R isk Exsturmfluten an offenen Küsten und Ästuargebieten Entwicklung von Sturmflutszenarien für Risikoanalysen Prof. Gabriele Gönnert RisK-Abschlusskonferenz 14. November 2012, Hamburg
Inhalt Einleitung Motivation & Zielsetzung Methode Motivation Methodenentwicklung Cuxhaven Übertragung Hörnum Ergebnisse Hamburg Hörnum Meeresspiegel Modellierung Zusammenfassung Veröffentlichungen Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 2
Inhalt Einleitung Motivation & Zielsetzung Methode Zuverlässigkeitsanalyse Modellierung von Deichbrüchen & Dünenerosion Ergebnisse Ästuardeiche - Hamburg Dünen - Sylt Zusammenfassung Veröffentlichungen Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 3
Ziel: Entwicklung einer sehr schweren Sturmflut Warum? Risikoanalyse Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 4
Methoden für die Berechnung von sehr schweren Sturmfluten Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 5
Methoden für die Berechnung von sehr schweren Sturmfluten Warum eine neue Methode? Verfahren Empirisch / Deterministisch Numerisch Statistisch - Hydrologisch/physikalische Bedingungen nicht immer berücksichtigt. - Überlagerung möglich, Überprüfung der Nicht- Linearität, bislang häufig nur über quadratische Bodenreibung. - Zufällig Überlagerung der einzelnen Faktoren: - Verlaufs/Füllebetrachtung muss in der Lösung berücksichtigt werden Lösung TP1b Windstaukurvenverfahren Berücksichtigung der einzelnen Komponenten und des Sturmflutverlaufes Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 6
Windstaukurvenverfahren Anforderungen: Berücksichtigung aller bisher höchsten Komponenten einer Sturmflut separat und in ihrer höchsten Ausprägung. Berücksichtigung des Sturmflutverlaufes. Berücksichtigung der meteorologischen und physikalischen Korrektheit. Multimethodenansatz: Mathematisch empirische, statistische und numerische Modellierung im Vergleich. Ziel: Analyse der höchsten bisher eingetretenen Komponenten Berechnung der Nicht-linearen Effekte Integration der Ergebnisse zu einer Ex-Sturmflut Bewertung TP1b und Risikoanalyse TP4 Warum wird so vorgegangen? Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 7
Windstaukurvenverfahren Anforderungen: Berücksichtigung der einzelnen Komponenten Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 8
Windstaukurvenverfahren Anforderungen: Berücksichtigung von Meteorologie und Physik Stationary low pressure area ca. 960 up to 970 hpa 04.01. 00:00 965 hpa 03.01. 12:00 03.01. 00:00 965 hpa 04.01. 00:00 975 hpa 1005 hpa 04.01. 12:00 990 hpa 19.02. 12:00 940 hpa 19.02. 00:00 18.02. 12:00 950 hpa 965 hpa 02.01.1976 12:00 990 hpa 20.02. 12:00 950 hpa 20.02. 00:00 950 hpa 03.01.1976 00:00 970 hpa 03.01.1976 12:00 960 hpa Prüfung der Überlagerung der einzelnen Komponenten physikalisch plausibel? Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 9
Windstaukurvenverfahren Anforderung: Berücksichtigung der Hydrodynamik Quadratischer Einfluss der Bodenreibung Hydrodynamische Grundgleichung Volumenausgleich Impulserhaltung Kontinuitätsgleichung Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 10
Windstaukurvenverfahren Prüfung der physikalisch/hydrodynamischen Ausgangssituation Bisherige Untersuchungen konzentrieren sich in erster Linie auf Tide-Surge-Interaction (Prandle & Wolf, 1978/ Tang. Et. al 1996/ Gönnert et. al. 2003/ Babanovic et.al. 2006/ Horsburgh & Wilson, 2007, 2008) und berücksichtigen in erster Linie die nicht-lineare quadratische Bodenreibung im Modell. Die Hydrodynamische Grundgleichung/ Navier-Stokes-Gleichung: Kontinuitätsgleichung/ Volumenausgleich/ Impulserhalt sind aber von ebenso großer Bedeutung vor allem bei kurz periodischer und höher harmonischer Strömungsoszillation Multimethodenansatz Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 11
