Extremsturmfluten an offenen Küsten und Ästuargebieten

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1 Extremsturmfluten an offenen Küsten und Ästuargebieten Teilprojekt 1b: Ermittlung der maßgebenden Seegangsverhältnisse und Eintrittswahrscheinlichkeiten (Risikoquelle) Thomas Wahl, Christoph Mudersbach, Jürgen Jensen -Abschlusskonferenz 14. November 2012, Hamburg

2 Inhalt Einleitung Motivation & Zielsetzung Methode Stochastische Sturmflutsimulation Ermittlung maßgebender Seegangsverhältnisse Multivariate statistische Analyse Ergebnisse Untersuchungsgebiet Hamburg Untersuchungsgebiet Sylt Zusammenfassung Veröffentlichungen Thomas Wahl Statistische Verfahren im Rahmen von Risikoanalysen -Abschlusskonferenz 2

3 Inhalt Einleitung Motivation & Zielsetzung Methode Stochastische Sturmflutsimulation Ermittlung maßgebender Seegangsverhältnisse Multivariate statistische Analyse Ergebnisse Untersuchungsgebiet Hamburg Untersuchungsgebiet Sylt Zusammenfassung Veröffentlichungen Thomas Wahl Statistische Verfahren im Rahmen von Risikoanalysen -Abschlusskonferenz 3

4 Motivation & Zielsetzung Im Rahmen einer integrierten Risikoanalyse müssen verschiedene Sturmflutszenarien berücksichtigt werden Stochastischer Sturmflutgenerator zur Simulation eines Kollektivs für statistische Analysen Thomas Wahl Statistische Verfahren im Rahmen von Risikoanalysen -Abschlusskonferenz 4

5 Motivation & Zielsetzung Insbesondere bei integrierten Risikobetrachtungen beeinflusst der Sturmflutverlauf (nicht nur die Höhe) die Ergebnisse Wasserstand Thomas Wahl Statistische Verfahren im Rahmen von Risikoanalysen -Abschlusskonferenz 5

6 Motivation & Zielsetzung Insbesondere bei integrierten Risikobetrachtungen beeinflusst der Sturmflutverlauf (nicht nur die Höhe) die Ergebnisse Wasserstand Thomas Wahl Statistische Verfahren im Rahmen von Risikoanalysen -Abschlusskonferenz 6

7 Motivation & Zielsetzung Insbesondere bei integrierten Risikobetrachtungen beeinflusst der Sturmflutverlauf (nicht nur die Höhe) die Ergebnisse Wasserstand S f(x) NN F t 2 f(x) dx Multivariate statistische Analyse t 1 t 1 t 2 Zeit Thomas Wahl Statistische Verfahren im Rahmen von Risikoanalysen -Abschlusskonferenz 7

8 Inhalt Einleitung Motivation & Zielsetzung Methode Stochastische Sturmflutsimulation Ermittlung maßgebender Seegangsverhältnisse Multivariate statistische Analyse Ergebnisse Untersuchungsgebiet Hamburg Untersuchungsgebiet Sylt Zusammenfassung Veröffentlichungen Thomas Wahl Statistische Verfahren im Rahmen von Risikoanalysen -Abschlusskonferenz 8

9 Stochastische Sturmflutsimulation Wichtigste Arbeitsschritte: Parametrisierung beobachteter Sturmflutereignisse Thomas Wahl Statistische Verfahren im Rahmen von Risikoanalysen -Abschlusskonferenz 9

10 Stochastische Sturmflutsimulation Wichtigste Arbeitsschritte: Parametrisierung beobachteter Sturmflutereignisse Monte-Carlo-Simulation Wasse erstand [cmnn] Pegel: Hörnum Parameter: 10 Verteilung: GPD Wiederkehrintervall [a] Thomas Wahl Statistische Verfahren im Rahmen von Risikoanalysen -Abschlusskonferenz 10

11 Stochastische Sturmflutsimulation Wichtigste Arbeitsschritte: Parametrisierung 350 beobachteter Sturmflutereignisse Wasserstand [cmnn] Pegel: Hörnum Parameter: 10 Verteilung: GPD Wiederkehrintervall [a] Monte-Carlo-Simulation Rekonstruktion einer großen Anzahl synthetischer Sturmflutereignisse Thomas Wahl Statistische Verfahren im Rahmen von Risikoanalysen -Abschlusskonferenz 11

