Advertisement

Deutsche Hydrografische Zeitschrift

, Volume 51, Issue 4, pp 385–405 | Cite as

Improvements of an empirical model to forecast wind surge in the German Bight

  • Sylvin H. Müller-Navarra
  • Harald Giese
Article

Summary

On the basis of a historical survey, it is demonstrated that over 75 years ago wind surge researchers had already identified the main physical processes involved and had developed operational water level forecasting methods. The forecasts were made on the basis of precise tidal predictions enabling the astronomical components to be extracted from the observed water levels. The first empirical formulae for the computation of wind surge in the German Bight were based exclusively on local wind conditions, applying a quadratic approach. Then, in the 60s, an old idea was revived and realised: that of analysing tides and wind surge simultaneously. An empirical wind surge formula for Cuxhaven taking into account not only wind and air pressure data but also air and water temperatures led to a substantial reduction of prediction errors. With increasing demands on accuracy, especially from shipping on the river Elbe, a further improvement was required. Existing approaches were re-examined and revised, and coefficient sets were calculated on the basis of data from the period 1988–1993. The new computation was required anyhow because weather reports which had been traditionally provided by manned lightships in the German Bight meanwhile had been replaced by automated monitoring systems. With an independent data set from the year 1994, it was possible to demonstrate a definite improvement over similar, older methods.

Keywords

Water Level German Bight Offshore Wind German Journal Onshore Wind 
These keywords were added by machine and not by the authors. This process is experimental and the keywords may be updated as the learning algorithm improves.

Verbesserung eines empirischen verfahrens zur vorhersage des windstaus in der Deutschen Bucht

Zusammenfassung

Mit einem historischen Abriβ wird deutlich gemacht, daβ die Windstauforschung bereits vor mehr als 75 Jahren die wesentlichen physikalischen Prozesse offengelegt und anwendungsreife Methoden der Wasserstandsvorhersage geschaffen hatte. Basis dafür waren genaue Gezeitenvorausberechnungen, mit denen die astronomischen Anteile aus den beobachteten Wasserständen extrahiert werden konnten. Die ersten empirischen Formeln zur Berechnung des Windstaus in der Deutschen Bucht berücksichtigten in einem quadratischen Ansatz lediglich die örtlichen Windverhältnisse. In den 60er Jahren wurde dann eine alte Idee verwirklicht, Gezeiten und Windstau gleichzeitig zu analysieren. Eine daraus abgeleitete empirische Windstauformel für Cuxhaven, die neben Wind und Luftdruck auch Luft- und Wassertemperaturen berücksichtigte, reduzierte den Vorhersagefehler nachhaltig. Weitergehende Anforderungen insbesondere der Schifffahrt auf der Elbe erforderten eine nochmalige Verbesserung. Die bisherigen Ansätze wurden überprüft und ergänzt, und Koeffizientensätze anhand von Daten aus dem Zeitraum 1988 bis 1993 berechnet. Die Neuberechnung war ohnehin erforderlich, da Wettermeldungen von den ursprünglich bemannten Feuerschiffen in der Deutschen Bucht mittlerweile durch automatische Meβsysteme ersetzt worden sind. Mit einem unabhängigen Datensatz des Jahres 1994 konnte eine deutliche Verbesserung gegenüber gleichartigen älteren Methoden nachgewiesen werden.

Preview

Unable to display preview. Download preview PDF.

Unable to display preview. Download preview PDF.

