Starkregen / Hochwasser Juli 2021 (Deutschland, RP & NW)
19. Juli 2021 – Report No. 1
Autor: Bernhard Mühr
Übersicht
Am 13. und 14. Juli 2021 fielen über dem Westen Deutschlands sowie in Teilen Belgiens und in Luxemburg enorme Regenmengen von 100 bis 150 mm. Ein Großteil des Niederschlags ging innerhalb von 15 bis 18 Stunden nieder. Besonders betroffen waren die beiden Bundesländer Nordrhein-Westfalen und Rheinland-Pfalz. An vielen Flüssen mit Einzugsgebiet in der Eifel wurden neue historische Pegelhöchststände verzeichnet. Beim Pegel in Altenahr an der Ahr lag der bisherige Rekord bei einer Höhe von 3,71 m, am 14. Juli 2021 erreichte der Pegel einen Wert von 5,05 m, bevor er seinen Dienst versagte. Eine Pegelstand von 7-8 m erscheint hier durchaus plausibel.
Extrem hohe Abflussmengen verursachten an etlichen Flüssen im Westen Deutschlands katastrophale Überschwemmungen und richteten verheerende Schäden an Wohn- und Gewerbegebäuden an, Straßen- und Schienenwege wurden zerstört ebenso wie zahlreiche Ver- und Entsorgungseinrichtungen. Die Überschwemmungen forderten mehr als 170 Menschenleben und 820 Verletzte. Erste vorläufige Schätzungen lassen einen gesamten versicherten Schaden von mehr als 10 Mrd. € erwarten.
1. Meteorologische Informationen
1.1. Großräumiges Strömungsmuster über Europa und dem Nordatlantik
Zu Beginn der zweiten Monatsdekade des Juli 2021 lag ein markanter Höhentrog noch weit draußen auf dem Atlantik, sein Zentrum befand sich einige Hundert Kilometer südöstlich der Südspitze Grönlands. Der Höhentrog kam zügig unter Abschnürungstendenz südostwärts voran und konnte am 11. Juli 2021, 00 UTC, mit seinem Drehzentrum bereits 300 Kilometer westlich von Irland analysiert werden. Der immer mehr als Höhentief in Erscheinung tretende Trog befand sich 24 Stunden später schon kurz vor der Südwestspitze Cornwalls. Tags darauf erstreckte sich das Gebilde tiefen Geopotentials mit seiner meridional orientierten Achse von der westlichen Nordsee über den Ärmelkanal und die Westhälfte Frankreichs bis zu den Balearen. Den Weg nach Osten, wie ihn bei einer überwiegend zonalen Strömungskonstellation die meisten Höhentröge wählen, versperrte ein riesiges Gebiet hohen Luftdrucks über dem Nordosten Europas, das als Bollwerk unverrückbar seine Position beibehielt.
Über Mitteleuropa sank auf der Vorderseite des Höhentiefs der Luftdruck und das Bodentiefdruckgebiet „Bernd“ betrat die Wetterbühne. Im Laufe des 14. Juli 2021 geriet Deutschland auf die Nordflanke des Höhentiefs, das seinen Schwerpunkt mittlerweile von der Südschweiz/Nordwestitalien langsam über die Alpen hinweg nach Süddeutschland vorschob.
An der Nordflanke des Höhentiefs rotierte das Bodentief „Bernd“ mit seinen spiralig angeordneten Frontensystemen ab dem 13. Juli 2021 munter über Deutschland vor sich hin (Abbildung 2). Im Laufe des 14. Juli 2021 entstand eine recht gut ausgeprägte Tiefdruckrinne am Boden, in der ein Tiefausläufer eingebettet war und die am Nachmittag und Abend von der westlichen Norddeutschen Tiefebene bis nach Luxemburg analysiert werden konnte (Abbildung 3). Genau in jenem Bereich formierte sich auch das linienhafte Gebiet des stärksten Niederschlags, das in Abbildung 3 farbig hervortritt. Neben den bodennahen Strömungskonvergenzen lassen die Analysen der mittleren Troposphäre zudem einen Kurzwellentrog an der Nordwestflanke des Höhentiefs erkennen, der einen zusätzlichen Hebungsantrieb bereitstellte.
