Dienstag, den 25. August 2009 um 06:14 Uhr

Artikel in der Zeitschrift KA (Korrespondenz Abwasser/Abfall), Ausgabe 07/2009:

Untersuchung von Einflüssen des Klimawandels auf das Starkregenverhalten im Stadtgebiet von Hagen

Investitionen in Stadtentwässerungsanlagen haben eine langfristige Abschreibungsdauer von bis zu hundert Jahren. Um Fehlinvestitionen zu vermeiden, ist eine möglichst hohe Planungssicherheit anzustreben. Vor dem Hintergrund des Klimawandels werden neue Herausforderungen an die Erarbeitung der Planungsgrundlagen gestellt. Aus diesem Grund lässt die Stadtentwässerung Hagen (SEH) ihre Niederschlagsdaten regelmäßig von aqua_plan aufbereiten. Darüber hinaus wurden in 2000 und 2006 Starkregenanalysen durchgeführt. Ein Vergleich der Ergebnisse beider Analysen zeigte eine erkennbare Zunahme der Niederschlagsintensität. Daraufhin beauftragte die SEH die aqua plan GmbH, die Einflüsse des Klimawandels auf das Starkregenverhalten im Stadtgebiet Hagen zu untersuchen.

Die hier vorgestellte Untersuchung basiert auf den vor Ort gemessenen kontinuierlichen Niederschlagsreihen, berücksichtigt die notwendige Differenzierung innerhalb des Stadtgebietes und trifft eine quantitative Aussage für die Zukunft.

1 Grund für die Beauftragung und Ziel der Untersuchung

Als Planungsgrundlage für Berechnungen in der Siedlungswasserwirtschaft dienen in der Regel Starkniederschlagshöhen nach KOSTRA-DWD 2000 [1]. Diese Werte sind statistisch abgesichert, geben die regionale Wirklichkeit jedoch nicht so exakt wieder wie die vor Ort gemessenen Daten der Niederschlagstationen. Liegen ausreichend lange Niederschlagsreihen für ein Untersuchungsgebiet vor, ist es sinnvoll, eine eigene Starkregenauswertung nach den allgemein anerkannten Regeln der Technik [2] durchzuführen. Diese stellt für das betrachtete Gebiet die lokal zutreffende Belastung dar und erhöht damit die Planungssicherheit.

Diese Grundüberlegungen hatten bereits im Jahr 2000 die SEH veranlasst eine Starkregenuntersuchung für das Hagener Stadtgebiet in Auftrag zu geben. Um verlässliche Niederschlagsreihen für die Analyse verwenden zu können, wurden alle verfügbaren Niederschlagsdaten sorgfältig mit dem aqua_plan-Zeitreiheninformationssystem AquaZIS [3] aufbereitet [4]. Beim Vergleich der aufbereiteten Stationen wurde festgestellt, dass das Stadtgebeit Hagen nach drei Niederschlagsregionen differenziert werden kann - Hagen Nord, Hagen Mitte und Hagen Süd. Abbildung 1 zeigt beispielhaft die Niederschlagsgleichen (rh15,n=1) der Stationen des Stadtgebiets Hagen.


Abbildung 1: Verteilung der Regenhöhen im Stadtgebiet Hagen

Heute werden im Stadtgebiet 13 Niederschlagsschreiber betrieben.

Die Fortführung der Arbeiten im Jahr 2007 bestätigte die Richtigkeit der Aufteilung in die drei Regionen. Mittlerweile lagen 30-jährige Reihen bis Ende 2006 vor. Bei den ersten Betrachtungen stellte sich eine erkennbare Tendenz im Starkregenverhalten heraus: Die Untersuchung ergab, dass die verlängerten Reihen höhere Ergebnisse lieferten als die erste Untersuchung.

Um herauszufinden, was die Ursachen dieses Ergebnisses sind, wird die aqua_plan GmbH im Oktober 2007 von der SEH beauftragt, eine Untersuchung zu den Auswirkungen des Klimawandels auf das Niederschlagsverhalten im Stadtgebiet Hagen durchzuführen. Hauptaufgabe ist die Klärung, ob die Niederschlagsmenge und/oder die Starkregenereignisse im Hagener Stadtgebiet in Höhe und Häufigkeit statistisch signifikant zunehmen sowie das Erstellen einer quantitativen Prognose für die nächsten zehn Jahre.

Im Rahmen dieses Artikels wird die Vorgehensweise anhand der beiden Reihen Hagen Nord und Hagen Süd erläutert.

