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Wasserstandsvorhersage mit Delft-FEWS Decision Support System
Im Auftrag des Bundesamts für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) haben Hydrotec und Deltares ein neues Entscheidungshilfesystem zur Wasserstandsvorhersage Nordsee (deutsche Küste) aufgesetzt: Delft-FEWS-BSH. Nach eineinhalbjähriger Projektphase wurde das System im Frühling 2017 produktiv geschaltet. Den Mitarbeitern des BSH steht damit ein modernes, flexibles Bearbeitungs- und Visualisierungswerkzeug zur Verfügung, mit dem sie aus einer Vielzahl von Eingangsdaten die Vorhersagehöhen zuverlässig bestimmen und Informationen zielgruppenorientiert verteilen können.
Die Wasserstandsvorhersagedienste für die Nord- und Ostsee dienen der Sicherheit und Leichtigkeit der Seeschifffahrt und dem Schutz von Leben und Werten an der deutschen Küste. Sie müssen daher sehr zuverlässig funktionieren und eng mit anderen nationalen und internationalen Diensten vernetzt sein.
Das neue System Delft-FEWS-BSH verarbeitet Eingangsdaten aus vielfältigen Quellen. Es werden Wasserstandsdaten vieler Tidepegel entlang der Küste sowie Wetterbeobachtungs- und -vorhersagedaten (Wind und Temperatur, Luftdruck, etc.) verknüpft und dargestellt. Eine weitere wesentliche Funktionalität ist die gebündelte Weiterverarbeitung von Ergebnissen numerischer und statistischer Wasserstandsvorhersageverfahren.
So erstellt der diensthabende Wissenschaftler viermal täglich zunächst eine Vorhersage der Scheitelwerte der nächsten vier Ereignisse (Hoch- und Niedrigwasserhöhen und -zeiten). Die relevanten Informationen sind übersichtlich und leicht erfassbar in Karten und Diagrammen dargestellt.
Durch die umfassende Unterstützung des Systems kann der Benutzer zielgerichtet und in angemessener Zeit die Wasserstandsvorhersagen erstellen. Das System generiert dann die offiziellen Vorhersagetexte und ggf. Warntexte für unterschiedliche Empfänger. Die erstellten Berichte und Warnungen werden den Empfängern dann per E-Mail, Fax oder ftp-Server zur Verfügung gestellt.
Mit Delft-FEWS BSH erhalten die Anwender eine komfortable Arbeitsumgebung, mit vielen Möglichkeiten der Visualisierung und der Prozesssteuerung.
Delft FEWS am besten für die Wasserstandsvorhersage Nordsee geeignet
Das BSH entschied sich für ein System auf Basis von Delft-FEWS, weil die erforderlichen Grundfunktionalitäten und Systemkomponenten darin direkt verfügbar sind. Dadurch ließen sich Zeit und Kosten für die Systementwicklung einsparen.
Ergänzend wurde Delft-FEWS von Hydrotec bzw. Deltares um zusätzlich vom Kunden benötigte Funktionalitäten erweitert.
Neuland Gezeitensystem
Mit dem Gezeitensystem hat sich Hydrotec ein fachlich neues und anspruchsvolles Tätigkeitsfeld erschlossen, da Hydrotec bisher aussschließlich für Binnengewässer Delft-FEWS-Systeme aufgesetzt und betreut hat.
Dazu war es erforderlich, sich in die bei der BSH verwendeten numerischen und statistischen Vorhersagemethoden sowie in die dort entwickelten Arbeitsprozesse und Ordnungsmerkmale einzuarbeiten und küstenrelevante Parameter wie z. B. die Gezeitenvorausberechnungen des BSH und Windstau (siehe unten) in das Delft-FEWS-System zu integrieren.
Durch die intensive Kommunikation mit dem BSH und die Zusammenarbeit mit Deltares im Projektteam konnte unser Delft-FEWS-Team diese Herausforderung erfolgreich meistern.
Windstau / Stau
Lang anhaltender auflandiger Wind bremst die Strömung des Meerwassers bei Ebbe und schiebt sie bei Flut an. Ablandige Winde bewirken das Gegenteil. Dieser Effekt tritt besonders in Flachwassergebieten wie im Wattenmeer auf.
