Stürme und Sturmfluten – Entwicklung des Sturmklimas

Wie hat sich der Einfluss von Sturmwinden auf Sturmfluten und Seegang in den letzten Jahrzehnten entwickelt, und was könnte durch den erwarteten anthropogenen Klimawandel passieren?

Änderungen in der Sturmaktivität haben einen signifikanten Einfluss auf eine Vielzahl von sozioökonomisch relevanten Aktivitäten und Risiken. Ein Wirschaftsbereich, der sehr sensitiv gegenüber Änderungen der Sturmaktivität ist, ist die Versicherungsindustrie (Berz, 1993; Berz und Conrad, 1994). Weitere relevante Aspekte gibt es Zusammenhang mit Seegang und Sturmfluten und deren Auswirkungen auf Offshore-Aktivitäten, die Schiffahrt und den Küstenschutz.

Die Analyse von Proxies (s. Abschnitt 'Wie können dekadische und längere Variationen des Sturmklimas bestimmt werden?') zeigt, dass innerhalb der letzten 200 Jahre keine signifikante Zunahme der durch Stürme verursachten Risiken stattgefunden hat (s. Abschnitt 'Wie hat sich das Sturmklima in den letzten Jahrzehnten und Jahrhunderten entwickelt?'). Andererseits ist während der letzten 50 Jahre eine Intensivierung eingetreten, und die Daten aus dieser Zeitspanne sind gut genug, um Änderungen in der Sturmflut- und Seegangsstatistik zu untersuchen.

Die Verfügbarkeit von guten Wetteranalysen – auf globaler Ebene z.B. die NCEP-Reanalyse (Kalnay et al., 1996) und für die europäische Region die Analyse durch Feser et al. (2001) – ermöglicht detaillierte Untersuchungen der sich ändernden Seegangs- und Sturmflutbedingungen. Um diese durchzuführen, werden 6-stündliche (oder noch häufigere) Wind- und Luftdruckanalysen verwendet, um Seegangs- (Günther et al., 1998; Sterl et al., 1998) und Sturmflutmodelle (Flather et al., 1998b; Langenberg et al., 1999) anzutreiben. Auf diese Weise gelangt man zu homogenen (Modell-)Werten der Änderungen während der letzten 50 Jahre (Weisse und Plüß, 2006). Unter Verwendung der selben Modelle können auch Szenarien des zu erwartenden Klimawandels in Bezug auf Stürme, Seegang und Sturmfluten berechnet werden (z.B. Flather et al., 1998a; Kauker, 1998; Debernard et al., 2003; Woth et al., 2005; Woth, 2005; Lowe und Gregory, 2001, 2005).

Analog dazu wurden die Analysen von Feser et al. (2001) benutzt, um Änderungen in den Mustern der Sturmaktivität zu untersuchen (Weisse et al., 2005). Im größten Teil des Nordostatlantiks stieg die Sturmaktivität – ausgedrückt als jährliche Anzahl von Stürmen in einer Gitterzelle – bis in die frühen 1990er Jahre an, während sie südlich von etwa 50° nördlicher Breite abnahm. Dieses Muster kehrte sich in den frühen 1990er Jahren fast vollständig um – außer in der südlichen Nordsee, wo der Trend zu einer höheren Anzahl von Stürmen anhielt, wenngleich er sich zuletzt (zumindest bis 2004) etwas abschwächte. Entsprechend zeigen die Statistiken von Hochwasserständen einen Anstieg der Wasserstände um einige Millimeter pro Jahr, sowohl in den Mittelwerten als auch im Verhältnis der Hochwasserstände zum Mittelwert (Weisse und Plüß, 2005; Aspelien, 2006), besonders an der Küste entlang der Deutschen Bucht.

