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Newsletter - June 2020

Dies ist der aktuellste Newsletter des Mobiliar Labs für Naturrisiken der Universität Bern. Er erscheint ca. zweimal pro Jahr und gibt Ihnen einen Überblick über unsere neusten praxisrelevanten Forschungsergebnisse sowie Hinweise zu Veranstaltungen des Labs. Die deutsche Version des Newsletters als PDF lesen Sie hier.

Vous pouvez lire la version française de la newsletter en cliquant ici.

Seit kurzem ist die neue Webseite schadensimulator.ch online. Sie visualisiert auf einer Schweizer Karte heutige und zukünftige mögliche Hochwasserschäden und zeigt, wie sie sich beeinflussen lassen. Eine wichtige Rolle spielen dabei unter anderem die bauliche Verdichtung sowie der Objektschutz. 

Vier von fünf Schweizer Gemeinden waren in den vergangenen 40 Jahren von Überschwemmungen betroffen. Das sorgte nicht nur für viel Beeinträchtigungen bei der betroffenen Bevölkerung, sondern auch für hohe Kosten. Um diese in Zukunft zu vermindern, ist ein adäquater Schutz nötig. Die dafür nötigen Gefahrenkarten lassen sich mit dem neuen Schadensimulator (www.schadensimulator.ch) nun besser interpretieren: Der Simulator weist für jede Gemeinde der Schweiz aus, wie gross das mögliche Schadenausmass bei einem Hochwasser ist. Mit seiner Hilfe lässt sich zudem simulieren, wie sich das mögliche Schadenausmass in Zukunft verändern könnte, zum Beispiel wenn die bestehenden Bauzonen überbaut würden. Der Schadensimulator ist deshalb eine wichtige Entscheidungshilfe für Behörden, Planerinnen und Ingenieure.

Das Online-Tool basiert auf neu entwickelten Modellen und statistischen Analysen, die neben Überschwemmungsschäden der vergangenen Jahre die Lage der Gebäude in den Gefahrenzonen und Informationen zu den Gebäuden berücksichtigen. Die zukünftige Verdichtung der Siedlungsräume wurde auf Grund von Szenarien zu Veränderungen von Bevölkerung und Arbeitsplätzen modelliert.

Auf dem Schadensimulator basierende Forschungsarbeiten des Mobiliar Labs belegen, dass mögliche Schäden in Gebieten, in denen nur eine geringe Hochwassergefährdung besteht (gelbe Zonen auf der Gefahrenkarte), bis anhin stark unterschätzt wurden. Der Grund: Zwar sind die Schäden bei einem einzelnen Gebäude gering, doch weil die gelben Zonen oftmals stark überbaut sind, ist die Gesamtschadensumme hier auch im Vergleich mit den stärker gefährdeten blauen und roten Zonen sehr hoch. Allerdings werden in der gelben Gefahrenzone – im Gegensatz zur blauen Zone – in den meisten Kantonen beim Um- oder Neubau von Gebäuden von den Bauherren keine spezifischen Massnahmen gegen Hochwasser verlangt.

Die Forschungsarbeiten zeigen ebenfalls, dass die gefährdeten Gebäudewerte zunehmen werden. Die höheren Schäden, die dadurch verursacht werden, lassen sich allerdings mit geeigneten Massnahmen begrenzen, gerade auch in Gebieten mit geringer Hochwassergefährdung. Objektschutzmassnahmen beispielsweise könnten schon mit tiefen Kosten eine grosse Wirkung erzielen. Soll das mögliche Schadenausmass entscheidend vermindert werden, reicht es allerdings nicht, nur bei Neubauten Objektschutzmassnahmen vorzuschreiben – sie müssen zwingend auch an bestehenden Bauten realisiert werden.

Abb. 1: Der auf den Hochwasser-Gefahrenkarten basierende Schadensimulator zeigt die Veränderung des möglichen Schadenausmasses für verschiedene Szenarien auf. Dazu können Einflussfaktoren wie der überbaute Anteil der Bauzonenreserven oder der Anteil mit durch Objektschutzmassnahmen geschützte Gebäude selbst eingestellt werden.