Der durch den Einfluss des Windes entstehende Unterschied zwischen dem rein astronomisch bedingten Anteil am Wasserstand (Gezeiten) und der tatsächlich eintretenden Tide wird Windstau genannt. Der Windstau überlagert die astronomische Tide und erhöht bzw. verringert die Wasserstände deutlich. Maßgebende Berechnungsgrößen sind u. a. Geschwindigkeit, Richtung und Dauer des Windes.
Mehr Flexibilität und Entlastung
Nach erfolgreich absolvierter Testphase setzt das BSH seit Mai 2017 Delft-FEWS-BSH für die operative Wasserstandsvorhersage Nordsee ein. Verglichen mit dem Vorgängersystem bietet es zahlreiche Verbesserungen. Die Anwender erhalten mehr Kontrolle über die Daten und können bei Bedarf unkompliziert und schnell eingreifen. Gleichzeitig wurden Arbeitsprozesse wie das Erstellen von Meldungen so weit wie möglich automatisiert, sodass die Mitarbeiter des BSH deutlich entlastet werden.
Stabiles, fehlerresistentes System
Sicherheit spielte bei der Systementwicklung eine große Rolle. Das jetzt umgesetzte Konzept gewährleistet einen stabilen und fehlerresistenten Software-Betrieb.
Durch eine automatisierte Überwachung der Eingangsdaten ist sichergestellt, dass der Datenfluss reibungslos funktioniert. Gleichzeitig besitzt das System eine größtmögliche Datenunabhängigkeit, sodass Vorhersagen auch dann erstellt werden können, falls eine Datenquelle nicht zur Verfügung stehen sollte.
Das Vorhersagesystem wird ständig gepflegt und weiterentwickelt. Dazu wurde es ausbaufähig konzipiert, um neue Methoden, Messstellen etc. einfach integrieren zu können. Neuerungen durchlaufen zunächst den Entwicklungs- und Testbetrieb, bevor sie im Produktiv-System eingesetzt werden.
Verbesserte Vorhersagequalität
Die in Delft-FEWS-BSH verwendeten Algorithmen werten viele verschiedene Datenquellen aus, wie z. B. numerische Modelle und nachgeschaltete statistische Verfahren (MOS). Dadurch wird das Potenzial des automatischen MOS-Verfahrens (siehe unten) optimal für die manuelle Vorhersage ausgenutzt.
Die der turnusmäßigen manuellen Vorhersage zugrundeliegenden Daten werden viertelstündlich aktualisiert, um plötzliche Änderungen besser berücksichtigen und rechtzeitig reagieren zu können. Statt reiner Scheitelwertvorhersagen ist nun auch für den menschlichen Bearbeiter die Auswertung der gesamten Wasserstandskurven möglich.
Die Vorhersagequalität wurde insgesamt verbessert und erweitert. In Zukunft besteht durch das Entscheidungshilfesystem die Möglichkeit, den Vorhersagezeitraum und deren Detailliertheit noch wesentlich zu erweitern.
Wasserstandsvorhersage mit MOS
Für die automatischen Tidepegelvorhersagen des BSH wird ein umfangreiches MOS-Verfahren genutzt. Dabei werden die Gezeiten, aktuelle Messdaten und Ergebnisse numerischer Modelle (Wettervorhersage und nachgeschaltete Wasserstandsmodelle) verknüpft. Die Ergebnisse der MOS-Berechnungen des BSH werden in Delft-FEWS importiert und bei der Erstellung einer Vorhersage weiterverarbeitet.
Nutzerfreundlich gestaltete Software
Das Vorhersagesystem sollte die Aufgabenteilung der Mitarbeiter beim BSH widerspiegeln und diese unterstützen. Daher entwickelten wir eine zielgruppenorientierte Oberfläche, die sich an den Arbeitsbereichen und Berechtigungen des einzelnen Nutzers orientiert.
Jedem Anwender steht dadurch ein flexibles Bearbeitungs- und Visualisierungswerkzeug zur Verfügung, das er zur Aufbereitung und Bearbeitung von Vorhersagedaten sowie als Entscheidungshilfe nutzen kann.
Dr.-Ing. Oliver Buchholz, Tim Ochterbeck, M.Sc.