Verkenning coïncidentie voor waterschap Noorderzijlvest. Met behulp van 800 jaar meteorologie voor huidig en toekomstig klimaat

Verkenning coïncidentie voor waterschap Noorderzijlvest Met behulp van 800 jaar meteorologie voor huidig en toekomstig klimaat

Verkenning coïncidentie voor waterschap Noorderzijlvest Met behulp van 800 jaar meteorologie voor huidig en toekomstig klimaat

Klaas-Jan van Heeringen

1206627-000

© Deltares, 2015

Deltares Titel

Verkenning coïncidentie voor waterschap Noorderzijlvest Opdrachtgever

Project

Waterschap Noorderzijlvest 1206627-000

Kenmerk

Pagina's

1206627-000-ZWS-0024

27

Trefwoorden

Maatgevende omstandigheden, zeespiegelstijging, coïncidentie

hydrologie,

meteorologie,

klimaatverandering,

Samenvatting

Het samenvallen van hoge buitenwaterstanden op zee met extreme neerslag (coïncidentie) kan bij de drainage van polder- en boezemsystemen langs de kust van Nederland problemen geven. Met behulp van een modelinstrumentarium heeft Deltares in samenwerking met KNMI voor het beheersgebied van waterschap Noorderzijlvest verkend wat de mate van coïncidentie van extreme neerslag en verhoogde buitenwaterstanden is. Voor deze verkenning zijn langjarige weersimulaties uitgevoerd met het klimaatmodel RACMO. Op basis van de uitkomsten is onderzocht wat het effect is van coïncidentie en of dat voldoende is meegenomen in de huidige normen. De berekeningen zijn uitgevoerd voor het huidig klimaat en voor het klimaat van ongeveer 2050, waarbij ook zeespiegelstijging is meegenomen. In het kader van dit onderzoek is alleen de relatie tussen stormopzet en neerslag onderzocht. Uit analyse van de individuele gebeurtenissen blijkt dat die weersystemen leiden tot maatgevende omstandigheden waarbij een krachtig front uit het Noordwesten leidt tot veel neerslag in combinatie met windopzet van het Noordzeebekken. De neerslag en stormopzet zijn op zichzelf niet uitzonderlijk maar leiden gecombineerd wel tot maatgevende condities. In termen van waterstandsverhoging lijkt het effect van coïncidentie in het beheersgebied van waterschap Noorderzijlvest mee te vallen. Het effect is circa 5cm op de T=100 waterhoogte van het Lauwersmeer. In termen van overschrijdingskansen neemt de kans op het overschrijden van de T=100 waterhoogte significant toe: de kans wordt circa 2x zo groot. Het geringe effect op de waterhoogtes wordt veroorzaakt door het Lauwersmeer. Dat heeft juist boven NAP veel bergingsruimte wat een sterk dempend effect op de optredende waterhoogtes heeft. Het effect van coïncidentie en zeespiegelstijging zou op andere plekken veel groter kunnen zijn. Het effect van zeespiegelstijging is ook veel sterker dan het effect van coïncidentie. Op basis van de resultaten kan geen significant signaal gevonden waaruit blijkt dat coïncidentie als gevolg van klimaatverandering zal toe- of afnemen.

Versie

Datum

Auteur Gerard Blom

Status

definitief

Verkenning coïncidentie voor waterschap Noorderzijlvest - Met behulp van 800 jaar meteorologie voor huidig en toekomstig klimaat

1206627-000-ZWS-0024, 9 juni 2015, definitief

Inhoud 1 Inleiding 1.1 Voorgeschiedenis 1.2 Onderzoeksvragen 1.3 Uitvoering en verantwoording 1.4 Leeswijzer

1 1 2 2 2

2 Gebiedsbeschrijving

3

3 Aanpak 3.1 Aanpak op hoofdlijnen 3.2 Modelinstrumentarium 3.2.1 Algemeen 3.2.2 RACMO klimaatmodel 3.2.3 Hydrologisch en hydraulisch modelinstrumentarium 3.2.4 Berekeningsresultaten 3.2.5 Klimaatscenario’s 3.3 Randvoorwaarden en beperkingen van deze aanpak

5 5 6 6 7 11 12 12 12

4 Resultaten en discussie 4.1 Resultaten Oude Riet 4.2 Resultaten Lauwersmeer 4.2.1 Samenvatting van berekende maatgevende waterhoogtes 4.2.2 Nadere analyse huidig klimaat 4.2.3 Nadere analyse klimaatrun met 15 cm zeespiegelstijging 4.2.4 Nadere analyse klimaatrun met 40 cm zeespiegelstijging 4.3 Details van enkele hoogwaters

13 13 14 14 17 18 19 20

5 Conclusies en aanbevelingen 5.1 Kader van het onderzoek 5.2 Conclusies 5.3 Aanbevelingen

23 23 23 24

6 Referenties

27

Bijlage(n) A Analysis of a compounding surge and precipitation event in the Netherlands

A-1

B Getij-informatie Lauwersoog

B-1

C Shuffeling

C-1


i


1 Inleiding 1.1

Voorgeschiedenis In het waterbeheer is het gebruikelijk om systemen te toetsen aan normen. Normen zijn er ten aanzien van bijvoorbeeld kadehoogtes, die worden gebaseerd op (voornamelijk) berekende waterhoogtes voor maatgevende situaties. Wat precies een maatgevende situatie is – met bijvoorbeeld een kans van voorkomen van 1/300 per jaar, ofwel een gemiddelde herhalingstijd van 300 jaar - wordt veelal bepaald met de zogeheten stochastenmethode of tijdreeksenmethode. In de praktijk van alle dag worden in de stochastenmethode de verschillende variabelen die van invloed zijn op het watersysteem vaak als onafhankelijke parameters beschouwd vanwege het ontbreken van langdurige meetreeksen. De tijdreeksenmethode heeft daar uiteraard ook “last” van. Deze variabelen betreffen de neerslag, de voorgeschiedenis (is de bodem droog of juist nat) en de wind en daaruit volgende windopzet. Als gevolg hiervan komt in de statistiek van maatgevende gebeurtenissen onvoldoende naar voren dat weersystemen juist afhankelijkheden tussen deze variabelen kunnen veroorzaken. Er zijn aanwijzingen dat deze variabelen juist wel afhankelijk zijn. Zo zijn de recente bijnaoverstromingen van januari 2012 terug te voeren op het gelijktijdig optreden (coïncidentie 1) van een aantal factoren, die bijdragen aan een grote wateropgave: een forse hoeveelheid neerslag in korte tijd, een verzadigde bodem door hoge neerslaghoeveelheden in de maand ervoor en een hoge stand van de buitenwateren door een Noordwesterstorm. Afzonderlijk zijn deze factoren niet uitzonderlijk zeldzaam, maar het gelijktijdig optreden leidde uiteindelijk toch tot een ongewenste en/of maatgevende situatie. Een goed beeld van deze onderlinge afhankelijkheden is daarom van belang. Op 27 juni 2012 hebben KNMI en Deltares een gezamenlijke workshop georganiseerd waarin deze problematiek met een groot aantal waterschappen en geïnteresseerde adviesbureaus is besproken. Tijdens deze workshop werden de resultaten van een quick-scan voor de boezem van Hunze en Aa’s alsook van het Drechtstedengebied gepresenteerd (Deltares, 2012). In het algemeen werd duidelijk dat het om een “tweede orde probleem” gaat. Er zijn vaak belangrijkere problemen die aandacht verdienen en meer effect hebben op de maatgevende waterhoogtes. Echter, dat kan per regio en watersysteem verschillen. Op verzoek van Waterschap Noorderzijlvest is daarom een aanvullende studie uitgevoerd waarbij een stap verder is gegaan dan de bovengenoemde quick-scan. Aan de hand van de meteorologie volgens het RACMO weermodel (waarmee 800 jaar aan modelmatig weer is gesimuleerd, zowel voor huidig als toekomstig klimaat) is door Deltares een tijdreeksanalyse uitgevoerd. De aanpak en resultaten worden in het voorliggende rapport besproken. De resultaten van deze studie moeten als een verkenning worden beschouwd en niet als absolute waarheid, hoe mooi de berekeningsresultaten soms ook zijn.

1

In dit rapport gebruiken we – tenzij anders aangegeven - het woord coïncidentie voor het gelijktijdig optreden van extreme neerslag en verhoogde buitenwaterstanden als gevolg van windopzet. Verkenning coïncidentie voor waterschap Noorderzijlvest - Met behulp van 800 jaar meteorologie voor huidig en toekomstig klimaat

1 van 27


1.2

Onderzoeksvragen Op basis van de discussie tijdens de workshop van 27 juni 2012 zijn de volgende onderzoeksvragen gedefinieerd: 1

Welke fysische randvoorwaarden leiden tot relevante coïncidenties? Dit is voor meerdere doelgroepen van belang. Operationele beheerders krijgen wellicht meer gevoel voor opkomende dreigende omstandigheden. Voor het creëren van draagvlak voor maatregelen zijn fysische beelden doorgaans illustratiever dan abstracte statistieken. En voor ontwikkelaars van voorspelmodellen zijn het omstandigheden waarop applicaties moeten worden afgeregeld of gevalideerd.

