MAEWEST Die marine Umwelt der westlichen Ostsee

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1 MAEWEST Die marine Umwelt der westlichen Ostsee Andreas Omlin, Joachim Voß Hans-Christian Reimers und Thomas Hirschhäuser Zusammenfassung Das INTERREG III-A Projekt Die marine Umwelt der westlichen Ostsee (MAEWEST: Marine Environment of the Western Baltic Sea) dient der Schaffung IT-gestützter Werkzeuge für ein verbessertes Umweltmanagement in der westlichen Ostsee. Neben einem operationellen Modell, das den aktuellen Zustand der Ostsee bestmöglich reproduziert und auch vorhersagt, wurden mehrere Szenarienmodelle entwickelt, mit deren Hilfe die Auswirkungen geplanter Maßnahmen auf Wasserqualität, Eutrophierungszustand und Sauerstoffgehalt simuliert werden können. Das INTERREG III-A-Programm ist eine EU- Gemeinschaftsinitiative, welche die grenzübergreifende Zusammenarbeit von Regionen fördert. Im Bereich von Schleswig-Holstein und Dänemark nutzen die drei Regionen Schleswig / Sønderjylland, K.E.R.N. / Fyn und Ostholstein-Lübeck / Storstrøm die finanzielle Unterstützung der EU zur Verbesserung ihrer jeweiligen Kooperation (Abbildung 1). Im Projekt MAEWEST geht die Zusammenarbeit sogar noch einen Schritt weiter, da alle drei Programmregionen zu gleichen Teilen an diesem Vorhaben beteiligt sind. Die drei dänischen Regionen werden im Projekt durch die jeweiligen Fachabteilungen ihrer Amtsverwaltungen vertreten. Das LANU ist für alle drei schleswigholsteinischen Regionen verantwortlich und somit einziger deutscher Projektpartner. Jahresbericht Landesamt für Natur und Umwelt des Landes Schleswig-Holstein 2006/07 151

2 Abbildung 1: INTERREG-Regionen und Projektpartner Ganz im Sinne der Idee des INTERREG-Programms wird die westliche Ostsee im Projekt MAEWEST über die territorialen Grenzen hinaus als ein Ganzes betrachtet. Um Vorgänge wie Eutrophierung, Sauerstoffschwund oder Algenblüte räumlich zu erfassen, zu beschreiben und zu prognostizieren, werden - als Hauptziel von MAEWEST - Computermodelle entwickelt, die den realen, hydrographischen und chemischen Zustand des Meeresgebietes so gut wie möglich abbilden. Eine wesentliche Vorraussetzung dieses Vorhabens ist, dass der reale Zustand zumindest an ausgewählten Stellen bekannt ist, damit die Modelle hieran kalibriert werden können. Hierfür war eine ausreichende Datenerhebung notwendig, zu der einerseits das chemische und biologische Monitoring des LANU beitrug, für die andererseits aber auch eine Vielzahl gesonderter Beprobungen durchzuführen waren. Vergleichbare Überwachungen der marinen Umwelt wurden auch von den dänischen Partnern in ihren jeweiligen Amtsbezirken getätigt. Zusammen mit weiteren verfügbaren Datenbeständen, wie z. B. Messungen von Pegeln und Bojen, wurden alle diese Daten im Projekt zusammengeführt, um als Stützstellen der Modelle zu fungieren. Einen ganz wesentlichen Beitrag der Projektpartner stellen die Abflussmessungen aller einmündenden Fließgewässer dar. Die hierbei ermittelten Werte über Abflussmengen sowie Stickstoff- und Phosphorfrachten werden als landseitige Stoffeinträge in die Modelle eingespeist. Ebenso finden meteorologische Größen wie Niederschläge, Wind oder Sonneneinstrahlung (Tageslänge, Grad der Bewölkung) ihren Eingang in das Modell. Die Computermodelle wurden von DHI water & environment aus Dänemark auf Basis der MIKE Software-Familie erstellt. Sie bestehen aus einem operationellen Modell (für die gesamte Region) und mehreren Szenarien-Modellen (für die gesamte Region sowie für vier lokale Gebiete). 152 MAEWEST Die marine Umwelt der westlichen Ostsee

