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13. KFKI Seminar zur Küstenforschung | MUSTOK

05.11.2008 | Deutsches Schiffahrtsmuseum, Bremerhaven | Jürgen Jensen | 1

UniversitätSiegen

1Forschungsinstitut Wasser und Umwelt der Universität Siegen

Modellgestützte Untersuchungen zu extremen Sturmflutereignissen an der

Deutschen Ostseeküste (MUSTOK)

Jürgen Jensen, Andreas Benkel, Ingrid Bork, Gerd Bruss, Peter Fröhle, Anette Ganske, Roberto Mayerle, Christoph Mudersbach, Sylvin Müller-Navarra,

Gudrun Rosenhagen, Christian Schlamkow, Ralf Schmitz, Hans von Storch

BMBF-Fördernummer 03 KIS 52-54 KFKI-Fördernummer: KFKI 84-86



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Inhalt

Übersicht des Verbundprojektes und ZieleRekonstruktion der Sturmflut vom 12./13. November 1872MUSE Ostsee: MeteorologieMUSE Ostsee: WasserstandsmodellierungMUSE Ostsee: ExtremwertstatistikSEBOK A/B: MeteorologieSEBOK A/B: WasserstandsmodellierungZusammenfassung und AusblickRückblick: Workshop Sturmflutgefährdung der Ostseeküste



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Inhalt




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Übersicht des Verbundprojektes

MUSTOK

Koordinator:Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jürgen Jensen,

Forschungsinstitut Wasser und Umwelt (fwu) der Universität Siegen

Entwicklung von Methoden zur Bestimmung maßgebender

hydrodynamischer Bemessungsparameter

für Küstenschutzanlagenan der Ostsee

SEBOK A

Schwerpunkt: Schleswig-Holstein

Koordinator: Univ.-Prof. Dr. Roberto Mayerle

DWD, GKSS, FTZ



für Küstenschutzanlagen an der Ostsee

SEBOK B

Schwerpunkt: Mecklenburg-Vorpommern

Koordinator: Dr.-Ing. Peter Fröhle

DWD, U Rostock

Modellgestützte Untersuchungen zu Sturmfluten

mit sehr geringen Eintrittswahrscheinlichkeiten an

der Deutschen OstseeküsteMUSE Ostsee

Koordinator: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jürgen Jensen

DWD, GKSS, BSH, fwu



UniversitätSiegen


Übersicht des Verbundprojektes

MUSTOK

Koordinator:Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jürgen Jensen,

Forschungsinstitut Wasser und Umwelt (fwu) der Universität Siegen



für Küstenschutzanlagenan der Ostsee

SEBOK A

Schwerpunkt: Schleswig-Holstein

Koordinator: Univ.-Prof. Dr. Roberto Mayerle

DWD, GKSS, FTZ



für Küstenschutzanlagen an der Ostsee

SEBOK B

Schwerpunkt: Mecklenburg-Vorpommern

Koordinator: Dr.-Ing. Peter Fröhle

DWD, U Rostock

Modellgestützte Untersuchungen zu Sturmfluten

mit sehr geringen Eintrittswahrscheinlichkeiten an

der Deutschen OstseeküsteMUSE Ostsee

Koordinator: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jürgen Jensen

DWD, GKSS, BSH, fwu

Laufzeit: 01. Juli 2005 bis 31.12.2008



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MUSE Ostsee

Ziel:

Das Ziel von MUSE Ostsee ist die Ermittlung extremer Sturmflutwasserstände (physikalisch konsistent) und Zuordnung von Ein- trittswahrscheinlichkeiten.



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SEBOK A

Ziel:

Das Ziel von SEBOK A ist die Ermittlung maßgeben- der Bemessungsparameter aus Wasserstand und Seegang über Szenarien- rechnungen.



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SEBOK B

Ziel:

Das Ziel von SEBOK B ist die Ermittlung maßgeben- der Bemessungsparameter aus Wasserstand und Seegang über Langzeit- simulationen.