Der umfangreiche mitteleuropäische Tiefdruckkomplex bezog in seine Zirkulation extrem feuchte Luftmassen ein. Die gelangten in einem weiten Bogen aus dem Südosten Europas und dem Mittelmeerraum über den Umweg über Ost- und Norddeutschland schließlich auch in den Westen Deutschlands und die angrenzenden Nachbarländer. Abbildung 4 zeigt die Lage des Tiefdruckkomplexes anhand der Isohypsen im 700 hPa-Niveau (schwarze Linien), die rötlichen Farbflächen repräsentieren die feuchten Luftmassen mit der Menge des ausfällbaren Wassers in mm. Über dem Norden und Nordwesten Deutschlands erreichen die Werte des niederschlagsbaren Wasser bis über 40 mm. Die langgezogenen Bänder hoher Feuchte legen als ihre Quelle zwar den zentralen Mittelmeerraum nahe, dennoch müsste hier z.B. eine Trajektorienanalyse noch genauere Erkenntnisse herbeiführen.
Die Betrachtung der intensivsten Niederschlagsgebiete und ihrer Verlagerung zeigen bereits am Vortag den Einfluss von Kurzwellentrögen und ihres Hebungsantriebes. Über Südwestdeutschland formierte sich schon am Vormittag des 13. Juli 2021 ein großes zusammenhängendes Areal mit kräftigem Niederschlag, das sich entsprechend der zyklonalen Rotation um das Höhentief herum im Gegenuhrzeigersinn zunächst nordostwärts, dann in nördliche Richtung verlagerte, bevor es über Norddeutschland nach Westen einschwenkte und schließlich den Weg nach Nordrhein-Westfalen und Rheinland-Pfalz fand. Über Teilen Nordbayerns und Teilen Sachsens lösten von Gewittern durchsetzte Starkregenfälle am 13. Juli 2021 bereits gebietsweise Überschwemmungen aus, Hof registrierte eine Niederschlagsmenge von 85 mm, in der Nacht zum 14. Juli 2021 gingen in Hagen-Bölling sogar 95 mm Regen nieder.
Das Satellitenbild (Abbildung 5) illustriert die Verteilung der großen Wolkengebiete, die um das Zentrum des Höhentiefs über Süddeutschland am 14. Juli 2021 kreisen. Die Wolkenanordnung und Wolkenbänder lassen die Ausdehnung und den Einfluss des Höhentiefs erahnen, der bis weit in den zentralen Mittelmeerraum reicht. Konvektiv durchsetzte Wolkenformationen finden sich beispielweise über Mallorca, westlich von Sardinien und über Süditalien/Sizilien. An der nordöstlichen Flanke zeichnen sich als besonders helle Wolkenkleckse einige kräftige Gewitter ab, die mit einer sich einer entlang der deutschen Ostseeküste bis nach Zentralpolen erstreckenden Konvergenzlinie (Abbildung 2) in Zusammenhang stehen. Besonders markant tritt jedoch das umfangreiche und zusammenhängende Wolkenpaket über Ostfrankreich, Westdeutschland und Benelux in Erscheinung; hier sind großräumige Hebungsprozesse wirksam.
Das über mehrere Tage lang präsente und kräftige Höhentief hinterließ auch in der Analyse des fünftägigen Zeitraums vom 12. bis zum 16. Juli 2021 im 500-hPa Geopotentialfeld seine deutlichen Spuren. Flankiert von zwei Höhenrücken, von denen der über Nordosteuropa eine besonders große Ausdehnung und Beständigkeit aufweist („Blocking“), liegt das Höhentief über Nordwest- und Mitteleuropa (Abbildung 6). Vor allem über dem Süden Frankreichs treten große negative Anomalien in der Geopotialfläche hervor, die bis über 8 gpdm unter ihren langjährigen Vergleichswerten (1981-2020) liegen. Nördlich des Höhentiefs spannt sich ein riesiges Areal mit positiven Geopotentialanomalien vom Seegebiet südwestlich von Irland über das Baltikum bis zur Ukraine. Die Abweichungen über dem Baltikum und über Weißrussland betragen mehr als 16 gpdm.
