Højvande ved de danske kyster 29-31 januar 2022.
Højvandet blev forudsagt af DMIs stormflodsmodel DKSS, og varslet med basis i dette system.
Højvandet blev undervurderet i den centrale del af Limfjorden, med ca. 0.2 m fra 30/1 kl 16 og to døgn frem, herefter aftagende.
Højvandet blev overvurderet i det sydlige Kattegat med tilstødende fjorde, med op til 0.4 m i en periode fra 9-12 timer 30/1 ca. Kl 06z-15z, hvorefter prognosen bliver korrekt igen.
|
|
|
Table 1 Observeret og DKSS modelleret vandstand i den centrale Limfjord (til venstre) og i Isefjorden (til højre). Violette cirkler=observation, kurver=prognoser udsendt 28/1 12z til 30/1 12z. Den sorte kurve er hindcast beregningen, dvs. modellens bedste bud.
Herudover var der ikke markante fejl eller spredning i prognoserne, hverken hvad angår maksimal vandstand eller tidspunkt for dette.
Stormen Malik var associeret med en lavtrykspassage der varede ca. 1½ døgn, begyndende syd for Island, vestpå mod Norge, og derpå mod sydøst over Mellemskandinavien. Lavtrykket gav anledning til kraftig vestenvind over Nordsøen og videre nordpå op til farvandet mellem Færøerne og Vestnorge, samt over den sydvestligste del af Østersøen. Efterhånden som lavtrykket trak østover blev først Nordsøen, dernæst Kattegat udsat for kraftig vind fra nord, og senere da lavtrykket nåede de baltiske randstater bredte nordenvinden sig over den hele centrale og nordlige Østersø. De højeste middelvindstyrker i Nordsø-Østersø området lå omkring 10 Beaufort.
|
|
|
|
Table 2 Malik lavtrykspassage. Trykfordeling 29/1 00z, 30/1 00z, og 30/1 12z.
Samtlige ca. 100 danske målestationer med fri forbindelse til åbent farvand registrerede et markant højvande. Det er usædvanligt, at hele landet bliver ramt af højvande under det samme stormvejr. En del stationer registrerede to eller tre højvande, adskilt af en tidevandsperiode (ca. 12½ time). I tabellen er de ordnet efter tidspunkt med det tidligste først:
|
|
Niveau |
UTC Tid |
|
Vadehavet |
3.2(2.6)-3.7 m |
29/1 kl 23-midnat |
|
Vestkysten |
ca. 2 m |
29-30/1 kl 22-01 |
|
Vestlige Limfjord |
1.3-1.5 m |
30/1 kl 04-06 |
|
Skagerrak |
1.2-1.4 m |
30/1 kl 12-15 |
|
Centrale Limfjord |
1.1-1.3 m |
30/1 kl 04-20 |
|
Østlige Limfjord |
1.2-1.3 m |
30/1 kl 15-16 |
|
Sydlige Kattegat |
1.3-1.5 m |
30/1 kl 06-18 |
|
Bælter og sund |
1.3-1.5 m |
30/1 kl 18-22 |
|
Bornholm |
0.8-0.9 m |
30/1 kl 14-16 |
|
Vestlige Østersø |
1.3-1.6 m |
30/1 kl 21-midnat |
Table 3 Omtrentlige maksimale vandstande og højvandetider, fordelt på 10 distrikter. Esbjerg (2.6m) skiller sig ud fra resten af Vadehavet.
Der var indledningsvis et tidligt kraftigt højvande ved Vestkyststationerne allerede ved middagstid 29/1. Dette omfattede ikke Vadehavet, som fik et mere normalt tide-højvande.
Herefter varede hele forløbet under Malik lige godt et døgn, fra lidt før midnat 29-30/1 (Nordsøkysten), til middag 30/1 (Kattegat) og endelig lidt over midnat 30-31/1 (Vestlige Østersø).
Nordsø-højvandet forplantede sig fra Vadehavet med uret rundt om Jylland, trængte ind i Limfjorden vestfra, derpå via Skagerrak ind i Limfjorden østfra, videre sydpå til det sydlige Kattegat samt Fyns og Sjællands nordvendte fjorde, og ind i Bælter og Sund indtil Snævringen i Lillebælt, Drogden-tærsklen i Øresund, og endelig sydpå i Storebælt til Spodsbjerg-Tårs snittet mellem Lolland og Langeland, og herfra østover i Smålandsfarvandet til Storstrømmen, mellem Sjællands sydspids og Falster.