Berechnung von Reduktionsfaktoren Ziel: Berücksichtigung von nichtlinearen Effekten durch Reduktionsfaktoren Fernwelle Fernwelle 70 % Windstau Windstau Springtide Springtide 16 22 % Mittlere Tidehochwasser Mittlere Tidehochwasser Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 12
Die Methode Risk - Windstaukurvenverfahren Grundlagen: Berücksichtigung des Sturmflutverlaufes im Ästuar Differenz der Scheitelhöhen Cuxhaven - St. Pauli (1901-2011) 180 160 140 120 Differenz [cm] 100 80 60 40 20 0 1880 1900 1920 1940 1960 Sturmflutjahr 1980 2000 2020 Versagen der Küstenschutzanlagen auch abhängig von der Dauer Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 13
Anwendung in Cuxhaven - Hamburg an der Elbe Cuxhaven Storm surge on 03.12.1999 956 110 km 1095 Hamburg TPZ Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 14
Die Methode Risk - Windstaukurvenverfahren Analytical steps: Empiric-deterministic steps Statistical and numerical steps Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 15
Tide Windstau Interaktion Vorgehensweise Tide Statistisch 400 350 Ergebnisse Periodische Ungleichheit ist erkennbar, jedoch geringfügig Anwendung auf astronomische Ungleichheit von 60 cm auf Windstau 1976 Effektivwind (295 ) 10-15 m/s Geringfügig Empirisch Höhenzunahme des Windstaus bei Thw durch Windzunahme in Relation zum Tnw Windstauhöhe cm Dreisatzberechnung Theoretische Grundlage: 150 Springtide reduziert sich entsprechend Windstau von Tnw 100 nach Thw (60 90 %) 50 Numerische Modellierung St. Dick 300 250 200 15-20 m/s: 78 % Windstau bei Thw 20-25 m/s : 85 % Windstau bei Thw Windstauverschiebung von 89% am 03.01.1976 Je nach Wasserstandshöhe verbleiben von der Springerhöhung 16-31 % Geringfügig (ca. 10-20 %) 1976: 12,7 cm TNW THW TNW III IV II V 0 V 300 400 500 600 700 800 900 1000 I Wasserstand cm PN Zeit Wasserstand bei Windstau 1976: I 16 cm bei Windstau 1976 + Fernwelle 9,5 cm R isk Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 16
Tide Windstau Interaktion Einfluss der Springtide (60 cm über MThw) auf den Windstau Multimethodenansatz Determinstisch/ stochastisch Reduktionsfaktor 84% = 9,5 cm Numerisch BSH/ St. Dick: Reduktionsfaktor 79% = 12,7 cm Bezogen auf Tidehub: Reduzierung um rund 11% bei einem sehr hohen Windstau (3,70 m in Cuxhaven) Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 17
Windstaukurvenverfahren Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 18
Fernwelle Windstau Interaktion 19.02. 00:00 965 hpa 18.2.1990 18.02. 00:00 960 hpa 18.02. 12:00 960 hpa 20.02. 00:00 950 hpa 20.02. 12:00 950 hpa Level 18.02. Ab.: 42 cm Level 18.02. Cux.: 38 cm 18.02. 12:00 965 hpa 19.02. 00:00 950 hpa 19.02. 12:00 940 hpa Aberdeen Immingham 20.2.1990 Level 20.02. Ab.: 108 cm Level 20.02. Cux.: 109 cm Cuxhaven Meeting Mit einer Sturmflut: - 30% Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 19
Fernwelle Windstau Interaktion Vorgehensweise Fernwelle Ergebnisse Anwendung Einfluss der außertropischen Zyklone Fernwelle und Sturmflut können sowohl von der gleichen, als auch von zwei verschiedenen Zyklonen ausgelöst werden Abhängigkeit zur Zugbahn der außertropischen Zyklone Ermittlung der Fernwellengröße unabhängig von Sturmfluten Ermittlung der Fernwellengröße mit einer Sturmflut Zugbahn der Zyklone weiter nördlich (zw. Island und Schottland): Abnahme in der Höhe bzw. relativ konstant (Aberdeen- Cuxhaven) Zugbahn der Zyklone weiter südlich (nahe Schottland): Zunahme in der Höhe (Aberdeen-Cuxhaven) Abnahme der Fernwellen von Aberdeen nach Cuxhaven um 30 % empirisch: 16./17.02.1962 Fernwelle 80 cm numerisch: 03.01.1976 bei Überlagerung mit Windstau und Springtide Reduzierung der Höhe in Cuxhaven um 33 % Verwendung einer Fernwelle ohne Sturmflut, daher Wahl einer beobachteten Fernwelle mit einer weit nördlich gelegenen Zugbahn 77 cm (unter Verwendung der höchsten Fernwelle am 20.02.1990) 30 % Reduktion 80 cm in Cuxhaven 30-40% Reduktion 60-80 cm in Cuxhaven Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 20
