Das Ostseemodell der BAW

Technische Dokumentation

Stand Januar 2015

Dr. Guntram Seiß

Bundesanstalt für Wasserbau · Technischer Bericht Ostseemodell · Stand Januar 2015

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Inhaltsverzeichnis Seite

1 Ziele der Ostseemodellierung an der BAW 11.1 Abbildung der Hydrodynamik der Ostsee 21.1.1 Wassermassenaustausch der tiefen Becken 41.1.2 Jahresgang im Süßwassereintrag 51.1.3 Jahresgang in der Temperatur 61.1.4 Seiches 71.1.5 Salzwassereinbrüche über die Beltsee 71.1.6 Tagesgang der Temperatur 81.1.7 Zeitskalen von Stoffflüssen 81.1.8 Mittelwerte 81.2 Modellanforderungen 9

2 Modellaufbau des Ostseemodells 102.1 Modellverfahren 112.2 Digitale Geländemodelle 122.3 Bathymetrie und Berechnungsgitter 122.4 Randwerte 152.4.1 Randwerte am seeseitigen Rand zum Skagerak 152.4.2 Süßwassereintrag durch Festlandsabflüsse 172.4.3 Meteorologische Randwerte 192.5 Anfangswerte 20

3 Modellvalidierung 213.1 Vorgehensweise 213.2 Vergleich von Wasserständen mit der Natur 24

4 Einsatz des Ostseemodells in der Praxis 254.1 Das Modellbaukastenprinzip 254.2 Vorgehen zur Modellbildung 254.2.1 Vorgehen bei Verwendung des Basisgitters oder eines daraus abgeleiteten Gitters264.3 Auswertung und graphische Darstellung 27

5 Ausgewählte Beispiele für Modellergebnisse 275.1 Horizontale Neigung des Wasserstandes im Großen Belt zwischen Nyborg undKorsør 285.2 Strömungsverhältnisse im kleinen Belt bei Middelfaart 295.3 Temperatur- und Salzverteilung 30

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5.4 Minimaler Salzgehalt in der Warnow 32

6 Literaturverzeichnis 35

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Bildverzeichnis Seite

Bild 1: Dichteanomalie (Dichte – 1000) in g/dm3 für die in der Ostsee typischenTemperaturen und Salzgehalte. 3

Bild 2: Jahresverlauf der Oberwassermenge verschiedener Ostseezuflüsse beispielhaft. 6Bild 3: Bathymetrie des Basisgitters des Ostseemodells, Stand 2011. In Orange sind die

Oberwasserzuflüsse markiert. 13Bild 4: Ein hochaufgelöstes Teilgitternetz der Unterwarnow, welches in das Basisgitter der

Ostsee eingefügt werden kann (aus den Arbeiten zu (Bundesanstalt für Wasserbau2011) ). 14

Bild 5: Pegelhaus Smögen (Schweden, Quelle: ESEAS Website, temporär verfügbar,Urheber unbekannt ). 16

Bild 6: Pegelkurven Smögen (schwarz) und Skagen (rot) für den Januar und Februar 2005.16Bild 7: Vergleich der aus der 24-Stunden-Vorhersage (DWD) abgeleiteten Modellrandwerte

für den Wind mit den Messwerten an der Messplattform Arkonasee (MARNET). 20Bild 8: Beispielhafter Vergleich Messung (schwarz) – Modell (rot). Von Oben nach unten

werden die Pegel Kalkgrund, Kiel, Warnemünde und Saßnitz dargestellt. 24Bild 9: Ganglinien des Wasserstandes der Pegel Korsør (Schwarz) und Nyborg (Rot) bei

einer länger andauernden Ausstromsituation. 28Bild 10: Wasserstandsganglinien der Pegel Korsør (Schwarz) und Nyborg (Rot) bei einer

etwa 24-stündigen Einstromsituation. 29Bild 11: Synoptische Strömung (tiefengemittelt) im Kleinen Belt bei Middelfaart am

15.11.2005, 10:15 Uhr. 30Bild 12: Temperaturverteilung entlang eines Vertikalschnittes durch die Ostsee. 31Bild 13: Verteilung des Salzgehaltes entlang eines Vertikalschnittes durch die Ostsee. 32Bild 14: Minimaler Salzgehalt (tiefengemittelt) im Ästuar der Warnow bei mittlerem

Oberwasser für den Analysezeitraum Dezember 2005. 33Bild 15: Änderung des minimalen Salzgehaltes bei Vertiefung des Seekanals auf 16,60 m

unter NHN (Analysezeitraum Dezember 2005) 34

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Tabellenverzeichnis Seite

Tabelle 1: Derzeit verfügbare Zuflüsse des BAW-Ostseemodells mit Position der Mündung.Die Links führen zu den Beschreibungen in Wikipedia. 19

Tabelle 2: Verfügbare Zeitreihen ozeanographischer Dauermessstationen für die Jahre2005 und 2006 (Datenquelle: BSH). 22

Tabelle 3: Zur Validierung der Wasserstände verfügbare Pegel für die Jahre 2005, 2006und 2011. 23

Tabelle 4: Verfügbarkeit der Randwerte am seeseitigen Rand mit zeitlicher Auflösung. 27

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1 Ziele der Ostseemodellierung an der BAW

Seit der Wiedervereinigung der Bundesrepublik Deutschland mit der Deutschen Demokrati-schen Republik hat sich die Bedeutung der Ostsee für die Deutsche Wirtschaft und denHandel deutlich erhöht. Die Häfen Mecklenburg-Vorpommerns gewinnen zunehmend anBedeutung als Umschlagsplätze und Werftstandorte, insbesondere mit den Ländern Osteu-ropas und Skandinaviens. Damit sind die Aufgaben der BAW im Rahmen der gutachterli-chen Tätigkeit und der Beratung nach der Wiedervereinigung auch auf den Ostseeraumausgedehnt worden.Um die Tätigkeit im Rahmen von gutachterlichen und beratenden Aufgaben auf dem glei-chen hohen Qualitätsniveau vornehmen zu können, wie das bereits seit vielen Jahren anden Ästuaren der Nordsee geschieht, wurde es erforderlich, ein Modell der Ostsee aufzu-bauen, dass für den Bereich der Deutschen Ostseeküste flexibel an verschiedene Frage-stellungen angepasst werden kann.Der Schwerpunkt des Einsatzes liegt in der naturähnlichen Modellierung wasserbaulichrelevanter Prozesse an der deutschen Ostseeküste im Rahmen von Umweltverträglich-keitsuntersuchungen und in der zukünftigen wasserbaulichen Beratung der Wasserstra-ßenverwaltung des Bundes im Revier. Zusätzlich soll das Modell in wasserbaulichen Frage-stellungen genutzt werden, die im Zusammenhang mit erwarteten Klimaänderungen stehen.Der Modellansatz unterscheidet sich daher grundlegend von dem Modellkonzept des Bun-desamtes für Seeschifffahrt und Hydrographie, welches auf die Vorhersage von Wasser-ständen und großräumigen Ausbreitungsprozessen von Schadstoffen und operationellenBetrieb optimiert wurde. Das an der BAW vorgehaltene Ostseemodell führt zu einem besse-ren Verständnis der Prozesse im Deutschen Küstenabschnitt der Ostsee und ermöglicht,Bauvorhaben individuell an die hydrologischen Gegebenheiten optimal anzupassen, bevorsie in der Realität umgesetzt werden. Es stellt somit ein wichtiges Planungshilfsmittel in derweiteren Entwicklung der Bundeswasserstraßen an der Ostseeküste dar.Die Förden, Meeresbuchten und Boddengewässer der Ostseeküste stehen in einer engenWechselwirkung mit der offenen See. Daher fällt es oft schwer, eine natürliche Modellgren-ze zu ziehen, für die die seeseitigen Randbedingungen eindeutig definiert sind. Eine Aus-nahme bilden hier Gewässer, die einen im Verhältnis zum Volumen engen Zugang zurOstsee besitzen, wie beispielsweise die Schlei.Aus der Erfahrung mit einem Teilgebietsmodell der Ostsee hat sich zudem gezeigt, dassdie Steuerung an zwei oder mehr offenen Modellrändern nicht einfach zu realisieren ist(Bundesanstalt für Wasserbau 2009/2010). In diesem Fall müssen nämlich die Randwerterelativ präzise aus einem dynamisch konsistenten Modellergebnis (beispielsweise demVorhersagemodell des Bundesamtes für Seeschifffahrt und Hydrographie) abgegriffenwerden. Die Modellierung des gesamten Ostseebeckens bis zum Skagerak vereinfacht die

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Randsteuerung daher deutlich und eine für Aussagen des Modells verfälschende Beein-flussung der Randbedingungen durch Eingriffe in die Wasserstraßen an der deutschenOstseeküste ist bei diesem Ansatz nicht gegeben.