2.2. Niederschlag
In Nordrhein-Westfalen manifestierte sich bereits in der Nacht vom 13. zum 14. Juli 2021 eine quer durch Deutschland verlaufende Zone mit von Gewittern durchsetztem Starkregen mit größeren Überflutungen; die stärksten Regenfälle konnten vom hessischen Teil des Rothaargebirges über das südliche Ruhrgebiet hinweg bis zur niederländischen Grenze beobachtet werden (Abbildung 8). Gevelsberg-Oberbröking registrierte eine Niederschlagsmenge von 71.1 mm (Tabelle 1).
Tabelle 1: Tagesniederschlagsmengen und 48-Stundensumme ausgewählter Stationen in Deutschland vom 13.07.2021, 06 UTC, bis zum 15.07.2021, 06 UTC. Daten: DWD
Das zu den verheerenden Hochwässern an Ahr, Erft, Kyll, Prüm, Sauer und anderen Flüssen im südwestlichen Nordrhein-Westfalen und im nördlichen und westlichen Rheinland-Pfalz führende Regenereignis begann im Laufe des 14. Juli 2021 und setzte in Köln-Stammheim gegen 04:00 UTC ein (Abbildung 8a). Während eines Zeitraums von 15 Stunden kam insgesamt eine Niederschlagsmenge von rund 150 mm zusammen. Die durchschnittliche Niederschlagsmenge in einem ganzen Monat Juli liegt sonst bei gerade einmal 69 mm (1981-2010); somit summierte sich in nur wenigen Stunden der intensive Regen auf mehr als das Doppelte eines üblichen Monatsniederschlages. Die maximale Stundenintensität des Niederschlags erreichte 33 mm.
Dreistellige Werte des Niederschlags konnten auch an zahlreichen anderen Orten in Nordrhein-Westfalen und in Rheinland-Pfalz verzeichnet werden – obwohl etliche Niederschlagsmesstellen ihren Dienst versagten oder hinweggespült wurden. In der Eifel summierte sich an der Station Prüm-Watzerath der Regen, der dort 1-2 Stunden später als in Köln gegen 06 UTC begann, innerhalb von rund 15 Stunden auf mehr als 100 mm (Abbildung 8b).
Tabelle 1 gibt einen Überblick über die 10 nassesten Stationen aus dem Messnetz des Deutschland Wetterdienstes für den zweitägigen Zeitraum am 13. und am 14. Juli 2021. 9 der 10 regenreichsten Messstationen (die das Regenereignis überstanden) befinden sich in Nordrhein-Westfalen, denen sich das Schneifelforsthaus in Rheinland-Pfalz mit 137.5 mm innerhalb von 48 Stunden anschließt.
Großflächig konnten in Teilen Nordrhein-Westfalens und von Rheinland-Pfalz Niederschlagsmengen beobachtet werden, die innerhalb von nur 48 Stunden mehr Regen brachten, als dort üblicherweise im gesamten Monat Juli niedergeht. Abbildung 9 illustriert in blau die Gebiete, in denen der 48-Stunden-Niederschlag den langjährigen Monatsmittelwert übertraf; die Zahlenwerte bezeichnen dabei den Anteil in % im Vergleich zum durchschnittlichen Juli-Monatsregen. In den blauen Gebieten ist das Monatssoll schon deutlich übererfüllt. Im Südwesten von Nordrhein-Westfalen und entlang der Ahr und der Prüm kam in den beiden Tagen (13. und 14. Juli 2021) gebietsweise mehr als das Anderthalbfache (>150%) des langjährigen Juli-Monatsmittelwertes 1991-2020 zusammen.
