KFKI-Forschungsvorhaben AMSeL Analyse von hochaufgelösten Tidewasserständen und Ermittlung des MSL an der deutschen Nordseeküste (03 KIS 068) Jürgen Jensen, Torsten Frank und Thomas Wahl 28. Oktober 2009 Bremerhaven J. Jensen, T. Frank, T. Wahl 1 1
Inhalt Motivation Untersuchungsgebiet und Datengrundlage Ermittlung und Analyse von MSL-Zeitreihen Vorläufige Ergebnisse Berücksichtigung von Vertikalbewegungen Verweilzeiten Tideketten Ausblick 28. Oktober 2009 Bremerhaven J. Jensen, T. Frank, T. Wahl 2 2
Motivation Die Spezifikation eines Mean Sea Level (MSL), als wichtige Vergleichsgröße, hat in Deutschland keine Tradition Mittleres Tidehochwasser MThw flächengleich Mean Sea Level MSL MittleresTidehalbwasser MT1/2w ½*MThb ½*MThb Mittlerer Tidehub MThb Ziel des Projektes AMSeL ist die Analyse der beobachteten Änderungen des MSL und der Tidedynamik Mittleres Tideniedrigwasser MTnw 12h 25.2min (Nordsee) Auf Basis der Analysen können z.b. Szenarien für die nahe Zukunft (2-3 Dekaden) abgeleitet und Modellergebnisse verifiziert werden 28. Oktober 2009 Bremerhaven J. Jensen, T. Frank, T. Wahl 3 3
Motivation Entwicklung von MThw und MTnw Wie verhält sich der Mean Sea Level??? 28. Oktober 2009 Bremerhaven J. Jensen, T. Frank, T. Wahl 4 4
Motivation und: wie verhält sich der Wasserstand bzw. die Bandbreite der Wasserstandsänderungen innerhalb einer und über mehrere Tiden hinweg? in Form von Verweilzeiten und Tideketten Einteilung der Schwere einer Sturmflut Belastung auf Küsten, Strände, Deckwerke, Deiche etc. Exposition von Watt und Vegetation Be- oder Verhinderung der Binnenentwässerung 28. Oktober 2009 Bremerhaven J. Jensen, T. Frank, T. Wahl 5 5
Untersuchungsgebiet und Datenbasis Untersuchungsgebiet A M S e L A M S e L 28. Oktober 2009 Bremerhaven J. Jensen, T. Frank, T. Wahl 6 6
Untersuchungsgebiet und Datenbasis Übersicht über derzeit vorhandene Daten, der im Projekt AMSeL zur Untersuchung vorgesehenen Pegel 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 List Dagebüll Hörnum Schlüttsiel Wyk Wittdün Husum Tönning Büsum Cuxhaven Bremerhaven Bremerhaven Wilhelmshaven LT Alte Weser Helgoland Bensersiel Norderney Emden Emden Borkum Borkum 1867 1843 Doppelschleuse Alter Leuchtturm 11/12 1886 1915-1917 1924 1952 1974 1990 1997 2008 1932 1825 1942 1971 1993 1998 je 1 Thw und 1 Tnw pro Tag 1952 2008 (Pegelbögen werden gesucht) 03.05 Große Seeschl. Neue Seeschl. Südstrand Fischerbalje bis 01.03.1930 nur Thw 1900 1900 1935 1935 1935 1935 1935 1935 1951 1974 Meldorfer Bucht 1991 1917 1974 1987 1935 1935 1935 1950/1951 1950 1974 2000 1951 1973 1975 1970 1973 = 60 min = keine Berücksichtigung = 30 min = IKÜS-Pegel = 10 min = 3 min (Radar) = 1 min = Scheitelwerte Stand 10.2009 1949 1952 1961 1965 1973 Eidersperrwerk 1980 1977 1996 2008 1997 2008 1999 2008 1991 2007 1989 1994 2007 1999 2008 1999 2008 1996 2007 1997 2008 1997 2008 1994 2008 2008 1994 2008 2000 2008 2000 2008 2007 2000 2008 31.12 31.12 28. Oktober 2009 Bremerhaven J. Jensen, T. Frank, T. Wahl 7 7