Die Plattform hochwasserrisiko.ch wurde neu aufgebaut und mit Anwendungsbeispielen aus der Praxis angereichert. Mögliche Einsatzbereiche der verschiedenen Tools werden anhand von Videos, Vorher-Nachher-Bildvergleichen und kurzen Berichten und Interviews aufgezeigt.

Die auf der Plattform hochwasserrisiko.ch verankerten Tools der «Forschungsinitiative Hochwasserrisiko» des Mobiliar Labs für Naturrisiken sind soeben mit dem Angebot „Schadensimulator“ ergänzt worden. Neu werden für jedes Tool verschiedene Anwendungsbeispiele aus der Praxis aufgezeigt und laufend ergänzt. Ziel der gemeinsamen Hochwasserrisiko-Plattform ist, Erkenntnisse und Werkzeuge aus der Wissenschaft noch breiter in der Praxis bekannt zu machen. Auf hochwasserrisiko.ch lassen sich die Beispiele in Form von Videos, Vorher-Nachher-Bildvergleichen und bebilderten Kurzberichten und Interviews erkunden.

Abb. 2: Der direkte, interaktive Bildvergleich ohne und mit Überschwemmung aus Melchnau (BE) soll das Bewusstsein vor der Hochwassergefährdung schärfen. Dass Ereignisbilder wie das Bild rechts auch direkt im Hochwasserschutz eingesetzt werden können, ist im Interview mit Christian Eicher auf hochwasserrisiko.ch nachzulesen. Fotos: Mobiliar Lab für Naturrisiken und Christian Eicher.

Die Beurteilung der Exposition von Infrastruktur gegenüber Hochwasser ist für ein gesamtheitliches Risikomanagement von entscheidender Bedeutung. Doch obwohl die Methodenwahl dabei absolut zentral ist, gibt es Strassenabschnitte, die unabhängig von der gewählten Methode immer als stark exponiert klassiert werden.

Für die Expositionsanalysen von Strasseninfrastruktur gegenüber Naturgefahren werden unterschiedliche Methoden angewendet. Da die jeweiligen Ergebnisse aber zu sehr unterschiedlichen Entscheidungen im Risikomanagement führen können, muss der Methodenwahl spezielle Beachtung geschenkt werden. 

Das Mobiliar Lab für Naturrisiken hat dazu in einer Studie für die Schweiz drei Methoden entwickelt und miteinander verglichen. Als Gefahrengrundlagen hat sie sich im Siedlungsgebiet auf die kantonalen Gefahrenkarten und ausserhalb des Siedlungsgebiets auf Aquaprotect gestützt. Die Ergebnisse wurden in Rasterzellen von 2 km x 2 km aggregiert, um einen räumlichen Vergleich zu ermöglichen. 

In der Schweiz zeigen sich unterschiedliche räumliche Muster der Exposition. Mit Methode A, bei der potenziell überschwemmte Strassenflächen analysiert wurden, können jene Gebiete identifiziert werden, in denen sich viele Strassenflächen in gefährdeten Zonen befinden (städtische Gebiete oder Gebiete mit hoher Strassendichte in Überschwemmungsgebieten). Bei Anwendung von Methode B werden hingegen jene Gebiete hervorgehoben, in welchen sich ein sehr hoher Anteil der gesamten Strassenoberfläche in gefährdeten Zonen befindet. In der Schweiz betrifft dies beispielsweise jene Gebirgsregionen, in denen sich Strassenverbindungen im Tal befinden. Die im Vergleich höheren Werte bei Anwendung der Methode C identifizieren Gebiete mit Streckenabschnitten, in denen zentrale Strassenverbindungen des Verkehrsnetzes von Überschwemmungen betroffen sein können. Diese Methode basiert auf einem Netzwerkansatz, der die Abschnitte nach deren Wichtigkeit im Verkehrsnetz gewichtet.

