Klimawandel, Sturmfluten und Küsten der Nordsee. Hans von Storch; Institut für Küstenforschung, GKSS Forschungszentrum, Geesthacht; und Meteorologisches Institut, Universität Hamburg

Hans von Storch Klimaforscher Spezialgebiet: Küstenklima, also Windstürme, Sturmfluten, Seegang, Nordsee, Nordatlantik Kooperation mit Sozialwissenschaftlern

Küstenforschung GKSS, Geesthacht Beschreibung und Bewertung von gegenwärtigem Klima und Klimawandel im Küstenraum. Ableitung von Szenarien des möglichen zukünftigen Klimawandels im Küstenraum. Besonderes Augenmerk: Windbezogene Aspekte, also Windkraft, Sturmfluten und Seegang. Vor allem: Nord- und Ostsee.

Klima, Küstenklima Klima ist die Statistik des Wetters, nicht “durchschnittliches Wetter” (gibt’s nicht). Alle „Wetter“variablen - in Atmosphäre, Ozean und anderen Klimakomponenten. Besonderes Interesse: Variablen und Kennstatistiken mit Bedeutung für Gesellschaft. Küsten: Wind, Seegang, Wasserstand, und deren Extreme.

Windklimaänderungen Schwierig festzustellen, weil die Messmethoden sich ändern. (Früher: subjektiv visuell, heute instrumentell) Schwierig festzustellen, weil die unmittelbare Umgebung von Bedeutung ist. Fast alle langen Winddatensätze sind inhomogen, d.h. spiegeln nicht nur Änderungen des Windklimas wieder sondern auch andere Faktoren (Beobachtungsmethode & - dichte, lokale Änderungen)

Gemessene Starkwinde in Norddeutschland Janna Lindenberg, Gudrun Rosenhagen (DWD)

Scheinbare Änderungen der Sturmstatistik 10-jährige Mittel der jährlichen Häufig-keiten von Starkwind-ereignissen (Wind-stärken von mehr als 7) in Hamburg. Scheinbare Änderungen der Sturmstatistik

Der Anstieg von durch extremes Wetter verursachten Schäden ist massiv – aber ist dieser Anstieg auf schlechteres Wetter zurückzuführen? Verluste im Zusammenhang mit atlantischen Hurrikanen Eher nicht “Great Miami”, 1926, Florida, Alamaba – Schäden von 2005 Kapital - in 2005 Werten: 139 b$ Katrina, 2005: 81 b$ Pielke, Jr., R.A., Gratz, J., Landsea, C.W., Collins, D., Saunders, M., and Musulin, R., 2008. Normalized Hurricane Damages in the United States: 1900-2005. Natural Hazards Review

Überblick: 28 Thesen Naturwissenschaftliche Einschätzung des menschgemachten Klimawandels – global Naturwissenschaftliche Einschätzung des menschgemachten Klimawandels – regional Reaktionsmöglichkeiten – Anpassung und Verminderung

Naturwissenschaftliche Einschätzung des menschgemachten Klimawandels – global Das Klima ist veränderlich; es wirken natürliche Faktoren und menschgemachte Faktoren Der wichtigste menschgemachte Faktor ist die erhöhte Gegenwart von strahlungsaktiven Gasen, den so genannten Treibhausgasen, in der Atmosphäre. Diese Treibhausgase werden durch vielfältige menschliche Aktivität freigesetzt und nur langsam wieder aus der Atmosphäre entfernt. Erhöhte Konzentrationen von Treibhausgasen in der Atmosphäre führen zu einer Erwärmung. Neben der Wirkung auf die Temperatur und unmittelbar damit zusammenhängenden Eigenschaften sind die Veränderungen anderer Klimavariablen räumlich uneinheitlich.

Einschätzung: Globale Erwärmung real? Die Klimaforschungs-Gemeinschaft ist sehr weitgehend davon überzeugt, dass die derzeitig beobachteten Veränderungen des Klimas weitgehend (ca. 2/3) auf den menschlichen Einfluss zurück geht.

Naturwissenschaftliche Einschätzung des menschgemachten Klimawandels – global Die Ansichten darüber, inwieweit wir derzeit verstärkte oder vermehrte Extremereignisse (also etwa Windstürme, Starkniederschläge) sehen, ist gespalten. Beschreibungen der Zukunft sind keine Vorhersagen, sondern alternative Szenarien, deren Wahrscheinlichkeit nicht angegeben werden kann. Sie sind keine Vorhersagen sondern hängen davon ab, wie sich die Emissionen zukünftig entwickeln. Sie stimmen jedoch alle darin überein, dass die Temperaturen und die mittleren Wasserstände steigen.

