Veränderungen der Hydrodynamik in der westliche Ostsee

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1 Veränderungen der Hydrodynamik in der westliche Ostsee Christian Schlamkow, Universität Rostock Norman Dreier, Universität Rostock Prof. Peter Fröhle, Technische Universität Hamburg-Harburg 1

2 Inhalt: Wasserstandsszenarien Veränderung der Windbedingungen (CLM) Einfluss der veränderten Windbedingungen auf den lokalen Seegang (mittlere Verhältnisse und extreme Wellenhöhen) Zusammenfassung RADOST-Tour 2012: Veränderungen der Hydrodynamik in der westlichen Ostsee 2

3 Veränderungen des globalen mittleren Wasserstandes (MSL) Quelle: IPCC Fourth Assessment Report: Climate Change 2007 SLR bis 2100: cm RADOST-Tour 2012: Veränderungen der Hydrodynamik in der westlichen Ostsee 3

4 Veränderungen des globalen mittleren Wasserstandes (MSL) (Plattenbewegung / Eisbedeckung) Quelle: IPCC Fourth Assessment Report: Climate Change RADOST-Tour 2012: Veränderungen der Hydrodynamik in der westlichen Ostsee 4

5 Veränderungen des globalen mittleren Wasserstandes (MSL) RADOST-Tour 2012: Veränderungen der Hydrodynamik in der westlichen Ostsee 5

6 Meeresspiegelanstieg (SLR) [cm] Wasserstandsszenarien in RADOST Meeresspiegelanstieg bis 2100 Szenario 1 moderat : 30 cm SLR Szenario 2 mittel : 60 cm SLR Szenario 3 hoch : 90 cm SLR moderat mittel hoch Szenario RADOST-Tour 2012: Veränderungen der Hydrodynamik in der westlichen Ostsee 6

7 Methodik zur Analyse der Veränderung des lokalen Seegangs Wind: abgeleitet von Klimasimulationen des Regionalmodells CLM Hybrid Methode Hinweis: alle Berechnungen wurden auf Basis des derzeitigen Wasserspiegels durchgeführt (Tiefwasserbedingungen) Wind-Wellen- Korrelationsrechnungen: basieren auf zeitgleichen Messungen von Wind und Wellen Numerische Simulationsrechnungen: stationäre Berechnungen mit dem Seegangsmodell SWAN Langzeit-Zeitserien der Seegangsbedingungen Statistische Analyse: mittlere Verhältnisse und Extremereignisse RADOST-Tour 2012: Veränderungen der Hydrodynamik in der westlichen Ostsee 7

8 CLM-Modellläufe/IPCC Emissions-Szenarien Modelllauf * Randbedingungen (ECHAM5/MPIOM) Zeitraum C20_1 C20_2 C20_3 beobachtet, anthropogen 20. Jh. ( ) A1B_1 A1B_2 globales IPCC Szenario A1B Projektion B1_1 B1_2 globales IPCC Szenario B1 ( ) The Watson Institute for International Studies Brown University, 2007 *) [Lautenschlager et al., 2009] A1B: schnelles ökonomisches Wachstum, ausgeglichene Nutzung zur Verfügung stehender Energieträger (B) B1: schneller Wandel der ökonomischen Strukturen zu einer Informationsund Dienstleistungsgesellschaft, Einführung von umwelt- und Ressourcen schonenden Technologien RADOST-Tour 2012: Veränderungen der Hydrodynamik in der westlichen Ostsee 8

9 Westermarkelsdorf (Isle of Fehmarn) Lokationen Warnemünde (Rostock) Travemünde (Lübeck) RADOST-Tour 2012: Veränderungen der Hydrodynamik in der westlichen Ostsee 9

10 CLM-Wind Analysen 10jährige gleitende Mw. Mittelwerte der Windgeschwindigkeit Warnemünde: : C20_1 5,44m/s : A1B_1 5,67m/s +4% Ergebnisse Windanalysen CLM Simulationsdaten Beobachtungsdaten Vergleich der Veränderung in den Szenarien (A1B, B1) ausschließlich mit Referenzlauf (C20) keine absoluten Werte, aber zukünftige Veränderungen (Klimaänderungssignal) RADOST-Tour 2012: Veränderungen der Hydrodynamik in der westlichen Ostsee 10

