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Amelie Simone Hoff

• The presented work investigates the hydro-meteorological and hydro-climatological drivers of widespread floods in Central Europe during the past century. Due to the strong seasonality of the detected flood drivers, the thesis is divided into two parts: the first part focuses on widespread winter floods and the second one on extreme summer floods. For analysing past flood events, we profited from the dynamically downscaled centennial ERA-20C reanalysis (continuously from 1901—2010). The downscaling was performed over Europe with a coupled regional atmosphere-ocean model (COSMO-CLM+NEMO) to represent the water cycle more realistic. These high resolution atmospheric data allowed us to study the four-dimensional atmospheric state during selected floods during the early decades of the 20th century for the first time with such a high temporal and spatial resolution. During the winter half-year, the observed floods were particularly widespread. High peak discharges were recorded simultaneously in the Rhine, Elbe, and Danube catchments. Most of these trans-basin floods were compound events caused by rainfall during extensive snowmelt (i.e., rain-on-snow events). Interestingly, the winter flood time series exhibited a remarkable high flood frequency during the 1940s and 1980s, while other decades were flood-poor. We detected a synchronization of the inter-annual flood frequency with the superposition of the North Atlantic Oscillation (NAO) and the Scandinavian pattern (SCA). The negative NAO phase is often associated with large snowfall and cyclone tracks over southern Europe, while the negative SCA pattern correlates with total precipitation in the affected river catchments. During the summer half-year, most extreme floods in Central Europe were caused by so-called Vb-cyclones propagating from the Mediterranean Sea north-eastward to Central Europe. So far in the literature, only a few Vb-events, which occurred during the past two decades, have been analysed. We extended the previous case studies by several past Vb-cyclone floods since 1900. We investigated the processes that intensify Vb-cyclone precipitation with Lagrangian moisture-source diagnostics and the parametric transfer entropy measure TE-linear. Overall, an enhanced and dynamically driven moisture uptake over the Mediterranean Sea was found to be characteristic for Vb-events with heavy precipitation. This is supported by high information exchange from evaporation over the western basin of the Mediterranean Sea towards heavy precipitation in the Odra catchment. The dominating moisture uptake regions during the investigated events were, however, the European continent and the North Sea. A possible cause could be the pre-moistening of non-saturated continental moisture sources upstream of the affected river catchments as indicated by significant information exchange from land surface evaporation and soil moisture content along the Vb-cyclone pathway. Besides, evaporation over the Mediterranean Sea might contribute to Vb-cyclone intensification in the early stages of their development through latent heat release. On the catchment scale, orographic rainfall and convective precipitation further enhance the flood triggering rainfall. As expected, the Vb-cyclones mainly trigger precipitation along west-east orientated mountain ranges such as the Alps or Ore mountains due to their meridional pathway. Remarkably, during summer, we detected a convective fraction of up to 90% during the afternoons of individual days and up to 23% on average (based on convective cell tracking and convection-permitting simulations of selected flood events since 1900). The presented analyses deepened the knowledge on atmospheric and hydroclimatic drivers of widespread floods in Central Europe. This will serve as a basis for future studies on the predictability of floods induced by rain-on-snow and Vb-cyclone precipitation events in the context of a changing climate.