Einschätzung: IPCC Berichte zutreffend? Die Einsichten der Klimaforschung werden in den IPCC-Berichten (Intergovernmental Panel on Climate Change, in der Öffentlichkeit bisweilen als „Klimarat der UN“ bezeichnet) gut zusammengefasst.

Regionale Entwicklung der Temperatur und Sturmtätigkeit Temperaturen in Norddeutschland sind in den letzten Jahrzehnten gestiegen. Sturmtätigkeit hat von Jahrzehnt zu Jahrzehnt geschwankt, aber auf längere Sicht fast unverändert seit 1800. Lund und Stockholm

Air pressure-based storm proxies for … low values – less storms … NW, N and C Europe Matulla, C., W. Schöner, H. Alexandersson, H. von Storch, and X.L. Wang, 2007: European Storminess: Late 19th Century to Present, Climate Dynamics DOI 10.1007/s00382-007-0333-y … East Canada high values – less storms Matulla, C., and H. von Storch, 2008: Changes in Eastern Canadian Storminess since 1880. submitted

Wasserstand in der Nordsee Wasserstandsschwankungen – Jahresmittel der Tidenhochwasser und jährliches 99%-til der Tidenhochwässer relativ zum Jahresmittel Derzeitige Veränderungen des mittleren Wasserstands in der Nordsee unklar, da lokale Wasserstandsreihen von verschiedenen nichtklimatischen Faktoren abhängen 45 min‘s · Ideally a review of the methods employed in your field to detect and analyze change and feedbacks, finishing off with what the state of the art is in the methods and suggestions for newer methods that might be transferable to hydrologic extremes · We are most interested in the methods you employ rather than a possible synthesis with hydrology · Summarize the challenges you are facing detecting and analyzing change and feedbacks and assigning causality to them

Case of German Bight Coastal gauges Island gauges Change of regional sea level and of tidal range in the North Sea – at most locations, data inhomogenous because of ubiquitous water works in harbours along the coast. One exception is “Norderney”, where the “Forschungsstelle” is situated. It shows: A monotonous increase of both mean high tide levels, low tide levels, and of the mean tidal range. Sea level rise amount to about 20 cm/100 years without acceleration. Coastal gauges Island gauges H.-D. Niemeyer, Norderney, pers. comm

Sturmfluten in der Elbe Vergangenheit

Hamburg – storm surges

Sturmfluten in der Elbe Vergangenheit Differenz Scheitelhöhen Hamburg - Cuxhaven Sturmfluten in der Elbe deutlich erhöht seit 1962 – aufgrund wasserbaulicher Maßnahmen, vor allem wegen der Verkürzung der Deichlinie

Stürme in Klimamodellen Simulation mit TRIM Modell Globales Geschehen Dynamisches Downscaling Pegel St. Pauli Empirisches Downscaling Zusammenarbeit u. a. mit BAW, BSH, ALR Husum, FSK Norderney, Hamburg Port Authority u.a.

Extreme wind speeds over sea – simulated and recorded observed These plots are the quantile-quantile diagrams (REMO & NCEP Vs Observations) for 10-m wind speed at 2 buoys station. The first one is an Atlantic offshore buoy (ZBGSO, located at 48.7N,12.40W), already assimilated by NCEP. The second one shows results from a Mediterranean buoy (ZATOS, located at 39.96N, 24.72E, Aegean Sea), whose data have NOT been previously assimilated by NCEP.

Stormcount 1958-2001 C/year erste Phase bis ca. 1990 zweite Phase ab ca. 1990 Weisse , et al., 2005, Journal of Climate Linearer Trend Stuerme in Anzahl/Jahr ermittelt fuer den Zeitraum 1958-2001.  alle Stuerme >= Bft 8 (17.2m/s)   Relativer Trend, d.h. Aenderungen relativ zum langjaehrigen Mittelwert. beachte, dass der bei schweren Stuermen oft nur 1-3 betraegt. Signifikanz wurde mit Hilfe Mann-Kendall Test getestet. Da wo die Nullhypothese "kein Trend" mit 5% Irrtumswahrsch. verworfen werden muss wurde das 95% Konfidenzintervall "D" fuer den Trend "x" geplottet (x-D <= x <= x+ D) C/year

Trends jährliche Perzentile von surge heights 1958-2002 Trends jährliche Perzentile von surge heights Mittlere THWs Weisse & Plüß, 2005 1958-2002 Sturmanteile

