Christoph Mudersbach

Evidence for long‐term memory in sea level

Detection and attribution of anthropogenic climate change signals in sea level rise (SLR) has experienced considerable attention during the last decades. Here we provide evidence that superimposed on any possible anthropogenic trend there is a significant amount of natural decadal and multidecadal variability. Using a set of 60 centennial tide gauge records and an ocean reanalysis, we find that sea levels exhibit long-term correlations on time scales up to several decades that are independent of any systematic rise. A large fraction of this long-term variability is related to the steric component of sea level, but we also find long-term correlations in current estimates of mass loss from glaciers and ice caps. These findings suggest that (i) recent attempts to detect a significant acceleration in regional SLR might underestimate the impact of natural variability and (ii) any future regional SLR threshold might be exceeded earlier/later than from anthropogenic change alone.

XtremRisK — integrated flood risk analysis for extreme storm surges at open coasts and in estuaries: methodology, key results and lessons learned

A brief overview of the joint research project XtremRisK is given. The project has been focusing on developing/improving/expanding the knowledge, methods and models with respect to (i) physically possible extreme storm surge for current conditions and scenarios for climate change, (ii) failure mechanisms of flood defenses, (iii) assessment of intangible losses (social and ecological) and their integration with direct/indirect economic losses, (iv) reliability analysis of flood defense systems and (v) source- pathway-receptor (SPR)-based integrated flood risk analysis involving both tangible and intangible losses and its implementation for two selected pilot sites (representative for an open coast and an urban estuarine area in Germany). The key results are briefly summarized and the lessons learned for future flood risk studies are finally drawn.

The Seasonal Mean Sea Level Cycle in the Southeastern North Sea

ABSTRACT Dangendorf, S., Wahl, T., Mudersbach, C. and Jensen, J., 2013. The Seasonal Mean Sea Level Cycle in the Southeastern North Sea The seasonal cycle is a prominent feature in Mean Sea Level (MSL) time series with considerable influences on flood risk in coastal areas. When analyzing MSL it is often assumed that the seasonal cycle is a stationary process, independent from inter-annual variations, but there is no obvious reason for such an assumption. In this paper the seasonal cycle of MSL at 13 tide gauges in the German Bight is investigated for its average character as well as its time dependence over the past 166 years. A seasonal trend decomposition method is used to analyze the inter-annual fluctuations in amplitudes and phases of the seasonal cycle. In the German Bight the seasonal cycle accounts for up to 44 % of the observed monthly MSL variability. The mean seasonal cycle peaks during November at all stations. The mean amplitude varies between 14 and 20 cm and increases from the south-western to the north-eastern stations. Throughout the last 166 years it is found that the amplitudes as well as the phases of the seasonal cycle are marked by a considerable inter-annual variability. While most records, all starting in the 1930s or later, do not exhibit a significant trend the longest record at Cuxhaven displays a significant long-term trend of 0.2 ± 0.1 mm/yr. This trend is mainly caused by large values at the end of the 1970s and the beginning 1980s. Simultaneously, the annual peaks shift from the late autumn to winter months (December to February). These changes are caused by extraordinary large trends during the months from January to March, exceeding those in the remaining months by up to 4 mm/yr. These changes are in phase with an intensification of large-scale atmospheric circulation patterns over the North Atlantic bringing more frequent westerly winds over the North Sea.

Statistical Assessment of Storm Surge Scenarios Within Integrated Risk Analyses

This paper summarizes the results from calculating exceedance probabilities of different storm surge scenarios developed within the XtremRisK project, which were then used as boundary conditions for integrated risk analyses for the city of Hamburg in the Elbe Estuary and Sylt Island off the coastline of Schleswig-Holstein in northern Germany. A stochastic storm surge model is developed to simulate a large number of synthetic and physically consistent storm surge scenarios, before the resulting samples are used to calculate bivariate joint exceedance probabilities of the storm surge heights (total water levels with tides included) and intensities. The Copula theory is exploited and functions from the Archimedean family are used to build the statistical models. The latter are extended to the three-dimensional case to also take into account wave conditions where appropriate. The uncertainties associated with the results from the multivariate extreme value analyses are briefly discussed and (where possible) quantified and recommendations of how to exploit the presented methodologies in future applications are given.

Die Verwendung von diskretisierten Abflussreihen für die statistische Ermittlung von Hochwasserwerten@@@Use of discretized discharge time series for the statistical estimation of flood flows

Für die statistische Ermittlung von Hochwasserwerten sollten langjährige Ab usszeitreihen ver wendet werden. Für die numerische Verarbeitung müssen Ab usszeitreihen in eine zeitdiskrete Form überführt werden, deren Zeitspanne sich nach den Ansprüchen der angestrebten Daten verwendung richtet. Generell gehen mit der Diskretisierung jedoch besonders bei Hochwasser ab üssen zum Teil sehr große Informationsverluste einher. In diesem Beitrag wird der Ein uss der Diskretisierung auf die extremwertstatistische Ermittlung von Hochwasserwerten in Abhängigkeit der Einzugsgebiets größe aufgezeigt.

