Vandstandsstatistik i Køge Bugt under klimaændringer

Transkript

1 Vandstand [m] Vandstandsstatistik i Køge Bugt under klimaændringer Nuværende statistik Scenarie A1B Scenarie A2 Sceanrie B Gentagelsesperiode [år] Greve Kommune Teknisk Notat Oktober 2008

2 Vandstandsstatistik i Køge Bugt under klimaændringer Oktober 2008 Agern Allé Hørsholm Tlf: Fax: dhi@dhigroup.com Klient Klientens repræsentant Greve Kommune Projekt Projekt nr. Vandstandsstatistik i Køge Bugt under klimaændringer Forfattere Henrik Madsen Dato Oktober 2008 Godkendt af Teknisk Notat Revision Beskrivelse Udført Kontrolleret Godkendt Dato Nøgleord Extreme value statistics Climate change Water levels Klassifikation Åben Intern Tilhører klienten Distribution Greve Kommune DHI: Antal kopier

3 INDHOLDSFORTEGNELSE 1 INDLEDNING KLIMAMODEL SIMULERINGER METODE RESULTATER SAMMENLIGNING MED HISTORISKE STORMFLODER DISKUSSION OG KONKLUSION REFERENCER vandstandsstatistik i køge bugt under klimaændringer (2).doc i DHI

4 1 INDLEDNING Dette notat beskriver resultaterne af analyse af ændringer i ekstremvandsstatistik i Køge Bugt grundet klimaforandringer. Beregningerne er baseret på en statistisk analyse af vandstande fra klimamodel simuleringer for referenceperioden og fremskrevet klimascenarium vandstandsstatistik i køge bugt under klimaændringer (2).doc 1-1 DHI

5 2 KLIMAMODEL SIMULERINGER Effekten af klimaændringer på ekstreme vandstande er relateret til (i) generel stigning i middelvandspejlet, og (ii) ændringer i de meteorologiske cirkulationsmønstre og deraf følgende ændringer i stormfloder. Normalt ses kun på effekten grundet stigningen i middelvandspejlet. I nærværende analyse medtages begge effekter. I Tabel 2.1 er der angivet den globale stigning i middelvandspejlet baseret på den seneste rapport fra Intergovernmental Panal on Climate Change (IPCC) fra 2007 /7/. Den globale stigning i middelvandspejlet inkluderer effekterne af temperaturudvidelser af vand og issmeltning. Ændringerne er angivet som 90% konfidensintervaller af resultaterne fra de forskellige globale klimamodeller der ligger til grund for IPCC rapporten og er beregnet som stigningen i middelvandspejl for perioden til Der er angivet resultater fra de tre scenarier der oftest benyttes i klimastudier B2, A1B og A2. Tabel 2.1 Stigninger i middelvandspejl. Scenarie B2 [m] Scenarie A1B [m] Scenarie A2 [m] Global stigning (90% konfidensinterval) Stigning i de danske farvande (90% konfidensinterval) Stigning benyttet i denne rapport Fig. 2.1 Lokal ændring i middelvandspejl. Udsnit af figur fra IPCC rapporten /7/. vandstandsstatistik i køge bugt under klimaændringer (2).doc 2-1 DHI

6 Udover en global stigning i middelvandspejlet er der en lokal effekt grundet ændringer i vandets densitet og cirkulationsmønstre i havet. For de danske farvande er denne stigning på ca. 15 cm, se Fig Dette giver 90% konfidensintervaller for de tre scenarier som vist i Tabel 2.1. I denne rapport er der benyttet et centralt estimat for stigningen i middelvandspejl som vist i Tabel 2.1. Til bestemmelse af effekten på de ekstreme vandstande grundet ændringer i stormfloder under fremtidigt klima er der benyttet resultater fra CONWOY projektet /8/. I dette projekt blev der foretaget klimasimuleringer med en havmodel baseret på DHI s MIKE 3 modelsystem dækkende Østersøen, Nordsøen og de indre danske farvande. Havmodellen blev forceret af resultater fra DMI s regionale klimamodel HIRHAM baseret på A2 klimascenariet. Der blev foretaget simuleringer for 2 perioder: (reference) og Der er for de 2 perioder udtrukket resultater af vandstande i et beregningspunkt i Køge bugt. vandstandsstatistik i køge bugt under klimaændringer (2).doc 2-2 DHI

