© fwu (2005)

Modellgestützte Untersuchungen zu Sturmfluten mit sehr geringen

Eintrittswahrscheinlichkeiten (MUSE)

Jürgen Jensen, Sylvin Müller-Navarra, Ingrid Bork & Christoph Mudersbach

10. KFKI-Seminar • 26.10.2005 • Bremerhaven

Forschungsinstitut Wasser und Umwelt Universität Siegen

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10. KFKI-Seminar • 26.10.2005 • Bremerhaven

Inhalt

• Untersuchungsgebiet• Was ist „Wahrscheinlichkeit“?• Zielsetzung• Verwendete Modellketten und Verfahren• Ergebnisse• Bewertung • Ausblick

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10. KFKI-Seminar • 26.10.2005 • Bremerhaven

Untersuchungsgebiet

KFKI-Vorhaben:

Modellgestützte Untersuchungen zu Sturmfluten mit sehr geringen Eintrittswahrscheinlichkeiten (MUSE)

Laufzeit: 2002 - 2005

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Was ist Wahrscheinlichkeit?

Erläuterung:

Bei der Ermittlung einer Überschreitungswahrscheinlichkeit oder Eintrittswahrscheinlichkeit handelt es sich nicht um eine Prognose oder Szenario für einen bestimmten Zeithorizont, sondern um die Angabe einer Wahrscheinlichkeit pro Jahr zum gegenwärtigen Zeitpunkt.

Beispiel: Ein Wasserstand X mit einer Wahrscheinlichkeit von PÜ = 10-4/a (Jährlichkeit: 10.000 Jahre), macht keine Aussage zu den Wasserständen in 10.000 Jahren, sondern gibt die Wahrscheinlichkeit pro Jahr für einen Wasserstand an, der theoretisch auch morgen eintreten kann.

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Zielsetzung

Ziel:

Entwicklung von Methoden zur Modellierung und statistischen Einordnung physikalisch möglicher, aber noch nicht eingetretener, außergewöhnlich hoher Sturmfluten.

Problem:

Eine statistische Einordnung von Wasserständen mit sehr geringen Eintrittswahrscheinlichkeiten (PÜ = 10-3 … 10-4) ist auf Grundlage der beobachteten Zeitreihen nicht möglich.

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Lösung

• Es werden zusätzlich zu den beobachteten Daten Informationen über die Höhe der Wasserstände in dem Bereich von sehr kleinen Eintrittswahrscheinlichkeiten (PÜ = 10-3 … 10-4) benötigt.

• Diese können in das statistische Modell einbezogen werden und die Extrapolation der Extremwertverteilungen verbessern.

• Die benötigten Zusatzinformationen können über Modelle bereitgestellt werden.

• Dazu sollen die Modelle folgende Frage beantworten: Wie hoch hätten die Wasserstände bei aufgetretenen Sturmfluten an der Küste höchstens auflaufen können, wenn die meteorologischen Bedingungen ungünstiger gewesen wären?

• Diese Antworten kann das EPS (engl.: Ensemble Prediction System) des EZMW (Europäisches Zentrum für mittelfristige Wettervorhersage, UK) geben, indem die Anfangsbedingungen der Sturmflutwetterlagen stochastisch variiert werden und aus den ungünstigsten Vorhersagen die Wasserstände berechnet werden.

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Sichtung der Archive DWD und EZMW

Auswahl geeigneter Wetterlagen

Erzeugung der Randdaten für LM

Berechnung von Sturmflut-wasserständen mit Wasserstands-modell

Statistisch-probabilistische Analyse der beobachteten und modellierten Daten hinsichtlich der Eintrittswahr-scheinlichkeiten

physikalisch konsistente Modelle

Aufgaben

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Ensemble-Prediction-System

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Windgeschwindigkeiten EPS

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Ergebnisse Wettersimulationen

SturmflutMax. Effektivwind

- Reanalyse -

Max. Effektivwind

-LM-

16.02.1962 20,1 m/s 24,7 m/s

23.02.1967 19,8 m/s 23,0 m/s

03.01.1976 21,6 m/s 29,5 m/s

27./28.02.1990 18,0 m/s 27,9 m/s

28.01.1994 16,8 m/s 25,3 m/s

03.12.1999 19,0 m/s 31,3 m/s

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Windstau der 1976er Sturmflut (Variation)

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Ergebnisse der Wasserstandsmodellierung

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Vergleich Beobachtung und Simulation

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535510

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800E

md

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cm

NN

]

max. mod. Wert (BSH)

HHThw

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Extremwertanalyse

1e-1 2e-2 1e-2 5e-3 2e-3 1e-3 1e-4 1e-5 1e-6 1e-7 1e-8

Eintrittsrate [1/a]

-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

reduzierte Gumbel-Variable

Was

sers

tan

d [

cmN

N]

Cuxhaven, HThw

Grenzwert ProMUSE CDF

max. mod. Wert (BSH)

PLP (Monte-Carlo)

ProMUSE

GEV (PWM)

GEV (MLE)

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Ergebnisse der Extremwertanalyse

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Em

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cmN

N]

HHThw

mod. Maximalwert (BSH)

ProMUSE 10E-4 - Ereignis

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Bewertung

• Die Ergebnisse zeigen Wasserstände, die signifikant über den bisher höchsten Wasserständen liegen

• durch die modellierten Wasserstände liegen physikalisch begründete Annahmen im Bereich der sehr seltenen Eintrittswahrscheinlichkeiten vor

• Die statistische Analyse im Bereich der sehr seltenen Eintrittswahrscheinlichkeiten ist weniger subjektiv geprägt

• Mit den Verfahren lassen sich mit einem einheitlichen Verfahren extreme Wasserstände an allen Pegelstandorten der Deutschen Nordseeküste berechnen

• Wahrscheinlichkeiten von Deichbrüchen, Überflutungen und Schadenspotenzialen können besser berechnet werden

• Statistisch-probabilistischer Ansatz stellt Vergleichbarkeit zu Verfahren in den Niederlanden her

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Ausblick

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