Elisabeth Rudolph & Christine Kremp
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- Kristian Breiner
- vor 6 Jahren
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1 OPTEL - Windstaustudien und Entwicklung eines operationellen Tideelbemodells Vorstellung KFKI-Projekt OPTEL-C: Entwicklung eines operationellen Tideelbemodells sowie Modellkopplung mit dem BSH Vorhersagemodell der Nordsee Elisabeth Rudolph & Christine Kremp North Sea Elbe courtesy of HPA (T.Strotmann, B.Hartwich) Hamburg Jade-Weser Originaldaten: MERIS FR ESA 2006 Bildbearbeitung: Brockmann Consult 2010
2 OPTEL Operationelles Vorhersagemodell für die Tideelbe BSH 2007: Entwicklung eines operationellen Vorhersagemodells für das Elbeästuar Ziel: Verbesserung der Vorhersage von Wasserstand, Strömung und Salztransport entlang des Elbe Ästuares zwischen Cuxhaven und Hamburg für normale und extreme Situationen (z.b. Sturmflut, Sturmebbe, hoher Abfluss) wichtig für Schifffahrt z.b. Containerschiffe auf dem Weg zum Hafen Hamburg Sturmflutschutz Idee: entwickle 2 unterschiedliche Vorhersagemodelle Elbe und betrachte die jeweiligen Vor- und Nachteile im operationellen Betrieb OPTEL: 1. April März Seite 2
3 OPTEL Operationelles Vorhersagemodell für die Tideelbe Partner im KFKI - Forschungsprojekt OPTEL OPTEL D: HPA - Hamburg Port Authority: Messungen und Datenanalyse (KFKI Seminar 2009) OPTEL B: DWD Deutscher Wetterdienst: Wettervorhersagen und lokale Vorhersagewindfelder über dem Elbeästuar (KFKI Seminar 2009) OPTEL A: BSH Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie : Wasserstands-, Strömungs- und Salzgehaltsvorherssage für die Nordsee und das Elbeästuar mit HN-Modell BSH-cmod OPTEL C: BAW Bundesanstalt für Wasserbau: Wasserstands-, Strömungs- und Salzgehaltsvorhersage für das Elbeästuar mit HN-Modell UnTRIM2007 BMBF - Förderkennzeichen 03KIS071 Seite 3
4 Hydrodynamisch - numerisches Modell des Elbe Ästuares Topographie von Cuxhaven bis Bleckede Nord Breite ~ 15 km Breite ~ 3 km Breite ~ 300 m 10,00 [ mnn ] 5,00 0,00-5,00-10,00-15,00-20,00-25,00-30,00-35,00 Topographie Fahrrinnenmitte Cux Brun Glück Schul St.Pauli Zollenspieker Geesthacht Bleckede Elbe - Kilometer Topographie 2006, HN Modell: UnTRIM (V.Casulli, Uni Trento) siehe BAWiki auf Seite 4
5 Hydrodynamisch - numerisches Modell des Elbe Ästuares BAW Vorhersagemodell Elbe HN Modell UnTRIM V.Casulli, Uni Trento, alle Details unter: Mathematisches Verfahren UNTRIM BAW-Methoden-Wiki BakeZ 3D finite Differenzen/finite Volumen Scharhoern BakeW Cuxhaven Brunsbuettel Gitter: unstrukturiert, orthogonal Topographie: 2006 Glueckstadt mnn Schulau Hamburg St.Pauli km Bunthaus Geesthacht 12 h real = 25 min CPU mit 8 Processoren auf sgi der BAW Bleckede Seite 5
6 Hydrodynamisch - numerisches Modell des Elbe Ästuares BAW Vorhersagemodell Elbe HN Modell UnTRIM V.Casulli, Uni Trento, alle Details unter: Mathematisches Verfahren UNTRIM BAW-Methoden-Wiki BakeZ 3D finite Differenzen/finite Volumen Scharhoern BakeW Cuxhaven Brunsbuettel Gitter: unstrukturiert, orthogonal Topographie: 2006 Glueckstadt mnn Schulau Hamburg St.Pauli km Bunthaus Geesthacht 12 h real = 25 min CPU mit 8 Processoren auf sgi der BAW Bleckede Seite 6