7 3 METODE Til vurdering af ændringerne i ekstreme vandstande grundet klimaforandringer benyttes den såkaldte Delta-metode. I denne metode bestemmes forskellen i vandstandsstatistikken fra klimamodel simuleringerne for referenceperioden og fremskrevet klimascenarium Denne forskel udtrykker ændringen i statistikken af ekstreme vandstande grundet ændringer i klimaet som simuleret i klimamodellen. For derefter at få en statistik for et absolut vandstandsniveau fremskrevet til adderes ændringerne i statistikken fra modelsimuleringerne til den gældende statistik baseret på observationer af vandstanden. Ved at benytte Delta-metoden fremfor at lave en direkte statistisk analyse af de absolutte vandstande fra det fremskrevne klimascenarium, reduceres de usikkerheder der er relateret til klimamodel simuleringerne. Til analyse af de ekstreme vandstande benyttes en statistisk ekstremværdimodel der er baseret på data over et givet afskæringsniveau. Modellen benævnes Partial Duration Series (PDS) eller Peak Over Threshold (POT). Ved benyttelse af PDS modellen fås et estimat af T-års vandstanden, dvs. den vandstand der i gennemsnit forventes at blive overskredet en gang per T år, hvor T benævnes gentagelsesperioden. Til den statistiske analyse er DHI s software pakke EVA (Extreme Value Analysis) benyttet. EVA inkluderer et stort antal fordelingsfunktioner og forskellige statistiske estimationsprocedurer /2/. Statistikker for ekstreme vandstande på forskellige lokaliteter i Danmark baseret på vandstandsobservationer er beskrevet i Kystdirektoratets rapport Højvandsstatistikker 2002 /5/. Rapporten giver statistikken for målinger i Køge Havn, der i nærværende rapport antages at være repræsentative for vandstanden i Køge Bugt. Analysen i Kystdirektoratets rapport er baseret på 47 års vandstande fra Køge Havn indsamlet i perioden 1. april april Estimerede ekstremvandstande og tilhørende statistisk usikkerhed (spredning) for forskellige gentagelsesperioder fundet ved EVA på baggrund af de data der er benyttet i Kystdirektoratets analyse er vist i Tabel 3.1 og Fig I analysen er der benyttet et afskæringsniveau på 115 cm. Der er observeret 27 hændelser med en vandstand over dette afskæringsniveau i de 47 år der ligger til grund for analysen. Tabel 3.1 Estimerede ekstremvandstande og tilhørende spredning for Køge Havn. Gentagelsesperiode [år] Vandstand Spredning vandstandsstatistik i køge bugt under klimaændringer (2).doc 3-1 DHI

8 Fig. 3.1 Estimeret vandstand for forskellige gentagelsesperioder (return periods) og tilhørende 68% konfidensinterval (confidence limits) for Weibull fordelingen sammenholdt med de observerede ekstremvandstande (points). vandstandsstatistik i køge bugt under klimaændringer (2).doc 3-2 DHI

9 4 RESULTATER De to tidsserier af vandstande fra klimamodel simuleringerne for referenceperioden og fremskrevet klimascenarium er analyseret ved brug af EVA. Til definition af overskridelsesserier er der brugt det samme afskæringsniveau som benyttet i Kystdirektoratets rapport /5/. For referenceperioden er der i alt 36 hændelser med vandstande over 115 cm, mens der i det fremskrevne klimascenarium er 63 hændelser. Bemærk at begge tidsserier referer til samme middelvandstand, dvs. ændringerne i statistikken er alene relateret til ændringer i den meteorologiske forcering. Resultaterne viser at der sker en stigning i frekvensen af antal ekstreme hændelser (over 115 cm) fra omkring 1.2 hændelser per år i referenceperioden til omkring 2.1 hændelser per år i det fremskrevne klimascenarium. En stigning på 75%. Med hensyn til statistikken på de ekstreme vandstande er der i EVA analyseret flere forskellige statistiske fordelinger. For både referenceperioden og fremskrevet klimascenarium er eksponentialfordelingen fundet passende til beskrivelse af data. De estimerede ekstremvandstande med tilhørende konfidensinterval for eksponentialfordelingen er sammenholdt med de simulerede ekstremvandstande i Fig Fig Fig. 4.1 Estimeret vandstand for forskellige gentagelsesperioder (return periods) og tilhørende 68% konfidensinterval (confidence limits) sammenholdt med de simulerede estremvandstande (points) for referenceperioden vandstandsstatistik i køge bugt under klimaændringer (2).doc 4-1 DHI