Untersuchungsgebiet und Datenbasis Datenbasis weltweit im Vergleich zu AMSeL Problem: Zeiträume, für die hochaufgelöste Daten (mind. Stundenwerte) digital vorliegen, sind häufig auf 10 bis 15 Jahre begrenzt 28. Oktober 2009 Bremerhaven J. Jensen, T. Frank, T. Wahl 8 8
Untersuchungsgebiet und Datenbasis Datenbasis und zeitliche Auflösung record length [a] cumulative [%] 28. Oktober 2009 Bremerhaven J. Jensen, T. Frank, T. Wahl 9 9
Untersuchungsgebiet und Datenbasis Datenbasis für Wasserstandsanalysen Jensen (1984): 1,30 10 3 Datensätze Änderung der mittleren Tidewasserstände an der Deutschen Nordseeküste (hauptsächlich Jahresmittelwerte) KFKI-Projekt 27 (1986-1990): 2,80 10 5 Datensätze Wasserstandsentwicklung in der Deutschen Bucht (hauptsächlich Tidescheitelwerte) KFKI-Projekt 97 (2007-2010): 1,01 10 8 Datensätze AMSeL (Tidescheitelwerte + hochaufgelöste Daten) 28. Oktober 2009 Bremerhaven J. Jensen, T. Frank, T. Wahl 10 10
Ermittlung und Analyse von MSL-Zeitreihen K-Faktor Methode Der dimensionslose und ortsabhängige Parameter k beschreibt die Abweichung des MSL vom Tidehalbwasser (MT1/2w) Bietet die Möglichkeit, die langen verfügbaren Scheitelwertzeitreihen für MSL-Untersuchungen nutzbar zu machen Mittleres Tidehochwasser MThw flächengleich Mean Sea Level MSL MittleresTidehalbwasser MT1/2w k = (MThw-MSL )/MThb Mittleres Tideniedrigwasser MTnw 12h 25.2min (Nordsee) 28. Oktober 2009 Bremerhaven J. Jensen, T. Frank, T. Wahl 11 11
Ermittlung und Analyse von MSL-Zeitreihen Test der k-faktor Zeitreihe auf Stationarität Sliding Window Test und Kolmogorov-Smirnov-Test mit 1- jährigem gleitenden Mittel zur Berücksichtigung saisonaler Schwankungen Helgoland Cuxhaven k(t) [-] 0.48 0.47 0.46 Exceedance rate < 0.6. Time series is stationary. MEAN 1-a sliding window 95% confidence bound of first window 500 400 300 200 100 Month [number] Exceedance rate < 0.6. Time series is stationary MEAN 1-a sliding window 95% confidence bounds of first window 1000 800 600 400 200 Month [number] k ist für beide Pegel als stationär anzunehmen! 28. Oktober 2009 Bremerhaven J. Jensen, T. Frank, T. Wahl 12 12
Ermittlung und Analyse von MSL-Zeitreihen Grundsätzlich existieren zwei Ansätze zur (Trend-)Analyse Anpassung parametrischer Funktionen (Polynom 1. Grades, Polynom 2. Grades, Exponentielle Funktion etc.) z.t. schlechte Anpassung Ermittlung von Trends Extrapolation möglich Anpassung nicht parametrischer Funktionen (Gleitende Mittel, Gleitende lineare Trends, Singuläre Systemanalyse, Tiefpassfilter, Splines, Fourieranalysen etc.) i.d.r. gute Anpassung Detektion von Periodizitäten und Trendveränderungen Keine Extrapolation möglich 28. Oktober 2009 Bremerhaven J. Jensen, T. Frank, T. Wahl 13 13