1.1 Abbildung der Hydrodynamik der Ostsee

Die Hydrodynamik der Ostsee zeigt eine Vielfalt von Prozessen. Diese finden auf unter-schiedlichen Raum- und Zeitskalen statt. Prägend sind dabei die jeweils antreibendenRandbedingungen. Aufgrund der Zeitskalen kann man die Prozesse aufteilen in solche, diemaßgeblich von der Corioliskraft beeinflusst werden, d.h. Prozesse, deren Zeitskala in derGrößenordnung der Coriolisperiode liegt oder größer, und solche Prozesse, die deutlichkürzere Zeitskalen aufweisen. Für die Wasserstände der Ostsee spielen die durch die Cori-oliskraft beeinflussten Prozesse die größte Rolle. Langperiodische Prozesse sind der Wassermassenaustausch zwischen dem salzarmenOberflächenwasser und den salzreicheren Wassermassen in den tiefen Becken durchturbulenten und molekularen Austausch, der Jahresgang in der Süßwasserzufuhr und derJahresgang in der Lufttemperatur, der die Bildung einer sommerlichen Deckschicht sowiedie winterliche Vertikalkonvektion bestimmt. Diese Prozesse sind durch das Klima sowie dieBathymetrie und die mittleren hydrologischen Verhältnisse im Skagerak geprägt. Eine we-sentliche Charakteristik ist der Wassermassenaufbau, der durch die Verteilung von Salz-gehalt und Temperatur bestimmt ist. Der Einfluss von Temperatur und Salzgehalt auf dieDichte des Meerwassers wird aus Bild 1 deutlich.

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Bild 1: Dichteanomalie (Dichte – 1000) in g/dm3 für die in der Ostsee typischen Temperatu-ren und Salzgehalte.

Der Wassermassenaufbau beeinflusst die mittleren Wasserstände in einer Größenordnungvon ein bis zwei Dezimetern, weil für eine ausgeglichene Druckbilanz bei geringerer Dichtein der Ostsee östlich Bornholm ein größeres Volumen (und damit höherer Wasserstand)herrschen muss, als in der westlichen Ostsee und im Kattegat. Der Wassermassenaufbauwirkt sich zudem auf den vertikalen Austausch durch Konvektion sehr unterschiedlich aus.Während im relativ süßen Ostseewasser ein Dichtemaximum bei niedrigen Temperaturendazu führt, dass, ähnlich wie in Süßwasserseen, die winterliche Konvektion bei sehr tiefenTemperaturen unterbunden wird, findet die Konvektion im salzigeren Westteil, z.B. im Kat-tegat, auch bei sehr niedrigen Temperaturen statt. In der zentralen Ostsee verhindert dieHalokline (Salzsprungschicht) im Herbst und Winter eine Konvektion bis zum Boden. DieEisbildung wird durch das Erliegen der Konvektion in der zentralen Ostsee maßgeblichgefördert.Die mesoskaligen Prozesse in der Ostsee sind überwiegend wetterbedingte Ereignisse.Dies sind Windstauereignisse, Seiches (Eigenschwingungen der Ostsee und der angren-zenden Buchten), Einstromereignisse von salzhaltigem Wasser über die Belte und den

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Öresund sowie der Tagesgang der Temperatur im Sommer. Eine Ausnahme bildet die Tide,die in der Ostsee vor allem durch das in den Skagerak einlaufende Tidesignal der Nordseebestimmt ist, welches im Kattegat noch einen Tidehub in der Größenordnung von einemhalben Meter hat, in der westlichen Ostsee jedoch bereits nur noch etwa zwanzig Zentime-ter Amplitude besitzt. Weiter entstehen an den Dichtesprungschichten lange interne Wellen(tideinduziert, interne Seiches und Randwellen).Prozesse mit kleinen räumlichen Skalen sind durch Variationen im Impuls-, Wärme- undStofftransport durch die Grenzfläche Atmosphäre-Ostsee und durch die physikalisch-chemischen Eigenschaften des Ostseewassers bestimmt. Dies gilt zum Beispiel für kurzeOberflächenwellen sowie kurze interne Wellen.Wasserbauliche Maßnahmen wirken auf alle diese Prozesse ein. Aufgabe der wasserbauli-chen Gutachtertätigkeit und Beratung ist, die Wechselwirkungen von Baumaßnahmen mitder Hydrologie zu erkennen, zu quantifizieren und in Planungsverfahren objektiv darzustel-len. Ziel der wasserbaulichen Beratung ist es weiterhin, Bauvorhaben so zu optimieren,dass sie die gewünschten Zwecke erfüllen, unerwünschte Nebenwirkungen (z.B. ein ausGründen des Umweltschutzes oder anderer Betroffenheiten negativer Einfluss auf Wasser-stände, Strömungen, Salzgehalt, Temperatur oder passive Tracer) jedoch minimiert wer-den.

1.1.1 Wassermassenaustausch der tiefen Becken

Der Austausch der Wassermassen der tiefen Becken findet durch molekulare Diffusion undTurbulenz, u.a. durch das Brechen interner Wellen, an der Halokline statt, die das ausge-süßte Oberflächenwasser von dem salzhaltigen Tiefenwasser trennt. Diese Halokline istursächlich darauf zurück zu führen, dass die Ostsee nur in den schmalen Durchlässen derBelte und des Öresundes zeitweise hohe Strömungen aufweist, die den Meeresbodenerreicht, so dass der vertikale Austausch aufgrund von Stromscherung im Allgemeinenaußerhalb dieser Gebiete gering ist. Für die Bewertung wasserbaulicher Fragestellungen istjedoch dieser Austauschprozess an sich nicht relevant, da er weit entfernt von den Deut-schen Küstengewässern in einer Tiefe von 80 bis 100 Metern stattfindet, somit ein direkterEinfluss von Baumaßnahmen dort ausgeschlossen werden kann. Der Austausch zwischenOstsee und Kattegat bestimmt jedoch den Wassermassenaufbau und damit auch die Lageder mittleren Meeresoberfläche östlich der Darßer Schwelle. Indirekte Rückwirkungen kön-nen bei Baumaßnahmen entstehen, die den Salzeintrag über die Beltsee und den Öresundwesentlich modifizieren. So würde beispielsweise eine weitgehende Abschottung der Ost-see durch Verbau der Belte und des Öresundes eine langsame Aussüßen der tiefen Be-cken zur Folge haben, die Einfluss auf den Vertikalaustausch und das Milieu und damit dieNutzung der Lebensräume durch Meeresflora und Fauna dort haben würde.

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1.1.2 Jahresgang im Süßwassereintrag

Die Süßwassereinträge in die Ostsee finden überwiegend an der schwedischen, finnischen,und russischen Küste sowie der Küste der baltischen Staaten und Polens statt. Diese Ein-träge werden durch die Baumaßnahmen nicht beeinflusst, müssen jedoch als Randbedin-gungen durch das Modell räumlich und zeitlich gut abgebildet werden, da sie ihrerseits diehydrologischen Bedingungen hinsichtlich der mittleren Salzverteilung der Ostsee wesentlichmitprägen. Einziger für den Wasserhaushalt nennenswerter Zufluss im Bereich der Deut-schen Küste ist die Oder. Baumaßnahmen im Binnenbereich, die anthropogen auf dieHochwasserwelle im Frühjahr reagieren sollen (permanenter Hochwasserschutz), sowieklimabedingte Veränderungen der Regenmengen wirken sich daher auch auf Salzgehalteim Stettiner Haff aus, sind also eventuell auch dort ökologisch wirksam.Die Oberwassereinträge weisen ein Spektrum auf, welches durch langperiodische Signaledominiert wird. Dabei ist der Jahresgang ein dominantes Signal, die Wirklichkeit zeigt je-doch ein Oberwassersignal, welches an verschiedenen Flüssen sehr unterschiedliche, starknichtlineare zeitliche Verläufe haben kann ( Bild 2 ).Die kleineren Zuflüsse tragen nur in der Summe signifikant zum Wasserhaushalt der Ost-see bei. Kleinere Zuflüsse können jedoch lokal zu einem nennenswerten Aussüßen in För-den oder Mündungseinschnitten führen, wie beispielsweise die Warnow oder die Zuflüsseder Schlei. Ausbauten und Veränderungen in den Einleitungsmengen können dort erhebli-chen Einfluss auf die lokalen Stoffbilanzen und den Austausch von gelösten und suspen-dierten Stoffen haben. Im Regelfall genügt es jedoch, die kleineren Zuflüsse außerhalb deszu betrachtenden Untersuchungsraumes durch den mittleren Abfluss MQ zu beschreiben.

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Bild 2: Jahresverlauf der Oberwassermenge verschiedener Ostseezuflüsse beispielhaft.