12 Stochastische Sturmflutsimulation Wichtigste Arbeitsschritte: Parametrisierung 350 beobachteter Sturmflutereignisse Wasserstand [cmnn] Pegel: Hörnum Parameter: 10 Verteilung: GPD Wiederkehrintervall [a] 600 Monte-Carlo-Simulation Rekonstruktion einer großen Anzahl synthetischer Sturmflutereignisse Syn. storm surge no Syn. storm surge no Syn. storm surge no Wa asserstand [cmnn] Thomas Wahl Statistische Verfahren im Rahmen von Risikoanalysen -Abschlusskonferenz 12

13 Maßgebende Seegangsverhältnisse HH Erweiterung der Modellierungsplattform Kalypso durch die Kopplung des Modellsystems SWAN an das Modul Kalypso 1D2D Berechnung der Seegangsverhältnisse im Gebiet der städtischen Unterelbe auf Grundlage der zuvor berechneten Wasserstände und verfügbaren Windfelder Auswertung der Seegangsverhältnisse im Nahbereich der HWKS- Systeme für die jeweiligen Sturmflutszenarien Sign. Wellenhöhe H s zum Zeitpunkt des maximalen Wasserstandes beträgt maximal ca. 0,35 m Übergabe der zeitabhängigen Seegangsparameter (und Wasserstände) an TP2 zur Ermittlung der Versagenswahrscheinlichkeiten und Initialbedingungen g für die Flutwellenausbreitung Thomas Wahl Statistische Verfahren im Rahmen von Risikoanalysen -Abschlusskonferenz 13

14 Maßgebende Seegangsverhältnisse HH Thomas Wahl Statistische Verfahren im Rahmen von Risikoanalysen -Abschlusskonferenz 14

15 Maßgebende Seegangsverhältnisse Sylt Westseite: Nutzung des Modellsystems SWAN zur Ermittlung der maßgebenden Seegangsverhältnisse für die jeweiligen Sturmflutszenarien Ostseite: Annahme der maßgebenden Seegangsparameter auf der Basis von Erfahrungswerten und Untersuchungen am LKN Husum Thomas Wahl Statistische Verfahren im Rahmen von Risikoanalysen -Abschlusskonferenz 15

16 Multivariate statistische Analyse Die zu wählende Vorgehensweise bei multivariaten statistischen Analysen hängt von den Eigenschaften der zu untersuchenden Parameter ab Copula-Funktionen sind flexibel und bieten die Möglichkeit alle relevanten Parameter in die Analysen einzubeziehen Thomas Wahl Statistische Verfahren im Rahmen von Risikoanalysen -Abschlusskonferenz 16

17 Multivariate statistische Analyse Copulafunktion C θ Generator φ(t)** Wertebereich, θ Kendall s τ Clayton (oder Cook-Johnson) u θ 1 θ θ v 1 θ t 1 0, θ θ 2 Frank 1 ln 1 θ θu θv e 1 e 1 e θ 1 θt e 1 4 * ln, \{0} 1 1 D θ θ 1 e 1 θ Gumbel (oder Gumbel-Hougaard) 1 θ θ θ exp lnu lnv lnt θ 1, 1 1 θ 1 t D 1 θ dt e 1 * 1. Debye Funktion θ t ** t = u oder t = v θ 0 Thomas Wahl Statistische Verfahren im Rahmen von Risikoanalysen -Abschlusskonferenz 17

18 Multivariate statistische Analyse Die Eintrittswahrscheinlichkeiten der Sturmflutszenarien können auf Basis der Ergebnisse der bivariaten stat. Analyse ermittelt werden Thomas Wahl Statistische Verfahren im Rahmen von Risikoanalysen -Abschlusskonferenz 18