2 Voraussetzungen für die Durchführung der Untersuchung

Die Untersuchung kann nur durchgeführt werden, wenn ausreichend lange Zeitreihen (mindestens 20, besser 30 Jahre) vorliegen. Diese müssen sorgfältig und fachgerecht aufbereitet sein. Um eine Abgrenzung gegen den klimatologischen Zyklus von etwa 20 Jahren zu ermöglichen, ist es sinnvoll, Vergleichsreihen mit einer Länge von mindestens 50 Jahren heranzuziehen.

In der Umgebung wird jeweils eine Vergleichsreihe gefunden, deren Niederschlagsverhalten im gemeinsam vorliegenden Zeitbereich dem der vorhandenen Reihen entspricht: für Hagen Nord die Vergleichsreihe Nord und für Hagen Süd die Vergleichsreihe Süd. Für beide Vergleichsreihen liegt ein Untersuchungszeitraum von über 50 Jahren vor. Alle Auswertungen werden mit allen vier Reihen durchgeführt.

3 Vorgehensweise

Die Niederschlagssummen werden nach den folgenden Kriterien untersucht:
  • Entwicklung der Jahres-, Halbjahres- und Monatssummen
  • Untersuchung der niederschlagsfreien Zeit
  • Untersuchung der Tage mit wenig Niederschlag
  • Abgrenzung gegen den klimatologischen Zyklus
Die Untersuchung der Serien von Starkregenereignissen erfolgt nach folgenden Kriterien:
  • Unterschiedliche Dauerstufen
  • Abhängigkeit von der Jahreszeit
  • Entwicklung des Starkregens durch Betrachtung von Teilbereichen

4 Untersuchung der Niederschlagssummen

4.1 Jahres-, Halbjahres- und Monatssummen

Die Niederschlagssummen der Reihen Hagen-Nord, Hagen-Süd, Vergleichsreihe Nord und Vergleichsreihe Süd werden auf linearen Trend und Varianz untersucht. Diese Analyse wird mit Hilfe der Haupttabellen von AquaZIS durchgeführt.

Die jährliche Niederschlagsmenge steigt bei den Stationen Hagen-Nord, Vergleichsreihe Nord und Vergleichsreihe Süd um 0,5 bis 2,0 mm/a an. Bei der Reihe Hagen-Süd fällt sie dagegen um 1,0 mm/a. Bei keiner dieser Reihen ist ein linearer Trend auf Signifikanzniveau 5 % zu bestätigen (Tabelle 1).


Station Monate Winterhalbjahre Sommerhalbjahre Kalenderjahre
Hagen Nord 0,1266 -0,0894 1,6650 2,3650
Hagen Süd -0,0714 -1,3190 0,7753 -0,9381
Vgl.-Reihe Nord 0,0516 0,9516 -0,3667 0,4089
Vgl.-Reihe Süd 0,1856 2,0300 0,3836 1,8400
Tabelle 1: Entwicklung der Niederschlagssummen in mm/a

Bei der Betrachtung der Jahressummen ist ein klimatologischer Zyklus von ca. 20 Jahren erkennbar (Abbildung 2). “Ausreißer“, also Jahre, die erheblich von dem Zyklus abweichen, treten immer wieder auf. Es ist jedoch bei keiner Station erkennbar, dass ihre Anzahl oder Extremität zunehmen.

Abbildung 2: Zyklus der Niederschlagsjahressummen

Bei der Betrachtung der Halbjahressummen lässt sich bei den Hagener Stationen eine Zunahme der Niederschlagssummen in den Sommerhalbjahren und eine Abnahme in den Winterhalbjahren feststellen. Dies kann jedoch nicht als linearer Trend auf dem 5%- Signifikanzniveau bestätigt werden. Bei der Vergleichsreihe Nord ist der gleiche Trend festzustellen, wenn man die Auswertung ab 1965 betrachtet.

Die Monatssummen lassen keinen Trend und keine Zunahme der Amplitude erkennen. Die höchsten und die niedrigsten Monatswerte liegen über den gesamten Zeitbereich verteilt.

4.2 Niederschlagsfreie Zeit

Ein Anstieg der niederschlagsfreien Zeit bei gleichbleibender Gesamtmenge lässt auf eine Zunahme der Niederschlagsintensität schließen. Tatsächlich ist bei den Hagener Reihen eine deutliche Zunahme der niederschlagsfreien Zeit ab dem 1.11.2001 zu erkennen (Abb. 3). Für die Vergleichsreihen Nord und Süd lässt sich eine solche Veränderung nicht feststellen. Die Zunahme bei den Hagener Stationen ist jedoch einzig auf den Einsatz von Datenloggern ab 2002 zurückzuführen, die den Niederschlag wegen der einzelnen Wippenschläge nicht kontinuierlich aufzeichnen. Aus diesem Grund können die Ergebnisse der Überprüfung der niederschlagsfreien Zeit nicht verwertet werden.

