Future Precipitation Extremes and Urban Flood Risk Under +2°C and +3°C Warming
A Novel Non-Stationary Climate-Hydrodynamic Modeling Chain Using High-Resolution Radar Data and a Convection-Permitting Climate Model Ensemble
by Patrick Laux, David Feldmann, Francesco Marra, Hendrik Feldmann, Harald Kunstmann, Katja Trachte and Nadav Peleg
Abstract
Urban planners and engineers rely on historical climate data to plan and design flood protection infrastructure that should withstand extreme flooding events with 1% annual exceedance probability (the 100-year flood). Here, we examine how hourly precipitation extremes are expected to change as temperatures rise and how this will affect urban flooding. The changes to short-duration rainfall extremes, often insufficiently considered in practice, are addressed utilizing a new temperature conditional extreme precipitation scaling approach and a novel regional climate convection-permitting model ensemble for +2 °C and +3 °C global warming scenarios. Based on hydrodynamic modeling, we estimate how future precipitation extremes translate into flood risks in two pre-alpine communes in Germany. Ignoring the impacts of climate change may lead to severe underestimations of flood risks. The +3 °C global warming scenario translates into an increase of 60% of affected buildings by the highest flood risk category (water level of 1 m and above). The results suggest that recently planned or implemented infrastructure projects may not be adequately equipped to cope with the anticipated effects of climate change in the coming decades.
Stadtplaner und Ingenieure stützen sich auf historische Klimadaten, um Hochwasserschutzinfrastrukturen zu planen und auszulegen, die extremen Hochwasserereignissen mit einer jährlichen Überschreitungswahrscheinlichkeit von 1 % (dem 100-jährlichen Hochwasser) standhalten sollen. Hier untersuchen wir, wie sich die stündlichen Niederschlagsextreme bei steigenden Temperaturen voraussichtlich verändern werden und wie sich dies auf Überschwemmungen in Städten auswirken wird. Die in der Praxis oft unzureichend berücksichtigten Veränderungen der Kurzzeit-Niederschlagsextreme werden mit Hilfe eines neuen temperaturabhängigen Skalierungsansatzes für extreme Niederschläge und eines neuartigen regionalen Klimamodell-Ensembles, das Konvektion zulässt, für Szenarien der globalen Erwärmung von +2 °C und +3 °C untersucht. Auf der Grundlage hydrodynamischer Modellierung schätzen wir ab, wie sich zukünftige Niederschlagsextreme in zwei Voralpengemeinden in Deutschland in Hochwasserrisiken niederschlagen. Das Ignorieren der Auswirkungen des Klimawandels kann zu einer starken Unterschätzung des Hochwasserrisikos führen. Das Szenario einer globalen Erwärmung von +3 °C führt zu einem Anstieg der betroffenen Gebäude um 60 % in der höchsten Hochwasserrisikokategorie (Wasserstand von 1 m und mehr). Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass in jüngster Zeit geplante oder durchgeführte Infrastrukturprojekte möglicherweise nicht angemessen für die in den kommenden Jahrzehnten zu erwartenden Auswirkungen des Klimawandels gerüstet sind.