7 BAW Vorhersagemodell Elbe BakeZ h(t), S(t) Scharhoern BakeW Cuxhaven Wind(t) Brunsbuettel mnn Glueckstadt HN - Modell: UnTRIM2007 (3D mit Salz) dx: 5 m bis 930 m Elementflächen: 75 m 2 to m 2 Anzahl Kanten ns: Anzahl Elemente ne: dz = 2 m dt = 100 s Randwerte: Wind: Vorhersage des DWD (COSMO-EU) Oberwasserzufluss Q(t): Messung Neu Darchau Rand zur Nordsee: Wasserstand h(t) und Salzgehalt S(t): Vorhersage des BSH (BSHcmod) Schulau Hamburg St.Pauli km Bunthaus Geesthacht 12 h real = 25 min CPU mit 8 Processoren auf sgi der BAW Bleckede Q(t) Seite 7
8 Vorbereitung Randwerte COSMO-EU Wettervorhersagemodell DWD meteorologischer Präprozessor Ergebnis: Windfeld über dem Elbeästuar BSHcmod Nordsee-Vorhesagemodell BSH hydrologischer Präprozessor Ergebnis: h(t), S(t) am offenen Elberand zur Nordsee BAW Vorhersagemodell Elbe Oberwasserzufluss Messung Neu - Darchau Seite 8
9 Vorbereitung Randwerte: Wind COSMO-EU grobes Gitter: 7 km x 7 km Verfeinerung mit WAsP Korrekturfaktoren feines Gitter: 250 m x 250 m (Korrekturfaktoren aus OPTEL B, DWD, Vortrag A.Ganske KFKI-Seminar 2009) Seite 11
10 Kalibrierung und Validierung BAW Vorhersagemodell Elbe Auswahl der geeigneten Zeiträume durch OPTEL D, HPA Kalibrierung: Szenario 1: mittlere Verhältnisse, kein Wind, Q = 400 m 3 /s (Juli 2006) Validierung: Szenario 2: zunehmender Abfluss (April 2006) Szenario 3: abnehmender Abfluss (April 2006) Szenario 4: starker Ostwind (Januar 2008) Szenario 5: Sturmflut 1. November 2006 Szenario 6: Sturmflut Januar 2007 Wasserstandsrandwerte aus Messungen für die Szenarien aus 2006 Vorhersagemodell Nordsee BSHcmod für alle Szenarien was kann man vom BAW Vorhersagemodell Elbe erwarten? Seite 12
11 4 Szenarien in 2006: Abfluss Neu Darchau Observations of fresh water discharge in Neu Darchau hoher Abfluss (sz2, sz3) fresh water discharge [m**3/s] mittlere Verhältnisse (sz1) Sturmflut (sz5) Seite 13
12 Randwerte Nordsee: Wasserstand 3.5 Szenario 1: Wasserstand Bake A 2.5 Wasserstand [mnn] Messung (zur Randwertgenerierung verwendet) Vorhersage aus BSHcmod (Vorhersagemodell Nordsee, Randwert) Seite 14
13 Randwerte Nordsee: Wasserstand Wasserstand [mnn] Szenario 1: Wasserstandsvorhersage Bake A Nordseemodell Hochwasser Thw: gute Übereinstimmung mit Messung Niedrigwasser Tnw: Nordseemodell nicht tief genug Messung (zur Randwertgenerierung verwendet) Vorhersage aus BSHcmod (Vorhersagemodell Nordsee, Randwert) Seite 15
14 Szenario 1: Juli 2006 verwende beide Randwerte 3,5 Cuxhaven water level [mnn] 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0-0,5-1 -1,5-2 -2, measurement Cuxhaven u07 Cuxhaven (boundary value: BSHcmod) u07 Cuxhaven (boundary value: measurement) Seite 16
