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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, [email protected]

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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 SchlurmannFranzius-Institut für Wasserbau und Küsteningenieurwesen, Leibniz Universität Hannover,

www.fi.uni-hannover.de, [email protected]

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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

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

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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

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Gaslikova, Grabemann, Groll (2013)

Huang, Hattermann, Krysanova, Bronstert (2012)

CCLM/Remo Wettreg

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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

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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 hoherGenauigkeit (Wasser- und Schifffahrtsverwaltung WSV)

Vernetzung:

ArcGis zur Erstellung der Küstenlinie und derPolygone zur Erfassung von festen Strukturenwie 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

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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

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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

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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

Geringer Abfluss von Q = 200 m3/s:

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

Q =

200 m

3/s

IS

T-Z

usta

nd

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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

Hoher Abfluss von Q = 2000 m3/s:

Nullpunkt der residuellen Strömungsgeschwindigkeit und 2 psu Isohaline verschiebensich ca. 20 km nach Unterstrom

Q =

2000 m

3/s

IS

T-Z

usta

nd

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Auswirkungen des anthropogenen Klimawandels

auf Hydrodynamik und Salzgehalte des Weserästuars

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Untersuchung von Oberwasserabflussänderungen und einem

vereinfachten MSLR Szenario

Mittlerer Meeresspiegelanstieg MSLR 1 m

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

MS

LR

= 1

mIS

T-Z

usta

nd

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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

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Auswirkungen des anthropogenen Klimawandels

auf Hydrodynamik und Salzgehalte des Weserästuars

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Investigating the influence of the storm

German Bight:

Peak: 3.58 mNN

Bremen:

Peak: 4.93 mNN

(Mean values:

HW: 2.56 mNN / LW: -1.54 mNN)

Runoff: Q = 150 m3/s

Wind:

Peak: 29 m/s (9 Bft)

German Bight:

Peak: 3.78 mNN

Bremen:

Peak: 5.03 mNN

(Mean values:

HW: 2.56 mNN / LW: -1.54 mNN)

Runoff: Q = 1000 m3/s

Wind:

Peak: 34 m/s (11 Bft)

External Surge:

Duration: 2.13 d

Height :1.83 m

External Surge:

Duration : 1.175 d

Height :1.78 m

Storm Tilo 2007

Storm Britta 2006

Modelling Approach:

Excluding external surge in boundary condition,

average wind speed over domain: „No-Storm“ Run

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Auswirkungen des anthropogenen Klimawandels

auf Hydrodynamik und Salzgehalte des Weserästuars

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Salinity intrusion for Simulation Runs „Storm“ and „No-Storm“

Storm Tilo 2007

Storm Britta 2006

Interface between brackish water and seawater

(10 PSU isohaline):

Storm Simulation:

Seawater Penetration LS = 85 km

Tidal Excursion Length LE = 20 km

No-Storm Simulation:

Seawater Penetration LS = 65 km

Tidal Excursion Length LE = 15 km

LELS

Interface between brackish water and seawater

(10 PSU isohaline):

Storm Simulation:

Seawater Penetration LS = 75 km

Tidal Excursion Length LE = 30 km

No-Storm Simulation:

Seawater Penetration LS =55 km

Tidal Excursion Length LE = 15 km

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Auswirkungen des anthropogenen Klimawandels

auf Hydrodynamik und Salzgehalte des Weserästuars

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Salinity intrusion for Simulation Runs „Storm“ and „No-Storm“

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Auswirkungen des anthropogenen Klimawandels

auf Hydrodynamik und Salzgehalte des Weserästuars

Untersuchung von Stürmen der Szenarienrechnungen FT 7 TP 1

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Sturm des Szenarienlaufs A1B1_1

A. Zorndt, T. Schlurmann, I.

Grabemann (2012): The influence

of extreme events on

hydrodynamics and salinities in

the Weser Estuary in the context

of climate impact research,

Proceedings of 33rd Conference

on Coastal Engineering,

Santander, Spain, 2012

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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

Ästuare sind komplexe Systeme, die von einer Reihe äußerer Einwirkungen beeinflusst werden, welche sich durch

Effekte des Klimawandels ändern (können).

In vielen Bereichen besteht eine gute Grundlage von vorhergehenden Forschungsarbeiten; die Unsicherheit der

Aussagen ist dennoch weiterhin hoch.

Methoden: 3D hydrodynamisch-numerische Simulation mit dem Modell Semi-Implicit Eulerian-Lagrangian Finite

Element Model SELFE

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

Oberstrom bei einem Abfluss von 200 m3/s sowie ca. ca. 20 km nach Unterstrom bei einem Abfluss von 2000 m3/s

Bei einem einfachen Szenario einer mittleren Meeresspiegelerhöhung von 1 m ergibt sich einer

Stromaufverschiebung der Punkte von 5-6 km.

Simulation einfacher Szenarien gibt erste Tendenzen für eine Bewertung der relevanten Randbedingungen

Simulation der selben Perioden unter Extraktion des Sturmereignisses aus den Randbedingungen ermöglicht die

Untersuchung des Einflusses des Sturmereignisses auf Hydrodynamik und Salzgehalte

Auf einer Flusslänge von ca. 40 km führte der Szenariosturm A1B_1 zu einem Anstieg von > 10 psu bei einer

Verschiebung der 10 psu Isohaline von 34 km stromaufwärts.

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Auswirkungen des anthropogenen Klimawandels

auf Hydrodynamik und Salzgehalte des Weserästuars

03.09.2013 | Anna C. Zorndt

Danke für Ihr Interesse!

Forschungsthema 7 (A-KÜST) Teilprojekt 5:

Salzwassereintrag in die Unterweser und Wasserhaushalt angrenzender tidebeeinflusster Gewässer