Orkan Xaver Seegangsstatistik an den Stationen FINO 1 und Borkum-Südstrand

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1 Orkan Xaver Seegangsstatistik an den Stationen FINO 1 und Borkum-Südstrand S. Mai, J. Wilhelmi, T. Zenz, U. Barjenbruch Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG) 19. KFKI-Seminar Bremerhaven, Forschungsplattform FINO 1, Photo: S. Rütten (BfG) Pegel Borkum-Südstrand Photo: S. Rütten (BfG) Mai, Wilhelmi, Zenz, Barjenbruch: Orkan Xaver Seegangsstatistik an den Stationen FINO 1 und Borkum-Südstrand, 19. KFKI-Seminar, Seite 1

2 Berührungslose Wasserstands- und Seegangsmessung Messprinzip eines einzelnen Radarsensors: Messung der Laufzeit eines Radarpulses vom Sensor zur Wasseroberfläche Proportionalität von Laufzeit und Abstand Ergebnis: Zeitreihen der Wasserspiegelauslenkung Sternförmiges Array mit Sensoren Messprinzip des Arrays von Radarsensoren: Kreuzkorrelation der Zeitreihen der Wasserspiegelauslenkung Ergebnis: Seegangsrichtungsspektrum Mindesterfordernis zur Richtungsbestimmung: 3 einzelne Radarsensoren Verwendeter Sensortyp: Vegapuls 61 Pegel Borkum-Südstrand Photo: S. Rütten (BfG) Zusatznutzen: Redundanz in der Messung von 1-D Wellenparametern 1-D Seegangsspektrum und Wasserstand Mai, Wilhelmi, Zenz, Barjenbruch: Orkan Xaver Seegangsstatistik an den Stationen FINO 1 und Borkum-Südstrand, 19. KFKI-Seminar, Seite

3 Seegangsbedingungen bei FINO 1 Charakteristische Seegangsparameter W [mnn] T0 [s] s [m] 5 T- [s] max [m] Tp [s] Tag im Dezember 013 Tag im Dezember 013 Mai, Wilhelmi, Zenz, Barjenbruch: Orkan Xaver Seegangsstatistik an den Stationen FINO 1 und Borkum-Südstrand, 19. KFKI-Seminar, Seite 3

4 Seegangsbedingungen bei Borkum-Südstrand Charakteristische Seegangsparameter 1 W [mnn] 0 T0 [s] s [m] T- [s] max [m] Tag im Dezember 013 Tag im Dezember 013 Tp [s] Mai, Wilhelmi, Zenz, Barjenbruch: Orkan Xaver Seegangsstatistik an den Stationen FINO 1 und Borkum-Südstrand, 19. KFKI-Seminar, Seite

5 Seegangsbedingungen bei FINO 1 Zeitliche Entwicklung des Seegangsspektrums Spektrogramm db-skala Frequenz [z] Stunden Zeitintervall zur Analyse im Zeitbereich Tag im Dezember 013 Mai, Wilhelmi, Zenz, Barjenbruch: Orkan Xaver Seegangsstatistik an den Stationen FINO 1 und Borkum-Südstrand, 19. KFKI-Seminar, Seite 5

6 Seegangsbedingungen bei Borkum-Südstrand Zeitliche Entwicklung des Seegangsspektrums db-skala Stunden Zeitintervall zur Analyse im Zeitbereich Mai, Wilhelmi, Zenz, Barjenbruch: Orkan Xaver Seegangsstatistik an den Stationen FINO 1 und Borkum-Südstrand, 19. KFKI-Seminar, Seite 6

7 Seegangsbedingungen bei FINO 1 Gemessene Wellenhöhen-Verteilung , Stunden Die aus Messungen der Sensoren gewonnen Wellenhöhenstatistiken stimmen bis zu einer Überschreitungswahrscheinlichkeit von. - überein. Überschreitungswahrscheinlichkeit [-] Sensor 1 (m0=7.78, max=1.9) Sensor (m0=7.7, max=1.3) Sensor 3 (m0=7.78, max=15.3) Sensor (m0=7.79, max=15.0) Wellenhöhe [m] Für höhere Wellen ist durch die Messung mit Sensoren eine Abschätzung der Messunsicherheit möglich. Die maximale Abweichung der Wellenhöhe während des Orkans Xaver" betrug: Wahrscheinlichkeit von - : max( ) = 0. m Wahrscheinlichkeit von -3 : max( ) = 0.5 m Mai, Wilhelmi, Zenz, Barjenbruch: Orkan Xaver Seegangsstatistik an den Stationen FINO 1 und Borkum-Südstrand, 19. KFKI-Seminar, Seite 7

