Die Deutsche Bucht: mögliche Zukünfte im Klimawandel
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Numerische Modellierung DOI: 10.23784/HN118-02
Die Deutsche Bucht:
mögliche Zukünfte im Klimawandel
Ein Beitrag von CAROLINE RASQUIN
Meeresspiegel, Meteorologie, Topographie des Wattenmeers, binnenseitiger Abfluss
in die Ästuare: All dies wird durch den Klimawandel beeinflusst. Und das nicht einzeln
nacheinander, sondern alles parallel auf unterschiedlichen Zeitskalen, weil alles mit
allem zusammenhängt. Wir wagen einen Blick in die Zukunft und zeigen mit Hilfe von
numerischen Modellen, was uns in der Deutschen Bucht erwarten könnte.
numerische Modellierung | Klimawandel | Meeresspiegelanstieg | Wattenmeerentwicklung | Deutsche Bucht
numerical modelling | climate change | sea level rise | tidal flat development | German Bight
Sea level, meteorology, topography of the Wadden Sea, inland runoff into the estuaries: all these are influ-
enced by climate change. And not one after the other, but all in parallel on different time scales, because
everything is connected to everything else. We dare to look into the future and, with the help of numeri-
cal models, show what could await us in the German Bight.
Autorin Im BMVI-Expertennetzwerk arbeiten seit 2016 sie- biete der Deutschen Bucht beinhalten. Im Gegen-
Caroline Rasquin ist wissen- ben Ressortforschungseinrichtungen und Fachbe- satz zu klassischen Wenn-Dann-Studien, bei de-
schaftliche Mitarbeiterin bei hörden des Bundesministeriums für Verkehr und nen zwischen Szenarien immer nur ein Parameter,
der BAW in Hamburg. digitale Infrastruktur (BMVI) verkehrsträgerüber- wie z. B. der Meeresspiegel, variiert wird, werden
greifend zusammen, um durch Klimaverände- bei dieser Vorgehensweise mehrere Parameter auf
caroline.rasquin@baw.de rungen und extreme Wetterereignisse bedingte einmal geändert. Das führt dazu, dass keine ein-
Betroffenheiten für Verkehr und Infrastruktur zu deutigen Rückschlüsse gezogen werden können,
bestimmen und beispielhaft Anpassungsoptio- welches Änderungssignal von welchem Parame-
nen zu entwickeln. Schwerpunkte der BAW (Bun- ter stammt. Die Änderungen liefern aber Hinweise
desanstalt für Wasserbau) liegen unter anderem über die Größenordnung möglicher zukünftiger
auf der Fragestellung, welche Änderungen von Entwicklungen. Auf diese Weise können kritische
Hydrodynamik und Sedimenttransport in den Punkte erkannt und bei Bedarf mögliche Anpas-
Küstenbereichen der Deutschen Bucht bei einem sungsmaßnahmen entwickelt werden. Die Infor-
Meeresspiegelanstieg zu erwarten sind und wel- mationen und Daten für die jeweiligen Szenarien-
che Folgen sich daraus für den Verkehrsträger Pakete wurden durch die Bundesbehörden BSH
Wasserstraße ergeben. Die im BMVI-Experten- (Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie),
netzwerk entwickelten Methoden und Verfahren DWD (Deutscher Wetterdienst), BfG (Bundesan-
sollen im DAS-Basisdienst »Klima und Wasser« der stalt für Gewässerkunde) und BAW zusammen er-
Deutschen Anpassungsstrategie in den Routine- arbeitet (Schade et al. 2020; BAW 2020a).
