Modellgestützte Untersuchungen zu extremen Sturmflutereignissen an der Deutschen Ostseeküste (MUSTOK)
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- Ulrike Althaus
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1 Modellgestützte Untersuchungen zu extremen Sturmflutereignissen an der Deutschen Ostseeküste (MUSTOK) Jürgen Jensen, Andreas Benkel, Ingrid Bork, Gerd Bruss, Peter Fröhle, Anette Ganske, Roberto Mayerle, Christoph Mudersbach, Sylvin Müller-Navarra, Gudrun Rosenhagen, Christian Schlamkow, Ralf Schmitz, Hans von Storch BMBF-Fördernummer 03 KIS KFKI-Fördernummer: KFKI Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 1 1
2 Inhalt Übersicht des Verbundprojektes und Ziele Rekonstruktion der Sturmflut vom 12./13. November 1872 MUSE Ostsee: Meteorologie MUSE Ostsee: Wasserstandsmodellierung MUSE Ostsee: Extremwertstatistik SEBOK A/B: Meteorologie SEBOK A/B: Wasserstandsmodellierung Zusammenfassung und Ausblick Rückblick: Workshop Sturmflutgefährdung der Ostseeküste Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 2 2
3 Inhalt Übersicht des Verbundprojektes und Ziele Rekonstruktion der Sturmflut vom 12./13. November 1872 MUSE Ostsee: Meteorologie MUSE Ostsee: Wasserstandsmodellierung MUSE Ostsee: Extremwertstatistik SEBOK A/B: Meteorologie SEBOK A/B: Wasserstandsmodellierung Zusammenfassung und Ausblick Rückblick: Workshop Sturmflutgefährdung der Ostseeküste Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 3 3
4 Übersicht des Verbundprojektes MUSTOK Koordinator: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jürgen Jensen, und Umwelt (fwu) der Modellgestützte Untersuchungen zu Sturmfluten mit sehr geringen Eintrittswahrscheinlichkeiten an der Deutschen Ostseeküste MUSE Ostsee Koordinator: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jürgen Jensen DWD, GKSS, BSH, fwu Entwicklung von Methoden zur Bestimmung maßgebender hydrodynamischer Bemessungsparameter für Küstenschutzanlagen an der Ostsee SEBOK A Schwerpunkt: Schleswig-Holstein Koordinator: Univ.-Prof. Dr. Roberto Mayerle DWD, GKSS, FTZ Entwicklung von Methoden zur Bestimmung maßgebender hydrodynamischer Bemessungsparameter für Küstenschutzanlagen an der Ostsee SEBOK B Schwerpunkt: Mecklenburg-Vorpommern Koordinator: Dr.-Ing. Peter Fröhle DWD, U Rostock Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 4 4
5 Übersicht des Verbundprojektes MUSTOK Koordinator: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jürgen Jensen, und Umwelt (fwu) der Modellgestützte Untersuchungen zu Sturmfluten mit sehr geringen Eintrittswahrscheinlichkeiten an der Deutschen Ostseeküste MUSE Ostsee Entwicklung von Methoden zur Bestimmung maßgebender hydrodynamischer Bemessungsparameter für Küstenschutzanlagen an der Ostsee SEBOK A Entwicklung von Methoden zur Bestimmung maßgebender hydrodynamischer Bemessungsparameter für Küstenschutzanlagen an der Ostsee SEBOK B Laufzeit: 01. Juli 2005 bis Koordinator: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jürgen Jensen DWD, GKSS, BSH, fwu Schwerpunkt: Schleswig-Holstein Koordinator: Univ.-Prof. Dr. Roberto Mayerle DWD, GKSS, FTZ Schwerpunkt: Mecklenburg-Vorpommern Koordinator: Dr.-Ing. Peter Fröhle DWD, U Rostock Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 5 5
6 MUSE Ostsee Ziel: Das Ziel von MUSE Ostsee ist die Ermittlung extremer Sturmflutwasserstände (physikalisch konsistent) und Zuordnung von Eintrittswahrscheinlichkeiten Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 6 6
7 SEBOK A Ziel: Das Ziel von SEBOK A ist die Ermittlung maßgebender Bemessungsparameter aus Wasserstand und Seegang über Szenarienrechnungen Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 7 7