1.1.3 Jahresgang in der Temperatur

Der Jahresgang der Temperatur wird ursächlich durch die Atmosphärentemperatur und diedirekte Einstrahlung bestimmt. Wasserbauwerke üben keinen direkten Einfluss auf dieseAntriebskräfte aus, so dass der Jahresgang in der Temperatur keinen direkten Einflüssendurch wasserbauliche Maßnahmen ausgesetzt ist, da die Austauschprozesse im Wasser-körper der Küstenbereiche auf dieser Zeitskala im Regelfall nicht signifikant beeinflusstwerden.Der atmosphärische Wärmefluss ist räumlich sehr verschieden, da sich die Ostsee von dengemäßigten Breiten bis in die Arktis erstreckt. Dieser Umstand trägt nachhaltig zur Entwick-lung einer thermisch getriebenen Zirkulation bei, die oberhalb der Halokline stattfindet. ImAllgemeinen sind die Anpassungszeiten der Küstengewässer an veränderte Temperatur-verhältnisse deutlich kürzer als ein Jahr, es reichen also oft einige Wochen Simulationszeit,um das Verhalten des Systems auf Baumaßnahmen zu beschreiben.Die Jahresgänge in der Temperatur und im Salzgehalt bestimmen in ihrem zeitlichen Ver-lauf, der von Jahr zu Jahr verschieden sein kann, wahrscheinlich wesentlich das Nach-strömen von bodennahem, salzhaltigem Wasser und damit den Massenaufbau der Ostsee.

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1.1.4 Seiches

Seiches sind Eigenschwingungen von Meeresbuchten und –becken. Sie können lokal hoheStrömungen verursachen. Ostseeseiches haben Grundperioden, die etwas länger als einTag dauern. Die Wellenlänge der Ostseeseiches ist groß. Allerdings treten sie in signifikan-ter Amplitude nur sporadisch auf. Wasserbauliche Maßnahmen können dort, wo signifikanteStrömungen durch Seiches induziert werden, einen Einfluss auf das lokale Strömungsfeldhaben und in schmalen Gerinnen wie dem Peenestrom den Gradienten des Wasserstandesund den zeitlichen Ablauf beeinflussen. Dort, wo horizontale Salzgradienten beständigvorherrschen (Beispiel: Peenestrom), kann sich der Bereich, in dem der Gradient sich be-wegt, ausdehnen oder schrumpfen. Die Betrachtung von Seiches muss also bei wasserbau-lichen Untersuchungen durch Modellsimulationen möglich sein. Da die lokale Strömungs-wirkung oft eher eine Rolle spielt, als die Wasserstände, sind die Untersuchungsgebietehoch aufzulösen.Kurzperiodische Seiches, beispielsweise in einer Förde oder einem Bodden, haben in derRegel nur kleine Amplituden bzw. werden nicht so stark angeregt, da der in der Ostseetypische Antrieb (Wind, Luftdruck) nicht die passenden Perioden und Wellenlängen besitzt.Seiches der Ostsee mit Perioden von über einem Tag reagieren daher nicht signifikant aufVeränderungen im Küstenbereich. Die Wirkung von Baumaßnahmen im Küstenbereich derOstsee auf die natürlichen Wasserstände (Scheitelwasserstände von Einzelereignissen) istdaher im Allgemeinen sehr klein.

1.1.5 Salzwassereinbrüche über die Beltsee

Salzwassereinbrüche finden unter bestimmten meteorologischen und hydrologischenRandbedingungen über den Fehmarnbelt und den Öresund statt, wenn das salzreicheBodenwasser über die Bodenschwellen in das Arkona-Becken eindringen kann. Verschie-dene hydrologische Rahmenbedingungen spielen hier in komplexer Weise zusammen,wenn das salzreichere Wasser der westlichen Ostsee am Boden über die Schwellen in dasOstseebecken gelangt.Salzwassereinbrüche tragen zur Erneuerung des Tiefenwassers der Ostsee bei. Baumaß-nahmen im Bereich der Belte und des Öresundes können die Intensität und den Ablaufsolcher Ereignisse und damit den Austausch des Tiefenwassers beeinflussen. In den ge-nannten Meeresgebieten ist daher die Auflösung an dieses physikalische Phänomen anzu-passen.Salzwassereinbrüche werden auch vom Jahresgang in den Süßwassereinträgen und derLufttemperatur und den damit verbundenen Schwankungen in der baroklinen Zirkulationbeeinflusst.

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1.1.6 Tagesgang der Temperatur

Der Tagesgang der Temperatur kann dann signifikanten Einflüssen unterliegen, wenn dasbetrachtete Untersuchungsgebiet den Austausch zwischen zwei Meeresgebieten starkverändert (Beispiel: Austausch zwischen Bodden und Ostsee). Auch hier ist eine hoheModellauflösung des Untersuchungsgebietes erforderlich. Gebiete mit einem geringenAustausch können auch im Tagesgang eine Vertikalschichtung ausbilden, die den Aus-tausch von Sauerstoff zwischen Oberfläche und Tiefe verhindert. Die Ausbildung vonSprungschichten muss für die realistische Nachbildung des Tagesganges durch eine hohevertikale Auflösung der oberen Meter der Wassersäule unterstützt werden. Eine Verbesse-rung des Austausches führt im Allgemeinen zu niedrigeren Maximalwerten der Wassertem-peratur in abgeschlossenen Ästuaren wie der Schlei.

1.1.7 Zeitskalen von Stoffflüssen

Die Zeitskalen von Stoffflüssen (passive Tracer, Nährstoffe, Sauerstoff, Sediment, Schad-stoffe, Biomasse etc.) sind im Allgemeinen gekoppelt an die Zeitskalen der hydrodynami-schen Randbedingungen. Daher tauchen auch hier Jahres- und Tagesgang als typischeSignale auf. Dabei tragen sowohl die internen Prozesse des Systems Ostsee, als auchexterne Randbedingungen zur Steuerung der genannten Größen bei.Insbesondere die Ausbreitung von Schadstoffen, Nährstoffen, suspendierter Sedimenteund die Untersuchung der Sauerstoffverteilung bietet ein weites Feld der zukünftigen An-wendung des Ostseemodells.

1.1.8 Mittelwerte

Mittelwerte physikalischer Größen unterliegen generell besonders dem Einfluss von Was-serbauwerken, da diese als starrer Eingriff im Regelfall als permanente Zwangsbedingung(Periode T→∞) wirken. So verringert eine Querschnittseinengung einer Ästuarmündungbeispielsweise den mittleren Austausch von Salz, Wärme und gelösten und suspendiertenStoffen mit der offenen See. Für die Abschätzung von Veränderungen der Mittelwerte sindim Regelfall Simulations- und Analysezeiträume erforderlich, die die typische Anpassungs-zeit durch den turbulenten Austausch übersteigen. Meeresbuchten passen sich an dasMilieu der offenen See an, wobei die Austauschquerschnitte die Zeitskala bestimmen, in derdie Anpassung erfolgt.Wasserbauwerke können zudem Einfluss auf den Grad der Turbulenz und damit der Ver-mischung in den Förden und Bodden haben. So können Buhnen zu erhöhter Turbulenzbeitragen und die Vermischung fördern, während Vertiefungen zu einer Streckung desvertikalen Geschwindigkeitsprofils führen und so den vertikalen Austausch vermindernkönnen. Veränderungen des Durchflussquerschnitts können zu einer Dämpfung des von

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See kommenden Energieeintrags führen und die Turbulenz im Inneren eines Ästuars redu-zieren.

1.2 Modellanforderungen

Aus der genannten Vielfalt der in der Ostsee vorkommenden Prozesse, die zu untersuchensind, ergeben sich die Anforderungen an die Modellierung. Betrachtet man ausschließlichGrößen, die eine große räumliche Skala besitzen (Wasserstand, Salzgehalt, Temperatur),so genügt je nach betrachtetem Gebiet oft eine relativ grobe Modellauflösung, die die Vo-lumen der betrachteten Gebiete sowie den Turbulenzgrad und wichtige Austauschquer-schnitte korrekt abbildet. Lokal stark variierende Größen (Strömungen, advektive Transpor-te) benötigen eine sehr realistische Abbildung der Topographie im Untersuchungsgebiet, dadiese die Bildung von lokalen Wirbeln maßgeblich bestimmt. Gebiete hoher horizontalerScherung in hydrologischen Größen müssen entsprechend aufgelöst werden.Eine hohe räumliche Auflösung für die gesamte Ostsee ist praktisch nicht realisierbar undauch im Hinblick auf den Einsatzbereich nicht notwendig. Sie ist jedoch in Küstennähenotwendig, um die Flachwasserprozesse und die im Küstenbereich auftretenden lokalenZirkulationen, die maßgeblich zur Dissipation in Meeresbecken beitragen, ausreichendgenau abzubilden. Daher wird eine räumlich variable Auflösung gewählt, die den Küsten-saum vergleichsweise hoch im Verhältnis zum Inneren der Ostsee abbildet. Projektbezogenwerden dann die Untersuchungsgebiete (beispielsweise die Wismarbucht oder die Warnow)bedarfsweise so stark verfeinert, wie es die Fragestellung (Beispiel: Anpassung einer Fahr-rinne) erfordert.Dort, wo die Bathymetrie einen hohen Einfluss auf das Austauschverhalten hat, hat man sieausreichend genau abzubilden, beispielsweise die Darßer Schwelle oder die Belte und derÖresund. Gleiches gilt für Gebiete, in denen potentielle in kinetische Energie umgewandeltund durch Reibung vernichtet wird, beispielsweise Inselarchipele. Die aktuelle Bathymetriewird in Bild 3 dargestellt.Um den Süßwassereintrag und damit den Salzgehalt richtig zu modellieren, müssen diegrößeren Flüsse dort eingesteuert werden, wo der Eintrag tatsächlich erfolgt. Kleine Flüssekönnen eventuell zusammengefasst werden, soweit sie nicht im Untersuchungsgebiet lie-gen und eine räumliche Nähe gegeben ist. Die Variabilität auf den langen Zeitskalen, d.h.der Jahresgang und dessen Schiefe, muss sich in den Abflussdaten mindestens der größe-ren Flüsse naturähnlich abbilden.Die atmosphärischen Süßwassereinträge (Bilanz von Verdunstung und Niederschlag) wirdin der derzeitigen Version des Ostseemodells vernachlässigt. Ebenso wird der Prozess derBildung und Aussüßen von Meereis vernachlässigt.Die räumliche Variabilität des Salzgehaltes im Untersuchungsgebiet ist relativ hoch, vergli-chen mit der Nordsee. Am offenen Rand zur Nordsee ist daher das Einsteuern eines kon-stanten Wertes bereits eine gute Approximation, die für die Fragestellungen der BAW in der