References

  1. Annutsch, R., 1976: Gezeitenforschung und ihre Anwendung. 28. April 1976, 22.40–23.10 Uhr, Funkuniversität, 81. Vortragsfolge: Ozeanographie, Red.: R. Kurzrock, 14 S., RIAS Berlin.Google Scholar
  2. Annutsch, R., 1977: Wasserstandsvorhersage und Sturmflutwarnung.Seewart,38, H. 5, 185–204. Hamburg.Google Scholar
  3. Anon., 1908: Gezeitentafeln für das Jahr 1909. Hrsg.: Reichs-Marine-Amt, Red.: Observatorium zu Wilhelmshaven. 322 S. Berlin: Mittler & Sohn.Google Scholar
  4. Backhaus, K., B. Erichsen, W. Pinke, Chr. Schucard-Ficher andR. Weiber, 1989: Multivariate Analysemethoden. 418 S. Berlin: Springer-Verlag.Google Scholar
  5. Borgen, C, 1884: Die harmonische Analyse der Gezeitenbeobachtungen. Ann. Hydrogr. u. marit. Meteorol. XII, 438–449, 499–510, 558–566, 615–622, 664–676. Berlin: Mittler & Sohn.Google Scholar
  6. Borgen, C, 1895: Beobachtungen der meteorologischen Station des Observatoriums der Kaiserlichen Marine in Wilhelmshaven. Erster Theil: Stünd liche Aufzeichnungen des Luftdrucks, der Windrichtung und der Windgeschwindigkeit während der Jahre 1889 bis 1893. 56 S. Berlin: Mittler & Sohn.Google Scholar
  7. Brocks, K. andL. Krügermeyer, 1970: The hydrodynamic roughness of the sea surface. Berichte des Instituts für Radiometeorologie und Maritime Meteorologie,14, 55 S. Hamburg.Google Scholar
  8. Bundesamt für Seeschiffahrt und Hydrographie, 1995: Gezeitentafel für das Jahr 1996. Europäische Gewässer. Nr. 2115, 218 S.Google Scholar
  9. Carlson, W. L. andB. Thorne, 1997: Applied Statistical Methods. For Business, Economics, and the Social Sciences. 1021 S. New Jersey: Prentice Hall.Google Scholar
  10. Corkan, R. H., 1950: The levels in the North Sea associated with the storm disturbance of 8 January 1949. Phil. Trans. Roy. Soc. London, Ser. A, Math, and Phys. Sci.,242, No 853, 493–525.CrossRefGoogle Scholar
  11. Deutsches Hydrographisches Institut, 1953: Meeresk und liche Beobachtungen und Ergebnisse Nr.1, Beobachtungen auf den deutschen Feuerschiffen der Nord- und Ostsee im Jahre 1948. Hamburg.Google Scholar
  12. Deutsches Hydrographisches Institut, 1974: 27V28. Jahresbericht 1972/73. 158 S. Hamburg.Google Scholar
  13. Deutsches Hydrographisches Institut, 1966: Jahresbericht Nr. 20 für das Jahr 1965. 134 S. Hamburg.Google Scholar
  14. Dick, S., S. H. Müller-Navarra, E. Kleine, 1993: Das operationeile Modellsystem des BSH — Gegenwärtiger Stand und zukünftige Entwicklung.Mitt. Dt. Meteorol. Ges.,3, 6–13.Google Scholar
  15. Dietrich, G., 1953: Ozeanographisch-meteorologische Einflüsse auf Wasserstandsänderungen des Meeres am Beispiel der Pegelbeobachtungen von Esbjerg.Die Küste,2, 131–156. Heide i.H.Google Scholar
  16. Duensing, G., O. Höflich, L Kaufeld, H. Schmidt, G. Olbrück andB. Brandt, 1985: Meteorologische Untersuchungen über Stürme an der deutschen Nordseeküste. Deutscher Wetterdienst, Seewetteramt, Einzelveröff. Nr. 108. 57 S. Hamburg.Google Scholar
  17. Durbin, J. andG. S. Watson, 1951: Testing for serial correlation in least square regression. II. Biometrika,38, 159–178.Google Scholar
  18. Emery, W. J., R. E. Thompson, 1997: Data analysis methods in physical oceanography. 634 pp. Pergamon-Elsevier Science, Oxford.Google Scholar
  19. Gauss, C. F., 1823: Theoria combinationis observationum erroribus minimis obnoxiae, pars posterior. Commentationes societatis regiae scientiarum Gottingensis recentiores. Vol. 29–53. Gottingae MDCCCXXIII.Google Scholar
  20. Habich, W., 1967: On some methods to analyse tidal observations in shallow waters of the German Bight. Publication scientifique no 27 de l’Association internationale d’océanographie physique (A.I.O.P.). 127–132. UNESCO Paris.Google Scholar
  21. Hansen, W., 1952: Dynamische Ozeanographie, Triftstrom und Windstau. Landolt-Börnstein, 3, Astronomie und Geophysik, 482–486. Berlin: Springer-Verlag.Google Scholar