Fernwelle Windstau Interaktion Einfluss der Fernwelle auf den Windstau Multimethodenansatz Deterministisch/ stochastisch (LSBG) Reduktionsfaktor: 10-45% = 60-100 cm Numerisch FTZ Büsum (Prof. Mayerle) Reduktionsfaktor: 30-45% = 60-80 cm Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 21
Die Sturmflut LSBG NN + 6,10 m Mayerle, 2010 NN + 6,30 m Fernwelle 0,8 Windstau 3,70 m Astronomie 10 cm MThw 1,50 m (5jähriges Mittel) 500 450 cm 400 Windstaumaximum [cm] 300 200 100 0 00:00 1,0 h/m 2,5 h 04:00 08:00 12:00 16:00 5,5 h/m 20:00 00:00 04:00 08:00 12:00 16:00 Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 22
Übertragung auf Hörnum Verhältnis des Staus zu THW zum Stau zu TNW: 85 95 % Höchster Windstau 319 cm am 24.11.1991zu Thw Höchste Springtide vom 24.10.1949 mit 63,1 cm wird zu 44 cm Fernwellenreduktion: 70% Höchste Fernwelle 77 cm 46 cm mit sehr hohem Windstau Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 23
Zusammensetzung der Flut Hörnum Die Flut am Pegel Hörnum setzt sich wie folgt zusammen: Windstau Springtide Fernwelle MThw (1999/2008) 319 cm 44 cm 46 cm 104 cm NN 513 cm NN bzw. 1013 cm PN Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 24
Prognosen zum Meeresspiegel- und Sturmflutanstieg bis zum Jahr 2100 29 36 cm Temperaturanstieg 3 C Max-Planck-Institut für Meterologie 1,75 ± 0,16 mm/a Holgate (2007) 90-130 cm Grinsted et al. (2009) 80 cm Pfeffer et al. (2008) 100 cm Temperaturanstieg 2 C Schellenhuber (2008) Projektionen - regional 30 80 cm Nord-Ost-Atlantik Katsman et al. (2008) 31 cm Keine beschleunigte Temperaturzunahme Church & White (2006) 40-80 cm werden im Rahmen des Projektes als plausible Höhe bis 2100 erachtet 58 cm Temperaturanstieg 3 C Deutsche Nordseeküste Max-Palanck-Institut / MPI-M(2008) 34 cm Keine beschleunigte Temperaturzunahme Jevrejeva et al. (2008) Projektionen - global 14 20 cm Temperaturanstieg 3 C Englische Küste UK Climate Impacts Programme / UKCIP (2007) 70 80 cm -5 115 cm Temperaturanstieg 6 C Niederländische Küste Deltacommissie (2008) Temperaturanstieg 6 C Englische Küste UK Climate Impacts Programme / UKCIP (2007) R isk Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 25
Sturmfluten und Zukunftsszenarien Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 26
Exsturmfluten und Zukunftsszenarien SY_R2010A SY_R2010A-95 SY_R2010B SY_R2010C Verfahren Sturmflut - MUSE MUSE Verfahrensmerkmale Nicht-lineare Überlagerung von bisher in der Natur aufgetretenen Randwerten Kombination einer eingetretenen Sturmflut mit dem bisher beobachteten MSL-Anstieg numerische Simulation von bisher noch nicht eingetretenen Randwerten numerische Simulation von bisher noch nicht eingetretenen Randwerten Windstau-scheitel 319 (365*) cm 319 cm 359 cm 415* Sturmflutscheitel NN + 5,13 m NN + 4,19 m NN + 4,47 m NN + 4,89 m * einschließlich Fernwellenanteil Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 27
Transfermodelle Um eine größere Anzahl von Sturmflutszenarien von den Hauptuntersuchungspegeln Cuxhaven und Hörnum auf die weiteren Untersuchungspegel zu übertragen, wurden deterministische Transfermodelle entwickelt Dazu wurden beobachtete Sturmflutverläufe für überlappende Zeiträume an jeweils zwei Pegeln parametrisiert (unter Berücksichtigung von 25 Parametern; näheres im anschließenden Vortrag) Alle Parameterpaare weisen eine signifikante Korrelation auf (größtenteils > 0.9 [-]) Mithilfe von Regressionsgleichungen für die 25 Parameter können Sturmflutverläufe von den Hauptuntersuchungspegeln auf andere Pegelstandorte übertragen werden Für folgende Pegelpaare wurden Modelle entwickelt: Hörnum Westerland Hörnum Rantumdamm Cuxhaven St. Pauli Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 28