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Regel genügt. Für den Wasserstand ist es ausreichend, die Zeitreihe eines Pegels in derNähe des Randes für den Untersuchungszeitraum zu verwenden, sofern die Tiden und dieaus der Nordsee einlaufenden Fernwellen abgebildet werden sollen.Die Eigengezeiten der Ostsee sind klein, die gezeitenerzeugenden Kräfte können daher fürdie in der Bundesanstalt für Wasserbau zu behandelnden Fragestellungen vernachlässigtwerden. Die Mitschwingungsgezeit aus der Nordsee, die in der westlichen Ostsee nochspürbar ist, fließt über die Randwertsteuerung am Skagerak ein.Die für die im Wasserbau zu behandelnden Fragen relevanten Prozesse werden durch denWindschub, Luftdruckgradienten sowie den Wärmefluss induziert. Daher ist eine gute räum-liche und zeitliche Auflösung der meteorologischen Daten erforderlich, die als Randbedin-gung dienen. Solche Daten sind jedoch im Regelfall nur aus der Wettervorhersage mitnumerischen Modellen verfügbar. Die Qualität dieser wesentlichen Eingangsdaten bestimmtalso die Qualität der Ergebnisse des Ostseemodelles entscheidend mit. Derzeit werdenDaten des Deutschen Wetterdienstes aus dem Vorhersagemodell LME, Nachfolgemodelldes LM (Steppeler et al. 2002), verwendet.

Für die wasserbauliche Systemanalyse müssen die Eingangsdaten (Randbedingungen) diefolgenden Eigenschaften haben:

1. Die Ränder müssen vom Untersuchungsgebiet, in dem die wasserbauliche Maß-nahme erfolgt, weit genug entfernt sein.

2. Das Frequenzspektrum muss naturähnlich abgebildet sein, d.h. die wesentlichenProzesse, die hydrodynamisch relevant sind, müssen realistisch dargestellt sein.

3. Die Randwerte dürfen nicht direkt durch die Baumaßnahme selbst beeinflusst wer-den.

Bedingung 1 ist für die seeseitig einzusteuernden Wasserstände, Salzgehalte und Tempe-raturen erfüllt, indem der Rand im Skagerak weit genug entfernt liegt. Bedingung 2 wirddurch die Wahl der Eingangsdaten erfüllt, die alle wesentlichen Antriebsfrequenzen (Tide,atmosphärischer Antrieb) enthalten. Bedingung 3 wird im Regelfall automatisch erfüllt, dawasserbauliche Maßnahmen im Regelfall weder einen direkten Einfluss auf die Atmosphä-re, noch auf die Hydrologie weit entfernter Ränder haben. Es sind jedoch Situationen denk-bar, wo eine zu untersuchende Baumaßnahme einen Einfluss auf die Atmosphäre haben.Beispielsweise kann ein Offshore-Windpark aufgrund seiner Ausdehnung einen erheblichenEinfluss auf das bodennahe Windfeld im Untersuchungsgebiet haben.

2 Modellaufbau des Ostseemodells

Das Modell besteht aus verschiedenen, voneinander unabhängigen Komponenten. Diesesind:

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· Das Modellverfahren, d.h. die Software, mit der die Modellsimulation durchgeführtwerden,

· Digitale Geländemodelle, die geeignet auf das Berechnungsgitter interpoliert wer-den,

· Das Berechnungsgitter für das verwendete Verfahren,· Verschiedene Randwerte und Anfangswerte als Eingangsdaten,· Gitternetze für die Ausgabe von Profilen und Einzelpositionen· Validierungsdaten, u.a. Zeitreihen des Wasserstandes, des Salzgehaltes und der

Temperatur an Küstenpegeln und ozeanographischen Dauermessstationen.

2.1 Modellverfahren

Für das Ostseemodell wird derzeit das hydronumerische Modellverfahren UNTRIM (Version2007) eingesetzt (Casulli und Walters 2000; Casulli und Lang 2004). Dieses Verfahren istein Finite-Differenzen-Verfahren auf unstrukturierten, orthogonalen Gitternetztopologien.Das Verfahren erlaubt das beliebige Mischen von Dreiecks- und Viereckszellen. Daherbesteht die Möglichkeit, das Modellgitter regional an die jeweilige Fragestellung und die dortabzubildende Bathymetrie anzupassen. UNTRIM bietet zudem die Möglichkeit, eine (zu-mindest theoretisch) beliebige Anzahl von gelösten Substanzen (passive Tracer) und Sedi-menttypen (unter Berücksichtigung von Sinkgeschwindigkeit und Dichteeinfluss) mit zutransportieren.Das Verfahren UNTRIM kann in der Version, die in der BAW-Dienststelle Hamburg vorge-halten wird, mit den Verfahren SEDIMORPH (Berechnung morphologischer Entwicklung)und dem K-Modell (einem Seegangsmodell) gekoppelt gerechnet werden.Das Verfahren UNTRIM wird kontinuierlich weiter entwickelt und es gibt eine wachsendeAnwendergemeinde, die im engen Kontakt mit den Entwicklern arbeitet.In der BAW wird das Verfahren bereits intensiv und mit Erfolg für die Modellierung der tide-beeinflussten Ästuare an der Deutschen Nordseeküste eingesetzt. An der Ostseeküstewurden bisher projektbezogen schon Teilmodelle (Bundesanstalt für Wasserbau 2005,2009/2010) mit diesem Verfahren betrieben.Grundsätzlich ist es jedoch möglich, auch andere unstrukturierte hydronumerische Modell-verfahren mit dem bereitstehenden Rechengitter mit ggf. geringen Modifikationen zu betrei-ben.Auch wenn derzeit das Verfahren UNTRIM perspektivisch am stärksten präferiert wird, sinddie Datengrundlagen und Gitternetze der Modelle prinzipiell universell auch in anderenModellverfahren anwendbar.

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2.2 Digitale Geländemodelle

Als Datengrundlage liegen für das Ostseemodell ein Digitales Geländemodell (DGM) desDanish Hydraulic Institute (Danish Hydraulic Institute 2009) sowie dort, wo dieses DGM dasModellgebiet nicht mehr abdeckt, ein DGM des Instituts für Ostseeforschung (IOW) (Seifertet al. 2001) zugrunde. Das DGM des DHI hat eine Auflösung von einer Drittelseemeile. DieAuflösung des DGM des IOW beträgt etwa eine Seemeile.Für das Stettiner Haff existiert ein Raster-DGM aus (Buckmann et al. 1999), welches fürden polnischen Teil des Haffs verwendet wird.Für den Küstenbereich der deutschen Küste existiert ein aktuelles DGM welches aus Peil-daten durch die Abteilung Seevermessung des BSH abgeleitet wurde (Bundesamt für See-schifffahrt und Hydrographie 2014).Peildaten der Wasser- und Schifffahrtsämter Lübeck und Stralsund. Für einzelne Teilgebie-te werden bei Bedarf flächendeckende Geländemodelle mit hoher Auflösung erstellt. Der-zeit existieren hochauflösende Basis-Geländemodelle der Schlei, Eckernförder Bucht, derTrave, der Wismarbucht, der Warnow und der Kieler Förde, die aus vorhandenen Peildatenabgeleitet wurden.Zur Beschreibung der Landflächen, die bei höheren Wasserständen einer potentiellenÜberflutung ausgesetzt werden können, wurden die Daten des DGM10 der Bundesanstaltfür Kartographie und Geodäsie aufbereitet (Bundesamt für Kartografie und Geodesie2012).