8 SEBOK B Ziel: Das Ziel von SEBOK B ist die Ermittlung maßgebender Bemessungsparameter aus Wasserstand und Seegang über Langzeitsimulationen Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 8 8
9 Inhalt Übersicht des Verbundprojektes und Ziele Rekonstruktion der Sturmflut vom 12./13. November 1872 MUSE Ostsee: Meteorologie MUSE Ostsee: Wasserstandsmodellierung MUSE Ostsee: Extremwertstatistik SEBOK A/B: Meteorologie SEBOK A/B: Wasserstandsmodellierung Zusammenfassung und Ausblick Rückblick: Workshop Sturmflutgefährdung der Ostseeküste Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 9 9
10 Rekonstruktion Sturmflut Tote - mehr als 15 Tausend obdachlos - zehntausende Stück Vieh ertranken - mehrere hundert Schiffe strandeten - großflächige Landverluste (Kiecksee, 1872, Petersen u. Rohde, 1977) Rettungsszene in einer Straße von Flensburg während der Sturmflut am , Illustrierte Zeitung (1872) Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 10 10
11 Rekonstruktion Sturmflut 1872 Ergebnis der Datensammlung im Zeitraum : Luftdruck- und Temperaturdaten von mehr als 230 Stationen, davon mehr als 175 mit mindestens 2 Meldungen pro Tag! Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 11 11
12 Rekonstruktion Sturmflut 1872 Berechnung von Windfeldern aus Luftdruckdaten Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 12 12
13 Rekonstruktion Sturmflut 1872 Windverhältnisse über der Ostsee am um 6 Uhr Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 13 13
14 Rekonstruktion Sturmflut 1872 Flensburg Schleimuende Eckernförde Kiel Holtenau Heiligenhafen Neustadt Travemuende Wismar Timmendorf Poel Warnemuende Althagen Stralsund Hafen Sassnitz Greifswald Swinemünde 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 Wasserstand in m [kor.modellnull/nn] 1 Simulation Baensch korrigiert nach Mudersbach Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 14 14
15 Inhalt Übersicht des Verbundprojektes und Ziele Rekonstruktion der Sturmflut vom 12./13. November 1872 MUSE Ostsee: Meteorologie MUSE Ostsee: Wasserstandsmodellierung MUSE Ostsee: Extremwertstatistik SEBOK A/B: Meteorologie SEBOK A/B: Wasserstandsmodellierung Zusammenfassung und Ausblick Rückblick: Workshop Sturmflutgefährdung der Ostseeküste Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 15 15
16 MUSE Ostsee: Meteorologie Zugbahnen von Tiefdruckgebieten über der Ostsee Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 16 16
17 MUSE Ostsee: Meteorologie Verteilung der Windgeschwindigkeiten Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 17 17
18 MUSE Ostsee: Meteorologie Abschätzung der Windstauwerte Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 18 18
19 MUSE Ostsee: Meteorologie Effekte des Spectral Nudgings am Beispiel einer EPS-Sturmsituation Ergebnisse der CLM-Simulation Höhepunkt des Sturm über der Ostsee Bodendruck und 10m- Windgeschwindigkeit Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 19 19
20 MUSE Ostsee: Meteorologie Zeitl. Verlauf Wasserstand Wismar (Auswirkung der verlängerten Wirkdauer) Pers. Mitteilung, Bork (2008) Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 20 20
21 MUSE Ostsee: Meteorologie Max. Wasserstände aus EPS-Member 2005_45_IFS bei verschiedenen Antrieben Pers. Mitteilung, Bork (2008) Ystad Kungholmsfort Koserow Greifswald Sassnitz Stralsund Hafen Althagen Warnemuende Timmendorf Poel Wismar Travemuende Neustadt Marienleuchte Heiligenhafen Kiel Holtenau Schleimuende Flensburg 2005_45 CLM 2005_45 CLMN 2005_45 IFSv 2005_45 CLMNv 2005_45 IFS 2005_45 COSMO-B Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 21