Die Studie zeigt einerseits auf, dass in der Schweiz einige Gebiete und Strassenabschnitte existieren, die auf Basis aller drei Methoden die höchste Klassifizierung erreichen. Andererseits zeigt sie, wie wichtig eine geeignete Auswahl von Methoden für die Analyse der Hochwasserexposition ist – entsprechend der jeweiligen Fragestellung für das Risikomanagement von Strasseninfrastruktur. 

Die Studie inklusive detailliertem Methodenbeschrieb ist hier einsehbar.

Abb. 3: Übersicht der hochwasserexponierten Schweizer Strassenabschnitte. Die dunkelrot eingefärbten Pixel zeigen Abschnitte, die von allen drei Methoden als stark exponiert klassiert wurden und daher besonderer Beachtung im Risikomanagement bedürfen. Die blau eingefärbten Pixel andererseits stehen für die Abschnitte, die als am wenigsten exponiert klassiert wurden. Die dazwischen liegenden Werte sind weiss dargestellt und nicht sichtbar.

Studien zu den lokalen Auswirkungen des Klimawandels benötigen hochaufgelöste Datensätze zur lokalen Klimatologie. Im Rahmen eines Forschungsprogramms des BAFU und der WSL wurden Klimakarten mit einer Auflösung von 25 m x 25 m erstellt, die das Mobiliar Lab zum Download aufbereitet hat.

Schutzwald schützt einen wesentlichen Anteil der Infrastruktur in der Schweiz vor Naturgefahren. Im Zuge des Klimawandels ist es wichtig zu erforschen, ob die aktuelle Schutzfunktion auch in Zukunft erhalten bleibt. Ein erster Schritt dazu ist die Modellierung der Auswirkungen des Klimawandels auf die Waldstandortstypen und damit auf die Baumartenzusammensetzung. Im Rahmen des Forschungsprogramms «Wald und Klimawandel» des Bundesamtes für Umwelt BAFU und der Forschungsanstalt WSL hat ein breit aus Wissenschafterinnen, Forstingenieuren und Entscheidungsträgern zusammengesetztes Team die Verschiebung der Vegetationshöhenstufen im Wald modelliert.

Die Karten der Veränderungen der Vegetationshöhenstufen des Waldes wurden kürzlich im Geoinformationsportal des Bundes publiziert. In einem partizipativen Ansatz wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem sich die Waldstandorte bestimmen lassen, die sehr sensitiv auf den Klimawandel reagieren. Dieser partizipative Modellierungsansatz wird derzeit von der WSL, vom BAFU und von den Kantonen umgesetzt. 

Das Mobiliar Lab hat die hochaufgelösten Kartengrundlagen, die für die Studien zu den Auswirkungen des Klimawandels erstellt wurden, zum Download aufbereitet. Die Methoden für die Erarbeitung der Karten sind in einem wissenschaftlichen Artikel beschrieben. Es handelt sich um Karten zu den saisonalen and jährlichen Temperaturwerten mit Berücksichtigung von lokalspezifischen Besonderheiten wie Kaltluftseen (Referenzperioden 1961-1990 und 1981-2010), zur thermischen Kontinentalität, zur Globalstrahlung, zur relativen Luftfeuchtigkeit, zum Föhneinfluss, zu Frosttagen und zur Vegetationsperiode. Die Karten wurden für die Waldmodellierungen entwickelt, können aber ebenso für andere Studien zu den Auswirkungen des Klimawandels verwendet werden.

Abb. 4: Beispiel aus der Kartensammlung: Mittlere Tiefst- (links) und Höchststände (rechts) der jährlichen Lufttemperatur in der Periode 1981–2010.

Die im März geplante Mobiliar Lab Lecture wird verschoben. Die diesjährige Herbstveranstaltung «Zum Umgang mit Hochwassern: von der Gefahren- zur Schadensicht» findet am Vormittag des 4. Dezember 2020 statt.

Die Mobiliar Lab Lecture «Klima und Gesellschaften in Europa – die letzten 1000 Jahre» von Christian Pfister und Heinz Wanner musste aufgrund der aktuellen Versammlungseinschränkung verschoben werden. Das neue Datum wird zu einem späteren Zeitpunkt bekanntgegeben.