betrieb überführt werden. Untersucht werden charakteristische Jahre der
In vorangegangenen Studien, z. B. KLIWAS (BAW Zeitscheiben »Referenz« (1971 bis 2000), »nahe Zu-
2015), ProWaS (BAW 2018), wurden bereits zahlrei- kunft« (2031 bis 2060) und »ferne Zukunft« (2071
che an der Küste vom Klimawandel beeinflusste bis 2100). Als Klimaszenario wird das »Weiter-wie-
Komponenten (Meeresspiegelanstieg, Abfluss aus bisher«-Szenario RCP8.5 verwendet. Die charakte-
den Flüssen, Meteorologie) einzeln untersucht. Im ristischen Jahre sollen möglichst typische Verhält-
BMVI-Expertennetzwerk kombinieren wir die ein- nisse der jeweiligen Zeitscheibe abbilden.
zelnen Sensitivitätsstudien und untersuchen, wie Für die Untersuchungen wird ein hydrodyna-
eine mögliche Zukunft aussehen kann, in der die misch-numerisches Modell verwendet. Das Mo-
zu erwartenden Veränderungen zusammenspie- dell basiert auf dem hydrodynamisch-numeri-
len. schen Verfahren UnTRIM² (Casulli 2008; Casulli und
Dafür werden unterschiedliche Szenarien-Pake- Stelling 2011), das die dreidimensionalen Flachwas-
te geschnürt, die jeweils mögliche und plausible sergleichungen und die dreidimensionale Trans-
zu erwartende Verhältnisse hinsichtlich des Wind- portgleichung für Salz, Schwebstoffe und Wärme
klimas, des binnenseitigen Abflusses in die Ästua- auf einem orthogonalen, unstrukturierten Gitter
re, des Meeresspiegelanstiegs, des Salzgehalts in löst (Casulli und Walters 2000).
der Nordsee sowie der Topographie der Wattge- Das Modellgebiet umfasst die gesamte Deut-
16 Hydrographische Nachrichten
Numerische Modellierung
sche Bucht von den Niederlanden bis Dänemark
sowie die angrenzenden Ästuare von Elbe, Weser
und Ems mit den jeweiligen Nebenflüssen (Abb. 1).
Die Auflösung des Rechengitters ist räumlich va-
riabel mit einer Kantenlänge von 5 km am offenen
Seerand, 300 m im Küstenvorfeld und etwa 50 m
in den Ästuaren. Die verwendete Subgrid-Tech-
nologie ermöglicht in den küstennahen Bereichen
und in den Ästuaren eine detailliertere Darstellung
der Topographie (Sehili et al. 2014). In den hoch
aufgelösten Bereichen (z. B. dem Dollart, auf den
Watten oder der Elbmündung) liegt auf Subgrid-
Ebene eine Auflösung von etwa 10 bis 20 m vor.
Aufgrund der hohen Auflösung kann das Über-
fluten und Trockenfallen in der intertidalen Zone
gut reproduziert werden. Die hohe Auflösung des
Modells im küstennahen Bereich ist besonders bei
der Untersuchung von Meeresspiegelanstiegen
entscheidend (Rasquin et al. 2020).
Szenarien der Untersuchung
Abb. 1: Gebiet des Deutsche-Bucht-Modells der BAW (nach Rasquin et al. 2020)
Zur Steuerung des Deutsche-Bucht-Modells wer-
den Randdaten für den Wind, die binnenseitigen
Abflüsse, den Meeresspiegelanstieg, den Salzge- oder auch der Küstenlängstransport sowie der
halt in der Nordsee sowie die Topographie der Eintrag aus den Ästuaren. Ein Aufwachsen der
Wattgebiete benötigt. Diese Parameter werden Wattflächen kann den Auswirkungen eines Mee-
zu einzelnen Szenarien-Paketen kombiniert. Die resspiegelanstiegs auf die Tidedynamik teilweise
Randdaten für Wind, Abfluss und Salzgehalt stam- entgegenwirken (Wachler et al. 2020). Aufbauend
men aus gekoppelten Klimasimulationen und sind auf diesen Erkenntnissen werden für jeden ange-
somit in sich konsistent. nommenen Meeresspiegelanstieg Topographie-
Für den Meeresspiegel ist zukünftig mit einem szenarien entwickelt. Diese weisen einem Sze-
beschleunigten Anstieg zu rechnen (IPCC 2014, nario eine bestimmte Erhöhung der Watten zu.