Ved de åbne kyster (dvs. fjordstationer fraset) fra Hvide Sande til det sydlige Kattegat forekom der to højvande. Ved vestkysten var vandstanden omtrent lige høj ved de to højvande, adskilt af en tidevandsperiode. I de indre danske farvande var det tidlige højvande højest i den østlige del (Nordsjælland mv.), det seneste højvande i den vestlige del (Jyllands østkyst).
Østersø-højvandet fulgte det kendte mønster, med et forudgående ret markant lavvande på ca. -1.0 meter, ved Sønderjyllands østvendte fjorde ned til -1.4 meter. I løbet af ca. 18 timer skiftede dette til den stik modsatte tilstand, idet den vestlige Østersø fyldtes op af vandmasser fra øst for Bornholm.
Forløbet er illustreret i modelberegning herunder. For at lette overblikket er modellens tidevand og middelvandstand trukket fra. Der er således ikke en 1-til-1 sammenligning med vandstandsmålinger.
|
|
|
|
Table 4 Modelberegnet vandstand minus tidevand. Til venstre: 30/1 00z (Nordsø-højvande), i midten: 30/1 12z (Kattegat-højvande), til højre: 31/1 00z (Østersø-højvande).
Operationelle modelberegninger opdateres hver 6. time. Der er således 4 modelkørsler pr. døgn. Modellen er forceret af Harmonie-NEA de første 2½ døgn, derefter ECMWF 9km model ud til den fulde prognoselængde på 5 døgn.
Indtil middag 28/1 lå prognoser for højvande 30/1 generelt op til 1 meter for lavt, men med en markant stigende tendens for hver ny beregning. Fra 28/12 kl 12z var der kun lille variabilitet i den deterministiske model: hver ny kørsel i de to døgn indtil 30/1 kl 12z gav stort set samme resultat. Dette forhold gør normalt at man vil fæste stor lid til prognoserne.
Ensemble kørsler foretaget med NEA-COMEPS (18 medlemmer) viser en typisk maksimal spredning på ca. 0.3 meter i modelleret vandstand og højvande. Det er ikke en høj værdi, og repræsenterer meget godt det spænd vi normalt angiver i varslerne.
Modelresultaterne var generelt gode, både hvad angår vandstand, maksimal vandstand og tidspunkt for dette. Der er dog nogle markante undtagelser, hvor modellen var utilfredsstillende hvad angår maksimal vandstand.
I det følgende fokuseres der på modelfejl nr.2: overvurdering af højvande. Selv om det er et mindre problem end en tilsvarende undervurdering ville være, er det alligevel vigtigt at forstå hvordan det kan gå til - ikke mindst da vi ikke tidligere har været ude for en overvurdering af denne grad med DMIs operationelle stormflodsmodel.
Grafikken herunder viser, under Malik:
Den højeste vandstand registreret var:
Positiv modelfejl (for høj prognose) er lokaliseret ved nordkysten af Sjælland og Fyn, Roskilde/Isefjord, Odense Fjord, samt en række østjyske stationer, fra Mariager Fjord til Juelsminde. (For Hobro gælder særlige forhold).
Negativ modelfejl er lokaliseret i den centrale del af Limfjorden, langs den nordlige del af Vestkysten, heriblandt indsejlingen til Limfjorden, samt ved enkelte stationer i Vadehavet, især Brøns Sluse.
Markant positiv fejl (mere end +10%) er lokaliseret til Roskilde/Isefjord, Nordfyn, Juelsminde, Hirtshals (samt Hobro). Markant negativ modelfejl (mere end -10%) er lokaliseret ved den centrale del af Limfjorden, den nordlige del af Vestkysten / Jammerbugt, Brøns Sluse, og Hundige.
Markant fasefejl er lokaliseret ved Østjylland, fra Randers Fjord til Vejle, Nordfyn, området omkring Skagen (ingen måler pt.), Vedbæk, og til en vis grad Limfjordens vestlige munding. Der er her tale om flere på hinanden følgende højvande, hvor modellen fejlvurderer hvilket der bliver højest. Negativ fasefejl betyder at modellen har det tidlige højvande højest, mens den observerede vandstand enten viser at det sidste højvande er højest, eller at de er lige høje.
