Högvattenhändelser och extremnivåer

Det framtida medelvattenståndet ger oss en uppfattning om var strandlinjen normalt kommer att gå. Vid blåsigt väder kan vattenståndet tillfälligt stiga över det normala och orsaka översvämningar. För samhällsplanerare kan det vara viktigt att veta hur den framtida strandlinjen förändras när medelvattenståndet stiger, vilka områden som kan drabbas av tillfälliga översvämningar vid högvattenhändelser samt hur ofta dessa kan komma att ske.

Tylösand
Ett översvämmat Tylösand dagen efter stormen GORM den 30 november 2015. Foto Anette Jönsson, SMHI Förstora Bild

I samband med exempelvis en lågtryckspassage kan vattenståndet stiga och förbli högt under ett antal timmar eller upp till något dygn. En så kallad högvattenhändelse inträffar. Hur högt vattenståndet blir avgörs bland annat av hur mycket vatten som finns i området innan händelsen, vindens styrka och riktning samt lufttrycket.

Under vissa förhållanden stiger vattenståndet till mycket höga nivåer och orsakar översvämningar. Samtidigt når vågorna längre upp på land och kan orsaka erosion eller skador på konstruktioner vid havet.

Läs mer i SMHIs kunskapsbank om:
Höga vattenstånd vid storm

Högvattenhändelser blir vanligare på många platser

Hur högt eller långt upp på land en tillfällig högvattenhändelse når beror dels på vattenståndets utgångsläge och dels på den tillfälliga höjningen. När medelvattenståndet stiger på grund av den pågående klimatförändringen höjs utgångsläget, vilket gör att den tillfälliga höjningen når ännu längre upp på land än idag vid samma väder.

Med ett högre utgångsläge krävs ett mindre bidrag från vädret för att nå samma nivåer som vid dagens högvattenhändelser. Detta gör att nivåer som uppnås ganska sällan idag, kommer att uppnås betydligt oftare på de platser där medelvattenståndet blir högre i framtiden.

I framtiden ligger nivån som visar historiska hundraårshändelser i höjd med nivån som visar en årl
Skiss för hur regional havsnivåhöjning påverkar beräknade extrema högvattenhändelser. Extrema högvattenhändelser visas med deras genomsnittliga återkomsttid historiskt och i framtiden (inte skalenlig). Som en konsekvens av den genomsnittliga höjningen av havsnivån beräknas lokala havsnivåer som historiskt inträffat en gång per sekel (HCE - Historical Centennial Events) återkomma oftare i framtiden. Figur SPM.4 (a) från Sammanfattning för beslutsfattare (SMHI, 2020) [1].

Undersökningar av extrema högvattenhändelser världen över visar att den nivå på vattenståndet som i genomsnitt beräknas överstigas en gång per århundrade i dagens klimat, skulle kunna förekomma årligen år 2100. Detta gäller vid mer än hälften av de 634 mätstationer som undersökts, oavsett utsläppsscenario. På vissa platser riskerar detta ske redan år 20502.

Framtida högvattenhändelser i Sverige

I Sverige motverkas effekten av havsnivåhöjningen av landhöjningen, dock olika mycket i olika delar av landet. Eftersom landhöjningen är olika stor i olika delar av landet blir även förändringen av medelvattenståndet olika. I södra Sverige är landhöjningen liten (se figur nedan), vilket innebär att medelvattenståndet stiger när havsnivån höjs. Här kommer de nivåer vi upplever vid dagens högvattenhändelser således att bli vanligare i framtiden.

I de delar av Sverige där landhöjningen än så länge är större än havsnivåhöjningen upplevs ett sjunkande medelvattenstånd snarare än ett stigande. Längs dessa kuster blir de nivåer vi upplever vid dagens högvattenhändelser mindre vanligt förekommande i framtiden.

Kartan visar avvägd landhöjningshastighet från modellen NKG2016LU
Kartan visar avvägd landhöjningshastighet (mm/år) från modellen NKG2016LU som tillhandahålls av Lantmäteriet [3]. I kartan syns att landhöjningen är minst i södra delen av Sverige.

