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Impacts of climate change on hydrodynamic conditions and salinity of the Weser estuary
Küsten und Ästuare sind vom anthropogenen Klimawandel in besonderer Weise betroffen, da nicht nur die Änderungen der atmosphärischen Randbedingungen, sondern auch der Meeresspiegelanstieg sowie Änderungen im Abflussregime oder Intensivierung des Sturmflutklimas einen Einfluss haben. Daher ist die Untersuchung von benachbarten Systemen wie angrenzenden Schelfmeeren oder Einzugsgebieten ein integraler Bestandteil der Klimafolgenforschung in Ästuaren. Dies erschwert die Ableitung verlässlicher Projektionen, da es zu einer Kumulierung von Unsicherheiten aus den verschiedenen Ebenen der Untersuchung kommen kann.Diese Arbeit dient der Untersuchung von Klimafolgen im Hinblick auf hydrodynamische Bedingungen und Salzgehalte im Weserästuar. Das gewählte Impaktmodell ist ein 3D hydrodynamisches Ästuarmodell, welches auf einem semi-impliziten Finite Elemente Gleichungslöser beruht. Ein umfassender Vergleich mit Beobachtungsdaten zeigt, dass das Modell in der Lage ist, die komplexen hydrodynamischen Bedingungen sowie die Salzintrusion zu reproduzieren. Es erfolgt eine Quantifizierung von Unsicherheiten durch natürliche Variabilität, Modellparameter und Randbedingungen. Die Ergebnisse der Simulationen werden hinsichtlich Änderungen von Tidekennwerten und Partialtiden ausgewertet. Veränderungen des Salzgehaltes werden analysiert durch die instantane Intrusion von Isohalinen sowie durch ein empirisches Modell zur Beschreibung des tiefen- und tidegemittelten Salzgehaltes in Abhängigkeit von Position und Abfluss. Das Augenmerk liegt auf der Analyse der zugrundeliegenden physikalischen Prozesse. Die Hauptergebnisse werden zusätzlich separat für ausgewählte Schwerpunktregionen dargestellt. Eine Evaluierung bisheriger Studien zeigt, dass der Klimawandel das Weserästuar hauptsächlich über den Anstieg des mittleren Meeresspiegels beeinträchtigt. Andere mögliche Einflüsse aus benachbarten Systemen sind entweder im Bereich der heutigen natürlichen Variabilität einzuordnen (Sturmflutklima in der Nordsee und Abflussaus dem Einzugsgebiet), oder die Literatur zeigt keine übereinstimmenden Tendenzen (regionaler Meeresspiegelanstieg sowie Tidedynamik in der Nordsee). Ein Szenario mit mittlerer Konfidenz sowie ein High-end Szenario werden untersucht und mit Szenarien von menschlichen Eingriffen sowie Interaktionsszenarien zwischen beiden verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass der mittlere Meeresspiegelanstieg einen Anstieg des Tidehubs zur Folge hat. Durch Reduzierung des Wasservolumens in der Tidewechselzone ist dies mit einem Übergang zu einem eher flutdominierten äußeren Ästuar verbunden. Eine verstärkte Salzintrusion ist feststellbar.
Coasts and estuaries are especially impacted by the anthropogenic climate change, as they are not solely influenced by changes in atmospheric conditions, but also by a rise of mean sea level, changes in river runoff regimes and intensification of storm surges. Hence, an integral part in the investigation of climate change on estuaries is to assess impacts on adjacent systems such as coastal shelf seas and watersheds. This complicates deriving reliable projections as uncertainties from the different levels of the analysis may accumulate. In this thesis, impacts of climate change on hydrodynamic conditions and salinity of the Weser estuary, Germany, are investigated. The employed impact model is a 3D hydrodynamic estuary model which is based on a semi-implicit finite element solver. A comprehensive skill assessment shows the good ability of the developed model to reproduce the complex hydrodynamic conditions and the salt intrusion in the estuary. Uncertainty due to natural variability, model parameters and boundary conditions is evaluated and visualized. The results of the simulations are evaluated regarding changes of tidal characteristics and harmonic constituents. Changes of salinity are investigated based on instantaneous intrusion of isohalines and an empirical model to predict depth and tide averaged salinity depending on the location and the runoff. Emphasis is put on analysis of the underlying physical processes. Key results for special focus regions are presented separately for planners and decision makers. An evaluation of studies shows that climate change will impact the Weser estuary mainly by means of a mean sea level rise. A medium confidence and a high end scenario of mean sea level rise are investigated and additionally compared to two scenarios of human interventions and interactions of both. Other possible changes are either in the range of today's variability (North Sea storm surge climate, river runoff) or literature shows no agreeing projections (North Sea regional mean sea level change and tidal dynamics). The results show that the mean sea level rise leads to an increase of tidal range in the inner estuary. This is accompanied by a transition to more flood dominant current due to decreased intertidal storage volume in the outer estuary. An increase of salinity is observed.
