Analyse historischer und Projektion möglicher zukünftiger Eisvorkommen am Nord-Ostsee-Kanal

Abstract

Der vorliegende Bericht ermöglicht einen systematischen Über- und Einblick in den Aspekt der Eisvorkommen bzw. der eisbedingten Schifffahrtsbeeinträchtigung für den Nord-Ostee-Kanal (NOK). Zu diesem Zweck wurden von der BfG im Kontext des von der Generaldirektion Wasser straßen und Schifffahrt initiierten Projekts „NOK‐Phase 2 ‐ Wasserbewirtschaftung, Gewässer kunde und Ökologie“ die über das Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie bereitge stellten Eis-Beobachtungsdaten für den NOK seit dem Winter 1939/40 systematisch aufbereitet und umfangreich ausgewertet. Durch die vergleichende Analyse der meteorologischen Verhält nisse auf Grundlage des HYRAS-Datensatzes des Deutschen Wetterdienstes konnte zudem ein bestehender Ansatz zur Abschätzung klimawandelbedingter Veränderungen auf die Eisvorkom men im Binnenbereich adaptiert und auf den NOK angewendet werden. Hierzu wurden mit Un terstützung des DAS-Basisdienstes „Klima und Wasser“ 37 Klimaprojektionen basierend auf drei verschiedeneren Emissionsszenarien (RCP 8.5, RCP 4.5, RCP 2.8) ausgewertet. Charakteristisch waren in den vergangenen Jahrzehnten für den NOK der stete Wechsel ausge prägter Eiswinter und eisfreier Jahre. Beispiele für strenge Eiswinter, in denen auch der NOK langandauernd und stark von Eis betroffen war, sind die Winter 1946/47, 1962/63, 1969/70 oder 1995/96. „Eisarm“ bzw. eisfrei waren am NOK neben den letzten Jahren insbesondere auch die Winter Ende der 1980er und 1990er Jahre. Die überwiegende Zahl der Winter zeichnet sich am NOK nicht durch eine durchgängige Frost- bzw. Eisperiode aus, sondern typischer weise wechseln sich Frost- und Tauwetterphasen über den Winter ab, so dass zwischen dem ersten und letzten Auftreten von Eis zumeist ein oder mehrere eisfreie Perioden liegen. Die Eis bildung am NOK beginnt ab Mitte Dezember, überwiegend jedoch erst im Lauf des Januars, und dauert zumeist bis Mitte März an. Innerhalb des betrachteten 82-Jahre-Zeitraums war der 10. Dezember (im Winter 2002/03) der früheste Eisbeginn. Das späteste Ende der Eissaison lag im Winter 1941/42 am 05. April. Ein Einfluss der Eisvorkommen auf die kommerzielle Schifffahrt ist zwar vorhanden, aber insgesamt als moderat einzustufen. Die gängigen Meldungen zu den ver kehrlichen Einschränkungen reichen bis zum Baltic Sea Ice Code 3 (Navigation ohne Hilfe von Eisbrecher nur für leistungsstarke, stabil konstruierte Schiffe, welche für Eisnavigation geeignet sind, möglich). Darüberhinausgehende Einschränkungen waren bis dato selten und zeitlich auf wenige Tage begrenzt. Eine eisbedingte Einstellung der Schifffahrt wurde bisher lediglich an der Station Brunsbüttel Elbe im Winter 1939/1940 für einen Tag gemeldet. Zwischen den einzelnen Messstationen bzw. Kanalabschnitten am NOK gibt es zwar bezogen auf die verschiedenen Eis-Parameter Unterschiede in den verschiedenen Wintern, allerdings ist diese Variation eher schwach ausgeprägt. Dies zeigen auch die Darstellungen im Längsschnitt, bei denen die Unterschiede zwischen den einzelnen Wintern deutlich stärker ausgeprägt sind als die jeweiligen Unterschiede entlang des Kanals. In einzelnen Wintern ist erkennbar, dass die Bereiche der Kanalzufahrten eher stärker durch Eis betroffen waren als die freie Kanalstrecke (Kanalzufahrt Brunsbüttel tendenziell leicht stärker beeinträchtigt als der Bereich Holtenau). Systematische und zeitlich stabile Gradienten entlang des Kanals sind über den gesamten Zeit- raum aber nicht auszumachen. Die historischen Daten zeigen jedoch einen ausgeprägten funk- tionalen Zusammenhang zwischen den Winterkältesummen und den beobachteten Eisvorkom- men. Die Aussage „je kälter der Winter, desto wahrscheinlicher und stärker ist die Eisbildung“ lässt sich für alle Kanalabschnitte treffen und dieser Zusammenhang wird über entsprechend hohe Korrelationskoeffizienten auch statistisch belegt. Sowohl bei Betrachtungen für einen Ab- schnitt / eine Station über die Zeit als auch bei Auswertungen im Längsverlauf des Kanals dominieren die winterlichen Temperaturverhältnisse als maßgebliche Einflussgröße auf die Eis- bildung am NOK über weitere Einflüsse (Bewirtschaftung, Salzgehalt, Wind, Strömung, etc.). Der statistische Zusammenhang zwischen Winterkältesumme und Eisvorkommen wurde zu- gleich genutzt, um eine Einschätzung über die zukünftige Entwicklung der Eisvorkommen auf Basis von 37 Klimaprojektionen zu erhalten. Nachdem über die vergangenen Jahrzehnten be- reits eine erkennbare Abnahme der Eintrittshäufigkeit von Eiswintern am NOK messbar ist, zei- gen die Klimaprojektionen in Abhängigkeit vom betrachteten Emissionsszenario die Möglichkeit einer mehr oder weniger markanten Fortsetzung der rückläufigen Eisbeeinträchtigung für den NOK. Die Ergebnisse lassen darauf schließen, dass schifffahrtsbehindernde Eiserscheinungen im Zuge des Klimawandels zukünftig eher seltener zu erwarten sein