Läs mer i SMHIs kunskapsbank om:
Landhöjning och vattenstånd

Undersök hur dagens högvattenhändelser kan förändras i framtiden vid ett 20-tal svenska platser i webbtjänsten:
Högvattenhändelser idag och i framtiden

Läs mer i den vetenskapliga tidskriften Ambio om:
Förändring av högvattenhändelser i Sverige (baserat på IPCC 2019)

Klimatförändringen kan påverka vädret

Idag vet vi inte säkert hur klimatförändringen kommer påverka det väder som ger högvattenhändelser, särskilt inte på lång sikt. Beräkningar som gjorts visar inte entydiga resultat. Det är osäkert om exempelvis lågtrycksbanor, stormars frekvens eller stormstyrka förändras i norra Europa. Modellstudier baserade på nedskalade klimatscenarier från det globala modelleringsprojektet CMIP5 för Östersjöområdet indikerar emellertid att trender i vattenståndens årsmax förefaller vara oberoende av utsläppsscenario.

Läs mer i den vetenskapliga tidskriften Tellus A om:
Extremnivåer för vattenstånd längs Sveriges kust från nedskalade klimatprojektioner

Vid skattningar av framtida extremnivåer längs Sveriges kust, antas därför oftast att det väder som är associerat med högvattenhändelser inte kommer att förändras speciellt mycket.

Förändringar i medelvattenstånd och därmed vattendjup kan också ha effekter på havsbassängers resonansegenskaper och förhållanden vid kustlinjen. Även vågklimat och tidvattenamplituder kan komma att förändras i viss utsträckning i framtiden.

Extremnivåer

Eftersom högvattenhändelser kan orsaka problem med översvämningar och erosion redan idag, är det viktigt att få kännedom om hur högt vattenståndet kan bli under olika förutsättningar. Vid samhällsplanering används vanligen vattenstånd med en bestämd återkomsttid eller med en viss årlig sannolikhet för att överskridas.

En nivå med exempelvis 100-års återkomsttid har en sannolikhet på 1/100 = 1 % att överskridas varje enskilt år. Dessutom har nivån med 100-års återkomsttid en sannolikhet på 63 % (1 – (1 - 1/100)100 = 63,4 %) att överskridas minst en gång under en period på 100 år, se tabell 1. Detta innebär att det är mer troligt att nivån överskrids under 100 år än att den inte gör det.

Tabell 1. I tabellen visas fem olika återkomsttider och den sannolikhet med vilken de beräknas överskridas under varje enskilt år. Här visas även respektive återkomsttids ackumulerade sannolikhet för att överskridas minst en gång under en period på 2, 10 eller 100 år.

 

Sannolikhet

Återkomsttid (år)

Årlig Under
2 år
Under
10 år
Under
100 år
2 50% 75% ~100% ~100%
10 10% 19% 65% ~100%
100 1% 2% 10% 63%
1 000 0,1% 0,2% 1% 10%
10 000 0,01% 0,02% 0,1% 1%

Det är vanligt att skatta vattenstånd med en bestämd återkomsttid utifrån extremvärdesanalys baserat på en mätserie som är representativ för den aktuella platsen. Ett extremvärde är ett återkomstvärde, alltså ett värde som återkommer med en beräknad sannolikhet.

Extremvärdet i sig, i det här fallet ett vattenstånd, behöver inte nödvändigtvis vara extremt högt eller lågt utan benämningen extremvärde kommer sig av att beräkningsmetoden kallas extremvärdesanalys.

Vilken extremnivå som är lämplig att använda vid samhällsplanering kan variera och beror exempelvis på vad som planeras, objektets livslängd, vilken risk som bedöms vara acceptabel samt eventuell möjlighet att senare anpassa till högre nivåer.

Läs mer i SMHIs kunskapsbank om:
Återkomsttider

Extremvärdesanalyser

För att avgöra hur ny bebyggelse i kustnära områden kan utformas eller för att utreda skyddsbehov hos befintlig bebyggelse krävs dimensionerande underlag om havsvattenstånd. Syftet med sådana underlag är att skatta de vattennivåer som i genomsnitt överskrids en gång under en given tidsperiod.

Eftersom högvattenhändelser kan variera mycket mellan olika platser är det viktigt att extremnivåer beräknas och utvärderas specifikt för den aktuella platsen. En skattad extremnivå är förknippad med osäkerheter och det finns en rad viktiga val som behöver göras i samband med extremvärdesanalysen. Det kan till exempel handla om vilka dataserier eller statistiska fördelningar som bäst representerar den aktuella platsen. Olika val ger olika nivåer och i analyser av extrema havsvattenstånd är det också viktigt att beakta datakvalité och dataseriens längd. En analys av olika statistiska fördelningar kan ge en uppfattning om hur robusta resultaten är.