8 Seegangsbedingungen bei FINO 1 Vergleich der gemessenen Wellenhöhenverteilung mit der Rayleigh-Verteilung Überschreitungswahrscheinlichkeit [-] , Stunden -1 - Sensor 1 (rms= 5.6, m0=7.78, max=1.9) Sensor (rms= 5., m0=7.7, max=1.3) Sensor 3 (rms= 5.7, m0=7.78, max=15.3) -3 Sensor (rms= 5.8, m0=7.79, max=15.0) Rayleigh (rms= 5.6) Wellenhöhe [m] Rayleigh-Verteilung P() = exp rms Die Rayleigh-Verteilung überschätzt die Wahrscheinlichkeit hoher Wellen während des Orkans Xaver Eine Ursache hierfür kann das Auftreten von Wellenbrechen infolge der begrenzten Wassertiefe von 30 m sein. Zur Berücksichtigung dieses Effekts wurden verschiedene alternative Verteilungsfunktionen für Wellenhöhen vorgeschlagen, z.b. von Battjes und Groenendijk (000) Mai, Wilhelmi, Zenz, Barjenbruch: Orkan Xaver Seegangsstatistik an den Stationen FINO 1 und Borkum-Südstrand, 19. KFKI-Seminar, Seite 8

9 Exkurs: Wellenhöhen-Verteilung von Battjes und Groenendijk (000) Die Battjes/Groenendijk-Verteilung ist abschnittsweise definiert. Für niedrige Wellenhöhen entspricht sie der Rayleigh-Verteilung. Für höhere Wellenhöhen entspricht sie einer Weibull-Verteilung. exp 1 P() = k exp k tr 1 tr = ( βtr,1 + βtr, tan α) d tr tr Der Übergang zwischen den Verteilungen findet statt, sobald die Wellenhöhe größer ist als ca. 35% der Wassertiefe. Die Battjes-Groenendijk-Verteilung ist als Lösungsverfahren in das EurOtop- andbuch aufgenommen. k=3,60 β tr,1 =0,35 β tr, =5,80 Mai, Wilhelmi, Zenz, Barjenbruch: Orkan Xaver Seegangsstatistik an den Stationen FINO 1 und Borkum-Südstrand, 19. KFKI-Seminar, Seite 9

10 Überschreitungswahrscheinlichkeit [-] Seegangsbedingungen bei FINO 1 Vergleich der gemessenen Wellenhöhenverteilung mit der Battjes/Groenendijk-Verteilung , Stunden Sensor 1 (rms= 5.6, m0=7.78, max=1.9) Sensor (rms= 5., m0=7.7, max=1.3) Sensor 3 (rms= 5.7, m0=7.78, max=15.3) Sensor (rms= 5.8, m0=7.79, max=15.0) Battjes-Groenendijk (1=5.53, k=3.60, beta=0.350) Wellenhöhe [m] Battjes / Groenendijk - Verteilung exp 1 P() = k exp k tr 1 tr = ( βtr,1 + βtr, tan α) d Parametersatz: k=3,60 β tr,1 =0,35 β tr, =5,80 Die Parametrisierung von Battjes / Gronendijk scheint für den Orkan Xaver" nicht optimal. Die Übergangswassertiefe (zwischen Rayleighund Weibull-Verteilung) scheint zu groß. Der Parameter k der Weibull-Verteilung scheint zu groß. Ansatz des EurOtop bedarf der Prüfung. Mai, Wilhelmi, Zenz, Barjenbruch: Orkan Xaver Seegangsstatistik an den Stationen FINO 1 und Borkum-Südstrand, 19. KFKI-Seminar, Seite tr tr

