Extremsturmfluten an offenen Küsten und Ästuargebieten

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1 R isk Exsturmfluten an offenen Küsten und Ästuargebieten Entwicklung von Sturmflutszenarien für Risikoanalysen Prof. Gabriele Gönnert RisK-Abschlusskonferenz 14. November 2012, Hamburg

2 Inhalt Einleitung Motivation & Zielsetzung Methode Motivation Methodenentwicklung Cuxhaven Übertragung Hörnum Ergebnisse Hamburg Hörnum Meeresspiegel Modellierung Zusammenfassung Veröffentlichungen Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 2

3 Inhalt Einleitung Motivation & Zielsetzung Methode Zuverlässigkeitsanalyse Modellierung von Deichbrüchen & Dünenerosion Ergebnisse Ästuardeiche - Hamburg Dünen - Sylt Zusammenfassung Veröffentlichungen Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 3

4 Ziel: Entwicklung einer sehr schweren Sturmflut Warum? Risikoanalyse Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 4

5 Methoden für die Berechnung von sehr schweren Sturmfluten Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 5

6 Methoden für die Berechnung von sehr schweren Sturmfluten Warum eine neue Methode? Verfahren Empirisch / Deterministisch Numerisch Statistisch - Hydrologisch/physikalische Bedingungen nicht immer berücksichtigt. - Überlagerung möglich, Überprüfung der Nicht- Linearität, bislang häufig nur über quadratische Bodenreibung. - Zufällig Überlagerung der einzelnen Faktoren: - Verlaufs/Füllebetrachtung muss in der Lösung berücksichtigt werden Lösung TP1b Windstaukurvenverfahren Berücksichtigung der einzelnen Komponenten und des Sturmflutverlaufes Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 6

7 Windstaukurvenverfahren Anforderungen: Berücksichtigung aller bisher höchsten Komponenten einer Sturmflut separat und in ihrer höchsten Ausprägung. Berücksichtigung des Sturmflutverlaufes. Berücksichtigung der meteorologischen und physikalischen Korrektheit. Multimethodenansatz: Mathematisch empirische, statistische und numerische Modellierung im Vergleich. Ziel: Analyse der höchsten bisher eingetretenen Komponenten Berechnung der Nicht-linearen Effekte Integration der Ergebnisse zu einer Ex-Sturmflut Bewertung TP1b und Risikoanalyse TP4 Warum wird so vorgegangen? Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 7

8 Windstaukurvenverfahren Anforderungen: Berücksichtigung der einzelnen Komponenten Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 8

9 Windstaukurvenverfahren Anforderungen: Berücksichtigung von Meteorologie und Physik Stationary low pressure area ca. 960 up to 970 hpa : hpa : : hpa : hpa 1005 hpa : hpa : hpa : : hpa 965 hpa : hpa : hpa : hpa : hpa : hpa Prüfung der Überlagerung der einzelnen Komponenten physikalisch plausibel? Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 9

10 Windstaukurvenverfahren Anforderung: Berücksichtigung der Hydrodynamik Quadratischer Einfluss der Bodenreibung Hydrodynamische Grundgleichung Volumenausgleich Impulserhaltung Kontinuitätsgleichung Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 10

11 Windstaukurvenverfahren Prüfung der physikalisch/hydrodynamischen Ausgangssituation Bisherige Untersuchungen konzentrieren sich in erster Linie auf Tide-Surge-Interaction (Prandle & Wolf, 1978/ Tang. Et. al 1996/ Gönnert et. al. 2003/ Babanovic et.al. 2006/ Horsburgh & Wilson, 2007, 2008) und berücksichtigen in erster Linie die nicht-lineare quadratische Bodenreibung im Modell. Die Hydrodynamische Grundgleichung/ Navier-Stokes-Gleichung: Kontinuitätsgleichung/ Volumenausgleich/ Impulserhalt sind aber von ebenso großer Bedeutung vor allem bei kurz periodischer und höher harmonischer Strömungsoszillation Multimethodenansatz Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 11