2

Verandert de statistiek van coïncidentie in de toekomst? Voorbereiding van het waterbeheer vergt een goed beeld van normstellende omstandigheden in de toekomst. Trends in coïncidentie die kunnen worden gekoppeld aan veranderingen in klimaat, beheer of ruimtegebruik vormen een belangrijke input voor de normberekeningen.

3

Is coïncidentie voldoende verrekend in de huidige maatgevende normen? Dit is vooral van belang voor het regionale en nationale waterbeheer: beheerders van waterwerken willen erop kunnen vertrouwen dat de genomen of geplande maatregelen afdoende zijn onderbouwd.

De antwoorden op deze vragen zullen richting geven aan verdere discussie en gedachtenvorming door de waterschappen.

1.3

Uitvoering en verantwoording Het onderzoek is uitgevoerd door Deltares met medewerking van KNMI. KNMI heeft haar werkzaamheden uitgevoerd in het kader van het Deltaprogramma. De bijdrage van Deltares is door waterschap Noorderzijlvest gefinancierd. Naar aanleiding van het uitgevoerde onderzoek is een wetenschappelijk, peer-reviewed artikel geschreven voor Environmental Research Letters, special issue Knowledge for Climate. Deze is weergegeven in bijlage A.

1.4

Leeswijzer Voor de volledigheid en het mogelijk maken om dit rapport als zelfstandig rapport te lezen, geven we eerst in hoofdstuk 2 een beschrijving van het studiegebied van waterschap Noorderzijlvest. Vervolgens beschrijven in hoofdstuk 3 de gevolgde aanpak en berekeningsmethode. De berekeningsresultaten worden in hoofdstuk 4 toegelicht en besproken, waarna we in hoofdstuk 5 antwoord geven op de onderzoeksvragen en afsluiten met een aantal aanbevelingen voor vervolgonderzoek. Dit vervolgonderzoek kan worden meegenomen in het komende IMPREX project.

2 van 27



2 Gebiedsbeschrijving Het waterschap Noorderzijlvest werkt in het noorden en westen van de provincie Groningen, in de kop van Drenthe en in het Friese deel van het Lauwersmeergebied. Binnen dit gebied zijn vier stroomgebieden, waarvan de Electraboezem de grootste is en afwatert naar het Lauwersmeer. In de Figuur 2.1 is de Electraboezem het meest westelijk gelegen stroomgebied en groen gekleurd.

Figuur 2.1 Overzicht van beheersgebied van waterschap Noorderzijlvest (bron: website waterschap)

De oorspronkelijke Electraboezem is als gevolg van bodemdaling door aardgaswinning in de afgelopen jaren opgedeeld in drie zogeheten schillen. Elke schil wordt door middel van een of meerdere gemalen bemalen, waarbij het water naar de volgende schil wordt afgevoerd. Schil 1 is de laagstgelegen schil (meest oostelijk) en watert af naar schil 2. Schil 2 watert weer af naar schil 3, die ten slotte het wateroverschot onder vrij verval of via pompen bij de gemalen H.D. Louwes en De Waterwolf afvoeren naar het Lauwersmeer.


3 van 27


Het Lauwersmeer vormt een zelfstandig boezemeenheid, waarop ook waterbezwaar vanuit het Wetterskip Fryslân wordt geloosd bij Friesche Sluis en Dokkumer Nieuwe Zijlen. Kenmerkend aan de lozing vanuit Friesland is dat die plaatsvindt via spuisluizen, dus onder vrij verval en daardoor alleen kan plaatsvinden als de waterhoogte op het Lauwersmeer voldoende laag is. Tijdens laagwater op de Waddenzee wordt vanaf het Lauwersmeer het wateroverschot geloosd via spuisluizen bij Lauwersoog. Het normale streefpeil in Schil 3 en op het Lauwersmeer bedraag NAP-0.93 m. De afvoercapaciteit van Schil 3 naar het Lauwersmeer bedraagt iets meer dan 8 mm/dag. Dit is meestal voldoende omdat de bergingscapaciteit in de Electraboezem (met name in Schil 3) voldoende groot is. Op de Electraboezem kunnen problemen ontstaan ten aanzien van hoge waterstanden. Dit gebeurt meestal niet als het alleen maar (langdurig) hard regent. De gecombineerde bergingen afvoercapaciteit is doorgaans voldoende. Problemen kunnen ontstaan op moment dat er (veel) regenwater tot afstroming komt en dit vervolgens niet kan worden afgevoerd. Dat kan gebeuren op het moment dat de buitenwaterstanden op de Waddenzee niet voldoende laag zijn om bij Lauwersoog te kunnen spuien. In dit soort gevallen wordt de bufferwerking (berging) van het Lauwersmeer volledig worden benut. Per saldo zijn maatgevende hoogwaters vooral die gebeurtenissen waarbij een combinatie optreedt van neerslag en verhoogde buitenwaterstanden.

Figuur 2.2 Overzichtskaart van verschillende boezemsystemen, waterlopen en kunstwerken

4 van 27



3 Aanpak 3.1

Aanpak op hoofdlijnen Om een antwoord te kunnen geven op de onderzoeksvragen hebben Deltares en KNMI een modelinstrumentarium opgezet waarin de meteorologie is verbonden met de hydrologie en hydraulica van het watersysteem van Noorderzijlvest. Met het modelinstrumentarium is 800 jaar meteorologie van het huidige klimaat doorgerekend. Deze 800 jaar bestaat uit een ensemble van 16 losse en onafhankelijke berekeningen van elk 50 jaar lang. Deze berekeningen zijn geldig voor het klimaat van grofweg 1975 en beslaan een (min of meer rekentechnische) periode van 1951 tot en met 2000. De 16 periodes zijn achter elkaar geplaatst en omspannen vervolgens dus een periode van 800 jaar met de klimaateigenschappen 1951 t/m 2000. De periode van 800 jaar is rekentechnisch in het modelinstrumentarium geprojecteerd op de periode van 1951 t/m 2750. Het gaat per saldo dus om een klassieke tijdreeksberekening die volledig wordt doorgerekend zonder bijvoorbeeld droge periodes over te slaan. In de meteorologie zijn impliciet alle relaties tussen het weer meegenomen. Hierbij wordt aangenomen dat het meteorologische model deze relaties adequaat presenteert. Dit betekent dat als er een bepaalde mate van coïncidentie is, dat deze coïncidentie automatisch in de berekening en de resultaten is meegenomen.

Figuur 3.1 Simulaties met RACMO. In Basis behoren neerslag en buitenwater bij elkaar; de shuffles zijn de losgekoppelde berekeningen. Hier zijn als voorbeeld de eerste 4 van de in totaal 10 shuffles getoond.


5 van 27


Ter vergelijking hebben we ook een referentiereeks gemaakt waarin we er zeker van zijn dat er geen sprake is van coïncidentie. Deze reeks is gemaakt via een aantal aanvullende berekeningen waarbij we de verschillende grootheden (neerslag en windopzet op zee) expliciet onafhankelijk hebben gemaakt. Dit hebben we bereikt door beide grootheden totaal willekeurig met elkaar te combineren: bij elk van de 16 neerslagreeksen hebben we een willekeurige reeks van stormopzet gekozen. Dit noemen we een shuffle: de windopzet is geshuffeld ten opzichte van de neerslag. Dit hebben we 10x gedaan zodat een ensemble van geforceerde onafhankelijke reeksen is gemaakt. Zie Figuur 3.1 waar als voorbeeld de eerste vier shuffles zijn uitgetekend. We hebben de resultaten van beide berekeningen (de oorspronkelijke en het ensemble van willekeurige geshuffelde) vergeleken. Het verschil tussen beide berekeningen moet een indicatie zijn voor de mate van coïncidentie. Om te onderzoeken of we in de toekomst als gevolg van klimaatverandering en zeespiegelstijging tot andere conclusies zouden kunnen komen hebben we de hele berekening vervolgens nogmaals uitgevoerd voor de klimaatrun voor 2050 van het RACMO model. Hierbij is uitgegaan van een gemiddelde zeespiegelstijging van zowel 15 als 40 cm.