10 Fig. 4.2 Estimeret vandstand for forskellige gentagelsesperioder (return periods) og tilhørende 68% konfidensinterval (confidence limits) sammenholdt med de simulerede ekstremvandstande (points) for fremskrevet klimascenarium Baseret på de estimerede ekstremvandstande for de 2 simuleringer kan ændringen i statistikken af ekstremvandstanden bestemmes, se Tabel 4.1. For gentagelsesperioder fra 2 til 1000 år ses en forholdsvis beskeden stigning på 9 12 cm. Tabel 4.1 Gentagelsesperiode [år] Estimerede ekstremvandstande for referenceperiode og fremskrevet klimascenarium Vandstand Reference Vandstand Fremskrevet klimascenarium Ændring i vandstand For at bestemme statistikken for den absolutte vandstand i det fremskrevne klima skal ændringen i vandstanden i Tabel 4.1 adderes til den gældende statistik vist i Tabel 3.1. Derudover skal der adderes et bidrag fra ændringen i middelvandstand grundet klima- vandstandsstatistik i køge bugt under klimaændringer (2).doc 4-2 DHI

11 Vandstand [m] ændringer samt mindre ændringer grundet landsænkninger/hævninger. I Køge Bugt sker der en generel stigning i middelvandspejlet grundet landsænkninger/hævninger. I perioden er der sket en stigning i middelvandspejlet på 8 cm /5/. Denne stigning forventes at fortsætte og giver således en stigning på 8 cm for den nuværende statistik frem til Stigningen i middelvandstand i år 2100 for de tre scenarier B2, A1B og A2 er henholdsvis, 47, 50, og 52 cm (se Afsnit 2). Den fremskrevne statistik af vandstanden for de 3 scenarier er vist i Fig. 4.3 og Tabel 4.2. Samlet set forventes en stigning i vandstanden på ca. 70 cm for gentagelsesperioder på 2 til 1000 år. Forskellen mellem de 3 scenarier er på 5 cm. Tabel 4.2 Gentagelsesperiode [år] Fremskrivning af ekstremvandsstatistik. Vandstand nuværende statistik Vandstand fremskrevet statistik Scenario B2 Vandstand fremskrevet statistik Scenario A1B Vandstand fremskrevet statistik Scenario A Nuværende statistik Scenarie A1B Scenarie A2 Sceanrie B Gentagelsesperiode [år] Fig. 4.3 Nuværende statistik af vandstanden sammenlignet med fremskreven statistik for år 2100 for de 3 klimascenarier A1B, 2A og 2B. vandstandsstatistik i køge bugt under klimaændringer (2).doc 4-3 DHI

12 Vandstand [m] 5 SAMMENLIGNING MED HISTORISKE STORMFLODER Den fremskrevne vandstandsstatistik grundet klimaændringer er sammenholdt med information omkring historiske ekstreme stormfloder i Køge Bugt. I forbindelse med projekteringen af Ørestaden og Metroen i København blev historiske stormfloder i Køge Bugt i de sidste 1000 år inddraget i den statistiske analyse af ekstreme vandstande /4,6/. Informationer om de ekstreme stormfloder stammer fra rapporten Stormfloder fra Danmarks Meteorologiske Institut /3/. I alt er der dokumenteret 28 historiske hændelser i Køge Bugt med en vandstand større end den maksimale vandstand observeret i perioden (1.51 m), der ligger til grund for den nuværende vandstandsstatistik. Den mest ekstreme historiske stormflod i Køge Bugt fandt sted 13. oktober 1760 med en vurderet maksimal vandstand på 3.7 m. En anden meget ekstrem stormflod fandt sted d november 1872, hvor vandstanden nåede op på 2.8 m. Denne stormflod er detaljeret beskrevet i rapporten Nogle Undersøgelser over Stormen over Nord- og Mellem-Europa af 12 te -14 de November 1872 og over den derved fremkaldte vandflod i Østersøen af daværende stadsingeniør i København, professor A. Colding /1/. Medtages de ekstreme historiske hændelser i ekstremværdianalysen fås en vandstandsstatistik som vist i Fig Som det ses af figuren har de historiske hændelser helt andre ekstremværdi karakteristika end hændelserne i observationsperioden Historiske hændelser Observeret Estimeret Gentagelsesperiode [år] Fig. 5.1 Vandstandsstatistik i Køge Bugt ved medtagelse af ekstreme historiske hændelser. vandstandsstatistik i køge bugt under klimaændringer (2).doc 5-1 DHI