2.3. Der Einfluss der Vorwitterung
Einen wesentlichen Einfluss auf die Ausbildung eines großen Flusshochwassers haben in der Regel noch weitere Faktoren wie die Schneeschmelze in den Mittelgebirgen oder der Alpen. Ganz besondere Bedeutung kommt allerdings der Vorwitterung zu. Es macht einen erheblichen Unterschied aus, ob ein entstehendes Hochwasser möglicherweise dramatische Ausmaße annimmt, wenn es sich einem bereits zuvor nassen Witterungsabschnitt anschließt. Ein zusätzlicher großer Wassereintrag bei bereits gesättigten Böden oder hohen Grundpegelständen kann fatale Konsequenzen haben.
Die Überflutungsgebiete empfingen während der ersten 6 Monate des Jahres 2021 überwiegend mehr Niederschlag als es der langjährige Mittelwert desselben Zeitraums erwarten lässt. Allerdings kann der Niederschlagsüberschuss von bis zu 15% allenfalls als moderat bezeichnet werden. Kleinere Gebiete blieben sogar etwas unter ihrem langjährigen Vergleichswert. In absoluten Zahlen konnten die Hochwassergebiete während des ersten Halbjahres 2021 zwischen 0 und 50 mm mehr Niederschlag als üblich verbuchen. Somit präsentierte sich die Vorwitterung nach langfristiger Betrachtung als nicht besonders nass.
3. Historische Einordnung der Niederschläge
3.1. Messreihen
Niederschläge, zumindest wenn sie großflächig und innerhalb von 24 bis 48 Stunden Werte von mehr als 100 mm erreichen, sind in Deutschland selten und lösen im Falle ihres Auftretens nicht selten größere Flusshochwässer aus.
Tabelle 2 gibt beispielhaft Auskunft über die an den Stationen in Köln-Stammheim und am Schneifelforsthaus jemals gemessenen nasstesten Tage ihre Messgeschichte. Die Messreihen umfassen jeweils einen Zeitraum von rund 70 Jahren. In beiden Fällen rangiert das Regenereignis vom 14. Juli 2021 mit großem Abstand auf Platz 1. Nie zuvor konnte innerhalb eines Tages dort (und an zahlreichen weiteren Stationen) eine derart große Regenmenge verzeichnet werden.
Tabelle 2: Verzeichnis der 10 nassesten Tage und der aufgetretenen 24-stündigen Regenmengen der jeweils gesamten Messreihe an den Stationen in Köln-Stammheim und am Schneifelforsthaus. Die Länge der Messreihe umfasst in beiden Fällen rund 70 Jahre. Daten: DWD
3.2. Wiederkehrperioden nach KOSTRA
Mit KOSTRA 2010, der koordinierten Starkniederschlagsregionalisierungen und -auswertungen, stellt der DWD ein Werkzeug zur Verfügung, das Aussagen über die Höhe und Eintrittswahrscheinlichkeiten von Starkregenereignissen an einem beliebigen Ort in Deutschland erlaubt. KOSTRA stellt Informationen für verschiedene Dauerstufen des Niederschlags und Jährlichkeiten zur Verfügung und dient allgemein in Deutschland als Bemessungsgrundlage für Niederschlagsabflüsse und die Dimensionierung von Anlagen. Auch für die vom Hochwasser betroffenen Gebiete können so die nach KOSTRA gültigen Niederschlagswerte für verschiedene Dauerstufen des Niederschlags und deren Jährlichkeit bzw. Wiederkehrperiode in Erfahrung gebracht werden. Auf die Beschreibung der genauen Methodik und Schwächen des KOSTRA-Verfahrens wird im Rahmen des Berichtes verzichtet. Es wird hier lediglich zur Feststellung geeigneter Schwellenwerte für eine Wiederkehrperiode von 100 Jahren für ein 24-stündiges Niederschlagsereignis benötigt.