Abbildung 3: Hagen-Nord, Niederschlagsfreie Zeit

4.3 Tage mit einer Niederschlagssumme < 0,1 mm

Ersatzweise wird die Anzahl der Tage mit einer Niederschlagssumme < 0,1 mm untersucht. An keiner der Stationen ist ein nennenswerter Anstieg der Tage pro Jahr festzustellen, es findet weder eine Umverteilung zwischen Sommer- und Winterhalbjahren statt, noch steigt die Amplitude der Anzahl der Tage pro Monat. Im Gegensatz zur Untersuchung der niederschlagsfreien Zeit nimmt hier die Anzahl dieser Tage ab 2002 nicht zu. Die Anzahl der Tage mit wenig Niederschlag ist im Hagener Stadtgebiet demnach nicht durch den Klimawandel beeinflusst.

4.4 Starkregentage

Analog zur vorhergehenden Analyse wird die Entwicklung der Anzahl der Starkregentage > 10 mm untersucht. Bei Zunahme der Anzahl der Starkregentage wäre eine Abnahme der Extremereignisse zu erwarten.

Es gibt geringe Zunahmen bei den Stationen Hagen-Nord (0,05 d/a), Vergleichsreihe Süd (0,15 d/a) und Vergleichsreihe Nord (0,03 d/a). Für Hagen-Süd ist eine geringe Abnahme zu verzeichnen. Ein Einfluss auf die Extremereignisse ist mit diesem Ergebnis nicht zu erwarten.

4.5 Schlussfolgerung

Bei allen durchgeführten Untersuchungen kann kein signifikanter Trend festgestellt werden. Es ist jedoch eine geringe Zunahme der Niederschlagssummen, besonders in den Sommerhalbjahren, zu verzeichnen. Ebenso nehmen, wenn auch nur sehr gering, die Starkregentage und die Trockentage zu, so dass dies eine Zunahme der Regenintensität plausibel macht.

Die langen Vergleichsreihen (> 30 Jahre) zeigen das gleiche Verhalten, so dass die Absicherung gegen einen klimatologischen Zyklus gewährleistet ist.

5 Entwicklung des Starkregenverhaltens

5.1 Untersuchung der Serien des gesamten Zeitbereiches

Von allen Stationen werden jährliche und partielle Serien erstellt und auf linearen Trend untersucht (Abbildung 4).

Abbildung 4: Hagen-Süd, Trenduntersuchung der jährlichen und partiellen Serie

Obwohl viele Trendtests auf einem Signifikanzniveau von 5 % abgelehnt werden, lässt sich bei den Stationen Hagen-Nord, Hagen-Süd und Vergleichsreihe Nord deutlich eine geringe aber stetige Zunahme der Werte bei allen Dauerstufen erkennen. Eine signifikante Zunahme um 0,2026 mm/a (1,2 % pro Jahr) wird bei der Station Hagen Süd für die Dauerstufe 60 Minuten festgestellt (Abbildung 3). Hier kann der Trendtest nicht widerlegt werden.

Einzige Ausnahmen, die einen negativen, aber nicht signifikanten Trend aufweisen sind bei Hagen-Nord die partielle Serie, 60 Minuten und bei Hagen-Süd die jährliche Serie, 15 Minuten.

5.2 Untersuchung von partiellen Serien mit höherem Schwellenwert

Um zu prüfen, ob sich besondere Starkregenereignisse am Ende des Untersuchungszeitraumes häufen, werden partiellen Serien mit einem höheren Schwellenwert berechnet, hier mit Anzahl Werte gleich Anzahl Jahre. Wenn bei der partiellen Serie nach Standardannahme mit 2,71 Ereignissen pro Jahr keine, bei der mit einem höheren Schwellenwert jedoch eine Häufung gegen Ende des Bearbeitungszeitraumes zu erkennen wäre, würde dies darauf hindeuten, dass gerade Extrem-Ereignisse vermehrt in den letzten Jahren aufgetreten sind. Die Auswertung der unterschiedlichen Stationen und Dauerstufen ergibt jedoch keinen einheitlichen Trend, der diese Annahme bestätigen würde.