3.2 3.2.1

Modelinstrumentarium Algemeen Als meteorologisch model is het KNMI-RACMO gebruikt als regionaal klimaatmodel (RCM), waarbij de forcering is overgenomen uit het globaal klimaatmodel (GCM) EC-Earth. KNMI heeft de modeluitvoer bewerkt en geschikt gemaakt als invoer voor het watersysteemmodel: -

Neerslag (stroomgebiedsgemiddelde uurneerslag). Verdamping (actuele, stroomgebiedsgemiddelde verdamping op dagbasis). Windopzet op de Waddenzee (gemiddelde waarde per 3 uur).

Deze gegevens zijn vervolgens als invoer gebruikt voor het hydrologisch model (SOBEK-RR) en het hydraulisch model (RTC-Tools). Dit modelinstrumentarium is opgesteld in het kader van het project “Sturing Fivelingo en Electraboezem”, Deltares, 2015. Het instrumentarium bevat een conceptueel neerslagafvoermodel dat voor een eenheidsoppervlak voor een aantal typen bodemsoorten de neerslagafvoer modelleert. Vervolgens worden in FEWS deze afvoeren van de eenheidsoppervlakken vertaald naar afvoer per instroompunt op de polders en de boezems. Op deze manier is een enorme reductie van de rekentijd gerealiseerd. Het onderzoek richt zich op het boezemsysteem van Noorderzijlvest. Dit boezemsysteem is in RTC-Tools gemodelleerd, terwijl de toevoer vanuit de polders en overige gebieden is gemodelleerd door middel van het hydrologische model. Gezien de enorme hoeveelheden aan data (800 jaar, met grotendeels een interne tijdstap van 5 minuten) maar ook vanwege reproduceerbaarheid en voorkomen van fouten zijn de modellen in een FEWS configuratie opgezet. De berekeningen worden in stappen van telkens 1 jaar uitgevoerd en verwerkt. Hierbij wordt de toestand aan het eind van het jaar weer als initiële conditie gebruikt voor het volgende jaar. Binnen FEWS wordt alle invoer en uitvoer van de berekeningen opgeslagen en bewaard. 6 van 27



• SOBEK-RR neerslagafvoermodel • RTC-Tools hydraulisch model

getij

Delft-FEWS

RACMO klimaatmodel

jaarmaxima Plots van: - Normale run - Run zonder windopzet - 10 shuffles van windopzet en neerslag (μ,σ) Figuur 3.2 Opzet van berekening

De berekende waterhoogtes worden vervolgens verwerkt tot jaarmaxima, op basis waarvan de extreme waarden statistiek wordt bepaald. De 10 shuffle berekeningen worden samengevat in een mediaan en met daaromheen de standaarddeviatie.

3.2.2

RACMO klimaatmodel Achtergrondinformatie over het RACMO model (versie 2.2) is beschreven in de volgende publicatie: (van Meijgaard, Lenderink, de Roode, Wipfler, Boers, en Timmermans, 2012) http://www.knmi.nl/research/regional_climate/uploads/models/FinalReport_CS06.pdf

Figuur 3.3 RACMO domein


7 van 27


Het RACMO2 model wordt als regionaal klimaatmodel gebruikt, waarbij de randvoorwaarden worden geleverd uit het mondiale klimaatmodel EC-Earth (Hazeleger et al 2012.). Na de spinup van de oceaan van het wereldwijde klimaatmodel, is een ensemble geproduceerd door verstoringen van de oorspronkelijke atmosferische conditie van EC-Earth in 1850 waarna elk ensemble lid doorloopt tot het jaar 2000. Een overeenkomstige RACMO2-ensemble werd gegenereerd door het terugbrengen van elk van de EC-Earth ensemble leden voor de periode 1950-2100. De resultaten voor de periode 1951 – 2000 zijn genomen als huidig klimaat en de resultaten van de periode 2026-2075 voor het klimaat van 2050. RACMO maakt gebruik van voorgeschreven zeeoppervlak temperaturen gegenereerd door EC-Earth en berekent dynamisch alle meteorologische processen op 5 minuten tijdstappen en 12 km resolutie voor het domein zoals weergegeven in Figuur 3.3. Aan RACMO is een model toegevoegd die de afwijking ten opzichte van de achtergrondtemperatuur uitrekent uitgaande van energiefluxen in de voorbije periode. De lokale diepte van de zee ter plaatse van het roosterpunt is daarbij een belangrijke parameter. Een warme zomerperiode leidt dan tot een positieve temperatuurafwijking in de nazomer, en de amplitude van deze anomalie is groter naarmate de zee ondieper is (dus nabij de kust). Zie meer informatie hierover in Attema, J.J. en G. Lenderink, The influence of the North Sea on coastal precipitation in the Netherlands in the present-day and future climate Clim. Dyn., 2014, 42, 1, 505-519, doi:10.1007/s00382-013-1665-4.

3.2.2.1

Controle en benodigde bias correctie neerslag Het RACMO model heeft de neiging om continu enige motregen te laten plaatsvinden. Alle neerslag lager dan 0.001 mm/hr is daarom op 0 mm/hr gezet. Het effect hiervan op de jaarsom is nihil. De daaropvolgende biascorrectie is door KNMI uitgevoerd en dient meerdere doelen, zodat de RACMO-runs ook voor andere terreinen kunnen worden ingezet. Daarvoor zijn er verschillende biases tegelijk van belang: 1. de verdeling (intensiteit) van de neerslag op natte dagen 2. de totale jaarsom 3. de natte-dag-frequentie KNMI heeft zicht met name gericht op (1) en (2): eerst een kwantielregressie (met limieten voor extreme neerslag) toegepast op de natte-dag-neerslag, en daarna de hele verdeling geschaald naar de waargenomen jaarsomneerslag, van belang voor bijvoorbeeld droogtestudies. Deze methode is gedetailleerd beschreven in “van Pelt, et al., 2012, HESS, doi: 10.5194/hess-16-4517-2012”. Deze schaling dempt de neerslag op alle natte dagen relatief even sterk, maar de extreem natte dagen dragen daar in absolute zin natuurlijk sterker aan bij dan de motregen dagen. De natte-dag-frequentie wordt in deze methode niet aangepast.

8 van 27



Figuur 3.4 Bias correctie van neerslag

De biascorrectie is toegepast op basis van een waargenomen neerslagtijdreeks die als gebiedsgemiddelde voor het beheersgebied van Noorderzijlvest is afgeleid uit de uurreeks met radarklimatologie die is bepaald door Aart Overeem, KNMI voor de jaren 1998 t/m 2013.

3.2.2.2

Verdamping In het hydrologische model is direct de actuele verdamping van RACMO, als gebiedsgemiddelde waarde, overgenomen. Hiervoor zijn de gewasverdampingsfactoren in het SOBEK-RR model op de waarde=1 gezet.

3.2.2.3

Afleiding stormopzet voor Lauwersoog KNMI heeft een regressiemodel opgesteld waarmee de windopzet bij Lauwersoog en Delfzijl kan worden ingeschat op basis van de wind op de Noordzee. De methode van het Timmerman windvakkenmodel (1977) is gebruikt om de opzet te bepalen voor een beperkt aantal kuststations van Nederland (van den Brink, 2005). Voor het gebruik van dit model in deze studie waren enkele aanpassingen noodzakelijk. Het Timmerman model maakt gebruik van grote vakken waarin de gemiddelde windsnelheid en richting bepaald worden die als basis dienen voor de berekening van de opzet. De gebruikelijke indeling van deze vakken wijkt echter af van de gebieden waarvoor in deze studie de windsnelheid en -richting zijn bepaald. Ook bleek dat Timmerman voor Lauwersoog geen opzetbepaling had gedaan.


9 van 27


Bij de aanpassingen is de nadruk gelegd op het vinden van een goede overeenkomst tussen parameterisatie en waarnemingen voor de bovengemiddelde opzet, omdat juist in dergelijke situaties de vrije, gravitatie gedomineerde, spuiing of afvoer wordt belemmerd. De parameterisatie van het model dat de opzet berekent, is gegeven in de onderstaande vergelijking en heeft twee vrije parameters A en B: 𝑤𝑖𝑛𝑑𝑠𝑛𝑒𝑙ℎ𝑒𝑖𝑑 2 2𝜋 (𝑤𝑖𝑛𝑑𝑟𝑖𝑐ℎ𝑡𝑖𝑛𝑔 + 𝐵)� 𝑂𝑝𝑧𝑒𝑡 = 0.1 ∗ � � ∗ 𝐴 ∗ sin � 30.87 360

waarin de opzet is uitgedrukt in meters [m], de windsnelheid is uitgedrukt in [m/s] en windrichting in hele graden t.o.v. het noorden. De factor 0.1 is noodzakelijk omdat de oorspronkelijke Timmermanvergelijking in decimeter was. De factor 30.87 is gelijk aan 60 knopen, de windsnelheid die Timmerman heeft gebruikt bij het fitten van een sinusfunctie aan de opzetwaarden.