2019). Die Bandbreite der möglichen Anstiegsra- Es wird hier vorausgesetzt, dass diese Erhöhung
ten ist groß. Basierend auf dem RCP8.5-Szenario geringer ausfällt als der dem Szenario zugehörige
wird exemplarisch im Szenario-Paket »Nahe Zu- Meeresspiegelanstieg. Die Rinnen im Wattgebiet
kunft« ein Meeresspiegelanstieg von 0,30 m und werden vertieft, da angenommen wird, dass etwa
im Szenario-Paket »Ferne Zukunft« ein Anstieg von 30 bis 40 % des zur Watterhöhung benötigten Ma-
0,80 m angenommen. Zusätzlich wird auch ein terials aus den Rinnen stammt. Die Vertiefung der
High-End-Szenario mit einem Anstieg um 1,74 m Rinnen wird prozentual vorgenommen. So wird er-
untersucht. reicht, dass tiefe Abschnitte stärker vertieft werden
Bei einem Anstieg des Meeresspiegels wird als flachere Übergänge zu den Wattflächen.
nicht nur die Tidedynamik beeinflusst, sondern Die hier getroffenen Annahmen werden verein-
auch die Topographie im Küstenbereich, da diese fachend für das gesamte Wattenmeer getroffen.
ein morphodynamisches Gleichgewicht mit den Es ist jedoch zu beachten, dass sich die morpholo-
hydrodynamischen Kräften anstrebt (Friedrichs gischen Reaktionen lokal sehr unterschiedlich aus-
2011). Die Wattflächen können bis zu einem gewis- prägen können. Zudem zeigen die Wasserstände
sen Grad des Meeresspiegelanstiegs mitwachsen in der Elbe eine unterschiedliche Reaktion je nach-
(z. B. Becherer et al. 2018). Dies kann jedoch nur ge- dem, ob auch die Watten im Ästuar angehoben
schehen, wenn eine ausreichende Sedimentver- werden (BAW 2020b).
fügbarkeit gegeben ist. Sedimentquellen sind zum Die untersuchten Szenarien sind in Tabelle 1 auf-
Beispiel die Wattrinnen, Sandbänke, Barriereinseln geführt.
Szenarienkürzel REF NZ30 FZ80 FZ174
Zeitscheibe bzw. Szenario Referenz Nahe Zukunft Ferne Zukunft Ferne Zukunft
Verwendeter Meeresspiegelanstieg 0m 0,30 m 0,80 m 1,74 m
Verwendetes Topographieszenario Keine Änderung Watten um 0,20 m Watten um 0,50 m Watten um 0,65 m
erhöht, Rinnen um erhöht, Rinnen um erhöht, Rinnen um
4 % vertieft 11 % vertieft 14 % vertieft
Tabelle 1: Untersuchte Szenarien mit verwendeten Meeresspiegelanstiegen und Topographieszenarien
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Numerische Modellierung
Analyse und Ergebnisse dargestellt. Es ist jeweils der Referenzzustand
Für jedes der Szenarien-Pakete wird ein hydrologi- (kein Meeresspiegelanstieg und keine topogra-
sches Jahr (1. November bis 31. Oktober) mit dem phischen Veränderungen) gezeigt sowie das Sze-
Deutsche-Bucht-Modell simuliert. Die Ergebnisse nario FZ80 (siehe Tabelle 1). Eine Erhöhung der
können je nach Forschungsfrage auf verschiedene Wasserstände kann vielerlei Auswirkungen haben.
