Auswirkungen des anthropogenen Klimawandels auf ... Auswirkungen des anthropogenen Klimawandels

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  • Auswirkungen des anthropogenen Klimawandels auf

    Hydrodynamik und Salzgehalte des Weserästuars

    KLIFF-Tagung „Vom globalen Klimawandel zu regionalen Anpassungsstrategien“

    Anna C. Zorndt, Torsten Schlurmann Franzius-Institut für Wasserbau und Küsteningenieurwesen, Leibniz Universität Hannover,

    www.fi.uni-hannover.de, zorndt@fi.uni-hannover.de

  • Slide 2

    Auswirkungen des anthropogenen Klimawandels

    auf Hydrodynamik und Salzgehalte des Weserästuars

    Einführung: Klimaänderung im Weserästuar und Methodik

    Untersuchung von Oberwasserabflussänderungen und

    einem vereinfachten MSLR Szenario

    Untersuchung des Einflusses von Sturmereignissen

    03.09.2013 | Anna C. Zorndt

  • Slide 3

    Auswirkungen des anthropogenen Klimawandels

    auf Hydrodynamik und Salzgehalte des Weserästuars

    Simulation des Weserästuars: Hydrodynamik und Salzintrusion

    03.09.2013 | Anna C. Zorndt

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    Auswirkungen des anthropogenen Klimawandels

    auf Hydrodynamik und Salzgehalte des Weserästuars

    Äußere Einwirkungen

    03.09.2013 | Anna C. Zorndt

    Tide

    Mittlerer Meeresspiegel

    Wind

    Oberwasserabfluss

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    Auswirkungen des anthropogenen Klimawandels

    auf Hydrodynamik und Salzgehalte des Weserästuars

    Bisherige Forschungsergebnisse

    Änderung des Windes und der Intensität und

    Frequenz von Stürmen in Deutscher Bucht:

    FT 7 TP 1, Gaslikova et al. (2012): ECHAM 5, CCLM,

    HN-Modell, 4 Realisationen (A1B, B1 x 2)

     Gleitender 30 Jahres-Mittelwert der Änderung des

    99 % Quantils zeigt hohe Fluktuationen („climate

    variability“), aber auch signifikante Anstiege der

    Surge Height in der Deutschen Bucht.

     Erhöhung der Frequenz spielt möglicherweise

    größere Rolle als Erhöhung der Intensität.

    Änderung der Abflüsse der Unterweser:

    Hölscher et al. (2012): KliBiW: ECHAM 5,

    Remo/Wettreg, NA-Modell, 22 Realisationen, Gebiet

    Aller/Leine

     Ensemblemittel HQ 100 + 9 %

    Huang et al. (2012): ECHAM 5, CCLM/REMO/Wettreg,

    NA-Modell, 67 Realisationen, Gebiet Weser

     Hohe Unterschiede zwischen RCMs:

    Ensemblemittelwert der Änderung in 50-J-Flut:

    CCLM/Remo zeigt Anstieg um < 10 %, Wettreg

    Verringerung.

    Änderung im Einzugsgebiet Unterweser von TP 5.1

    03.09.2013 | Anna C. Zorndt

    Gaslikova, Grabemann, Groll (2013)

    Huang, Hattermann, Krysanova, Bronstert (2012)

    CCLM/Remo Wettreg

  • Slide 6

    Auswirkungen des anthropogenen Klimawandels

    auf Hydrodynamik und Salzgehalte des Weserästuars

    Bisherige Forschungsergebnisse

    Änderung des Mittleren Meeresspiegels:

     Bisheriger Anstieg in der Deutschen

    Bucht: Relativer Anstieg des mittleren

    Meeresspiegels bei LT Alte Weser

    (Außenweser) von 1901-2008: 1,9 mm/a

    (Wahl et al. 2011); 1971-2008: 3,1 mm/a

     Projektionen:

    4. Sachstandsbericht IPCC (AR4) 2007:

    Bandbreite über alle Szenarien 18-59 cm.

    Obere Grenzen von 160 cm (Jevrejeva et

    al. 2010) oder 190 cm (Vermeer und

    Rahmstorf 2009).

    Änderung der Tidedynamik in der

    Deutschen Bucht (Beispiel 2 m MSLR):

     Heute: M2 Amplitude Pegel Lt Alte Weser:

    1,35 m, Tidehub 2,8 m

     Pickering et al. (2012): Anstieg M2

    Amplitude bis +20 cm

     Ward et al. (2012): Verringerung M2

    Amplitude um über 20 cm

     Zorndt, Jordan in prep. (2013):

    Bestätigung der Ergebnisse von Ward

    03.09.2013 | Anna C. Zorndt

    Wahl et al. 2011

    United States Army Corps of Engineers (2011)

    Pickering (2012) Zorndt, Jordan in prep. (2013)

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    Auswirkungen des anthropogenen Klimawandels

    auf Hydrodynamik und Salzgehalte des Weserästuars

    Messungen:

     Wasserspiegel und Salzgehalt

    Bathymetrie:

     800 Datensätze, 400 Mill. Punkte

     Befliegungsdaten sowie Single- und Multibeamechosounder Daten mit hoher Genauigkeit (Wasser- und Schifffahrtsverwaltung WSV)

    Vernetzung:

     ArcGis zur Erstellung der Küstenlinie und der Polygone zur Erfassung von festen Strukturen wie Sommerdeichen etc.