Hydrometrie im Wandel der Zeit

Die Hydrometrie gehört zu den grundlegendsten Aufgabenbereichen in der Wasserwirtschaft. Die quantitative Erfassung des Wasserkreislaufes und daraus abgeleitete Bemessungsgrößen bilden ein wesentliches Fundament für die öffentliche Daseinsvorsorge. Die Bemessung und Bewirtschaftung von Talsperrensystemen, die nachhaltige Bewirtschaftung von Flussgebieten hinsichtlich Hochwasser, Niedrigwasser und Schiffsverkehr und das effektive Management von Entwässerungsinfrastrukturen sind ohne zuverlässige hydrometrische Messnetze undenkbar. Die Hydrometrie unterliegt einer Reihe von Veränderungen, die zum einen aus technischen Innovationen, zum anderen aus steigenden Anforderungen resultieren. Neue Messkonzepte und Messgeräte erlauben zum Beispiel zeitlich hochaufgelöste Messungen, berührungsfreie Messungen, oder die Bereitstellung von Echtzeitdaten. Gerade auch die Kombination von unterschiedlicher Messtechnik in sogenannten Multi-Sensor-Systemen bietet neue Möglichkeiten für die Hydrometrie, umfassende Datensätze zu generieren. Aus steigenden ökologischen Anforderungen, einem geforderten effektiveren Betrieb wasserwirtschaftlicher Anlagen und klimatischen Änderungen steigen auch die Anforderungen an die Qualität und Verfügbarkeit hydrometrischer Messdaten. Dabei darf nie vergessen werden, dass alle hydrometrischen Messdaten einer Reihe von Unsicherheiten unterliegen, die sich in den Daten wiederspiegeln. Es ist daher von entscheidender Bedeutung für die Wasserwirtschaft, dass die Ressourcen für den operativen Betrieb von hydrometrischen Messnetzen und entsprechende Forschungsaktivitäten nicht reduziert werden, sondern im Gegenteil ausgebaut werden. Im Rahmen des 1. Bochumer Hydrometrie-Kolloquiums am 16. Februar 2017 an der Hochschule Bochum wurden die genannten Themenfelder intensiv diskutiert. In dieser Ausgabe finden Sie einige ausgewählte Beiträge des Kolloquiums und es konnten insbesondere die folgenden Punkte als Fazit festgehalten werden: ■ Die Anforderungen an Verfügbarkeit und Qualität hydrometrischer Daten sind in den letzten Jahren konsequent gestiegen. ■ Unsicherheiten in hydrometrischen Daten sind unvermeidbar, genauso wie Unsicherheiten in der weiteren Prozessierung der Daten (z. B. Extremwertstatistik und numerische Modelle). ■ Das Spannungsfeld zwischen ökologischer Durchgängigkeit von Pegelmessstrecken und den hydraulischen Anforderungen muss stärker in den Fokus genommen werden, um bessere bauliche Empfehlungen aussprechen zu können. ■ Die Abläufe der Datenerfassung, Datenvalidierung und Kommunikation sollten optimiert und wo möglich automatisiert werden, dabei ist jedoch stets zu beachten, dass signifikante Daten korrekturen nur mit Sachverstand durchgeführt werden. ■ Numerische Modelle sind geeignete Werkzeuge, um die Qualität und das Verständnis von Messdaten insbesondere im Extrembereich verbessern zu können. Allerdings bedarf es auch hochwertiger Messdaten, um numerische Modelle in guter Qualität erstellen zu können. Es bedarf somit erheblicher Anstrengungen, um die Hydrometrie für die zukünftigen Aufgaben fit zu machen. Die Hydrometrie wird auch auf absehbare Zeit ein nicht unerhebliches Maß an personellen und f inanziellen Ressourcen benötigen, was jedoch aufgrund der oben geschilderten Bedeutung dieser Fachdisziplin eine lohnenswerte Investition in die Zukunft ist! Prof. Dr.-Ing. Christoph Mudersbach Lehrgebiet Wasserwesen, Hochschule Bochum

Recent Change—River Flow

This chapter reviews recent trends and variability in river flows to the North Sea. The main contributors are the River Elbe and the River Rhine. In addition to these large rivers many smaller rivers also discharge into the North Sea. However, by far the biggest contributor is the Baltic Sea outflow. Observation records for the major rivers draining into the North Sea are relatively long, while records for the smaller rivers are typically much shorter. Variability in flow is dependent on variations in weather—mainly precipitation and temperature—from year to year, but also on a wide range of direct and indirect human interventions in the North Sea basin. Rivers draining into the North Sea show considerable interannual and decadal variability in annual discharge. In northern areas this is closely associated with variation in the North Atlantic Oscillation, particularly in winter. Discharge to the North Sea in winter appears to be increasing, but there is little evidence of a widespread trend in summer inflow. Higher winter temperatures appear to have led to higher winter flows, as winter precipitation increasingly falls as rain rather than snow. To date, no significant trends in response to climate change are apparent for most of the individual rivers discharging into the North Sea.