Arten analysiert werden. Es können sowohl tide- An der Küste Norddeutschlands und in den Ästua-
abhängige als auch tideunabhängige Kennwer- ren wird das Hinterland über Siele entwässert, was
te erstellt werden (BAWiki 2021). Dabei kann der größtenteils im Freispiegelgefälle erfolgt. Steigen
Analysezeitraum das gesamte hydrologische Jahr, die Außenwasserstände durch den Klimawandel
einzelne Spring-Nipp-Zyklen oder auch einzelne deutlich an, wird das Entwässerungsfenster (der
Ereignisse umfassen. Zeitraum, in dem der Wasserstand vor dem Deich
Bei der Interpretation der Ergebnisse muss stets niedriger ist als im Siel hinter dem Deich) deutlich
bedacht werden, dass es sich um Szenarien han- kleiner. Im Extremfall muss mit Pumpen entwäs-
delt und die Ergebnisse keine Prognosen für ein sert werden. Auch können erhöhte Wasserstände
bestimmtes zukünftiges Jahr darstellen. Die Mo- eine Herausforderung für den Küstenschutz dar-
dellsimulationen liefern unter den angenomme- stellen.
nen Randbedingungen belastbare Aussagen und Durch einen Anstieg des Meeresspiegels än-
können somit Anhaltspunkte zu möglichen Ent- dern sich nicht nur die Wasserstände, sondern die
wicklungen geben. Die Ergebnisse sind in einem Tidedynamik insgesamt. Zum Beispiel wird auch
Bildatlas veröffentlicht (BAW 2020a). An dieser Stel- das Verhältnis zwischen Flut- und Ebbestrom-
le sollen einige ausgewählte Ergebnisse vorgestellt geschwindigkeit beeinflusst. Eine damit verbun-
werden. dene Auswirkung kann ein erhöhter Eintrag von
Durch einen Anstieg des Meeresspiegels wer- Feinsedimenten in die Ästuare sein. Falls sich die
den sich Tidehoch- und Tideniedrigwasser erhö- Wassertiefe aufgrund eines erhöhten Sediment-
hen. Diese Entwicklung ist in Abb. 2 und Abb. 3 imports stärker verringert als sie sich durch den
Abb. 2: Mittleres Tideniedrigwasser für die Szenarien REF und FZ80 (siehe Tabelle 1)
Abb. 3: Mittleres Tidehochwasser für die Szenarien REF und FZ80 (siehe Tabelle 1)
18 Hydrographische NachrichtenNumerische Modellierung Meeresspiegelanstieg vergrößert, muss mit er- Treibhausgasemissionen ist daher auch für den höhten Baggermengen gerechnet werden. Auch Erhalt der Wattflächen sehr wichtig. Maßnahmen, verlagert sich die Brackwasserzone (Bereich, in die ein Aufwachsen der Watten bei einem be- dem sich Süß- und Salzwasser mischen) im Ästuar schleunigten Anstieg des Meeresspiegels fördern, stromauf. Dies hat unter anderem Folgen für die können unterstützend wirken. Bewässerung. Wie zuvor beschrieben, wird jedem Szenario Fazit eine Topographieannahme entsprechend des Die hier vorgestellten Untersuchungen zeigen, bis zur nahen bzw. fernen Zukunft angenomme- wie ein hochaufgelöstes hydrodynamisch-nume- nen Meeresspiegelanstiegs zugeordnet. Diese risches Modell genutzt werden kann, um verschie- unterliegen der Annahme, dass die Wattflächen dene Szenarien unter den angenommenen Rand- ab einer bestimmten Meeresspiegelanstiegsrate bedingungen zu simulieren. Die Ergebnisse sind nicht mehr Schritt halten können. Anhand der keine Prognosen, sondern stellen ausgewählte Entwicklung der mittleren Überflutungsdauer (aber dennoch plausible) mögliche Zukünfte dar. lässt sich die Aussage treffen, dass unter den ge- Trotz aller Unsicherheiten liefern die Ergebnisse troffenen Annahmen die Zeit, in der die Watt- Hinweise, in welcher Größenordnung die Verän- flächen pro Tide trockenfallen, zukünftig abneh- derungen durch den Klimawandel liegen können. men