Der udsendtes under Malik højvandevarsler over hele landet, skiftende fra region til region. Det vagtgående personale foretog en sammenligning at stormens styrke med Bodil i december 2013. Det blev vurderet, at vi havde at gøre med en mindre kraftig storm end dengang. Følgelig blev varslerne for det sydlige Kattegat justeret noget ned i forhold til modelberegningerne, til 1-6-1.9 meter. Det viste sig at være en rigtig beslutning, selv om det stadig var for højt.
Også ved de nordlige Øresundsstationer var prognosen for høj. Men det omfattede ikke Københavns Havn, hvor både observeret og forudsagt højvande lå på 1.4 meter. Det bemærkes, at hvis prognosen også her havde været fx 0.4 meter for høj, dvs 1.8 meter, kunne det have ført til meget omfattende, unødvendige afværgeforanstaltninger. Men det skete til alt held ikke.
Ved en række vigtige stationer (Odense, Roskilde, ..) var formidlingen ikke "seamless", idet tidsserie for observation og tidsserie for prognose ikke hang sammen. Der kunne være et spring mellem de to, og det betød at den justering der ellers ville forekomme af den offentligt tilgængelige prognose (i den givne situation: en nedjustering) ikke blev foretaget overalt. En del af modelforbedringerne i de sidste år har gået ud på at forbedre denne justering ved at fjerne modellens fasefejl (herunder fejl i tidspunkt for højvande), men det kræver en stabil indkommende strøm af observationer for at fungere.
Via BOOS samarbejdet har DMI adgang til prognoser beregnet ved andre institutter herhjemme og i udlandet. Vi kan konstatere, at DMIs er den eneste operative model, der har en markant overvurdering af højvandet i det sydlige Kattegat. Af særlig interesse er FCOOs model, som ramte meget præcist, dog (som de fleste modeller) med en svag undervurdering af størrelsesorden 0.1 meter. Derudover er SMHIs NEMO model interessant, idet denne model er en mulig efterfølger til DMIs nuværende system.
Figure 1 BOOS modelresultater for Hornbæk
Det bemærkes, at til trods for at DKSS overvurderer højvandet, bliver DMIs model tillagt højest vægt i ensemble systemet. Bedste prognose for højvandet ved denne station er ensemble mean.
Vi undersøger tre forklaringsmodeller til overvurderingen at det tidligste højvande i det sydlige Kattegat i forbindelse med Malik. a) modelteknisk, b) fejl i vejrprognose c) fejl i ydre randbetingelse
DKSS executable blev skiftet ud sent om aftenen 27/1, da modellen blev ustabil grundet for stor strømhastighed mindst ét sted i Lillebælt - formentlig associeret med Malik. Der er kørt videre med denne version siden. Instabiliteten kan håndteres på to måder: exit eller advarsel. Vi har således skiftet fra exit til advarsel. Instabiliteten har indflydelse på temperatur og saltholdighed, som kan blive urealististiske hvis instabiliteten varer ved. Det gør den ikke, den er forbigående - i 3½ års testkørsel er det ikke forekommet. Indflydelsen på vandstand er indirekte og negligibel.
Herudover har der ikke kunnet konstateres uregelmæssigheder ud fra logfilerne.
Der kører en anden udgave af samme model i Copernicus regi, kaldet MyOcean modellen. Modelområdet er det samme, men både executable og modelopsætning adskiller sig fra DKSS. For eksempel er nylige opdateringer af modelgeografi ikke bragt ind i MyOcean. Resultaterne for vandstand er noget anderledes, især på gr. anderledes geografi, men der ses den samme fejl på højvande i det sydlige Kattegat - endda en smule værre.
Der er således ikke tegn på at fejlen er af teknisk karakter.
Det er godtgjort, at Harmonie-NEA har en overvurdering af vinden i det centrale Kattegat, her demonstreret ved sammenligning med synoptisk vind på Anholt.
Figure 2 Synoptisk og modelleret vind ved Anholt, med analyse 29/1 18z.