Figuur 3.5 Repro-model voor windopzet voor Lauwersoog

Door optimalisatie van de vrije parameters is de bovengemiddelde opzet van de stations Delfzijl en Lauwersoog zo goed mogelijk benaderd. Door de beperkte vrijheidsgraden die de twee vrije parameters bieden is het niet mogelijk om de opzet in zijn geheel goed te beschrijven. De optimalisatie van de parameterisatie is toegepast op het gemiddelde van de 16 RACMO realisaties. Figuur 3.5 toont de parameterisatie voor meetpunten Lauwersoog gemiddeld voor de 16 model realisaties, vergeleken met de waarnemingen. De waarneemreeks voor Lauwersoog is van 2000 tot 2013, de model members zijn representatief voor de periode 1951 tot 2000.

10 van 27



3.2.3

Hydrologisch en hydraulisch modelinstrumentarium Het hydrologische en hydraulische modelinstrumentarium is bij het waterschap reeds beschikbaar en in gebruik voor sturingsdoeleinden. Het modelinstrumentarium draait binnen FEWS Noorderzijlvest en genereert uurlijks operationele sturingsadviezen. Voor validatie van het model verwijzen we naar de rapportage binnen het project “Operationalisering Sturing Noorderzijlvest”, project 1206627. Dit modelinstrumentarium heeft Deltares in een losstaande, stand-alone FEWS applicatie gezet en de invoer vanuit het RACMO model ingevoerd. Daarnaast is een reeks van 10 minutenwaarden van het astronomisch getij voor Lauwersoog ingevoerd (aangeleverd door de Helpdesk Water, zie details in bijlage B). Gezien het beschikbare modelinstrumentarium zijn we er van uit moeten gaan dat het astronomisch getij geen invloed heeft op de windopzet. De neerslag geldt als gebiedsgemiddelde neerslag en is daarom één-op-één in SOBEK-RR overgenomen. Dit geldt ook voor de actuele verdamping. Omdat SOBEK-RR rekent met potentiele verdamping en gewasfactoren, zijn deze in SOBEK gecorrigeerd: de gewasfactoren zijn op 1 gezet. Vanwege het gebruik van CAPSIM is binnen SOBEK de verdampingsreductie niet volledig uit te zetten en wordt de verdamping alsnog gereduceerd in het geval het bodemvochtgehalte afneemt. Gezien de geringe fout die dit oplevert, leek ons dit binnen het kader van deze verkenning acceptabel. Sowieso treden de meeste maatgevende gebeurtenissen op tijdens perioden in het jaar dat er toch al weinig verdamping is. Hierbij speelt ook dat neerslagafvoermodellen vaak (en in ieder geval ook SOBEK-RR) last hebben van het minder goed kunnen doorrekenen van droge perioden. Ze drogen vaak te sterk uit, waardoor het langer duurt voordat er weer representatieve afvoeren worden berekend. Een beetje extra verdampingsreductie kan dus geen kwaad. De Electraboezem, het Lauwersmeer en alle kunstwerken (schilgemalen, boezemgemalen en spuimiddelen) worden gerepresenteerd door het RTC-Tools model. Voor de interpretatie van de resultaten is het van belang om te onderkennen dat de capaciteit van de boezemgemalen redelijk ongevoelig is voor de opvoerhoogte. In het model is hier dan ook geen rekening mee gehouden. Dit betekent per saldo dat er op de boezem geen enkel effect van coïncidentie tussen neerslag en stormopzet merkbaar zal zijn. Dit is alleen merkbaar op het Lauwersmeer zelf, omdat zelfs in de meest extreme omstandigheden het wateroverschot altijd zal worden weggepompt uit Schil 3 naar het Lauwersmeer. Wateroverlast zal dan met name rondom het Lauwersmeer optreden. Naast de boezemgemalen van Noorderzijlvest wordt ook door middel van spuisluizen (bij Friesche Sluis en Dokkumer Nieuwe Zijlen) vanuit de boezem van Wetterskip Fryslân geloosd op het Lauwersmeer. Dit kunnen ook forse debieten zijn. Als op een gegeven moment de waterhoogte op het Lauwersmeer hoger is dan in de Friese boezem, wordt de afvoer gestremd. In het model zijn we – conform eerder uitgevoerde maatgevende hoogwaterstudies – uitgegaan van een constante (en altijd ongestremde) afvoer vanuit wetterskip. Merk op dat dit sterk vereenvoudigd en niet realistisch is. Deze keuze is puur gemaakt vanwege de consistentie met eerdere berekeningen.


11 van 27


Deze aangenomen afvoeren zijn: -

3.2.4

Dokkumer Nieuwe Zijlen: Friesche Sluis:

60 m3/s 10 m3/s

Berekeningsresultaten Binnen het FEWS instrumentarium worden de berekeningsresultaten (met 5 minuten tijdstap in het hydraulische model) geaggregeerd naar gemiddelde uurwaarden en dan opgeslagen. Op deze manier neemt de hoeveelheid aan resultaten significant af, maar kunnen de resultaten nog wel goed worden beoordeeld. Zo kan precies worden geanalyseerd welke weersituatie leidt tot een bepaalde maatgevende situatie op de boezem en het Lauwersmeer. Verder wordt de statistiek van de berekende maatgevende waterstanden weergegeven door middel van Gumbel plots op twee locaties: het Lauwersmeer en Oude Riet (in Schil 3).

3.2.5

Klimaatscenario’s Met het EC-Earth / RACMO modelinstrumentarium heeft KNMI zoals hiervoor al beschreven ook de periode 2026-2075 doorgerekend, waarmee dus het klimaat van omstreeks 2050 kan worden afgeleid. In deze berekening is uitgegaan van scenario RCP-8.5 voor GHGs (greenhouse gasses) en aerosol concentraties. Net als voor het huidige klimaat betreft dit weer een ensemble van 16 realisaties van het weer over deze periode. Het weer is hier beschreven in termen van neerslag, verdamping en windopzet. Het astronomisch getij is voor de klimaatrun gelijk gehouden. Wel is de gemiddelde zeespiegelstijging meegenomen als algehele verhoging van het astronomisch getij. Eventuele effecten van de zeespiegelstijging op de hoogte van de getijde-amplitude zijn nog niet voldoende nauwkeurig bekend en zijn daarom genegeerd. Het effect van zeespiegelstijging is verkend voor de door KNMI aangegeven bandbreedte van 15 tot 40 cm.

3.3

Randvoorwaarden en beperkingen van deze aanpak Voor de volledigheid benoemen we hier nogmaals de aannames en beperkingen van de gehanteerde aanpak: 1

In het kader van deze studie is alleen gekeken naar de resultaten van de combinatie van EC-Earth (als globaal klimaatmodel) en het RACMO model (als regionaal klimaatmodel). Resultaten van andere modellen zijn niet meegenomen.

2

Ongehinderde (constante) afvoeren vanuit Wetterskip Fryslân.

12 van 27



4 Resultaten en discussie Resultaten Oude Riet Allereerst tonen we de resultaten van meetpunt Oude Riet op Schil 3. Dit punt is (in de berekeningen) ongevoelig voor eventuele coïncidentie van neerslag en windopzet, doordat het wordt bemalen door de boezemgemalen H.D. Louwes en De Waterwolf. Beide gemalen zijn niet significant gevoelig voor de actuele opvoerhoogte, zodat dit niet is gemodelleerd en waardoor het effect van eventuele beperkte lozingscapaciteit vanuit het Lauwersmeer naar de Waddenzee nihil is. De berekende extreme waterhoogtes zijn in Figuur 4.1 en Tabel 4.1 weergegeven. Het “Flood Level” toont de hoogste alarmgrens, waarbij de kritische waterhoogte wordt overschreden en daadwerkelijke inundaties optreden. In Figuur 4.1 zijn tevens de resultaten van de meest recente officiële berekeningen getoond zoals uitgevoerd door Arcadis voor de jaren 2015 en 2050. Het valt op dat de resultaten van Arcadis voor het huidige klimaat substantieel hoger liggen dan volgens RACMO. Dit kan komen door het gebruik van verschillende perioden: RACMO gebruikt de periode 1951 t/m 2000 terwijl Arcadis als referentie de periode 1906 t/m 2010 gebruikt. Voor de klimaatrun met 40 cm zeespiegelstijging zijn de resultaten meer in lijn met elkaar. Oude Riet (Schil 3) 0.9 0.8

RACMO current climate

0.7

climate 2050, 15cm SLR climate 2050, 40cm SLR

0.6

Flood Level

0.5

Arcadis, huidig 2015 0.4

Water Level [m MSL]

4.1

Arcadis, klimaat 2050 0.3 0.2 0.1 0 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 -0.5 -0.6 1

10 100 Average return period [years]

1000

Plot position: Weibull Run 10: 20150123

Figuur 4.1 Maatgevende waterhoogtes voor locatie Oude Riet op Schil 3.


