Warnmanagement des Deutschen Wetterdienstes bei Starkregen mit Hochwassergefahr

Sabine Krenovsky, Thomas Rupert

DWD

Regen ist eine der Hauptkomponenten des Wasserkreislaufes, dabei ist er wesentlich für die Regeneration der irdischen Süßwasserreservoire und somit essentiell für alles Leben auf der Erde. Andererseits stellen extreme Niederschläge in Form von „heftigem Stark- aber auch ergiebigen Dauerregen“ Gefahren für Leib und Leben sowie für Gut und Geld dar. Grundsätzlich ist Regen flüssiges Wasser in Form von Tropfen, die über die Wolkenbildung durch Kondensation des in der Atmosphäre enthaltenen Wasserdampfes bei Vorhandensein von Kondensationskernen entstehen und schwer genug sind, um aus den Regenwolken als Niederschlag auszufallen.

Bei der quantitativen Erfassung flüssiger Niederschläge spielt neben der in Litern pro Quadratmeter oder Millimetern (1 L/m² = 1 mm) gemessenen Niederschlagsmenge auch deren Intensität, d. h. Niederschlagsmenge pro Zeiteinheit (mm/min oder mm/h) eine Rolle.

Dauerregenereignisse haben in Mitteleuropa eine räumliche Dimension von einigen hundert Kilometern und eine Andauer von einem bis mehreren Tagen. Die höchste, jemals in Deutschland registrierte Dauerniederschlagsintensität waren 312 mm/24 Stunden am 12. August 2002 in Zinnwald-Georgenfeld (Erzgebirge), und zwar im Zusammenhang mit einer „Vb-Wetterlage vom Mittelmeer ausgehend“, die das Hochwasser in Mitteleuropa im August 2002 verursachte.

Bei den deutlich kürzeren und kleinräumigeren Schauern und Gewittern mit entsprechend starker Intensität spricht man von „Starkregen“ umgangssprachlich auch „Wolkenbruch“ oder „Platzregen“, die sich gewöhnlich eher lokal auswirken. Die höchste, jemals in Deutschland registrierte Starkniederschlagsmenge betrug 126 mm/8 Minuten am 25. Mai 1920 in Füssen (Allgäu).

Grob vereinfacht gesagt und auf mitteleuropäische Verhältnisse bezogen, ist Dauerregen bei eher geringer Niederschlagsintensität raum-zeitlich ausgedehnt, während Starkregen eher kurz, relativ eng begrenzt und dafür intensiv ist.

Starkregen

Starkregenfälle kommen in den Tropen, Subtropen sowie in den gemäßigten Breiten vor und haben regional bedingt und konkret vor Ort unterschiedliche Auswirkungen. Eine Starkregendefinition sollte daher eine geeignete Relation zwischen Regenmenge und Andauer des Niederschlagsereignisses beinhalten, die in Abhängigkeit vom klimatischen Hintergrund variabel sein kann und ggf. aus praktischen Gründen die möglichen Folgen von Starkregenereignissen berücksichtigt (siehe auch die Kriterien für Wetterwarnungen im Deutschen Wetterdienst für den Parameter „Starkregen“).

Gewöhnlich verbindet man Starkregen am ehesten mit heftigem „Platzregen“, einer gesteigerten Form des Starkregens, dessen große Tropfen beim Auftreffen am Boden auf Pfützen Blasen werfen. Neben kurzzeitigen Überflutungen besonders in versiegelten Stadtgebieten hat heftiger Starkregen in gebirgigem Geländer abhängig von weiteren Umgebungsbedingungen manchmal Hangrutschungen zur Folge.

Starkregenfälle treten in Mitteleuropa meistens bei Wettersituationen mit hochreichender Quellwolkenbildung als Schauer auf bzw. in Verbindung mit Hagel und elektrischen Entladungen als Gewitter. Solche Wetterlagen findet man überwiegend im Sommerhalbjahr, wenn z. B. Kaltluft auf eine hochreichend feuchte
Warmluftmasse trifft, sich darunter schiebt und letztere abrupt anhebt. Die sogenannten „Wärmegewitter“ entstehen hingegen durch Aufheizung der Erdoberfläche, was bei entsprechend feuchtlabiler Schichtung der unteren Atmosphäre ebenso zum Aufsteigen der Luftmasse und Auftürmung von Gewitterwolken führen kann.