Der er en periode på ca. 10 timer, fra kl 03-13, hvor både deterministisk NEA og COMEPS ensemble median overvurderer vinden med op til 4 m/s. Det svarer omtrent til en øgning på 1 Beaufort i vindstyrke, og til en ekstra kraftoverførsel fra vind til havstrøm på mindst 50% (se senere afsnit).
Det vides ikke, præcist hvor stort et havområde der kan være omfattet af denne overvurdering af vindstyrke.
Der er kørt i alt 4 tests med reduceret modelvind i Kattegat. Dels i den sydlige halvdel af Kattegat, fra Limfjords munding til Nordsjælland, og dels inklusive det nordlige Kattegat, til Skagens Gren (se figur). Der er afprøvet en reduktion som varer fra 30/1 kl 03 til 30/1 kl 12, på enten 2 m/s eller 4 m/s, med uændret vindretning. Reduktionen i maksimal vandstand ved en række stationer er angivet i tabellen. En ekstra testkørsel anvender ECMWF forcering i hele forløbet.
Figure 3 Områder med reduceret vindstyrke i testkørsler
|
Station/Reduktion |
2 m/s sydligt |
4 m/s sydligt |
2 m/s hele Kattegat |
4 m/s hele Kattegat |
Ecmwf |
|
Århus |
1.4 |
2.1 |
5.2 |
9.8 |
26.5 |
|
Fredericia |
1.6 |
2.9 |
2.4 |
3.3 |
23.1 |
|
Odense |
3.6 |
7.1 |
6.4 |
13.8 |
34.5 |
|
Holbæk |
8.5 |
16.0 |
11.1 |
22.0 |
48.6 |
|
Roskilde |
4.5 |
7.9 |
6.8 |
11.2 |
40.3 |
|
Hornbæk |
8.9 |
16.1 |
11.4 |
21.7 |
33.8 |
|
København |
0.8 |
0.2 |
2.7 |
4.1 |
29.0 |
|
Korsør |
0.7 |
0.7 |
1.2 |
0.6 |
18.2 |
Table 5 Reduktion i modelleret højvande (cm) ved udvalgte stationer. Søjle 1-4 : forskellige lokale reduktioner af vindstyrke i Kattegat, af varighed ca. 10 timer. Søjle 5 : ECMWF (global) vind-forcering.
I hvert tilfælde med kortvarigt reduceret vindstyrke i Kattegat får man den kraftigste reduktion af højvande i Isefjord, Roskilde fjord nord for Frederikssund, og i Hornbæk. Den største vindreduktion kan fjerne op til 50% af fejlen på højvande. Denne reduktion finder især sted, når det højeste af to højvande forekommer inden for perioden med reduceret vind, dvs. ved de østlige stationer.
|
|
|
Table 6 modelberegnet vandstand, med korrigeret vind. Til venstre: Århus. Til højre: Holbæk. Datoen er angivet som Julian Day, 44588=29/1.
Anvendelse af ECMWF data reducerer højvandet ved samtlige danske stationer, også hvor prognosen var korrekt. Det anses ikke for at være brugbart.
IKKE KLARLAGT: FCOOs model, som såvidt vides anvender de samme NEA vindprognoser, har ikke den samme overvurdering. Der er nogle forskelle: a) parameterisering af drag koefficient, idet FCOO inkluderer en beskrivelse af grænselagets stabilitet, som ikke er taget i brug i DKSS, b) FCOO forkaster de første tre timer af hver vindprognose, og bruger således kun vinddata fra +3 timers prognosen og frem, hvor DKSS altid vælger prognosen med kortest mulig prognoselængde, og c) der er tegn på at de to modeller har en forskellig ydre randbetingelse. Ingen af disse virker dog umiddelbart overbevisende som forklaring på denne forskel.
Ved at sammenligne med FCOO data (pers. komm.) er det konstateret at der er en forskel i den påtryktet vandstand langs modellens nordrand, mellem Skotland og Norge.
|
|
|
|
Table 7 Nordlig randbetingelse i hhv. DKSS og (leveret fra) FCOOs cirkulationsmodel, 27-30. januar. Kurverne viser vandstand ved Skotland, ved Norge, og i et midtpunkt.
