| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste |

Klimaeffekters betydning for ekstremregn og dermed funktionen af afløbssystemer

5 Metoder til generering af fremtidige ekstremregn påvirket af klimaændringer

• 5.1 Direkte korrelation til parametre i regionale klimamodeller
• 5.2 CASE: Analyse af klimaeffekter på ekstremværdier
• 5.3 CASE: Analyse af klimaeffekter på regnserier
• 5.4 Diskusion af metoder til generering af fremtidige kunstige historiske regnserier og/eller dimensioneringsregn i høj opløsning

5.1 Direkte korrelation til parametre i regionale klimamodeller

Nedbør er ikke en af de parametre der benyttes ved kalibrering af globale og regionale klimamodeller. Derfor kan der være store forskelle mellem simulerede og faktiske værdier i "status"-simuleringerne. Det har medført at nogle har undersøgt muligheden for at korrelere til forskellige parametre i klimamodellerne i stedet for at arbejde på de tidsserier af regn som modellerne producerer. Det er muligt at sådanne hybrid-modeller aldrig vil blive relevante ved modellering af klimaeffekters betydning for ekstremnedbør i høj opløsning. Det bør dog nævnes at der findes sådanne metoder og at urban-hydrologer undersøger potentialet. Nedenfor er refereret de to anvendelser som er fundet i litteraturen.

I Olsson et al (2004) beskrives en anvendelse af neurale netværk der direkte korrelerer nedbør direkte med klimamodeller ved at korrelere til vindhastigheden og vandindholdet i gridpunkterne i bestemte niveauer. Der mangler dog stadig meget arbejde før studiet kan anvendes operationelt.

Bechmann og Buishand (2002) benytter den relative fugtighed ved 700 hPa til at bestemme dels andelen af våde dage og dels mængden af nedbør pr. dag givet at det er en våd dage. Forskellige sæsoner analyseres separat.

5.2 CASE: Analyse af klimaeffekter på ekstremværdier

Jørgensen og Johansen (2004) har på baggrund af DMIs regionale klimamodel undersøgt hvorledes ekstremregn påvirkes af klimaeffekter i Danmark. Som input til analysen har de dels benyttet simulerede regndata fra klimamodellen (opløsning 1 time og 25x25 km) for fire lokaliteter og dels regndata fra Spildevandskomiteens regnmålersystem (opløsning 1 minut og punktmåling). Sidstnævnte data har den nødvendige og tilstrækkelige opløsning til at dimensionere afløbssystemer med.

Jørgensen og Johansen har som formål at transformere output fra DMIs regionale klimamodel så de er egnede til dimensionering og analyse af afløbssystemer. Resultatet af projektet er en sammenhæng mellem intensitet og gentagelsesperioder op til 15 år for punktmålinger i København for varighederne 1, 3, 6, 12 og 24 timer for nutiden og i slutningen af det 21. århundrede. På den baggrund kan der genereres regnrækker til dimensionering og analyse af afløbssystemer. De forventede ændringer af ekstremregn i Storkøbenhavn er angivet i tabel 4.

Tabel 4 Forventede øgede nedbørsmængder for punktregn i Københavnsområdet som funktion af tid og gentagelsesperiode. Data fra Jørgensen og Johansen (2004)

Der arbejdes direkte på de ekstreme regnintensiteter som observeret/modelleret i hver af modellerne. Derved kommer metoden til at bestå af 3 trin:

1. Sammenhængen mellem punktmåling og flademåling for ekstremregn estimeres for forskellige varigheder og gentagelsesperioder på baggrund af data fra 16 regnmålere i Københavnsområdet fra Spildevandskomiteens regnmålersystem.
2. Ændringerne i ekstremregn i den beregningspixel der dækker det tilsvarende område i DMIs regionale klimamodel estimeres for forskellige varigheder og gentagelsesperioder.
3. Sammenhængen mellem flademåling og punktmåling for ekstremregn estimeres for forskellige varigheder og gentagelsesperioder på baggrund af data fra regnmålere i Københavnsområdet fra Spildevandskomiteens regnmålersystem.