Die größte Teil der in den Einzugsgebieten der Hochwasser führenden Flüsse in Nordrhein-Westfalen und Rheinland-Pfalz aufgetretenen Niederschläge ging innerhalb eines Zeitraums von 12 bis 18 Stunden (meist um 15 Stunden) nieder. Dennoch gelangen hier der raschen Bewertung und der Einfachheit halber die 24 stündigen Stationsmesswerte in die Auswertung, obwohl sie entsprechend auch auf eine Dauerstufe von 15 oder 18 Stunden bezogen werden könnten oder müssten.
In den Hochwassergebieten der Eifel entspricht eine Tagesregenmenge zwischen 80 und 120 mm nach KOSTRA 2010 in etwa einer Wiederkehrperiode von 100 Jahren. Gebietsweise sind es auch nur 70 mm (Abbildung 11).
Die nach dem RADOLAN-Verfahren aus Radardaten gewonnenen und mit Stationsmessungen angeeichten flächenhaften Niederschlagsinformationen können jeweils auf die KOSTRA Rasterzellen mit einer Kantenlänge von 7 km interpoliert werden. Jeder Rasterzelle überdeckt damit eine Fläche von rund 50 km².
Abbildung 12: Die auf die KOSTRA Rasterzellen mit einer Fläche von knapp 50 km² gemittelten Niederschlagsmengen, wie sie aus den in1x1 km² Auflösung vorliegenden radar- und messstationbasierten RADOLAN gewonnen werden konnten (oben). Die gleichen Rasterzellen (unten) haben den jeweils höchsten Radolan-Niederschlagswert, also den Wert des Niederschlagsmaximums innerhalb des 50 km²-Areals, erhalten. Rasterzellen mit Werten von weniger als 10 mm werden nicht dargestellt.
In Abbildung 12 (oben) repräsentieren die in den Rasterzellen dargestellten Zahlenwerte den Niederschlag, wie er nach RADOLAN gemittelt auf die Fläche der Rasterzelle (~ 50 km²) ermittelt werden konnte. Die untere Abbildung zeigt in den Rasterzellen jeweils den höchsten nach Radolan gemessenen Niederschlagswert innerhalb der Rasterzelle. Alle Niederschlagswerte beziehen sich auf einen 24-stündigen Zeitraum, die Radolan-Messwerte auf den Niederschlag vom 14. Juli 2021.
Im größten Teil des südwestlichen Nordrhein-Westfalen sowie im westlichen Rheinland-Pfalz übertrafen die gemessenen Spitzenniederschläge nach Radolan die einer Wiederkehrperiode von 100 Jahren teilweise sehr deutlich (Abbildung 13). Die hier betrachtete Dauerstufe beträgt 24 Stunden, der Tagesniederschlag bezieht sich auf den Zeitraum vom 14. Juli 2021, 06 UTC, bis zum 15. Juli 2021, 06 UTC. Da es sich bei KOSTRA um ein Verfahren und eine Datengrundlage zur Abschätzung und Bewertung von Starkniederschlägen handelt, kamen hier in den Rasterzellen die maximalen 1 km²-Niederschläge nach Radolan in den Rasterzellen bzw. in einem Gebiet von 50 km² zur Auswertung. Mit diesem Ansatz wurden die bisherigen maximalen KOSTRA-Niederschläge für ein 100-jähriges Ereignis in manchen Rasterzellen um 40 bis 55 mm übertroffen.
Nicht ganz so deutlich fällt der Überschuss aus, wenn anstelle der in der jeweiligen Rasterzelle gemessene Radolan-Spitzenwert das Radolan-Flächenmittel der Rasterzelle in die Auswertung gelangt. Andererseits sei noch einmal auf den Sachverhalt verwiesen, dass das Gros der tatsächlich aufgetretenen Niederschläge sich auf einen 15- bis 18-stündigen Zeitraum beschränkte und entsprechend auch bei KOSTRA die maximalen Niederschläge der Dauerstufe „18h“ als Vergleich herangezogen werden sollten. Es liegt auf der Hand, dass in diesem Falle die bisherigen Schwellenwerte für ein 100-jähriges Ereignis noch weit deutlicher übertroffen worden wären.
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Vielen Dank für die ausführliche Analyse!