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Mit Modellen die Katastrophe verhindern

Forschender: Prof. Dr. Simon Michael Papalexiou

Was tun, wenn „Jahrhundertereignisse“ beim Wetter viel häufiger eintreten? Prof. Simon Papalexiou baut an der TUHH ein neues Institut auf, das helfen soll, die Zukunft besser zu berechnen. Damit wir gut auf Extreme vorbereitet sind

Was als typisches Hamburger Schietwetter beginnt, eskaliert binnen Minuten zu einer Sturzflut, bei der die massiven Regenmassen nicht mehr abfließen können. Am Baumwall drückt das Wasser gegen die Kaimauer. In der HafenCity laufen die Gullys über, Ladentüren werden mit Handtüchern abgedichtet. Es riecht nach nassem Beton und einem Hauch Diesel. Eine S-Bahn bleibt zwischen zwei Stationen abrupt stehen, die Lautsprecher knacken, das Licht geht aus.

Könnte so passieren. Solche Szenarien wie aus einem Katastrophenfilm sind das täglich Brot von Prof. Simon Michael Papalexiou. Er erklärt: „Risiken werden häufig unterschätzt. Das liegt daran, wie unser Gehirn funktioniert. Es orientiert sich an dem, was wir Tag für Tag sehen, am normalen Alltag.“ Doch Politik, Stadtplanung, Katastrophenschutz und Gesundheitswesen, aber auch Wirtschaft und Versicherungen müssen auf die tatsächlichen Gefahren vorbereitet sein. Nach Stationen in Kalifornien und Kanada baut der griechisch-deutsche Hydrologe Papalexiou daher an der Technischen Universität Hamburg (TUHH) das Institut für Global Water Security auf. Sein Ziel: Eine deutlich verbesserte Einschätzung möglicher hydrologischer Extremwerte. Das sind die ganz seltenen, besonders heftigen Regen-, Hochwasser- oder Dürreereignisse. Es geht dabei nicht um eine bessere Wettervorhersage für nächsten Dienstag, sondern um Risikoeinschätzungen: Wo läuft zuerst Wasser in die Keller? Auf die U-Bahn-Gleise? Wo droht Rückstau? Seine Methoden sind grundsätzlich weltweit anwendbar und können auf verschiedene Regionen und klimatische Bedingungen übertragen werden.

Stresstests für die Stadt von morgen

Autos fahren über eine überflutete Straße — Hochwasser greift massiv in den Verkehr ein

Die bisher üblichen Verfahren sind historisch gewachsen und berücksichtigen nur unzureichend sehr große, seltene Werte. So wie in dem Einstiegsbeispiel aus Hamburg. Die Stadt ist auf Sturmflut vorbereitet, ebenso auf Starkregen, aber nicht auf beides zugleich. Papalexiou wird nicht vorhersagen können, wann genau eine solche Situation eintritt. Aber er kann künstliche Stürme durch digitale Stadtmodelle toben lassen und in solchen Simulationen auch die Kellerfluten, die Gefahr für Unterführungen und die Grenzen der Kanalisation darstellen. „Für Notfallpläne und die Belastbarkeit kritischer Infrastruktur ist es nicht ausreichend, sich an der Vergangenheit zu orientieren“, betont Papalexiou. „Wir müssen alle plausiblen Varianten durchspielen.“

Und was bedeutet das für unseren Alltag? „Die Berechnungen und Stresstests, die wir hier vornehmen“, erklärt der Risikoforscher, „sind relevant für Entscheidungsträger. Sie erlauben es, die Stadt von morgen richtig zu planen. Brücken, Deiche und Schutzmauern wurden lange in der Annahme geplant, dass das Klima so bleibt, wie es ist. Das ist jedoch nicht der Fall. Das Klima ändert sich. Viele Bauwerke wurden für eine Nutzungsdauer von 100 Jahren ausgelegt, stehen heute jedoch unter stärkerer Beanspruchung. Das liegt an der steigenden Belastung durch das Wetter.“Auch seien die gängigen globalen Klimamodelle mit einem Raster von 100 mal 100 Kilometern viel zu unscharf für die konkrete Nutzung in der Politik und Planung. In einem solchen Raster passt beispielsweise ganz Hamburg locker in ein Kästchen. Das ist für sinnvolle Entscheidungen zu grob.

Wieso die Brücke gehalten hat

Zudem sind die Messdaten lückenhaft und nicht überall von gleicher Qualität. Manche Regenmesser stehen weit auseinander. Manche Datenreihen sind kurz oder unterbrochen. All das muss ein gutes Risikomodell berücksichtigen. Eines der ersten Ziele des neuen Instituts besteht deshalb im Herunterrechnen der Ergebnisse auf lokale Maßstäbe („Downscaling“). So sollen in ganz Deutschland konkrete Einschätzungen für einzelne Straßenzüge oder Bauwerke möglich werden. Dann kann das Erdgeschoss eines neuen Wohntowers doch lieber sturmflutsicher geplant werden – oder eine Versicherung die Prämie an die Dicke der Kellerwand anpassen.