13 I /4/ er det redegjort for at de meget ekstreme historiske hændelser er forårsaget af forholdsvis sjældne meteorologiske forhold. De mere normale stormfloder er typisk grundet kraftige lavtryk fra Vest. De mere sjældne og mere ekstreme stormfloder, der specielt rammer det sydlige Danmark, er grundet lavtryk som bevæger sig i den modsatte retning, fra øst-sydøst, syd om Danmark. Disse lavtryk har en større udstrækning og bevæger sig langsommere og giver meget kraftige østenvinde nord for lavtrykkets bevægelsesretning. Dette giver store opstuvninger og oversvømmelser i den vestlige del af Østersøen. Der har ikke været registreret en eneste af disse typer meget ekstreme hændelser i observationsperioden Medtagelse af de historiske hændelser giver betydelig større vandstande for gentagelsesperioder på 50 år og derover sammenlignet med den nuværende statistik. For en 100 års hændelse er den estimerede vandstand 68 cm højere ved inddragelse af historisk information, mens den for 1000-års hændelsen er hele 1.73 m højere. Dvs. for en gentagelsesperiode på 100 år er den udvidede statistik sammenlignelig med den fremskrevne statistik grundet klimaændringer. For en 1000 års hændelse giver den udvidede statistik en vandstand der er ca. 1 m over den fremskrevne statistik grundet klimaændringer. vandstandsstatistik i køge bugt under klimaændringer (2).doc 5-2 DHI

14 6 DISKUSSION OG KONKLUSION Effekten af klimaændringer på vandstandsstatistikken i Køge Bugt er analyseret. I analysen er medtaget både effekten af den generelle stigning i middelvandspejlet og effekten af ændrede meteorologiske cirkulationsmønstre og deraf følgende ændringer i stormfloder. Desuden er ændringer grundet landhævninger/sænkninger medtaget. Grundet ændringer i den meteorologiske forcering ses en stigning i antallet af ekstreme vandstande på 75%. Samlet set forventes en stigning i vandstanden på ca. 70 cm for gentagelsesperioder på 2 til 1000 år frem mod år Denne stigning er betydelig idet en nuværende 1000 års vandstand forventes at forekomme med en gentagelsesperiode på under 2 år i år Sammenholdes med ekstreme historiske stormfloder i Køge Bugt er der dog i de seneste 1000 år observeret hændelser der ligger betydeligt over 1000 års hændelsen på ca. 2.4 m i år Den veldokumenterede stormflod i 1872 nåede et niveau på 2.8 m i Køge Bugt. Den maksimale vandstand i Køge Bugt i de sidste 1000 år er vurderet til 3.7 m. vandstandsstatistik i køge bugt under klimaændringer (2).doc 6-1 DHI

15 7 REFERENCER /1/ Colding, A. (1881) Nogle Undersøgelser over Stormen over Nord- og Mellem- Europa af 12 te -14 de November 1872 og den derved fremkaldte vandflod i Østersøen, Vidensk. Selsk. Skr., 6. Række, Naturvidenskabelig og Matematisk Afdeling I4. /2/ DHI (2005) EVA Extreme Value Analysis, Technical Reference and Documentation, DHI Software /3/ Gram-Jensen, I. (1991) Stormfloder, Danish Meteorological Institute, Scientific Reports, /4/ Kampmann, J. (2006) Metroen Sikring mod oversvømmelse under hensyn til Klimaændringer, EVA, Oktober /5/ Kystdirektoratet (2002) Højvandsstatistikker 2002, Kystdirektoratet, Trafikministeriet. /6/ Ledgaard, K., Frisk, L. (2001) Ørestad sikker mod oversvømmelse, Stads- og Havneingeniøren 12, 2-6 /7/ Meehl, G.A., Stocker, T.F., Collins, W.D., Friedlingstein, P., Gaye, A.T., Gregory, J.M., Kitoh, A., Knutti, R., Murphy, J.M., Noda, A., Raper, S.C.B., Watterson, I.G., Weaver, A.J. and Zhao, Z.-C. (2007). Global Climate Projections. In: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, edited by Solomon, S., Qin, D., Manning, M., Chen, Z., Marquis, M., Averyt, K.B., Tignor, M. and Miller, H.L. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, /8/ Søndergård, M., Kronvang, B., Pejrup, M., Sand-Jensen, K. (2006) Vand og Vejr om 100 år. Klimaforandringer og det danske vandmiljø, Hovedland. vandstandsstatistik i køge bugt under klimaændringer (2).doc 7-1 DHI