DePArT

Detektion von küstenhydrologischen Phänomenen und Artefakten in minütlichen Tidepegeldaten

Wasserstandsdaten bilden die Grundlage für zahlreiche wichtige Entscheidungen und umfangreiche Investitionsvorhaben. Fehlerhafte oder fehlende Daten können dabei zu folgenschweren Fehlentscheidungen und Fehlinvestitionen führen.
Digitale Wasserstandszeitreihen bzw. Pegelbögen aus dem Küstenbereich bilden vielerlei Phänomene ab, die real im Gewässer stattfinden (Gezeiten, Windstau, Oberwasser, kleinräumige Seiches, Seebären, Boren, Vereisung, Sperrwerksbetrieb, Schiffspassagen etc.). Es finden sich aber auch – offensichtliche oder maskierte – Werte mit artifiziellen Anteilen, die man im weitesten Sinne als technische Störungen bezeichnen kann, und die vor einer weiteren Datenverarbeitung und -auswertung besonders behandelt werden müssen. Hierzu zählen auch höhenmäßige und zeitliche Verschiebungen der Aufzeichnung. Zeitspannen fehlender Messwerte aufgrund von Sensor- oder Leitungsdefekten sowie an der Station durchgeführter baulicher Maßnahmen, die im Weiteren als Lücken bezeichnet werden, gehören auch in diesen Kontext.
Ziel des KFKI-Verbundprojektes „Detektion von küstenhydrologischen Phänomenen und Artefakten in minütlichen Tidepegeldaten“ (DePArT) soll die Auswahl und Entwicklung adäquater mathematischer Verfahren zur Detektion von Artefakten in minütlichen Wasserstandszeitreihen und die Separierung spezifischer, natürlicher Einwirkungen in den aufgezeichneten Wasserstandsganglinien sein. Die ausgewählten und zu entwickelnden Verfahren sollen dabei in der Lage sein, die Pegeldaten in Echtzeit aufzubereiten. Wegen des großen Gezeiteneinflusses unterliegen die Wasserstandszeitreihen der Nordsee in aller Regel einer ausgeprägten Variabilität, was die numerische Auswertung schwieriger gestaltet als beispielsweise bei Ostseepegeln. Viele hier adressierte mathematisch-numerische Teilprobleme sind für Nord- und Ostsee aber gleichartig und können darüber hinaus auch im Binnenbereich angewendet werden. Das eigentliche Untersuchungsgebiet wird allerdings vorerst die Nordsee im Bereich der Deutschen Bucht nebst aller Tideflüsse und -nebenflüsse sein.

• DePArT A

  Entwurf und Realisierung von Algorithmen zur Detektion von küstenhydrologischen Phänomenen und anthropogenen Einflüssen

  BMBF funding code	03KIS133
  Duration of funding	01.07.2021–30.06.2023
  Project partner(s)	Universität Siegen, Forschungsinstitut Wasser und Umwelt, Abteilung Wasserbau und Hydromechanik Prof. Dr.-Ing. Jürgen Jensen

  Vollautomatische Pegel messen seit etwa der zweiten Hälfte der 1990er Jahre minütlich den Wasserstand an der deutschen Nord- und Ostseeküste. Die Daten bilden eine wesentliche Entscheidungs- und Planungsgrundlage für den Betrieb, die Unterhaltung und den Bau von Wasser- und Schifffahrtsstraßen sowie Maßnahmen im Küstenschutz. Darüber hinaus finden sie zunehmend Eingang in die modellgestützte Szenarienentwicklung der Klimafolgeforschung und in Fragestellungen zur nachhaltigen Nutzung von Küstengebieten.
  Die Wasserstandszeitreihen der verschiedenen Pegel weisen neben zahlreichen realen Phänomenen wie z. B. Windstau, Sperrwerksbetrieb und Schiffspassagen, die nicht immer leicht zugeordnet werden können, auch technische Störungen oder Messausfälle auf, die die weitere Verwendung der Daten erheblich beeinträchtigen.
  Das Verbundprojekt zielt daher auf die Erarbeitung mathematischer Verfahren zur Detektion und Bewertung von Artefakten in Zeitreihen von küstennahen Wasserstandsmessungen durch automatische Pegelerfassung und der automatischen Korrektur der Artefakte in Echtzeitanwendungen. Daneben wird die Entwicklung von Verfahren angestrebt, die in der Lage sind küstenhydrologische Phänomene und anthropogene Einflüsse in den Zeitreihen zu erkennen und zu bewerten. Darauf aufbauend sollen die im Rahmen dieses Forschungsprojektes entwickelten Verfahren und Algorithmen in den operationellen Echtzeitbetrieb der minütlich bereitgestellten Pegeldaten zur Nutzung durch die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) sowie anderer Bundes- und Landesbehörden eingebunden werden.
  Die Universität Siegen wird im Verbund Methoden zur Echtzeit-Detektion von küstenhydrologischen Phänomenen und anthropogenen Einflüssen in den minütlichen Tidepegeldaten entwickeln und bewerten sowie die prototypische Implementierung der Methoden in den operationellen Betrieb der Wasserstraßen- und Schifffahrtsämter (WSÄ) und des Bundesamts für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) übernehmen.
  Die mathematisch-numerischen Verfahren werden die wissenschaftlichen und behördlichen Nutzungsmöglichkeiten der Minutenzeitreihen des Wasserstandes vereinfachen, erweitern und bestehende Nutzungen, unter anderem in den Bereichen Schifffahrt, Wasserstandsvorhersage, Wasserwirtschaft, Gezeitenberechnung und Klimafolgemodellierung (z. B. Meerespiegelanstieg) verbessern. Das Vorhaben greift damit Zielsetzungen des vom BMBF mitgetragenen „Forschungsrahmens des Kuratoriums für Forschung im Küsteningenieurwesen (KFKI)“ auf und liefert Beiträge zu den Themenfeldern „Dynamische Küsten als System verstehen“ und „Klimawandel – Auswirkungen erkennen und Anpassungen entwickeln“. Darüber hinaus werden die Themenbereiche „Globaler Wandel“ und „Umgang mit Naturgefahren“ des Forschungsprogramms der Bundesregierung MARE:N sowie die Aktion 4 der FONA-Strategie des BMBF „Klimawandelbedingte Extremereignisse in Deutschland erforschen“ angesprochen.

