From the detection to the attribution of flood changes in Europe

Abstract

Hochwässer sind die häufigste Naturkatastrophe in Europa und verursachen erhebliche sozioökonomische Schäden. Veränderungen des Klimas und der Umwelt beeinflussen die Größe und die Häufigkeit von Hochwässern. Infolgedessen kann die Bemessung von Wasserbauten und Maßnahmen für den Hochwasserschutz nicht mehr ausreichen, um das erforderliche Schutzniveau aufrecht zu erhalten. Wissenschaftliche Arbeiten zu lokalen und regionalen statistischen Trends haben Hinweise auf Änderungen des Hochwasserregimes in Europa geliefert. In diesen Studien wurden in der Regel Änderungen des mittleren jährlichen Hochwasserabflusses analysiert, während Trends von Hochwassern mit großer Wiederkehrperiode/Jährlichkeit, wie z. B. einem 100-jährigen Hochwasser, nicht untersucht wurden. Ferner wurden die zugrunde liegenden Ursachen für die beobachteten statistischen Trends nicht quantitativ und formal konsistent ausgearbeitet. Ziel dieser Arbeit ist es zu verstehen, ob Trends in Hochwasserdurchflüssen auch bei größeren Wiederkehrperioden aufgetreten sind, und diesen ihre Treibern zuzuordnen. Zu diesem Zweck werden in dieser Arbeit neue datenbasierte Attributionsansätze entwickelt.In Kapitel 2 werden regionale Trends in Hochwasserquantilen, insbesondere dem Median und dem 100-jährigen Hochwasser, europaweit mit einem instationären, regionalen Hochwasserhäufigkeitsansatz geschätzt. Die in dieser Studie analysierten Hochwasserdaten bestehen aus einer einzigartigen europaweiten Datenbank. Es handelt sich um Beobachtungen von jährlichen Maximaldurchflüssen von 2370 hydrometrischen Stationen, die fünf Jahrzehnte abdecken (d. h.1960-2010). Die Ergebnisse zeigen, dass in Nordwesteuropa Trends in Hochwasserdurchflüssen im Allgemeinen positiv sind. In kleinen Einzugsgebieten nimmt das 100-jährige Hochwasser stärker zu als das mittlere Hochwasser, während in mittleren und großen Einzugsgebieten das Gegenteil beobachtet wird. In Südeuropa sind die Trends in Hochwasserdurchflüssen im Allgemeinen negativ. Das 100-jährige Hochwasser nimmt weniger ab als das mittlere Hochwasser, und in den kleinen Einzugsgebieten nimmt das mittlere Hochwasser im Vergleich zu großen Einzugsgebieten weniger ab. In Osteuropa sind regionale Trends in Hochwasserquantilen negativ und hängen nicht von der Wiederkehrperiode ab, aber die Einzugsgebietsgröße spielt eine wesentliche Rolle: Je größer das Einzugsgebiet, desto negativer ist der beobachtete Trend.In Kapitel 3 wird ein datenbasierter Attributionsansatz vorgestellt, um zu quantifizieren welche Treiber die zeitlichen Schwankungen der Hochwasserhäufigkeitskurve am besten erklären. Der Ansatz verwendet drei Gruppen potenzieller Treiber (d. h. atmosphärische, einzugsgebietsbezogene und flusssystembezogene Treiber). Alternative, durch Treiber informierte, Modelle werden auf der Einzugsgebietsskala anhand eines Informationskriteriums verglichen. Dieser Ansatz wirdin einer Fallstudie angewendet, die aus 96 Hochwasserzeitreihen in Oberösterreich besteht,wo Hochwasserdurchflüsse in den letzten 50 Jahren zugenommen haben. Dies erlaubt uns Änderungen des extremen täglichen Niederschlags als wahrscheinlichste Ursache für beobachtete Hochwasserveränderungen zu identifizieren und den Einfluss menschlicher Eingriffe auf Landschaft und Flüsse als dominante Treiber auszuschließen.In Kapitel 4 erweitern wir den Ansatz aus Kapitel 3 auf die Schätzung der relativen Beiträgepotenzieller Treiber zu Hochwasseränderungen in ganz Europa (welche in Kapitel 2 detektiert wurden) als Funktion der Wiederkehrperiode im Kontext einer regionalen instationären Hochwasserhäufigkeitsanalyse.Extreme Niederschläge, Bodenfeuchtigkeit und Schneeschmelze sinddie potenziellen Treiber, die in diesem Kapitel berücksichtigt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass8in Nordwesteuropa hauptsächlich extreme Niederschläge zu Veränderungen sowohl des mittleren als auch des 100-jährigen Hochwassers beitragen, während Beiträge der Bodenfeuchtigkeit von geringerer Bedeutung sind. In Südeuropa tragen sowohl Bodenfeuchtigkeit als auch extreme Niederschläge zu Hochwasseränderungen bei, und ihre relative Bedeutung hängt von der Wiederkehrperiodeab. Bodenfeuchtigkeit trägt hauptsächlich zu Änderungen der mittleren Hochwasserbei, während der Beitrag der beiden Treiber zu Änderungen größerer Hochwasser vergleichbar ist.In Osteuropa führt Schneeschmelze zu Veränderungen sowohl im Median als auch im 100-jährigenHochwasser. Diese Arbeit trägt auf zwei Weisen zur Erforschung der Veränderungen von Hochwassern bei: methodisch und sachlich. Es werden neue Ansätze für die quantitative Attribution von Hochwasseränderungen vorgestellt, die in anderen Regionen relevant sein können. Und es werden Ergebnisse zu Detektion und Attribution von Hochwasseränderungen auf kontinentaler Ebene erarbeitet, die unser Verständnis von beobachteten Änderungen des Hochwasserregimes in Europa verbessern. Damit können Maßnahmen des Hochwassermanagement noch sicherer und effizienter gestaltet werden.