Alle vorhandenen Digitalen Geländemodelle enthalten zwangsläufig Abweichungen von derrealen Welt, die sowohl bereits bei der Vermessung als auch bei der Weiterverarbeitung derDaten und Interpolation entstehen. Daher werden die Daten von der BAW kontrolliert, es istjedoch nicht auszuschließen, dass nicht plausible Tiefenangaben vollständig eliminiertwurden. Die Fehler halten sich jedoch in einem Rahmen, der für den Einsatz in der gut-achterlichen Tätigkeit im Wasserbau als vertretbar erachtet wird. Die Daten liegen zum Teilin unterschiedlichen Koordinatensystemen vor. Bei der Nutzung der Daten ist das ggf. zubeachten.Für den Einsatz in aktuellen Projekten sollten die digitalen Geländemodelle durch neueVermessungen im Bereich des jeweiligen Untersuchungsgebietes ersetzt bzw. ergänztwerden.

2.3 Bathymetrie und Berechnungsgitter

Bei der Erstellung des Berechnungsgitters (Bild 3) wurde die Auflösung küstennah relativ-hoch gewählt mit minimalen Kantenlängen zwischen 100 m und 500 m. Zum Inneren desModellgebietes nehmen die Kantenlängen zu, wobei in der Westlichen Ostsee die maxima-

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len Kantenlängen bei 3000 m, sonst bei 5000 m liegen. Das Berechnungsgitter wird imKoordinatensystem UTM, Zone 33, vorgehalten. Alle Randwerte müssen den entsprechen-den räumlichen Bezug haben. Für die Deutsche Ostseeküste von Schleimünde bisWarnemünde wurde die Uferlinie bereits im Basisgitter sehr realitätsnah abgebildet, um beiBedarf regional eine höhere Verfeinerungsstufe einbauen zu können, ohne dabei die Posi-tionen von Ausgabepunkten und Positionen der Zuflüsse projektbezogen anpassen zumüssen.

Bild 3: Bathymetrie des Basisgitters des Ostseemodells, Stand 2011. In Orange sind dieOberwasserzuflüsse markiert.

Für eine effiziente Gitternetzbearbeitung werden für die regionalen Untersuchungsgebietehoch aufgelöste Teilgitternetze vorgehalten oder neu erstellt, die bei Bedarf mit der Soft-

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ware JANET (Smile Consult 2008) in das Basisrechengitter eingefügt werden können. Einsolches Teilgitternetz ist in Bild 4 für das Ästuar Unterwarnow dargestellt. Die Gitterkantenam offenen Rand des Teilgitters fallen im Idealfall mit Gitterkanten des Basisgitters zusam-men und werden bei einer eventuell notwendigen Überarbeitung des Teilgitters nicht verän-dert. So können die Teilgitter aufgrund ihrer geringen Knotenzahl effizient bearbeitet undgeprüft werden.

Bild 4: Ein hochaufgelöstes Teilgitternetz der Unterwarnow, welches in das Basisgitter derOstsee eingefügt werden kann (aus den Arbeiten zu (Bundesanstalt für Was-serbau 2011) ).

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2.4 Randwerte

Das Modellverfahren UNTRIM benötigt Randwerte am seeseitigen Rand (Wasserstand,Salzgehalt, Temperatur), an der Wasseroberfläche (Luftdruck, Windgeschwindigkeit, Luft-temperatur) sowie an den Flussmündungen die Festlandsabflüsse von Niederschlägen.

2.4.1 Randwerte am seeseitigen Rand zum Skagerak

Am seeseitigen Rand, der zwischen Skagen und der Schwedischen Westküste gezogenwurde, werden die Wasserstände des Pegels Smögen (Bild 5), eingesteuert. Obwohl derPegel etwas von dem Rand entfernt liegt, zeigt er im Vergleich mit dem Pegel Skagen eineausreichende Übereinstimmung (Bild 6). Ein wesentliches Argument für die Entscheidung,diesen Pegel für die Randsteuerung zu verwenden, waren die Tatsache, dass die Pegel-zeitreihe als Stundenwerte aus der GLOSS Database über das Internet (UHSLC o.J.) ohnegroßen Aufwand bezogen werden konnten, und dass der Pegel Skagen in einigen Jahrenerhebliche Lücken aufweist.Abweichungen der Wasserstände am seeseitigen Rand haben an der Deutschen Ostsee-küste für die dominanten, windgetriebenen Prozesse vor allem Auswirkungen auf die lang-periodische Entwicklung des Wasserstandes, da die Dänischen Inseln der Beltsee dieTideenergie, die in das Kattegat aus der Nordsee einläuft, aufgrund der Querschnittseinen-gung dämpfen.Der Salzgehalt wird am seeseitigen Rand als konstanter Wert von 33 PSU über alle Ran-delemente eingesteuert. Dieser einfache Ansatz ist für die wasserbaulichen Fragestellun-gen der BAW eine bisher ausreichende Approximation.

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Bild 5: Pegelhaus Smögen (Schweden, Quelle: ESEAS Website, temporär verfügbar, Urhe-ber unbekannt ).

Bild 6: Pegelkurven Smögen (schwarz) und Skagen (rot) für den Januar und Februar 2005.

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Die Randwerte der Temperatur werden derzeit als Summe zweier Harmonischer Funktionen(Tages- und Jahresgang) eingesteuert. Angedacht ist jedoch später die Verwendung vonaus Messungen abgeleiteten Daten aus hydrologischen Atlanten.

2.4.2 Süßwassereintrag durch Festlandsabflüsse

Die Süßwassereinträge werden, soweit die Daten verfügbar sind, als tägliche Abflusswertein die der Mündung jeweils nächste Gitterzelle eingespeist (siehe auch Bild 3). Derzeit lie-gen die durch das Schwedische Meteorologisch-Hydrologische Institut (SMHI) modelliertenVorhersagewerte für 53 Ostseezuflüsse aus den Jahren 2005 und 2006 vor. Das dort ver-wendete Modellverfahren zur Abflussmodellierung findet man in (Bergström 1976, 1992)beschrieben. Weiter sind für diese Zuflüsse zur Modellierung anderer Zeiträume langjährigeMittelwerte verfügbar.Name Land Rechtswert

(UTM-Zone 33)Hochwert(UTM-Zone 33)

Zeitreihe (j/n)

Abyälv Schweden 800428 7225503 NÄtran Schweden 346280 6307681 JAngermanälv Schweden 646028 6952189 NBarta Lettland/Lit. 867176 6280514 NBureälv Schweden 797384 7180690 NByskeälv Schweden 794529 7216259 NDalälv Schweden 631788 6725359 JName Land Rechtswert Hochwert Zeitreihe (j/n)Daugava Lettland 1046285 6360407 JEman Schweden 588247 6322634 JGauja Lettland 1060397 6371015 JGideälv Schweden 707164 7028252 JGötaälv Schweden 315731 6398741 JHelgean Schweden 453226 6191971 JIijoki Finnland 975593 7285845 JIndalsälv Schweden 625558 6932810 JKageälv Schweden 784915 7203515 NKalajoki Finnland 931789 7156416 JKalixälv Schweden 866673 7329571 JKasari Estland 996480 6545267 JKemijoki Finnland 931513 7326451 JKokemäenjoki Finnland 843051 6845758 JKymijoki Finnland 1154208 6763023 JKyrönjoki Finnland 851664 7022719 J

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Lagan Schweden 372842 6265499 JLapuanjoki Finnland 873952 7067066 JLielupe Lettland 1041638 6353875 NLjungan Schweden 619926 6919448 JLjusnan Schweden 614415 6787433 JLuga Russland 1245506 6689608 JLuleälv Schweden 824235 7292015 JMälaren Schweden 676829 6586155 JMörrumsan Schweden 491293 6223223 JMotolaström Schweden 570019 6496474 JNarva Estland/Russl. 1236272 6665144 JNeman (Memel) Litauen 895995 6150042 JNewa Russland 1342945 6743011 JNissan Schweden 367896 6280946 JNyköpingan Schweden 618717 6512687 JOdra Polen/Deutschl. 472385 5939411 JÖreälv Schweden 722355 7056229 JOulujoki Finnland 990419 7251294 JPärnu Estland 1053401 6510529 JParseta Polen 536071 6004494 JPirita Estland 1052090 6630853 NPeene Deutschland 422091 5968883 NName Land Rechtswert Hochwert Zeitreihe (j/n)Piteälv Schweden 793160 7263489 JPregola Russland 846160 6073104 JPyhäjoki Finnland 943603 7181095 JRandersfjord Dänemark 208749 6280048 JRaneälv Schweden 808748 7308376 JRecknitz Deutschland 333284 6014195 NRega Polen 518634 5999816 JRönnean Schweden 364700 6236604 JRyck Deutschland 399093 5995439 NSalatsa Estland/Lett. 1054348 6439577 JSchwentine Deutschland 185638 6031244 NSchleizuflüsse Deutschland 150956 6055276 NSiikajoki Finnland 959639 7226053 JSimojoki Finnland 958645 7315126 JSkelleftean Schweden 795868 7191578 J

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Tornionjoki Finnl./Schweden 916385 7329237 JTrave Deutschland 224899 5979614 NUecker Deutschland 436965 5956644 NUmeälv Schweden 761589 7082922 JUrpalanjoki Finnland 1211482 6779758 NVenta Lettland/Lit. 893065 6381344 JVindelälv Schweden 761988 7082453 NViskan Schweden 332643 6332013 JVistula Polen 756795 6030812 JWarnow Deutschland 313890 5997581 N

Tabelle 1: Derzeit verfügbare Zuflüsse des BAW-Ostseemodells mit Position der Mündung.Die Links führen zu den Beschreibungen in Wikipedia.

