Bemerkungen zur Veränderlichkeit und Streuung von Seegangsbeobachtungen im Flachwasserbereich

Helgoland Marine Research, May 2019

1. Betrachtet werden Wellenmessungen mit Schwimmergeräten an Meßpfählen vor den deutschen Küsten. Die nach Beobachtungsstellen und in Klassen annähernd einheitlicher Windrichtung und -stärke geordneten Wellengrößen unterliegen einer sehr starken Streuung. Dies wird an Beispielen gezeigt, wobei Gründe angegeben werden. 2. Mittelwerte pro „Windklasse“ streuen gleichfalls, weil die Zahl der Beobachtungen pro Klasse in den meisten Fällen zu gering ist. 3. Kritisiert wird eine vonGienapp (1972) verwendete Methode; mit ihr wurden für Windklassen, für die keine Wellenbeobachtungen vorliegen, Wellengrößen durch Ausgleichung und Extrapolation abgeleitet. 4. Schließlich wird vorgeschlagen, nur Messungen bei ausgewählten Wetterlagen auszuwerten bzw. in Zukunft nur bei bestimmten, ausgewählten Windsituationen zu messen.

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Bemerkungen zur Veränderlichkeit und Streuung von Seegangsbeobachtungen im Flachwasserbereich

Helgol~nder wlss. Meeresunters. Bemerkungen zur Ver inderlichkeit und Streuung yon Seegangsbeobachtungen im Flachwasserbereich H. WALDrN 0 K. RlCrtTrR 0 H. CARLSON 0 0 Deutsches Hydrographisches Institut; Hamburg 4, Bundesrepublik Deutschland Remarks on variability and scattering of wave observations in shallow water areas. Wave data, obtained by measurements off the coast of the Federal Republic of Germany scatter very strongly, even within "classes" of uniform wind conditions present at measuring time. The reasons for the considerable scatter are enumerated and discussed. The method used by GIrNAI'V(1972) for deriving wave properties from strong winds by extrapolation is criticized. It is proposed to conduct wave measurements only during selected, defined weather situations. - ANGABEN UBER DIE STREUUNG DER DATEN Betrachten wir aus den Angaben des D H I (1972b) willkiirlich ausgew~ihlte Ausschnitte; sie sind der ersten und dritten Tabellenseite entnommen (Tab. 1). Die statistisch unzureichende Besetzung bewirkt, dai~ bestimmte Einzelwerte auff~illig aus der zu erwartenden Verteilung herausfa!len. TabeIle 1 Ausschnitte aus Tabellen des DEUTSCHENHYDROGRAPHISCHENINSTITUTS(1972b) Der Ausschnitt yon der ersten Seite, ScharhSrn-Riff, N N E - W i n d (Tab. l a ) , enth~ilt z . B . einen ,Ausschiei~er" des auf einer einzigen Beobachtung beruhenden Wertes fiir die WellenhShe bei Windst~irke 4 und Wasserstand > 6,5 m. M i t 13 crn ist er der kleinste W e r t dieser Spalte tiberhaupt, d . h . kleiner als H.~littet bei den Windst~rken 2 und 3. Auf der dritten Seite, ScharhOrn-Riff, E N E - W i n d (Tab. lb), erscheint fiir HSlittel bei 4 B~ und Was~serstand > 6,5 ein W e r t yon 62 cm; er f~llt an dieser Stelle erheblich nach oben heraus. Allerdings handelt es sich hi er gleichfalls um ein , K o l l e k t i v " der GrSge 1 (es ist nut ein einziger Mef~wert vorhanden). Khnliche F~ille lassen si& in dem Beoba&mngsmateriaI in groger Z a h l finden. lTmttel ist das arithmetis&e Mittel aus siimtli&en in der betreffenden W i n d klasse zur Verfiigung stehenden Fi-Werten, wobei FI die mittlere WellenhShe w~ihrend einer einzelnen, sich tiber eine bestimmte Megzeit erstre&ende Seegangsbeobachtung NE I +'T-i ........... ten: ? dem eingetragenen Wert liegt nur eine Registrierung zugrunde; + Zahl der Reglstrierungen ~ 2; beigefiigte Ziffer (z. B. + 4) bezeichnet die Beaufort-Windst~rke bedeutet. Betrachten wit ftir die Windklasse Stidwest 5* die einzelnen f/Jr die Meflstationen ,,Tonne 16" (vor