SiS Sensoren Instrumente Systeme GmbH


Messmast Rochelsteert und der Sturm am 9. November 2007.

An der Position Rochelsteert, 10 km westlich von St.Peter-Ording, steht in der Nordsee, 10 m tief eingerammt in den Meeresboden, ein stählerner Messpfahl in 10 m Wassertiefe.

Zehn Meter über dem mittleren Wasserspiegel, auf einer Plattform des Pfahls, befinden sich Energieversorgungsmodule, Positionslaternen, diverse Sensoren, Antennen und eine kleine Kabine, in der die Datenerfassung und das Energiemanagement vor Wind und Wetter geschützt untergebracht sind.

Bild 1: Plattform des Messpfahles (Foto S. Meggerlin, WSD Nord)
Foto Messpfahl Rochelsteert

Bild 1 zeigt die Plattform des Pfahls während der Arbeiten beim Anbringen von Moduln durch zwei Personen: Mitte Gero B. (FTZ), rechts der Autor dieses Beitrages. An der Reling der Plattform links hinten auf einem auslegenden Arm sind die Sensoren des General Acoustics (GA) Pegels angebracht, die von hier oben senkrecht nach unten auf die Wasseroberfläche zielen und das Auf und Ab, also die Auslenkung der Wasseroberfläche, messen.

Am Fuße des Messpfahls, ca. 2 m über dem Meeresboden, also etwa in 8 m Wassertiefe, ist ein Drucksensor zusammen mit einem Echolot angebracht.

Bild 2: SiS Drucksensor in 8 m Wassertiefe (Fotos: FTZ-Westküste)
2a: Oktober 2006 2b: Oktober 2007
Foto Unterwassersensorik Oktober 2006 Foto Bewuchs Oktober 2007

Bild 2a zeigt unseren (hier hellen) Sensor und das Echolot (hier grau) zu Beginn der Messkampagne im Oktober 2006 und Bild 2b zeigt die gleiche Konstellation der Messgeräte im Oktober 2007, schräg von oben auf das Echolot gesehen. (Im Hintergrund von 2b ist die Pressluftflasche eines der Taucher zu sehen, die die Inspektion vornehmen.) Die Sensoren sind - typisch für die Nordsee - dicht mit Miesmuscheln und Seepocken bewachsen.

Bei der Beschreibung des GA-Pegels habe ich oben „Auslenkung der Wasseroberfläche“ und nicht „Wellen“ geschrieben. Das hat einen Sinn, denn hier in der Deutschen Bucht beobachten wir mindestens 3 Phänomene bzw. Prozesse gleichzeitig, von denen manche keine Wellen sind:

Wobei sich der Seegang wiederum aus Windsee und Dünung zusammensetzt.

Alle diese Prozesse werden vom Pegel, der hier 5 mal pro Sekunde (also mit 5 Hz) Messungen durchführt, aufgezeichnet und über die Datenerfassung per Internet mittels GPRS an die Auswertezentrale an Land gesendet.

Wie hängen diese Daten aber nun mit denen unseres SiS-Drucksensors zusammen?

Nun: auch unser Drucksensor misst Effekte die durch die oben genannte drei Prozesse erzeugt werden. Ein durch Wind gestauter Wasserberg, durch Gezeiten über den Sensor geschobene Wassermassen und durch Seegang erzeugte Wellen drücken auf den Drucksensor. Allerdings liegt dieser in 10 m Wassertiefe, so dass die schnell veränderlichen - also hochfrequenten und kurzwelligen - Druckänderungen durch diese 10 m Wassersäule weggefiltert bzw. gedämpft werden (Tiefpass-Verhalten).

Ein Vergleich der Pegelmessungen mit denen des Drucksensors macht diese Filtereffekt deutlich. Hierzu ist jedoch zu bemerken, dass der Pegel die Auslenkung der Wasseroberfläche in „m“ misst und der Druck hier in dBar, wobei man vereinfachend annehmen kann, dass 1 dBar ungefähr einem Meter Wassersäule entspricht.

Bild 3: Filtereffekt der 10 m Wassersäule
Grafik Filtereffekt der 10 m Wassersäule

Bild 3 zeigt die Pegelmessung (schwarz) und die Druckmessung (rot, fett). Die Zeitachse ist in Abschnitte von 10 s unterteilt und beginnt am 2007-11-09 um [13:]23:01 Uhr.

Die scharfen Kämme des Seegangs, die viele hochfrequente Anteile haben, werden vom Drucksignal nicht erkannt. Ebenfalls nicht erkannt werden die Anteile des Seegangs, die sich im zeitlichen Bereich von ca. 2 s und schneller verändern - hier etwa bei 13:23:16 h deutlich zu sehen.

In grober Näherung können wir - besonders im Hinblick auf die langen (niederfrequenten) Anteile des Drucksignals unseres bodennahen Sensors - hier von einer Repräsentation des Seegangs ausgehen und das Drucksignal so behandeln als wäre es eine Seegangsmessung an der Oberfläche.