15 Szenario 1: Juli 2006 verwende beide Randwerte 3,5 Cuxhaven water level [mnn] 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0-0,5-1 -1,5-2 bessere Ergebnisse durch bessere Randwerte -2, measurement Cuxhaven u07 Cuxhaven (boundary value: BSHcmod) u07 Cuxhaven (boundary value: measurement) Seite 17
16 Szenario 1: Juli 2006 verwende beide Randwerte 3,5 Hamburg St.Pauli water level [mnn] 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0-0,5-1 -1,5-2 -2, measurement St.Pauli u07st.pauli (boundary value: BSHcmod) u07 St.Pauli (boundary value: measurement) Seite 18
17 Szenario 1: Juli 2006 verwende beide Randwerte Hamburg St.Pauli water level [mnn] 3,5 3 2,5 2 1,5 1 Tidehochwasser Thw gut, Tideniedrigwasser Tnw könnte besser sein 0,5 0-0,5-1 -1,5-2 -2, measurement St.Pauli u07st.pauli (boundary value: BSHcmod) u07 St.Pauli (boundary value: measurement) Seite 19
18 Szenario 5: Sturmflut 1. November 2006 Wasserstand Cuxhaven Bedeutung der WAsP Korrekturfaktoren Wasserstand [mnn] 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0-0,5-1,0-1, Messung Cuxhaven u07 Cuxhaven Randwerte Messung Bake Z, Wind ohnewasp u07 Cuxhaven Randwerte Messung Bake Z, Wind mit WAsP Seite 22
19 Szenario 5: Sturmflut 1. November 2006 Wasserstand Hamburg St.Pauli Wasserstand [mnn] 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0-0,5-1,0-1,5 durch WAsP Korrekturfaktoren HW 17 cm höher Messung St. Pauli u07 St. Pauli Randwerte Messung Bake Z, Wind ohne WAsP u07 St. Pauli Randwerte Messung Bake Z, Wind mit WAsP Seite 23
20 Tidehochwasser Thw entlang des Elbe Ästuares: Randwerte aus Messung diff Thw (Messung Modell) < +/- 10 cm 0.3 Modell < Messung Abweichungen [m] Modell > Messung BakeZ Zehnerloch Cuxhaven Brunsbüttel Brokdorf Glückstadt Grauerort Stadersand Schulau St.Pauli Bunthaus Zollenspieker Altengamme Geesthacht_UP Szenario 1 (Bl) Szenario 1 (G) Szenario 2 Szenario3 Szenario 5 Seite 26
21 Tidehochwasser Thw entlang des Elbe Ästuares: Randwerte aus Messung diff Thw (Messung Modell) < +/- 10 cm Abweichungen [m] BakeZ Zehnerloch Cuxhaven Brunsbüttel hohes Q: Vorhersage Thw nicht hoch genug Brokdorf Glückstadt Sturmflut: Vorhersage Thw zu hoch Grauerort Stadersand Schulau St.Pauli Bunthaus Zollenspieker Altengamme Geesthacht_UP Modell < Messung Modell > Messung Szenario 1 (Bl) Szenario 1 (G) Szenario 2 Szenario3 Szenario 5 Seite 27
22 Tidehochwasser Thw entlang des Elbe Ästuares: Randwerte aus Vorhersagemodell BSHcmod diff Thw (Messung Modell) < + 10 cm / -25 cm Abweichungen [m] Modell < Messung Modell > Messung -0.3 BakeZ Zehnerloch Cuxhaven Brunsbüttel Brokdorf Glückstadt Grauerort Stadersand Schulau St.Pauli Bunthaus Zollenspieker Altengamme Geesthacht_UP Szenario 1 (Bl) Szenario 1 (G) Szenario 2 Szenario3 Szenario 5 Seite 28
23 Tideniedrigwasser Tnw entlang des Elbe Ästuares: Randwerte aus Messung diff Tnw (Messung Modell) < +/- 40 cm 0.7 Abweichungen [m] Modell < Messung Modell > Messung BakeZ Zehnerloch Cuxhaven Brunsbüttel Brokdorf Glückstadt Grauerort Stadersand Schulau St.Pauli Bunthaus Zollenspieker Altengamme Geesthacht_UP Szenario 1 (Bl) Szenario 1 (G) Szenario 2 Szenario3 Szenario 5 Seite 29
