6-Wochen-Vorhersage für Pegel an Rhein und Elbe

6-Wochen-Vorhersage vom 14.08.2023, Pegel Kaub / Rhein — 6-Wochen-Vorhersage v. 14.08.2023, Pegel Kaub/Rhein. Wahrscheinlichkeitsverteilung der Wasserstände (Wochenmittelwerte). MW: Mittelwasser, GlW: Gleichwertiger Wasserstand, Rot: Aktuelle Vorhersage, Blau: Szenarien auf Basis der Klimatologie (Klimatologie: 1991 – 2020), Schwarz: historische Wasserstände 1991 – 2020

Die BfG veröffentlicht seit Juli 2022 eine 6-Wochen-Vorhersage des Wasserstandes und Abflusses für ausgewählte Pegel an Rhein und Elbe. Angegeben werden Wochenmittelwerte und die dazugehörigen Vorhersage-Unsicherheiten. Die Vorhersage erscheint zweimal wöchentlich auf dem WSV-Portal ELWIS für die Rheinpegel Maxau, Kaub, Köln und Duisburg-Ruhrort sowie für die Pegel Dresden, Barby und Neu Darchau an der Elbe. Planungen rund um die Logistik des Wasserstraßentransports und damit verbundene Produktions- und Geschäftsprozesse erfordern oft einen mehrwöchigen Vorlauf. Gleiches gilt für zahlreiche Aufgaben des Wasserstraßenmanagements, wie z. B. die Koordination umfangreicher Messkampagnen oder das Sedimentmanagement. Es besteht daher eine hohe Nachfrage an entsprechend langfristigen Vorhersagen von Wasserstand und Abfluss. Auch der Aktionsplan „Niedrigwasser Rhein“ des BMDV stuft derartige Vorhersagen als wichtige Maßnahme zum Umgang mit Niedrigwassersituationen ein. Die BfG hat in den vergangenen Jahren auf diesem Gebiet geforscht, entwickelt, einen intensiven Dialog mit den Nutzern geführt und stellt nach mehrjährigem Testbetrieb seit Juli 2022 eine hydrologische 6-Wochen-Vorhersage operationell bereit. Die Vorhersagen können von ELWIS als Text im pdf-Format oder als numerische Werte im csv-Fomat heruntergeladen werden.

Wochenmittel- statt Terminwerte

Anstelle von Ganglinien auf Stunden- oder Tageswertbasis prognostiziert die 6-Wochen-Vorhersage Wochenmittelwerte von Wasserstand und Abfluss, jeweils angegeben als Wahrscheinlichkeitsverteilung mit i. d. R. über die Zeit zunehmender Bandbreite. Die Vorhersage hängt in hohem Maß von den zu erwartenden Witterungsverhältnissen ab. Diese können in Mitteleuropa derzeit bestenfalls für wenige Wochen zuverlässig vorhergesagt werden. Deswegen weichen Methode und Produkte der hydrologischen 6-Wochen-Vorhersage von den gängigen kurz- bis mittelfristigen Wasserstandsvorhersagen ab. Die 6-Wochen-Vorhersage besitzt im Mittel über alle 6 Wochen nachweislich eine bessere Vorhersagegüte als die Klimatologie (vieljährige Beobachtungen zur gleichen Zeit im Jahr). Neben der aktuellen Vorhersage (rote Boxen im Diagramm) wird dem Nutzer zur Einordnung die Verteilung der historischen Wasserstände zur gleichen Zeit im Jahr (schwarze Boxen im Diagramm) an die Hand gegeben. Darüber hinaus gibt eine auf dem historischen Klimageschehen basierte Szenarien-Prognose (blaue Boxen im Diagramm) Aufschluss darüber, wie sich die Abflüsse und Wasserstände ausgehend vom aktuellen hydrologischen Zustand im Einzugsgebiet und bei jahreszeittypischer Witterung (ausgehend von der Referenzperiode 1991 – 2020) in den kommenden Wochen entwickeln würden.

Box-Plot Diagramm statt Ganglinie

Vorhersagen über mehrere Wochen sind in ihrer Genauigkeit nicht mit denen über einige Tage gleichzusetzen. Mit dem Vorhersagezeitraum wächst auch die Unsicherheit. Die Angabe von Wahrscheinlichkeiten macht dies für den Nutzer sichtbar und erlaubt es ihm, Entscheidungen gemäß seinem individuellen Sicherheitsbedürfnis bzw. einer Risikoabschätzung zu treffen. Die genannten Wahrscheinlichkeitsverteilungen werden für jede der kommenden sechs Wochen kompakt mit einem sog. Box-Plot Diagramm dargestellt. Dabei liegt mit 50%iger Wahrscheinlichkeit der spätere Messwert innerhalb der Box, die durch das 25-%- und 75-%-Quantil begrenzt wird und in der der Median als horizontaler Querstrich gekennzeichnet ist. Dem gesamten, durch die „Antennen“ begrenzten Bereich ist eine Eintrittswahrscheinlichkeit von 90 % zugeordnet. Somit werden im langfristigen Mittel jeweils 5 % der tatsächlich eingetretenen Wochenmittelwerte ober- und unterhalb des dargestellten Boxplots liegen.

Daten und Modelle

Neben den Echtzeitdaten von über 1500 meteorologischen und hydrologischen Messstellen bildet das Wasserhaushaltsmodell der BfG, welches im Tageszeitschritt und mit einer räumlichen Auflösung von 5 km x 5 km die hydrologischen Prozesse in sämtlichen deutschen Flussgebieten nachbildet, das zentrale Element der 6-Wochen-Vorhersage. Ausgehend vom jeweils aktuellen Zustand der Gewässer und Einzugsgebiete, wie z. B. Bodenfeuchte oder Schneehöhe („hydrologisches Gedächtnis“), wird das Wasserhaushaltsmodell über die kommenden 46 Tage mit der meteorologischen Vorhersage des European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF-ENS extended) angetrieben. Diese besteht aus 51 gleichwahrscheinlichen Einzelvorhersagen (einem sog. Ensemble), die den Einfluss der zu erwartenden meteorologischen Verhältnisse bestmöglich abbilden (rote Boxen im Diagramm). Zur Ermittlung der klimatologiebasierten Szenarien-Prognose wird das Wasserhaushaltsmodell zusätzlich mit dem historischen Wettergeschehen der Referenzperiode 1991 – 2020 (entspricht der Vergleichsperiode für aktuelle klimatologische Bewertungen in der Meteorologie) zur jeweils gleichen Zeit im Jahr angetrieben (blaue Boxen im Diagramm). Um systematische Abweichungen der meteorologischen und hydrologischen Modellergebnisse zu reduzieren und weitere Unsicherheitseinflüsse zu berücksichtigen, kommen in beiden Fällen zusätzlich statistische Modelle zum Einsatz. Diese werden mit Hilfe einer Vielzahl historischer Vorhersagen sowie der mittlerweile bekannten, tatsächlich eingetretenen Wasserstände und Abflüsse trainiert. Endergebnis sind bestmögliche Wahrscheinlichkeitsverteilungen der Gesamtvorhersageunsicherheit, die mit Hilfe der Boxplots (in Rot: Aktuelle Vorhersage) dargestellt werden.