13 van 27


Opvallend zijn de extreem hoge waterstanden die worden berekend voor T=800 jaar. Met name in de klimaatrun is dit niet eens meer realistisch, aangezien dan op vele plaatsen het water over de kades zou zijn gestroomd. Zie ook paragraaf 4.3 waar wordt ingezoomd op een aantal van deze gebeurtenissen. Tabel 4.1

Maatgevende waterhoogtes (m+NAP) voor locatie Oude Riet op Schil 3

Scenario Huidig 2050, 15 cm SLR 2050, 40 cm SLR

T=10 jaar -0.290 -0.223 -0.207

T=25 jaar -0.166 -0.159 -0.114

T=50 jaar -0.105 -0.096 -0.049

T=100 jaar -0.048 0.005 0.072

T=300 jaar 0.065 0.123 0.199

Het verschil tussen de beide zeespiegelscenario’s (15 en 40 cm) is goed te verklaren, ondanks het feit dat de boezemgemalen ongevoelig zijn voor de opvoerhoogte. Naast de boezemgemalen is er namelijk ook mogelijkheid tot vrije lozing bij de gemalen, indien de waterhoogte op het Lauwersmeer lager is dan in de boezem. Bij meer zeespiegelstijging is de lozing naar de Waddenzee minder, waardoor de waterhoogtes op het Lauwersmeer hoger zullen zijn en dus de kans op vrije lozing vanuit de boezem naar het Lauwersmeer lager is. In de toekomst zullen de buitenwaterstanden als gevolg van de globale zeespiegelstijging continu hoger zijn. Dit heeft grotere gevolgen voor de optreden waterhoogtes in het Lauwersmeer dan de windopzet, omdat windopzet relatief kort duurt.

4.2.1

Resultaten Lauwersmeer Samenvatting van berekende maatgevende waterhoogtes Allereerst geven we de resultaten van de normale berekeningen waarin de coïncidentie wel is meegenomen. Deze zijn in Figuur 4.2 weergegeven. Evenals bij Oude Riet is hier duidelijk een effect van klimaatverandering zichtbaar. Dit effect is uiteraard veel sterker omdat hier de zeespiegelstijging een veel directer effect heeft op de lozingsmogelijkheden. Lauwersmeer, summary 0.7

current climate

0.6

climate 2050, 15cm slr

0.5

climate 2050, 40cm slr

0.4

Water Level [m MSL]

4.2

Flood Level

0.3 0.2 0.1 0 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 1

10

100 Average return period [years]

1000


Figuur 4.2 Maatgevende waterhoogtes voor gemiddelde waterhoogte op het Lauwersmeer

14 van 27



Tabel 4.2

Maatgevende waterhoogtes (m+NAP) voor Lauwersmeer voor de berekeningen met en zonder coïncidentie, alsook het verschil tussen beide berekeningsresultaten

Scenario Huidig

2050, 15 cm

2050, 40 cm

Coïnc. Met Zonder Verschil Met Zonder Verschil Met Zonder Verschil

T=10 jaar -0.010 -0.076 0.066 0.061 0.028 0.033 0.240 0.206 0.035

T=25 jaar 0.053 -0.004 0.057 0.142 0.095 0.048 0.324 0.276 0.048

T=50 jaar 0.112 0.037 0.075 0.181 0.144 0.038 0.397 0.320 0.077

T=100 jaar 0.152 0.099 0.053 0.238 0.188 0.050 0.449 0.366 0.084

0.10

Huidig Verschil

0.09

2050, 15 cm Verschil

0.08

Effect Coincidentie (m)

T=300 jaar 0.237 0.202 0.035 0.338 0.246 0.092 0.536 0.450 0.086

2050, 40 cm Verschil

0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0.00 T=10 jaar

T=25 jaar

T=50 jaar

T=100 jaar

T=300 jaar

Figuur 4.3 Verschil (uitgedrukt in meters) tussen berekening zonder en met coïncidentie voor het Lauwersmeer

In Tabel 4.2 en Figuur 4.2 zijn de verschillen tussen de berekeningen weergegeven. Dit verschil is in feite de maat voor het effect van coïncidentie op het watersysteem van Noorderzijlvest, uitgedrukt in een extra waterhoogte. Dit effect ligt grofweg op 5 cm, maar varieert sterk in de klimaatscenario’s. In de klimaatscenario’s is wel duidelijker een trend zichtbaar: in de meer extreme gebeurtenissen neemt het effect van coïncidentie toe. In het algemeen kan worden gesteld dat bij zeespiegelstijging het effectieve bufferende vermogen van het Lauwersmeer afneemt. Daarmee neemt per saldo het effect van coïncidentie toe. Tabel 4.3

Effect op kansen (uitgedrukt in gemiddelde herhalingstijden) bij meenemen van coïncidentie voor Lauwersmeer

Scenario Huidig 2050, 15 cm 2050, 40 cm

T=10 jaar 6 7 7

T=25 jaar 11 14 15

T=50 jaar 19 26 23

T=100 jaar 48 57 39

T=300 jaar 120 120 104

Een andere manier om de mate van coïncidentie te kwantificeren is het uitdrukken in termen van kansen. Momenteel worden maatgevende hoogwaterstanden uitgerekend zonder uit te


15 van 27


gaan van coïncidentie. Als coïncidentie wel zou worden meegenomen wijzigt bijvoorbeeld een T=100 waterhoogte naar een T=48 jarige waterhoogte voor het huidige klimaat. De resultaten van deze vergelijking staan in Tabel 4.3. Gemiddeld genomen kan worden gesteld dat de herhalingstijden halveren en dus de kansen verdubbelen! In termen van waterstandverschillen is het effect klein, maar in termen van verandering in kans op voorkomen is het effect groot. Dat betekent dat er weinig gevoeligheid is voor wijziging in extreme omstandigheden: immers het leidt maar tot een kleine verandering in extreme waarden. Daarmee kunnen we concluderen dat het watersysteem een zeer robuust systeem is. In termen van waterbeheer zou het waterschap zich dan ook vooral kunnen richten op het op orde te houden om de keringen wat betreft stabiliteit en minder op de hoogte van de keringen. Immers, extra hoogte geeft direct een enorme extra veiligheid, die niet altijd nodig is. Verder kan worden gesteld dat de kritieke maatgevende situaties niet zozeer afhangen van maximaal optredende waterhoogtes op de Waddenzee, maar juist van het gedurende langere tijd niet kunnen lozen vanuit het Lauwersmeer als gevolg van te hoge waterstanden tijdens eb. In Figuur 4.4 worden hiervan enkele voorbeelden gegeven. Dit is juist ook de reden dat tijdens extremere omstandigheden dit samenvallen een grotere rol gaat spelen.

Figuur 4.4 Vier willekeurige voorbeelden van gebeurtenissen met hoge waterstand op het Lauwersmeer (rode lijn), altijd het gevolg van het missen van meerdere achtereenvolgende spuimogelijkheden door hoge buitenwaterstanden (zwarte lijn)

16 van 27



Nadere analyse huidig klimaat In Figuur 4.5 tonen we het resultaat voor het huidige klimaat. De blauwe punten geven het resultaat van de berekening, waarin coïncidentie impliciet is meegenomen. De grijze punten tonen de mediaan van de geshuffelde berekening, waarin coïncidentie geforceerd is uitgezet. De grijze band toont de standaarddeviatie van de shuffles. Figuur 4.6 toont daarnaast het resultaat van een berekening waarin de stormopzet is uitgeschakeld. Effectief is er dus alleen het astronomisch getij. Omdat er dan altijd ongehinderde spuimogelijkheden zijn, is er geen enkel probleem.

Figuur 4.5 Waterhoogtes op het Lauwersmeer voor het huidig klimaat volgens RACMO (dus met coïncidentie) vergeleken met de shuffles (zonder coïncidentie) Lauwersmeer, current climate 0.7

RACMO reference

0.6 no surge

0.5 0.4

median of 10 shuffles

0.3

Water Level [m MSL]

4.2.2

Flood Level

0.2 0.1 0 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 -0.5 -0.6 1

10

100

1000

Average return period [years]


Figuur 4.6 Waterhoogtes op het Lauwersmeer voor het huidig klimaat volgens RACMO (dus met coïncidentie) vergeleken met de mediaan van de shuffles (zonder coïncidentie) en een berekening zonder windopzet op de Waddenzee (en derhalve nooit een gestremde lozing)


17 van 27


Nadere analyse klimaatrun met 15 cm zeespiegelstijging Vergelijkbaar met de voorgaande figuren met de detailresultaten voor het huidig klimaat geven Figuur 4.7 en Figuur 4.8 de resultaten weer voor de klimaatrun van 2050 met 15 cm zeespiegelstijging.