22 Inhalt Übersicht des Verbundprojektes und Ziele Rekonstruktion der Sturmflut vom 12./13. November 1872 MUSE Ostsee: Meteorologie MUSE Ostsee: Wasserstandsmodellierung MUSE Ostsee: Extremwertstatistik SEBOK A/B: Meteorologie SEBOK A/B: Wasserstandsmodellierung Zusammenfassung und Ausblick Rückblick: Workshop Sturmflutgefährdung der Ostseeküste Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 22 22
23 MUSE Ostsee: Wasserstandsmodellierung Übersicht der Simulationen EPS-Simulationen (DWD) 80 COSMO-Simulationen (DWD) 2 COSMO-Simulationen (GKSS) 57 ausgewählte Fälle 6 ausgewählte Fälle (3 EU 4 B 2 CLM) 6 Wasserstandssimulationen (BSH) 57 Wasserstandssimulationen (FTZ) 15 extreme Beispiele (BSH) Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 23 23
24 MUSE Ostsee: Wasserstandsmodellierung Sensitivitätsanalyse zum Einfluss von Vorfüllung und Seiches auf extreme Wasserstände m [NN] ohne /11/72 13/11/72 16/11/72 19/11/72 22/11/72 25/11/72 Fazit: Vorfüllung und Seiches haben auf extreme Wasserstände keinen signifikanten Einfluss > Windfeld ist maßgebend! Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 24 24
25 MUSE Ostsee: Wasserstandsmodellierung water level [NN+cm] Results of hydrodynamic modeling (BSH) Bork 2008 Observed Water Levels 1872 (normalised to 2006) Maximum Mater Levels resulting from Extreme Weather Situations Re-analysis of Extreme Event Flensburg Eckernförde Kiel-Holtenau Neustadt i.h. Travemünde Wismar Warnemünde Stralsund Sassnitz Greifswald Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 25 25
26 Inhalt Übersicht des Verbundprojektes und Ziele Rekonstruktion der Sturmflut vom 12./13. November 1872 MUSE Ostsee: Meteorologie MUSE Ostsee: Wasserstandsmodellierung MUSE Ostsee: Extremwertstatistik SEBOK A/B: Meteorologie SEBOK A/B: Wasserstandsmodellierung Zusammenfassung und Ausblick Rückblick: Workshop Sturmflutgefährdung der Ostseeküste Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 26 26
27 MUSE Ostsee: Extremwertstatistik Analyse der beobachteten Daten Analyse der beobachteten und historischen Daten Analyse der beobachteten, historischen und modellierten Daten Modellierter Extremwert erhält Schätzung der Eintrittwahrscheinlichkeit aus der Gesamtzahl aller Vorhersagestunden : 12 Mio. Stunden Jahre P U = 7, /a Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 27 27
28 MUSE Ostsee: Extremwertstatistik Wasserstand [cmnn] Analyse beobachteter Daten Travemünde ProMUSE Verteilung (L-Moments) 95%-Konfidenzintervall (oben) 95%-Konfidenzintervall (unten) PLP (GRINGORTEN) Daten: HW Zeitreihenlänge: Historische Daten: -- Beschickung: Daten wurden mit 19-jhg. gleitenden Mittel der MW-Zeitreihe auf das Jahr 2006 beschickt. Analyse beob. & histor. Daten Wasserstand [cmnn] Travemünde ProMUSE Verteilung (L-Moments) 95%-Konfidenzintervall (oben) 95%-Konfidenzintervall (unten) PLP Extremwerte über Schwellenwert PLP Extremwerte unter Schwellenwert Daten: HW(T=4) + hist. Daten (mit 1872) Zeitreihenlänge: Historische Daten: Beschickung: Daten wurden mit 19-jhg. gleitenden Mittel der MW-Zeitreihe auf das Jahr 2006 beschickt Jährlichkeit Jährlichkeit reduzierte Variable [-ln(-ln(pu))] reduzierte Variable [-ln(-ln(pu))] HW 100 = 234 cmnn HW 100 = 222 cmnn HW = 290 cmnn HW = 342 cmnn HW = 282 cmnn HW = 350 cmnn Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 28 28
29 MUSE Ostsee: Extremwertstatistik Wasserstand [cmnn] Travemünde ProMUSE Verteilung (L-Moments) 95%-Konfidenzintervall (oben) 95%-Konfidenzintervall (unten) PLP Extremwerte über Schwellenwert PLP Extremwerte unter Schwellenwert MAX-Modell Daten: HW(T=4, ohne 1872) + hist. Daten + Rea1872 Zeitreihenlänge: Historische Daten: Beschickung: Daten wurden mit 19-jhg. gleitenden Mittel der MW-Zeitreihe auf das Jahr 2006 beschickt Jährlichkeit Analyse beob. & histor. Daten und modellierter Extremwerte In den Fällen, in denen der modellierte Extremwert deutlich unter dem Ereignis von 1872 liegt, wird Reanalysewert von 1872 in der Statistik verwendet reduzierte Variable [-ln(-ln(pu))] HW 100 = 226 cmnn HW = 295 cmnn HW = 379 cmnn Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 29 29