5.3 Aufteilung der Serien nach Sommer- und Winterhalbjahren

Der derzeitigen Hypothese der Klimaforschung, dass die Starkregenereignisse besonders in den Sommermonaten zunehmen, wird durch die Erstellung von jährlichen und partiellen Serien getrennt nach Sommer- und Winterhalbjahren nachgegangen. Dabei muss zwar die Nullhypothese “Es ist ein Trend vorhanden“ auf dem Signifikanzniveau von 5 % fast bei allen Serien verworfen werden, trotzdem ist eine stärkere Zunahme der Ereignisse in den Sommermonaten zu verzeichnen.

5.4 Starkregenauswertung 10-jahresweise

Um die Entwicklung der statistischen Niederschlagshöhe im Laufe der Zeit verfolgen zu können, wird zunächst der maximal verfügbare Untersuchungszeitraum aller vier Stationen in 10-Jahres-Bereiche aufgeteilt und für jeden dieser Zeitbereiche eine separate Starkregenauswertung durchgeführt.

Gegenüber dieser Untersuchungsmethode bestehen allerdings schon vor der Auswertung Bedenken, da bei einer nur zehn Jahre langen Reihe sowohl der klimatologische Zyklus als auch zufällige Ereignisse das Ergebnis der Starkregenanalyse stark beeinflussen bzw. verfälschen [2].

Die Ergebnisse zeigen, dass sich bei der Einteilung des Gesamtbeobachtungszeitraumes in Dekaden kein Trend erkennen lässt. Die Ergebnisse für die 1- und die 10-jährlichen Ereignisse für die Dauerstufen von 15 und 60 Minuten, 4 und 12 Stunden sowie 1 Tag schwanken extrem, was die Unbrauchbarkeit dieser Methode bestätigt.

5.5 Starkregenauswertung mit um 5 Jahre verlängerten Reihen

Aus diesem Grund wird eine Auswertungsmethode entwickelt, bei der der erste Auswertungszeitraum vom Beginn der Zeitreihen bis 1990 um jeweils fünf Jahre verlängert wird bis das Ende der Zeitreihen erreicht ist. Der erste untersuchte Zeitbereich umfasst damit mehr als 10 Jahre, der letzte den gesamten Fokus der Reihen.

Bei den Hagener Stationen und der Vergleichsreihe Nord nehmen die Starkregenhöhen über alle Zeitbereiche und Dauerstufen zu. Die Vergleichsreihe Süd bildet eine Ausnahme; hier sind die Starkregenhöhen konstant.

Die quantitativen Ergebnisse dieser Untersuchung sind für Hagen Nord in Tabelle 2 und Abbildung 5 dargestellt. Hagen Süd weist eine größere Zunahme der Starkregenhöhen auf, wie in Tabelle 3 und Abbildung 6 zu erkennen ist.

Abbildung 5: Entwicklung der Starkregenhöhen hN [mm], Hagen-Nord (5-jährlich, um 5 Jahre verlängert)
Abbildung 6: Entwicklung der Starkregenhöhen hN [mm], Hagen Süd (5-jährlich, um 5 Jahre verlängert)

Zur Absicherung der Ergebnisse wird die Untersuchungsmethode in umgekehrter Form durchgeführt: Zuerst wird der Gesamtzeitraum betrachtet, danach die Zeiträume um die jeweils ersten fünf Jahre gekürzt. Diese Untersuchung bestätigt die festgestellte Tendenz.


Dauerstufe 15 min 60 min 4 h 12 h 1 d
1974 - 1990 12,8 20,2 30,0 38,6 45,2
1974 - 1995 12,7 20,5 30,5 39,2 45,9
1974 - 2000 12,5 21,2 31,8 40,4 47,1
1974 - 2006 12,7 21,3 31,9 40,4 47,0
Tabelle 2: Entwicklung der Starkregenhöhen hN [mm], Hagen-Nord (5-jährlich, um 5 Jahre verlängert)

Dauerstufe 15 min 60 min 4 h 12 h 1 d
1974 - 1990 14,9 23,8 35,2 35,2 53,8
1974 - 1995 13,9 22,2 33,7 45,3 54,9
1974 - 2000 14,1 24,8 38,5 50,2 59,9
1974 - 2006 15,0 27,8 43,0 52,9 61,1
Tabelle 3: Entwicklung der Starkregenhöhen hN [mm], Hagen Süd (5-jährlich, um 5 Jahre verlängert)

5.6 Schlussfolgerung

Bei den Serien fast aller Dauerstufen ist eine Zunahme der Niederschlagshöhen über den Gesamtzeitraum zu beobachten, auch wenn der Test auf linearen Trend diese Entwicklung selten für signifikant hält. Die Auswertung der Serien zeigt dagegen ein eindeutiges Bild. Die Entwicklung der Starkregenergebnisse mit der sukzessive verlängerten Reihe zeigt eine deutliche Zunahme, die über den klimatologischen Zyklus hinausgeht.