DMIs model har en en periode indtil middag 29/1, altså ca. et døgn inden højvande i de indre danske farvande, en overhøjde ved Skotland, relativt til FCOOs model. Ved de to øvrige punkter og resten af tiden er forskellen lille, og kurvene har stor similaritet. Eftersom vi også her anvender samme vejrforcering (ECMWF) må forskellen skyldes modelopsætning. FCOOs Atlanterhavsmodel har større geografisk udstrækning, større rumlig opløsning end vores, og en lidt anderledes drag formulering (se nederst).
Randdata er indhentet fra SMHIs NEMO model, men ikke dechifreret. Disse data indeholder tidevand, som skal fjernes ved en separat harmonisk analyse i hvert punkt, før en sammenligning er mulig. Endvidere er randdata ikke positioneret geografisk. Dette arbejde vil kræve en indsats, både fra vores NEMO-gruppe, og fra vores remote sensing-gruppe.
Som et check er DKSS nordatlant model er kørt med både DMI og FCOO drag formulering. Der er ikke mærkbar forskel i de resulterende randdata til stormflodsmodellen. Herunder ses effekten af vandstand langs modelranden, dvs. uden tidevand og uden vind, til tre tidspunkter med 12 timers mellemrum. Den nederste figur er et zoom ind på Bælthavet til det seneste tidspunkt, 30/1 kl 06z hvor effekten af randen i dette område er størst.
|
|
|
|
Table 8 Vandstand drevet udelukkende af modelrand, uden tidevand og uden vejr. Til venstre: 29/1 kl 06. I midten: 29/1 kl 18. Til højre: 30/1 kl. 06. Modellens middelvandstand er fratrukket.
Figure 4 Vandstand i Bælthavet 30/1 kl 06, forårsaget af fjerntliggende storm (nord for Nordsøen).
Vi ser en effekt af hele randbetingelsen i Bælthavet på ca. 25 cm. Hvis vi antager (ved sammenligning med FCOO data) at vandstand langs med randen er overvurderet med 100%, vil maksimalt halvdelen, og formodentlig en del mindre, af disse 25 cm kunne tilskrives en fejl i randbetingelsen. En vurdering siger højst 10 cm, eller 25% af fejlen ved en station med 40 cm for høj forudsagt vandstand.
IKKE KLARLAGT: Med ens forcering, hvorfor er den påtrykte vandstandsrand forskellig i de to modeller (DKSS og FCOO).
IKKE KLARLAGT: Hvordan kan en sådan forskel påvirke det sydlige Kattegat, uden samtidigt at påvirke de danske Nordsø-stationer i negativ retning.
Vi har undersøgt tre forklaringsmodeller til overvurderingen at det tidligste højvande i det sydlige Kattegat i forbindelse med Malik.
Der er ikke konstateret tekniske problemer med modelaafviklingen, som kan forklare denne fejl.
Der har været en overvurdering af vinden over Kattegat under dette højvande. Testkørsler viser en forklaringsevne på op til ca. 50% af modelfejlen. En anden model, som anvender samme input, har ikke den samme højvandefejl. Dette forhold er ikke afklaret.
Testkørsel med randdata viser, at en eventuel overvurdering af vandstand langs modelranden maksimalt kan forklare ca. 25% af modelfejlen, og formentlig mindre. Det er uafklaret, hvordan en sådan fejl i randbetingelse kan forplante sig fra Skotland til det sydlige Kattegat, uden at efterlade sig modelfejl i sit spor.
I DKSS/HBM parameterisering er %-delen af vindenergi der bliver omsat til havstrøm : τ = ρ_air * Cd * U². Drag koefficienten Cd angiver denne %-del, og er vist i figuren herunder.
Figure 5 Drag coefficient i DKSS/HBM modellen: Cd = 0.862 + 0.088*U - 0.00089*U2
Ved at øge vinden fra 14 m/s (ca. 6 BF) til 18 m/s (ca. 7 BF) fås en ekstra kraftoverførsel på
Cd(18)*18²/Cd(14)*14² = 1.85
altså 85% forskel på forcering ved de to vindhastigheder. Ved vindstyrker på hhv. 20 m/s (ca. 8½ BF) til 24 m/s (ca. 9½ BF), er den ekstra kraftoverførsel på 56%.
Nordatlant-modellens drag formulering er simplere. Herunder er vist DMIs og FCOOs formulering. De er meget ens.
Figure 6 DKSS og FCOO drag coefficient for Nordatlant model.
