehrschluss kann – maßgeblich auf Grund der schlechten Vorhersagbarkeit kleinräumiger Starkregen – die Hochwassergefährdung nur regional und ohne Angabe eines konkreten Ortes oder eines konkreten Eintrittszeitpunktes abgeleitet werden.

Ergänzend zur Frühwarnkarte sollten in jedem Fall die Wetterwarnungen des DWD sowie Lage, Zugrichtung und Größenordnung der aktuellen Niederschlagsgebiete (siehe Wetterradar) beachtet werden, da die im Frühwarnsystem verwendeten Niederschlagsvorhersagen naturgemäß Fehler beinhalten können. Die aktuelle Wetterentwicklung kann sich im Einzelfall (vor allem bei örtlich begrenzten Starkregen) mehr oder weniger stark von der Vorhersage unterscheiden.

Im Übrigen informieren natürlich wie gehabt pegelbezogene Hochwassermeldungen und -vorhersagen des Landeshochwasserzentrums (www.hochwasserzentrum.sachsen.de) über die aktuelle und prognostizierte Hochwassergefährdung an den größeren Gewässern Sachsens.

Zwei neue Ombrometer (Online-Niederschlagsschreiber) im Landesmessnetz Sachsen verfügbar

Ab sofort gibt es im Landesmessnetz Sachsen, betrieben durch die Staatliche Betriebsgesellschaft für Umwelt und Landwirtschaft (BfUL), zwei neue Ombrometer: Hirschfeld bei Kirchberg sowie Hartmannsdorf bei Chemnitz.

Damit wurde das Niederschlagsmessnetz weiter verdichtet, was unter anderem der Hochwasservorhersage für Sachsen zugutekommen wird. Denn auch in Zeiten von Radar sind Bodenbeobachtungen des Niederschlages unerlässlich, nicht zuletzt für die Aneichung von Radarmessungen.

Auf den Seiten des Landeshochwasserzentrums Sachsen können aktuelle Messwerte in einstündiger Auflösung eingehen sowie zurückliegende Messwerte kostenlos heruntergeladen werden.

Deutscher Wetterdienst baut #WarnWetter zur Naturgefahren-App aus

Aus der DWD-Pressemitteilung vom 25.11.2016:

Behörden von Bund und Ländern kooperieren beim Ausbau von WarnWetter
Die Integration der neuen Warnungen in die WarnWetter-App wurde durch eine enge Kooperation des Hochwasserportals der Länder, der Bayerischen Lawinenwarnzentrale sowie der Bundesbehörden Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie und DWD ermöglicht. Hans-Joachim Koppert, Vorstandsmitglied und Leiter der Wettervorhersage des DWD: „Hier haben Bund und Länder im Interesse der Bürger an einem Strang gezogen. Wir kommen so unserem Ziel deutlich näher, die Bevölkerung aus einer Hand vor allen Gefahren zu warnen, die Wetter verursachen kann.“

Push-Nachrichten für Hochwasserwarnungen
Die App warnt ab sofort in drei Gefährdungsstufen für Gebirgsregionen wie die Bayerischen Voralpen vor Lawinen und unterscheidet dabei zwischen Berg- und Tallagen. Zugleich wird die gefährdete Hangrichtung angezeigt. Ein Text erläutert die Warnung und beschreibt, wie sich die Lawinengefahr bis zum Folgetag verändern wird. Bei den Sturmflutwarnungen für die deutsche Nord- und Ostseeküste bietet die App jetzt Informationen für je fünf Regionen an, wie zum Beispiel das Elbegebiet. Die Warnungen können als Push-Nachrichten abonniert werden. Schließlich stellt WarnWetter ab sofort die Hochwasserlage in den Bundesländern dar. Messwerte der Pegel aller deutschen Hochwasserzentralen können ergänzend angezeigt werden. Bei Hochwasser werden in der App Gefahrenstufen farblich markiert. Beim Anklicken einzelner Pegel werden eine Einordnung der aktuellen Hochwassersituation angezeigt und über einen Link weiterführende Informationen, zum Beispiel zum Herausgeber des Pegelstands, bereitgestellt.

Die Hauptfunktionen der WarnWetter-App des DWD auf einen Blick
• NEU: Hochwasserwarnungen und Hochwasserlage in den Bundesländern
• NEU: Sturmflutwarnungen, Wasserstandvorhersagen für die deutsche Küste
• NEU: Einschätzung der Lawinengefahr für die Bayerischen Alpen
• Amtliche Warnungen zur Warnsituation, Infos zur Entwicklung der Warnlage
• Individuell konfigurierbare Warnelemente und Warnstufen
• Zuschaltbare Alarmierungsfunktion bei Änderung der Warnlage vor Ort
• Unwettervideos aus dem DWD-TV-Studio bei Unwetterlagen
• Aktuelle Wetterradarbilder mit Anzeige der georteten Blitze
• Aktueller Warnmonitor für Gewitter und Schneefall
• Integrierte Hitzewarnungen und Angaben zur lokalen Wärmebelastung
• UV-Warnungen in Ortsansicht und als flächige Karte
• Teilen von Warninformationen in Social Media
• Weitere Wetterinformationen zur Personalisierung des Unwetterrisikos

“Meine Pegel”-App jetzt mit Gangliniengrafiken für Sachsen

Die amtliche Hochwasser-App “Meine Pegel” mit mittlerweile mehr als 1700 Pegeln ist ein Service von www.hochwasserzentralen.de und steht für alle gängigen mobilen Plattformen in den jeweiligen Stores bereit. Sie ist optimal, um sich per Push-Benachrichtigung warnen zu lassen.

Mittlerweile werden in “Meine Pegel” auch für die Pegel in Sachsen (neben den reinen Zahlenwerten) Grafiken der Wasserstandsverläufe angezeigt. Im Falle von Hochwasser enthalten die Grafiken dann auch Vorhersagen.

Das Angebot rückt damit näher an den Informationsumfang heran, welcher über das Webportal des Landeshochwasserzentrums zugänglich ist. Nicht unerwähnt soll an dieser Stelle bleiben, dass die Seiten des LHWZ-Webportals auch in einer Ansicht, optimiert für mobile Endgeräte verfügbar sind!