Trinene er skitseret i figur 10. Hvert af trinene gennemgås nedenfor:

ad 1.
Den valgte metode består af en empirisk bearbejdning af aktuelle regnserier fra 16 Københavnske målere med henblik på at beregne et fladeestimat for varighederne 1, 3, 6, 12 og 24 timer for alle regnhændelser. På den baggrund fastlægges ekstremstatistiken.

ad 2.
Klimaændringernes effekt på ekstremregn beregnes som en procentvis ændring for hver varighed og gentagelsesperiode. Den procentvise ændring benyttes til at beregne fremtidige fladeestimater for hver varighed og hver gentagelsesperiode.

ad 3.
Forholdet mellem punktnedbør og arealnedbør beregnes for hver varighed og gentagelsesperiode på baggrund af de aktuelle målinger fra Spildevandskomiteen. Som estimat på ekstreme punktregn benyttes den gennemsnitlige ekstremværdi af de 16 regnmålere der indgår i undersøgelsen. Der er i analysen i praksis tale om beregning af en arealreduktionsfaktor.

Figur 10 Skitse der illustrerer den metode der anvendes af Jørgensen og Johansen (2004). Som pilene illustrerer foregår beregningen for given varighed og gentagelsesperiode.

Der er en række elementer i analysen som bør fremhæves:

• Der argumenteres ikke for hvorfor der benyttes proportionale forskydninger i trin 2 og 3. Ved trin 2 argumenterer forfatterne for at der er proportionalitet mellem logaritmerede værdier, hvorefter der regnes med proportionalitet mellem ikke-transformerede værdier.
• Der er en meget stor forskel på ekstreme værdier af fladenedbør beregnet i den regionale klimaregn og observeret empirisk. Forskellen er mindst af samme størrelsesorden som den klimaeffekt der beregnes. Det betyder at der er stor usikkerhed på beregningen i trin 3.
• Klimaeffekterne kvantificeres i København. Det er det sted hvor klimaændringerne formodes at være størst. Endvidere er klimaeffekterne baseret på et scenarium med relativt kraftige klimaændringer (A2).

Med disse forbehold in mente skal det pointeres, at arbejdet fremstår som et sammenhængende bud på en kvantificering af klimaeffekter på ekstremregn til analyse og dimensionering af afløbssystemer i Danmark. Ændringen af intensiteterne forårsaget af klimaændringer estimeres til 25 - 80% for Københavnsområdet for 1 times varighed af ekstremregnen. Det svarer til at en intensitet der i gennemsnit aktuelt overskrides 1 gang hvert 10. år i slutningen af århundredet forventes at blive overskredet ca. 1 gang hvert 3.4 år.

5.3 CASE: Analyse af klimaeffekter på regnserier

Der har i mere end 20 år været et værktøj til generering af kunstige regnserier for vilkårlige lokaliteter i Storbritannien. Formuleringen af dette værktøj er beskrevet i Bilag A. Der tages naturligt udgangspunkt i denne metode når effekten af klimaændringer skal kvantificeres i Storbritannien. Det er tidligere påvist at de modeller som anvendes til at generere kunstige regnserier med ikke kan bruges direkte til at simulere regn i højere tidsopløsning end 1 time. Højere tidsopløsning opnås ved disaggregering af de genererede kunstige regnserier ved hjælp af metoderne beskrevet i afsnit 4.1.

Den regionale model for regnserier i Storbritannien beskriver ikke alle områder lige godt. Derfor defineres det aktuelle formål med projektet til at vurdere klimaeffekter for de lokaliteter der har en lokal regnmåler. Dermed benyttes egenskaberne ved den (punkt)målte regn direkte når klimaeffekterne vurderes. Derved undgås den udjævning som altid sker i en regional model.

For at kunne genere en kunstig regnserie skal der derfor skabes en sammenhæng mellem faktiske punktmålinger i høj times opløsning og den regionale klimamodel for Storbritannien med opløsning på 6 timer og 50x50 km. Det gøres stort set analogt til Jørgensen og Johansen (2004), blot på de variable der beskriver regnserierne i stedet for ekstremværdierne selv:

1. De 72 parametre der benyttes til at beskrive en regnserie i et punkt estimeres (6 parametre pr. måned). Parametrene estimeres på baggrund af aktuelle regnserier i 6 timers opløsning.
2. De 72 parametre estimeres for regnserien fra klimamodellen der beskriver det aktuelle klima. Forholdet mellem de punktmæssige og de arealmæssige parameterestimater beregnes for hver af de 72 parametre
3. De 72 parametre estimeres for regnserien fra klimamodellen der beskriver det fremtidige klima. Forholdet mellem de punktmæssige og de arealmæssige parameterestimater benyttes til at beregne fremtidige parameterestimater for den kommende regnserie som punktmåling.
4. Der simuleres en regnserie på op til 200 års varighed med 1 times opløsning på baggrund af de fremtidige estimater. Regnserien disaggregeres vha. metoden beskrevet i Onof et al (2005).