Folgen von Starkregen

Starkniederschlagsereignisse sind zwar meist lokal begrenzt, können aber ein plötzliches Anschwellen von Flüssen und Abwasserkanalsystemen und als Folge davon vollgelaufene Keller sowie Bodenerosionen verursachen. Angaben über maximal mögliche Niederschlagsintensitäten sind daher auch von bautechnischem Interesse, z. B. für die Dimensionierung wasserbaulicher Anlagen.

Vor allem aber stellen plötzliche „Wolkenbrüche“ ein Sicherheitsproblem für den Straßenverkehr dar und so mancher Autofahrer hat bereits unangenehme Bekanntschaft mit „Aquaplaning“ gemacht.

Seltener wird in Mitteleuropa der Eisenbahnverkehr durch Starkregenfälle gestört. Am Abend des 23.05.2016 ereignete sich jedoch nahe der sächsischen Kleinstadt Bad Schandau am Elbsandsteingebirge ein mächtiger Erdrutsch. Auf ca. 150 m Breite sackten Schlamm und Geröll hangabwärts auf die Schienen der Bahnstrecke zwischen Dresden und Prag. Ein Güterzug rollte in die Geröllmassen, woraufhin die Lokomotive entgleiste, Gott sei Dank ohne Tote und Verletzte. Auch in Deutschland kam es im Mai 2016 bei einem Unwetter zu schweren Überschwemmungen und Hangrutschen (Braunsbach/BW), während das Killertal in BW bereits 2008 von verheerenden Überschwemmungen getroffen wurde.

Vorhersage von Starkregenereignissen

Die Vorhersage von Starkregenereignissen erfolgt zunächst auf der Basis numerischer Modellergebnisse und zwar des DWD-eigenen globalen Vorhersagemodells ICON sowie auch von ausländischen Vorhersagemodellen (z. B. vom europäischen Modell des EZMW in Reading oder vom amerikanischen Modell GFS), des genesteten ICON Nest Modells für den Europa/Atlantik-Ausschnitt sowie dem Lokalmodell COSMO D2. Im Anschluss daran versucht man sich mithilfe von statistischen Anschlussverfahren (z. B. NowCastMIX) der Realität immer mehr an zu nähern.

Bei Starkregenprognosen ist der Forecaster kleinräumigen Konvektionsphänomenen auf der Spur, was selbst im Zeitalter räum- und zeitlich hochaufgelöster deterministischer Vorhersagemodelle sowie fortgeschrittener Ensemble-Techniken (z. B. EPS des ICON und EZMW-Modells) noch immer kompliziert ist. Im Fall der vielfach stochastisch verteilten Starkregenereignisse sind die numerischen Modellergebnisse für die Wetterprognose insgesamt noch unzureichend aufgelöst, denn nach wie vor kann lediglich das Potenzial für Schauer und Gewitter sowie in gewissem Maße deren Intensität simuliert werden, nicht aber das konkrete Starkregenereignis selbst, so dass z. B. ein Gewittercluster nicht detailliert in Raum und Zeit berechnet werden kann.

Daher spielt bei diesen im kürzestfristigen Vorhersagezeitraum entstehenden Wetterphänomenen für die Vorhersage und Bewarnung das sogenannte „Nowcasting“ eine entscheidende Rolle. D.h. im Falle konvektiver Wetterlagen mit zu erwartenden Starkregenereignissen müssen die Meteorologen rasch empor wachsende Konvektionswolken visuell auf dem Satellitenbild oder Radar-basiert überwachen, um deren Entwicklung und Zugrichtung ein-/abschätzen zu können. Auch diese Tätigkeit wird heutzutage auf Computerbasis durch inzwischen recht zuverlässige, halbautomatisch-empirische Algorithmen unterstützt.