Weitere Zuflüsse werden als langjährige Mittelwerte (MQ) eingesteuert. Die Daten zu mittle-ren Abflüssen (MQ) entstammen den Quellen (ASTRA Projekt 2008; HELCOM 2004; Huo-kuna et al. 2001; Kaiser und Janke 1998; Mikulski 1970; Röttger 2006; SMHI o.J.; Nordfin-nische Umweltbehörde 2005; Bundesumweltministerium 2004) und (Yrjänä 2003) sowieden mit Tabelle 1 verlinkten Wikipedia-Seiten. Für die Schlei und die Trave wurden dabei imOstseemodell alle Zuflüsse zu einem Wert zusammengefasst. Dies gibt jedoch die Wirk-lichkeit nur ungenügend wieder, wenn man regionale Untersuchungen in den genanntenRevieren durchführen möchte. Daher existieren neben dem Ostseemodell ein separates,hochaufgelöstes Gitter der Schlei, für das die Zuflüsse verteilt über das ganze Modellgebieteingesteuert werden, sowie ein hochaufgelöstes Gitter der Trave, welches mit mehrerenZuflüssen gesteuert werden kann. Für Untersuchungen der Salzgehalte im Rahmen vonPlanfeststellungsverfahren besteht grundsätzlich die Empfehlung, regionale Zuflüsse beiBedarf zu ergänzen, die zum Wasserhaushalt der Ostsee nur unbedeutend beitragen unddaher in Tabelle 1 nicht aufgeführt sind, dennoch aber regional einen Einfluss auf dieräumliche Verteilung des Salzgehaltes haben, wie es beispielsweise die Modelluntersu-chungen zum Ausbau des Fahrwassers Wismarbucht zeigen (Bundesanstalt für Wasser-bau 2009/2010).

2.4.3 Meteorologische Randwerte

Für die Größen Luftdruck, Lufttemperatur und Windgeschwindigkeitsvektor liegen stündli-che, modellierte Vorhersagedaten aus dem Lokalmodell des Deutschen Wetterdienstes(DWD) für den Zeitraum November 2005 bis November 2012 vor. Für spätere Zeiträumemüssen die Daten ggf. noch aufbereitet und auf Verwendbarkeit im Ostseemodell geprüftwerden. Diese Daten entstammen dem Vorhersagemodell des DWD (Steppeler et al.

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2002). Die Qualität der Vorhersagedaten kann anhand der vorhandenen Windmessungender MARNET-Stationen eingeordnet werden (Bild 7).

Bild 7: Vergleich der aus der 24-Stunden-Vorhersage (DWD) abgeleiteten Modellrandwertefür den Wind mit den Messwerten an der Messplattform Arkonasee (MARNET).

Die Wärmeflüsse an der Meeresoberfläche werden aus der Lufttemperatur (DWD-Vorhersage) abgeleitet. Es liegen bereits aus den Daten des DWD Lufttemperaturen fürden o.g. Zeitraum vor. Niederschlag und Verdunstung werden derzeit noch nicht berück-sichtigt, hier wird eine ausgeglichene Bilanz angenommen. Das Verfahren UnTRIM ist je-doch bereits intern auf die Einsteuerung von in der Fläche vorliegenden Daten für die Süß-wasserflüsse vorbereitet.

2.5 Anfangswerte

Als Anfangswerte können entweder Ergebnisse bereits gerechneter Modellläufe oder Datendienen. Als Datensatz steht derzeit eine monatsweise Klimatologie der Nord- und Ostsee

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zur Verfügung, die im Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie erstellt wurde (Jans-sen et al. 1999).

3 Modellvalidierung

3.1 Vorgehensweise

Da das Tiefenwasser der Ostseebecken sich nur langsam erneuert, wird das Modell miteinem definierten Anfangszustand gestartet, der in etwa die Salzverteilung wiedergibt, dieder Natur nahekommt.

Zur Validierung des Wasserstandes werden die Pegel an der Deutschen Küste, dänischePegel und der Pegel Stockholm verwendet. Alle verfügbaren Pegel der Jahre 2005 und2006 sind in Tabelle 3 aufgelistet. Die angegebenen Koordinaten sind die im Modell ge-wählten Positionen, die manchmal von den Originalpositionen aus numerischen Gründen(Genauigkeit in der Wiedergabe der Lage der Küstenlinie) etwas abweichen können.Für eine Überprüfung der Salzgehalte und Temperaturen stehen fünf Dauermessstationen(MARNET-Projekt, siehe Tabelle 2) mit Sensoren in verschiedenen Tiefen zur Verfügung.Diese messen auch meteorologische Daten, anhand derer die Qualität der meteorologi-schen Randwerte (Luftdruck, Windvektor) überprüft werden kann. Diese Daten können fürweitere Jahre über das Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie bezogen werden.Zudem werden Darstellungen der Größen auf einem Messquerschnitt aus Routinemess-fahrten des IOW (jährliche IOW-Berichte) zur Validierung herangezogen.

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Station Verfügbare GrößenKiel Leuchtfeuer Temperatur, Salzgehalt, LufttemperaturFehmarnbelt Temperatur, Salzgehalt, Luftdruck, Lufttemperatur, WindvektorDarßer Schwelle Temperatur, Salzgehalt, Luftdruck, Lufttemperatur, WindvektorArkona-See Temperatur, Salzgehalt, Luftdruck, Lufttemperatur, WindvektorOderbucht Temperatur, Salzgehalt, Luftdruck, Lufttemperatur, Windvektor

Tabelle 2: Verfügbare Zeitreihen ozeanographischer Dauermessstationen für die Jahre2005 und 2006 (Datenquelle: BSH).

Bei der Simulation ist zu erwarten, dass die Salzgehalte in den tiefen Becken der Ostseenur annähernd getroffen werden können, da die Erneuerung der Wassermasse unterhalbder Halokline in der Größenordnung mehrere Jahrzehnte dauert, die thermohaline Zirkulati-on also nahezu entkoppelt von den wetterbedingten Zeitskalen abläuft.Für die Untersuchungen, die in der BAW mit dem Modell durchgeführt werden, ist dieserUmstand jedoch nicht bedeutsam. Der Grund dafür ist, dass sich die Salzgehalte in denflachen Küstenregionen sehr viel schneller auf die lokal vorhandene Oberwassersituationeinstellen als die tiefen Becken unterhalb der Halokline. Es ist daher völlig ausreichend,wenn der Salzgehalt im Bereich der Küstengewässer gut getroffen wird und der Wasser-massenaufbau in der Ostsee hinreichend genau abgebildet wird. Für Fragestellungen, diebereits einen nahezu eingeschwungenen Zustand voraus setzen muss ein dreidimensiona-ler Anfangszustand aus Daten verwendet werden, um den Einschwingvorgang zu verkür-zen. Dies können Datensätze aus ozeanographischen Beobachtungen oder auch bereitseingeschwungenen Modellen, z.B. aus dem operationellen Vorhersagemodell für Nord- undOstsee des BSH (Dick et al. 2001) sein. Eine weitere Möglichkeit, den Massenaufbau desModells naturähnlich einzustellen, ist, dem Modell Wasser mit definiertem Salzgehalt unddefinierter Temperatur solange einzuleiten, bis die Werte in den tiefen Becken sich auf denin der Natur vorzufindenden Salzgehalt angepasst haben.Eine regionale Validierung des Modells muss projektbezogen für das jeweilige Gitter durch-geführt werden.

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Name Land Rechtswert (UTM 33) Hochwert (UTM 33)Althagen Deutschland 332766 6027745Ballen Dänemark 226888 6194282Barth Deutschland 352254 6027596Flensburg Deutschland 142388 6086752Göteborg Schweden 309719 6396622Greifswald (Eldena) Deutschland 399013 5995026Greifswalder Oie Deutschland 428833 6010873Grenaa Dänemark 248845 6259341Heiligenhafen Deutschland 240494 6032572Juelsminde Dänemark 187064 6185616Karlshagen Deutschland 422190 5995617Karnin Deutschland 425009 5965709Kloster Deutschland 378204 6049708Koserow Deutschland 434720 5990732Langballigau Deutschland 156680 6088232Lauterbach Deutschland 402771 6022089Lt. Kalkgrund Deutschland 171700 6087261Lt. Kiel Deutschland 194012 6049396Lübeck-Bauhof Deutschland 217697 5980177Neuendorf Deutschland 376619 6043537Ruden Deutschland 419673 6006688Saßnitz Deutschland 412221 6040675Schleimünde (SP) Deutschland 179954 6069494Schleswig Deutschland 148545 6054001Stahlbrode Deutschland 388533 6010942Stockholm Deutschland 676164 6579554Stralsund Deutschland 377617 6019150Thiessow Deutschland 416000 6015502Ückermünde Deutschland 438443 5956146Warnemünde Deutschland 310929 6006267Wismar Baumhaus Deutschland 267206 5978285Wittower Fähre Deutschland 386524 6046970Wolgast Deutschland 419484 5988849

Tabelle 3: Zur Validierung der Wasserstände verfügbare Pegel für die Jahre 2005, 2006und 2011.

