A1 Extreme Surface Events

Thema

Extreme Meeresereignisse sind die energiereichsten und unmittelbarsten Störungen an der Grenzfläche zwischen Ozean und Atmosphäre. Drei Phänomene lassen sich dieser Kategorie zuordnen: tropische Wirbelstürme, die extreme Wellen und Sturmfluten erzeugen, welche Küsten überschwemmen können; Monsterwellen, einzelne Wellen mit ungewöhnlich großer Amplitude, die selbst bei mäßigem Seegang entstehen; und Küstenüberschwemmungen, die auftreten, wenn Hochwasser, Sturmflut und extreme Wellen zusammentreffen – eine Kombination, die den Wasserstand an der Küste schlagartig über die Werte hinaus ansteigen lässt, die jeder dieser drei Faktoren einzeln verursachen würde.

Die Sturmflut ist der Anstieg des Meeresspiegels entlang der Küste, der durch einen tropischen Wirbelsturm durch zwei gleichzeitig wirkende Mechanismen verursacht wird: den Wind, der Wasser gegen die Küste drückt und dort staut, und den Tiefdruck im Zentrum des Wirbelsturms selbst, der aufgrund des umgekehrten Barometereffekts einen Anstieg des Meeresspiegels bewirkt. Dieser Effekt besagt, dass jede Abnahme des Luftdrucks um ein Hektopascal den Meeresspiegel um einen Zentimeter ansteigen lässt.

Diese Sturmflut kann durch Küstenresonanz, ein Phänomen, das als Proudman-Resonanz bekannt ist, noch verstärkt werden. Dies geschieht, wenn die Vorwärtsgeschwindigkeit des Zyklons mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer langen Flutwelle übereinstimmt – einer Geschwindigkeit, die von der Wassertiefe und der Schwerkraft abhängt. Tritt diese Übereinstimmung ein, führt die Proudman-Resonanz zu einer drei- bis fünffachen Verstärkung der Sturmflut im Vergleich zu derjenigen, die der Zyklon allein erzeugen würde.

Monsterwellen sind, anders als Sturmfluten, nicht von der Anwesenheit eines Zyklons abhängig. Die Wellentheorie beschreibt sie als Lösungen der nichtlinearen Schrödinger-Gleichung. Unter diesen Lösungen sind Breather-Wellen – auch bekannt als Peregrine-Breather – einzelne Wellen, die aus einer gleichmäßigen Dünung entstehen. Dieses plötzliche Auftreten bewirkt, dass sie eine bis zu dreimal größere Amplitude als die der Hintergrunddünung erreichen, bevor sie wieder in ihr aufgehen.

Die Entstehung dieser Monsterwellen lässt sich durch zwei Mechanismen erklären, die zusammenwirken können: die nichtlineare Fokussierung, bekannt als Benjamin-Feir-Instabilität, welche die Energie mehrerer nahe beieinander liegender Wellen in einer einzigen Welle mit deutlich größerer Amplitude konzentriert; Die geometrische Dispersion tritt auf, wenn der Meeresboden eine komplexe Unterwassertopographie aufweist. Diese Komplexität führt dazu, dass sich die Wellenenergie geometrisch ausbreitet und sich schließlich an bestimmten Punkten entlang der Küste konzentriert.

An Küsten, die direkt im Zugweg eines tropischen Wirbelsturms liegen, kann die Sturmflut daher Höhen zwischen einem und zehn Metern erreichen. Die Verteilung der begleitenden Wellenhöhen folgt typischerweise Verteilungen mit schweren Rändern, wie der Weibull-Verteilung oder einer modifizierten Rayleigh-Verteilung. Dadurch treten die extremsten Wellen häufiger auf, als eine gewöhnliche Verteilung vorhersagen würde. Genau dann, wenn Hochwasser, Sturmflut und eine dieser extremen Wellen – sei es eine Monsterwelle oder einfach Teil der Sturmflut – gleichzeitig an derselben Küste zusammentreffen, kommt es zu Küstenüberschwemmungen. Dies ist das dritte extreme Ereignis an der Meeresoberfläche, mit dem diese gesamte Diskussion begann.

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