An der diesjährigen Herbstveranstaltung «Zum Umgang mit Hochwassern: von der Gefahren- zur Schadensicht» des Mobiliar Labs werden neue Erkenntnisse und Werkzeuge zu heutigen Hochwasserschäden und deren zukünftigen Entwicklung mit verschiedenen Akteuren diskutiert. Sie wird am Vormittag des 4. Dezember 2020 in der Welle 7 in Bern stattfinden. Am Nachmittag wird am selben Ort das vom OcCC organisierte 12. Symposium zur Anpassung an den Klimawandel mit dem Titel «Wasser jetzt und in Zukunft – Stehen Antworten für die Herausforderungen bereit?» stattfinden.

 

Newsletter - December 2019

Dies ist der sechste Newsletter des Mobiliar Labs für Naturrisiken der Universität Bern. Er erscheint ca. zweimal pro Jahr und gibt Ihnen einen Überblick über unsere neusten praxisrelevanten Forschungsergebnisse sowie Hinweise zu Veranstaltungen des Labs. Die deutsche Version des Newsletters als PDF lesen Sie hier.

Vous pouvez lire la version française de la newsletter en cliquant ici.

Hochaufgelöste Niederschlagsdatensätze umfassen meistens eine allzu kurze Zeitspanne, um mehrere Starkniederschlagsereignisse mit unterschiedlicher räumlicher Ausprägung abzudecken. Dank einem neuen methodischen Ansatz ist das Mobiliar Lab in der Lage, solche Ereignisdaten zu generieren.

Saisonale Wettervorhersagen werden inzwischen von mehreren Wetterzentren operationell gerechnet. Diese Vorhersagen reichen über den Prognosehorizont von klassischen Wettervorhersagen hinaus. Sie verfolgen das Ziel, saisonale Tendenzen abzuschätzen und Fragen zu beantworten wie: Wird der kommende Winter überdurchschnittlich kalt? Wird der nächste Sommer speziell trocken?

Für Mitteleuropa ist die Güte solcher Vorhersagen gegenwärtig klein. Nichtsdestotrotz sind die von den Modellen errechneten Simulationen realistisch. Sie stellen eine der möglichen Varianten dar – oder im Fachjargon: eine mögliche Realisation des Klimasystems. Saisonale Wettervorhersagen sind deshalb ein Archiv, in dem sich nach Starkniederschlagsereignissen oder anderen Wetterextremen suchen lässt. Daten aus diesem Archiv können Messreihen ergänzen und zusätzliche Informationen über extreme, und damit seltene, Ereignisse liefern.

Das Mobiliar Lab hat diesen Ansatz mit Daten des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersage für die Schweiz getestet. Insgesamt umfasst der Datensatz rund 9000 Jahre an Wettersimulationen. Die Gitterweite dieser Geodaten beträgt rund 35 Kilometer, die zeitliche Auflösung 6 Stunden. Für ein globales Wettermodell ist diese räumliche und zeitliche Auflösung sehr hoch, für hydrologische Anwendungen in der kleinräumigen Schweiz hingegen ist sie zu grob. Eine der Herausforderungen des Projekts war deshalb, die Auflösung des Modells zu erhöhen. Das Mobiliar Lab hat dazu eine statistische Methode angewandt, die auch im Kontext von Klimawandelstudien verwendet wird.

Die im Rahmen der Studie gemachten Versuche haben gezeigt, dass dieser Ansatz für die Schweiz tatsächlich funktioniert. Dies aus drei Gründen: Erstens kann die räumliche und die zeitliche Auflösung mit der gewählten statistischen Methode erhöht werden. Zweitens reproduzieren die Simulationen des Wettermodells die statistischen Eigenschaften von beobachteten Starkniederschlagsereignissen. Und drittens enthält der Datensatz extreme Niederschlagsereignisse mit verschiedenen räumlichen Ausprägungen.