  22. Hansen, W., 1956: Theorie zur Errechnung des Wasserstandes und der Strömung in Randmeeren nebst Anwendungen.Tellus,8, 287–300.CrossRefGoogle Scholar
  23. Heaps, N. S., 1967: Storm Surges,Oceanogr. Mar. Biol. Ann. Rev.,5, 11–47, London.Google Scholar
  24. Honerkamp, J., 1990: Stochastische dynamische Systeme. Konzepte, numerische Methoden, Datenanalysen. 340 S. Weinheim: VCH.Google Scholar
  25. Horn, W., 1948: Über die Darstellung der Gezeiten als Funktion der Zeit.Dt. hydrogr. Z,1, 124–140. Hamburg.CrossRefGoogle Scholar
  26. Kaufeld, L, 1981: The development of a new Beaufort equivalent scale. Meteorol. Rdsch.,34, 17–23. Stuttgart: Gebr. Bornträger.Google Scholar
  27. Köppen, W., 1898: Neuere Bestimmungen über das Verhältnis zwischen der Windgeschwindigkeit und Beaufort’s Stärkeskala. Aus dem Archiv der Deutschen Seewarte XXI No. 5. Hamburg.Google Scholar
  28. Koopmann, G., 1962: Wasserstandserhöhungen in der Deutschen Bucht infolge von Schwingungen und Schwallerscheinungen und deren Bedeutung bei der Sturmflut vom 16./17. Februar 1962.Dt hydrogr. Z,15, 181–198.CrossRefGoogle Scholar
  29. Kunze, H. J., 1977: Gezeitenvorausberechnungen und Gezeitenrechenmaschinen.Seewart,38, H.4, 141–148. Hamburg.Google Scholar
  30. Lentz, H., 1873: Fluth und Ebbe des Meeres. 93 S. Hamburg: L. Friedrichsen & Co.Google Scholar
  31. Lentz, H., 1879: Fluth und Ebbe und die Wirkungen des Windes auf den Meeresspiegel. 230 S. Hamburg: Otto Meissner.Google Scholar
  32. Leverkinck, G., 1915: Über den Einfluβ des Windes auf die Gezeiten unter besonderer Berücksichtigung Wilhelmshavens und der Deutschen Bucht. Veröff. Kaiserl. Observ. Wilhelmshaven. 50 S. Berlin: Mittler & Sohn.Google Scholar
  33. Lubbock, J. W., 1831: On the tides in the port of London. Philos. Trans. Roy. Soc. London.Google Scholar
  34. Müller-Navarra, S. H. andN. Ladwig, 1997: Über Wassertemperaturen an deutschen Küsten.Die Küste,59, 1–26. Heide i. Holst.: Boyens & Co.Google Scholar
  35. Müller-Navarra, S. H. andH. Giese, 1997: Empirische Windstauformeln für die Deutsche Bucht. Deutsche IDNDR-Reihe,7, 37–41.Google Scholar
  36. Munkelt, K., 1959: Formeln zur harmonischen Analyse von Gezeitenerscheinungen, denen ein unbekannter Gang überlagert ist.Dt. hydrogr. Z,12,189–195. Hamburg.CrossRefGoogle Scholar
  37. Oberkommando der Kriegsmarine, 1936: 75 Jahre vom Hydrographischen Bureau des Königlich Preuβischen Marine-Ministeriums zur Nautischen Abteilung des Oberkommandos der Kriegsmarine 1861–1936. Berlin.Google Scholar
  38. Ortt, F.L., 1897: The effect of wind and atmospheric pressure on the tides.Nature,56, 80–84. London.Google Scholar
  39. Pansch, E., 1989: New harmonic tidal constants for some German North Sea stations.Dt. hydrogr. Z,42, 27–39.CrossRefGoogle Scholar
  40. Press, W. H., S. A. Teukolski, W. T. Vetterling, B. P. Flannery, 1992: Numerical recipes in FORTRAN. The art of scientific computing, 963 pp., Cambridge.Google Scholar
  41. Rauschelbach, H., 1924: Harmonische Analyse der Gezeiten des Meeres. Eine Weiterentwicklung des Börgenschen Verfahrens. Aus dem Archiv der Deutschen Seewarte XLII Nr. 1. 114 S. Hamburg.Google Scholar
  42. Rauschelbach, H., 1925: Die Sturmfluten der Nordsee und der Sturmflutwarnungsund Gezeitendienst der Deutschen Seewarte. In: Aus dem Arbeitsbereiche der Deutschen Seewarte in Hamburg. Die Förderung des Verkehrs. 48 S. Hamburg.Google Scholar
  43. Rodewald, M., 1968: Zur Frage der Böigkeit des Windes bei Sturmflut-Wetterlagen.Die Küste,16,1–32. Heide i. Holst.Google Scholar
  44. Röske, F., 1997: Sea level forecast using neural networks.Dt. hydrogr. Z,49, 71–99.Google Scholar
  45. Röske, F., 1998: Wasserstandsvorhersage mittels neuronaler Netze, Diss., Ber. d. Bundesamtes f. Seeschiff. u. Hydrogr.,15, 212 S.Google Scholar
  46. Savin, N. E. andK. J. White, 1977: The Durbin-Watson Test for serial correlation with extreme sample sizes or many regressors.Econometrics,45, 1989–1996.CrossRefGoogle Scholar