19 Multivariate statistische Analyse Für Untersuchungsgebiete, in denen auch die Seegangsverhältnisse einen maßgeblichen Einfluss auf die Ergebnisse der Risikoanalyse besitzen, können trivariate Copula-Modelle zur Einbeziehung ausgewählter Seegangsparameter (hier: H s ) genutzt werden Thomas Wahl Statistische Verfahren im Rahmen von Risikoanalysen -Abschlusskonferenz 19

20 Inhalt Einleitung Motivation & Zielsetzung Methode Stochastische Sturmflutsimulation Ermittlung maßgebender Seegangsverhältnisse Multivariate statistische Analyse Ergebnisse Untersuchungsgebiet Hamburg Untersuchungsgebiet Sylt Zusammenfassung Veröffentlichungen Thomas Wahl Statistische Verfahren im Rahmen von Risikoanalysen -Abschlusskonferenz 20

21 Ergebnisse HH Statistische Einordung der in TP1a ermittelten Sturmflutszenarien unter Berücksichtigung g der maßgebenden Sturmflutparameter Scheitel und Fülle Cuxhaven: Thomas Wahl Statistische Verfahren im Rahmen von Risikoanalysen -Abschlusskonferenz 21

22 Ergebnisse HH Szenario: HH_R2010A HH_R2010B HH_R2010C HH_R2010A-80 HH_R2010A-90 Scheitel [cmnn] 610 (800*) 531 (708*) 650 (864*) 530 (720*) 530 (710*) Fülle [-] P e,scheitel [1/a] 3, , , , , P e,fülle [1/a] 1, , , , , , P e,cuxhaven [1/a] (bivariat) 3, , , , , Oberwasser [m³/s] P e,oberwasser [1/a] 2, , , , , P e,hamburg [1/a] (trivariat) 7, , , , , * Von der BAW mithilfe eines numerischen Modells ermittelter Scheitelwert für den Bereich Hamburg unter Berücksichtigung des Oberwasserzuflusses Thomas Wahl Statistische Verfahren im Rahmen von Risikoanalysen -Abschlusskonferenz 22

23 Ergebnisse Sylt Statistische Einordung der in TP1a ermittelten Sturmflutszenarien unter Berücksichtigung der maßgebenden Sturmflutparameter Scheitel und Fülle Hörnum Thomas Wahl Statistische Verfahren im Rahmen von Risikoanalysen -Abschlusskonferenz 23

24 Ergebnisse Sylt Szenario: SY_R2010A SY_R2010B SY_R2010C SY_R2010A-95 Scheitel [cmnn] Fülle [-] P e,scheitel [1/a] 5, , , , P e,fülle [1/a] 3, , , , e,fülle P e, Sturmflut [1/a]* (bivariat) 5, , , , sign. Wellenhöhe H s [cm] P e,hs [1/a] 5, , , , P e, Sturmflut+Seegang [1/a]** (trivariat) 4, , , , * Ergebnisse sind maßgebend für die Ostseite von Sylt ** Ergebnisse sind maßgebend für die Westseite von Sylt Thomas Wahl Statistische Verfahren im Rahmen von Risikoanalysen -Abschlusskonferenz 24

25 Ergebnisse Unsicherheitsanalyse Untersuchungsgebiet Hamburg Szenario: HH_R2010A HH_R2010B HH_R2010C HH_R2010A-80 HH_R2010A-90 P e [1/a] 7, , , , , P e, worst case [1/a] 8, , , , , Untersuchungsgebiet Sylt (Ostseite) Szenario: SY_ R2010A SY_ R2010B SY_ R2010C SY_ R2010A-95 P e [1/a] 5, , , , P e, worst case[ [1/a] 1, , , , Untersuchungsgebiet Sylt (Westseite) Szenario: SY_R2010A SY_R2010B SY_R2010C SY_R2010A-95 P e [1/a] 4, , , , P e, worst case [1/a] 1, , , , , Thomas Wahl Statistische Verfahren im Rahmen von Risikoanalysen -Abschlusskonferenz 25

26 Inhalt Einleitung Motivation & Zielsetzung Methode Stochastische Sturmflutsimulation Ermittlung maßgebender Seegangsverhältnisse Multivariate statistische Analyse Ergebnisse Untersuchungsgebiet Hamburg Untersuchungsgebiet Sylt Zusammenfassung Veröffentlichungen Thomas Wahl Statistische Verfahren im Rahmen von Risikoanalysen -Abschlusskonferenz 26

