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1/32 Trends in the occurrence of extreme floods in central Europe since A.D. 1000 Mudelsee M, Börngen M, Tetzlaff G LIMInstitute of Meteorology, University.

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1 1/32 Trends in the occurrence of extreme floods in central Europe since A.D Mudelsee M, Börngen M, Tetzlaff G LIMInstitute of Meteorology, University of Leipzig, FRG supported by Deutsche Forschungsgemeinschaft

2 2/32 Oder Elbe Dresden Eisenhüttenstadt Erzgebirge Sudeten Mountains middle Elbe, middle Oder: total catchment 150,000 km 2 winter (November to April): ice floods !?

3 3/32 test IPCC (2001): CO 2, etc. temperature hydrological cycle, precipitation flood occurrence rate *

4 4/32 floods inapproach central Europe data 1850: Weikinn documentary sources > 1850: runoff measurements methods impact-related magnitudes statistical estimation result flood occurrence rate with confidence bands

5 5/32 Curt Weikinn (1888 to 1966) Weikinn, C. Quellentexte zur Witterungsgeschichte Europas von der Zeitwende bis zum Jahre 1850: Hydrographie, Parts 1–4 (Akademie-Verlag, Berlin, 1958– 1963), Parts 5–6 (eds Börngen M. & Tetzlaff G.) (Gebrüder Borntraeger, Berlin, 2000–2002).

6 6/ & Febr. & Meißen & Elbe: Eisgang u. Überschwemmung & & 1 & I, 5: 370 (2934) Elbe. 28. Febr. 11 Uhr abends brach das Eis und trieb anfänglich bey zwar ziemlich heranwachsendem Wasser, welches am folgenden Tag [= 29. Febr.] früh schon hier und da in die Stadt trat, ganz ruhig, obgleich sehr gedrange fort,..., bis um 9 Uhr, um welche Zeit auf einmal die reissende Fluth mit dem Eise, und was sie sonst bei sich führte, durch die Vorstadt zum Fleischer- und Jüdenthore in die Stadt hinein brach, und so über den kleinen Markt durch die Gassen,..., rauschte. Diese traurige Periode hielt zunehmend bis um 11 Uhr des Vormittags an, in welcher Zeit die großen Eisschollen auch schon der Brücke,..., dermaßen zusezten. Der Wasserwuchs dieser wüthenden Fluth dauerte, wie gesagt, bis 11 Uhr, alsdann fiel solcher wieder, bis des Nachmittags um 4 Uhr 1 Elle 12 Zoll, aber in einer Stunde darauf stellte sie sich von neuem, und fast noch schneller ein,... Das Wasser stund aller Orten 3, 4, 5-6 Ellen hoch. Beyde Vorstädte, sowohl vor dem Fleischer- und Jüden- als vor dem Wasserthore, die Wasserburg und die Fischergasse,..., stunden völlig,..., zu 4-6 Ellen hoch unter Wasser..., der Fleischersteg genannt, über die Triebisch, ward bald von der wilden Fluth eingestürzt. Die Stadt selbst stund außer dem großen Markte, der Burggasse und der Rosengasse bey der Stadtkirche, völlig eben so hoch unter Wasser. Das Jüdenthor bedeckte es völlig, und wenigstens noch eine Elle darüber. [9 Personen ertrunken]. Größte Höhe der Fluth: 12 Ellen 10 Zoll. Das Wasser stand in der Kirche 1 reichliche Elle höher als drittehalbe Ellen. (C. G. Poetzsch 1784 Chronolog. Geschichte d. großen Wasserfluthen d. Elbstroms etc. S. 150/53 u. 159.) 1784 & Febr. & Dresden & Elbe: Eisgang u. Hochwasser & & 1 & I, 5: 370 (2935) Elbe. Vormittags rührte sich auch das Eis hinter der Brücke und schob sich sehr ruhig, bis unter die Stadt hinunter; allein oberhalb derselben blieb es noch unbeweglich stehen. Des Nachmittags fiel sogar das Wasser wieder 9 Zoll, folglich bis an 1 Elle 15 Zoll herunter. 9 Uhr abends erfolgte der Aufbruch. Dieser gewaltige Aufbruch mit einem fast unglaublich schnellen Anwuchse des Wassers war erschrecklich. (C. G. Poetzsch 1784 Chronolog. Geschichte d. großen Wasserfluthen d. Elbstroms etc. S. 117 u. 136.) 1784 & Febr. & Dresden & Elbe: Eisgang u. Hochwasser & & 2 & I, 5: 370 (2936) Es bricht die Elbe auf und wächst von 3 auf 9 Ellen Höhe mit unbegreiflicher Schnelligkeit. (Dr. G. Klemm Chronik d. etc. Residenzstadt Dresden, edid. P. G. Hilscher II. S. 513.) (Fr. W. Pohle 1886 Chronik von Loschwitz S. 77. u. S. 79.) Weikinn, C. (2000) [Part 5]

