The Changing Characteristics of Precipitation Extremes in a High-Resolution Climate Model Ensemble

Die Intensität von Starkniederschlägen hat in den letzten Jahrzehnten als Folge des Klimawandels zugenommen und Projektionen sagen eine weitere Zunahme voraus. Um effektive Anpassungsmaßnahmen an das dadurch zunehmende Hochwasserrisiko entwickeln zu können, ist es entscheidend, die regionalen Veränderungen von Starkniederschlagsereignissen nicht nur hinsichtlich ihrer Intensität, sondern auch hinsichtlich ihrer Häufigkeit, Dauer und ihres zeitlichen Profils zu verstehen. Regionale Klimamodelle basieren auf einer Parametrisierung von Konvektion und können Starkniederschlagsereignisse daher nicht mit der notwendigen Genauigkeit abbilden. Hochauflösende, so genannte konvektionserlaubende Modelle (CPM, 1-4 km Auflösung) können Niederschlagsereignisse deutlich realistischer abbilden. Aufgrund der hohen Rechenzeiten beschränken sich diese für Deutschland verfügbaren Simulationen derzeit auf Simulationen von Zeitscheiben, und in der Regel auf Simulationskonfigurationen mit einer einzigen Realisierung und Beschränkung der zeitlichen Auflösung auf eine Stunde. Um das Verständnis zukünftiger Starkniederschlagsereignisse, insbesondere solcher von kurzer Dauer, zu verbessern, stellen wir das KIT-KLIWA Ensemble vor. Es besteht aus vier COSMO-CLM Modellläufen mit einer Auflösung von 2,8 km, die mit vier globalen Klimamodellen angetrieben werden. Dieses Ensemble liefert die ersten transienten konvektionserlaubenden Ensembleprojektionen für Süddeutschland, mit einem Simulationszeitraum von 1971 bis 2100 sowie derzeit einzigartige 5-min Niederschlagssimulationen für ausgewählte Zeiträume. Basierend auf den Anforderungen der Praxis untersuchen wir das Klimaänderungssignal von Starkniederschlägen auf verschiedenen Skalen (Wiederkehrperioden von 1 bis 100 Jahren und Dauerstufen von 1 Stunde bis 3 Tage). Das CPM Ensemble projiziert eine Zunahme der Wiederkehrwerte von bis zu 8,5 % pro 1 °C Anstieg des globalen Erwärmungsniveaus, mit den größten Änderungen für kurze Dauerstufen und lange Wiederkehrperioden. Die Sensitivitätsanalyse zeigt den Mehrwert von transienten Datensätzen gegenüber Zeitscheiben-Experimenten, mit einer zuverlässigeren Abschätzung des Klimaänderungssignals, insbesondere für Intensitäten langer Dauerstufen. Um die Einschränkungen der klassischen Extremwertanalyse zu überwinden, die auf Intensitäten einer festen Dauerstufe basiert, haben wir eine ereignisbasierte Analysemethode entwickelt. Diese zeigt in den historischen Simulationen im Vergleich zu Beobachtungsdaten eine Tendenz zur Überschätzung lang andauernder Ereignisse im CPM Ensemble und Defizite in der Simulation der Häufigkeit kurz andauernder konvektiver Ereignisse. Für Extremereignisse, die zu 1-stündigen und 6-stündigen Jahresmaxima führen, stimmen die simulierten 5-min Spitzenintensitäten mit den Radardaten überein, liegen aber unter den Intensitätsmaxima der Stationsdaten. Das CPM Ensemble reproduziert die dominant auftretenden frontbetonten zeitlichen Niederschlagsprofile der 1-stündigen Jahresmaxima. Bei Anwendung der ereignisbasierten Methode auf die Klimaprojektion zeigt das CPM Ensemble eine Zunahme der mittleren Niederschlagsintensität der Ereignisse, sowie das Auftreten von Ereignissen mit Rekordwerten der mittleren Niederschlagsintensität für alle Ereignislängen. Die Veränderungen im Jahresgang führen zu einer Abnahme der langen (12-24 h) und mittleren (3-12 h) Ereignisse im Sommer und einer Zunahme im Winter. Kurze Ereignisse (1-3 h) nehmen über das Jahr hinweg leicht zu. Die Häufigkeit von Starkniederschlägen nimmt vor allem im Sommer zu. Unsere Analyse der Charakteristika der zeitlichen Niederschlagsprofile zeigt, dass wärmere Bedingungen zu einem höheren Anteil der Spitzenintensität am Gesamtniederschlag und zu mehr frontbetonten Profilen führen, was durch eine Verschiebung von stratiformem zu konvektivem Niederschlag erklärt werden kann. Dieser Zusammenhang spiegelt sich jedoch nicht in einem Klimaänderungssignal für sommerliche Extremereignisse wider, da diese bereits überwiegend konvektiv sind. Die Analyse der Temperaturbedingungen, unter denen Niederschlagsereignisse auftreten – ausgewertet über die 2-m Lufttemperatur am Tag des Ereignisses – zeigt, dass diese Event-Temperatur für Extremereignisse mit der globalen Erwärmung schneller ansteigt als für moderate Ereignisse. Das Ergebnis unterstreicht die Bedeutung der Entwicklung der atmosphärischen Bedingungen im Zusammenhang mit Extremereignissen für das Verständnis von Starkniederschlägen im Klimawandel. Die Analyse des neuen KIT-KLIWA Ensembles verdeutlicht die Notwendigkeit aktualisierter Starkregengefahrenprodukte, die auch in einer wärmeren Welt Bestand haben. Durch die Verwendung einer hohen zeitlichen Auflösung von 5 Minuten zeigen wir, dass zeitliche Niederschlagsprofile in CPMs mit der erforderlichen Genauigkeit wiedergegeben werden. Dies stellt einen bedeutenden Fortschritt in der praktischen Anwendung von CPMs dar. Die Integration von CPMs in die hydrologische Modellierung bietet das Potential für die Entwicklung effektiver Anpassungsmaßnahmen für eine resiliente Siedlungsentwässerung und den Hochwasserschutz in einer wärmeren Welt.