Btisum) vorliegenden H-Werte; eingeteilt nach 3 Wasserstandsbereichen W" ftir W < 5 m: fiir W > 5-6,5 m: ftlr W > 6,5 m F1 = 27, 17, 20, 24, 20, 19, 31, 26, 27, 20, 24, 25, 23, 22, 14 cm = 29, 21, 21, 35, 30, 15, 32, 25, 26, 21, 34, 31, 23, 32, 28, 15, 2t, 29, 19, 24, 11, 28, 22, 26, 26, 21, 22, 13 cm 28, 24, 32, 30, 29, 20, 26, 31, 24, 21 cm Ftir W = 5-6,5 m schwanken die erfaf~ten Fi-Werte also zwischen 13 cm und 35 cm. B(Jsum -Tonnel6 Wind; E (Ost) (21 Beobachtungen ) + Beobachtungen o Hrmnaxax-Werte nach Linear-Ausgleichung und Extrapolation fiJr Bft 2,G.,6,B,1B 200 150 100 x tx Cm / o v 0 iI Windst~rke / ~, 10 3I 1 I + / o 20 I t ? 5I Aus der grot~en Streuung ergibt sich, dat~ auch die H~ittel-Werte eine grof~e Zufallsabh~ingigkeit besitzen. Sie ist um so grSf~er, je kleiner das Beobachtungs'-Kollektiv der betreffenden Windklasse ist. Die meereskundlichen Beobachtungen und Ergebnisse Nr. 32 und Nr. 33 (DHI 1972a, b) enthalten auch Angaben fiber die pro Windklasse jemals ermittelten grSf~ten Einzelwellen. (W~ihrend die H-Werte aus Registrier-;,B15cken" yon unterschiedlicher Dauer - 1/2 bis 21/2Std. je nach SeegangshShe - ermittelt wurden, sind diese HmaxWerte den zwischengeschalteten ,,Schnellschrieben" yon je zwei Minuten Dauer entnommen worden.) Hm~~x bezeichnet die grSf~te WellenhShe, die bei allen vorliegenden Registrierungen in der betreffenden Windklasse errant wurde. Da es sich um Einzelwerte handelt, sind die Hm~-Werte sehr streuungs- und zufallsempfindlich. Die Abbildung 1 enth~ilt ftir die Station Btisum ,,Tonne 16" eine graphische Zusammensteltung der tq~m~-Werte, wie sie in den Tabellen (DHI t972a) aufgeffihrt sind. * Fi.ir diese Windklasse ist die Zahl der Beobachtungen grog im Vergleich zu anderen Klassen. Ver~inderlichkeit und Streuung yon Seegangsbeobachtungen Die dutch + und ? gekennzeichneten Eintragungen geben den H .m...a...=.-wer~ f[ir die betreffende Windrichtung bei der in Ziffern beigefiigten Windst~irke wieder, z.B. + 4 fiir 4 BE; + bezieht sich auf F~lle, in denen > 2 Registrierungen vorliegen. Der Eintragung ? liegt eine einzige ausgewertete Registrierung zugrunde. Fiir 4, 6 und 8 Bi?c sind die Eintragungen zur besseren Erkennbarkeit der Verteilung durch unterschiedlich markierte Linien verbunden. Man erkennt, dat~ in einer Anzahl yon F~illen Hm~ nicht entsprechend der Zunahme der Windst~irke grSf~er wird. Diese Erscheinung ist die Folge der Streliung der Met~grSt3en; ihre Ursachen sind oben genannt worden. Aut3erdem zeigt die Abbildung, dai~ fiir Windst~irken > 8 Bf~ nut ?ir wenige Richtungen Mef~grSf~enyon H mmaxax vor BCisum-Tonne 16 Wind: WSW (135 Beobachtungen ) 250 200 150 IO0 t x~ EE 32 cm + v ~O 0 t, 2, Windst&rke 10 , ' 3 , 9 50 kn ' I'08ft Abb. 3: Hmmaaxx fiir BLislim-Tonne16 bei WSW-Wind fiir verschiedeneWindst~irken.Es bedeuten: + Beobachtungen;o H~aX-Wertenach linearer Ausgleichungund Extrapolation fiir B~ 2, 4, 6, 8 lind 10 (gem~if~GIENAPI'1972) liegen und sogar Bf~ 8 nur bei den Richtungen S, SSW, SW, WSW, W, WNW lind NW dutch Beobachtungen belegt ist; der einzige Weft fiir 10 BE liegt trotz auflandiger Windrichtung bei nut 50 cm! Daf~ die entsprechenden Darstellungen in fri]heren VerSffentlichungen (GIENAI'I" 1972) ein ganz anderes Bild (vgI. dort Abb. 2a) bieten, berliht auf einer speziellen Behandlung des Materials, die hier kurz geschildert werden soll. Unsere Abbildungen 2, 3 und 4 enthalten fiir je e i n e Windrichtung (Osh WSW und NNW) die ffir die verschiedenen Windst~irken ermittelten I-Immaaxx-Werte. Nachdem die als Kreuz gezeichneten Beobachtungswerte je nach GrSt~e des Kollektivs mit Gewichten (auch das nicht