1/32

Trends in the occurrence of

extreme floods in central Europe

since A.D. 1000

Mudelsee M, Börngen M, Tetzlaff G

LIM—Institute of Meteorology, University of Leipzig, FRG

supported by Deutsche Forschungsgemeinschaft

2/32

Oder

Elbe

Dresden

Eisenhüttenstadt

ErzgebirgeSudeten Mountains

middle Elbe, middle Oder: total catchment 150,000 km2

winter (November to April): “ice floods” !?

3/32

test IPCC (2001):

CO2, etc.

temperature

hydrological cycle, precipitation

flood occurrence rate*

4/32

floods in approach

central Europe

data ≤ 1850: Weikinn documentary sources

> 1850: runoff measurements

methods • impact-related magnitudes

• statistical estimation

result • flood occurrence rate with

confidence bands

5/32

Curt Weikinn (1888 to 1966)

Weikinn, C. Quellentexte zur Witterungsgeschichte Europas von der Zeitwende bis zum Jahre 1850: Hydrographie, Parts 1–4 (Akademie-Verlag, Berlin, 1958–1963), Parts 5–6 (eds Börngen M. & Tetzlaff G.) (Gebrüder Borntraeger, Berlin, 2000–2002).

6/32

1784 & 28. - 29. Febr. & Meißen & Elbe: Eisgang u. Überschwemmung & & 1 & I, 5: 370 (2934)Elbe. 28. Febr. 11 Uhr abends brach das Eis und trieb anfänglich bey zwar ziemlich heranwachsendem Wasser, welches am folgenden Tag [= 29. Febr.] früh schon hier und da in die Stadt trat, ganz ruhig, obgleich sehr gedrange fort, ..., bis um 9 Uhr, um welche Zeit auf einmal die reissende Fluth mit dem Eise, und was sie sonst bei sich führte, durch die Vorstadt zum Fleischer- und Jüdenthore in die Stadt hinein brach, und so über den kleinen Markt durch die Gassen, ..., rauschte. Diese traurige Periode hielt zunehmend bis um 11 Uhr des Vormittags an, in welcher Zeit die großen Eisschollen auch schon der Brücke, ..., dermaßen zusezten. Der Wasserwuchs dieser wüthenden Fluth dauerte, wie gesagt, bis 11 Uhr, alsdann fiel solcher wieder, bis des Nachmittags um 4 Uhr 1 Elle 12 Zoll, aber in einer Stunde darauf stellte sie sich von neuem, und fast noch schneller ein, ... Das Wasser stund aller Orten 3, 4, 5-6 Ellen hoch. Beyde Vorstädte, sowohl vor dem Fleischer- und Jüden- als vor dem Wasserthore, die Wasserburg und die Fischergasse, ..., stunden völlig, ..., zu 4-6 Ellen hoch unter Wasser ..., der Fleischersteg genannt, über die Triebisch, ward bald von der wilden Fluth eingestürzt. Die Stadt selbst stund außer dem großen Markte, der Burggasse und der Rosengasse bey der Stadtkirche, völlig eben so hoch unter Wasser. Das Jüdenthor bedeckte es völlig, und wenigstens noch eine Elle darüber. [9 Personen ertrunken]. Größte Höhe der Fluth: 12 Ellen 10 Zoll. Das Wasser stand in der Kirche 1 reichliche Elle höher als drittehalbe Ellen.

(C. G. Poetzsch 1784 “Chronolog. Geschichte d. großen Wasserfluthen d. Elbstroms etc.” S. 150/53 u. 159.)

1784 & 28. - 29. Febr. & Dresden & Elbe: Eisgang u. Hochwasser & & 1 & I, 5: 370 (2935)Elbe. Vormittags rührte sich auch das Eis hinter der Brücke und schob sich sehr ruhig, bis unter die Stadt hinunter; allein oberhalb derselben blieb es noch unbeweglich stehen. Des Nachmittags fiel sogar das Wasser wieder 9 Zoll, folglich bis an 1 Elle 15 Zoll herunter. 9 Uhr abends erfolgte der Aufbruch. Dieser gewaltige Aufbruch mit einem fast unglaublich schnellen Anwuchse des Wassers war erschrecklich.

(C. G. Poetzsch 1784 “Chronolog. Geschichte d. großen Wasserfluthen d. Elbstroms etc.” S. 117 u. 136.)

1784 & 28. - 29. Febr. & Dresden & Elbe: Eisgang u. Hochwasser & & 2 & I, 5: 370 (2936)Es bricht die Elbe auf und wächst von 3 auf 9 Ellen Höhe mit unbegreiflicher Schnelligkeit.

(Dr. G. Klemm “Chronik d. etc. Residenzstadt Dresden”, edid. P. G. Hilscher 1837. II. S. 513.)

(Fr. W. Pohle 1886 “Chronik von Loschwitz” S. 77. u. S. 79.)

