Systemerklärung zu Hochwässern in Mitteleuropa

In Mitteleuropa können durch das gemäßigte Klima der mittleren Breiten in allen Jahreszeiten Hochwasser auftreten. Da die Alpen in zentraler Lage Europas die wesentlichen Flusssysteme der umliegenden Länder speisen (z.B. Rhein, Rhone, Donau, Po) spielt dieses zentrale Gebirge auch eine Schlüsselrolle für die Hochwässer dieser Flussläufe. Zudem bilden die Alpen eine klimatische Trennung zwischen dem gemäßigten Klima Zentral- und Nordeuropas und dem mediterranen Klima Südeuropas. Durch diese Konstellation kommt den Alpen in doppelter Hinsicht eine große Bedeutung zu: zum einen entstehen gerade hier extreme Wettersituationen durch die unterschiedlichen Klimaten nördlich und südlich des Gebirges, zum anderen werden hier die bedeutendsten Flusssysteme Mitteleuropas diesen Extremen ausgesetzt. Neben Hochwässern, die im Bereich von Meeresküsten durch Stürme (Sturmflut, Hurrikan) oder seismischen Aktivitäten (Tsunami) verursacht werden (auf die hier nicht eingegangen werden soll), entstehen Hochwasser im Binnenland an Flüssen oder Seen im Wesentlichen auf Grund von ungewöhnlichen Niederschlagsereignissen. Kommen dann noch weitere Faktoren hinzu (Schneeschmelze, gefrorene oder gesättigte Böden, Eisversatz auf den Flüssen), kann dies zu extremen Überschwemmungen führen. Diese hydrometeorologisch verursachten Hochwasser können in Mitteleuropa in drei Kategorien eingeteilt werden:

1. Großräumige Hochwasser durch lang anhaltende Niederschläge bestimmter quasi-stationärer zyklonaler Wetterlagen (z.B. Vb).
2. Großräumige Hochwasser durch häufige Niederschläge über einen längeren Zeitraum (zyklonale Wetterlagen) in Verbindung mit Schneeschmelze (Winterhochwasser).
3. Lokal begrenzte Hochwasser: durch kurzfristige stationäre Starkniederschlagsereignisse (z.B. Sommergewitter), vor allem an kleineren Flussläufen.

Die häufigsten Hochwasser in Mitteleuropa treten in den späten Wintermonaten auf, da hier entweder die Böden versiegelt (gefroren bzw. gesättigt) oder große Mengen an Wasser bereits in Form von Schnee und Eis gespeichert sind und zudem zonaler Witterungscharakter (Westlage) vorherrscht, der für eine vermehrte Abfolge von Tiefdruckgebieten verbunden mit Niederschlägen sorgt. Dieses Zusammentreffen von mehreren Faktoren hat z.B. in den Neunziger Jahren zwei besonders starke Hochwasser an Rhein und Nebenflüssen verursacht (Typ 2; z.B. Fink et al., 1996).

Abbildung 1: Typische Zugbahnen der Zyklonen nach van Bebber (Grafik: ZDF)

Bestimmte Großwetterlagen können auch als Ursache für große Überschwemmungen alleine verantwortlich sein (Typ 1). So sind besonders die Regionen nordöstlich der Alpen hochwasseranfällig gegenüber der sogenannten Genua-Zyklogenese (Vb-Wetterlage, vgl. Abbildung 1). Diese Wetterlage hat als häufige Folge Starkniederschlagsereignisse nördlich der Alpen, da hier die sehr feuchtwarme Mittelmeerluft auf die deutlich kältere Luft auf der Alpennordseite trifft. Zudem kommen durch die Orographie der Alpen, des Karpatenbogens und der nördlich angrenzenden Mittelgebirge zusätzlich verstärkende Effekte hinzu. Auf diese Art und Weise sind die letzten großen mitteleuropäischen Hochwasser an Oder (1997, z.B. Grünewald et al., 1998), Elbe (2002, z.B. Rudolf und Rapp, 2003; James et al., 2004) und im bayerischen Voralpenland inklusive der Donau (1999/2005, z.B. Rudolf et al., 2005) entstanden. Diese Großwetterlage tritt besonders im Sommer oder Frühsommer auf, wenn mediterrane Warmluft nach Mitteleuropa advehiert werden kann. Eine dem Genuatief sehr ähnliche Zyklogenese (allgemeine V-Wetterlage, vgl. Abbildung 1) kann auch auf der Alpensüdseite zu verheerenden Niederschlagsereignissen führen. Eine solche Konstellation hat 1994 im Piemont (Nordost-Italien) starke Überschwemmungen und Hangrutschungen zur Folge gehabt (Buzzi et al., 1998). Die Niederschlagsmengen lagen teilweise bei mehr als 300mm/36h was auch zwangsläufig zu Hochwasser des Po's führte.