11 Wind-Wellen-Korrelationen statistische Korrelationsmethoden: nichtlinearer Zusammenhang zwischen dem Windfeld und dem resultieren Seegang Vergleich von berechneten und beobachteten Werten (Validierung) H m0 [m] T m02 [s] Θ w [ ] Warnemünde 0, , ,48415 Travemünde 0, , ,44012 Westermarkelsdorf 0, , ,01464 Mittlere absolute Abweichungen zwischen berechneten und beobachteten Werten a) b) c) Berechnete und beobachtete Wellenhöhen (a) -perioden (b) und -anlaufrichtungen (für signifikante Wellenhöhen > 0,5m) (c), Warnemünde RADOST-Tour 2012: Veränderungen der Hydrodynamik in der westlichen Ostsee 11

12 Veränderung des lokalen Seegangs Grundlage: Hybrider Berechnungsansatz (Wind- Wellen-Korrelationen / numerische Seegangssimulationen) und CLM-Simulationsdaten Berechnung: signifikante Wellenhöhe, mittlere Wellenperiode und anlaufrichtung Zeitraum Langzeit-Zeitserien statistische Analyse Wellenhöhen Warenmünde , berechnet mittels Hybridansatz sowie CLM-Simulationsdaten für die CLM-Modellläufe C20-1 sowie A1B RADOST-Tour 2012: Veränderungen der Hydrodynamik in der westlichen Ostsee 12

13 Statistische Analyse der Veränderung des lokalen Seegangs Berechnung: Häufigkeiten von Wellenhöhen und -anlaufrichtungen Mittelwerte der Wellenhöhen, -perioden und -anlaufrichtungen Vergleich der Werte für die CLM-Modellläufe A1B und B1 mit Werten für die Gegenwartsläufe C20 Zeitabschnitte von 30 Jahren Referenzzeitraum Szenario 2050 Szenario RADOST-Tour 2012: Veränderungen der Hydrodynamik in der westlichen Ostsee 13

14 Veränderung der Wellenhöhen, Warnemünde (1) Häufigkeiten der Wellenhöhen für die CLM-Simulationsläufe C20, A1B und B1 Referenzzeitraum sowie Szenarien 2050, 2100 Klimaänderungssignal? Häufigkeiten der Wellenhöhen des Referenzlaufs C20 ( ) sowie der Szenarienläufe A1B und B1 für die Szenarien 2050 ( ) und 2100 ( ), Station Warnemünde RADOST-Tour 2012: Veränderungen der Hydrodynamik in der westlichen Ostsee 14

15 Veränderung der Wellenhöhen, Warnemünde (2) Veränderung der Häufigkeiten der Wellenhöhen für die CLM-Simulationsläufe A1B und B1 im Vergleich zum Referenzlauf C20 Szenarien 2050, 2100 im Vergleich zum Referenzzeitraum Klimaänderungssignal! (relativ und absolut) Veränderung der Häufigkeiten der Wellenhöhen der Szenarienläufe A1B und B1 in den Szenarien 2050 und 2100 zum Referenzlauf C20 ( ), Station Warnemünde RADOST-Tour 2012: Veränderungen der Hydrodynamik in der westlichen Ostsee 15

16 Veränderung der Wellenhöhen, Warnemünde Bandbreite der Änderung der Häufigkeiten der Wellenhöhen des Szenarienlaufs A1B in den Szenarien 2050 und 2100 zum Referenzlauf C20 ( ), Station Warnemünde Bandbreite der Veränderungen der Häufigkeiten der Wellenhöhen Szenario 2050 und 2100 (A1B, B1) im Vergleich zum Referenzzeitraum C20 Ergebnis: Ermittlung eines statistisch signifikanten Klimaänderungssignals: weniger Ereignisse mit geringen Wellenhöhen mehr Ereignisse mit mittleren und hohen Wellenhöhen RADOST-Tour 2012: Veränderungen der Hydrodynamik in der westlichen Ostsee 16

17 Zusammenfassung: Veränderung der Wellenhöhen Westwindexponierte Lagen (z.b. Warnemünde / Westermarkelsdorf): seltener: geringe Wellenhöhen häufiger: mittlere und hohe Wellenhöhen insgesamt: Zunahme der Wellenenergie für die Zukunft, insbesondere zum Ende des 21. Jh., für alle ausgewählten Klimaszenarien Westermarkelsdorf Ostwindexponierte Lokationen (z.b. Travemünde): seltener: mittlere Wellenhöhen unverändert: hohen Wellenhöhen häufiger: geringe Wellenhöhen insgesamt: Abnahme der Wellenenergie für die Zukunft, insbesondere zum Ende des 21. Jh., für alle ausgewählten Klimaszenarien Travemünde RADOST-Tour 2012: Veränderungen der Hydrodynamik in der westlichen Ostsee 17