24 Tideniedrigwasser Tnw entlang des Elbe Ästuares: Randwerte aus Messung Abweichungen [m] diff Tnw (Messung Modell) < +/- 40 cm BakeZ Zehnerloch Tnw im Modell nicht niedrig genug Cuxhaven Brunsbüttel Brokdorf Glückstadt Grauerort Stadersand hoher Abfluss Q: Tnw im Modell zu niedrig Schulau St.Pauli Bunthaus Zollenspieker Altengamme Geesthacht_UP Modell < Messung Modell > Messung Szenario 1 (Bl) Szenario 1 (G) Szenario 2 Szenario3 Szenario 5 Seite 30
25 Tideniedrigwasser Tnw entlang des Elbe Ästuares: Randwerte aus Vorhersagemodell BSHcmod Abweichungen [m] diff Tnw (Messung Modell) < - 60 cm / + 30 cm BakeZ Zehnerloch Tnw im Modell nicht niedrig genug Cuxhaven Brunsbüttel Brokdorf Glückstadt Grauerort hoher Abfluss Q: Tnw im Modell zu niedrig Stadersand Schulau St.Pauli Bunthaus Zollenspieker Altengamme Geesthacht_UP Szenario 1 (Bl) Szenario 1 (G) Szenario 2 Szenario3 Szenario 5 Modell < Messung Modell > Messung Seite 31
26 BAW Vorhersagemodell Elbe präoperationell auf BSH - Rechner seit Januar 2011 präoperationelle Testphase Vorhersagezeitraum: 24 Stunden jeden Tag um Mitternacht beim BSH: Vorhersage Nordsee (BSH-cmodnoku ~ 2 Stunden) Vorbereitung Randwerte für BAW Vorhersagemodell Elbe ( ~ 1,5 Stunden) Vorhersage Elbe (BAW-UnTRIM2007 ~ 1,5 Stunden) Vorhersage Nordsee mit Elbe (BSH-cmodnokuel ~ 8,5 Stunden) BSH-cmod Vorhersage für Wasserstand, Strömung, Salzgehalt, Temperatur und Eisbedeckung Seite 32
27 präoperationell seit Januar 2011: hoher Oberwasserzufluss im Januar 2011 hier 8 * 24 h Vorhersage 6 5 Q = 2330 m3/s Q = 3570 m3/s Wasserstand [m] Messung Bake A Messung Bake A u07 BakeZ Messung Wehr UP Messung Wehr UP u07 Wehr_UP Seite 34
28 präoperationell seit Januar 2011: hoher Oberwasserzufluss im Januar Q = 2330 m3/s Q = 3570 m3/s 2 Wasserstand [m] Messung Cuxhaven Messung Cuxhaven u07 Cuxhaven Messung St.Pauli Messung St.Pauli u07 St.Pauli Seite 35
29 präoperationell seit Januar 2011: hoher Oberwasserzufluss im Januar 2011 St.Pauli wie erwartet: 3 Q = 2330 m3/s Vorhersage Thw nicht hoch genug Q = 3570 m3/s 2 Wasserstand [m] wie erwartet: Tnw nicht tief genug Messung Cuxhaven Messung Cuxhaven u07 Cuxhaven Messung St.Pauli Messung St.Pauli u07 St.Pauli Seite 36
30 präoperationell seit Januar 2011: Sturmflut im Februar Q = 1490 m3/s Q = 1930 m3/s Wasserstand [m] Messung Bake Z Messung Bake Z u07 BakeZ Messung Wehr UP Messung Wehr UP u07 Wehr_UP Seite 37
31 präoperationell seit Januar 2011: Sturmflut im Februar 2011 St.Pauli wie erwartet: 5 Q = 1490 m3/s Vorhersage Thw zu hoch Q = 1930 m3/s 4 Wasserstand [m] Messung Cuxhaven Messung Cuxhaven u07 Cuxhaven Messung St.Pauli Messung St.Pauli u07 St.Pauli Seite 38
32 Vorhersage für Oktober 2011 u07 Vorhersage Elbe 3,50 3,00 2,50 2,00 Q = 553 m3/s Q = 592 m3/s Wasserstand [mnn] 1,50 1,00 0,50 0,00-0,50-1,00-1,50-2,00-2, u07 BakeZ (Randwert aus Vorhersage) u07 Hamburg St.Pauli Seite 39
