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Der Rhein bei Karlsruhe (Bild: www.htm-karlsruhe.de)
Projekt A 2.1.2:

Langzeitverhalten der mittleren Abflüsse

in Baden-Württemberg und Bayern


Kurzfassung der Projektergebnisse

(Stand: 1998)

In jüngster Vergangenheit traten in verschiedenen Flussgebieten Süddeutschlands Hochwasserereignisse auf, die erhebliche Schäden hervorgerufen haben. Diese Ereignisse haben insbesondere in der Öffentlichkeit Diskussionen darüber ausgelöst, ob diese Hochwasser als Naturereignisse im Bereich der natürlichen Schwankungen des Klimageschehens liegen oder ob sie als Ergebnis einer bereits in Gang befindlichen Veränderung des Klimas zu betrachten sind. In diesen Diskussionen fehlen bisher jedoch weitgehend die Ergebnisse der statistischen Auswertungen der vorliegenden vieljährigen Beobachtungsreihen, also der objektiven hydrologischen Zahlen und Fakten.

Um dieses Defizit zu beseitigen, wurden im Rahmen des Kooperationsvorhabens KLIWA ("Klimaänderung und Konsequenzen für die Wasserwirtschaft") für den Bereich der Bundesländer Baden-Württemberg und Bayern neben dem Langzeitverhalten der an Pegeln beobachteten jährlichen Höchstabflüsse auch die mittleren Abflüsse untersucht und bewertet. Dabei kamen statistische Verfahren, auf die sich die Kooperationspartner (Baden-Württemberg, Bayern, Deutscher Wetterdienst) geeinigt hatten, zur Anwendung.

Der mittlere Abfluss stellt eine wichtige hydrologische Kenngröße für den Gebietsabfluss dar und unterliegt den Einflüssen der Klimaveränderung. Daher sind neben den nachstehend dargestellten Untersuchungen noch ergänzende Analysen vorgesehen; dabei soll eine jahreszeitliche Betrachtung in Zusammenhang mit dem Niederschlagsgeschehen erfolgen. Zusätzlich ist beabsichtigt, neue Methoden, mit denen die in den vorliegenden Zeitreihen vermuteten Langzeitkorrelationen ermittelt und bewertet werden können, einzusetzen, sobald diese Methoden, deren Entwicklung von KLIWA initiiert wurden, anwendungsreif sind.

Die vorliegende Untersuchung des Langzeitverhaltens mit den gängigen "klassischen" Verfahren erstreckte sich primär auf die Ermittlung eventuell vorhandener linearer Trends in den Zeitreihen der mittleren jährlichen Abflüsse. Den Trenduntersuchungen lagen die mittleren jährlichen Abflüsse an 160 Pegeln zugrunde - 41 Pegel aus Baden-Württemberg und 119 Pegel aus Bayern -, die über relativ lange Beobachtungszeitreihen verfügen.

Weiterhin wurde zusätzlich bei den 160 Pegeln untersucht, ob im Jahresgang der mittleren monatlichen Abflüsse innerjährliche Änderungen aufgetreten sind.

Die Untersuchung zum Langzeitverhalten basiert auf folgenden Datenkollektiven:
  • "lange Zeitreihen": 105 Pegel mit unterschiedlichem Beobachtungsbeginn vor 1932 und nahezu einheitlichem Beobachtungsende zwischen 1995 und 1998. Die Anzahl der Beobachtungsjahre variiert zwischen 64 und 175 Jahren.
  • "Zeitreihen ab 1932": 103 Pegel mit jeweils einheitlichem Beginn der Zeitreihen im Jahre 1932, jeweils bis 1995/1998. Die Beobachtungszeitspanne liegt zwischen 64 und von 67 Jahren.
  • "gesamte Zeitreihen": 160 Pegel mit unterschiedlichem Beobachtungsbeginn und nahezu einheitlichem Datenende in den Jahren zwischen 1995 und 1998. Die Anzahl der Beobachtungsjahre variiert zwischen 23 und 175 Jahren (siehe Abb. 1).

Abb. 1: Anzahl der einbezogenen Pegel für verschiedene Klassen der Beobachtungszeitspanne.

Die Trenduntersuchungen beinhalten eine lineare Trendschätzung nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate sowie die Beurteilung der Trendstabilität mit der Methode des rückschreitenden Trends. Die Signifikanz der Trends wurde bewertet mit dem Test nach MANN-KENDALL. Weiterhin ist Bestandteil der Untersuchung die "Bruchpunktanalyse nach MANN-WHITNEY"; sie dient der Analyse des wahrscheinlichen Zeitpunkts einer möglichen Änderung im Abflussverhalten.

Die Analyse des Langzeitverhaltens der mittleren jährlichen und monatlichen Abflüsse erbrachte zusammenfassend folgende Ergebnisse:
  • Das Trendverhalten der Zeitreihen der mittleren jährlichen Abflüsse hängt von der Länge der einzelnen Zeitreihe bzw. vom betrachteten Zeitfenster ab. Für statistisch zuverlässige Aussagen über das Trendverhalten sind daher möglichst lange Zeitreihen erforderlich, die mindestens 60 bis 70 Beobachtungsjahre umfassen sollten. Liegt die Länge von Zeitreihen darunter, steigt die Variabilität und die Streubreite des Trends deutlich an. Dabei treten sowohl deutlich negative (abnehmende) als auch große positive (zunehmende) Trendsteigungen auf, die aufgrund der verhältnismäßig kurzen Zeitspannen jedoch als eher zufällig zu bewerten und daher in der Regel nur wenig aussagekräfig sind.