Figuur 4.7 Waterhoogtes op het Lauwersmeer voor het klimaat 2050 met 15 cm zeespiegelstijging volgens RACMO (dus met coïncidentie) vergeleken met de shuffles (zonder coïncidentie) Lauwersmeer, climate 2050, 15 cm sea level rise 0.7

RACMO reference

0.6 0.5

no surge

0.4 median and stdev 10 shuffles

0.3

Water Level [m MSL]

4.2.3

0.2

Flood Level

0.1 0 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 -0.5 -0.6 1

10

100 Average return period [years]

1000


Figuur 4.8 Waterhoogtes op het Lauwersmeer voor het klimaat 2050 met 15 cm zeespiegelstijging volgens RACMO (dus met coïncidentie) vergeleken met de mediaan van de shuffles (zonder coïncidentie) en een berekening zonder windopzet op de Waddenzee (en derhalve nooit een gestremde lozing)

18 van 27



Nadere analyse klimaatrun met 40 cm zeespiegelstijging Vergelijkbaar met de voorgaande figuren met de detailresultaten voor het huidig klimaat geven Figuur 4.9 en Figuur 4.10 de resultaten weer voor de klimaatrun van 2050 met 40 cm zeespiegelstijging.

Figuur 4.9 Waterhoogtes op het Lauwersmeer voor het klimaat 2050 met 40 cm zeespiegelstijging volgens RACMO (dus met coïncidentie) vergeleken met de shuffles (zonder coïncidentie)

Lauwersmeer, climate 2050, 40 cm sea level rise 0.7 RACMO reference 0.6 0.5

no surge

0.4 median and stdev 10 shuffles

0.3

Water Level [m MSL]

4.2.4

0.2

Flood Level

0.1 0 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 -0.5 -0.6 1

10

100

1000

Average return period [years]

Figuur 4.10


Waterhoogtes op het Lauwersmeer voor het klimaat 2050 met 40 cm zeespiegelstijging volgens RACMO (dus met coïncidentie) vergeleken met de mediaan van de shuffles (zonder coïncidentie) en een berekening zonder windopzet op de Waddenzee (en derhalve nooit een gestremde lozing)


19 van 27


4.3

Details van enkele hoogwaters In paragraaf geven we enkele voorbeelden van situaties die in meer of mindere mate leiden tot maatgevende waterhoogtes. Figuur 4.11 toont zo’n maatgevende gebeurtenis, de hoogste voor de berekening van het huidige klimaat. In de dagen voor 9 oktober valt zo’n 40 mm neerslag, gevolgd door nog eens 60 mm vanaf 11 oktober. Als gevolg van windopzet worden twee spuicycli gemist en effectief ook de twee daarop volgende. Dan is er één beperkte spuimogelijkheid waarna opnieuw vier spuimogelijkheden worden gemist.

Figuur 4.11

Neerslag (uurwaarden) met daaruit volgende waterhoogtes op het Lauwersmeer voor het huidig klimaat voor de berekende situatie rond 15 oktober 2009

Figuur 4.12 toont hetzelfde symptoom voor een situatie in 2629. Echter, het neerslagvolume tijdens deze gebeurtenis is significant hoger, met name rond 25 november. Toch zijn de optredende waterhoogtes lager dan de dagen ervoor, juist omdat er wel goed kan worden gespuid. Figuur 4.13 toont dit nog duidelijker: er is geen enkele significante stijging op het Lauwersmeer omdat goed kan worden gespuid. In het algemeen wordt uit analyse van de individuele gebeurtenissen duidelijk dat juist die weersystemen leiden tot maatgevende omstandigheden waarbij een krachtig front uit het Noordwesten leidt tot veel neerslag in combinatie met windopzet van het Noordzeebekken. Er trekt dan een diepe depressie over de Noordzee (of een treintje van twee) waarbij aan de achterzijde van de depressie gedurende langere tijd (orde dagen) een krachtige westelijke tot noordwestelijke/noordelijke stroming staat. De fronten die geassocieerd zijn met de (depressie) of depressies brengen veel regen in Noordwest-Nederland. Die regenval gaat voor de wind uit. De neerslag en stormopzet zijn op zichzelf niet uitzonderlijk (bijvoorbeeld orde T=10 jaar) maar leiden gecombineerd tot maatgevende condities. 20 van 27



Figuur 4.12

Neerslag (uurwaarden) met daaruit volgende waterhoogtes op het Lauwersmeer voor het huidig klimaat voor de berekende situatie rond 25 november 2629

Figuur 4.13

Neerslag (uurwaarden) met daaruit volgende waterhoogtes op het Lauwersmeer voor het huidig klimaat voor de berekende situatie rond 15 juli 2646


21 van 27


Ten slotte valt op dat veel van de berekende hoogwaterperioden optreden in het najaar. We hebben dit in het kader van het onderzoek niet verder kunnen analyseren. Wat zijn bijvoorbeeld de meteorologische condities en zijn deze typisch voor het najaar? Wel is duidelijk te zien dat het astronomisch getij bij Lauwersoog over het jaar heen gemiddeld in het najaar leidt tot minder lage laagwaters en derhalve tot minder spuimogelijkheden. Dit wordt geïllustreerd in Figuur 4.14 waarin het gemiddelde dagelijks minimum van de dag in het jaar is weergegeven. Uit de figuur blijkt dat de laagwaters in de periode oktober-november-december gemiddeld 30 cm hoger uitvallen dan in de periode rond mei. Ten opzichte van het streefpeil betekent dit grofweg een halvering van de spuicapaciteit. -0.50 -0.60 -0.70

waterhoogte [m NAP]

-0.80

streefpeil Lauwersmeer

-0.90 -1.00 -1.10 -1.20 -1.30 -1.40

Figuur 4.14

Dec

Nov

Oct

Sep

Aug

Jul

Jun

May

Apr

Mar

Feb

Jan

-1.50

Verloop van de laagwaters (blauwe lijn, getoond als laagste dagelijkse waterhoogtes) over het jaar. Ter illustratie ook het streefpeil van het Lauwersmeer (rode lijn).

De jaarlijkse gang van het getij is een bekend gegeven, dat – voor zover bekend - nooit is meegenomen in faalkansanalyses. De consequentie van deze jaarlijkse gang is dat de windopzet in de maanden oktober-januari sneller een rol van betekenis speelt, zeker ook omdat dit de maanden zijn waarin stormen relatief vaak voorkomen. Dit effect wordt nog eens extra versterkt bij doodtij, waarbij de laagwaters tot circa NAP-0.80m komen (niet getoond in de grafiek). Nadere analyse naar de samenhang tussen het getij en het voorkomen van hoogwaters is daarom gewenst.

22 van 27



5 Conclusies en aanbevelingen 5.1

Kader van het onderzoek Met behulp van de combinatie van het EC-Earth model voor het wereldwijde klimaat, het RACMO model voor het regionale klimaat en het operationele watersysteemmodel van Noorderzijlvest is verkend wat de gevolgen zijn het van het samenvallen van extreme neerslag en verhoogde buitenwaterstanden voor extreme waterhoogtes in het onderzoeksgebied. Het betreft nadrukkelijk een verkenning omdat de resultaten zijn gebaseerd op één combinatie van een globaal en een regionaal klimaatmodel. Hiermee wordt direct een belangrijke beperking van deze verkenning duidelijk: de berekende coïncidentie is zeer sterk afhankelijk van hoe correct de meteorologie wordt gesimuleerd. Als die niet juist is, staan ook de conclusies van dit onderzoek op losse schroeven. In het kader van deze studie is geen vergelijkbaar onderzoek gedaan naar andere meteorologische modellen. Wel is het klimaatmodel voor het huidige klimaat met behulp van biascorrectie zo goed mogelijk representatief gemaakt voor het huidige klimaat.

5.2

Conclusies Binnen het kader van dit onderzoek kunnen we uit de resultaten de volgende conclusies trekken ten aanzien van de onderzoeksvragen: 1

Welke fysische randvoorwaarden leiden tot relevante coïncidenties? In het kader van dit onderzoek is alleen de eventuele relatie tussen stormopzet en neerslag onderzocht. Uit analyse van de individuele gebeurtenissen blijkt dat die weersystemen leiden tot maatgevende omstandigheden waarbij een krachtig front uit het Noordwesten leidt tot veel neerslag in combinatie met windopzet van het Noordzeebekken. Er trekt dan een diepe depressie over de Noordzee (of een treintje van twee) waarbij aan de achterzijde van de depressie gedurende langere tijd (orde dagen) een krachtige westelijke tot noordwestelijke/noordelijke stroming staat. De fronten die geassocieerd zijn met de (depressie) of depressies brengen veel regen in Noordwest-Nederland. Die regenval gaat voor de wind uit. De neerslag en stormopzet zijn op zichzelf vaak niet uitzonderlijk (bijvoorbeeld orde T=10 jaar) maar leiden gecombineerd juist wel tot maatgevende condities.