12 Berechnung von Reduktionsfaktoren Ziel: Berücksichtigung von nichtlinearen Effekten durch Reduktionsfaktoren Fernwelle Fernwelle 70 % Windstau Windstau Springtide Springtide % Mittlere Tidehochwasser Mittlere Tidehochwasser Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 12

13 Die Methode Risk - Windstaukurvenverfahren Grundlagen: Berücksichtigung des Sturmflutverlaufes im Ästuar Differenz der Scheitelhöhen Cuxhaven - St. Pauli ( ) Differenz [cm] Sturmflutjahr Versagen der Küstenschutzanlagen auch abhängig von der Dauer Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 13

14 Anwendung in Cuxhaven - Hamburg an der Elbe Cuxhaven Storm surge on km 1095 Hamburg TPZ Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 14

15 Die Methode Risk - Windstaukurvenverfahren Analytical steps: Empiric-deterministic steps Statistical and numerical steps Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 15

16 Tide Windstau Interaktion Vorgehensweise Tide Statistisch Ergebnisse Periodische Ungleichheit ist erkennbar, jedoch geringfügig Anwendung auf astronomische Ungleichheit von 60 cm auf Windstau 1976 Effektivwind (295 ) m/s Geringfügig Empirisch Höhenzunahme des Windstaus bei Thw durch Windzunahme in Relation zum Tnw Windstauhöhe cm Dreisatzberechnung Theoretische Grundlage: 150 Springtide reduziert sich entsprechend Windstau von Tnw 100 nach Thw (60 90 %) 50 Numerische Modellierung St. Dick m/s: 78 % Windstau bei Thw m/s : 85 % Windstau bei Thw Windstauverschiebung von 89% am Je nach Wasserstandshöhe verbleiben von der Springerhöhung % Geringfügig (ca %) 1976: 12,7 cm TNW THW TNW III IV II V 0 V I Wasserstand cm PN Zeit Wasserstand bei Windstau 1976: I 16 cm bei Windstau Fernwelle 9,5 cm R isk Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 16

17 Tide Windstau Interaktion Einfluss der Springtide (60 cm über MThw) auf den Windstau Multimethodenansatz Determinstisch/ stochastisch Reduktionsfaktor 84% = 9,5 cm Numerisch BSH/ St. Dick: Reduktionsfaktor 79% = 12,7 cm Bezogen auf Tidehub: Reduzierung um rund 11% bei einem sehr hohen Windstau (3,70 m in Cuxhaven) Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 17

18 Windstaukurvenverfahren Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 18

19 Fernwelle Windstau Interaktion : hpa : hpa : hpa : hpa : hpa Level Ab.: 42 cm Level Cux.: 38 cm : hpa : hpa : hpa Aberdeen Immingham Level Ab.: 108 cm Level Cux.: 109 cm Cuxhaven Meeting Mit einer Sturmflut: - 30% Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 19

20 Fernwelle Windstau Interaktion Vorgehensweise Fernwelle Ergebnisse Anwendung Einfluss der außertropischen Zyklone Fernwelle und Sturmflut können sowohl von der gleichen, als auch von zwei verschiedenen Zyklonen ausgelöst werden Abhängigkeit zur Zugbahn der außertropischen Zyklone Ermittlung der Fernwellengröße unabhängig von Sturmfluten Ermittlung der Fernwellengröße mit einer Sturmflut Zugbahn der Zyklone weiter nördlich (zw. Island und Schottland): Abnahme in der Höhe bzw. relativ konstant (Aberdeen- Cuxhaven) Zugbahn der Zyklone weiter südlich (nahe Schottland): Zunahme in der Höhe (Aberdeen-Cuxhaven) Abnahme der Fernwellen von Aberdeen nach Cuxhaven um 30 % empirisch: 16./ Fernwelle 80 cm numerisch: bei Überlagerung mit Windstau und Springtide Reduzierung der Höhe in Cuxhaven um 33 % Verwendung einer Fernwelle ohne Sturmflut, daher Wahl einer beobachteten Fernwelle mit einer weit nördlich gelegenen Zugbahn 77 cm (unter Verwendung der höchsten Fernwelle am ) 30 % Reduktion 80 cm in Cuxhaven 30-40% Reduktion cm in Cuxhaven Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 20