    Die Auswertung des rückschreitenden Trends (bezogen auf das Ende der Beobachtungszeitreihen, d.h. im Regelfall das Jahr 1998) zeigt bei den meisten Pegeln ebenfalls eine deutliche Abhängigkeit der Trendaussage vom jeweils gewählten Beobachtungsbeginn. Das Ergebnis der Trendaussage hängt somit ganz entscheidend von der betrachteten Zeitreihenlänge ab.
  • Die Analyse der Signifikanz des Trendverhaltens ergab, dass die untersuchten Datenkollektive für die meisten Pegel keinen signifikanten Trend aufweisen. Wahrscheinliche und hoch signifikante Trends (mit einer Signifikanz nach MANN-KENDALL von α ≥ 90% treten bei den drei untersuchten Kollektiven mit nur geringer Häufigkeit (im Mittel ca. 5%) auf. Hoch signifikante Trends (mit α > 99%) ergaben sich nur bei den "gesamten Zeitreihen" an lediglich einem Pegel.
  • Die Größe der signifikanten Trends wurde jeweils auf den mittleren jährlichen Abfluss MQ bezogen. Sie liegt beim Datenkollektiv "gesamte Zeitreihen" bei ca. 40% der Pegel (mit einer Trendsignifikanz von α ≥ 80%) in einem Bereich zwischen +0,25% und +0,50% pro Jahr (Abb. 2). Hieraus ergibt sich eine gewisse Tendenz zu einer Zunahme der mittleren jährlichen Abflüsse.

    Die beiden anderen Datenkollektive zeigen jedoch eine Veränderung dieser Tendenz. Bei den "Zeitreihen ab 1932" ist diese Trendklasse mit 5 von 16 Pegeln besetzt und bei den "langen Zeitreihen" mit 4 von 23 Pegeln. Bei den "langen Zeitreihen" treten jedoch die größten Häufigkeiten mit 8 von 23 Pegeln in der Trendklasse -0,25% bis 0% auf.
    Abb. 2: Prozentualer Anteil der Pegel für verschiedene Trendklassen ermittelt aus den gesamten Zeitreihen für für die Pegel mit einer Trendsignifikanz von α ≥ 80% ; der Trend entspricht der prozentualen Änderung pro Jahr, bezogen auf den mittleren Abfluss MQ.

    Dieses Ergebnis deutet eher auf eine geringe zeitliche Abnahme der Abflüsse hin. Insgesamt kann dieses veränderte Trendverhalten nicht allzu hoch bewertet werden, da die Anzahl der Pegel mit signifikantem Trend für eine statistische Bewertung zu gering ist.
  • Die Analyse des wahrscheinlichen Zeitpunkts einer möglichen Änderung im Abflussverhalten durch die "Bruchpunktanalyse" ergab, dass dieser Zeitpunkt am häufigsten in dem Zeitabschnitt zwischen 1960 und 1965 liegen könnte. Bei den drei Datenkollektiven weisen jedoch über 80% der Pegel keine signifikante Änderung auf. Signifikante Änderungen (mit α > 90%) ergaben sich bei 8% bzw. bei 15% der Pegel.
  • Der Jahresgang der mittleren monatlichen Abflüsse scheint Änderungen im Verhalten der Zeitreihen zu bestätigen. Die mittleren Abflüsse sind in dieser Zeit nach 1964 (gewählt als ein Trennjahr für die Teilung der Zeitreihen) höher als in den früheren Jahren.

    Der Jahresgang zeigt, dass die Erhöhung der mittleren Abflüsse oftmals nicht gleichmäßig über das Jahr vorhanden ist. Bestimmte Monate, insbesondere die Wintermonate mit den meist hohen Abflüssen, weisen nach 1964 auf einen Anstieg hin, während die übrigen Monate nahezu unverändert sind (vgl. Abb. 3). Die Ergebnisse aus der Untersuchung der mittleren monatlichen Abflüsse zeigen, dass bei der Beurteilung des Langzeitverhaltens auch die Veränderungen des innerjährlichen Verhaltens von Bedeutung sind.
    Abb. 3: Ergebnisdarstellung der Analyse des Jahresgangs: mittlere Monatsabflüsse MQ(m) und mittlerer Abflusses MQ für drei untersuchte Zeitspannen

Die Ergebnisse der Untersuchungen sind für die Bundesländer Baden-Württemberg und Bayern in Karten farbig dargestellt und erlauben damit eine räumliche Beurteilung des Langzeitverhaltens. Sämtliche Ergebnisse (Trendsteigungen und -signifikanzen sowie Bruchpunkte) zeigen sehr gleichmäßige räumliche Verteilungen. Schwerpunkte, an denen sich auffällige Veränderungen konzentrieren, sind nicht vorhanden.

Aufgrund der Ergebnisse lässt sich ableiten, dass eine signifikante, insbesondere flächendeckende Veränderung der mittleren jährlichen Abflüsse von langen Zeitreihen derzeit mit den angewandten Analysemethoden nicht nachweisbar ist.

Bei einer zeitlich eingeengten Betrachtung auf die letzten 30 bis 40 Jahre, also die Zeitspanne, in der eine gewisse Veränderung der klimatischen Verhältnisse feststellbar ist, wurde jedoch eine Tendenz zu einer Zunahme der mittleren jährlichen und monatlichen Abflüsse in verschiedenen Gebieten festgestellt. Den Ursachen für diese jüngste Entwicklung wird in weiterführenden Untersuchungen unter Einbeziehung der Entwicklung des Niederschlagsverhaltens nachzugehen sein. Die weitere Entwicklung des Niederschlags- und Abflussgeschehens wird im Rahmen des "Integrierten Messnetzes KLIWA" aufmerksam verfolgt und analysiert.



 
 
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