Warnkriterien des Deutschen Wetterdienstes für Starkregen

Die Warnkriterien des Deutschen Wetterdienstes klassifizieren Starkregen entsprechend seines Auftretens und seiner Folgen für mitteleuropäische Verhältnisse:


Hier stellen Niederschlagsintensitäten von 15 l/m² pro Stunde oder 20 l/m² innerhalb von sechs Stunden markante Warnschwellen dar (Warnstufe „Orange“ auf der Warnkarte), 25 l/m² pro Stunde oder 35 l/m² in sechs Stunden sind Warnschwellen für Unwetter (Warnstufe „Rot“) und 40 l/m² pro Stunde oder 60 l/m² in sechs Stunden signalisieren extreme Unwetter (Warnstufe „Violett“). Siehe Tabelle 1.

Tabelle 1: Warnkategorien und -schwellen des Deutschen Wetterdienstes für...
Tabelle 1: Warnkategorien und -schwellen des Deutschen Wetterdienstes für Starkregen.

Warnmanagement des DWD für Starkregen 

Das Warnmanagement des DWD basiert für die Ausgabe einer Starkregenwarnung auf mehreren Schritten:


Schritt 1 beginnt mittelfristig etwa 5 Tage vor einem Warnereignis. Bis zu diesem Tag kann man mit Hilfe probabilistischer Ensemble-Verfahren auf Grundlage des Europäischen Globalmodells (EZMW) schon einmal grob abschätzen, ob ein Unwetter-Regenereignis mit Hochwassergefahr zu erwarten ist. Mit der Ensemblemethode lassen sich von einem Modell mehrere Vorhersageszenarien und daraus Eintrittswahrscheinlichkeiten für bestimmte Ereignisse berechnen. Sollte der Modelloutput Signale für ein Unwetter-Ereignis beinhalten, wird die Konsistenz durch einen Vergleich mit den vorangegangenen Modellläufen überprüft. Daraus wird eine erste Wahrscheinlichkeit für das Eintreten eines warnwürdigen Starkregenereignisses abgeleitet und in der Wochenvorhersage Wettergefahren zusammengefasst.

Schritt 2 liegt drei Tage vor der zu erwartenden Starkregenwarnlage. Hier werden erneut stochastische Modellergebnisse bemüht und auf die Signale des zuvor erkannten Ereignisses hin überprüft. Der Meteorologe vergleicht die Ensemble-Ergebnisse inklusive der Wahrscheinlichkeiten mit dem Output der unterschiedlichen deterministischen Globalmodelle (EZMW, ICON und GFS) und formuliert daraus einen ersten groben Warnhinweis. Sind die Übereinstimmungen in den Modellen und den zugehörigen Ensembles groß, kann bereits eine Region und eine erwartete Warnstufe angegeben werden. Dies wird zunächst in den täglich mehrfach zu erstellenden Wetterberichten textlich verarbeitet und in einem ersten prognostischen (Un-) Wetterwarnszenario festgehalten. Weichen die Modelle oder die einzelnen Modellläufe
sehr voneinander ab, muss auf die Unsicherheit für das Auftreten eines markanten oder Unwetter-Ereignisses hingewiesen werden.

Dies geschieht durch die drei Wahrscheinlichkeitsaussagen: gering wahrscheinlich, wahrscheinlich und sehr wahrscheinlich. Zwei Tage vor dem Ereignis, also im meteorologischen Kurzfristzeitraum, folgt Schritt 3. Nun stehen auch die fein aufgelösten Lokalmodelle wie COSMO-D2 und Euro4 zur Verfügung. Sie liefern oft die notwendigen Details zur Eingrenzung des Warngebietes. Nach der Sichtung der Modelldaten werden auch hier erneut die zugehörigen Ensembles hinzugezogen und das Warnszenario vom Vortag konkretisiert oder verworfen. Nicht selten liefern die Lokalmodelle auch erst den wirklichen Input für die Ausprägung bzw. Intensität der zu erwartenden Starkregenlage. Gerade bei konvektiven Gewitterlagen, die von den grob aufgelösten Globalmodellen oft konturlos dargestellt werden und großen Schwankungen zwischen den einzelnen Modellläufen unterliegen, liefern die zeitnäheren Lokalmodelle erst einen realistischeren Eindruck über die voraussichtliche Intensität und die am ehesten betroffene Region.

