MeteoSchweiz - Häufigkeit extremer Windgeschwindigkeiten

Zu den wichtigsten und gefährlichsten Naturgefahren in der Schweiz zählen Windstürme. 1999 verursachte der Orkan Lothar Schäden im Umfang von fast 1,8 Milliarden Franken; in Europa kamen gegen 80 Personen ums Leben, davon 14 in der Schweiz. Dabei erreichten die Windböen im Flachland der Alpennordseite verbreitet 110 bis 150 km/h. Allerdings können bereits bei geringeren Windintensitäten erhebliche Zerstörungen verursacht werden; in der Schweiz wurden in den letzten Jahrzehnten mehrere schadenbringende Stürme beobachtet.

Es stellt sich also die Frage nach der Häufigkeit von extremen Windgeschwindigkeiten. Wie oft treten extreme Windstürme wie Lothar in der Schweiz auf? Mit Hilfe statistischer Funktionen ist es möglich, die Häufigkeit solcher extremen Ereignisse zu modellieren.
Die Häufigkeit von einem Starkwindereignis einer bestimmten Intensität kann mit einer so genannten Wiederkehrperiode ausgedrückt werden. Diese wird in Jahren gemessen und entspricht der erwarteten Zeitspanne zwischen zwei Ereignissen gleicher oder höherer Intensität. Somit ist die Wiederkehrperiode eine Funktion der Intensität (also der Windgeschwindigkeit): mit ansteigender Windgeschwindigkeit nimmt die Wiederkehrperiode zu.

Nach einer statistischen Auswertung können die Böenspitzen als Funktion der Wiederkehrperiode grafisch dargestellt werden. In Abb. 1 werden als Beispiel die Resultate aus der Messstation Zürich-Fluntern gezeigt. Auf der vertikalen Achse ist die Geschwindigkeit der Böenspitzen aufgetragen; die horizontale Achse stellt die Wiederkehrperiode dar (logarithmische Skala). Die blaue Kurve ergibt sich aus der statistischen Auswertung der Daten und repräsentiert den Zusammenhang zwischen der Intensität der Windböen und der Wiederkehrperiode. Schliesslich sind die bei verschiedenen Starkwindereignissen beobachteten Windgeschwindigkeiten mit schwarzen Punkten dargestellt.

Böenspitzen an der Station Zürich-Fluntern

Abb. 1: Böenspitzen als Funktion der Wiederkehrperiode in Zürich-Fluntern. Die blaue Kurve stellt die aufgrund von einer statistischen Auswertung berechnete Funktion dar. Die in den Jahren 1981 bis 2007 gemessenen Böenspitzen sind mit schwarzen Punkten gekennzeichnet. Für weitere Erläuterungen siehe Text.

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Aus der Grafik in Abb. 1 kann für eine beliebige Windgeschwindigkeit die entsprechende Wiederkehrperiode entnommen werden – und umgekehrt. So beträgt die aufgrund der maximalen Böenspitze für den Sturm „Lothar“ berechnete Wiederkehrperiode ca. 44 Jahre (roter Pfeil). Man beachte jedoch, dass der geschätzte Wert mit einer sehr grossen Unsicherheit behaftet ist (siehe dazu Abb. 2). Umgekehrt entspricht eine Wiederkehrperiode von 2 Jahren einer Böenspitze von über 127 km/h (grüner Pfeil). Mit anderen Worten: alle zwei Jahre (im statistischen Mittel) erwartet man in Zürich-Fluntern eine Windböe von 127 km/h oder mehr.

In Abbildung 2 werden die Resultate aus weiteren Messstationen dargestellt. Zusätzlich zu den in Abbildung 1 vorhandenen Grössen sind auch die Grenzen des 95%-Vertrauensintervalls mit grünen Kurven gekennzeichnet. Dieses Intervall ist ein Mass für die Unsicherheit der geschätzten Funktion (blaue Kurve) und beschreibt den Bereich, innerhalb welches sich die wahren Werte mit 95% Wahrscheinlichkeit befinden. Aus den grünen Kurven ist ersichtlich, dass bei ansteigender Windgeschwindigkeit das Vertrauensintervall breiter wird, d.h. die Unsicherheit nimmt rasch zu.

Statistische Analyse der Böenspitzen an 6 Messstationen

Abb. 2: Resultate der statistischen Analyse aus 6 Messstationen. Legende wie bei Abbildung 1; zusätzlich werden die Vertrauensintervalle grün dargestellt. Die drei stärksten Böenspitzen sind mit einem Datum gekennzeichnet.

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Auffällig sind vor allem die markanten Unterschiede in den Windklimatologien zwischen den Messstationen. Die windexponierten Gipfelstationen (Pilatus, La Dôle) weisen deutlich höhere Windgeschwindigkeiten auf als tiefer gelegene Stationen. Allerdings können auch zwischen Flachlandstationen signifikante Unterschiede festgestellt werden. Diese sind vor allem auf die geografische Lage sowie auf die Topografie zurück zu führen. So werden in der leicht erhöhten, westwindexponierten Messstation Zürich-Fluntern tendenziell stärkere Windböen beobachtet als in anderen Flachlandstationen. Im Tessin werden deutlich schwächere Böenspitzen gemessen als auf der Alpennordseite; so wurden z.B. in Stabio im Zeitraum 1981 bis 2007 keine Windspitzen von über 100 km/h beobachtet.

Die Schätzung der Häufigkeit extremer Windereignisse erlaubt es, die räumliche Verteilung der Risiken zu evaluieren und geeignete Warnschwellen zu bestimmen. Solche Informationen sind in einem dicht besiedelten Land wie der Schweiz von primärer Wichtigkeit.

Literatur:

Arbeitsbericht Nr. 219 „Extreme value analysis of wind observations over Switzerland“ (in Englisch)

Kontakt:
Paulo Ceppi, Klimadienste MeteoSchweiz

Die Häufigkeit von extremen Windgeschwindigkeiten in der Schweiz