Statistisk metodik

Inom ett tidigare projekt genomförde SMHI en inventering av statistiska metoder för extremvärdesanalys i syfte att förbättra metoderna för planeringsunderlag gällande höga havsvattenstånd. Metodernas lämplighet och känslighet utvärderades och slutsatser var bl.a. att det inte går att välja en metod som generellt överlägsen, att resultat bör redovisas med konfidensintervall och att kunskap om den aktuella platsens oceanografiska förhållanden behövs för att utvärdera resultatens rimlighet.

Lokala förhållanden

När extremnivåer ska beräknas för en viss plats behöver hänsyn tas till lokala förhållanden. Vattenståndet lokalt kan avvika från det som observeras vid en närliggande mätstation. Geografin på platsen kan leda till högre nivåer än de som observeras vid mätstationen. Normalt sett ingår inte kortperiodiska vågeffekter i uppgifter om vattenstånd från SMHIs vattenståndsstationer.

SMHIs rapport ”Lokala effekter på extrema havsvattenstånd” ger en kort beskrivning av hur vattenståndet längs Sveriges kuster byggs upp. Där finns exempel på olika mekanismer beskrivna för att ge en uppfattning om skalorna i tid och höjd.

En översiktlig beskrivning görs av hur vågor interagerar med stränder och kajer. Begreppen våguppstuvning och våguppsköljning förklaras. Några exempel ges på vilken effekt bottnens lutning har och hur vågor utvecklas i hamnar.

Extremnivåer i framtida klimat

Vid samhällsplanering kan det finnas behov av information om både framtida medelvattenstånd och extremnivåer, samt om dessa båda i kombination. Extremnivåer i ett framtida klimat kan fås genom att kombinera skattade extremvärden med uppgifter om framtida medelvattenstånd för den aktuella platsen.

Ett vanligt tillvägagångssätt är att anta att olika extremnivåer, skattade utifrån historiska mätdata, överlagras framtida medelvattenstånd utifrån valda utsläppsscenarier. Det kan även vara värdefullt att beakta exempelvis osäkerheter i beräkningar och underliggande data eller lokala våg- och vinduppstuvningseffekter.

SMHI har simulerat extremnivåer tillsammans med framtida medelvattenståndsförändringar vid ett antal platser längs Sveriges kust i syfte att få ett kombinerat sannolikhetsramverk. Resultaten visar på att det är medelvattenståndsförändringen som har störst betydelse på långa planeringshorisonter medan det är extremnivåerna som är viktigast på kortare sikt.

Läs mer i den vetenskapliga tidskriften Ambio om:
Osäkerheter i framtida havsnivåer ur olika tidsperspektiv (baserat på IPCC 2019)
Ett kombinerat sannolikhetsramverk för framtida havsnivåer med Stockholm som exempel (baserat på IPCC 2019)
 

Extremnivåer med lägre sannolikhet

Vid planering för kritiska konstruktioner eller verksamheter som är känsliga för översvämningar kan planerare vara intresserade av händelser som är mycket eller till och med extremt ovanliga. Att skatta extremnivåer med mycket låg sannolikhet med hjälp av extremvärdesanalyser av mätdata medför dock stora osäkerheter eftersom den underliggande mätserien sällan är mer än cirka 100 år lång.

En begränsning vid beräkning av återkomstvärden utifrån observationer är att endast händelser som har inträffat under mätperioden påverkar värdena. Exempelvis är sannolikheten 37 % att en händelse med 100-års återkomsttid inte har inträffat under en period på 100 år. Risken att vi missat en avvikande händelse med 1000-års återkomsttid under en period på 100 år är hela 90 % (se tabell 1). Det är alltså förmodligen mycket sällsynt att såpass ovanliga händelser har inträffat under just de år som vattenståndet har mätts vid den aktuella platsen och därför kan det beräknade extremvärdet bli missvisande.

Vid skattning av händelser med mycket låg sannolikhet kan det också vara klokt att beakta hur ett förändrat klimat kan komma att påverka exempelvis vattenståndsdynamiken lokalt och de väderförhållanden som ger upphov till högvattenhändelser. För att skatta vattenstånd med mycket låg sannolikhet kan det vara en utväg att exempelvis se över möjligheten att basera analyser på långa, representativa modellserier istället för mätdata, använda andra metoder än traditionell extremvärdesanalys eller att addera en för ändamålet lämplig säkerhetsmarginal.