6 Zusammenfassung

Nach Wertung aller Fakten, Untersuchungen und Ergebnisse ist für das Hagener Stadtgebiet eine Zunahme des Starkregens in den letzten 16 Jahren zu erkennen.

Die Zunahme zeigt sich maßgeblich beim Vergleich der Starkregenauswertung vom Beginn der Zeitreihen bis 1990 gegenüber der Auswertung vom Beginn der Zeitreihen bis 2006. Der Unterschied spiegelt die Entwicklung des Niederschlagsverhaltens der letzten 16 Jahre wider.

Eine Steigerung der Zunahme kann nicht festgestellt werden, ebensowenig ein Anstieg der Varianz im Niederschlagsverhalten.

In den Tabellen 4 und 5 ist die Entwicklung der Niederschlagshöhen der letzten 16 Jahre sowie die vermutete Entwicklung für die nächsten 10 Jahre dargestellt. Für Hagen Nord wird empfohlen, eine Zunahme von 0,3 % pro Jahr, für Hagen Süd eine Zunahme von 1 % pro Jahr einzuplanen.


Jährlichkeit Erwartete Entwicklung
Dauerstufe 1,0 5,0 10,0 %/a
15 Min. < -1 < -1 < -1 0,1
60 Min. 1 5 < 1 0,3
4 Std. 2 6 10 0,3
12 Std. 3 4 6 0,3
1 Tag 4 4 4 0,3
Tabelle 4: Hagen-Nord: Zunahme der Regenhöhen in den letzten 16 Jahren (Vergleich der Auswertungen 1974 bis 1990 und 1974 bis 2006 in %)

Jährlichkeit Erwartete Entwicklung
Dauerstufe 1,0 5,0 10,0 %/a
15 Min. < 1 1 1 0,1
60 Min. 6 14 16 1,0
4 Std. 11 18 20 1,0
12 Std. 8 14 16 1,0
1 Tag 7 12 13 1,0
Tabelle 5: Hagen-Süd: Zunahme der Regenhöhen in den letzten 16 Jahren (Vergleich der Auswertungen 1978 bis 1990 und 1978 bis 2006 in %)

Die ermittelten Bemessungszahlen einschließlich des empfohlenen Zuschlags bleiben demnach unter den derzeitigen Vorgaben von KOSTRA DWD 2000. Obwohl das Starkregenverhalten eine steigende Tendenz aufweist, rentieren sich Niederschlagsbeobachtung und -auswertung durch die höhere Planungssicherheit und die gegenüber KOSTRA nachgewiesenen geringeren Bemessungszahlen für die SEH.

Untersuchungen der aqua plan GmbH in anderen Regionen haben ergeben, dass das Starkregenverhalten unter dem Einfuss des Klimawandels auch abnehmende Tendenz haben kann.

Die SEH bezieht die Ergebnisse dieser Untersuchung in ihre Planungen ein und setzt die Niederschlagsbeobachtung fort, um die Ergebnisse in fünf bis sechs Jahren überprüfen zu lassen.

7 Literatur

[1] Deutscher Wetterdienst: Kostra-DWD 2000, Koordinierte Starkniederschlags-Regionalisierungs-Auswertungen, Offenbach 2005
[2] Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau e. V. (Hrsg.): Niederschlag - Starkregenauswertung nach Wiederkehrzeit und Dauer (DVWK Regeln zur Wasserwirtschaft 124/1985, Hamburg und Berlin 1985)
[3] aqua_plan: Benutzerhandbuch AquaZIS, Aachen 2007
[4] Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau e. V. (Hrsg.): Niederschlag - Aufbereitung und Weitergabe von Niederschlagsregistrierungen (DVWK Regeln zur Wasserwirtschaft 123/1985, Hamburg und Berlin 1985)

Autoren:

Dipl.-Ing. Gerhard Langstädtler
Geogr. MA Claudia Janßen
Christoph Reinhardt
Dipl.-Ing. Simone Blücher
aqua_plan - Ingenieurgesellschaft für Problemlösungen in Hydrologie und Umweltschutz mbH
Goethestr. 5, 52064 Aachen
E-Mail: gl@aquaplan.de

Uwe Sommer
Stadtentwässerung Hagen SEH
Eilper Str. 132-136, 58091 Hagen
E-Mail: uwe.sommer@stadt-hagen.de