Unsicherheiten bei der Ermittlung der Seegangsverhältnisse im Küstenbereich

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Kerstin Schenck
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1 Unsicherheiten bei der Ermittlung der Seegangsverhältnisse im Küstenbereich Christian Schlamkow / Norman Dreier Fachgebiet Küstenwasserbau Universität Rostock UNIVERSITÄT ROSTOCK

2 Fragestellungen in RADOST (Modul 2, Natur- und ingenieurwissenschaftliche Forschung) Wie werden sich die veränderten meteorologischen und ozeanographischen Randbedingungen auf lokaler, kleinräumiger Ebene langfristig auswirken? Wie können sich diese Entwicklungen auf grundsätzliche Anpassungsstrategien im Küstenschutz auswirken? Wie können sich langfristig veränderte Wasserstände und veränderte Seegangs- und Strömungsbedingungen auf örtliche Sedimentationsund Erosionsprozesse auswirken? Wie kann sich der veränderte Sedimenttransport resultierend auf die morphologische Entwicklung der deutschen Ostseeküste (speziell für die Fokusgebiete) auswirken? Wo kann die Küstenlinie in ca. 50 Jahren liegen? UNIVERSITÄT ROSTOCK 2

3 Fragestellungen in RADOST (Modul 1, Fokusthema1: Küstenschutz) Wie können die Strategien und Optionen der Küstenschutzplanung für die deutsche Ostseeküste unter der Annahme veränderter klimatischer Randbedingungen entwickelt werden? Wie verändern sich die Umweltbedingungen im Küstenvorfeld (Monitoring)? Welche Anpassungsmaßnahmen können konkret sinnvoll / erforderlich sein (Fallstudien in den Fokusgebieten)? UNIVERSITÄT ROSTOCK 3

4 Verfahren zur Ermittlung von Seegangsdaten für die Bemessung von Küstenschutzbauwerken Seegangsmessung (Wellenmessboje, Radar, Druckmessdosen, AWAC, ) analytische Vorhersageverfahren (Shore Protection Manual, Wagner, JONSWAP / TMA, ) Wind-Wellen-Korrelationsrechnungen numerische Simulationsrechnungen (SWAN, Mike 21, WAM, WaveWatch, ) UNIVERSITÄT ROSTOCK 4

5 Seegangsmessungen in der Ostsee - als Vergleichsgrundlage - zur Ermittlung von Wind- Wellen- Korrelationsrechnungen - ggf. direkte Ableitung von Bemessungswerten UNIVERSITÄT ROSTOCK 5

Beispiel: Seegangsmessungen vor Warnemünde Messzeitraum: 07/1998

max Wellenperioden T 02, T 01, T p, T -1,0, T H1/3,

6 Beispiel: Seegangsmessungen vor Warnemünde Messzeitraum: 07/ /2002 Wassertiefe: d=12m Parameter: Wellenhöhen H m0, H 1/3, H max Wellenperioden T 02, T 01, T p, T -1,0, T H1/3, Wellenanlaufrichtung Θ M Seegangsspektren UNIVERSITÄT ROSTOCK 6

7 Wind-Wellen-Korrelationsrechnungen UNIVERSITÄT ROSTOCK 7

8 Vergleich Wellenhöhen UNIVERSITÄT ROSTOCK 8

9 Wellenhöhen H m0 Warnemünde (WWK) UNIVERSITÄT ROSTOCK 9

10 Wellenhöhe an weiteren Lokationen (WWK) UNIVERSITÄT ROSTOCK 10

11 Wellenperioden T 02 Warnemünde (WWK) UNIVERSITÄT ROSTOCK 11

12 Wellenanlaufrichtungen Θ M Warnemünde (WWK) UNIVERSITÄT ROSTOCK 12

13 Zusammenfassung Wind-Wellen- Korrelationsrechnungen Vorteile vergleichsweise geringe Unsicherheiten bei allen ermittelten Seegangsparametern schnelle Ermittlung der lokalen Seegangsverhältnisse über lange Zeiträume (Klimaläufe) basierend auf Wind an einer definierten Lokation ggf. Berücksichtigung eines Offsets in den Klimaläufen möglich Nachteile nur für Lokationen möglich an denen Seegangsmessungen vorliegen ggf. größere Unsicherheiten wenn durch den Klimawandel höhere Windgeschwindigkeiten zu erwarten sind UNIVERSITÄT ROSTOCK 13

14 Numerische Modellierung mit dem Modell SWAN SWAN instationär: mit realen Windfeldern in etwa 7,5x7,5 km räumlicher und 1h zeitlicher Auflösung SWAN stationär: konstanter Wind weht zeitlich unbeschränkt im gesamten Simulationsgebiet UNIVERSITÄT ROSTOCK 14