Specielt trin 2 er illustreret i figur 11 for at illustrere forskellen til metoden anvendt i Jørgensen og Johansen (2004). Der er en række elementer i analysen som bør fremhæves

• Der benyttes også i denne undersøgelse en simpel skalering af parameterestimaterne og heller ikke her argumenteres der for den. Den er dog mere rimelig i dette tilfælde såfremt de enkelte parametre faktisk kan godtgøres at have en vis fysisk tolkning.
• Der er 6 parametre i den valgte Bartlett-Lewis model, der estimeres måned for måned, svarende til 72 parametre til at beskrive en regnserie. Parametrene estimeres som regel på baggrund af målinger i 1 times opløsning. Det påpeges i undersøgelsen at det giver en systematisk underestimation af ekstreme værdier i 1 times opløsning når der benyttes input data i 6 timers opløsning. Ved at analysere de opgivne parameterestimater er det tydeligt at det især er den konvektive regn i sommermånederne modellen har vanskeligheder ved at beskrive.
• Ved at vurdere parametervariationerne fra måned til måned er der noget der tyder på at det ikke altid er den optimale løsning der findes hvor parametrene kan gives den fysiske betydning der er tilsigtet, se figur 11. Det burde undersøges hvorvidt alle 72 parametre kan estimeres på én gang med henblik på at undgå vilkårlige variationer i estimaterne.
• Det havde været oplagt at undersøge om disaggregeringen vha. kaos-teori havde været bedre til at beskrive de ekstreme regnintensiteter helt fra 6 timer til 5 minutter end blot at fastholde det sædvanlige interval for disaggregering (fra 1 time til 5 minutter). Det bør generelt undersøges hvor det optimale "skel" er mellem at benytte højere tidsopløsning i klimamodellen og at benytte disaggregering.
• Undersøgelsen bærer præg af at være udført under stort tidspres. Som eksempel kan nævnes at der er undersøgt tre metoder til at estimere parametrene der beskriver tidsserien af punktnedbør. Det er dog ikke den bedste metode der er anvendt i rapporten, angiveligt af tidsmæssige årsager.

Figur 11 Parameterestimater baseret på tidsrækkerne af nedbør i klimamodellen i aktuelt klima (Control) og fremtidigt klima (Anomaly) i Bogner et al (2002). Der tages udgangspunkt i den generelle tendens til ændringer i nedbør i modsætning til metoden angivet i figur 10. Det bemærkes at estimaterne for april og oktober for "mean cell duration" og "mean numbe of cells per storm" afviger meget fra de øvrige måneder og tilsyneladende er kraftigt korreleret.

I rapporten angives betydningen for ekstremhændelser med varighederne 1 og 6 timer for gentagelsesperioderne 10 og 30 år for 1-3 stationer. For varigheden 1 time og gentagelsesperioden beregnes det, at belastningen i slutningen af århundredet bliver 20-40 % højere end i dag, afhængigt af hvilket lokalitet der betragtes. Der er altså tale om mindre ændringer end beregnet i Jørgensen og Johansen (2004) på trods af at scenariet for klimaændringer er af samme størrelsesorden som det der er anvendt i Jørgensen og Johansen (2004).

I slutningen af Bogner et al (2002) gennemgås kort muligheden for at skalere dimensioneringsregn hvor der ikke er passende regnserier i området. Metoden er ret simpel og baseret på en udnyttelse af et omfattende kortmateriale over ekstremregns karakteristika i Storbritannien (NERC, 1975, 2000). Det er derfor ikke relevant i en dansk sammenhæng.