Hier ballt sich eine Starkregenfront zusammen.
Hier ballt sich eine Starkregenfront zusammen.
Quelle: DWD

Modellvergleich zwischen dem EZWM und COSMO D2

In Schritt 4 ca. 24 Stunden vor einem Ereignis führen eine erneute Modell- und Ensembleanalyse – bei skaligen Dauerniederschlagsereignissen – auch eine Sichtung der Punktterminprognosen aus dem MOS (Model Output Statistics) zu einem Wetterwarnentwurf.

Der letzte Schritt 5 setzt 6 bis 12 Stunden vor einem Starkregenereignis, also im Kürzestfristvorhersagezeitraum ein. Der Warnentwurf wird noch einmal überprüft und gegebenenfalls angepasst. Hierzu werden nicht mehr nur Modelle und statistische Verfahren (NowCastMIX) bemüht. Jetzt fließt auch das aktuelle Wetter, in Form von Messwerten, Radar-, Blitz- und Satellitendaten (Radolan) sowie von analysierten Wetterfronten, in die zu konkretisierende Wetter- oder Unwetterwarnung mit ein. Ein Start- und Endzeitpunkt wird festgelegt und die Warnstufe bestimmt, um für die jeweilige Region eine amtliche Warnung auszugeben.


Dies geschieht also heute noch alles manuell (teilautomatisiert) auf Basis von automatisiertem Input, zukünftig (wie in Österreich und Schweiz) dann weitgehend vollautomatisch, mit Hilfe von NinJo-Abbildungen auf den Datenwiedergabe-Servern.

Ist eine Wetterwarnung ausgegeben, wird diese vom Warnmeteorologen im Nowcasting laufend überwacht und bei Bedarf
angepasst. Die Anpassung geschieht zum einen anhand von Beobachtungen aus den Stationsmessnetzen, zum anderen werden
auch Radar- und Satellitendaten genutzt.

Das dreistufige Warnmanagement des Deutschen Wetterdienstes

Basierend auf den Möglichkeiten – aber auch unter Berücksichtigung der Grenzen – der modernen computergestützten Wettervorhersage und im Einvernehmen mit den behördlichen Nutzern in Bund, Ländern und Kommunen hat der Deutsche Wetterdienst seit etwa fünfzehn Jahren ein dreistufiges Warnsystem für seine amtlichen Wetterwarnungen etabliert.

Wenn sich ein Starkregenereignis im „mittelfristigen Vorhersagebereich“ zeigt, d. h. wenn die Computermodelle für die kommenden sieben Tage auf ein unwetterartiges Warnereignis hinweisen, tritt mit der schriftlichen Erwähnung in der „Wochenvorhersage Wettergefahren“ die erste Stufe der “Frühwarn-Information“ in Kraft. Dabei werden Art, Intensität und Andauer des Ereignisses so gut wie möglich geographisch lokalisiert und ggf. auch auf noch bestehende Unsicherheiten hingewiesen.

Die zweite Stufe setzt sich bei Starkregen in der achtundvierzig bis vierundzwanzig Stunden vor dem Ereignis herausgegebenen Vorabinformation Unwetter“ fort und zwar entweder in „zentraler“ Form für das gesamte Bundesgebiet oder „regional“ ausgeprägt für einzelne Bundesländer. Hier wird auf die zu erwartenden heftige Starkereignissen in ihrer raum-zeitlichen Ausprägung und Entwicklung hingewiesen.

Schließlich folgt als dritte Stufe unter Berücksichtigung der jeweiligen Vorlaufzeiten für Starkregenereignisse die Herausgabe der „amtlichen Unwetter-Warnung“ vor heftigem Starkregen bzw. extreme Unwetterwarnung vor extrem heftigem Starkregen auf Gemeindeebene.

Die Vorhersage- und Warnprodukte aller drei Stufen repräsentieren das gesamte, dem Meteorologen zum jeweiligen Zeitpunkt bekannte Wissen über warnwürdige Starkregenereignisse und werden a priori stets nach neu eintreffenden Modellergebnissen sowie während des Ereignisses anhand von In-situ-Beobachtungen (Messstationen) und mittels Fernerkundungsverfahren (Radare und Satelliten) laufend überwacht und ggf. korrigiert.

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