3 Das operationelle Modell Die Visualisierung von Messdaten und Modellergebnissen zur Erforschung der Ausdehnung und Geschichte von Wassermassen sind das Hauptziel des operationellen Modells. Es umfasst als regionales Modell die gesamte westliche Ostsee, die weiße Umrandung in Abbildung 2 zeigt seine Ausdehnung. Es hat eine horizontale Auflösung von m (1 sm) 617 m im Kleinen Belt ( 1 /3 sm) - und eine vertikale Auflösung von 1 m. Entsprechend stellen diese Werte die Kantenlängen der einzelnen Segmente dar, durch die der gesamte Modellraum als Rechteckgitter nachgebildet wird. Jedes einzelne Segment enthält als Eigenschaft zeitlich veränderliche Werte für die relevanten Parameter, wie z. B. Sauerstoff- oder Salzgehalt. Über mathematische Funktionen werden die Austauschprozesse zwischen den Segmenten beschrieben. Über die offenen Randsegmente an der nördlichen und östlichen Grenze werden die Ein- bzw. Ausströmungen aus dem Kategatt und der zentralen Ostsee als zweidimensionale Funktionen in das Modell integriert. Austauschprozesse mit den Sedimenten werden in den untersten Segmenten und meteorologische Einflüsse an der Wasseroberfläche berücksichtigt. Abbildung 2: Ausdehnung des operationellen Modells (weiße Umrandung) Jahresbericht Landesamt für Natur und Umwelt des Landes Schleswig-Holstein 2006/07 153

4 Für die Kalibrierung wurden an zehn Positionen (Abbildung 2, PROF) zahlreiche Vertikalprofile für die Parameter Temperatur (T), Salzgehalt (S), gelöster Sauerstoff (DO), Stickstoff (N), Phosphor (P), Chlorophyll und Primärproduktion verwendet. An fünf der zehn Positionen standen zusätzlich Messbojen (Abbildung 2, BUOY) zur Verfügung, die permanente Aufzeichnungen für T und S lieferten. Diverse Pegel und die verfügbaren Daten aus dem Standard-Monitoring gingen ebenfalls ein. Zusätzlich wurden als gesonderte Messkampagne im April und September 2005 große Längsprofile (Abbildung 2, rote gestrichelte Linien) gefahren, entlang derer zahlreiche Vertikalprofile für die Parameter T, S und DO aufgenommen wurden. Und schließlich wurde noch eine Messkampagne zur Sedimentbeprobung durchgeführt (Abbildung 3), um die Austauschprozesse zwischen Wassersäule und Sedimenten zu bewerten. Abbildung 3: Einsatz des Minimuc zur Sedimentbeprobung Das operationelle Modell wird auf einem Server bei DHI water & environment unter der Internetadresse betrieben und ist dort für alle Interessierten frei zugänglich. Das Modell errechnet seit Juni 2005 mehrmals täglich für jedes Segment den aktuellen Zustand für: Salzgehalt Temperatur Sauerstoff Stickstoff Phosphor Chlorophyll und gibt diese animiert für das Wasser an der Meeresoberfläche oder das Bodenwasser aus (Abbildung 4). Darüber hinaus werden an der Meeresoberfläche Wasserstände Meeresströmungen Windgeschwindigkeiten Luftdrücke ebenfalls zeitlich animiert dargestellt. 154 MAEWEST Die marine Umwelt der westlichen Ostsee