Weikinn, C. (2000) [Part 5]

7/32

1784 & 28. - 29. Febr. & Meißen & Elbe: Eisgang u. Überschwemmung & & 1 & I, 5: 370 (2934)Elbe. 28. Febr. 11 Uhr abends brach das Eis und trieb anfänglich bey zwar ziemlich heranwachsendem Wasser, welches am folgenden Tag [= 29. Febr.] früh schon hier und da in die Stadt trat, ganz ruhig, obgleich sehr gedrange fort, ..., bis um 9 Uhr, um welche Zeit auf einmal die reissende Fluth mit dem Eise, und was sie sonst bei sich führte, durch die Vorstadt zum Fleischer- und Jüdenthore in die Stadt hinein brach, und so über den kleinen Markt durch die Gassen, ..., rauschte. Diese traurige Periode hielt zunehmend bis um 11 Uhr des Vormittags an, in welcher Zeit die großen Eisschollen auch schon der Brücke, ..., dermaßen zusezten. Der Wasserwuchs dieser wüthenden Fluth dauerte, wie gesagt, bis 11 Uhr, alsdann fiel solcher wieder, bis des Nachmittags um 4 Uhr 1 Elle 12 Zoll, aber in einer Stunde darauf stellte sie sich von neuem, und fast noch schneller ein, ... Das Wasser stund aller Orten 3, 4, 5-6 Ellen hoch. Beyde Vorstädte, sowohl vor dem Fleischer- und Jüden- als vor dem Wasserthore, die Wasserburg und die Fischergasse, ..., stunden völlig, ..., zu 4-6 Ellen hoch unter Wasser ..., der Fleischersteg genannt, über die Triebisch, ward bald von der wilden Fluth eingestürzt. Die Stadt selbst stund außer dem großen Markte, der Burggasse und der Rosengasse bey der Stadtkirche, völlig eben so hoch unter Wasser. Das Jüdenthor bedeckte es völlig, und wenigstens noch eine Elle darüber. [9 Personen ertrunken]. Größte Höhe der Fluth: 12 Ellen 10 Zoll. Das Wasser stand in der Kirche 1 reichliche Elle höher als drittehalbe Ellen.

(C. G. Poetzsch 1784 “Chronolog. Geschichte d. großen Wasserfluthen d. Elbstroms etc.” S. 150/53 u. 159.)

1784 & 28. - 29. Febr. & Dresden & Elbe: Eisgang u. Hochwasser & & 1 & I, 5: 370 (2935)Elbe. Vormittags rührte sich auch das Eis hinter der Brücke und schob sich sehr ruhig, bis unter die Stadt hinunter; allein oberhalb derselben blieb es noch unbeweglich stehen. Des Nachmittags fiel sogar das Wasser wieder 9 Zoll, folglich bis an 1 Elle 15 Zoll herunter. 9 Uhr abends erfolgte der Aufbruch. Dieser gewaltige Aufbruch mit einem fast unglaublich schnellen Anwuchse des Wassers war erschrecklich.

(C. G. Poetzsch 1784 “Chronolog. Geschichte d. großen Wasserfluthen d. Elbstroms etc.” S. 117 u. 136.)

1784 & 28. - 29. Febr. & Dresden & Elbe: Eisgang u. Hochwasser & & 2 & I, 5: 370 (2936)Es bricht die Elbe auf und wächst von 3 auf 9 Ellen Höhe mit unbegreiflicher Schnelligkeit.

(Dr. G. Klemm “Chronik d. etc. Residenzstadt Dresden”, edid. P. G. Hilscher 1837. II. S. 513.)

(Fr. W. Pohle 1886 “Chronik von Loschwitz” S. 77. u. S. 79.)

Weikinn, C. (2000) [Part 5]

8/32

Weikinn (1958 –2002) documentary sources

23,160 entries on hydrographic events

Europe, mainly Germany and neighbours

up to 1850

original sources, secondary sources

9/32

checking, excluding local events

floods at other places along a river

floods in tributaries

favourable meteorological conditions prior to a flood (e.g., heavy rains, ice or snow cover)

10/32

impact-related magnitude scale

1 minor flood

2 strong flood

3 exceptionally strong flood (e.g. Feb–Mar 1784)

11/32

Elbe (Dresden), 1852 to 1892

1000 2000 3000 4000R unoff (m 3 s -1)

500

600

700

800

Flo

od s

tage

(cm

)

1 2 3

12/32

Elbe (Dresden), 1852 to 2002 (daily measurements)

1850 1900 1950 20000

1000

2000

3000

4000

5000

Run

off (

m3

s-1)

123

A ug 2002

13/32

Elbe, 1021 to 2002

Year Month Season Number of Ice? Stage Magnitude sources Dresden (cm)....1781 Feb W 5 I 685 11783 Jan-Feb W 6 I 692 11784 Feb-Mar W 32 I 859 31785 Apr W 16 I 737 21786 W 2 11786 Aug-Sep S 2 11789 Jan-Apr W 4 I 682 11794 Feb-Mar W 3 654 11794 Aug S 2 11795 Feb W 2 I 635 11799 Feb W 17 I 829 3....

14/32

Elbe, 1021 to 2002

Oder, 1269 to 2002

0

50

100

Num

be

r of

flo

od

s

J F M A M J J A S O N D

E lbe

O der

15/32

OK, what about trends in

flood occurrence rate ??