5.4 Diskusion af metoder til generering af fremtidige kunstige historiske regnserier og/eller dimensioneringsregn i høj opløsning

Udviklingen af computere med større beregningskraft og bedre forståelse af de fysiske processer betyder at det i fremtiden vil være muligt at genere klimamodeller med højere tidsmæssig og spatial opløsning. Dermed vil afstanden i figur 4 mellem klimamodeller og den ønskede opløsning blive mindre i fremtiden. Tilsvarende arbejder man inden for afløbsbranchen med at udvikle metoder til at anvende fladenedbør som input til dimensionering og analyse af afløbssystemers funktion. Inden for overskuelig tid vil det dog være nødvendigt at supplere beregningerne i klimamodellerne med skalering i tid og sted for at opnå resultater der er egnede til at vurdere klimaændringernes effekter på afløbssystemers funktion.

Der er ingen tvivl om at det er nødvendigt at anvende hovedprincippet fra de to cases benytter ved kvantificering af klimaændringernes effekter på afløbssystemers funktion:

1. Karakteriser nedbøren i punktmålingerne på baggrund af en historisk regnserie (ekstremværdier, parametre for ekstremværdier eller parametre for regnserien)
2. Karakteriser forskellen i en tilsvarende egenskab ved en regional klimamodel der dækker det relevante område og kvantificer forskellen mellem "status" og "fremtid".
3. Etabler en entydig og dækkende (bijektiv) sammenhæng mellem den historiske regnserie og klimamodellens "status"-simulering. Den bijektive sammenhæng beskriver skalering i tid og sted som angivet i figur 4. Det antages at den bijektive sammenhæng er uændret af klimaændringerne og derfor kan benyttes til at beskrive punktmålinger af nedbør i et fremtidsscenarie (ekstremværdier, parametre for ekstremværdier eller parametre for regnserien).

Der kan ikke på baggrund af litteraturstudiet peges entydigt på en metode der med sikkerhed vil give et godt resultat. Det er dog muligt at knytte følgende mere generelle kommentarer til den generelle metode:

ad 1.
De to cases har valgt hver sin metode til at karakterisere ekstremregns egenskaber. En tredje metode kunne være en parametrisk model for ekstremregn såsom den PDS-model der er anvendt f.eks. i Spildevandskomiteens Skrift 26 (Mikkelsen et al, 1999). Den metode er anvendt på klimadata for at prediktere ændringer i 30 års gentagelsesperioden på daglig nedbør i May et al (2005). Det vigtige er at finde en metode hvor der er en så logisk og enkel sammenhæng mellem punktegenskaber og fladeegenskaber som muligt.

ad 2.
Formuleringen af ændringerne ved den regionale model bør være overensstemmende med beskrivelsen i trin 1. Der er i begge cases valgt at fokusere på at beskrive ænderingen som proportional med "status" simuleringen. Formodningen kunne måske testes ved at lave simuleringer på baggrund af udviklingen af ekstremregn i det 20. århundrede. Det er dog tvivlsomt om ændringerne er tilstrækkeligt tydelige til at man kan teste forskellige metoder til at beskrive ændringerne.

ad 3.
Et vigtigt krav til metoderne er at de skal passe til hinanden så man ikke blander metoder til dimensioneringsregn med metoder til historiske regnserier. ARF-metoder hører sammen med dimensioneringsregn mens skalering af variable kan anvendes mere generelt.

Begge cases anvender rå estimater på relationen mellem punktestimat og fladestimat. Det stiller store krav til præcisionen af den regionale klimamodel.

De to cases har begge kvaler med at den tidsmæssige opløsning er for dårlig. Den succesfulde anvendelse af kaskade-modeller til disaggregering og regionale klimamodeller med bedre tidsmæssig opløsning gør at det nu primært er den spatiale struktur af ekstremnedbør der er relevant at være opmærksom på ved opstilling af den bijektive sammenhæng mellem punktmodel i høj tidsopløsning og flademodel i lavere tidsopløsning.

De beregnede ændringer af egenskaberne for ekstremregn i Jørgensen og Johansen (2004) er ganske alvorlige. Samtidigt er usikkerheden på resultatet ganske betydelig, også i forhold til de øvrige usikkerheder i relation til beregning af klimaeffekter. Det vil derfor være rimeligt at undersøge hvorvidt resultaterne er middelværdier eller konservative. Det kan ske ved at anvende en af de to andre metoder der er foreslået ovenfor eller ved at teste følsomheden af resultatet som funktion af de centrale antagelser i Jørgensen og Johansen.

| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste | | Top |

Version 1.0 Marts 2006, © Miljøstyrelsen.