18 Veränderung der Wellenanlaufrichtungen, Warnemünde Bandbreite der Veränderungen der Häufigkeiten der Wellenanlaufrichtungen Szenario 2050 und 2100 (A1B, B1) im Vergleich zum Referenzzeitraum C20 seltener: nördliche Richtungen häufiger: westliche Richtungen Bandbreite der Änderung der Häufigkeiten der Wellenanlaufrichtungen des Szenarienlaufs A1B in den Szenarien 2050 und 2100 zum Referenzlauf C20 ( ), Station Warnemünde RADOST-Tour 2012: Veränderungen der Hydrodynamik in der westlichen Ostsee 18

19 Ost- / Ostexponiert Warnemünde Travemünde Westermarkelsdorf Zusammenfassung: Änderung der Wellenanlaufrichtungen Ostexponierte Lokationen (Westermarkelsdorf): mehr Ereignisse von West Westexponierte Lokationen (Travemünde) weniger Ereignisse von N und E Lokationen die Ost- und Westexponiert sind beide Tendenzen Insgesamt: westliche Wellenanlaufrichtungen werden (noch) wahrscheinlicher, insbesondere zum Ende des 21. Jh. Westexponiert Westexponiert RADOST-Tour 2012: Veränderungen der Hydrodynamik in der westlichen Ostsee 19

20 Veränderungen der extremen Wellenhöhen - Forschungsansatz Auswahl der Jahresmaximawerte der signifikanten Wellenhöhen für die Szenarien C20, A1B und B1 für Zeiträume von 40 Jahren Anpassung der Log-Normal-Verteilung an die ausgewählten Daten Berechnung der signifikanten Wellenhöhen mit einem Wiederkehrszeitraum von 200 Jahren Vergleich der Werte für die Szenarien A1B und B1 mit den Werten des Vergleichslauf C20 C20: Vergleichszeitraum S1: Szenario2040 S2: Szenario / RADOST-Tour 2012: Veränderungen der Hydrodynamik in der westlichen Ostsee 20

21 Veränderung der extremen Wellenhöhen Warnemünde Veränderung der Extremwellenhöhen von +6% bis 4% sind möglich 3 der 4 Datensätze zeigen einen ansteigenden Trend Veränderung der extremen signifikanten Wellenhöhen (Wiederkehrsintervall 200 Jahre) vor Warnemünde für die Szenarien A1B undb1 verglichen mit den Werten des Vergleichszeitraums ( ) RADOST-Tour 2012: Veränderungen der Hydrodynamik in der westlichen Ostsee 21

22 Westermarkelsdorf Travemünde Veränderung der extremen Wellenhöhen Travemünde und Westermarkelsdorf Ergebnis: Travemünde +14% bzw. -5% Westermarkelsdorf +12% bzw. -14% Zusammenfassung: Es wurde ein unterschiedliches Signal für alle drei untersuchten Lokationen festgestellt. Auf der sicheren Seite liegend, wird von einer Erhöhung ausgegangen RADOST-Tour 2012: Veränderungen der Hydrodynamik in der westlichen Ostsee 22

23 Zusammenfassung RADOST-Szenarien 2100 für weitere Untersuchungsschritte Szenario Meeresspiegelanstieg mittlere Wellenhöhen / Wellenanlaufrichtungen (Tiefwasser) extreme Wellenhöhen (Tiefwasser) moderat +0,3 m keine sign. Veränderungen keine sign. Veränderungen mittel +0,6 m H m0 + 2 % geringe Änderungen der Wellenanlaufrichtungen (+ 2 % aus W - NW - 2 % aus N NE) hoch +0,9 m H m0 + 5 % signifikante Änderungen der Wellenanlaufrichtungen (+ 4 % aus W NW - 4 % aus N NE) +10 % +15 % Im Mittel zu erwartende Veränderungen, ortsabhängig können sich andere Werte ergeben RADOST-Tour 2012: Veränderungen der Hydrodynamik in der westlichen Ostsee 23