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3.2 Vergleich von Wasserständen mit der Natur

Zur Validierung des Modells werden die Wasserstände von Modell und Messung miteinan-der verglichen. Da die Ostsee etwa einen halben Monat benötigt, damit das räumlich gemit-telte Wasservolumen im dynamischen Gleichgewicht mit den Randbedingungen ist, werdenZeiträume mit einem eingeschwungenen Zustand zum Vergleich herangezogen. Für dasJahr 2006 steht als Anfangszustand ein mit den Randbedingungen dynamisch konsistentesAnfangsfeld aller hydrodynamisch wirksamen Größen zur Verfügung, so dass der Ein-schwingvorgang bezüglich des Füllungsgrades abgeschlossen ist.Beispielhaft werden hier die Wasserstände der Pegel Kalkgrund Leuchtturm, Kiel Leucht-turm, Warnemünde und Saßnitz aus einer Modellrechnung des Simulationsjahres 2006 mitdem aktuellen Basisgitter im Vergleich mit den Messreihen gezeigt (Bild 8).

Bild 8: Beispielhafter Vergleich Messung (schwarz) – Modell (rot). Von Oben nach untenwerden die Pegel Kalkgrund, Kiel, Warnemünde und Saßnitz dargestellt.

Die Modellergebnisse zeigen in ihrem zeitlichen Verlauf eine sehr gute Übereinstimmungmit den Messreihen, wenn man in Betracht zieht, dass die meteorologischen Eingangsda-ten aus der 24h-Vorhersage, die die Dynamik wesentlich bestimmen, von der tatsächlicheingetretenen Wetterlage etwas abweichen können. Auch die Tideamplitude wird in dendrei oberen Diagrammen vom Modell recht gut getroffen, obwohl die Steuerung mit nureinem Pegel erfolgt, der nicht exakt auf dem Rand liegt.

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Soweit sich in den berechneten und gemessenen Zeitreihen eine konstante, also systema-tische Abweichung zeigt, kann dies auf einen fehlerhaften Massenaufbau (Temperatur,Salzgehalt) im Modell hindeuten. In einem solchen Fall ist der Massenaufbau im Ostseebe-cken anzupassen.Die Ähnlichkeit der im Modell ablaufenden, numerisch berechneten Hydrodynamik mit denVorgängen in der Natur kann für die Wasserstände gezeigt werden. Damit können auch diebarotropen Transporte als naturähnlich angenommen werden.

4 Einsatz des Ostseemodells in der Praxis

4.1 Das Modellbaukastenprinzip

In der Bundesanstalt für Wasserbau wird in der Modellierung bereits das Prinzip der Tren-nung von Daten und Modellverfahren verfolgt. Dieses Prinzip wurde im Hinblick auf dieverfügbaren Datensätze erweitert. Für das Ostseemodell stehen daher nicht nur die Soft-ware-Bausteine zentral zur Verfügung, sondern auch ausgewählte Digitale Geländemodel-le, Modellgitternetze, Geopositionsdaten, Validierungsdaten und Randwerte. Der zentraleBaustein ist das Basisgitternetz der Ostsee, welcher durch Teilgitternetze abgewandeltwerden kann.Die Sammlung dieser Datensätze stellen eine Art Modellbaukasten dar, der flexibel für diegesamte deutsche Ostseeküste eingesetzt werden kann.

4.2 Vorgehen zur Modellbildung

Das Ostseemodell bietet dabei im Wesentlichen die folgenden Vorgehensweisen in derBearbeitung von Fragestellungen im Küstenbereich an:

1. Verwendung als grobes Modell, um großräumige Prozesse im Ostseebereich, z.B.Klimaänderungen und ihren Einfluss auf die Küste besser zu verstehen.

2. Verwendung als lokal verfeinertes Modell, um Bauvorhaben im aquatischen Bereichin ihrer lokalen Wirkung auf Hydrodynamik und Stofftransporte zu untersuchen.

3. Verwendung als Randwertgenerator für detaillierte Küstenmodelle.Vorzugsweise sollen wasserbauliche Fragestellungen in einem Gitternetz bearbeitet wer-den, welches von dem Basisgitternetz durch Ersetzen des interessierenden Bereichesdurch ein verfeinertes Netz abgeleitet wurde. Die Vertikalauflösung muss dabei angemes-sen erhöht werden, um lokalen Schichtungsphänomenen Rechnung zu tragen. Übersteigtdie Knotenzahl des verfeinerten Gitters eine Größenordnung von ca.15.000-20.000 Knoten,so ist zu prüfen, ob der Rechenzeitbedarf noch angemessen ist. In solchen Fällen sollte zu

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einem Teilgitter übergegangen werden, welches idealerweise definierte natürliche offeneRänder besitzt. Zum Beispiel ist dieses Vorgehen für das fein aufgelöste Modell der Schleisinnvoll.Teilgitternetze sollen im Idealfall so gestaltet sein, dass ihre Randknoten der offenen Rän-der lagegleich mit Knoten des Ostseemodells sind.

4.2.1 Vorgehen bei Verwendung des Basisgitters oder eines daraus abgeleite-ten Gitters

Für das Basisgitter und daraus abgeleitete verfeinerte Gitter ist die Vorgehensweise bei derModellbildung identisch. Dabei wird davon ausgegangen, dass eventuelle Verfeinerungenso erfolgt sind, dass die Uferlinie des Modelles gegenüber dem groben Modell keine Verän-derung erfährt.Die meteorologischen Dateien liegen bereits als binäre Datensätze von 2005/11/01 02:00bis 2007/01/01 00:00 vor, die direkt in der Modellsimulation eingesetzt werden können.Sollte ein Zeitraum simuliert werden, für den die meteorologischen Felder nicht vorhandensind, so muss dieser Datensatz einmal erstellt werden und kann dann immer wieder ver-wendet werden. Es ist daher sinnvoll, die meteorologischen Daten des DWD systematischin gleicher Weise für die in der BAW vorliegenden Zeiträume nach und nach aufzubereitenund in sinnvollen Dateigrößen (z.B. für ein Jahr) zu archivieren.Binäre Randwerte für Wasserstand, Salzgehalt und Oberwasser werden angepasst an dasjeweilige Modellgitter aus den bereit stehenden Rohdaten für den offenen Rand am Ska-gerak und die Positionen der Zuflüsse erzeugt. Die Rohdaten des Wasserstandes liegenals ASCII-Zeitreihen für die in Tabelle 4 genannten Simulationsjahre vor. Für andere Jahrekönnen die Zeitreihen des Wasserstandes aus der Ganglinie des Pegels Smögen, soweitverfügbar, abgeleitet werden. Dabei sollen die Ganglinien um 30 Minuten dem Pegel Smö-gen nachlaufen, dies ist in etwa die zeitliche Verschiebung des Tidesignals zwischen Smö-gen und Skagen. Soweit Ganglinien des Pegels Skagen vorliegen, können auch diesealternativ herangezogen werden beziehungsweise zur Auffüllung von Datenlücken dienen.Einmal erstellte Ganglinien des Wasserstandes am seeseitigen Rand werden zentral archi-viert und stehen für die zukünftigen Projekte zur Verfügung.

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Simulationsjahr Wasserstand Salzgehalt2003 Zeitreihe (10 min, Smögen + 30min) Konstant durch Skript erzeu-

gen2004 Zeitreihe (10 min, Smögen + 30min) Konstant durch Skript erzeu-

gen2005 Zeitreihe (10 min, Smögen + 30min) Konstant ( 33 PSU )2006 Zeitreihe (10 min, Smögen + 30min) Konstant ( 33 PSU )2010 Zeitreihe (10 min, Smögen + 30min)

Datenlücken gefüllt mit SkagenKonstant durch Skript erzeu-gen

2011 Zeitreihe (10 min, Smögen + 30min)Datenlücken gefüllt mit Skagen

Konstant durch Skript erzeu-gen

Tabelle 4: Verfügbarkeit der Randwerte am seeseitigen Rand mit zeitlicher Auflösung.

Oberwasserzeitreihen mit Jahresgang können aus den normierten Oberwassercharakteris-tiken für die berücksichtigten Zuflüsse konstruiert werden, indem die Charakteristiken mitdem jeweiligen mittleren Abfluss multipliziert werden.