beobachtete H ~ = 0 fiir 0 BE) versehen waren, wurde f i i r die Darstellung in GIENAPP ( 1972 ) eine mittlere gerade Linie nach der Methode der kleins'ten Quadrate berechnet. Die entsprechende Gleichung fi]r die Gerade wurde (arithmetisch) linear extrapoliert, so da? man fiir die grof~en Windst~rken Hm~xWerte ermitteln konnte. Bei diesen GrSf~en, die in Abbildung 2, 3 und 4 durch o ge H. WALDEN,K. RICHTER& H. CARLSON kennzeichnet sind, handett es sich also nicht um Beobachtungen, sondern um Zahten, die nach einem wegen der geringen Zahl der pro Klasse vorl~egenden Beobachtungen anfechtbaren Verfahren abgeleitet wurden. Wegen der grot~en Streuung der Beobachtungen unterliegt die Neigung der Geraden Zuf~illigkeiten, die zu wirklich fiktiven Extrapolationswerten ftihren. In den Abbildun~en 2, 4 und 5 yon GIENAVV( 1972 ) sind alle Werte au? solche Geraden bezogen; nut deshalb verlaufen die Polygonziige dort in einer verbliiffenden Ordnung, die tats~ichlich nur durch Ausgleichsmagnahmen erreicht BiJsum -Tonne 16 Wind: NNW (29 Beobachtungen) 30 j 7 I 8 t.O I__ I 9 50 Kn f 1'0 Bft Abb. 4: Hmmaa~fiir Biisum-Tonne 16 bel NNW-Wind ftir verschiedene Windst~.rken. Es be&uten: + Beobachtungen; o Hmmaaxx-Wer te nach linearer Ausgleichung und Extrapolation fiir B~ 2, 4, 6, 8 und 10 (gem~ii~GIENAP?1972) wurde. Solche Geraden steIlt GIENAPP( 1972 ) in seiner Abbildung 3 selbst dar, nur erf~ihrt der Leser dort nicht, wie die Werte zustande gekommen sind. Die Wellenh/Shen, und zwar sowohl H als auch H ?mmaaxx~ sprechen stark auf die Windri&tung an; es folgt dies aus der unterschiedlichen Stre~cht~inge tiber See. Auch Untiefen in Streichrichtung k6nnen die Entwicklung des Seegangs behindern (vgl. z. B. GIENAVV I972). In den hier behandelten F~illen geht abet ein grog.er Teil der z. T. grof~en Unterschiede yon H und H mmaxax zwischen benachbarten Windvektoren mit Sicherheir auf die Kleinheit der Beobachtungskollektive, die grol~e Streuung und somit auf den Zufatl zuriick (in Abb. 2a ist GtENAVVbei N N W ein Fehler im Sinne zu kleiner H ~ - W e r t e unterlaufen, der ihn auch der Sorge enthebt, dieses gr/Sgte aller Maxima zu erkl~iren; der Wert fiir 10 BE betr~gt 246 cm statt ca. 196 cm in Abb. 2a yon GIENAVV1972). U R S A C H E N FOR DIE GROSSE STREUUNG Es wurden die Standardabweichung (,,Streuung") und der Variabiliditskoeffizient fiir H nach den tibti&en Formeln (vgl. z. B. H~NRVSSONet al. 1960): Veriinderlichkeit und Streuung yon Seegangsbeobachtungen und V ~ / Z (H - - F[~fittel)~ n - - 1 Diese hohen Werte der StreuungsgrSi~en diiriien in der Hauptsache auf folgende Einfliisse zuriickzuftihren sein: (a) Unterschiedliche Dauer des der Aufstellung zugrunde gelegten Windes; die See war nicht in allen Fallen in bezug auf den Wind voll entwi&elt bzw. untersdliedlich weit entwickelt; (b) Windfetd unterschiedlicher L~inge und Breite; die See war bei kleinem Fetch nicht voll entwickelt (kommt im wesentlichen nur bei auflandigen Winden in Betracht); (c) Dtinung, in der Regei aus einer anderen als der Windrichtung und zum Tell yon fern anlaufend, kann die lokale Windsee iiberlagerr und daher die Gesamt-Wellenh~She vergrtSi~ert haben; (d) die Btiigkeit des Windes beeinflut~t die Entwicklung des Seegangs; (e) Strtimungen, insbesondere GezeitenstrSme, kiSnnen Einflut~ auf den Seegang ausgellbt haben. (a), (b) und (c) lie~en sich auch so zusammenfassen: Der am Oft und zur Zeit der Seegangsbeo~achtung herrschende Wind ist nicht allein mat~gebend ftir die Eigenschaften des 6rtlichen (windbedingten) Seegangs. K O N S E Q U E N Z E N Der Zweck yon Dauerstationen ftir Seegangsmessungen ist