1. Einführung

Das Ansteigen und Absinken des Meeresspiegels auf der Erde wird als "Gezeiten" bezeichnet. Gezeiten entstehen durch die kombinierte Wirkung der Gravitationskräfte von Mond und Sonne und der Rotation der Erde. Genauer gesagt führt die Anziehungskraft des Mondes und der Sonne jeweils zu einer Flut. Befinden sich beide in einer geraden Linie, führt die kombinierte Anziehungskraft sowohl zu höheren als auch zu niedrigeren Gezeiten. Insgesamt werden die Gezeitenhöhen und der Zeitpunkt der Gezeiten durch die Küstenlinie und die küstennahe Bathymetrie beeinflusst, was in den vier Stufen Niedrigwasser, Flut, Hochwasser, und Ebbe resultiert.

Abbildung 1: Ursprung von Gezeiten aus Encyclopaedia Britannica, Inc. (https://www.britannica.com/science/tide retrieved on: July 22, 10 AM)

 

Oben erwähnte Faktoren wie die Gravitation von Sonne und Mond beeinflussen das Gezeitensignal und deren Häufigkeit. Diese Faktoren, die auch als Gezeitenkomponenten bezeichnet werden, beeinflussen das Gezeitensignal in verschiedenen Zeiträumen von (halben) Tagen, Monaten und sogar Jahren. Gezeitenkomponenten können auch miteinander interagieren, und zusammengenommen gibt es eine Liste von Hunderten von Komponenten, von denen 37 bekanntlich den größten Einfluss auf die Gezeiten haben. Diese Komponenten werden zur Vorhersage der Gezeiten verwendet.

2. Modell der Ozeangezeiten

Eines der weit verbreiteten Benchmark Gezeitenmodelle, das von der Technical University of Denmark entwickelte Basis-Ozean-Gezeitenmodell 10 (DTU10), basiert auf dem globalen hydrologischen FES2004 (Finite Element Solutions) unter zusätzlicher Verwendung von 18 Jahren Satellitenmessungen. Die Meeresspiegeldaten wurden analysiert, um die Phase und Amplitude der 9 wichtigsten Gezeitenkomponenten zu erhalten. Einschließlich der Bathymetrie ist die Modellqualität über den Ozeanen akkurat. In Küstennähe weist das Modell jedoch eine geringere Genauigkeit auf. Die geringere Präzision lässt sich zum Teil dadurch erklären, dass DTU10 nur das astronomische Gezeitensignal berücksichtigt und Wettereinflüsse wie Niederschlag und Wind vernachlässigt. Die beiden folgenden Abbildungen 2 und 3 zeigen das Ergebnis des DTU10 Modells in Küstennähe im Vergleich zu den Gezeitenpegelmessungen in Brest (Frankreich) bzw. Cuxhaven (Deutschland).

Abbildung 2: Pegelmessung in Brest (Frankreich) im Vergleich zur Vorhersage des DTU10-Modells

 

Abbildung 3: Pegelmessung in Cuxhaven (Deutschland) im Vergleich zur Vorhersage des DTU10-Modells

 

Für beide Standorte sagt das Gezeitenmodell DTU10 eine geringere Amplitude sowie eine Phasenverschiebung von bis zu drei Stunden voraus. Die Vorhersage der geringeren Amplitude wird an der Station Cuxhaven deutlicher, da die Gezeiten während des Wintersturms "Sabine" aufgezeichnet wurden. Zwischen dem 10. und 14. Februar liegt die Gezeitenvorhersage bis zu 3 m unter der gemessenen Gezeitenhöhe. Um dem entgegenzuwirken, waren die Forscher von Meteomatics bestrebt, einen neuen Ansatz zu entwickeln und umzusetzen, der fortan als Tidenwettermodell (Tide Weather Model, TWM) bezeichnet wird.

3. Meteomatics Verbesserungen in Küstennähe - Tidenwettermodell (TWM)

Aufgrund der der beschriebenen Ungenauigkeiten aktueller Modelle in Küstenregionen machten es sich die Forscher von Meteomatics zur Aufgabe, die Gezeitenvorhersagen in diesen Gebieten mit Hilfe weltweiter Beobachtungsdaten von tausenden von Pegeln zu verbessern. Darüber hinaus nutzten unsere Forscher die Meteomatics API, um Wetterbedingungen mit dem übergeordneten Ziel einer besseren Vorhersage der Gezeiten in Küstengebieten zu berücksichtigen.

Die folgenden Abbildungen 4 und 5 zeigen das Ergebnis des TWM ohne den Einbezug von Wetterdaten im Vergleich zum früheren DTU10-Ansatz für Brest bzw. Cuxhaven.

Abbildung 4: Vergleich zwischen TWM (nur Gezeiten) und DTU10 mit Gezeitenmessungen bei Brest (Frankreich)

 

Abbildung 5: Vergleich zwischen TWM (nur Gezeiten) und DTU10 mit Gezeitenmessungen bei Cuxhaven (Deutschland)

 

Die Phasenverschiebung, die zuvor im DTU10-Modell beobachtet wurde, verschwindet im TWM vollständig, wenn man nur die Gezeiten betrachtet. Es gibt jedoch immer noch hohe Abweichungen zwischen der modellierten und der beobachteten Höhe der Amplitude. Diese Diskrepanz wurde erfolgreich durch eine neuartige Berücksichtigung von Wettereffekten unter Verwendung unserer Daten aus erster Hand beseitigt, wie in den Abbildungen 6 und 7 dargestellt.

Abbildung 6: Vergleich zwischen TWM (einschließlich Wetterbedingungen) und DTU10 mit Gezeitenmessungen bei Brest (Frankreich)

 

Abbildung 7: Vergleich zwischen TWM (einschließlich Wetterbedingungen) und DTU10 mit Gezeitenmessungen bei Cuxhaven (Deutschland)

 

Wie schon von anderen Parametern der Meteomatics API bekannt, wird das TWM nahtlos auf jede abgefragte Koordinate interpoliert.

 

4. Fazit

Das neu entwickelte TWM zeigt vor allem in Küstenregionen durch die Verwendung von Gezeitenpegelbeobachtungen und unter Berücksichtigung der lokalen Wetterbedingungen eine große Leistungsfähigkeit. Das neue Modell wurde im Juli in unserer API in Betrieb genommen, wie in der Abbildung unten dargestellt.

Abbildung 8: TWM-Gezeitenvorhersage, untersucht auf unserer Cesium Datenvisualisierungsplattform. Die Farben zeigen Niveaus von -500 cm bis 500 cm und veranschaulichen die hohe regionale Variabilität sowohl in küstennahen Regionen als auch im Kanal.