Transfermodelle Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 29
Hamburg Cuxhaven-Hamburg: alle Szenarien Analyse der Entwicklung der Exsturmfluten von Cuxhaven bis Hamburg Entwicklung der Scheitelwasserstände entlang der Elbe Cuxhaven HH St.Pauli BAW Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz
Berechnete Szenarien der Exsturmfluten Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 31
Modellierung UW Randbedingung EKM 632 (Finkenwerder): Wasserstandszeitreihe Detailmodell der TUHH: 2D HN Modell: Kalypso 1D2D Randbedingungen aus Querprofilen des BAW Modells für Detailmodell der TUHH (querschnittsgemittelt) OW Randbedingung EKM 586 (Geesthacht): Durchflusszeitreihe HN Modells des Elbe Ästuars der BAW: Hydrodynamisch numerisches Modell: UnTRIM 2004 Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 32
Zusammenfassung Mit Hilfe der Windstauanalysenmethode ist es möglich sehr schwere Sturmfluten unter Berücksichtigung von allen Faktoren zu berechnen die meteorologisch und physikalisch korrekt sind. Unter Verwendung des Multimethodenansatzes können Reduktionsfaktoren berechnet werden. Methode ist übertragbar. Meeresspiegelszenarien aus der Literatur und Pegelbeobachtung ermöglichen Klimazuschlag. Transfermodelle und numerische Modelle übertragen Sturmflut auf andere Pegel. Mithilfe von Kalypso erfolgt die Übertragung der Wasserstände an den Deich. Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 33
Veröffentlichungen im Rahmen von Risk Gönnert, G. & S. Thumm: Das Risiko von Exfluten in Ästuaren angesichts globalen Klimawandels. In: Coastline Reports 16 (2010) Gönnert, G., Buß, Th. & Dipl.-Ing. S. Thumm: Coastal Protection in Hamburg due to climate change. An example to design an exe storm surge event. In:Proceedings of the First International Conference Coastal Zone Management of River Deltas and Low Land Coastlines, S.161-174 Bruss, G., G. Gönnert & R. Mayerle: Exe scenarios at the German North Sea Coast. A numerical model study. In: Proceedings of The InternationalConference On Coastal Engineering, No. 32 (2010), Shanghai, China. Paper #: currents.26. Retrieved from http://journals.tdl.org/icce/ Gönnert, G., Gerkensmeier, B., Sossidi, K., (2012): A method for calculating exe storm surges considering non-linear effects for application in risk analyses and climate change scenarios. Natural Hazards, manuscript submitted 04.2012 Gönnert, G. & K. Sossidi: A new approach to calculate exe storm surges: Analysing the interaction of storm surge components. In: Benassai, G., C.A. Brebbia & G.R. Rodriguez (Hrsg.) (2011): Coastal Processes II. Southhampton, S. 139-150 Gönnert, G., Sossidi, K. (2011): A new method to calculate exe storm surges. Irrigation and Drainage, Vol. 60, Issue Supplement S1, 91-98, first published online 20.12.2011 Gönnert, G., Jensen, J., von Storch, H., Thumm, S., Wahl, Th. & R. Weisse: Der Meeresspiegelanstieg - Ursachen, Tendenzen und Risikobewertung. In: Die Küste, Heft 76, 2010. Gönnert, G.: A new method of approaching exe storm surge events in order to calculate Design Level or Risk Analyses. Abstract accepted Januar 2012 Gönnert, G. & B. Gerkensmeier: A 2-method-concept to approach exe storm surge events- combination of deterministic-empirical and numerical methods. Paper submitted Januar 2012 Gönnert, G. & B. Gerkensmeier: Development of exe storm surge events results of the RisK project. Beitrag TP1a im Rahmen der Gesamtdarstellung des Projektes durch alle TPs, paper submitted März 2012 Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 34
Veröffentlichungen im Rahmen von Risk Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 35
Vielen Dank Vielen Dank Gabriele Gönnert Methode zur Berechnung von sehr schweren Sturmfluten RisK-Abschlusskonferenz 36