Impacts of climate change on hydrodynamic conditions and salinity of the Weser estuary
Küsten und Ästuare sind vom anthropogenen Klimawandel in besonderer Weise betroffen, da nicht nur die Änderungen der atmosphärischen Randbedingungen, sondern auch der Meeresspiegelanstieg sowie Änderungen im Abflussregime oder Intensivierung des Sturmflutklimas einen Einfluss haben. Daher ist die Untersuchung von benachbarten Systemen wie angrenzenden Schelfmeeren oder Einzugsgebieten ein integraler Bestandteil der Klimafolgenforschung in Ästuaren. Dies erschwert die Ableitung verlässlicher Projektionen, da es zu einer Kumulierung von Unsicherheiten aus den verschiedenen Ebenen der Untersuchung kommen kann.Diese Arbeit dient der Untersuchung von Klimafolgen im Hinblick auf hydrodynamische Bedingungen und Salzgehalte im Weserästuar. Das gewählte Impaktmodell ist ein 3D hydrodynamisches Ästuarmodell, welches auf einem semi-impliziten Finite Elemente Gleichungslöser beruht. Ein umfassender Vergleich mit Beobachtungsdaten zeigt, dass das Modell in der Lage ist, die komplexen hydrodynamischen Bedingungen sowie die Salzintrusion zu reproduzieren. Es erfolgt eine Quantifizierung von Unsicherheiten durch natürliche Variabilität, Modellparameter und Randbedingungen. Die Ergebnisse der Simulationen werden hinsichtlich Änderungen von Tidekennwerten und Partialtiden ausgewertet. Veränderungen des Salzgehaltes werden analysiert durch die instantane Intrusion von Isohalinen sowie durch ein empirisches Modell zur Beschreibung des tiefen- und tidegemittelten Salzgehaltes in Abhängigkeit von Position und Abfluss. Das Augenmerk liegt auf der Analyse der zugrundeliegenden physikalischen Prozesse. Die Hauptergebnisse werden zusätzlich separat für ausgewählte Schwerpunktregionen dargestellt. Eine Evaluierung bisheriger Studien zeigt, dass der Klimawandel das Weserästuar hauptsächlich über den Anstieg des mittleren Meeresspiegels beeinträchtigt. Andere mögliche Einflüsse aus benachbarten Systemen sind entweder im Bereich der heutigen natürlichen Variabilität einzuordnen (Sturmflutklima in der Nordsee und Abflussaus dem Einzugsgebiet), oder die Literatur zeigt keine übereinstimmenden Tendenzen (regionaler Meeresspiegelanstieg sowie Tidedynamik in der Nordsee). Ein Szenario mit mittlerer Konfidenz sowie ein High-end Szenario werden untersucht und mit Szenarien von menschlichen Eingriffen sowie Interaktionsszenarien zwischen beiden verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass der mittlere Meeresspiegelanstieg einen Anstieg des Tidehubs zur Folge hat. Durch Reduzierung des Wasservolumens in der Tidewechselzone ist dies mit einem Übergang zu einem eher flutdominierten äußeren Ästuar verbunden. Eine verstärkte Salzintrusion ist feststellbar.
Coasts and estuaries are especially impacted by the anthropogenic climate change, as they are not solely influenced by changes in atmospheric conditions, but also by a rise of mean sea level, changes in river runoff regimes and intensification of storm surges. Hence, an integral part in the investigation of climate change on estuaries is to assess impacts on adjacent systems such as coastal shelf seas and watersheds. This complicates deriving reliable projections as uncertainties from the different levels of the analysis may accumulate. In this thesis, impacts of climate change on hydrodynamic conditions and salinity of the Weser estuary, Germany, are investigated. The employed impact model is a 3D hydrodynamic estuary model which is based on a semi-implicit finite element solver. A comprehensive skill assessment shows the good ability of the developed model to reproduce the complex hydrodynamic conditions and the salt intrusion in the estuary. Uncertainty due to natural variability, model parameters and boundary conditions is evaluated and visualized. The results of the simulations are evaluated regarding changes of tidal characteristics and harmonic constituents. Changes of salinity are investigated based on instantaneous intrusion of isohalines and an empirical model to predict depth and tide averaged salinity depending on the location and the runoff. Emphasis is put on analysis of the underlying physical processes. Key results for special focus regions are presented separately for planners and decision makers. An evaluation of studies shows that climate change will impact the Weser estuary mainly by means of a mean sea level rise. A medium confidence and a high end scenario of mean sea level rise are investigated and additionally compared to two scenarios of human interventions and interactions of both. Other possible changes are either in the range of today's variability (North Sea storm surge climate, river runoff) or literature shows no agreeing projections (North Sea regional mean sea level change and tidal dynamics). The results show that the mean sea level rise leads to an increase of tidal range in the inner estuary. This is accompanied by a transition to more flood dominant current due to decreased intertidal storage volume in the outer estuary. An increase of salinity is observed.
Impacts of climate change on hydrodynamic conditions and salinity of the Weser estuary
Zorndt, Anna (author)
2015
XXXII, 170 S., S. XXXIII-LXX
Ill., graph. Darst.
Theses
English
Investigating Impacts of Climate Change on the Weser Estuary
HENRY – Federal Waterways Engineering and Research Institute (BAW) | 2014
|HENRY – Federal Waterways Engineering and Research Institute (BAW) | 2008
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