7 7/ & Febr. & Meißen & Elbe: Eisgang u. Überschwemmung & & 1 & I, 5: 370 (2934) Elbe. 28. Febr. 11 Uhr abends brach das Eis und trieb anfänglich bey zwar ziemlich heranwachsendem Wasser, welches am folgenden Tag [= 29. Febr.] früh schon hier und da in die Stadt trat, ganz ruhig, obgleich sehr gedrange fort,..., bis um 9 Uhr, um welche Zeit auf einmal die reissende Fluth mit dem Eise, und was sie sonst bei sich führte, durch die Vorstadt zum Fleischer- und Jüdenthore in die Stadt hinein brach, und so über den kleinen Markt durch die Gassen,..., rauschte. Diese traurige Periode hielt zunehmend bis um 11 Uhr des Vormittags an, in welcher Zeit die großen Eisschollen auch schon der Brücke,..., dermaßen zusezten. Der Wasserwuchs dieser wüthenden Fluth dauerte, wie gesagt, bis 11 Uhr, alsdann fiel solcher wieder, bis des Nachmittags um 4 Uhr 1 Elle 12 Zoll, aber in einer Stunde darauf stellte sie sich von neuem, und fast noch schneller ein,... Das Wasser stund aller Orten 3, 4, 5-6 Ellen hoch. Beyde Vorstädte, sowohl vor dem Fleischer- und Jüden- als vor dem Wasserthore, die Wasserburg und die Fischergasse,..., stunden völlig,..., zu 4-6 Ellen hoch unter Wasser..., der Fleischersteg genannt, über die Triebisch, ward bald von der wilden Fluth eingestürzt. Die Stadt selbst stund außer dem großen Markte, der Burggasse und der Rosengasse bey der Stadtkirche, völlig eben so hoch unter Wasser. Das Jüdenthor bedeckte es völlig, und wenigstens noch eine Elle darüber. [9 Personen ertrunken]. Größte Höhe der Fluth: 12 Ellen 10 Zoll. Das Wasser stand in der Kirche 1 reichliche Elle höher als drittehalbe Ellen. (C. G. Poetzsch 1784 Chronolog. Geschichte d. großen Wasserfluthen d. Elbstroms etc. S. 150/53 u. 159.) 1784 & Febr. & Dresden & Elbe: Eisgang u. Hochwasser & & 1 & I, 5: 370 (2935) Elbe. Vormittags rührte sich auch das Eis hinter der Brücke und schob sich sehr ruhig, bis unter die Stadt hinunter; allein oberhalb derselben blieb es noch unbeweglich stehen. Des Nachmittags fiel sogar das Wasser wieder 9 Zoll, folglich bis an 1 Elle 15 Zoll herunter. 9 Uhr abends erfolgte der Aufbruch. Dieser gewaltige Aufbruch mit einem fast unglaublich schnellen Anwuchse des Wassers war erschrecklich. (C. G. Poetzsch 1784 Chronolog. Geschichte d. großen Wasserfluthen d. Elbstroms etc. S. 117 u. 136.) 1784 & Febr. & Dresden & Elbe: Eisgang u. Hochwasser & & 2 & I, 5: 370 (2936) Es bricht die Elbe auf und wächst von 3 auf 9 Ellen Höhe mit unbegreiflicher Schnelligkeit. (Dr. G. Klemm Chronik d. etc. Residenzstadt Dresden, edid. P. G. Hilscher II. S. 513.) (Fr. W. Pohle 1886 Chronik von Loschwitz S. 77. u. S. 79.) Weikinn, C. (2000) [Part 5]