Vorläufige Ergebnisse SLR [mm] 800 600 400 200 0-200 -400-600 Heligoland Anpassung parametrischer Funktionen Mittlere Fehler (Cuxhaven 1844-2008 ): - Lineare Fkt.: 26,52 cm - Quad. Fkt.: 26,42 cm - Exp. Fkt.: 28,09 cm SLR [mm] 800 600 400 200 0-200 -400-600 Cuxhaven Lineare Trends: Hel 1953-2008 : 1,85 ± 0,42 mm/a Cux 1953-2008 : 1,81 ± 0,04 mm/a Cux 1844-2008 : 2,03 ± 0,08 mm/a 1840 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 Time [a] 28. Oktober 2009 Bremerhaven J. Jensen, T. Frank, T. Wahl 14 14
Vorläufige Ergebnisse SLR [mm] 300 200 100 0 (a) = Annual MSL time series = Reconstruction from SSA providing the smallest MSE = Reconstructions from 10,000 MCAP simulations Heligoland Anpassung nicht parametrischer Funktionen Mittlere Fehler (Cuxhaven): - SSA-MCAP: 23,60 cm Rates of SLR [mm/a] SLR [mm] Rates of SLR [mm/a] 6 (b) 4 2 0-2 (c) 300 200 100 0 Cuxhaven = Annual MSL time series = Reconstruction from SSA providing the smallest MSE = Reconstructions from 10,000 MCAP simulations 6 (d) 4 2 0-2 1840 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 Time [a] 28. Oktober 2009 Bremerhaven J. Jensen, T. Frank, T. Wahl 15 20-year sea level trend [mm/a] 6 4 2 0-2 6 4 2 0-2 Heligoland Cuxhaven 1840 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 20-year mid-point [a] 15
Vorläufige Ergebnisse Vergleich mit globalem MSL SLR [mm] 200 150 100 50 (a) Rekonstruktion von Church und White (2004), mit Daten von 1870-2007 0 Rates of SLR [mm/a] (b) 3 2 1 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 Time [a] [mm/a] 4 2 0 Δ = Anstiegsraten am Pegel Cuxhaven Anstiegsraten aus globalem MSL -2 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 Time [a] 28. Oktober 2009 Bremerhaven J. Jensen, T. Frank, T. Wahl 16 16
Berücksichtigung von Vertikalbewegungen Relativer MSL: wichtige Größe für den Küstenschutz Absoluter MSL: notwendig für die Verifizierung regionaler Klimamodelle und den Vergleich/Kombination mit Satellitendaten Isostatik Lokale Effekte Eustatik MSL 28. Oktober 2009 Bremerhaven J. Jensen, T. Frank, T. Wahl 17 17
Berücksichtigung von Vertikalbewegungen IKÜS-Offsets anbringen (dort wo verfügbar) Verwendung GIA Modell(e) Verwendung GPS (Borkum, Hörnum, Helgoland) Relativer SLR Absoluter SLR (mit Unsicherheiten) Absoluter SLR (reduzierte Unsicherheiten) Untersuchungen zu Landhebungen/-senkungen auf Basis der Wasserstandsanalysen 28. Oktober 2009 Bremerhaven J. Jensen, T. Frank, T. Wahl 18 Wöppelmann et al. 2007 und 2009 18
Verweilzeiten Beispiel Orkantief Emma Höhenstufe [cm PN] ΔH = 20 cm Anzahl Min-Werte Cuxhaven Orkantief Emma 01.03.2008 + Vor- und Nachtide Cuxhaven, Orkantief Emma 1.3.2008: Sturmflutverlauf 900 900 880 860 840 820 800 800 780 760 740 720 700 700 680 660 640 620 600 600 580 560 540 520 500 500 480 460 440 420 400 400 380 360 Ganglinie Minutenwerte 340 Stundenwerte 320 Scheitelwerte 300 0 100 200 300 400 500 300 60006:00 12:00 18:00 00:00 06:00 12:00 18:00 00:00 06:00 12:00 18:00 Anzahl Minutenwerte Zeit W [cm PN] 28. Oktober 2009 Bremerhaven J. Jensen, T. Frank, T. Wahl 19 19