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Inhalt




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Rettungsszene in einer Straße von Flensburg während der Sturmflut am 13.11.1872, Illustrierte Zeitung (1872)

- 271 Tote

- mehr als 15 Tausend obdachlos

- zehntausende Stück Vieh ertranken

- mehrere hundert Schiffe strandeten

- großflächige Landverluste

(Kiecksee, 1872,Petersen u. Rohde, 1977)

Rekonstruktion Sturmflut 1872



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Ergebnis der Datensammlung im Zeitraum 01.-14.11.1872:

Luftdruck- und Temperatur- daten von mehr als 230 Stationen, davon mehr als 175 mit mindestens 2 Meldungen pro Tag!



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Berechnung von Windfeldern aus Luftdruckdaten



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Windverhältnisse über der Ostsee am 13.11.1872 um 6 Uhr



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Sw

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Sas

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Neu

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1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

Was

sers

tand

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[kor

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ull/N

N]

Simulation Baensch korrigiert nach Mudersbach



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Inhalt




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MUSE Ostsee: Meteorologie

Zugbahnen von Tiefdruckge- bieten über der Ostsee



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Verteilung der Windgeschwin- digkeiten



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Abschätzung der Windstauwerte



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Höhepunkt des Sturm über der Ostsee

Bodendruck und 10m- Windgeschwindigkeit


Effekte des Spectral Nudgings am Beispiel einer EPS-Sturmsituation

Ergebnisse der CLM-Simulation



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Pers. Mitteilung, Bork (2008)


Zeitl. Verlauf Wasserstand Wismar (Auswirkung der verlängerten Wirkdauer)



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Flensburg

Schleim

uende

Kiel H

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Heiligenhafen

Marienleuchte

Neustadt

Travemuende

Wism

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Timm

endorf Poel

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Althagen

Stralsund H

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Sassnitz

Greifsw

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Koserow

Kungholm

sfort

Ystad

2005_45 CLM 2005_45 CLMN 2005_45 IFSv 2005_45 CLMNv 2005_45 IFS 2005_45 COSMO-B

Pers. Mitteilung, B

ork (2008)Max. Wasserstände aus EPS-Member 2005_45_IFS bei verschiedenen Antrieben




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Inhalt




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80 COSMO-Simulationen (DWD)2 COSMO-Simulationen (GKSS)

57 ausgewählte Fälle

31.900 EPS-Simulationen (DWD)

6 ausgewählte Fälle(3 EU 4 B 2 CLM)

57 Wasserstandssimulationen (FTZ) 15 extreme Beispiele (BSH)

6 Wasserstandssimulationen (BSH)

MUSE Ostsee: Wasserstandsmodellierung

Übersicht der Simulationen



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-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

10/11/72 13/11/72 16/11/72 19/11/72 22/11/72 25/11/72

m [N

N]

13.11.

12.11.

10.11.

ohne


Sensitivitätsanalyse zum Einfluss von Vorfüllung und Seiches auf extreme Wasserstände

Fazit: Vorfüllung und Seiches haben auf extreme Wasserstände keinen signifikanten Einfluss > Windfeld ist maßgebend!



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0

50

100

150

200

250

300

350

400Fl

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Stra

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Sass

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Gre

ifsw

ald

wat

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vel [

NN

+cm

]

Observed Water Levels 1872 (normalised to 2006)

Maximum Mater Levels resulting from ExtremeWeather SituationsRe-analysis of Extreme Event 1872

Results of hydrodynamic modeling (BSH)Bork 2008




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Inhalt




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MUSE Ostsee: Extremwertstatistik

Analyse der beobachteten DatenAnalyse der beobachteten und historischen DatenAnalyse der beobachteten, historischen und modellierten Daten

Modellierter Extremwert erhält Schätzung der Eintrittwahrscheinlichkeit aus der Gesamtzahl aller „Vorhersagestunden“: 12 Mio. Stunden → 1.370 Jahre → PU = 7,3·10-4/a



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HW100 = 234 cmNN

HW1.000 = 290 cmNN

HW10.000 = 342 cmNN

HW100 = 222 cmNN

HW1.000 = 282 cmNN

HW10.000 = 350 cmNN

-2 0 2 4 6 8 100

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

reduzierte Variable [-ln(-ln(Pu))]

Was

sers

tand

[cm

NN

]

10 50 100 200 5001.000 10.000Jährlichkeit

ProMUSE Verteilung (L-Moments)95%-Konfidenzintervall (oben)95%-Konfidenzintervall (unten)PLP (GRINGORTEN)

Travemünde

Daten: HWZeitreihenlänge: 1826-2006Histor ische Daten: --Beschickung: Daten wurdenmit 19-jhg. gleitenden Mit telder MW-Zeitreihe auf das Jahr2006 beschickt .