8 8/32 Weikinn (1958 –2002) documentary sources 23,160 entries on hydrographic events Europe, mainly Germany and neighbours up to 1850 original sources, secondary sources

9 9/32 checking, excluding local events floods at other places along a river floods in tributaries favourable meteorological conditions prior to a flood (e.g., heavy rains, ice or snow cover)

10 10/32 impact-related magnitude scale 1minor flood 2strong flood 3exceptionally strong flood (e.g. Feb–Mar 1784)

11 11/32 Elbe (Dresden), 1852 to 1892

12 12/32 Elbe (Dresden), 1852 to 2002 (daily measurements)

13 13/32 Elbe, 1021 to 2002 Year Month Season Number of Ice? Stage Magnitude sources Dresden (cm) Feb W 5 I Jan-Feb W 6 I Feb-Mar W 32 I Apr W 16 I W Aug-Sep S Jan-Apr W 4 I Feb-Mar W Aug S Feb W 2 I Feb W 17 I

14 14/32 Elbe, 1021 to 2002 Oder, 1269 to 2002

15 15/32 OK, what about trends in flood occurrence rate ?? Elbe, winter, class 2–3

16 16/32 Elbe, winter, class 2–3

17 17/32 Elbe, winter, class 2–3 steps toward a better method

18 18/32 Elbe, winter, class 2–3 steps toward a better methodadvantage 1.continuous shifting (kernel estimation)more estimation points no ambiguity (bounds)

19 19/32 Elbe, winter, class 2–3 steps toward a better methodadvantage 1.continuous shifting (kernel estimation)more estimation points no ambiguity (bounds) 2.use Gaussian (not uniform) kernelsmooth estimate

20 20/32 Elbe, winter, class 2–3 steps toward a better methodadvantage 1.continuous shifting (kernel estimation)more estimation points no ambiguity (bounds) 2.use Gaussian (not uniform) kernelsmooth estimate 3.cross-validatedbandwidthminimal estimation error

21 21/32 Elbe, winter, class 2–3

22 22/32 Elbe, winter, class 2–3 OK, how significant is that trend ??

23 23/32 Elbe, winter, class 2–3 bootstrap resample (with replacement, same size)

24 24/32 Elbe, winter, class 2–3 bootstrap resample (with replacement, same size)

25 25/32 Elbe, winter, class 2–3 bootstrap resample (with replacement, same size) 2nd bootstrap resample

26 26/32 Elbe, winter, class 2–3 bootstrap resample (with replacement, same size) 2nd bootstrap resample take 2000 bootstrap resamples

27 27/32 Elbe, winter, class 2–3 90% percentile confidence band

28 28/32 Elbe, winter, class 2–3 90% percentile confidence band method: Cowling et al. (1996) Journal of the American Statistical Association 91: 1516–1524.

29 29/32 Result: trends in flood occurrence rate Elbe, winter, class 2–3 sparse data LMM ? fewer freezing !?

30 30/32 Result: Oder, winter, class 2–3 sparse data fewer freezing !? caution !

31 31/32 Result: Elbe, summer, class 2–3 No upward trend

32 32/32 Result: Oder, summer, class 2–3 No upward trend caution !

33 G O O D I E S

34 GOODY 1/4 Oder (Eisenhüttenstadt), 1920 to 2002 (daily measurements) sparse information on floods

35 GOODY 2/4 test H0 constant occurrence rate t = flood event dates, [t1; t2] = observation interval, n = data size under H0, statistic u is standard normally distributed e.g., u large negative means downward trend Cox & Lewis 1966 The Statistical Analysis of Series of Events. Methuen, London.

36 GOODY 3/4 comparison Weikinn vs CLIMDAT Elbe, winter, class 2–3 CLIMDAT

37 GOODY 4/4 test for trends in exceedance of 25-yr monthly maximum precipitation


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