Szenarien für Norddeutschland Szenarien für Norddeutschland (gerundet): 2030: Temperaturen +1 ±0.4 Grad; Starkwind +2%±1% (Winter); Niederschlag –10% Sommer, +10% Winter (±5%); 2085: Temperaturen +3 ±1.2 Grad; Starkwind +8%±4%; (Winter) Niederschlag –30% Sommer, +30% Winter (±10%);

A2 - CTL: changes in 99 % - iles of wind speed (6 hourly, DJF): west wind sector selected (247.5 to 292.5 deg) HIRHAM RCAO Scenarios for 2085 Woth, personal communication

Systematische Konkretisierung Statt Beobachtungsdaten: Hochauflösender BAW-Hindcast der Wasserstände der letzten Dekaden: TELEMAC, (HIPOCAS; 1958 – 2004) Transferfunktion: Hindcast Nordsee > Hindcast Küstennahe Punkte TELEMAC Woth, 2007 TELEMAC (BAW): bis 80 * 80 m, unregelmäßiges Gitter TRIMGEO: ca. 10 km * 10 km Gitter

Δ wind effect, 99.5%-ile [m], Ensemble A2, B2 SRES “Localisation”: From the 10 m line to the shore Change of winter 99.5%ile of wind and air pressure related water levels (6 hourly data) in 2085 Dagebüll Husum Δ wind effect, 99.5%-ile [cm] +increase MSL low_res high_res max mean Estimated with a regression model, trained with high resolution hindcast. high_res + ca. 10 % min low_res Assumed increase in MSL in 2085: 30 cm

IPCC-Szenarien von Anstieg mittlerer Wasserstand [m]

Sturmfluthöhen in Cuxhaven und Hamburg Ohne Landhebung/senkung, morphologische Veränderungen!

2 x am Tag …?

Bei einer schweren Sturmflut …?

Strategies (IPCC Definition) From: H-D. Niemeyer, Lower Saxony Water Management, Coastal Defence and Nature Conservation Agency – Coastal Research Station

Chancen durch das Tideelbekonzept

Dyke overtopping tolerance Currently overtopping tolerances: 3% of all – Lower Saxony 2 l/(m∙s) – Masterplan Schleswig-Holstein 0,1-1,0 l/(m∙s) – The Netherlands Results of overtopping test in Delfzijl/NL No damage up to 50 l / (m ∙ s) No severe damage at 50 l (m ∙ s) after artificial damage still functioning Niemeyer & Kaiser 2008, NLWKN

at mid-latitudes (e.g., North Sea, Baltic Sea, Adriatic, Irish Sea …) Storm surges are a global phenomenon – in regions, where strong storms happen at mid-latitudes (e.g., North Sea, Baltic Sea, Adriatic, Irish Sea …) in the tropics where typhoons emerge. Münchner Rück

The present vulnerability is further increased by the political-economic development (globalization, urbanization, migration), independent of ACC.

Storm Nargis Tropical storms surges: typical spatial scale of storm 500-1000 km; amplitude up to 7-8 m; 200 km coast line affected; several hours up to half a day (Gönnert et al., 2001)

Tracks 1980-2005 Two scientific tasks: operational forecasting determining present risk, present change of risk and possible future risk Tracks 1980-2005

Die Sünder, der Sturm und die Strafe. Rungholt in 2070?

Wenn wir über Klimawandel und Sturmfluten denken und sprechen, dann müssen wir berücksichtigen: Wir sind Teil einer Kultur, die Vorstellungen über Klima und über Wetterrisiken (Sturmfluten) konstruiert und tradiert. Daher sind gewisse Erklärungen a-priori in der öffentlichen Wahrnehmung richtig, weitgehend unabhängig von der Tatsachenlage.

Diese kulturell konstruierten Wahrheiten sind: Die Natur schlägt zurück, wenn sie zu sehr vom Menschen gequält wird. Sie schlägt zurück mit Extremereignissen. Extremereignisse sind Zeichen an der Wand und mahnen zur Umkehr. Ohne moralische Umkehr nehmen die Extremereignisse zu, siehe (a).

Damit ist der Untergang Rungholts eine Mahnung für uns – um diesem Schicksal zu entgehen müssen wir (umwelt)gerechter leben. In der Logik unserer Kultur richtig, im Lichte naturwissenschaftlichen Fakten keine sinnvolle Deutung. Trotzdem sollten wir umweltgerechter leben, aber das allein bewahrt uns nicht vor dem Schicksal Rungholts.

Klima ist gefährlich – auch heute Stürme und Sturmfluten gehören zu Nordfriesland wie die Möwen. - und auch im Rahmen des heutigen Klimas sind wesentlich höhere Sturmfluten zwar sehr unwahrscheinlich aber dennoch möglich (+1 m?)