5 Abbildung 4: Modellergebnis vom , 12:00 Uhr, für den Sauerstoffgehalt (DO) einen Meter über dem Meeresboden Die Zeiträume für die gewünschte Ausgabe können frei gewählt werden. Es stehen dabei sowohl die Berechnungen der Vergangenheit zur Verfügung, als auch eine Vorhersage für die nächsten drei Tage. Durch den Modellraum laufen mehrere große Längsprofile (transects), entlang derer die Modellergebnisse als Querschnitte ausgegeben werden können; auch hier erfolgt dies animiert mit der Auswahlmöglichkeit für den gewünschten Zeitraum und Parameter. Und schließlich können für acht ausgewählte Stationen die Modellberechnungen als Zeitreihen betrachtet werden. Im schleswig-holsteinischen Küstengewässer umfasst dieses Angebot die Stationen Kleverberg (Ausgang der Kieler Förde), Fehmarn Belt und Lübecker Bucht. Neben den Modellergebnissen liefert die Internetpräsenz für 19 Stationen auch reale Messwerte, z. B. vom Leuchtturm Kiel und anderen MARNET-Stationen. Als eine weitere Funktionalität werden die Modellergebnisse und die Messwerte als Zeitreihen in einem Diagramm dargestellt, um die Realitätstreue der Modellberechnungen im Sinne einer Qualitätssicherung darzulegen. Der Informationsgehalt des operationellen Modells ist also sehr umfassend und kann die MitarbeiterInnen des Dezernats für Küstengewässer bei der täglichen Arbeit unterstützen. So kann vor einer Messfahrt mit MS Haithabu die Situation in der Ostsee analysiert und die Fahrtplanung gegebenenfalls optimiert werden. Steht beispielsweise für die erste Ausfahrtswoche das nördliche Küstengewässer der Ostsee auf dem Programm, gemäß Modell zeichnet sich jedoch eine außergewöhnliche Situation in der Lübecker Bucht ab, so kann zeitnah reagiert werden, indem als Erstes der südliche Bereich angefahren wird. Eine weitere direkte Anwendung des operationellen Modells ist im Bereich der Algenüberwachung gegeben. Wird beispielsweise innerhalb der Kieler Förde ein verstärktes Auftreten von Mikroalgen detektiert, so kann MAEWEST Informationen darüber liefern, ob auch außerhalb der Förde eine solche Konzentration zu erwarten ist. Denn dieses Phänomen ist unmittelbar mit einer Steigerung des Chlorophyllgehalts verknüpft und dieser ist einer der im Modell zur Verfügung stehenden Parameter. Über die Visualisierung der zurückliegenden Wassermassenbewegungen, angezeigt durch Salzgehalt und Temperatur, kann MAEWEST bei der Einschätzung der Genese und Ausdehnung von Algenpopulationen unterstützen. Und schließlich kann die Dreitageprognose genutzt werden, um sich ein Bild von der zu erwartenden Entwicklung zu verschaffen. Das dem operationellen Modell zugrunde liegende regionale Modell steht den Partnern zusätzlich auch direkt in der Software MIKE 3 zur Verfügung. Im LANU soll auf dieses Programm zukünftig über das Netz zugegriffen werden können, allerdings nicht durch mehrere Benutzer gleichzeitig, da aus Kostengründen nur eine Lizenz erworben wurde. Die LANU-Instanz ermöglicht dann den Zugriff auf den vollen Funktionsumfang der MIKE-Software. So können beispielsweise beliebige Querschnitte aus dem Modell extrahiert oder Zeitreihen für jede Position erstellt werden. Jahresbericht Landesamt für Natur und Umwelt des Landes Schleswig-Holstein 2006/07 155

6 Die Szenarienmodelle Die MIKE-Software ermöglicht es, das Modell auf verschiedene Art und Weise zu variieren. Es kann die Topographie des Meeresbodens (Bathymetrie) verändert, es können Quellen oder Senken eingebaut und es können die physikalischen Funktionen, welche die Abbauprozesse in den Segmenten und die Austauschprozesse zwischen den Segmenten beschreiben, angepasst werden. Diese Funktionalitäten bilden die Grundlage für die Modellierung von Szenarien. Hierfür steht nicht nur das regionale Modell zur Verfügung. Zusätzlich wurden im Projekt vier lokale Modelle, eines für jeden Projektpartner, entwickelt (Abbildung 5): auf deutscher Seite für die Kieler Förde und auf dänischer Seite für die Flensburger Förde (Sønderjylland), das südfynische Inselmeer ( Dänische Südsee, Fyn) und die Smålands-Gewässer (Storstrøm). Die lokalen Modelle weisen eine dreifach höhere horizontale Auflösung (617 m) als das regionale Modell auf, um die kleinräumigen, örtlichen Strukturen adäquat abbilden zu können. Die vertikale Auflösung beträgt ebenfalls 1 m. Für die Kalibrierung wurden in den vier Gebieten monatlich Profile für die Parameter S, T und DO von dem jeweils zuständigen Partner gefahren. Da das lokale Modell der Flensburger Förde natürlich auch für Schleswig-Holstein von Interesse ist, wurden dort auch von deutscher Seite Messungen durchgeführt. Abbildung 5: Szenarienmodelle, regionales Modell (weiße Umrandung) und vier lokale Modelle (rote Umrandungen) 156 MAEWEST Die marine Umwelt der westlichen Ostsee