1500 2000

Elbe, winter, class 2–3

16/32

Elbe, winter, class 2–3

1500 2000

0

5

10

15

4 12 2 6 3

17/32

Elbe, winter, class 2–3

1500 2000

0

5

10

15

4 12 2 6 3

steps toward a better method

18/32

Elbe, winter, class 2–3

1500 2000

0

5

10

15

4 12 2 6 3

steps toward a better method advantage

1. continuous shifting (kernel estimation) more estimation pointsno ambiguity (bounds)

19/32

Elbe, winter, class 2–3

1500 2000

0

5

10

15

4 12 2 6 3

steps toward a better method advantage

1. continuous shifting (kernel estimation) more estimation pointsno ambiguity (bounds)

2. use Gaussian (not uniform) kernel smooth estimate

20/32

Elbe, winter, class 2–3

1500 2000

0

5

10

15

4 12 2 6 3

steps toward a better method advantage

1. continuous shifting (kernel estimation) more estimation pointsno ambiguity (bounds)

2. use Gaussian (not uniform) kernel smooth estimate

3. cross-validated bandwidth minimal estimation error

21/32

Elbe, winter, class 2–3

1500 2000

00.10.20.30.4

occu

rren

ce r

ate

(yr-1

)

22/32

Elbe, winter, class 2–3

1500 2000

00.10.20.30.4

occu

rren

ce r

ate

(yr-1

)

OK, how significant is

that trend ??

23/32

Elbe, winter, class 2–3

1500 2000

00.10.20.30.4

occu

rren

ce r

ate

(yr-1

)

1500 2000

bootstrap resample (with replacement, same size)

24/32

Elbe, winter, class 2–3

1500 2000

00.10.20.30.4

occu

rren

ce r

ate

(yr-1

)

1500 2000

bootstrap resample (with replacement, same size)

25/32

Elbe, winter, class 2–3

1500 2000

00.10.20.30.4

occu

rren

ce r

ate

(yr-1

)

1500 2000

bootstrap resample (with replacement, same size)

1500 2000

2nd bootstrap resample

26/32

Elbe, winter, class 2–3

1500 2000

00.10.20.30.4

occu

rren

ce r

ate

(yr-1

)

1500 2000

bootstrap resample (with replacement, same size)

1500 2000

2nd bootstrap resample

take 2000bootstrap resamples

27/32

Elbe, winter, class 2–3

1500 2000

00.10 .20 .30 .4

occu

rre

nce

rate

(yr

-1)

90% percentile confidence band

28/32

Elbe, winter, class 2–3

1500 2000

00.10 .20 .30 .4

occu

rre

nce

rate

(yr

-1)

90% percentile confidence band

method:

Cowling et al. (1996) Journal of the American Statistical Association 91: 1516–1524.

29/32

1000 1200 1400 1600 1800 2000Year

0 .00 .10 .20 .30 .4

Occ

urre

nce

rate

(yr

-1)

123

Mag

nitu

de

Result: trends in flood occurrence rate

Elbe, winter, class 2–3

sparse data

LMM ?

fewer freezing !?

30/32

1200 1400 1600 1800 2000Year

0.0

0.1

0.2

0.3

Occ

urre

nce

rate

(yr

-1)

123

Mag

nitu

de

Result:

Oder, winter, class 2–3

sparse datafewer freezing !?

caution !

31/32

Result:

Elbe, summer, class 2–3

0.0

0 .1

Occ

urre

nce

rate

(yr

-1)

123

Mag

nitu

de

1000 1200 1400 1600 1800 2000Year

No upward trend

32/32

Result:

Oder, summer, class 2–3

0.0

0.1

0.2

Occ

urr

ence

rat

e (y

r-1)

123

Mag

nitu

de

1200 1400 1600 1800 2000Year

No upward trend

caution !

G O O D I E S

GOODY 1/4

Oder (Eisenhüttenstadt), 1920 to 2002 (daily measurements)

1850 1900 1950 20000

1000

2000

Run

off (

m3

s-1)

123

sparse information on floods

GOODY 2/4

)]12/(1[)12(

2/)21(/)(1

ntt

ttnitu

n

i

test H0 “constant occurrence rate”

t = flood event dates, [t1; t2] = observation interval, n = data size

under H0, statistic u is standard normally distributed

e.g., u large negative means downward trend

Cox & Lewis 1966 The Statistical Analysis of Series of Events. Methuen, London.

GOODY 3/4

comparison Weikinn vs CLIMDAT

Elbe, winter, class 2–3

1000 1200 1400 1600 1800 2000Year

0 .00 .10 .20 .30 .4

Occ

urre

nce

rate

(yr

-1)

123

Mag

nitu

de

CLIMDAT

GOODY 4/4

1900 1950 2000

0

500

1000

0

1000

2000

Pre

cip

itatio

n (

mm

)

1900 1950 2000Year

1900 1950 2000

0

500

1000

0

1000

2000

1900 1950 2000Year

50° N , 15° E 50° N , 18.75° E

sum m er

w inter

test for trends in exceedance of

25-yr monthly maximum precipitation