Im HIPOCAS-Projekt (Soares et al., 2002) wurden statistische Werte des Seegangs bestimmt. Die extremen Wellenhöhen haben im Südosten der Nordsee innerhalb der Jahre 1958-2002 mit einer Rate von bis zu 1,8 Zentimeter pro Jahr zugenommen, während für viele Küstenabschnitte Großbritanniens ein Rückgang festgestellt wurde. Die Zunahme in der südöstlichen Nordsee verläuft jedoch nicht konstant über die Zeit. Die Häufigkeit von hohem Seegang hat 1985-1990 zugenommen und bleibt seither annähernd konstant (Weisse und Guenther 2006). Diese Entwicklung folgt eng jener der Sturmaktivität (Weisse et al. 2005).

Szenarien für die Windbedingungen der Zukunft wurden von verschiedenen Forschergruppen erstellt. Die derzeit umfassendsten davon sind die Simulationen des schwedischen Rossby Centers, welche nicht nur eine atmosphärische Komponente, sondern auch Seen und ein dynamisches Modell der Ostsee beinhalten (Räisänen et al., 2004). Die Randwerte für dieses Modell stammten aus zwei globalen Klimamodellen; außerdem wurden die Auswirkungen von zwei verschiedenen Emissionsszenarien simuliert. In diesen Simulationen wird eine Zunahme starker Westwinde um weniger als 10% bis zum Ende des 21. Jahrhunderts erwartet (Woth, 2005).

Diese Änderungen der Windgeschwindigkeit werden einen Effekt sowohl auf die Sturmfluten als auch auf die Seegangsbedingungen in der Nordsee haben. Bezüglich der Sturmfluten an der Nordseeküste wird eine Intensivierung, die bis zum Ende des Jahrhunderts zu einer Zunhahme der Extremwasserstände um bis zu 30 cm führen könnte, erwartet (Abbildung 5). Zu dieser durch Wind verursachten Änderung muss noch der Anstieg des mittleren Meeresspiegel addiert werden, so dass eine Zunahme von 50 cm während schwerer Sturmfluten für die Deutsche Bucht plausibel ist. Für das Elbeästuar werden noch höhere Werte von bis zu 70 cm erwartet. Diese Angaben sind mit einem hohen Unsicherheitsbereich behaftet (± 50 cm) (Grossmann et al., 2006).

Abbildung 5: Erwartete Veränderungen der durch Wind verursachten Windstauhöhen (links: Mittelung der Maximalwerte über viele Jahre, RCAO-Modell) und der Seegangshöhe (rechts: Änderung des 99%ils, gemittelt über eine Reihe von Simulationen unter Verwendung verschiedener Modelle und Szenarien. Farbig markiert sind die Flächen, in denen die Ergebnisse aus allen Modellen und Szenarien das selbe Vorzeichen aufweisen – rot: positiv, blau: negativ.) in der Nordsee zum Ende des 21. Jahrhunderts (Emissionsszenario A2). Einheiten: Meter. Mit freundlicher Genehmigung v. Katja Woth und Iris Grabemann.

Verschiedene Szenarien für die Seegangsbedingungen in der Zukunft zeigen untereinander große Unterschiede hinsichtlich der durch den Klimawandel verursachten Änderungsmuster und ihrer Amplitude. Dennoch gibt es zwischen den Modellen und Szenarien einen Konsens, dass die extremen Wellenhöhen in der südöstlichen Nordsee bis zum Jahr 2085 um bis zu 30 cm (7% des derzeitigen Wertes) zunehmen könnten (Weisse und Grabemann, in Vorb., Abbildung 5).

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Referenzen

Aspelien, T., 2006: The use of long-term observations in combination with modelling and their effect on the estimation of the North Sea storm surge climate. PhD thesis, Hamburg, 106pp

Berz, G., 1993: Global Warming and the insurance industry. Interdisciplinary Science Review 18 (2), 120-125

Berz, G. and K. Conrad, 1994: Stormy weather: The mounting windstorm risk and consequences for the insurance industry. Ecodecision 12, 65-68

Debernard J, Sætra Ø, Røed LP, 2003: Future wind, wave and storm surge climate in the northern North Atlantic. CR 23:39-49

Feser, F., R. Weisse and H. von Storch, 2001: Multidecadal atmospheric modelling for Europe yields multi-purpose data. EOS 82, 305+310

Flather, R.A. and J.A. Smith, 1998a: First estimates of changes in extreme storm surge elevation due to doubling CO2. Global Atm. Oc. System, 6, 193-208