  47. Schalkwijk, W. F., 1947: A contribution to the study of storm surges on the Dutch coast. Mededeelingen en Verhandelingen B, No. 125, K.N.M.I. de Bilt. 111 pp.Google Scholar
  48. Schrodin, R. (Ed.): Quarterly Report of the Operational NWP-Models of the Deutscher Wetterdienst.11, DWD, Offenbach, 1997, pp. 1–66.Google Scholar
  49. Schulz, B., 1920: Die periodischen und unperiodischen Schwankungen des Mittelwasserstandes an der flandrischen Küste (Oktober 1915-September 1918). Aerologische und Hydrographische Beobachtungen der Deutschen Marine-Stationen während der Kriegszeit 1914–1918/1, 1–27. Hamburg: Deutsche Seewarte.Google Scholar
  50. Schultze, E., 1935: Die nichtperiodischen Einflüsse auf die Gezeiten der Elbe bei Hamburg. Aus dem Archiv der Deutschen Seewarte LIM /5, 68pp. Deutsche Seewarte, Hamburg.Google Scholar
  51. Siefert, W. andH. Christiansen, 1983: Entwicklung und Stand der Sturmflutvorhersasgen des Hamburger Sturmflutwarndienstes.Hamburger Küstenforschung,42, 41–110. Hamburg.Google Scholar
  52. Siefert, W., 1991: Über Eintrittswahrscheinlichkeiten von Windstau, Oberwasser und örtlichen Wind in einem Tidefluβ am Beispiel der Elbe.Die Küste,52, 171–190. Heide i. H.Google Scholar
  53. Storch, H. v. andA. Navarra, 1995: Analysis of Climate Variability. Applications of Statistical Techniques. 334 S. Berlin: Springer-Verlag.Google Scholar
  54. Storch, H. v. and F. W. Zwiers, 1999: Statistical Analysis in Climate Research. 484 pp, Cambridge Univ. Pr.Google Scholar
  55. Tang, Y. M., R. Grimshaw, B. Sanderson andG. Holland, 1996: A numerical study of storm surges, with application to the North Queensland coast.J. Phys. Oceanogr.,26, 2700–2711.CrossRefGoogle Scholar
  56. Theunert, F., 1985: Zum lokalen Windstau in Ästuarien bei Sturmfluten Numerische Untersuchungen am Beispiel der Unterelbe. Inst. f. Strömungsmech. u. Elektron. Rechnen im Bauwesen, Univ. Hannover, Ber. Nr. 15. 105 S.Google Scholar
  57. Thorade, H., 1923: Die Gezeiten der Sylter Gewässer nach den Beobachtungen im August 1921. Aus dem Archiv der Deutschen Seewarte XLI /2, 50pp. Deutsche Seewarte, Hamburg.Google Scholar
  58. Tomczak, G., 1949: Zur Frage des Luftdruckeinflusses auf den Wasserstand.Dt. hydrogr. Z,2, 130–133. Hamburg.CrossRefGoogle Scholar
  59. Tomczak, G., 1950: Die Sturmfluten vom 9. und 10. Februar 1949 an der deutschen Nordseeküste.Dt. hydrogr. Z,3, 227–240. Hamburg.CrossRefGoogle Scholar
  60. Tomczak, G., 1952a: Der Einfluβ der Küstengestalt und des vorgelagerten Meeresbodens auf den windbedingten Anstau, betrachtet am Beispiel der Westküste Schleswig-Holsteins.Dt. hydrogr. Z,5,114–131. Hamburg.CrossRefGoogle Scholar
  61. Tomczak, G., 1952b: Der Einfluβ der Küstengestalt und des vorgelagerten Meeresbodens auf den windbedingten Anstau des Wassers an der deutschen Nordseeküste zwischen Ems und Elbe.Dt. hydrogr. Z,5, 277–284. Hamburg.CrossRefGoogle Scholar
  62. Tomczak, G., 1953: Die Einwirkung des Windes auf den mittleren Wasserstand der Deutschen Bucht vom 15. Februar bis 6. März 1951.Dt. hydrogr. Z,6, 1–17. Hamburg.CrossRefGoogle Scholar
  63. Tomczak, G., 1954: Der Windstau-und Sturmflutwarndienst für die deutsche Nordseeküste beim Deutschen Hydrographischen Institut.Dt. hydrogr. Z,7, 35–41. Hamburg.CrossRefGoogle Scholar
  64. Tomczak, G., 1960: Über die Genauigkeit der Sturmflutvorhersage für die deutsche Nordseeküste.Dt. hydrogr. Z,13, 1–13. Hamburg.CrossRefGoogle Scholar
  65. Wolfram, St., 1991: MATHEMATICA. A system for doing mathematics by computer. 961 S. Addison-Wesley, Redwood City, California.Google Scholar

Copyright information

© Springer-Verlag 1999

Authors and Affiliations

  • Sylvin H. Müller-Navarra
    • 1
  • Harald Giese
    • 2
  1. 1.Bundesamt für Seeschiffahrt und HydrographieHamburg
  2. 2.Institut für Meereskunde der Universität HamburgHamburg

Personalised recommendations