Original paper

Estimates and uncertainties of return periods of extreme daily precipitation in Germany

Grieser, Jürgen; Staeger, Tim; Schönwiese, Christian-D.

Meteorologische Zeitschrift Vol. 16 No. 5 (2007), p. 553 - 564

published: Oct 26, 2007

DOI: 10.1127/0941-2948/2007/0235

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Abstract

For 1769 meteorological stations in Germany records of daily precipitation amounts with not more than one missing day are available for the period 1951 to 2000. We fit Gumbel distributions to annual maximum daily, two-day and three-day precipitation amounts. We show that the Gumbel distribution fits very well to the observations and provide maps of best parameter estimates of the Gumbel distribution on a 0.0833° × 0.0833° grid (5 minutes grid, grid-cell size below 10 km). The regional structure of the estimated parameters reveals that the average extreme precipitation amount depends strongly on altitude while for most of the region the variability shows no such dependence. We furthermore provide an investigation of the uncertainty in the common estimation of the parameters. The results of this investigation are used in order to evaluate the reliability of estimated return periods and thresholds from observations. Precipitation thresholds attributed to certain return periods can be estimated accurately from observations even for large return periods. The estimates of return periods attributed to given thresholds of precipitation amounts, however, are much more prone to uncertainty.

Kurzfassung

Beobachtete Zeitreihen täglicher Niederschlagssummen mit höchstens einem fehlenden Wert aus dem Zeitraum 1951 bis 2000 liegen für 1769 Stationen in Deutschland vor. Auf der Grundlage dieses Datensatzes wurden Gumbelverteilungen an die jährlich höchste tägliche sowie zwei- und dreitägige Niederschlagssumme angepasst. Wir zeigen, dass die Gumbelverteilung die Beobachtungen sehr gut beschreibt und stellen die Schätzwerte der Parameter gerastert auf einem 5' × 5'-Gitter (1/12 Grad Gitterabstand, kleiner 10 km) zur Verfügung. Aus der erhaltenen räumlichen Verteilung der Parameterwerte geht hervor, dass die mittlere Niederschlagshöhe von Extremniederschlägen stark von der geographischen Höhe abhängt, während deren Variabilität keine solche Abhängigkeit aufweist. Zusätzlich untersuchen wir die Unsicherheit bei der gemeinsamen Schätzung der Verteilungsparameter. Die Ergebnisse erlauben die Analyse der Zuverlässigkeit aus Beobachtungen geschätzter Wiederkehrzeiten. Es zeigt sich, dass Schwellwerte des Niederschlags als Funktion vorgegebener Wiederkehrzeiten recht genau geschätzt werden können, während die hohen Niederschlagswerten zugeordneten Wiederkehrzeiten nur sehr ungenau aus den Daten hervorgehen.