21 Fernwelle Windstau Interaktion Einfluss der Fernwelle auf den Windstau Multimethodenansatz Deterministisch/ stochastisch (LSBG) Reduktionsfaktor: 10-45% = cm Numerisch FTZ Büsum (Prof. Mayerle) Reduktionsfaktor: 30-45% = cm Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 21

22 Die Sturmflut LSBG NN + 6,10 m Mayerle, 2010 NN + 6,30 m Fernwelle 0,8 Windstau 3,70 m Astronomie 10 cm MThw 1,50 m (5jähriges Mittel) cm 400 Windstaumaximum [cm] :00 1,0 h/m 2,5 h 04:00 08:00 12:00 16:00 5,5 h/m 20:00 00:00 04:00 08:00 12:00 16:00 Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 22

23 Übertragung auf Hörnum Verhältnis des Staus zu THW zum Stau zu TNW: % Höchster Windstau 319 cm am zu Thw Höchste Springtide vom mit 63,1 cm wird zu 44 cm Fernwellenreduktion: 70% Höchste Fernwelle 77 cm 46 cm mit sehr hohem Windstau Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 23

24 Zusammensetzung der Flut Hörnum Die Flut am Pegel Hörnum setzt sich wie folgt zusammen: Windstau Springtide Fernwelle MThw (1999/2008) 319 cm 44 cm 46 cm 104 cm NN 513 cm NN bzw cm PN Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 24

25 Prognosen zum Meeresspiegel- und Sturmflutanstieg bis zum Jahr cm Temperaturanstieg 3 C Max-Planck-Institut für Meterologie 1,75 ± 0,16 mm/a Holgate (2007) cm Grinsted et al. (2009) 80 cm Pfeffer et al. (2008) 100 cm Temperaturanstieg 2 C Schellenhuber (2008) Projektionen - regional cm Nord-Ost-Atlantik Katsman et al. (2008) 31 cm Keine beschleunigte Temperaturzunahme Church & White (2006) cm werden im Rahmen des Projektes als plausible Höhe bis 2100 erachtet 58 cm Temperaturanstieg 3 C Deutsche Nordseeküste Max-Palanck-Institut / MPI-M(2008) 34 cm Keine beschleunigte Temperaturzunahme Jevrejeva et al. (2008) Projektionen - global cm Temperaturanstieg 3 C Englische Küste UK Climate Impacts Programme / UKCIP (2007) cm cm Temperaturanstieg 6 C Niederländische Küste Deltacommissie (2008) Temperaturanstieg 6 C Englische Küste UK Climate Impacts Programme / UKCIP (2007) R isk Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 25

26 Sturmfluten und Zukunftsszenarien Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 26

27 Exsturmfluten und Zukunftsszenarien SY_R2010A SY_R2010A-95 SY_R2010B SY_R2010C Verfahren Sturmflut - MUSE MUSE Verfahrensmerkmale Nicht-lineare Überlagerung von bisher in der Natur aufgetretenen Randwerten Kombination einer eingetretenen Sturmflut mit dem bisher beobachteten MSL-Anstieg numerische Simulation von bisher noch nicht eingetretenen Randwerten numerische Simulation von bisher noch nicht eingetretenen Randwerten Windstau-scheitel 319 (365*) cm 319 cm 359 cm 415* Sturmflutscheitel NN + 5,13 m NN + 4,19 m NN + 4,47 m NN + 4,89 m * einschließlich Fernwellenanteil Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 27

28 Transfermodelle Um eine größere Anzahl von Sturmflutszenarien von den Hauptuntersuchungspegeln Cuxhaven und Hörnum auf die weiteren Untersuchungspegel zu übertragen, wurden deterministische Transfermodelle entwickelt Dazu wurden beobachtete Sturmflutverläufe für überlappende Zeiträume an jeweils zwei Pegeln parametrisiert (unter Berücksichtigung von 25 Parametern; näheres im anschließenden Vortrag) Alle Parameterpaare weisen eine signifikante Korrelation auf (größtenteils > 0.9 [-]) Mithilfe von Regressionsgleichungen für die 25 Parameter können Sturmflutverläufe von den Hauptuntersuchungspegeln auf andere Pegelstandorte übertragen werden Für folgende Pegelpaare wurden Modelle entwickelt: Hörnum Westerland Hörnum Rantumdamm Cuxhaven St. Pauli Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 28