Um einen Überblick über die Daten unsere Sensoren zu gewinnen, haben wir sie stundenweise zusammengefasst. Von jeder Zeitreihe der Länge 1 Stunde wurden Mittelwert und Standardabweichung, sowie Minimal- und Maximalwert und deren Differenz ermittelt. Dies entspricht allerdings nicht ganz der Gepflogenheit von Ozeanographen, die sich mit Seegang befassen: dort wird seit Zeiten der Segelschiffe als Beobachtungsintervall der Zeitraum von 10 Minuten gewählt, um die statistischen Parameter des Seegangs zu ermitteln. Ich bitte dieses zu berücksichtigen, wenn ich im Folgenden von Seegangsparametern schreibe, da ein Vergleich dieser unterschiedlichen zeitlichen Betrachtungen (wegen fehlender Stationärität der Windsee) nicht ohne Weiteres möglich ist.

Es hat einen Grund warum wir den 9. November und gerade die Zeit um 13:23 als Beispiel gewählt haben: In diesem Zeitraum hat unser Drucksensor das Maximum der Sturmaktivität des Sturmtiefs „Tilo“ am 2007-11-09 als eine maximale Auslenkung des Wasseroberfläche von ca. 4,7 m gemessen.

Bild 4: Statistische Messergebnisse am 9. November 2007 (Sturmereignis)
Grafik Statistische Messergebnisse am 9. November 2007 (Sturmereignis)

Die Zeit (UTC) bezeichnet den Anfang des Stundenmittels, in dem die Daten gemessen wurden; „13“ bezeichnet also den Zeitraum zwischen 13 und 14 Uhr.

Bild 4 zeigt oben (fette Linie zwischen 12 und 9 dBar) den mittleren Druck (Stundenmittel). Hier wird im Wesentlichen die Tide zwischen 7 und 19 Uhr aufgezeichnet. Zwischen 13 und 14 Uhr, also dem Zeitraum den wir hier näher betrachten, hatten wir an der Position Rochelsteert ablaufendes Wasser.

Eine sturmbedingte Erhöhung des Drucks des mittleren Wasserstandes (Sturmhochwasser) kann man in diesem Bild übrigens nicht erkennen, weil das Zeitfenster des analysierten Beobachtungszeitraums (12 Std.) zu kurz ist.

Die mittlere (mittelfette) Kurve zeigt die Differenz zwischen dem gemessenen Maximalwert und dem Minimalwert innerhalb des Beobachtungszeitraums von einer Stunde. Dies entspräche in etwa der Definition des Seegangsparameters Hmax also der „maximalen Wellenhöhe“, wenn es sich bei dem Signal um eine Wellenmessung an der Oberfläche handeln würde, und die oben angeführten Einschränkungen beachtet werden.

Die untere Kurve (gestrichelte Linie) zeigt die vierfache Standardabweichung des gemessenen Drucks. Dies entspräche unter den o.a. Einschränkungen dem Hσ, also dem Mittelwert der 1/3 höchsten Wellen - auch „signifikante Wellenhöhe“ genannt.

Der Drucksensor sieht das maximale Drucksignal an diesem Sturmtag zwischen 13 und 14 Uhr; genau um 13:29:58 und das minimale um 13:23.20.

Bild 5: Aufzeichnung des Drucksensors ab 13:23:20 Uhr am 9. November
Grafik Aufzeichnung des Drucksensors ab 13:23:20 Uhr am 9. November

Bild 5 zeigt eine „Vergrößerung“ der Situation aus Bild 4. Die Grafik beginnt um 13:23.20 mit dem minimalen Druckwert der gesamten Aufzeichnung. Die Markierungen der Zeitachse haben einen Abstand von 10 s.Hochfrequente Fluktuationen des Drucksignals sind durch die ca. 10 m Wassersäule weggefiltert worden (Tiefpassfilter). Beachtenswert ist hier, dass Minimum und Maximum zeitlich nur etwa 180 s auseinanderliegen, so dass wir davon ausgehen können, hier wirklich den Zeitraum der größten Heftigkeit des Sturms zu sehen.

Die von uns hier berechnete mittlere „Zero-Crossing“-Periode der oben gezeigten „Wellen“ beträgt Tz=11,4 s. Wellen dieser zeitlichen Größenordnung haben bei 10 m Wassertiefe, wie an der Position Rochelsteert, eine Geschwindigkeit von cph=10 m/s und wären damit etwa λ=114 m lang.

Einschränkend ist jedoch hier zu bemerken das alle Aussagen über Wellenperioden unbestimmt sind, da wir aus der Messung an einem Punkt den Doppler Effekt nicht abschätzen können, weil wir die aktuelle Wasserströmung nicht kennen.

Bernd Kassler
Dipl. Ozeanograph
19. November 2007

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