7 Szenarienmodelle können die Auswirkungen von Veränderungen beteiligter Parameter darstellen: Die extreme Variation von Parametern kann zeigen, ob diese überhaupt von Relevanz sind oder aber auch das maximal Erreichbare darlegen. Für geplante Maßnahmen lassen sich deren Erfolg, Teilerfolg oder die Wirkungslosigkeit abschätzen. Für das Modellierungsgebiet können die für Maßnahmen am besten geeigneten Bereiche herausgearbeitet werden. Es kann quantifiziert werden, in welcher Größenordnung sich Maßnahmen bewegen müssen, um in absehbarer Zeit einen merklichen Erfolg zu erzielen. Damit helfen die Szenarienergebnisse sowohl bei der Abschätzung der benötigten Mittel als auch bei der Optimierung ihres Einsatzes. Die Möglichkeiten für die Anwendung der Szenarienmodelle sind sehr vielfältig. Eine praxisnahe Fragestellung für das lokale Modell der Kieler Förde wäre, wie sich die Situation in diesem Gewässer darstellen würde, wenn die Frachten der Schwentine um ein bestimmtes Quantum reduziert werden könnten. Analog ließe sich mit dem regionalen Modell überprüfen, was eine Senkung aller landseitigen Einträge bewirken würde. Eine weitere sehr konkrete lokale Anwendung wäre die Modellierung der Folgen für den Temperatur- und Sauerstoffhaushalt bei einer angenommenen Verdopplung der Kühlwassereinleitung des Kieler Kraftwerks. Denkbar wäre auch die Überprüfung der Auswirkungen von Veränderungen in der Bathymetrie, etwa durch massive Ausbaggerungen oder durch sehr große Baumaßnahmen direkt an der Küste. Die Szenarienmodelle für die Küstengewässer lassen sich mit Szenarien aus dem Hinterland verknüpfen. Die Nährstoffmodellierung eines Einzuggebietes oder die Modellierung eines Fließgewässers findet so in MAE- WEST die geeignete Plattform für eine logische Fortführung. Das sehr erfolgreich verlaufene Projekt MAE- WEST endete nach einer Laufzeit von drei Jahren im April Als Ergebnis hat es mit den Modellen wertvolle Werkzeuge für das Umweltmanagement hervorgebracht und stark zur Verbesserung der Zusammenarbeit zwischen den Umweltbehörden der Anrainerländer der westlichen Ostsee beigetragen. Es wurden bereits erste Perspektiven für weitere Anwendungen und die Weiterentwicklung der Modelle sowie für die zukünftige Zusammenarbeit entwickelt. Die Fortsetzung des Projekts auf Basis des geknüpften Netzwerkes wird deshalb von allen Beteiligten angestrebt. Summary The INTERREG-III-A-project MAEWEST, Marine Environment of the Western Baltic Sea, provides IT-based tools for an advanced management of the environment of the western Baltic Sea. As well as being an operational model, which reproduces and predicts the actual state at the best, several scenario models were developed in order to simulate the impact of planned measures on water quality, state of eutrophication and oxygen content. Die ersten 3 Autoren: Dezernat 46 Küstengewässer Andreas Omlin Tel.: / aomlin@lanu.landsh.de Dr. Joachim Voß Tel.: / jvoss@lanu.landsh.de Dr. Hans-Christian Reimers Tel.: / hreimers@lanu.landsh.de Dr. Thomas Hirschhäuser Dezernat 42 Hydrologie und Morphologie der Fließ- u. Küstengewässer; Geographische Informationssysteme Tel.: / thirschh@lanu.landsh.de Jahresbericht Landesamt für Natur und Umwelt des Landes Schleswig-Holstein 2006/07 157

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