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

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because weather reports which had been traditionally provided by manned lightships in the German Bight meanwhile had been replaced by automated monitoring systems.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.

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.