• DePArT B

  Entwurf und Realisierung von Algorithmen zur Detektion von küstenhydrologischen Phänomenen und anthropogenen Einflüssen

  BMBF funding code	03KIS134
  Duration of funding	01.07.2021–30.06.2023
  Project partner(s)	Universität Rostock, Agrar- und Umweltwissenschaftliche Fakultät, Professur für Küstenschutz und Küstendynamik J.-Prof. Dr.-Ing. Arne Arns Universität Siegen, Forschungsinstitut Wasser und Umwelt, Abteilung Wasserbau und Hydromechanik Prof. Dr.-Ing. Jürgen Jensen

  Vollautomatische Pegel messen seit etwa der zweiten Hälfte der 1990er Jahre minütlich den Wasserstand an der deutschen Nord- und Ostseeküste. Die Daten bilden eine wesentliche Entscheidungs- und Planungsgrundlage für den Betrieb, die Unterhaltung und den Bau von Wasser- und Schifffahrtsstraßen sowie Maßnahmen im Küstenschutz. Darüber hinaus finden sie zunehmend Eingang in die modellgestützte Szenarienentwicklung der Klimafolgeforschung und in Fragestellungen zur nachhaltigen Nutzung von Küstengebieten.
  Die Wasserstandszeitreihen der verschiedenen Pegel weisen neben zahlreichen realen Phänomenen wie z. B. Windstau, Sperrwerksbetrieb und Schiffspassagen, die nicht immer leicht zugeordnet werden können, auch technische Störungen oder Messausfälle auf, die die weitere Verwendung der Daten erheblich beeinträchtigen.
  Das Verbundprojekt zielt daher auf die Erarbeitung mathematischer Verfahren zur Detektion und Bewertung von Artefakten in Zeitreihen von küstennahen Wasserstandsmessungen durch automatische Pegelerfassung und der automatischen Korrektur der Artefakte in Echtzeitanwendungen. Daneben wird die Entwicklung von Verfahren angestrebt, die in der Lage sind küstenhydrologische Phänomene und anthropogene Einflüsse in den Zeitreihen zu erkennen und zu bewerten. Darauf aufbauend sollen die im Rahmen dieses Forschungsprojektes entwickelten Verfahren und Algorithmen in den operationellen Echtzeitbetrieb der minütlich bereitgestellten Pegeldaten zur Nutzung durch die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) sowie anderer Bundes- und Landesbehörden eingebunden werden.
  Die Universität Rostock wird im Verbund Verfahren und Algorithmen zur Echtzeit-Detektion und Korrektur von Fehlern in den Wasserstandszeitreihen entwickeln und die Implementierung der Methoden in den operationellen Betrieb der Wasserstraßen- und Schifffahrtsämter (WSÄ) und des Bundesamts für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) unterstützen.
  Die mathematisch-numerischen Verfahren werden die wissenschaftlichen und behördlichen Nutzungsmöglichkeiten der Minutenzeitreihen des Wasserstandes vereinfachen, erweitern und bestehende Nutzungen, unter anderem in den Bereichen Schifffahrt, Wasserstandsvorhersage, Wasserwirtschaft, Gezeitenberechnung und Klimafolgemodellierung (z. B. Meerespiegelanstieg) verbessern. Das Vorhaben greift damit Zielsetzungen des vom BMBF mitgetragenen „Forschungsrahmens des Kuratoriums für Forschung im Küsteningenieurwesen (KFKI)“ auf und liefert Beiträge zu den Themenfeldern „Dynamische Küsten als System verstehen“ und „Klimawandel – Auswirkungen erkennen und Anpassungen entwickeln“. Darüber hinaus werden die Themenbereiche „Globaler Wandel“ und „Umgang mit Naturgefahren“ des Forschungsprogramms der Bundesregierung MARE:N sowie die Aktion 4 der FONA-Strategie des BMBF „Klimawandelbedingte Extremereignisse in Deutschland erforschen“ angesprochen.