Verweilzeiten Auswertezeiträume einzelne Sturmfluten - einzelne Sturmfluttide - Tidekette Etwa 500 hochaufgelöste Extremereignisse aus XtremRisk Monat Winter- / Sommerhalbjahr (Sturmflutsaison) Kalenderjahr Wasserwirtschaftsjahr Längere Zeiträume: - Dekade - Nodalperiode - verfügbare Datengrundlage berücksichtigen 28. Oktober 2009 Bremerhaven J. Jensen, T. Frank, T. Wahl 20 20
Verweilzeiten Borkum, Fischerbalje Verweilzeiten Borkum Fischerbalje, Kalenderhalbjahre 2000-2008 Höhenstufe [cm PN] ΔH = 20 cm 900 880 860 840 820 800 780 760 740 720 700 680 660 640 620 600 580 560 540 520 500 480 460 440 420 400 380 360 340 320 300 280 260 240 220 200 0 200 400 600 800 2000 2008 Vergleich aufeinanderfolgender Perioden, z.b. Kalenderjahre Verweilzeit [h] Jahr-Nummer 28. Oktober 2009 Bremerhaven J. Jensen, T. Frank, T. Wahl 21 21
Verweilzeiten Borkum, Fischerbalje Höhenstufe [cm PN] ΔH = 20 cm 900 880 860 840 820 800 780 760 740 720 700 680 660 640 620 600 580 560 540 520 500 480 460 440 420 400 380 360 340 320 300 280 260 240 Verweilzeiten Borkum Fischerbalje, Vergleich Winter- und Sommerhalbjahr 2007 Winterhalbjahr Sommerhalbjahr Gegenüberstellung saisonaler Unterschiede, z.b. So/Wi-Halbjahre 220 200 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Verweilzeit [h] 28. Oktober 2009 Bremerhaven J. Jensen, T. Frank, T. Wahl 22 22
Verweilzeiten Borkum, Fischerbalje 1000 Borkum Fischerbalje, Kalenderjahr 2008, Dauerlinie der Überschreitungen 900 Höhenstufe [cm PN] 800 700 600 500 Darstellung in Form von Dauerlinien bzw. Zeiten der Wasserüberdeckung 400 300 200 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 Wasserstandsdauerlinie [h] 28. Oktober 2009 Bremerhaven J. Jensen, T. Frank, T. Wahl 23 23
Tideketten Auswertung von Kettenereignissen und Scheitelfolgen Sturmtideketten nach Lüders (1973) - Kettenwert K, Vergleichszahl V, Schwere (gemittelte Wasserstandshöhe M über MThw) Tideketten-Untersuchung zum Eidersperrwerk - Untersuchungen zur Häufigkeit von Tnw-Sprüngen und Tnw-Ketten- Erhöhungen an der Westküste Schleswig-Holsteins, fwu (1996) - Zeitreihenuntersuchungen von Tnw-Sprüngen und Tnw-Ketten- Erhöhungen infolge von Windeinflüssen an der Westküste Schleswig- Holsteins (Eidersperrwerk), fwu (1998) - Hydrologische Systemanalyse der Tideeider, fwu (1999) Hochwassersicherheit sielbeeinflusster Gewässersysteme, Frank (2007) - Tnw-Folgen-Untersuchung, Binnenentwässerung - erweitern um Thw 28. Oktober 2009 Bremerhaven J. Jensen, T. Frank, T. Wahl 24 24
Tideketten Verlauf der Tnw - Wie häufig sind Tidesituationen, die Binnenentwässerung behindern oder sogar verhindern können? Definition - N aufeinander folgende Tnw >= x bilden eine Tidekette oder Tnw-Folge der Höhenstufe x Grundlage - Zeitreihe von täglichen Tnw- Scheitelwerten über mehrere Jahre Untersuchung - Abprüfen der Tnw-Zeitreihe auf Bedingung Tnw >= x - Feststellen, ob Bedingung für n = 2, 3 aufeinander folgende Tnw erfüllt ist - Summation der Ereignisse für Folgezahlen n - Wiederholung für weitere Höhenstufen 28. Oktober 2009 Bremerhaven J. Jensen, T. Frank, T. Wahl 25 25
