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 uppnås en gång per århundrade i dagens klimat, kan komma att inträffa 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

Läs mer i den vetenskapliga tidskriften Ambio om:
Förändring av högvattenhändelser i Sverige

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. 

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 lokal kustmorfologi. 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

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 parametrar, mätstationer eller andra dataserier som bäst representerar den aktuella platsen, eller vilken statistisk fördelning som är mest representativ för den aktuella dataserien. Olika val ger olika extremnivåer och något facit finns inte. En analys av olika statistiska fördelningar kan ge en uppfattning om hur robusta resultaten är.

Lokala förhållanden viktiga

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 vågeffekter i uppgifter om vattenstånd. Vid SMHIs vattenståndsstationer filtreras vågor bort.

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.

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.

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.

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