• Die vorgelegte Arbeit untersucht die hydrometeorologischen und hydroklimatologischen Rahmenbedingungen von großräumigen Hochwasser in Mitteleuropa während des vergangenen Jahrhunderts. Aufgrund der starken Saisonalität der hochwasserverursachenden Wetterlagen und klimatischen Rahmenbedingungen ist die vorgelegte Arbeit in zwei Teile untergliedert, welche das Sommer- und Winterhalbjahr getrennt betrachten. Bei der Analyse vergangener Hochwasserereignisse profitierten wir von der kontinuierlichen dynamischen Regionalisierung der ERA-20CReanalyse von 1901 bis 2010. Die Regionalisierung über Europa wurde dabei mit einem gekoppelten regionalen Atmosphäre-Ozean-Modell (COSMO-CLM+NEMO) durchgeführt, um denWasserkreislauf realistischer darzustellen. Mit diesem Datensatz war es uns möglich extreme Hochwasser der frühen Jahrzehnte des 20. Jahrhunderts zum ersten Mal mit einer so hohen zeitlichen und räumlichen Auflösung zu untersuchen. Während des Winterhalbjahres traten besonders großräumige Hochwasser auf, die zeitgleich für schwere Überschwemmungen in den Einzugsgebieten von Rhein, Elbe und Donau sorgten. Die meisten dieser flussgebietsübergreifenden Hochwasser wurden durch das Abschmelzen großräumiger Schneebedeckung (auch in niederen Lagen) und gleichzeitigem Regen verursacht, sogenannte „Regen-auf-Schnee“ Ereignisse (im Englischen „rain-on-snow events“). Diese deutschlandweiten Hochwasser traten im vergangenen Jahrhundert interessanterweise nicht gleichmäßig auf, sondern gehäuft in einzelnen Jahrzehnten, wie zum Beispiel in den 1940er und den 1980er Jahren. Es zeigte sich, dass die hochwasserreichen Phasen gut übereinstimmen mit negativen Phasen der Nordatlantischen Oszillation (NAO) und des skandinavischen Luftdruckmusters (SCA). Die negative NAO-Phase geht dabei häufig mit großen Schneefällen und Tiefdruckzugbahnen über Südeuropa einher, während negative SCA-Indizes mit dem Gesamtniederschlag in den betroffenen Flusseinzugsgebieten korrelieren. Im Sommerhalbjahr wurden die meisten extremen Überschwemmungen in Mitteleuropa durch sogenannte Vb-Tiefdruckgebiete verursacht, die sich typischerweise vom Mittelmeer aus nordostwärts nach Mitteleuropa verlagern. In der Literatur wurden bisher nur Vb-Ereignisse untersucht, die in den letzten zwei Jahrzehnten auftraten. Die vorgelegte Arbeit erweitert die Datengrundlage um weitere Vb-Hochwasserereignisse seit 1900. Dabei wurden die Prozesse, die den Niederschlag der Vb-Tiefdruckgebiete verstärken, mithilfe von Lagrangescher Feuchtediagnostik und dem parametrischen Transferentropiemaß TE-linear untersucht. Dabei zeigte sich, dass die dynamisch verstärkte Verdunstung über dem Mittelmeer charakteristisch für Vb-Ereignisse ist, die mit hohen Niederschlagsmengen in den betroffenen Flussregionen einhergehen. Dies wird durch hohe Transferentropiewerte von Verdunstung im Mittelmeerraum bekräftigt. Dennoch sind die Hauptfeuchtequellen für diesen Niederschlag der europäische Kontinent und die Nordsee. Eine mögliche Ursache könnte sein, dass die Verdunstung über dem Mittelmeer zur Intensivierung des Vb-Tiefdruckgebietes durch freiwerdende latente Wärme beiträgt, vor allem in den frühen Stadien der Tiefdruckentwicklung. Außerdem könnte der Transport von Feuchte aus dem Mittelmeerraum Niederschlag und damit auch eine Erhöhung der Bodenfeuchte entlang der Zugbahn des Vb-Tiefs begünstigen. Die erhöhte Bodenfeuchte könnte dann über erneute Verdunstung den Niederschlag luftstromabwärts in den betroffenen Flusseinzugsgebieten verstärken. Dies ist im Einklang mit einer erhöhten Transferentropie von Bodenfeuchte und Verdunstung entlang der typischen Vb-Zugbahn. Auf der Einzugsgebietsskala verstärken orographischer und konvektiver Niederschlag das Hochwasserpotential von Vb-Ereignissen. Dabei sorgen Vb-Tiefdruckgebiete aufgrund ihrer meridionalen Zugbahn vor allem für Stauniederschläge in den zonal orientierten Gebirgszügen wie den Alpen oder der Erzgebirgsregion. In den Sommermonaten detektierten wir mithilfe der Nachverfolgung von konvektiven Zellzugbahnen in konvektionserlaubenden Simulationen einen konvektiven Niederschlagsanteil von bis zu 90% in den Nachmittagsstunden. Konvektiver und orographischer Niederschlag tragen somit wesentlich zur Niederschlagsintensivierung während Vb-Ereignissen bei. Die vorgelegte Arbeit erweiterte das Wissen über die meteorologischen und hydroklimatischen Einflussfaktoren großräumiger Hochwasser in Mitteleuropa und wird als Grundlage dienen für weitere Studien zur Abschätzung des zukünftigen Hochwasserrisikos, insbesondere in einem sich ändernden Klima.