Die Wasserstände in deutschen Flüssen lassen sich mit herkömmlichen Methoden etwa sechs Wochen im Voraus vorhersagen. Aus diesem Grund überraschte der Dürresommer 2018 mit seinen extremen Niedrigwassern in Rhein und Elbe nicht nur die Binnenschiffer, sondern auch die meisten Verantwortliche in Raffinerien, Stahlwerken und Chemiekonzernen entlang der Flussläufe. Viele der von Schiffstransporten abhängigen Firmen vermeldeten alsbald Lieferengpässe und Produktionsausfälle. Dieser wirtschaftliche Schaden hätte sich durchaus verhindern lassen, wären damals moderne Vorhersagemethoden zum Einsatz gekommen. Dieses ernüchternde Fazit ziehen Forscherinnen des Alfred-Wegener-Institutes, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI), nachdem sie ein von ihnen entwickeltes Berechnungsmodell zur langfristigen Vorhersage von Durchflussmengen in Flüssen dem Dürresommer-2018-Härtetest unterzogen haben. Das Ergebnis: Mithilfe der von ihnen verwendeten globalen Meeres- und Klimadaten konnten das Elbe- und Rhein-Niedrigwasser bereits drei Monate vor ihrem Eintreten zuverlässig vorhergesagt werden. Die umfassende Analyse der AWI-Wissenschaftlerinnen ist heute als frei verfügbarer Fachartikel im Nature-Online-Magazin Scientific Reports erschienen.
AWI-Klimatologin Dr. Monica Ionita schüttelt noch heute ein bisschen ungläubig den Kopf, wenn sie an den Dürresommer 2018 und an die Schlagzeilen im anschließenden Herbst denkt. Zeitungen und Nachrichtensendungen berichteten damals über die unerwartet niedrigen Pegelstände deutscher Flüsse und wie infolgedessen Transport- und Lieferketten durcheinandergerieten. Konzerne wie BASF und ThyssenKrupp mussten ihre Produktion einschränken; Benzin und Diesel wurden aufgrund von Lieferengpässen teurer. „Mich persönlich hat wirklich erstaunt, dass so viele Akteure von den extremen Wasserständen überrascht wurden“, erzählt die AWI-Forscherin. “Ich selbst erstelle für die Hamburger Hafenbehörde seit drei Jahren regelmäßige Vorhersagen zur Wassermenge in der Elbe und konnte unseren Partner bereits Ende Mai 2018 darauf hinweisen, dass die Flusspegel infolge der langen Trockenheit extrem niedrig ausfallen werden – insbesondere im Spätsommer und Herbst des Jahres“, sagt Monica Ionita.
Wasserstände von Flüssen zuverlässig über einen Zeitraum von mehr als sechs Wochen vorherzusagen, war bis vor fünf Jahren unmöglich. 2015 aber gelang es Monica Ionita, ein statistisches Berechnungsmodell zu entwickeln, mit dem sie auf Basis aktueller Meeres- und Klimadaten ziemlich genau abschätzen kann, wieviel Wasser künftig an verschiedenen Stellen eines ausgewählten Flusses fließen wird. Aber würde diese Methode auch in Ausnahmesituationen wie dem Dürresommer 2018 funktionieren? „Für uns war der extreme Sommer ein willkommener Härtetest, mit dem wir unsere Vorhersagemethode noch einmal bis in das letzte Detail überprüfen konnten“, sagt Monica Ionita.
Die Ergebnisse der neuen Studie überzeugen: Mithilfe ihres statistischen Verfahrens konnten Monica Ionita und ihre AWI-Kollegin Dr. Viorica Nagavciuc die Entwicklung der Wassermengen in Elbe und Rhein über einen Zeitraum von bis zu drei Monaten treffend vorhersagen – auch die extrem niedrigen Pegel im Spätherbst 2018. „In der Praxis sieht es so aus, dass wir bis Ende Mai eines Jahres sagen können, wie sich die Durchflussmengen und damit auch die Wasserstände bis Ende September desselben Jahres in etwa entwickeln werden. Wir können dann abschätzen, ob sie im Vergleich zu Vorjahren niedriger, ähnlich oder höher ausfallen werden. Die zu erwartende Wasserabflussmenge berechnen wir mittlerweile drei Monate im Voraus – das heißt, von diesem Zeitpunkt an nennen wir dann auch konkrete Zahlen“, erklärt die Wissenschaftlerin.
Einflussgrößen weitab von Rhein und Elbe
Die Grundlage der Analyse bilden globale Meeres- und Klimadaten aus fast sieben Jahrzehnten. In diesen Datensätzen suchen die beiden AWI-Wissenschaftlerinnen nach Zusammenhängen zwischen der Wassermenge im ausgewählten Fluss und entscheidenden Wetter-, Meeres- oder Bodenparametern wie der Oberflächentemperatur in bestimmten Meeresregionen und dem dort vorherrschenden Luftdruck. Eine wichtige Rolle spielen außerdem die Temperatur, der Niederschlag und die Bodenfeuchte im Quell- und Einzugsgebiet des jeweiligen Flusses. „Für die Wasserstände in Rhein und Elbe ist die Meeresoberflächentemperatur des Nordatlantiks der alles entscheidende Faktor. Sie beeinflusst das Wetter in Mitteleuropa maßgeblich und entscheidet vereinfacht gesagt, auf welchen Bahnen Sturm- und Regengebiete ziehen werden“, erklärt Monica Ionita.
Als „verlässlich“ identifizierte Zusammenhänge speisen die Wissenschaftlerinnen als statistische Berechnungsgrundlage in ihr Modell ein – und das nicht für alle Flüsse auf einmal, sondern für jeden Einzelnen ganz individuell. Anschließend passen sie ihr Modell an die entsprechenden Jahreszeiten an. Für ein und denselben Fluss können im Frühjahr nämlich völlig andere Einflussgrößen relevant sein als im Herbst.
Für konkrete Vorhersagen sammeln die AWI-Forscherinnen dann Echtzeitdaten aller relevanten Wetter- und Umweltparameter aus den zurückliegenden Monaten und lassen diese in das statistische Modell einlaufen. Per Computer berechnen sie dann, welche Menge Wasser im anvisierten Zeitraum an einer bestimmten Stelle im Fluss fließen wird. Auf Basis dieser Zahl können die Forscherinnen im Anschluss die künftige Entwicklung der Wasserpegel abschätzen.
Planungssicherheit für Binnenschifffahrt und Industrie
Zuverlässige Langzeitvorhersagen der Wasserstände sind für die Binnenschifffahrt und alle abhängigen Firmen so wertvoll wie passende Wetterprognosen für die Landwirtschaft. Je eher alle Verantwortlichen Bescheid wissen, desto vorausschauender und kostensparender können sie planen. „Wir hoffen, dass wir mit unserer neuen Studie noch viel mehr Akteure von unserer Arbeit überzeugen können. Überraschungen und Produktionsausfälle wie zum Ende des Dürresommers 2018 muss es künftig nicht mehr geben. Mithilfe unserer Berechnungen wissen wir nämlich jederzeit ziemlich genau, wie sich die Wasserstände in Deutschlands wichtigsten Flüssen entwickeln werden“, sagt Monica Ionita.
Originalpublikation
Die Studie ist unter folgendem Titel als frei verfügbarer Fachartikel im Nature Online-Portal Scientific Reports erschienen:
Monica Ionita & Viorica Nagavciuc: Forecasting low flow conditions months in advance through teleconnection patterns, with a special focus on summer 2018, Scientific Reports, DOI: 10.1038/s41598-020-700600-8
