(For English version see below)
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
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
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.
English:
Preventing Disaster with Models
What can be done when “once-in-a-century events” in weather occur far more frequently? Professor Simon Michael Papalexiou is establishing a new institute at TUHH that aims to help calculate the future more accurately—so that we are well prepared for extremes.
What begins as typical Hamburg drizzle escalates within minutes into a torrential downpour, with such massive rainfall that the water can no longer drain away. At Baumwall, water presses against the quay wall. In HafenCity, storm drains overflow and shop doors are sealed with towels. The air smells of wet concrete and a hint of diesel. A suburban train comes to an abrupt halt between two stations; the loudspeakers crackle, the lights go out.
It could happen. Such disaster-movie scenarios are part of the daily research work of Prof. Simon Michael Papalexiou. He explains: “Risks are often underestimated. That’s due to how our brains function. We orient ourselves toward what we see day after day—normal everyday life.” Yet policymakers, urban planners, emergency services and healthcare systems, as well as businesses and insurers, must be prepared for the real dangers. After positions in California and Canada, the Greek-German hydrologist Papalexiou is now establishing the Institute for Global Water Security at Hamburg University of Technology (TUHH). His goal: a significantly improved assessment of potential hydrological extremes—very rare, particularly severe rainfall, flood, or drought events. This is not about improving next Tuesday’s weather forecast, but about risk assessment: Where will water enter basements first? Subway tracks? Where is backflow likely? His methods are applicable worldwide and can be transferred to different regions and climatic conditions.
Stress Tests for the City of Tomorrow
Many conventional approaches were developed for historical conditions and can struggle to adequately represent rare extreme events—such as in the opening Hamburg example. The city is prepared for storm surges and also for heavy rainfall, but not for both occurring simultaneously. Papalexiou cannot predict exactly when such a situation will arise. But he can unleash artificial storms on digital city models and use simulations to depict flooded basements, risks to underpasses, and the limits of sewer systems. “For emergency planning and the resilience of critical infrastructure, it is not enough to rely on the past,” Papalexiou emphasizes. “We must run through all plausible scenarios.”
And what does this mean for everyday life? “The calculations and stress tests we conduct here,” explains the risk researcher, “are relevant for decision-makers. They make it possible to plan the city of tomorrow correctly.” Bridges, dikes, and protective walls were long designed under the assumption that the climate would remain as it was. That is no longer the case. Climate change is increasing stress on some infrastructure systems that were designed under assumptions of more stable historical conditions. Moreover, global climate models are often too coarse in resolution for direct local planning applications without additional downscaling for practical use in policy and planning. Within such a grid, the entire city of Hamburg fits easily into a single square—far too imprecise for sound decision-making.
Why the Bridge Held
In addition, measurement data are incomplete and not of equal quality everywhere. Some rain gauges are spaced far apart. Some data series are short or interrupted. All of this must be taken into account by a robust risk model. One of the new institute’s first goals is therefore to scale down results to the local level (“downscaling”). This will make it possible to provide concrete assessments for individual streets or structures throughout Germany. The ground floor of a new residential tower might then be designed to withstand storm surges after all—or an insurer might adjust premiums according to the thickness of basement walls.
In a sense, Papalexiou operates in the B2B sphere—“business to business”—like wholesalers who sell only to retailers, not to private individuals. His work supports decision-makers behind the scenes of everyday life. If he does his job well and subsequent authorities incorporate the data, private citizens will never know why the bridge held when their train was caught in a storm, or why grain supplies remained stable during a summer drought.
His findings emerge at the intersection of mathematics and hydrology—the science of water on and beneath the Earth’s surface. Hydrology examines, for example: How much rain falls, when, and where? Where does the water flow—to streams, rivers, sewers? What happens in soil, lakes, groundwater, snow, and ice? Why do floods, heavy rainfall, or droughts occur—and how often? How do cities, agriculture, dams, drainage systems, and soil sealing alter the water cycle? While meteorologists explain what comes from the sky, hydrologists study what the water does afterward.
The End of Illusory Certainty
Papalexiou aims to “better anticipate plausible extremes and quantify uncertainty”. Widely used hydrological models represent averages well but fail when it comes to extremes. They may show what a typical river level looks like but are poor at capturing exceptions—the days when everything tips over completely. Yet these are precisely the events that matter for risk assessment and early warning systems. Otherwise, a false sense of security may emerge—until it is too late. As in Germany’s Ahr Valley in 2021. Or in Derna, Libya, where in 2023 a dam failure killed 4,000 people and left 8,000 still missing.
More generally, Papalexiou advises: “We will have to come to terms with uncertainty. Uncertainty is increasing. If we accept that, we can prepare for it and handle it better.” His models do not seek to conceal uncertainty but to quantify it. He does not pretend that everything can be known precisely. Instead, he asks: How wide is the range? And which decision remains correct even if events turn out worse than we hope?
He is inspired by the possibility of designing better models using complex statistical systems: “I am delighted to see the complexity of the world reflected in mathematical formulas. In doing so, I make a small contribution to ensuring that people can live more safely in the future—that cities are better planned and structures endure longer, that fewer people are put at risk. I am proud of that.”
Despite Everything, Simon Papalexiou is an Optimist
After many years abroad, he enjoys being back in Europe. Cities here have a soul, he says; it is wonderful to stroll among historic buildings. The European university system also offers greater creative freedom. This allows the hydrologist to focus on what truly matters.
Although he deals daily with disaster scenarios, Papalexiou remains optimistic: “We have just moved here to Hamburg with our ten-year-old twins and are getting to know the city.” Perhaps, many years from now, his children will return to these places and think of their father. When the rain sets in, they might observe how the city responds: beneath HafenCity, retention basins open; pumps are controlled according to a plan based on thousands of calculated scenarios. Streets are designed to temporarily absorb and then release water. At an underpass, a warning light flashes: “Closed – risk of flooding!” Later, the news reports only: “Heavy rain front over Hamburg – traffic disruptions, no major damage.” All this would unfold because, based on Papalexiou’s scenarios, the necessary measures had been incorporated in time to address potential risks.
Then the rain continues for a while longer. And no one notices how close things might have come without these new ways of thinking.