15 Wellenhöhen H m0 Warnemünde (SWAN instationär) UNIVERSITÄT ROSTOCK 15

16 Wellenhöhen H m0 Damp (SWAN instationär) UNIVERSITÄT ROSTOCK 16

17 Wellenperioden T 02 Warnemünde (SWAN instationär) UNIVERSITÄT ROSTOCK 17

18 Wellenanlaufrichtungen Θ M Warnemünde (SWAN instationär) UNIVERSITÄT ROSTOCK 18

19 Zusammenfassung instationäre SWAN-Simulationen Vorteile vergleichsweise geringe Unsicherheiten für die Wellenhöhen und Wellenanlaufrichtungen Berechnung der Seegangsparameter für beliebige Lokationen in der Ostsee Nachteile vergleichsweise große Abweichungen für die Wellenperioden großer Rechenaufwand UNIVERSITÄT ROSTOCK 19

20 Stationäre SWAN-Simulationen Vorgehensweise 1. Simulationsrechnungen für alle auftretenden Windgeschwindigkeiten und richtungen (36 Richtungen, Windgeschwindigkeiten 1 m/s bis 30 m/s, Wasserstände NN, NN +0,3 m, NN +0,6 m, NN +0,9m) 2. Speicherung der Ergebnisse in einer Datenbank 3. Ermittlung von Zeitserien auf der Grundlage lokaler Windreihen (Windmessungen des DWD) nur sinnvoll für Gebiete mit geringer Ausdehnung (z.b. westliche Ostsee), da der Wind über dem gesamten Berechnungsgebiet einheitlich eingesteuert wird UNIVERSITÄT ROSTOCK 20

21 Wellenhöhen H m0 Warnemünde (SWAN stationär) UNIVERSITÄT ROSTOCK 21

22 Wellenhöhen H m0 Schönhagen (SWAN stationär) UNIVERSITÄT ROSTOCK 22

23 Wellenperioden T 02 Warnemünde (SWAN stationär) UNIVERSITÄT ROSTOCK 23

24 Wellenanlaufrichtungen Θ M Warnemünde (SWAN stationär) UNIVERSITÄT ROSTOCK 24

25 Zusammenfassung stationäre SWAN-Simulationen Vorteile für Küstenschutzfragen akzeptable Unsicherheiten für die Wellenhöhen und Wellenanlaufrichtungen Berechnung der Seegangsparameter für beliebige Lokationen in der Ostsee schnelle Ermittlung der lokalen Seegangsverhältnisse über lange Zeiträume (Klimaläufe) basierend auf Wind an einer definierten Lokation ggf. Berücksichtigung eines Offsets in den Klimaläufen möglich Nachteile große Abweichungen für die Wellenperioden Unsicherheiten sind größer als bei den anderen Verfahren UNIVERSITÄT ROSTOCK 25

26 Vergleich Wellenhöhen stationäre Simulationen Bsp.: Schardeich Ostküste S-H, Landesschutzdeich Probstei gewähltes Profil: Wasserstände: BHW = NN +3,40m HHW( ) = NN +2,97m Abmessungen: Kronenhöhe = NN +4,50m Länge 14,3km Ausgabe: P1, P2 (250m DWF) Randbedingungen für Rechnung: MW=NN+0,00/0,30/0,60/0,90m ThetaW=0-350 ( =10 ) U=25m/s UNIVERSITÄT ROSTOCK 26

27 Vergleich Wellenhöhen stationäre Simulationen (MW) Berechnungspunkt 1 U=25m/s Hm0 [m] bei ThetaW [ ] P1 MW [m NN] d [m] Differenz H [%] 0,00 6,38 2,04 2,33 2,50 2,54 2,57 2,59 2,56 2,55 2,49 0 0,30 6,68 2,06 2,39 2,59 2,64 2,67 2,69 2,66 2,64 2,57 +3,9 0,60 6,98 2,08 2,45 2,68 2,73 2,77 2,79 2,75 2,73 2,65 +7,7 0,90 7,28 2,09 2,49 2,76 2,82 2,86 2,88 2,86 2,82 2,71 +11,2 Berechnungspunkt 2 U=25m/s Hm0 [m] bei ThetaW [ ] MW [m NN] d [m] Differenz H [%] P2 0,00 0,24 0,23 0,27 0,32 0,33 0,33 0,33 0,30 0,29 0,28 0 0,30 0,54 0,44 0,46 0,48 0,45 0,46 0,45 0,44 0,42 0,42 +36,4 0,60 0,84 0,63 0,63 0,62 0,60 0,61 0,60 0,59 0,58 0,57 +81,8 0,90 1,14 0,74 0,74 0,73 0,74 0,75 0,75 0,79 0,73 0, UNIVERSITÄT ROSTOCK 27

28 Ausblick Bewertung der Unsicherheiten der in den CLM-Simulationen berechneten Windgeschwindigkeiten und richtungen Bewertung der Genauigkeit lokaler Strömungssimulationen mit GETM Berechnung lokaler Seegangs- und Strömungsbedingungen für die Fokusgebiete Untersuchungen zur Auswirkung der veränderten Randbedingungen auf Küstenschutzwerke UNIVERSITÄT ROSTOCK 28

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