Konvektive Niederschlagsereignisse können in Einzelfällen von langer Dauer mit starker Intensität sein, so dass sie lokal zu Überflutungen führen können. Solche Schauer treten besonders in den Übergangsjahreszeiten und den Sommermonaten in Verbindung mit Höhenkaltluftadvektion auf. Besondere Merkmale der meteorologischen Ursache von diesen lokal begrenzten Hochwasserereignissen (Typ 3) sind zum einen große vertikale Temperaturgradienten und Windscherungen, zum anderen eine quasi-Stationarität der Störung, so dass ein solcher extremer Schauer nahezu an Ort und Stelle verbleibt. Wiederum stellt auch die Orographie einen erheblichen Faktor dar, weshalb solche Ereignisse überwiegend in (Mittel-)Gebirgen auftreten. Nur dadurch können in wenigen Stunden Regenraten von 50mm und mehr entstehen. In den meisten Fällen sind diese Schauer verbunden mit schweren Gewittern und Hagelschlag.

Für die Ausprägung der Hochwasser sind neben der Niederschlagscharakteristik die hydrologischen Charakteristiken und Zustände der Einzugsgebiete von Bedeutung. Grundsätzlich ist folgendes Verhältnis zwischen Flussgröße, bzw. Einzugsgebietsgröße und Hochwasserverlauf gültig: je größer das Einzugsgebiet, desto länger ist die Dauer des Hochwasserereignisses und der zeitliche Versatz zwischen dem verursachenden Niederschlagsereignis und dem Auftreten des Hochwassers. So sind Hochwasser an Bächen und kleineren Flüssen in Quellgebietsnähe, also mit kleinen Einzugsgebiet, durch schnelle Abflussbildung nach Starkniederschlägen und unmittelbar nach dem oder schon während des Niederschlagsereignisses auftretende Hochwasserwellen charakterisiert. Bei diesen Sturzfluten ("flash floods") steigt der Wasserstand innerhalb weniger Stunden drastisch an, wobei die gesamte Ereignisdauer häufiger unter einem Tag bleibt. Die durch Sturzfluten verursachten Überschwemmungen sind meist von vergleichsweise geringer Ausdehnung, die verursachten Schäden hingegen durch die hohen Fließgeschwindigkeiten oft sehr hoch. Dieses Phänomen war u.a. während des Hochwassers vom August 2002 an den Erzgebirgsflüssen zu beobachten (IKSE, 2004). Problematisch sind auch die geringen Vorwarnzeiten, die dem Katastrophenschutz zur Information der betroffenen Bevölkerung in diesem Fall zur Verfügung stehen.

Abbildung 2: Normalisierte Ganglinien an ausgewählten Pegeln der Elbe und Mulde während des Hochwassers vom August 2002.