Tideketten Separation deterministischer und stochastischer Anteile Betrachtung von Tideketten als Ereignisse entsprechenden Stauanteils bzw. stochastischen Anteils in gewisser Form und gewisser Länge Eine grundlegende Herangehensweise besteht also darin, den deterministischen Teil (und Trendanteil) abzuspalten und nur den stochastischen Anteil in der Statistik zu behandeln 28. Oktober 2009 Bremerhaven J. Jensen, T. Frank, T. Wahl 26 26
Ausblick Verweildauern/Tideketten Genügen die vorliegenden hochaufgelösten Zeitreihen, alle wesentlichen Partialtiden (z.b. Nodaltide) zu analysieren? Statistische Behandlung von Einzelereignissen innerhalb der Residuen-Zeitreihe S(t) (siehe auch XtremRisk-Projekt) Nehmen Tideketten in ihrer Häufigkeit zu? Zunehmend längere Ketten oder kürzere Ketten, die aber höhere Tnws / Thws erreichen? Mean Sea Level Analyse des relativen/absoluten MSL an insgesamt 16 Pegeln Ermittlung und detaillierte Analyse einer synthetischen Nordsee MSL-Zeitreihe 28. Oktober 2009 Bremerhaven J. Jensen, T. Frank, T. Wahl 27 27
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Prof. Jürgen Jensen (fwu) Tel.: +49(271) 740 2172 E-Mail:juergen.jensen@uni-siegen.de Quelle: http://www.marinefunker.de/deu/images/helgoland1_g.jpg 28. Oktober 2009 Bremerhaven J. Jensen, T. Frank, T. Wahl 28 28
28. Oktober 2009 Bremerhaven J. Jensen, T. Frank, T. Wahl 29 29
Ausblick Wie können reine Scheitelwertzeitreihen zu solchen Auswertungen beitragen? Genügen die vorliegenden hochaufgelösten Zeitreihen, alle wesentlichen Partialtiden (z.b. Nodaltide) zu analysieren? Behandlung der Flachwassertiden Detektion, Parametrisierung bzw. Charakterisierung und daraufhin statistische Behandlung von Einzelereignissen innerhalb der Residuen-Zeitreihe S(t) (siehe auch XtremRisk-Projekt) Zeitliches Verhalten Zunahme Häufigkeit? Zunehmend längere Ketten? Herausforderungen Forschungsbedarf Oder kurze Ketten, die aber höhere Tnws / Thws erreichen? 28. Oktober 2009 Bremerhaven J. Jensen, T. Frank, T. Wahl 30 30
Ausblick Mean Sea Level Analyse des relativen/absoluten MSL an insgesamt 16 Pegeln Ermittlung und detaillierte Analyse einer synthetischen Nordsee MSL-Zeitreihe Verweildauern/Tideketten Genügen die vorliegenden hochaufgelösten Zeitreihen, alle wesentlichen Partialtiden (z.b. Nodaltide) zu analysieren? Statistische Behandlung von Einzelereignissen innerhalb der Residuen-Zeitreihe S(t) (siehe auch XtremRisk-Projekt) Nehmen Tideketten in ihrer Häufigkeit zu? Zunehmend längere Ketten oder kürzere Ketten, die aber höhere Tnws / Thws erreichen? 28. Oktober 2009 Bremerhaven J. Jensen, T. Frank, T. Wahl 31 31