Einfluss des Windschub-Koeffizienten bei der Modellierung von Sturmhochwässern

Bei hydrodynamischen Simulationen repräsentiert der Windschub-Koeffizient den Einfluss der Rauheit der Meeresoberfläche. Der Parameter ist eng verknüpft mit den lokalen Seegangbedingungen, welche nicht immer nur durch den lokalen Wind bestimmt sind. Aufgrund von Unsicherheiten über Veränderungen des Windschub-Koeffizienten bei Stürmen sind präzise Modell-Vorhersagen von Sturmhochwassern an der Küste nach wie vor schwierig. Konventionelle Formulierungen des Windschub-Koeffizienten, die nur als Funktion der Windgeschwindigkeit definiert sind, können daher zu Ungenauigkeiten bei der Modellierung von Sturmhochwassern führen.

Beziehungen zwischen Windschub-Koeffizient und Windgeschwindigkeit

Beziehungen zwischen Windschub-Koeffizient und Windgeschwindigkeit. © G. Bruss, FTZ.

Projektlaufzeit: 2009 (1 Jahr)

In dieser Studie wird mit einem Ostseemodell auf Grundlage der MIKE-Modellfamilie des Danish Hydraulic Institute (DHI) die Variation des Windschub-Koeffizienten unter Sturmbedingungen analysiert. Dazu wurde ein 3D-Strömungsmodell sequenziell mit einem spektralen Seegangsmodell gekoppelt. Die aktiven Windschubspannungen wurden iterativ im Seegangsmodell berechnet und im Strömungsmodell als Antrieb an der freien Oberfläche direkt angesetzt.

Das Prinzip der iterativen Bestimmung der Oberflächen-Schubspannungen basiert auf der “wind over waves coupling theory” von Janssen (1989, 1991). Mit dem gekoppelten Verfahren wurden Simulationen von ca. 30 extremen synthetischen Sturmszenarien durchgeführt. Daraus wurden ca. 200 Millionen Werte für den Windschub-Koeffizienten bestimmt.

Die Ergebnisse zeigen eine hohe Variabilität des Windschubes für Windgeschwindigkeiten unter 30m/s. Für höhere Windgeschwindigkeiten wird eine Aufteilung der Windschub-Werte in einen aufsteigenden und einen abfallenden Ast beobachtet. Dieses Phänomen hängt vornehmlich mit Wellenbrechen im Tiefwasser zusammen. Der Vorteil der vorgeschlagenen Methode liegt in der Unabhängigkeit von windbezogenen empirischen Formulierungen mit begrenzter Gültigkeit und in der Berücksichtigung lokaler und temporärer Effekte wie Fetchlänge und Seegangsalter. Der Vergleich berechneter und gemessener Wasserstände bei einem Sturm im Februar 2002 belegt die Eignung des Verfahrens.

Forschungsabteilung:

Koordination:

  • Prof. Dr. R. Mayerle

Mitarbeiterinnen & Mitarbeiter:

  • G. Bruss