es, das tirtliche ,Seegangsklima" oder ,,Seegangsregime" kennenzulernen. Gemeint ist die ~Srtliche,diinungs'freie Windsee. Da in der Hauptsache die maximalen Eigenschat~en des Seegangs yon Interesse sind, wiirde es genligen, solche Beobachtungen ftir statistische Aufstellungen heranzuziehen, fiir die Winddauer und Grtit~e des Windfeldes (fiber See und Land) so groi~ sind, dai~ sie die Entwi&lung des Seegangs ni&t behindern. Diese F~ille kann man nur mit Hilfe yon Wetterkarten ausfindig rnachen. So sollte es gelingen, die Streuung der Meflwerte weitgehend auszuschalten. Fiir dieses Vorgehen ben~itigt man ein umfassendes Beobachtungsmaterial (verwendbare Beobachtungen m/Sglichst ftir jede der 160 Windklassen bei Windst~irken 1-10 Bt~). Man mug also an e i n e r Station sehr lange beobachten, um m~Sglichst vide geeignete Wetterlagen zu erfassen. Wesentlich effektiver w~ire es, Messungen nur dann anzustellen, wenn die For&rungen der Wetterlage erfiillt sind. Diese MSglichkeit besteht, wenn man die Megget,ire iiber Funk ein- und ausschaltet. Man mug sich aber im ktaren dariiber sein, dat~ in einem Seebereich, in dem Kiistenformation und Topographie des Meeresgrundes sehr unruhig sind - wie dies an den deutschen Kiisten der Fall ist -, die Beziehung zwischen Wind und Seegang an einer Megstation und entsprechend eine Statiszik des 5rtlichen Seegangsregimes nur fiir ein kleines Gebiet repr{isentativ sind. ZUSAMMENFASSUNG H. WAnDEN , K. RICHTER& H. CARLSON 1. Betrachtet werden Wellenmessungen mit Schwimmerger~iten an Megpfiihlen vor den deutschen Kiisten. Die nach Beobachtungsstellen und in Klassen anni~ernd einheitlicher Windrichtung und -st~irke geordneten Wellengr/Sgen unterliegen einer sehr starken Streuung. Dies wird an Beis,pielen gezeigt, wobei Griinde angegeben werden . 2. Mittelwerte pro ,Windklasse" streuen gleichfalls, weil die Zahl der Beobachtungen pro Klasse in den meisten F~illen zu gering ist . 3. Kritisiert wird eine von GIENArP (1972) verwendete Methode; mit ihr wurden ftir Windklassen, filr die keine Wellenbeobachtungen vorliegen, WellengrSgen durch Ausgleichung und Extrapolation abgeleitet . 4. Schliet ~lich wird vorgeschlagen, nur Messungen bei ausgew~ihlten Wetterlagen auszuwerten bzw. in Zukunf~ nut bei bestimmten, aus'gew~ihlten Windsituationen zu messen . ~DEUTSCHESHYDR'OGRAI~HISCHESINSTITUT,1972a. Seegangsmessungen in der Piep (Deutsche Bucht) . Meeresk. Beob. Ergebn . 82 . - - 1972b . Seegangsmessungenin der Elbe. Meeresk. Beob. Ergebn . 33 . GIENAPF , H. , 1967 . Vergleich berechneter und gewonnener Seegangsgr6t~en yon Mellum Plate (Deutsche Bucht) . Dt. hydrogr. Z . 20 , 64 - 72 . - - I972 . Wellenmessungen im Seegebiet der Piep (Deutsche Bucht) . Helgol~inder wlss . Meeresunters . 23 , 261 - 267 . HENRYSSON , S. , HASELOFFO. W.  HOFFMANN, H. J. , 1960 . Kleines Lehrbuch der Statlstik. De Gruyter, Berlin, 173 pp. SCHXADSR , J. P. , 1968 . Kennzeidmende Seegangsgr~ 51 % n fi~r drei MeBpunkte in der Elbemiindung . Hamburger Kiistenforsch. 4 , 1 - 76 . TOMCZAK , G. , 1969 . Bericht tiber mittlere Wellenh~Shen und -perioden der Seegangsmei~stationen Westerland, Biisum, Tertius, Wangerooge, Mellum Plate und Auf~eneider . Int. Schifffahrtskongr . (Paris) 22, 286 - 295 . Anschri~ des erstgenannten Autors: I-I.WALDEN Deutsches Hydrographisches Institut 2 Hamburg 4 Bernhard-Nocht-StraBe 78 Bundesrepublik Deutschland


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H. Walden, K. Richter, H. Carlson. Bemerkungen zur Veränderlichkeit und Streuung von Seegangsbeobachtungen im Flachwasserbereich, Helgoland Marine Research, 453, DOI: 10.1007/BF01612881