30 MUSE Ostsee: Extremwertstatistik Wiederkehrintervalle für Sturmflut von 1872 für Pegel Travemünde Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 30 30
31 Inhalt Übersicht des Verbundprojektes und Ziele Rekonstruktion der Sturmflut vom 12./13. November 1872 MUSE Ostsee: Meteorologie MUSE Ostsee: Wasserstandsmodellierung MUSE Ostsee: Extremwertstatistik SEBOK A/B: Meteorologie SEBOK A/B: Wasserstandsmodellierung Zusammenfassung und Ausblick Rückblick: Workshop Sturmflutgefährdung der Ostseeküste Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 31 31
32 SEBOK A/B: Meteorologie SEBOK A: Meteorologie wie MUSE Ostsee SEBOK B: Entwicklung eines Windatlasses für die Deutsche Ostsee Möglichkeit für Langzeitsimulationen von Wasserstand und Seegang Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 32 32
33 Inhalt Übersicht des Verbundprojektes und Ziele Rekonstruktion der Sturmflut vom 12./13. November 1872 MUSE Ostsee: Meteorologie MUSE Ostsee: Wasserstandsmodellierung MUSE Ostsee: Extremwertstatistik SEBOK A/B: Meteorologie SEBOK A/B: Wasserstandsmodellierung Zusammenfassung und Ausblick Rückblick: Workshop Sturmflutgefährdung der Ostseeküste Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 33 33
34 SEBOK A: Wasserstandsmodellierung max. peak water levels 61 scenarios peak water levels reconstruction 1872 m max. peak Hs 61 scenarios peak Hs reconstruction Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 34 34
35 SEBOK A: Wasserstandsmodellierung 4 3 Wasserstand Seegang Rek.1872 [m+nn] Wasserstand Seegang III 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00: Wasserstand Seegang [m+nn] 2 1 Wasserstand Scheitelwasserstände II 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 I II III [m+nn] 2 1 [m+nn] [m+nn] Wasserstand Seegang :00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12: Hs maximal Hs bei Scheitelwasserstand I m NN Seegang R [m] 2 12:00 00:00 12:00 00:00 12:001 00:00 12:00 0 R Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 35 35
36 SEBOK A: Wasserstandsmodellierung Profil Probstei peak water level peak sign. waveheight 2.5 [m] energy impact 120 energy impact [% of max] peak run up % peak runup [m] b % Runup [m NN] Rek Szenarien Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 36 36
37 SEBOK B: Wasserstandsmodellierung Arbeitsschritte Ermittlung der Datengrundlage Definition von Bemessungsdaten Statistische Analyse der Eingangsdaten Festlegung von Bemessungsgrößen für ausgewählte Schutzziele Vergleich der Bemessungsparameter die in SEBOK A bzw. SEBOK B ermittelt wurden Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen
38 SEBOK B: Wasserstandsmodellierung Datengrundlagen Messdaten (Wasserstände, Wind) Seegangdaten, die mittels Wind-Wellen- Korrelationsrechnungen für mehrere Lokationen ermittelt wurden (Zeitserien über bis zu 52 Jahre) Langzeit-Seegangssimulationen mit SWAN WODLM-Modell ( westliche Ostsee, angetrieben durch Wind aus dem Lokalmodell des DWD ): 8 Jahre Simulationszeitraum SOHIP-Modell ( südliche Ostsee, angetrieben durch Wind aus dem HIPOCAS-Projekt der GKSS ): 55 Jahre Simulationszeitraum Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 38 38
39 SEBOK B: Wasserstandsmodellierung Seegang Warnemünde 1954 bis Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen
40 SEBOK B: Wasserstandsmodellierung Extremwertstatistiken Warnemünde Seegang Wasserstand Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen
41 SEBOK B: Wasserstandsmodellierung 2.25 Kombinierte Eintrittswahrscheinlichkeit von Wasserstand und Seegang für Warnemünde 2 Wasserstand [m NN] Hm0 [cm] Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen
42 Inhalt Übersicht des Verbundprojektes und Ziele Rekonstruktion der Sturmflut vom 12./13. November 1872 MUSE Ostsee: Meteorologie MUSE Ostsee: Wasserstandsmodellierung MUSE Ostsee: Extremwertstatistik SEBOK A/B: Meteorologie SEBOK A/B: Wasserstandsmodellierung Zusammenfassung und Ausblick Rückblick: Workshop Sturmflutgefährdung der Ostseeküste Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 42 42
43 Zusammenfassung erstmalige Rekonstruktion der Sturmflut vom 12./13. November 1872 längere Windwirkdauern führen nicht unbedingt zu höheren Scheitelwasserständen Vorfüllung und Seiches haben keinen signifikanten Einfluss auf extreme Wasserstände im östlichen Teil des Untersuchungsgebietes sind Wasserstände über dem Ereignis von 1872 eher möglich, als im westlichen Teil durch Einbeziehung historischer Sturmflutinformationen ist das Ereignis von 1872 nicht mehr das singuläre Ereignis Eintrittswahrscheinlichkeiten lassen sich auf Basis von drei Säulen bestimmen: beobachtete Daten, historische Daten und modellierte Daten Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 43 43
44 Zusammenfassung höchster Wasserstand und höchster Seegang treten häufig nicht gleichzeitig auf als maßgebender Bemessungsparameter für viele Aufgaben (z.b. Erosionsprozesse) kann der maximale Energieeintrag herangezogen werden, der sich nicht zwangsläufig aus dem höchsten Scheitelwasserstand ergibt über Langzeitsimulationen von Wasserstand und Seegang lassen sich zweidimensionale Wahrscheinlichkeitsverteilungen erstellen, aus denen sich kombinierte Bemessungsereignisse ableiten lassen Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 44 44
45 Ausblick Forschungsbedarf: Entwicklung der Windschubspannung auf der Wasseroberfläche bei extremen Windgeschwindigkeiten Einfluss und Wirkung von Vb-Wetterlagen Wurden für alle Küstenabschnitte die extremsten Fälle gefunden? Eintrittswahrscheinlichkeiten von Belastungsszenarien verbesserte Verfahren zur Einbeziehung historischer Extremereignisse in Statistik Herbst 2009: DIE KÜSTE Sonderheft MUSTOK Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 45 45
46 Inhalt Übersicht des Verbundprojektes und Ziele Rekonstruktion der Sturmflut vom 12./13. November 1872 MUSE Ostsee: Meteorologie MUSE Ostsee: Wasserstandsmodellierung MUSE Ostsee: Extremwertstatistik SEBOK A/B: Meteorologie SEBOK A/B: Wasserstandsmodellierung Zusammenfassung und Ausblick Rückblick: Workshop Sturmflutgefährdung der Ostseeküste Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 46 46
47 Rückblick: MUSTOK-Workshop Workshop Sturmflutgefährdung der Ostseeküste am 04. und 05. März 2008 an der Rostock über 100 Teilnehmerinnen und Teilnehmer Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 47 47
48 Begleitende KFKI-Projektgruppe Ein besonderer Dank geht an die begleitende KFKI-Projektgruppe: Dr. Annette Ernst Dr. Gabriele Gönnert Michael Heinrichs Dr. Jacobus Hofstede (Obmann) Ralf Kaiser Jens Riemer Dr. Elisabeth Rudolph Knut Sommermeier Frank Thorenz Das Verbundprojekt MUSTOK wurde gefördert von: Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 48 48
49 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Prof. Dr.-Ing. Jürgen Jensen und Umwelt (fwu) Fon +49(271) Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven Jürgen Jensen 49 49
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