2

Verandert de statistiek van coïncidentie in de toekomst? Op basis van de resultaten kan hier geen stellige uitspraak over worden gedaan. Er lijkt een lichte toename te zijn in de berekeningsresultaten, maar deze is in ieder geval niet significant.


23 van 27


3

Is coïncidentie voldoende verrekend in de huidige maatgevende normen? Voor het beheersgebied van waterschap Noorderzijlvest lijkt het effect van coïncidentie mee te vallen. Het effect is circa 5cm op de T=100 waterhoogte van het Lauwersmeer. Echter, andersom geredeneerd neemt de kans op het overschrijden van de T=100 waterhoogte significant toe: de kans wordt circa 2x zo groot. Dit geringe effect kan worden verklaard door het feit dat het Lauwersmeer juist boven NAP erg veel bergingsruimte heeft. Dit heeft een sterk dempend effect op de optredende waterhoogtes. Op plekken waar een dergelijke dempend reservoir niet aanwezig is kunnen de effecten van coïncidentie en zeespiegelstijging veel groter zijn. Het effect van zeespiegelstijging op de waterhoogtes is ook veel sterker dan het effect van de hier onderzochte verandering in klimaat en het optreden van samenvallende gebeurtenissen in de toekomst. We verwachten dit duidelijke effect van samenvallende extreme gebeurtenissen met name in watersystemen die een sterke relatie hebben met de zeewaterstanden. Als die er niet is, is er geen effect.

Hiernaast kunnen we concluderen dat het Lauwersmeer een buitengewoon robuust watersysteem is dat maar weinig gevoelig is voor wijzigingen in extreme omstandigheden. Dat komt door de grote bufferende capaciteit van het Lauwersmeer.

5.3

Aanbevelingen Na het uitvoeren van deze verkenning komen we tot de volgende aanbevelingen: 1

De verkenning is uitgevoerd op basis van de circulatiepatronen zoals berekend met het globaal klimaatmodel EC-Earth en vervolgens lokaal verfijnd met het regionale RACMO model. Onbekend is nu in hoeverre andere globale weermodellen een vergelijkbare of juist andere mate van coïncidentie beschrijven. We adviseren daarom een aanvullende analyse uit te voeren met andere globale klimaatmodellen (GCMs) uit het CMIP5 model ensemble, omdat die modellen wel eens een circulatiestatistiek kunnen hebben die sterk afwijkt van het EC- Earth model.

2

De biascorrectie van de neerslag in RACMO heeft veel inspanning gevergd. De statistiek van de gebiedsgemiddelde neerslag komt daarmee overeen met de statistiek van de metingen voor de beschikbare meetperiode. We adviseren om deze statistiek te vergelijken met de nieuwe neerslagstatistiek die het resultaat zal zijn van de lopende herziening door KNMI en HKV in opdracht van STOWA.

3

In de berekeningen is nu uitgegaan van een continue afvoer vanuit het Wetterskip Fryslân. Dit betekent een forse overschatting van de afvoer, juist tijdens extreme waterhoogtes op het Lauwersmeer. We adviseren om dit in een eventueel vervolgproject te verbeteren door het modelinstrumentarium van het Wetterskip te koppelen met dat van Noorderzijlvest.

24 van 27



4

Na het uitvoeren van de berekeningen is een schat aan informatie beschikbaar waarop nog veel meer analyses kunnen worden uitgevoerd. Het huidige onderzoek heeft zich volledig gericht op het samenvallen van stormopzet en neerslag. Andere maatgevende condities (zoals neerslag bij extreem natte voorgeschiedenis) zijn niet onderzocht, maar hebben mogelijk een zelfde effect op de maatgevende waterhoogtes. Deze analyse kan al direct op de huidige berekeningsresultaten plaatsvinden. Een andere mogelijke analyse betreft een verkenning van het effect van volledige coïncidentie, waarbij tijdens extreme neerslag altijd ook extreme windopzet plaatsvindt. Beide parameters zijn dan volledig gecorreleerd. In de huidige studie hebben we alleen de ondergrens onderzocht door coïncidentie uit te schakelen, maar het is nog steeds onbekend wat volledige correlatie voor effect heeft. Als laatste noemen we de constatering dat de jaarlijkse gang van het astronomisch getij zodanig varieert (circa 30 cm) dat deze van invloed kan zijn op de spuimogelijkheden (Figuur 4.14). Nadere analyse naar de samenhang tussen het getij en het voorkomen van hoogwaters is daarom gewenst.

5

Het gebruik van klimaatmodellen opent een deur naar nieuwe toepassingen zoals studies over het effect van “toekomstig weer” op allerlei aspecten van het waterbeheer. Dit kan zowel in de vorm van voorbeelden van extreem weer (neerslag, droogte, effecten op waterkwaliteit) als ook voorbeeldjaren. We adviseren om een enkele jaren uit de toekomst te nemen en dan beschrijvend proberen te duiden wat we tegenkomen, zowel wat betreft droogte als extreem nat. Hoe ziet zo’n jaar eruit? Wat voor verschillende typen weer kun je verwachten als waterbeheerder? In hoeverre kunnen we voor zo’n jaar in de toekomst kwantificeren wat we kunnen bereiken met water vasthouden tijdens droogte en anticiperen tijdens natte omstandigheden?


25 van 27


6 Referenties Klimaatscenarios

http://www.klimaatscenarios.nl/images/Brochure_KNMI14_NL.pdf

Sobek

https://www.deltares.nl/en/software/sobek/

RTC-Tools

http://oss.deltares.nl/web/rtc-tools

Delft-FEWS

http://oss.deltares.nl/web/delft-fews

Deltares, 2012

memo “Effect coïncidentie op waterstanden in het boezemsysteem”, 18 juni 2012

Deltares, 2014

memo “Gekoppelde coïncidentie-berekening Noorderzijlvest Friesland”, kenmerk 1206627-000-ZWS-0025, 5 september 2014

Deltares, 2015

“Sturing Fivelingo en Electraboezem”, project 1206627

Brink, 2005

Extreme winds and sea-surges in climate model University of Utrecht.

Timmerman,1977

Meteorological effects on tidal heights in the North Sea. KNMI.

en

Hazeleger, W., and Coauthors, 2012: EC-Earth V2.2: description and validation of a new seamless earth system prediction model. Clim. Dyn., 39, 2611– 2629, doi:10.1007/s00382011-1228-5. Van Meijgaard, E., L. H. Van Ulft, W. J. Van de Berg, F. C. Bosveld, B. J. J. M. Van den Hurk, G. Lenderink, and A. P. Siebesma, 2008: The KNMI regional atmospheric climate model RACMO, version 2.1. KNMI, http://www.knmi.nl/research/regional_climate/uploads/models/FinalReport_CS06.pdf Van Meijgaard E, Van Ulft L H, Lenderink G, De Roode S R, Wip ﬂ er L, Boers R and Timmermans R 2012 Reﬁnement and application of a regional atmospheric model for climate scenario calculations of Western Europe Final Report, National Research Programme Climate Changes Spatial, Planning KvR 054/12 pp 1 – 44 Attema, J.J. en G. Lenderink, The influence of the North Sea on coastal precipitation in the Netherlands in the present-day and future climate Clim. Dyn., 2014, 42, 1, 505-519, doi:10.1007/s00382-013-1665-4.