27 Zusammenfassung Stochastische Sturmflutsimulation Entwicklung eines stochastischen Sturmflutgenerators (Input: hochaufgelöste Daten und Scheitelwerte) Eine große Anzahl Szenarien kann simuliert und direkt für Risikoanalysen (oder andere Untersuchungen) genutzt und gleichzeitig als Basis für statistische Analysen herangezogen werden Ermittlung maßgebender Seegangsverhältnisse Anwendung numerischer Seegangsmodelle zur Ermittlung der für das jeweilige Sturmflutszenario maßgebenden Seegangsverhältnisse Multivariate statistische Analysen Anwendung multivariater Copula-Modelle zur Berücksichtigung aller maßgebenden Belastungsparameter im Rahmen der statistischen Analyse Thomas Wahl Statistische Verfahren im Rahmen von Risikoanalysen -Abschlusskonferenz 27

28 Inhalt Einleitung Motivation & Zielsetzung Methode Stochastische Sturmflutsimulation Ermittlung maßgebender Seegangsverhältnisse Multivariate statistische Analyse Ergebnisse Untersuchungsgebiet Hamburg Untersuchungsgebiet Sylt Zusammenfassung Veröffentlichungen Thomas Wahl Statistische Verfahren im Rahmen von Risikoanalysen -Abschlusskonferenz 28

29 Veröffentlichungen Berichte Thomas Wahl Statistische Verfahren im Rahmen von Risikoanalysen -Abschlusskonferenz 29

30 Veröffentlichungen Konferenzen Wahl, T., Jensen, J., Mudersbach, C.: A multivariate statistical model for advanced storm surge analyses in the North Sea, ICCE 2010, Shanghai, China. Wahl, T., Jensen, J., Mudersbach, C. : Stochastic storm surge simulation and the multivariate statistical assessment of the results via Copula functions, 34th IAHR Biennial Congress 2011, Brisbane, Australia. Wahl, T. and Jensen, J.: Statistical methods to assess the hydrodynamic boundary conditions for flood risk analyses in coastal areas, Coasts & Ports 2011, Perth, Australia. Wahl, T. and Jensen J.: Statistisch-probabilistische Untersuchungen zu zeitabhängigen Belastungen aus Wasserstand und Seegang auf Küstenschutzbauwerke, CoastDoc 2010, In: Mitteilungen des fwu, Heft 2, ISSN , Thomas Wahl Statistische Verfahren im Rahmen von Risikoanalysen -Abschlusskonferenz 30

31 Veröffentlichungen Konferenzen Wahl, T., Mudersbach, C. and Jensen, J.: Statistical assessment of storm surge scenarios within integrated risk analyses - Results of the project, FLOODrisk 2012, Rotterdam, Netherlands. Diverse Präsentationen und Poster EGU Session (aunnual, co-organized by fwu and PIK) - Storm Surges and coastal areas: extreme events, damages, and risk Thomas Wahl Statistische Verfahren im Rahmen von Risikoanalysen -Abschlusskonferenz 31

32 Veröffentlichungen Fachzeitschriften Gönnert, G., Jensen, J., von Storch, H., Thumm, S., Wahl, T., Weisse, R.: Der Meeresspiegelanstieg Ursachen, Tendenzen und drisikobewertung, ik Die Küste, Heft 76, Wahl, T., Mudersbach, C., Jensen J.: Assessing the hydrodynamic boundary conditions for risk analyses in coastal areas: A stochastic storm surge model, Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 11, , doi: /nhess , Wahl, T., Mudersbach, C., Jensen J.: Assessing the hydrodynamic boundary conditions for risk analyses in coastal areas: A multivariate statistical approach based on Copula functions, Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 12, , doi: /nhess , Thomas Wahl Statistische Verfahren im Rahmen von Risikoanalysen -Abschlusskonferenz 32

33 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Thomas Wahl Statistische Verfahren im Rahmen von Risikoanalysen -Abschlusskonferenz 33