wird. Ergebnisse dieser Art können uns helfen, Anpas- Die Wattflächen im Wattenmeer sowie in den sungsmaßnahmen an die zu erwartenden Verhält- Mündungsbereichen der Ästuare haben eine nisse zu entwickeln. dämpfende Wirkung auf die Tideenergie. »Ertrin- Die Wirksamkeit solcher Maßnahmen kann ken« die Wattflächen, hat dies Auswirkungen auf wiederum mit numerischen Modellen überprüft den Küstenschutz und die Tidedynamik in den werden, um passende Maßnahmen ausfindig zu Ästuaren. Aber auch der einzigartige Lebensraum machen und diese bei Bedarf rechtzeitig umzu- Wattenmeer ist bedroht. Die Reduzierung von setzen. // Literatur BAW (Hrsg.) (2015): BAWBildatlas. Ergebnisse aus KLIWAS und equations. International Journal of Numerical Methods in KLIMZUG-NORD – Band 2. BAW; https://izw.baw.de/e- Fluids; DOI: 10.1002/(SICI)1097-0363(20000215)32:33.0.CO;2-C BAW (Hg.) (2018): BAWBildatlas. Eine Sensitivitätsstudie vor Friedrichs, Carl T. (2011): 3.06-Tidal Flat Morphodynamics. A dem Hintergrund des Klimawandels. BAW; https://hdl. Synthesis. Virginia Institute of Marine Science, Gloucester handle.net/20.500.11970/105573 Point, VA, USA, S. 137–170 BAW (Hrsg.) (2020a): BAWBildatlas. Darstellung möglicher IPCC (2014): Climate Change 2014: Synthesis Report. Zukünfte im Klimawandel. Behördenübergreifende Contribution of Working Groups I, II and III to the Fifth Simulationen im BMVI-Expertennetzwerk. BAW; https://hdl. Assessment Report of the Intergovernmental Panel on handle.net/20.500.11970/107308 Climate Change. IPCC; Genf BAW (Hrsg.) (2020b): BAWBildatlas. Sturmflutereignisse in der IPCC (2019): IPCC Special Report on the Ocean and Tideelbe. Eine Sensitivitätsstudie zu Meeresspiegelanstieg Cryosphere in a Changing Climate. IPCC, Genf und Topographieänderung der Wattflächen Rasquin, Caroline; Rita Seiffert et al. (2020): The significance BAWiki (2021): Analyse der Berechnungsergebnisse; of coastal bathymetry representation for modelling the https://wiki.baw.de/de/index.php/Analyse_der_ tidal response to mean sea level rise in the German Bight. Berechnungsergebnisse Ocean Science; DOI: 10.5194/os-16-31-2020 Becherer, Johannes; Jacobus Hofstede et al. (2018): The Schade, Nils H.; Sabine Hüttl-Kabus et al. (2020): Wadden Sea in transition – consequences of sea level rise. Klimaänderungen und Klimafolgebetrachtungen für das Ocean Dynamics; DOI: 10.1007/s10236-017-1117-5 Bundesverkehrssystem im Küstenbereich. Schlussbericht Casulli, Vincenzo (2008): A high-resolution wetting and drying des Schwerpunktthemas »Fokusgebiete Küsten« (SP-108) algorithm for free-surface hydrodynamics. International im Themenfeld 1 des BMVI-Expertennetzwerks Journal of Numerical Methods in Fluids; DOI: 10.1002/fld.1896 Sehili, Aissa; Günther Lang; Christoph Lippert (2014): High- Casulli, Vincenzo; Guus Stelling (2011): Semi-implicit subgrid resolution subgrid models. Background, grid generation, modelling of three-dimensional free-surface flows. and implementation. Ocean Dynamics; DOI: 10.1007/s10236- International Journal of Numerical Methods in Fluids; DOI: 014-0693-x 10.1002/fld.2361 Wachler, Benno; Rita Seiffert et al. (2020): Tidal response to sea Casulli, Vincenzo; Roy A. Walters (2000): An unstructured grid, level rise and bathymetric changes in the German Wadden three-dimensional model based on the shallow water Sea. Ocean Dynamics; DOI: 10.1007/s10236-020-01383-3 HN 118 — 02/2021 19
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