27 van 27


A Analysis of a compounding surge and precipitation event in the Netherlands Uit: Environmental Research Letters, volume 10 – number 3. Special issue Knowledge for Climate. http://iopscience.iop.org/1748-9326/10/3/035001/pdf/1748-9326_10_3_035001.pdf


A-1


B Getij-informatie Lauwersoog Onderstaande informatie is verkregen via de Helpdesk Water. De harmonische componenten zijn bepaald uit de waargenomen uurlijkse waterstanden van 2003 t/m 2006, met uitzondering van de langzame componenten Sa en SM en de middenstand. De middenstand van NAP + 3 cm is het zg. slotgemiddelde 2001.0 : de aflezing op een trendlijn door de jaargemiddelde waterstanden begin 2001. Deze harmonische componenten zijn gebruikt voor de reguliere getijvoorspellingen 2009 t/m 2014. Voor de reguliere getijvoorspellingen voor 2015 zijn nieuwe getijanalyses, op de waarnemingen 2009 t/m 2012, gebruikt, en hierin zijn voor de middenstand de nieuwe slotgemiddelden 2011.0 ( voor Lauwersoog: NAP + 4 cm ) aangehouden. * Anal y se over 2003 t / m 2006 Gebr ui k t v oor get i j v oor s pel l i ngen 2009 t / m 2014 * SA en SM ui t ber . ov er 1976. . . 1994 c . q. her l ei d * St at i on LAUWOG = Lauwer s oog STAT LAUWOG WATHTE NAP c m 1 PERD 20030101 0000 20061231 2300 60 CODE 3 MI DD 3. 000 NCOM 94 COMP 1 . 041069 10. 590 222. 50 SA COMP 6 1. 015896 2. 680 15. 00 SM COMP 17 13. 398661 3. 251 163. 05 Q1 COMP 20 13. 943036 8. 889 228. 64 O1 COMP 24 14. 492052 1. 057 206. 05 M1C COMP 33 14. 958931 2. 634 27. 71 P1 COMP 34 15. 000000 . 727 359. 46 S1 COMP 35 15. 041069 7. 108 21. 72 K1 COMP 47 26. 870175 1. 427 127. 34 3MKS2 COMP 48 26. 952313 2. 680 129. 78 3MS2 COMP 49 27. 341696 . 771 182. 01 OQ2 COMP 51 27. 423834 2. 157 358. 47 MNS2 COMP 52 27. 496687 1. 813 168. 13 2ML2S2 COMP 54 27. 886071 3. 387 210. 43 NLK2 COMP 56 27. 968208 9. 320 12. 78 MU2 COMP 59 28. 439730 16. 497 260. 19 N2 COMP 60 28. 512583 6. 264 247. 46 NU2 COMP 63 28. 901967 1. 575 84. 18 MSK2 COMP 64 28. 943036 4. 313 330. 72 MPS2 COMP 65 28. 984104 105. 157 285. 15 M2 COMP 66 29. 025173 . 840 310. 05 MSP2 COMP 67 29. 066241 . 966 79. 41 MKS2 COMP 70 29. 455625 3. 726 292. 83 LABDA2 COMP 71 29. 528479 8. 409 121. 14 2MN2 COMP 76 29. 958933 1. 411 308. 68 T2 COMP 77 30. 000000 27. 710 351. 04 S2 COMP 79 30. 082137 8. 669 348. 91 K2 COMP 80 30. 544375 2. 297 178. 85 MSN2 COMP 85 31. 015896 2. 661 212. 73 2SM2 COMP 86 31. 098033 1. 484 209. 00 SKM2 COMP 92 42. 382765 . 302 31. 40 NO3 COMP 94 42. 927140 1. 047 67. 28 2MK3 COMP 95 43. 009277 . 229 64. 66 2MP3 COMP 97 43. 943036 . 634 138. 74 SO3 COMP 98 44. 025173 . 625 253. 26 MK3 COMP 101 45. 041069 . 326 342. 30 SK3 COMP 104 55. 936417 . 786 218. 26 4MS4 COMP 105 56. 407938 . 977 100. 92 2MNS4 COMP 108 56. 952313 2. 460 116. 49 3MS4 COMP 110 57. 423834 3. 747 14. 83 MN4 COMP 111 57. 496687 1. 548 160. 61 2MLS4 Verkenning coïncidentie voor waterschap Noorderzijlvest - Met behulp van 800 jaar meteorologie voor huidig en toekomstig klimaat

B-1


COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP COMP

B-2

112 113 116 118 119 121 123 128 129 133 134 135 136 138 139 140 142 143 144 145 146 149 151 152 154 156 157 159 161 162 164 165 167 168 169 170 171 174 175 180 181 182 183 184 185 186 187 189 190 191 192 193 195

57. 886071 . 867 215. 36 2MSK4 57. 968208 11. 636 40. 39 M4 58. 512583 2. 171 243. 42 3MN4 58. 984104 7. 507 118. 60 MS4 59. 066241 2. 618 115. 83 MK4 59. 528479 1. 653 312. 22 2MSN4 60. 000000 . 657 259. 21 S4 71. 366869 . 210 16. 61 MNO5 71. 911244 . 417 86. 99 3MK5 72. 927140 . 420 213. 09 2MP5 73. 009277 . 785 245. 26 3MO5 74. 025173 . 240 315. 34 MSK5 74. 107310 . 159 146. 85 3KM5 85. 392042 . 780 279. 32 3MNS6 85. 863563 . 660 155. 52 2NM6 85. 936417 1. 093 297. 15 4MS6 86. 407938 2. 339 181. 39 2MN6 86. 480792 . 968 161. 11 2MNU6 86. 870175 . 641 12. 02 3MSK6 86. 952313 4. 397 210. 78 M6 87. 423834 . 970 267. 25 MSN6 87. 578825 . 283 220. 13 MKNU6 87. 968208 4. 243 274. 09 2MS6 88. 050346 1. 377 272. 35 2MK6 88. 512583 1. 294 111. 47 3MSN6 88. 984104 . 851 354. 34 2SM6 89. 066241 . 563 2. 83 MSK6 100. 350974 . 194 320. 99 2MNO7 101. 449007 . 046 166. 34 M7 101. 911244 . 262 69. 57 2MSO7 114. 847667 . 235 352. 74 2( MN) 8 115. 392042 . 555 20. 08 3MN8 115. 936417 . 717 59. 75 M8 116. 407938 . 467 93. 79 2MSN8 116. 490075 . 161 98. 81 2MNK8 116. 952313 1. 021 112. 06 3MS8 117. 034450 . 292 109. 09 3MK8 117. 968208 . 402 183. 21 2( MS) 8 118. 050346 . 261 184. 96 2MSK8 130. 433111 . 012 26. 26 3MNK9 130. 977486 . 044 298. 87 4MK9 131. 993381 . 095 338. 37 3MSK9 144. 376146 . 249 177. 93 4MN10 144. 920521 . 311 228. 01 M10 145. 392042 . 341 241. 50 3MSN10 145. 936417 . 575 268. 56 4MS10 146. 407938 . 105 332. 22 2( MS) N10 146. 952313 . 355 335. 26 3M2S10 160. 977486 . 030 94. 06 4MSK11 173. 904625 . 118 26. 38 M12 174. 376146 . 189 38. 93 4MSN12 174. 920521 . 261 63. 36 5MS12 175. 936417 . 232 125. 25 4M2S12



C Shuffeling De volgende shuffeling van stormopzet en neerslag is via een randomizer in Excel bepaald. Hierbij geldt:

-

Een shuffle bevat altijd het volledige ensemble van 16 members. Een enkel member wordt dus altijd maar 1x gebruikt. Een member mag toevallig samenvallen met het oorspronkelijke member.

De shuffeling is geïllustreerd in de onderstaande Figuur C.1 en Tabel C.1.

Figuur C.1 Simulaties met RACMO. In Basis behoren neerslag en buitenwater bij elkaar; de shuffles zijn de losgekoppelde berekeningen. Hier zijn als voorbeeld de eerste 4 van de in totaal 10 shuffles getoond. Deze figuur is overgenomen uit memo “Gekoppelde coïncidentie-berekening Noorderzijlvest en Friesland”, kenmerk 1206627-000-ZWS-0025, Deltares en Siebe Bosch HydroConsult, 5 september 2014


C-1


Tabel C.1

Volledig overzicht van alle shuffles met RACMO. In Basis behoren neerslag en buitenwater bij elkaar;

de shuffles zijn de losgekoppelde berekeningen.

Member 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

C-2

Shuffle Basis 1 1 16 2 7 3 4 4 14 5 9 6 10 7 11 8 1 9 12 10 2 11 8 12 5 13 3 14 6 15 13 16 15

2 10 16 7 11 13 15 8 14 4 1 2 12 9 3 5 6

3 7 2 14 15 10 4 3 1 11 16 9 6 12 8 5 13

4 13 2 8 3 9 7 1 11 5 10 6 12 16 15 4 14

5 11 7 5 14 10 16 8 1 2 13 9 3 4 15 12 6

6 8 1 2 9 13 14 3 5 7 16 15 4 10 12 11 6

7 12 14 6 10 4 15 3 1 13 7 9 2 5 11 16 8

8 1 4 16 7 13 12 2 11 14 6 5 8 3 15 10 9

9 12 13 5 9 15 7 4 1 8 6 14 16 2 3 10 11

10 14 7 13 15 3 5 11 9 16 10 12 6 4 8 2 1


Verkenning coïncidentie voor waterschap Noorderzijlvest. Met behulp van 800 jaar meteorologie voor huidig en toekomstig klimaat

Recommend Documents