Hochwasser in den großen Tieflandflüssen sind dagegen mit langsam anlaufenden Hochwasserwellen und entsprechend langen Vorwarnzeiten charakterisiert. Dies ist durch die langen Fließwege von den Quellgebieten, in denen meist auch die starken Niederschlagsereignisse stattfinden, und die flache Topographie und somit langsame Abflussbildung in unmittelbarer Flussumgebung begründet. Die Dauer der Ereignisse ist hingegen deutlich länger als in den oberliegenden Flussabschnitten. Hochwasser am Niederrhein oder am Unterlauf der Elbe können mehrere Wochen anhalten, je nach Dauer, Intensität und Ausdehnung der verursachenden Niederschläge. Abbildung 2 verdeutlicht diesen Sachverhalt durch den Vergleich normalisierter Ganglinien verschiedener Pegelstation an Elbe und Mulde während des Hochwassers vom August 2002. Deutlich ist das schnelle Ansteigen und Abfallen der Hochwasserwelle an den Pegeln Nossen an der Freiburger Mulde und Golzern am Oberlauf der Vereinigten Mude zu erkennen. Die Elbpegel Messen und Magdeburg zeigen hingegen einen deutlich langsameren Anstieg, aber auch die erheblich längere Dauer des Ereignisses. Die lange Dauer dieser Ereignisse stellt eine bedeutende Gefährdung der Hochwasserschutzmaßnahmen, bsd. älterer Deiche, dar. Durch die anhaltende hydraulische Belastung können Deiche durchweichen oder unterspült werden und in Folge brechen. Die natürlichen oder durch Deichbruch verursachten Überflutungsflächen von Tieflandflüssen sind aufgrund der Abflussmengen und Topographie meist von sehr großer Ausdehnung, wie man z.B. im Falle des Oderhochwassers 1997 (Grünewald, 1998) oder des Elbehochwassers von 2002 (IKSE, 2004; Munich Re, 2003) beobachten konnte. Die Schadenshöhe eines großflächigen Hochwasserereignisses unterliegt vielen beeinflussenden Faktoren, die entweder direkt auf die Ausdehnung der Überflutungsflächen wirken (z.B. Deichsicherungsmaßnahmen, Deicherhöhungen), oder die Vulnerabilität in den betroffenen Gebieten reduzieren, z.B. Vorwarnung, Sicherung der Gebäude mit Sandsäcken, Erfahrung im Umgang mit Hochwassern, technischer Hochwasserschutz in den Gebäuden (Kreibich et al., 2005a, 2005b).

Literatur/Quellen

• Buzzi, A., N. Tartaglione and P. Malguzzi, (1998): Numerical Simulations of the 1994 Piedmont flood: Role of Orography and Moist processes, Mon. Weath. Rev., 126, 2369-2383.
• Fink, A., U. Ulbrich and H. Engel, (1996): Aspects of the January 1995 flod in Germany, Weather, 51, 34-39.
• Grünewald, U. et al., (1998): Ursachen, Verlauf und Folgen des Sommer-Hochwassers 1997 an der Oder sowie Aussagen zu bestehenden Risikopotentialen, Deutsches IDNDR-Komitee für Katastrophenvorbeugung e.V., Deutsche IDNDR-Reihe 10b, Bonn.
• IKSE (Internationale Kommission zum Schutz der Elbe) (2004) Dokumentation des Hochwassers vom August 2002 im Einzugsgebiet der Elbe. IKSE, Magdeburg.
• James, P., A. Stohl, N. Spichtinger, S. Eckhardt and C. Forster, (2004): Climatological aspects of the extreme European rainfall of August 2002 and a trajectory method for estimating the associated evaporative source regions, NHESS, 4, 733-746.
• Kreibich H, Thieken AH, Müller M, Merz B (2005a) Precautionary measures reduce flood losses of households and companies - Insights from the 2002 flood in Saxony, Germany. In: van Alphen J, van Beek E, Taal M (eds.): Floods, from Defence to Management. Taylor & Francis Group, London, 851-859.
• Kreibich H, Thieken AH, Petrow T, Müller M, Merz B (2005b) Flood loss reduction of private households due to building precautionary measures - Lessons Learned from the Elbe flood in August 2002. NHESS 5: 117-126.
• Rudolf, B. and J. Rapp, (2003): The Century Flood of the River Elbe in August 2002: Synoptic Weather Development and Climatological Aspects, Quarterly Report of the German NWP-System of the Deutscher Wetterdienst, No. 2, Part 1, 8p.
• Munich Re (2003) Topics Annual Review: Natural Catastrophes 2002. Munich Re Group, Munich.
• Rudolf, B., H.Frank, J. Grieser, G. Müller-Westermeier, J. Rapp and W. Trampf, (2005): Hydrometeorologische Aspekte des Hochwassers in Südbayern im August 2005.