BSH: Extremwellen kommen vor Norderney vergleichsweise häufig vor

• Gezeitenströmungen erhöhen die Wahrscheinlichkeit von Extremwellen
• Gefahr für Schifffahrt, Offshore-Infrastruktur und Tourismus
• Gemeinsames Projekt vom BSH und dem Helmholtz-Zentrum HEREON

(WK-intern) – Nichts ist vor ihnen sicher: Extremwellen stellen ein großes Risiko für Schiffe, Offshore Windparks und Forschungsplattformen dar.

Enorme Schäden können die Folge sein. Das Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) und HEREON arbeiten deshalb intensiv daran, Vorhersagemethoden zu entwickeln.

Damit Schifffahrt, Wirtschaft und Tourismus bestmöglich geschützt sind. Das Projekt „Freak Waves II – Studie zum Auftreten von Extremwellen in der südlichen Nordsee“ lieferte nun viele spannende Erkenntnisse.

Extremwellen, im Englischen als Freak Waves oder Rogue Waves bezeichnet, sind per Definition mindestens doppelt so hoch wie der Mittelwert der höchsten Wellen in einem Seegang. Insbesondere ihre steile Vorderfront und ihr plötzliches Auftreten macht sie gefährlich. Rund zwei Schiffe pro Woche sind weltweit in den vergangenen Jahren wegen schlechten Wetters untergegangen, extrem hohe Wellen sind in vielen dieser Fälle vermutlich der Auslöser. Weltweit werden durchschnittlich pro Woche zwei bis drei extrem hohe Wasserwände im Meer dokumentiert. Der Nordatlantik gilt dabei als die Meeresregion, in der die sogenannten Freak Waves am häufigsten weltweit auftreten. Doch auch in der Nordsee werden Extremwellen immer wieder registriert.

Ein Beispiel für ein Auftreten dieser Wellen war der 5. Dezember 2013. Damals zerstörte infolge des Orkans Xaver eine Extremwelle das 15 Meter hoch gelegene Zwischendeck der Offshore-Forschungsplattform „Fino“, die 45 Kilometer nördlich von Borkum liegt. Allein die Materialkosten für die Reparatur der Messinstallationen beliefen sich auf 120.000 Euro.

Deutlich häufiger als in der Theorie angenommen

In dem nun abgeschlossenen Projekt „Freak Waves II – Studie zum Auftreten von Extremwellen in der südlichen Nordsee“ in Zusammenarbeit mit dem Helmholtz-Zentrum HEREON zeigte sich, dass die Mehrheit der untersuchten „Rogue Waves“ als seltene Ausprägung typischer Wellenhöhenverteilungen erklärbar ist, wie Jens Möller, der am BSH das gemeinsame Forschungsprojekt mit HEREON betreut hat, sagt. „Aber extreme Freak Waves, also Extremwellen, die nochmal deutlicher höher als doppelt so hoch aus dem Seegangsfeld herausragen, sind im Untersuchungsgebiet häufiger aufgetreten als nach der Theorie angenommen.“

Für die Studie wurden insgesamt 6 Wellenmessbojen überwiegend aus dem Messnetz des BSH im Gebiet der Deutschen Bucht verwendet. Die Häufigkeit der Extremwellen unterscheidet sich dabei von Boje zu Boje. „An der Boje SEE im Flachwasser vor Norderney war etwa jede 5800. Welle eine Extremwelle im Untersuchungszeitraum 2011 bis 2016, damit traten hier im Vergleich die meisten Extremwellen auf“, sagt Ina Teutsch, Wissenschaftlerin am HEREON im Freak Wave II Projekt. Ein – noch nicht validierter – Erklärungsgrund: „In Gebieten mit sich schnell ändernden Wassertiefen wie vor Norderney bilden sich verstärkt Solitone, also Wellenkämme, die lange stabil bleiben können. Diese Solitone scheinen mit Extremwellen im Zusammenhang zu stehen“, sagt Ralf Weisse, Leiter des Forschungsprojektes am Helmholtz-Zentrum HEREON.

Zudem hat die Studie die Erkenntnis erbracht, dass starke Gezeitenströmungen die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Extremwellen erhöhen können sowie Extremwellen dadurch noch höher werden. „Auch hierbei zeigte sich, dass die Theorie mit der Praxis nicht immer konform geht: Die Erhöhung der Zahl von Extremwellen ergab sich nicht nur in Situationen, in denen die Welle gegen die Strömung anlief, sondern überraschenderweise auch dann, wenn die Welle in die gleiche Richtung wie die Strömung lief“, sagt Ina Teutsch.

Methoden des Maschinellen Lernens verwendet

In diesem Projekt wurde auch mit Methoden des Maschinellen Lernens gearbeitet. Mit zwei verschiedenen Ansätzen des Maschinellen Lernens wurde versucht, die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer Extremwelle in den kommenden 10 Minuten vorherzusagen. Beide Modelle zeigten bereits vielversprechende Ergebnisse. „Für eine operationelle Anwendbarkeit braucht es aber noch mehr Daten und eventuell eine Erweiterung der Methode in die Fläche“, sagt Salika Thilakarathne, Wissenschaftler im Freak Wave II Projekt. Zukünftig sollte des Weiteren das physikalische Verständnis erarbeitet werden, wie genau diese Vorhersagebarkeit erreicht wird.

„Diese Studie zeigt erstmals beispielhaft an einem großen Datensatz für die Nordsee, dass es Regionen gibt, in denen Extremwellen häufiger als anderswo auftreten. Außerdem zeigte sie verschiedene Entstehungsmechanismen für Extremwellen auf und konnte mithilfe Maschinellen Lernens das Potential der Vorhersagbarkeit von Extremwellen nachweisen“, fasst Ralf Weisse die wichtigsten Ergebnisse zusammen.

PM: BSH

PB: Eine Extremwelle hatte das Zwischendeck stark beschädigt: Die Offshore-Forschungsplattform „Fino“, die 45 Kilometer nördlich von Borkum liegt. / ©: BSH / Foto: Martin Moritz