     Interface Matlab (analog zu BatTRI, Bilgili et al. 2003)

     Tiefengradientenbasierte Verfeinerung

    Horizontales Netz:

     #vertices ~ 150.000

     Seitenlängen zwischen 10 m und 1.000 m

     Minimaler Winkel a = 31

    Datengrundlage und Netz

    03.09.2013 | Anna C. Zorndt

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    Auswirkungen des anthropogenen Klimawandels

    auf Hydrodynamik und Salzgehalte des Weserästuars

    Semi-implicit Eulerian–Lagrangian Finite-Element model (SELFE)

    03.09.2013 | Anna C. Zorndt

    SELFE:

     Zhang et al. 2008

     3D shallow-water equations,

    hydrostatic and Boussinesq

    approximation

     Galerkin finite element framework

     Semi-implicit time stepping

     Eulerian-Lagrangian method for

    momentum advection

     Parallel Code

    Parameters for this study:

     Baroclinic scheme

     Timestep t = 60 sec

     25 s-levels with skew distribution and emphasis on resolving bottom and surface:

    f = 3, b = 1, hc = 5 m

     Finite-volume upwind method for

    transport

     k model for turbulence closure

    3D baroclinic

    cross-scale

    river-estuary-

    shelf-ocean

    circulation

    Storm

    Surge

    Ecology &

    water

    quality

    Oil spill

    Tsunami

    modeling

    Sediment

    transport

    Short

    Wave-

    current

    interaction

    SELFE modeling system and application areas

    (http://www.stccmop.org/CORIE/modeling/selfe/)

    Unstructured meshHybrid coordinates (Zhang, 2008)

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    Auswirkungen des anthropogenen Klimawandels

    auf Hydrodynamik und Salzgehalte des Weserästuars

    Ergebnisse der Kalibrierung

    03.09.2013 | Anna C. Zorndt

    Strömungsgeschwindigkeiten

    Wasserspiegelauslenkung

    Salzgehalte

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    Auswirkungen des anthropogenen Klimawandels

    auf Hydrodynamik und Salzgehalte des Weserästuars

    Einführung: Klimaänderung im Weserästuar und Methodik

    Untersuchung von Oberwasserabflussänderungen und

    einem vereinfachten MSLR Szenario

    Untersuchung des Einflusses von Sturmereignissen

    03.09.2013 | Anna C. Zorndt

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    Auswirkungen des anthropogenen Klimawandels

    auf Hydrodynamik und Salzgehalte des Weserästuars

    03.09.2013 | Anna C. Zorndt

    Untersuchung von Oberwasserabflussänderungen und einem

    vereinfachten MSLR Szenario

    Zorndt, Zhang (2013): Modeling salt intrusion into the Weser Estuary with a semi-implicit Eulerian-Lagrangian finite-

    element approach. In review, Ocean Dynamics.

    Grundlage:

     Simulation des IST-Zustandes April 2009

    Betrachtete Größen:

     Gemittelte Salinitätsverteilung entlang FKM über einen Spring-Nipp Tidezyklus

     Residuelle Euler-Transportgeschwindigkeit

     Tidedynamik

    Untersuchte “Szenarien”

     Geringer Abfluss von Q = 200 m3/s (repräsentativ für mittlere Zustände im Herbst)

     Hoher Abfluss von Q = 2000 m3/s (Wiederkehrwert ~ 15 Jahre)

     Mittlerer Meeresspiegelanstieg von 1 m

    Gemittelte Salinitätsverteilung

    Residuelle Euler-Transportgeschwindigkeit

  • Slide 12

    Auswirkungen des anthropogenen Klimawandels

    auf Hydrodynamik und Salzgehalte des Weserästuars

    03.09.2013 | Anna C. Zorndt

    Untersuchung von Oberwasserabflussänderungen und einem

    vereinfachten MSLR Szenario

    Geringer Abfluss von Q = 200 m3/s:

     Nullpunkt der residuellen Strömungsgeschwindigkeit und 2 psu Isohaline verschieben sich ca. 7 km bzw. 6 km nach Oberstrom

    Q =

    2 0 0 m

    3 /s

    IS

    T -Z

    u s ta

    n d

  • Slide 13

    Auswirkungen des anthropogenen Klimawandels

    auf Hydrodynamik und Salzgehalte des Weserästuars

    03.09.2013 | Anna C. Zorndt

    Untersuchung von Oberwasserabflussänderungen und einem

    vereinfachten MSLR Szenario

    Hoher Abfluss von Q = 2000 m3/s:

     Nullpunkt der residuellen Strömungsgeschwindigkeit und 2 psu Isohaline verschieben sich ca. 20 km nach Unterstrom

    Q =

    2 0 0 0 m

    3 /s

    IS

    T -Z

    u s ta

    n d

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    Auswirkungen des anthropogenen Klimawandels

    auf Hydrodynamik und Salzgehalte des Weserästuars

    03.09.2013 | Anna C. Zorndt

    Untersuchung von Oberwasserabflussänderungen und einem

    vereinfachten MSLR Szenario

    Mittlerer Meeresspiegelanstieg MSLR 1 m

     Nullpunkt der residuellen Strömungsgeschwindigkeit und 2 psu Isohaline verschieben sich ca. 6 km bzw. 5 km nach Oberstrom (in Übereinstimmung mit Holzwarth et al. 2011)

    M S

    L R

    = 1

    m IS

    T -Z

    u s ta

    n d

  • Slide 15

    Auswirk