Ett sätt att få till en längre dataserie är att sätta ihop serier med modelldata från olika klimatscenarier. I ett projekt på SMHI sattes över 2600 år långa dataserier samman vid 7 olika platser. Dataserierna korrigerades därefter med hjälp av maskininlärningsmetoder. Försöket är ett första steg i att undersöka hur representativa befintliga mätdataserier och modelldata kan vara för händelser med mycket låg sannolikhet.

Läs mer i den vetenskapliga Tellus A om:
Extremnivåer för vattenstånd längs Sveriges kust från nedskalade klimatprojektioner

Kunskapsläget förändras

Kunskapsutvecklingen inom området är snabb. Mer mätdata samlas in och forskarna förstår hela tiden mer om de bakomliggande processerna. Nya, förbättrade skattningar av framtida havsnivåer och extremnivåer behöver därför fortlöpande tas fram. Dessa kan antingen bekräfta tidigare resultat eller ge upphov till justerade bedömningar. Vid praktisk användning kan det alltså vara klokt att regelbundet se över egna riskanalyser eller andra underlag.

Beroende på den underliggande mätseriens längd är kortare återkomsttider som har beräknats med traditionell extremvärdesanalys ganska robusta. Konfidensintervallen är förhållandevis snäva och även om skattade återkomstvärden förändras efterhand som mätserierna blir längre så är förändringen från år till år i regel ganska liten.

Efterhand som mätserierna blir längre och nya rekordhändelser inträffar, är det lämpligt att uppdatera återkomstvärdena.

Kommentar om högsta beräknade havsvattenstånd

2017 publicerade SMHI en webbtjänst som visade en illustration över höga vattenstånd, idag och i framtiden. För respektive mätstation visade diagrammen i webbtjänsten en vanligt förekommande högvattenhändelse, rekordnoteringen samt en händelse kallad ”högsta beräknade havsvattenstånd”.

Uppgifterna till det sistnämnda baserades på de högsta väderrelaterade höjningarna av vattenståndet som uppmätts vid respektive mätstation i kombination med det högsta uppmätta vattenståndet före en högvattenhändelse i det aktuella havsområdet. De två nivåerna behövde inte tillhöra samma högvattenhändelse utan kombinerades som två olika ytterligheter. Sannolikheten att dessa händelser skulle inträffa samtidigt bestämdes inte.

Det högsta beräknade havsvattenståndet var tänkt som en illustration av en möjlig extremnivå under observerade förhållanden men aldrig tänkt som ett mått på den högsta möjliga extremnivån. Detta angavs i förklaringen av webbtjänsten samt i underliggande rapporter. Då det har framkommit att det högsta beräknade havsvattenståndet har använts som beslutsunderlag för högsta möjliga extremnivå eller för en händelse med en bestämd återkomstperiod väljer SMHI, för att undvika vidare missförstånd, att inte längre publicera webbtjänsten.

Källhänvisningar

1 Utsnitt från figuren SPM.4 i FN:s klimatpanel IPCC - Sammanfattning för beslutsfattare, Specialrapport om Havet och kryosfären i ett förändrat klimat, SMHI Klimatologi nr 58, 2019.

2 Kapitel 9.6.4.2 i Fox-Kemper, B., H. T. Hewitt, C. Xiao, G. Aðalgeirsdóttir, S. S. Drijfhout, T. L. Edwards, N. R. Golledge, M. Hemer, R. E. Kopp, G. Krinner, A. Mix, D. Notz, S. Nowicki, I. S. Nurhati, L. Ruiz, J-B. Sallée, A. B. A. Slangen, Y. Yu, 2021, Ocean, Cryosphere and Sea Level Change. In: Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [MassonDelmotte, V., P. Zhai, A. Pirani, S. L. Connors, C. Péan, S. Berger, N. Caud, Y. Chen, L. Goldfarb, M. I. Gomis, M. Huang, K. Leitzell, E. Lonnoy, J. B. R. Matthews, T. K. Maycock, T. Waterfield, O. Yelekçi, R. Yu and B. Zhou (eds.)]. Cambridge University Press. In Press.

3 Lantmäteriets hemsida om :  landhöjning och landhöjningsmodellen NKG2016LU