33 Vorhersage für Dienstag 25. Oktober 2011 anhaltender Ostwind u07 Vorhersage Elbe 3,50 3,00 Q = 626 m3/s 24 Stunden Vorhersage Q = 592 m3/s 2,50 2,00 Wasserstand [mnn] 1,50 1,00 0,50 0,00-0,50-1,00-1,50-2,00-2,50-3, u07 BakeZ (Randwert aus Vorhersage) u07 Hamburg St.Pauli Seite 40
34 Vorhersage für Dienstag 25. Oktober 2011 anhaltender Ostwind u07 Vorhersage Elbe 3,50 3,00 Q = 626 m3/s 24 Stunden Vorhersage Q = 592 m3/s 2,50 2,00 Wasserstand [mnn] 1,50 1,00 0,50 0,00-0,50-1,00-1,50-2,00-2,50-3, Messung Bake Z PegelOnline u07 BakeZ (Randwert aus Vorhersage) Messung Hamburg St.Pauli PegelOnline u07 Hamburg St.Pauli Seite 41
35 Vorhersage für den 25. Oktober :05 UTC Elbmündung Wasserstand Strömung (oberflächennah) Salz (oberflächennah) Seite 43
36 Vorhersage für den 25. Oktober :00 UTC Elbmündung Wasserstand Strömung (oberflächennah) Tnw Bake Z Salz (oberflächennah) Seite 44
37 Vorhersage für den 25. Oktober :00 UTC Elbmündung Wasserstand Strömung (oberflächennah) Salz (oberflächennah) Seite 45
38 Vorhersage für den 25. Oktober :00 UTC Elbmündung Wasserstand Strömung (oberflächennah) Thw Bake Z Salz (oberflächennah) Seite 46
39 Vorhersage für den 25. Oktober 2011 UTC Elbmündung Wasserstand Strömung (oberflächennah) Salz (oberflächennah) Seite 47
40 Vorhersage für den 25. Oktober :05 UTC Hafen Hamburg Wasserstand Strömung (oberflächennah) Seite 48
41 Vorhersage für den 25. Oktober :00 UTC Hafen Hamburg Wasserstand Strömung (oberflächennah) Seite 49
42 Vorhersage für den 25. Oktober :00 UTC Hafen Hamburg Wasserstand Strömung (oberflächennah) Seite 50
43 Vorhersage für den 25. Oktober :00 UTC Hafen Hamburg Wasserstand Strömung (oberflächennah) Tnw St.Pauli Seite 51
44 Vorhersage für den 25. Oktober 2011 UTC Hafen Hamburg Wasserstand Strömung (oberflächennah) Seite 52
45 Zusammenfassung Projektziele Optel C (BAW) Entwicklung eines operationellen Vorhersagemodells für die Elbe sowie Modellkopplung mit dem BSH-Vorhersagemodell der Nordsee 4 Szenarien unter optimalen Bedingungen Abweichungen Thw ± 10 cm und Tnw ± 40 cm 6 Szenarien unter Vorhersagebedingungen Abweichungen Thw + 10 cm / - 25 cm und Tnw - 60 cm / + 30 cm präoperationeller Betrieb seit Januar 2011 BAW Vorhersagemodell Elbe läuft problemlos beim BSH jeden Tag gegen ca. 2:00 Uhr eine 24 Stunden Vorhersage benötigt ca. 1,5 Stunden Vorbereitung, ca. 1,5 Stunden Vorhersagezeit 24 Stunden Vorhersage gegen 5:00 Uhr fertig startklar für Vorhersagen für beliebige Ästuare alle Details im Abschlussbericht OPTEL C Seite 53
46 Ausblick und Dank nächste Schritte: Verlängerung der Vorhersagezeitraums auf 48 Stunden Standard BAW UnTRIM2007 Version beim BSH installiert Verbesserung der Kalibrierung (in Arbeit) Verwende Ergebnisse aus operationellem Betrieb als Element der Qualitätssicherung in der BAW Dank an Vincenzo Casulli, Universität Trient KFKI Hartmut Komo, BSH Projektbegleitende Gruppe Projektpartner BSH, DWD, HPA Projektträger Jülich BMBF - Förderkennzeichen 03KIS071 Seite 54
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