4.3 Auswertung und graphische Darstellung

Für die Auswertung der Modellergebnisse bieten sich die Verfahren der Kennwertanalysefür Langzeitkennwerte (LZKWF, LZKVF, LZKSF) an. Eine typische Fragestellung ist dieVeränderung des Salzgehaltsmilieus durch eine Veränderung in der Bathymetrie, also inwie weit sich das Austauschverhalten im betroffenen Gebiet für Substanzen und Salz ver-ändert. Auch die Hoch- oder Niedrigwasserneutralität einer Maßnahme sollte nachgewiesenwerden.Zur graphischen Darstellung kann auf die GKS-Programme HVIEW2D, VVIEW2D,LQ2PRO und GVIEW2D zurückgegriffen werden, die die binären Ergebnisse der Simulationund der Postprozessoren verarbeiten können.

5 Ausgewählte Beispiele für Modellergebnisse

Die Ergebnisdateien einer Simulation liegen in standardisierter Form als BDF-Dateien vor.Daher kann die Auswertung und Darstellung mit den in der BAW vorhandenen Verfahrenerfolgen. Für die Darstellung der Ergebnisse mit den Programmen HVIEW2D undVVIEW2D (Bundesanstalt für Wasserbau 1996-2014) steht eine Datei des Formates „in-

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sel.dat“ bereit, in der bereits diverse Standardbeschriftungen und Strukturlinien abgelegtsind.

5.1 Horizontale Neigung des Wasserstandes im Großen Belt zwischen Nyborgund Korsør

Zwischen Nyborg und Korsør stellt sich bei länger andauernden, windbedingten Ein- oderAusstromlagen ein nahezu geostrophisch balancierter Transport ein. Dieser führt zu einerQuerneigung des Wasserspiegels über den Großen Belt hinweg, welcher sich in den Gang-linien des Wasserstandes dahingehend widerspiegelt, dass der Pegel Korsør über längereZeit im mittleren Niveau von dem Pegel Nyborg abweicht.Bei geostrophisch balanciertem Strom in Richtung Kattegat liegt das Niveau des PegelsKorsør höher als das des Pegels Nyborg (Bild 9). Dieser Zustand tritt relativ häufig auf, daim Mittel ein Fluss aus der Ostsee heraus in den Skagerak stattfindet.

Bild 9: Ganglinien des Wasserstandes der Pegel Korsør (Schwarz) und Nyborg (Rot) beieiner länger andauernden Ausstromsituation.

Bei Einstromlagen stellt sich dagegen zwischen den beiden Pegeln das umgekehrte Gefälleim Wasserstand ein (Bild 10). Die Größenordnung des Gefälles ist mit wenigen Zentimeternbis zu einem Dezimeter realistisch wiedergegeben.

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Bild 10: Wasserstandsganglinien der Pegel Korsør (Schwarz) und Nyborg (Rot) bei eineretwa 24-stündigen Einstromsituation.

5.2 Strömungsverhältnisse im kleinen Belt bei Middelfaart

Die Engstelle bei Middelfaart im kleinen Belt ist bekannt für verhältnismäßig hohe Strömun-gen, die durch das Gefälle des Wasserstandes zwischen dem Kattegat und der westlichenOstsee angetrieben werden. In der Natur werden dort zeitweise Oberflächenströmungen bisca. 2,5 m/s (ca. 5 sm/h) beobachtet. Eine gute Abbildung solcher Engstellen in der Bathy-metrie ist nötig, um die Verteilung der Transporte zwischen den beiden Belten und demSund gut zu reproduzieren.Das Basisgitter ist hier noch verhältnismäßig grob, dennoch wird gewährleistet, dass dieRinne durch wenigstens zwei Elementkanten im Querprofil unterteilt wird und so eine erhöh-te (numerisch bedingte) Dissipation durch mangelnde numerische Auflösung (unvollständi-ger Austauschterm in Querrichtung) vermieden wird.Das Modell berechnet tiefengemittelte Strömungswerte, die in einer plausiblen Größenord-nung liegen. Um jedoch die lokalen Strömungsverteilungen naturähnlich abzubilden, mussdas Gitter in dieser Region gegebenenfalls noch weiter verfeinert werden, um die Bathymet-rie realistischer abzubilden.

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Bild 11: Synoptische Strömung (tiefengemittelt) im Kleinen Belt bei Middelfaart am15.11.2005, 10:15 Uhr.

5.3 Temperatur- und Salzverteilung

Ein wesentliches Charakteristikum der Ostsee ist das starke Aussüßen des Ostseebeckensund damit verbundene Schichtung des Wasserkörpers. Diese Charakteristik wird durch dasZusammenwirken der Balance zwischen den Süßwassereinträgen und dem Salzgehalt desKattegats auf der einen Seite und der saisonalen Variation des Wärmeflusses durch dieMeeresoberfläche bestimmt.

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Typisch ist die Ausbildung einer kalten Zwischenwasserschicht im Sommer, die durch Kon-vektion im Spätwinter und Frühjahr gebildet wird und dann von der sommerlichen Deck-schicht überlagert wird (Bild 12). Hier wurde das Modell mit einer aus Messungen abgeleite-ten Anfangsverteilung der Temperatur und des Salzgehaltes gestartet. Das Modell reprodu-ziert danach auch im Juni schon eine recht gute Abbildung der realen Temperaturvertei-lung. Die relativ niedrigen Oberflächenwerte deuten jedoch darauf hin, dass die vertikaleVermischung im Modell in Relation zum horizontalen Austausch in der zentralen Ostseenoch zu hoch ist.

Bild 12: Temperaturverteilung entlang eines Vertikalschnittes durch die Ostsee.

Betrachtet man die Salzgehaltsverteilung, so bestätigt sich diese Annahme. Der Salzgehaltim Gotlandbecken liegt noch etwa 1 bis 1,5 PSU unterhalb des Wertes, der in der Naturgemessen wird (Bild 13). Dieser Umstand führt zu geringeren vertikalen Gradienten in derDichte, weshalb die winterliche Konvektion tiefer reicht und daher das an Salz arme Ober-flächenwasser in zu große Tiefen gemischt wird. Es ist jedoch davon auszugehen, dass miteinem weiteren Aussüßen des Beckens die permanente Halokline weiter verstärkt wird unddadurch dann die konvektive Einmischung des Süßwassers vermindert wird.Denkbar ist auch, dass eine stärkere horizontale Vermischung das Problem beheben kann,da der Eintrag von Süßwasser primär von der Küste her erfolgt und daher durch den turbu-lenten horizontalen Austausch verteilt wird. Der horizontale Austausch kann in UNTRIMdurch eine höhere Auflösung des Gitters in der Fläche oder ortsvariable Austauschkoeffi-zienten optimiert werden.

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Bild 13: Verteilung des Salzgehaltes entlang eines Vertikalschnittes durch die Ostsee.

5.4 Minimaler Salzgehalt in der Warnow

Mit lokal verfeinerten Gitternetzen lassen sich auch im Küstenbereich die hydrologischenVerhältnisse gut wiedergeben. Die Eignung eines solchen verfeinerten Modellgitters für dieZwecke von Untersuchungen zu Planfeststellungsverfahren soll im folgenden Beispiel de-monstriert werden. Dazu wurde der Bereich der Mündung der Warnow in die Ostsee imGitter hoch aufgelöst (Bild 4) und mit Peildaten des WSA Stralsund die Modell-Bathymetrieverbessert.Im Rahmen der Machbarkeitsstudie zum Ausbau des Seekanals Rostock (Bundesanstalt fürWasserbau 2011) wurde dann unter anderem ausgewertet, wie sich die Salzgehaltsverhält-nisse im Bereich des Warnow-ästuars bei einem angenommenen mittleren Oberwasserdurch die Vertiefungsmaßnahme verändern. Beispielhaft wird in Bild 14 der minimale Salz-gehalt für den Analysezeitraum Dezember 2005 dargestellt (Referenzzustand der Bathy-metrie 2010). Erwartungsgemäß nimmt der Salzgehalt von Rostock zur Ostsee hin zu,wobei sich im Breitling eine sehr homogene Mischung aus Ostseewasser und Wasser derWarnow einstellt.Durch die geplante Vertiefungsmaßnahme stellt sich erwartungsgemäß ein höherer minima-ler Salzgehalt für den gleichen Analysezeitraum ein, was aus der Differenzdarstellung zwi-

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schen Ausbauzustand und Referenzzustand hervorgeht (Bild 15). Erklären lässt sich diesaufgrund der Erweiterung des Austauschquerschnittes und der Tatsache, dass der Salz-gehalt von der Oberfläche zur Tiefe hin zunimmt, also salzhaltiges Wasser mit der Ostseeausgetauscht wird.

Bild 14: Minimaler Salzgehalt (tiefengemittelt) im Ästuar der Warnow bei mittlerem Ober-wasser für den Analysezeitraum Dezember 2005.

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Bild 15: Änderung des minimalen Salzgehaltes bei Vertiefung des Seekanals auf 16,60 munter NHN (Analysezeitraum Dezember 2005)

Dabei zeigt sich die größte Zunahme im Breitling, wie es aufgrund der Trassenführung derVertiefung auch zu erwarten ist.

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