-2 0 2 4 6 8 100

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

reduzierte Variable [-ln(-ln(Pu))]W

asse

rsta

nd [c

mN

N]

10 50 100 200 5001.000 10.000Jähr lichkeit

ProMUSE Verteilung (L-Moments)95%-Konfidenzintervall (oben)95%-Konfidenzintervall (unten)PLP Extremwerte über SchwellenwertPLP Extremwerte unter Schwellenwert

Travemünde

Daten: HW(T=4) + hist . Daten (mit 1872)Zeit reihenlänge: 1826-2006Histor ische Daten: 1044-1873Beschickung: Daten wurden mit19-jhg. gleitenden Mit tel der MW-Zeit reiheauf das Jahr 2006 beschickt .

Analyse beobachteter Daten Analyse beob. & histor. Daten



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HW100 = 226 cmNN

HW1.000 = 295 cmNN

HW10.000 = 379 cmNN

-2 0 2 4 6 8 100

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

reduzierte Variable [-ln(-ln(Pu))]

Was

sers

tand

[cm

NN

]

10 50 100 200 5001.000 10.000Jähr lichkeit

ProMUSE Ver teilung (L-Moments)95%-Konfidenzintervall (oben)95%-Konfidenzintervall (unten)PLP Extremwerte über SchwellenwertPLP Extremwerte unter SchwellenwertMAX-Modell

Travemünde

Daten: HW(T=4, ohne 1872) + hist . Daten+ Rea1872Zeit reihenlänge: 1826-2006Histor ische Daten: 1044-1873Beschickung: Daten wurden mit19-jhg. gleitenden Mit tel der MW-Zeit reiheauf das Jahr 2006 beschickt .

Analyse beob. & histor. Daten und modellierter Extremwerte

In den Fällen, in denen der modellierte Extrem- wert deutlich unter dem Ereignis von 1872 liegt, wird Reanalysewert von 1872 in der Statistik verwendet.



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Wiederkehrintervalle für Sturmflut von 1872 für Pegel Travemünde



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Inhalt




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SEBOK A/B: Meteorologie

SEBOK A: Meteorologie wie MUSE Ostsee

SEBOK B: Entwicklung eines Windatlasses für die Deutsche Ostsee

Möglichkeit für Langzeitsimulationen von Wasserstand und Seegang



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m

max. peak water levels 61 scenarios

max. peak Hs 61 scenarios

peak water levels reconstruction 1872

peak Hs reconstruction 1872

SEBOK A: Wasserstandsmodellierung



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00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00

0

1

2

3

4

[m+N

N]

Rek.1872

WasserstandSeegang

m NN

R.18720

1

2

3

4

[m]

Seegang

Hs maximalHs bei Scheitelwasserstand

R.18720

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

[m+N

N]

Wasserstand

Scheitelwasserstände III

00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00

0

1

2

3

4

[m+N

N]

7011-200-47

WasserstandSeegang

III

II

12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00

0

1

2

3

4

[m+N

N]

7011-192-35

WasserstandSeegang

II

I

12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00

0

1

2

3

4

[m+N

N]

9511-072-29

WasserstandSeegang

I




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1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

[m]

peak water levelpeak sign. waveheight

0

20

40

60

80

100

120

ener

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pact

[% o

f max

]

0

0.5

1

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2

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3

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4

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p [m

]

1872

7011

-200

-47

7011

-192

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0310

-192

-19

9511

-192

-01

7011

-200

-47-

b

9511

-150

-01

9511

-072

-29

7011

-180

-31

0501

-090

-18

7011

-180

-35

7112

-066

-35

9412

-220

-30

9511

-036

-20

9511

-030

-34

9511

-030

-24

0501

-120

-45

peak run up

energy impact

-6

-4

-2

0

2

4

[m N

N]

