Jürgen Jensen, Sylvin Müller-Navarra, Ingrid Bork & Christoph Mudersbach
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© 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
Folie 2
10. KFKI-Seminar • 26.10.2005 • Bremerhaven
Inhalt
• Untersuchungsgebiet• Was ist „Wahrscheinlichkeit“?• Zielsetzung• Verwendete Modellketten und Verfahren• Ergebnisse• Bewertung • Ausblick
Folie 3
10. KFKI-Seminar • 26.10.2005 • Bremerhaven
Untersuchungsgebiet
KFKI-Vorhaben:
Modellgestützte Untersuchungen zu Sturmfluten mit sehr geringen Eintrittswahrscheinlichkeiten (MUSE)
Laufzeit: 2002 - 2005
Folie 4
10. KFKI-Seminar • 26.10.2005 • Bremerhaven
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.
Folie 5
10. KFKI-Seminar • 26.10.2005 • Bremerhaven
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.
Folie 6
10. KFKI-Seminar • 26.10.2005 • Bremerhaven
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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10. KFKI-Seminar • 26.10.2005 • Bremerhaven
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
Folie 10
10. KFKI-Seminar • 26.10.2005 • Bremerhaven
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
Folie 13
10. KFKI-Seminar • 26.10.2005 • Bremerhaven
Vergleich Beobachtung und Simulation
609
512
674651
499
635669
555
483517
410
535510
392
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566
472
404
200
300
400
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600
700
800E
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cm
NN
]
max. mod. Wert (BSH)
HHThw
Folie 14
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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)
Folie 15
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Ergebnisse der Extremwertanalyse
517
410
535
392
510
566
514
404
472
609
512
674
499
651669
635
483
555
584
493
643
475
618
645
606
463
537
300
350
400
450
500
550
600
650
700
Em
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cmN
N]
HHThw
mod. Maximalwert (BSH)
ProMUSE 10E-4 - Ereignis
Folie 16
10. KFKI-Seminar • 26.10.2005 • Bremerhaven
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