werden. Damit kann die Schifffahrt – in Bezug auf Beeinträchtigungen durch Eisbildung – vom Klimawandel profitieren. Es ist jedoch eindeutig festzuhalten, dass, wenn möglicherweise auch seltener, so doch auch zukünftig mit markanten Eiswintern am NOK zu rechnen sein wird. Datei-Upload durch TIB This report provides a systematic overview and insight into the aspect of river ice and ice-re lated impacts to navigation on the Kiel Canal (NOK). In the context of a project ‘NOK-Phase 2 - Wasserbewirtschaftung, Gewässerkunde und Ökologie’ initiated by the Federal Waterway and Shipping Administration the BfG systematically processed and extensively analysed the ice ob- servation data for the NOK since the winter of 1939/40, which had been provided by the Fed- eral Maritime and Hydrographic Agency. By comparatively analysing the meteorological condi- tions on the basis of the HYRAS data set of the German Meteorological Service, it was also possible to adapt an existing approach for estimating climate change-induced alteration to the ice occurance on inland waterways and apply it to the NOK. For this purpose, 37 climate projec- tions based on three different emission scenarios (RCP 8.5, RCP 4.5, RCP 2.8) were analysed with the support of the DAS-service ‘Climate and Water’. In recent decades, the NOK has been characterised by an alternation of pronounced ice winters and ice-free years. Examples of severe ice winters in which the NOK was also heavily affected by ice for long periods include the winters of 1946/47, 1962/63, 1969/70 and 1995/96. In addi- tion to the last few years, the winters at the end of the 1980s and 1990s in particular were mainly ice-free. The vast majority of winters on the NOK are not characterised by a continuous period of frost or ice, but typically alternate between colder and warmer phases over the win- ter, so that there are usually one or more ice-free periods between the first and last occurrence of ice. Ice formation on the NOK begins not before mid-December, but usually occurs in the course of January, and it lasts until mid of March. Within the 82-year period under considera- tion, 10 December (in the winter of 2002/03) was the earliest onset of ice formation. The latest end of the ice season was 5 April in the winter of 1941/42. The impact of ice on commercial shipping is present, but can be categorised as moderate overall. The usual reports on traffic re- strictions range up to Baltic Sea Ice Code 3 (navigation without icebreaker assistance possible only for high-powered vessels of strong construction and suitable for navigation in ice). Re- strictions beyond this have so far been rare and limited to a few days. A cessation of shipping due to ice has only been reported for one day at the Brunsbüttel Elbe station in the winter of 1939/1940. Although there are differences in the various ice parameters between the individual measuring stations or canal sections in the different winters, this variation is rather weak. This is also visi- ble in the longitudinal section, where the differences between the individual winters are much more pronounced than the respective differences along the NOK. In some winters, it can be seen that the areas of the canal boundaries were more affected by ice than the open canal sec tion (Brunsbüttel canal access tends to be slightly more affected than the Holtenau area). How ever, systematic and temporally stable gradients along the canal cannot be identified over the entire period. However, the historical data show a pronounced functional correlation between the “Winterkältesumme” and the observed river ice. The statement ‘the colder the winter, the more likely and stronger the ice formation’ can be made for all sections of the canal and this re lationship is also statistically proven by correspondingly high correlation coefficients. Both when analysing a section/station over time and when evaluating the longitudinal course of the canal, the winter temperature conditions dominate over other influences (management, salinity, wind, current, etc.) as the decisive factor influencing ice formation on the NOK. The statistical correlation between “Winterkältesumme” and ice occurrence was also used to obtain an estimate of the future development of ice occurrence on the basis of 37 climate pro- jections. Since a decrease in the frequency of ice winters on the NOK has already been measur- able over the past decades, the climate projections show the possibility of a more or less marked continuation of the declining ice impact on the NOK, depending on the emissions sce- nario under consideration. The results suggest that ice phenomena that impact navigation will be less frequent in the future as a result of climate change. This means that shipping - in terms of impairments caused by ice formation - can benefit from climate change. However, it is clear that, although possibly less frequent, significant ice winters can still be expected on the NOK in the future.