29 Transfermodelle Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 29

30 Hamburg Cuxhaven-Hamburg: alle Szenarien Analyse der Entwicklung der Exsturmfluten von Cuxhaven bis Hamburg Entwicklung der Scheitelwasserstände entlang der Elbe Cuxhaven HH St.Pauli BAW Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz

31 Berechnete Szenarien der Exsturmfluten Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 31

32 Modellierung UW Randbedingung EKM 632 (Finkenwerder): Wasserstandszeitreihe Detailmodell der TUHH: 2D HN Modell: Kalypso 1D2D Randbedingungen aus Querprofilen des BAW Modells für Detailmodell der TUHH (querschnittsgemittelt) OW Randbedingung EKM 586 (Geesthacht): Durchflusszeitreihe HN Modells des Elbe Ästuars der BAW: Hydrodynamisch numerisches Modell: UnTRIM 2004 Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 32

33 Zusammenfassung Mit Hilfe der Windstauanalysenmethode ist es möglich sehr schwere Sturmfluten unter Berücksichtigung von allen Faktoren zu berechnen die meteorologisch und physikalisch korrekt sind. Unter Verwendung des Multimethodenansatzes können Reduktionsfaktoren berechnet werden. Methode ist übertragbar. Meeresspiegelszenarien aus der Literatur und Pegelbeobachtung ermöglichen Klimazuschlag. Transfermodelle und numerische Modelle übertragen Sturmflut auf andere Pegel. Mithilfe von Kalypso erfolgt die Übertragung der Wasserstände an den Deich. Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 33

34 Veröffentlichungen im Rahmen von Risk Gönnert, G. & S. Thumm: Das Risiko von Exfluten in Ästuaren angesichts globalen Klimawandels. In: Coastline Reports 16 (2010) Gönnert, G., Buß, Th. & Dipl.-Ing. S. Thumm: Coastal Protection in Hamburg due to climate change. An example to design an exe storm surge event. In:Proceedings of the First International Conference Coastal Zone Management of River Deltas and Low Land Coastlines, S Bruss, G., G. Gönnert & R. Mayerle: Exe scenarios at the German North Sea Coast. A numerical model study. In: Proceedings of The InternationalConference On Coastal Engineering, No. 32 (2010), Shanghai, China. Paper #: currents.26. Retrieved from Gönnert, G., Gerkensmeier, B., Sossidi, K., (2012): A method for calculating exe storm surges considering non-linear effects for application in risk analyses and climate change scenarios. Natural Hazards, manuscript submitted Gönnert, G. & K. Sossidi: A new approach to calculate exe storm surges: Analysing the interaction of storm surge components. In: Benassai, G., C.A. Brebbia & G.R. Rodriguez (Hrsg.) (2011): Coastal Processes II. Southhampton, S Gönnert, G., Sossidi, K. (2011): A new method to calculate exe storm surges. Irrigation and Drainage, Vol. 60, Issue Supplement S1, 91-98, first published online Gönnert, G., Jensen, J., von Storch, H., Thumm, S., Wahl, Th. & R. Weisse: Der Meeresspiegelanstieg - Ursachen, Tendenzen und Risikobewertung. In: Die Küste, Heft 76, Gönnert, G.: A new method of approaching exe storm surge events in order to calculate Design Level or Risk Analyses. Abstract accepted Januar 2012 Gönnert, G. & B. Gerkensmeier: A 2-method-concept to approach exe storm surge events- combination of deterministic-empirical and numerical methods. Paper submitted Januar 2012 Gönnert, G. & B. Gerkensmeier: Development of exe storm surge events results of the RisK project. Beitrag TP1a im Rahmen der Gesamtdarstellung des Projektes durch alle TPs, paper submitted März 2012 Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 34

35 Veröffentlichungen im Rahmen von Risk Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 35

36 Vielen Dank Vielen Dank Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 36