Rek. 1872Szenarien

2% Runup


Profil Probstei



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37

Ermittlung der Datengrundlage

Statistische Analyse der Eingangsdaten

Definition von Bemessungsdaten

Festlegung von Bemessungsgrößen für ausgewählte Schutzziele

Vergleich der Bemessungsparameter die in SEBOK A bzw. SEBOK B ermittelt wurden

SEBOK B: Wasserstandsmodellierung

Arbeitsschritte



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Messdaten (Wasserstände, Wind)Seegangdaten, die mittels Wind-Wellen-Korrelationsrechnungen für mehrere Lokationen ermittelt wurden (Zeitserien über bis zu 52 Jahre)Langzeit-Seegangssimulationen mit SWAN

WODLM-Modell („westliche Ostsee, angetrieben durch Wind aus dem Lokalmodell des DWD“): 8 Jahre SimulationszeitraumSOHIP-Modell („südliche Ostsee, angetrieben durch Wind aus dem HIPOCAS-Projekt der GKSS“): 55 Jahre Simulationszeitraum


Datengrundlagen



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39

Seegang Warnemünde 1954 bis 2007




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40

Seegang

Wasserstand

SEBOK B: WasserstandsmodellierungExtremwertstatistiken Warnemünde



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0 50 100 150 200 250 300 350 400Hm0 [cm]

1

1.25

1.5

1.75

2

2.25

Was

sers

tand

[m N

N]

41


Kombinierte Eintritts- wahrscheinlichkeit von Wasserstand und See- gang für Warnemünde



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Inhalt




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Zusammenfassung

erstmalige Rekonstruktion der Sturmflut vom 12./13. November 1872längere Windwirkdauern führen nicht unbedingt zu höheren ScheitelwasserständenVorfüllung und Seiches haben keinen signifikanten Einfluss auf extreme Wasserständeim östlichen Teil des Untersuchungsgebietes sind Wasserstände über dem Ereignis von 1872 eher möglich, als im westlichen Teildurch Einbeziehung historischer Sturmflutinformationen ist das Ereignis von 1872 nicht mehr „das singuläre Ereignis“Eintrittswahrscheinlichkeiten lassen sich auf Basis von drei Säulen bestimmen: beobachtete Daten, historische Daten und modellierte Daten



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Zusammenfassung

höchster Wasserstand und höchster Seegang treten häufig nicht gleichzeitig aufals maßgebender Bemessungsparameter für viele Aufgaben (z.B. Erosionsprozesse) kann der maximale Energieeintrag herangezogen werden, der sich nicht zwangsläufig aus dem höchsten Scheitelwasserstand ergibtüber Langzeitsimulationen von Wasserstand und Seegang lassen sich zweidimensionale Wahrscheinlichkeitsverteilungen erstellen, aus denen sich kombinierte Bemessungsereignisse ableiten lassen



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Ausblick

Forschungsbedarf:Entwicklung der Windschubspannung auf der Wasseroberfläche bei extremen WindgeschwindigkeitenEinfluss und Wirkung von Vb-WetterlagenWurden für alle Küstenabschnitte die extremsten Fälle gefunden?Eintrittswahrscheinlichkeiten von Belastungsszenarienverbesserte Verfahren zur Einbeziehung historischer Extremereignisse in Statistik

► Herbst 2009: DIE KÜSTE – Sonderheft MUSTOK



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Inhalt




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Rückblick: MUSTOK-Workshop

Workshop Sturmflutgefährdung der Ostseeküsteam 04. und 05. März 2008 an der Universität Rostock

►über 100 Teilnehmerinnen und Teilnehmer



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Begleitende KFKI-Projektgruppe

Ein besonderer Dank geht an die begleitende KFKI-Projektgruppe:

Dr. Annette ErnstDr. Gabriele GönnertMichael HeinrichsDr. Jacobus Hofstede (Obmann) Ralf KaiserJens Riemer Dr. Elisabeth RudolphKnut Sommermeier Frank Thorenz

Das Verbundprojekt MUSTOK wurde gefördert von:



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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Prof. Dr.-Ing. Jürgen Jensen

Forschungsinstitut Wasser und Umwelt (fwu)

Universität Siegen

Fon +49(271) 740 2172

E-Mail: [email protected]

http://www.fwu.uni-siegen.de/wb

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