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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
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2/32
Oder
Elbe
Dresden
Eisenhüttenstadt
ErzgebirgeSudeten Mountains
middle Elbe, middle Oder: total catchment 150,000 km2
winter (November to April): “ice floods” !?
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3/32
test IPCC (2001):
CO2, etc.
temperature
hydrological cycle, precipitation
flood occurrence rate*
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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
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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).
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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]
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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]
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Weikinn (1958 –2002) documentary sources
23,160 entries on hydrographic events
Europe, mainly Germany and neighbours
up to 1850
original sources, secondary sources
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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)
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impact-related magnitude scale
1 minor flood
2 strong flood
3 exceptionally strong flood (e.g. Feb–Mar 1784)
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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
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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
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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....
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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
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15/32
OK, what about trends in
flood occurrence rate ??
1500 2000
Elbe, winter, class 2–3
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16/32
Elbe, winter, class 2–3
1500 2000
0
5
10
15
4 12 2 6 3
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17/32
Elbe, winter, class 2–3
1500 2000
0
5
10
15
4 12 2 6 3
steps toward a better method
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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)
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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
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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
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Elbe, winter, class 2–3
1500 2000
00.10.20.30.4
occu
rren
ce r
ate
(yr-1
)
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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 ??
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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)
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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)
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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
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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
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27/32
Elbe, winter, class 2–3
1500 2000
00.10 .20 .30 .4
occu
rre
nce
rate
(yr
-1)
90% percentile confidence band
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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.
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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 !?
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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 !
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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
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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 !
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G O O D I E S
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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
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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.
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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
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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