Floods are the most frequent natural disasters in Europe, causing significant socioeconomic losses.There is a general concern that climate and environmental change may aect the magnitude and frequency of floods. As a consequence, hydraulic structures and flood defences, whose design did not account for those changes, may become in adequate to provide the required protection levelover time. Several local and regional trend detection studies have provided evidence of past flood regime changes in Europe. These studies have typically analysed changes in the mean annual flood discharge, while trends in floods associated with large return periods, such as the 100-yearflood, have not been studied. Also, their underlying causes have not been explained yet in aquantitative and formally consistent way. The aim of this thesis is to understand whether trends in flood discharges also occurred for larger return periods and to attribute them to their drivers.For this purpose, this thesis proposes new data-based attribution approaches.In Chapter 2, regional trends in flood quantiles, in particular the median and the 100-year flood,are assessed across Europe with a non-stationary regional flood frequency approach. The flooddata analysed in this research consist of a unique pan-European database of annual maximumdischarges from 2370 hydrometric stations, covering five decades (i.e. 1960-2010). Results show that in northwestern Europe the trends in flood magnitude are generally positive. In small catchments, the 100-year flood increases more than the median flood, while the opposite is observed in medium and large catchments. In southern Europe flood trends are generally negative.The 100-year flood decreases less than the median flood and, in the small catchments, the median flood decreases less compared to the large catchments. In eastern Europe the regional trends are negative and do not depend on the return period, but catchment area plays a substantial role:the larger the catchment, the more negative the trend.A data-based attribution approach is proposed in Chapter 3 for selecting which driver best explains variations in time of the flood frequency curve. This approach considers three groups of potential drivers (i.e. atmospheric, catchment and rivers system drivers) and consists of comparing and selecting alternative driver-informed models at the catchment scale, based on an information criterion. This approach is applied to a case study, consisting of 96 gauges in Upper Austria, where flooding has become more intense during the last 50 years. This allowed us to identify changes in extreme daily precipitation as the most probable cause of flood change, as well as to exclude the influence of human intervention on landscape or rivers.In Chapter 4 we extend the approach of Chapter 3 to estimating the relative contributions of potential drivers to the flood changes across Europe (those detected in Chapter 2) as a function of return period, through a regional non-stationary flood frequency analysis. Extreme precipitation, an tecedent soil moisture and snowmelt are the potential drivers considered in this chapter. Results show that, in northwestern Europe, extreme precipitation mainly contributes to changes in both the median and 100-year flood, while the contributions of an tecedent soil moisture are of secondary importance. In southern Europe, both an tecedent soil moisture and extreme precipitation contribute to flood changes, and their relative importance depends on the return period. An tecedent soil moisture is the main contributor to changes in the median flood,while the contribution of the two drivers to changes in larger floods are comparable. In eastern Europe, snowmelt drives changes in both the median and the 100-year flood.6 This thesis contributes to flood change research in two ways: methodologically and factually.It proposes new approaches for the formal attribution of flood changes, which may be relevantin other regions, and it provides continental-scale detection and attribution results for floodchanges that improve our understanding of observed flood regime changes across Europe. The understanding of past flood changes is important for better informed flood management strategies.