Papalexiou ist also quasi im B2B-Geschäft, „business to business“, so wie Großhändler nur an Händler verkaufen, nicht an Privatleute. Er agiert hinter den Kulissen des Alltags. Wenn er seinen Job gut macht und die nachfolgenden Instanzen die Daten berücksichtigen, werden Privatpersonen nie davon erfahren, wieso die Brücke hielt, auf der ihr Zug vom Sturm überrascht wurde, oder weshalb die Getreideversorgung auch in einem Dürresommer krisenfrei läuft.

Die Erkenntnisse entstehen dabei auf der Schnittstelle von Mathematik und Hydrologie, der Wissenschaft vom Wasser auf und unter der Erdoberfläche. Konkret untersucht Hydrologie zum Beispiel: Wie viel Regen fällt wann und wo? Wohin fließt das Wasser, in Bäche, Flüsse, Kanalisation? Was passiert im Boden, in Seen, im Grundwasser, in Schnee und Eis? Warum kommt es zu Hochwasser, Starkregen oder Dürren – und wie oft? Wie verändern Städte, Landwirtschaft, Dämme, Entwässerung und Versiegelung den Wasserkreislauf? Während Meteorologen erklären, was vom Himmel kommt, beschäftigen sich Hydrologen damit, was das Wasser danach macht.

Das Ende der Scheinsicherheit

Papalexiou hat den Anspruch, „das Unvorhersehbare vorhersehbar zu machen“. Verbreitete hydrologische Modelle bildeten zwar den Durchschnitt gut ab, versagen aber bei Extremen. Sie zeigen also zum Beispiel, wie ein typischer Flusspegel aussieht. Aber sie sind schlecht darin, die Ausnahmen zu treffen. Die Tage, an denen alles komplett kippt. Doch genau die sind für die Risikoeinschätzung und Frühwarnsysteme entscheidend. Sonst entsteht Scheinsicherheit, bis es zu spät ist. Wie im Ahrtal 2021. Oder im libyschen Darna, wo 2023 bei einem Dammbruch 4000 Menschen starben und 8000 bis heute vermisst werden.

Ganz allgemein empfiehlt Papalexiou: „Wir werden uns mit Unsicherheit anfreunden müssen. Die Unsicherheit nimmt zu. Wenn wir das akzeptieren, können wir uns darauf vorbereiten und besser damit umgehen.“ Denn seine Modelle wollen die Unsicherheit nicht verstecken, sondern beziffern. Er will nicht so tun, als wüsste man alles ganz genau. Er sagt lieber: Wie groß ist die Spanne? Und welche Entscheidung ist auch dann noch richtig, wenn es schlimmer kommt, als wir hoffen?

Die Möglichkeit, mit Hilfe komplexer statistischer Systeme bessere Modelle zu entwerfen, begeistert ihn: „Ich freue mich, die Komplexität der Welt in mathematischen Formeln zu sehen. Und leiste so einen kleinen Beitrag dazu, dass Menschen in Zukunft sicherer leben können. Dass Städte besser geplant werden und Bauten länger Bestand haben. Dass weniger Menschen in Gefahr geraten. Darauf bin ich stolz.“

Simon Papalexiou ist trotz allem Optimist

Professor Papalexiou steht in der Hamburger Speicherstadt — Prof. Simon Papalexiou

Nach einer langen Zeit im Ausland genießt er es zudem, wieder in Europa zu sein. Die Städte hätten eine Seele, es sei wundervoll, zwischen alten Gebäuden zu schlendern. Im europäischen Universitätssystem bestehe auch mehr Gestaltungsfreiheit. Der Hydrologe kann sich so auf die Dinge konzentrieren, die wirklich wichtig sind.

Obwohl er sich täglich mit Katastrophenszenarien beschäftigt, ist Papalexiou Optimist: „Wir sind mit unseren 10-jährigen Zwillingen gerade hier nach Hamburg gezogen und lernen die Stadt kennen.“ Vielleicht werden seine Kinder in vielen Jahren an diese Orte zurückkehren und an ihren Vater denken. Wenn der Regen einsetzt, könnten sie beobachten, wie die Stadt dann vielleicht arbeitet: Unter der HafenCity öffnen sich Rückhaltebecken, Pumpen werden gemäß eines Plans gesteuert, der auf Tausenden durchgerechneten Szenarien basiert. Die Straßen sind so gebaut, dass sie Wasser kurz aufnehmen und wieder abgeben können. An einer Unterführung leuchtet die Warnung: „Geschlossen – mögliche Überflutung!“ Hinterher kommt in den Nachrichten nur eine Meldung: „Starkregenfront über Hamburg – Einschränkungen im Verkehr, keine größeren Schäden.“ Das alles würde so ablaufen, weil auf der Grundlage von Papalexious Szenarien rechtzeitig die notwendigen Maßnahmen gegen mögliche Risiken eingeplant wurden.

Dann regnet es noch eine Weile. Und niemand merkt, wie knapp es ohne die neuen Denkweisen geworden wäre.