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
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
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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
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 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
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
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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
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 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
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
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
03.09.2013 | Anna C. Zorndt
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
03.09.2013 | Anna C. Zorndt
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
03.09.2013 | Anna C. Zorndt
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