Flather, R.A., J.A. Smith, J.D. Richards, C. Bell, and D.L. Blackman, 1998b: Direct estimates of extreme storm surge elevations from a 40 year numerical model simulation and from observations. Global Atm. Oc. System, 6, 165-176

Grossmann, I., K. Woth and H. von Storch, 2006: Localization of global climate change: Storm surge scenarios for Hamburg in 2030 and 2085. submitted

Günther, H., W. Rosenthal, M. Stawarz, Carretero, J.C., M. Gomez, I. Lozano, O. Serano and M. Reistad, 1998: The wave climate of the Northeast Atlantic over the period 1955-1994: The WASA wave hindcast. Global Atm. Oc. System,6, 121-163

Kalnay, E., M. Kanamitsu, R. Kistler, W. Collins, D. Deaven, L. Gandin, M. Iredell, S. Saha, G. White, J. Woollen, Y. Zhu, M. Chelliah, W. Ebisuzaki, W. Higgins, J. Janowiak, K.C. Mo, C. Ropelewski, J. Wang, A. Leetmaa, R. Reynolds, R. Jenne and D. Joseph, 1996: The NCEP/NCAR 40-Year Reanalysis Project. Bulletin of the American Meteorological Society, Vol. 77, No. 3, 437-471

Langenberg, H., A. Pfizenmayer, H. von Storch and J. Sündermann, 1999: Storm related sea level variations along the North Sea coast: natural variability and anthropogenic change.- Cont. Shelf Res. 19: 821-842

Lowe, J.A., and J.M. Gregory, 2005: The effects of climate change on storm surges around the United Kingdom. Phil. Trans. R. Soc. A 363: 1313-1328. DOI:10.1098/rsta.2005.1570

Lowe, J.A., J.M. Gregory and R.A. Flather, 2001: Changes in the occurrence of storm surges in the United Kingdom under a future climate scenario using a dynamic storm surge model driven by the Hadley center climate models, Clim. Dyn., 18: 197 ? 188.

Räisänen, J., U. Hansson, A. Ullerstig, R. Döscher, L.P. Graham, C. Jones, H.E.M. Meier, P. Samuelsson, and U. Willén, 2004: European climate in the late twenty-first century: regional simulations with two driving global models and two forcing scenarios. Climate Dyn., 22:13-31, doi:10.1007/s00382-003-0365-x.

Soares, C.D., R. Weisse, J.C. Carretero and E. Alvarez, 2002: A 40 year hindcast of wind, sea level and waves in European waters. Proceedings of the 21st International Conference on Offshore Mechanics and Artic Engineering, Oslo, Norway, American Soc. of Mechanical Engineers, OMAE 2002-28604.

Sterl, A., G. Komen and P.D. Cotton, 1998: Fifteen years of global wave hindcasts using winds from the European Centre for Medium Range Weather reanalysis: Validating the reanalyzed winds and assessing the wave climate. J. Geophys Res. 103, C3, 5477 ? 5492

Weisse, R. and A. Plüß, 2005: Storm related sea level variations along the North Sea Coast as simulated by a high-resolution model 1958-2002, Ocean Dynamics, DOI: 10.1007/s10236-005-0037-y

Weisse, R., H. von Storch and F. Feser, 2005: Northeast Atlantic and North Sea storminess as simulated by a regional climate model 1958-2001 and comparison with observations. J. Climate 18, 465-479

Weisse, R. and H. Günther, 2006: Wave climate and long-term changes for the Southern North Sea obtained from a high-resolution hindcast 1958-2002, Ocean Dynamics, submitted.

Woth, K., R. Weisse and H. von Storch, 2005: Dynamical modelling of North Sea storm surge extremes under climate change conditions - an ensemble study. Ocean Dyn. DOI 10.1007/s10236-005-0024-3

Woth K., 2005: Projections of North Sea storm surge extremes in a warmer climate: How important are the RCM driving GCM and the chosen scenario? Geophys Res Lett: 32, L22708, doi: 10.1029/2005GL023762