Für kleine Gebiete lässt sich der Ansatz allerdings nur beschränkt anwenden. Die künstliche Erhöhung der räumlichen und zeitlichen Auflösung scheitert, wenn es darum geht, hohe Niederschlagsintensitäten auf einer kleinen räumlichen Skala zu reproduzieren, wie sie etwa mit Wetterstationen gemessen werden. Wenn der Fokus aber auf Einzugsgebieten liegt, die grösser als 300 km2 sind, was der Fläche des Kantons Schaffhausen entspricht, dann liefern die Niederschlagsszenarien realistische Werte.

Das Mobiliar Lab arbeitet momentan daran, die beschriebene Methode zu verfeinern und eine Modellkette aufzubauen. Sie soll ermöglichen, mit Niederschlagsszenarien als Eingangsgrösse die resultierenden Überflutungen und Gebäudeschäden abzuschätzen. Wie eine solche Modellkette erfolgreich umgesetzt werden kann, zeigt exemplarisch der nachfolgende Artikel «Vom globalen Klimamodell zum Schaden auf Einzelgebäudeebene» anhand des Einzugsgebiets der Aare.

Zur Berechnung von grösstmöglichen Schadenszenarien hat das Mobiliar Lab ein globales Klimamodell mit einem regionalen Klima- und Wettervorhersagemodell verknüpft. Die resultierenden Wetterszenarien wurden in ein gekoppeltes hydrologisches und hydraulisches Modell eingespeist.

Für viele praktische Anwendungen ist es interessant, Ausmass und Folgen eines grösstmöglichen Hochwasserereignisses in einem Flusseinzugsgebiet zu kennen. Die grösste Herausforderung für Höchstschadenabschätzungen stellt die Herleitung eines physikalisch plausiblen Niederschlagsereignisses dar. Stochastische und statistische Verfahren bilden die physikalischen Vorgänge in der Atmosphäre nicht ab und sind deshalb nur bedingt für die Herleitung von extremen Niederschlagsszenarien geeignet.

In einer Studie des Mobiliar Labs wurde nun ein Verfahren entworfen, mit dem sich solche Szenarien entwickeln lassen. Um Wetterereignisse für eine lange Zeitperiode (400 Jahre) zu generieren, kam ein globales Klimamodell zum Einsatz. Wie im vorhergehenden Newsletter-Beitrag geschildert, wurde dabei angestrebt, die Variabilität in Niederschlagsereignissen möglichst gesamthaft und physikalisch plausibel abzubilden. Aus dieser Zeitreihe wurden anschliessend jene Tage und Niederschlagsereignisse ausgewählt, welche die grössten Gebietsniederschläge aufweisen. Danach wurden die entsprechenden Daten mit Hilfe eines regionalen Klimamodells herunterskaliert. Die hochaufgelösten Niederschlagsfelder wurden dann in ein hydrologisches und ein hydraulisches Modell eingespeist, das die Überflutungen simuliert. Die Überflutungskarten wiederum dienten als Eingangsdaten für ein Hochwasser-Schaden-Modell.

Neu und einzigartig an dieser Studie ist die Kopplung von Simulationsmodellen über mehrere räumliche und zeitliche Skalenebenen, d.h. von der räumlichen Auflösung von 100 x 100 km und täglichen Auflösung eines globalen Klimamodells, bis zur räumlichen Auflösung auf der Ebene von Einzelgebäuden und der zeitlichen Auflösung von Sekunden.

Das Verfahren wurde am Beispiel des Einzugsgebiets der Aare oberhalb von Bern entwickelt. Es hat sich gezeigt, dass damit physikalisch plausible Extremereignisse für Höchstschadenschätzungen abgeleitet werden können.

Die Studie ist hier einsehbar.

Wie eine neue Studie des Mobiliar Labs zeigt, verändern die prognostizierten höheren Jahresniederschläge das Hochwasserrisiko erheblich. Die Abschätzung des künftigen Risikos hängt aber auch stark von der Wahl der Verletzlichkeitsfunktion ab.

Hochwasserschutzbauten sind auf eine lange Lebensdauer ausgelegt. Deshalb ist für die Planung von Hochwasserschutzmassnahmen Wissen über die möglichen zukünftigen Änderungen im Hochwasserabfluss als Folge des Klimawandels unentbehrlich. Die Abschätzung der möglichen Änderungen im Hochwassergeschehen ist trotz der vielen Weiterentwicklungen bei Klima- und hydrologischen Modellen noch immer mit grossen Unsicherheiten behaftet. Dazu kommen zusätzlich Unsicherheiten in den Schadenberechnungen.