11 Seegangsbedingungen bei FINO 1 Modifikation des Parametersatzes der Battjes/Groenendijk-Verteilung Überschreitungswahrscheinlichkeit [-] , Stunden -1 - sensor 1 (rms= 5.6, m0=7.78, max=1.9) sensor (rms= 5., m0=7.7, max=1.3) sensor 3 (rms= 5.7, m0=7.78, max=15.3) sensor (rms= 5.8, m0=7.79, max=15.0) -3 mod. Battjes-Groenendijk (Mai (0): k=.30, beta=0.165) mod. Battjes-Groenendijk (Anp. Xaver: k=.16, beta=0.18) Wellenhöhe [m] Battjes / Groenendijk-Verteilung exp 1 P() = k exp k tr = ( β tr tr,1 + βtr, 1 tan α) d Angepasster Parametersatz: k =.16 β = 0.18 Deutliche Änderung des originären Parametersatzes von Battjes/Groenendijk Leichte Änderungen gegenüber einem bereits publizierten modifizierten Parametersatz k =.30, β = Mai (0) (während Xaver" beschreibt dieser die Verteilung gut für Wahrscheinlichkeiten P > ) tr tr Mai, Wilhelmi, Zenz, Barjenbruch: Orkan Xaver Seegangsstatistik an den Stationen FINO 1 und Borkum-Südstrand, 19. KFKI-Seminar, Seite 11

12 Seegangsbedingungen bei Borkum-Südstrand Gemessenen Wellenhöhenverteilung und Vergleich mit verschiedenen Verteilungen , Stunden Die aus Messungen der Sensoren gewonnen Wellenhöhenstatistiken stimmen bis zu einer Überschreitungswahrscheinlichkeit von. -3 überein. Überschreitungswahrscheinlichkeit [-] sensor 1 (rms= 1.3, m0=1.7, max=3.6) sensor (rms= 1., m0=1.69, max=3.56) sensor 3 (rms= 1., m0=1.7, max=3.68) sensor (rms= 1.1, m0=1.70, max=3.9) Rayleigh (rms= 1.3) Battjes-Groenendijk (original: k=3.60, beta=0.350) mod. Battjes-Groenendijk (Mai (0): k=.30, beta=0.165) mod. Battjes-Groenendijk (k=.7, beta=0.158) Die Rayleigh-Verteilung überschätzt die Wahrscheinlichkeit hoher Wellen während des Orkans Xaver Die Parametrisierung von Battjes / Gronendijk scheint für den Orkan Xaver" nicht optimal. Geänderte Parametrisierung (vgl. Mai (0)) der Battjes-Groenendijk-Verteilung führt zu deutlich besserer Übereinstimmung Wellenhöhe [m] Mai, Wilhelmi, Zenz, Barjenbruch: Orkan Xaver Seegangsstatistik an den Stationen FINO 1 und Borkum-Südstrand, 19. KFKI-Seminar, Seite 1

13 Zusammenfassung Seegangsstatistik an den Stationen FINO 1 und Borkum-Südstrand Während des Orkans Xaver wurden mit dem Radar-Array folgende maximalen Wellenhöhen gemessen: FINO 1: s = 9,0 m max = 15,5 m Borkum-Südstrand: s = 1,9 m max = 3,68 m In der Wellenhöhenstatistik zeigt sich der Einfluss der begrenzten Wassertiefe. Die Rayleigh-Verteilung überschätzt die Wahrscheinlichkeit hoher Wellen. Die im EurOtop empfohlene Wellenhöhenverteilung nach Battjes/Groenendijk scheint in Bezug auf die Parametrisierung einer deutlichen Modifizierung zu bedürfen. Mai, Wilhelmi, Zenz, Barjenbruch: Orkan Xaver Seegangsstatistik an den Stationen FINO 1 und Borkum-Südstrand, 19. KFKI-Seminar, Seite 13

14 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Stephan Mai Referat M1 (ydrometrie und gewässerkundliche Begutachtung) Bundesanstalt für Gewässerkunde, Koblenz Telefon: , Fax: Mai, Wilhelmi, Zenz, Barjenbruch: Orkan Xaver Seegangsstatistik an den Stationen FINO 1 und Borkum-Südstrand, 19. KFKI-Seminar, Seite 1 Photo: S. Rütten (BfG)