In einer neuen Studie des Mobiliar Labs wurden die wichtigsten Unsicherheiten in den Modellen zur Klimafolgenabschätzung analysiert und miteinander verglichen. Am Beispiel der Emme zwischen Burgdorf und Gerlafingen wurden die Auswirkungen des Klimawandels auf die Hochwasserschäden abgeschätzt. Dabei wurde getestet, welche Auswirkung eine Zunahme des Niederschlags auf die Zunahme der Schäden hat. Im Rahmen dieser Sensitivitätsstudie wurde die Niederschlagsmenge fortlaufend erhöht. Dabei zeigte sich: Eine Niederschlagszunahme um 20 % würde ein heutiges 100-jährliches Hochwasser derart verändern, dass bis zu sieben Mal grössere Schäden entstünden. Zu klären bleibt, ob diese Resultate auf andere Einzugsgebiete übertragen werden können.

Allerdings zeigt die Studie auch, dass die Wahl der Verletzlichkeitsfunktion zur Berechnung der Schäden an Gebäuden einen der grössten Unsicherheitsfaktoren darstellt. Dies lässt die Schlussfolgerung zu, dass Massnahmen zur Verringerung der Vulnerabilität, wie flächendeckende Objektschutzmassnahmen, die Unsicherheiten der Risikomodellierung reduzieren. Dadurch wird diese robuster, was das Risikomanagement in einem sich wandelnden Klima einfacher macht, weil dessen Folgen besser abschätzbar werden.

Die Studie ist hier einsehbar.

Für die Schadenberechnung an Gebäuden fehlen robuste und regional übertragbare Verfahren weitgehend. Dank dem Zusammenführen verschiedenster Schadendaten aus dem Alpenraum konnte eine neue Verletzlichkeitsfunktion für dynamische Hochwasserprozesse in Gebirgsräumen hergeleitet werden.

Die Modellierung von Gefahrenprozessen, wie beispielsweise Hochwasserereignissen, ist heute sehr weit fortgeschritten. Schätzung und Berechnung der im Alpenraum durch Hochwasserprozesse verursachten Schäden an Gebäuden sind vor Ereignisauftritt hingegen immer noch schwierig. Sediment- und Schwemmholztransport, rasches Auftreten von Hochwasserereignissen sowie häufig grosse Fliessgeschwindigkeiten erhöhen die Unsicherheiten von Folgenabschätzungen.

Für Prozesse in Wildbächen steht neu ein Modell für die Analyse der Schadensempfindlichkeit von Gebäuden zur Verfügung. Dieses Modell basiert auf Daten von Schadenereignissen in verschiedenen Regionen des Alpenraums und kann ebenso szenarienbasierte Vorhersagen über die Höhe der zu erwartenden Schäden abbilden wie Unsicherheiten. Zudem lässt sich berechnen, wie wahrscheinlich ein Totalschaden ist, und wie wahrscheinlich es ist, dass bei einem Ereignis gar kein Schaden auftritt. Es hat sich gezeigt, dass das Modell gute Ergebnisse bringt und auf andere Alpenregionen übertragen werden kann.

Die Studie ist hier einsehbar.

22th of March 2019

Decision support for surface runoff at the FAN Forum

On the occasion of the FAN Forum (experts in natural hazards), the book  "Tools for surface runoff - a decision-making aid", published in autumn 2018, was presented to a specialist audience in Lausanne. The corresponding poster can be downloaded here.

28th of February 2019

Nomination schadenpotenzial.ch for Best of Swiss Web Award

The website Schadenpotenzial Hochwasser of the Mobiliar Lab has been nominated for the Best of Swiss Web Award 2019. Every spring, the Best of Swiss Web Award honours outstanding work in which the use of web technologies plays a leading role. The winners among the nominees were determined on 17 April 2019.

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