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6Hydrographische Nachrichten
Interaktive Webkarte
nung der möglichen Veränderungen vermittelt
werden (Schuldt 2019). Darüber hinaus ist eine Vi-
sualisierung wissenschaftlicher Erkenntnisse zum
Meeresspiegelanstieg, die die abstrakt wirkenden
Folgen und Risiken zugänglich macht, auch für die
breite Öentlichkeit relevant.
Akademische Abschlussarbeiten, welche ge-
sellschaftsrelevante Themen bearbeiten, errei-
chen zumeist nur einen kleinen Personenkreis
und somit auch die daraus hervorgehenden
Forschungsergebnisse. Um Wissenslücken zwi-
schen Expert:innen und fachfremden Perso-
nen zu schließen und um Erkenntnisse für die
Öentlichkeit darzustellen, wird der simulierte
Meeresspiegelanstieg in Norddeutschland für
das Jahr 2100 als interaktive Webkarte visualisiert.
Durch Visualisierungen und abgeleitete Parame-
ter wie die Höhe der betroenen Population oder
das visuelle Hervorheben überuteter Flächen
Einleitung
Die weltweiten Bedrohungen, die durch den
klimawandelbedingten Meeresspiegelanstieg
entstehen, sind enorm (Nicholls et al. 2017) und
führen zu einer verstärkten Berichterstattung in
den Medien. Das Bewusstsein der Öentlichkeit
scheint so groß wie nie zuvor und das Generieren
und Verbreiten neuer Erkenntnisse, die die Lücke
zwischen Forschung und Öentlichkeit weiter
schließen, umso wichtiger. Die an den Küsten
lebende Bevölkerung, Entscheidungsträger:in-
nen in den Bereichen Entwicklungsplanung und
Landnutzung sowie Naturschutzagenturen be-
nötigen wissenschaftliche Simulationen, wie sich
der Meeresspiegelanstieg auf ihren Lebensraum
auswirken wird. Ausgehend von einer solchen
Simulation können Gebiete identiziert werden,
die vom ansteigenden Meeresspiegel bedroht
sind. So kann ein Eindruck über die Größenord-
Ein Beitrag von CAROLINE SCHULDT, GÜREN TAN DINGA und PHILIPP LOOSE
Erkenntnisse und Ergebnisse aus Forschungsvorhaben werden in der Regel durch Ver-
öentlichungen von Artikeln in Fachzeitschriften und Vorträgen auf fachspezischen
Konferenzen transferiert. Um Ergebnisse auch außerhalb der Fachwelt verständlich zu
präsentieren, müssen diese für die Öentlichkeit verständlich aufgearbeitet werden.
Im Rahmen dieser Veröentlichung wird ein Ansatz gezeigt, welcher Ergebnisse aus
dem gesellschaftsrelevanten Bereich des Meeresspiegelanstiegs visuell und interak-
tiv präsentiert. Basierend auf Berechnungen zum Meeresspiegelanstieg im Jahr 2100
wird eine interaktive Webkarte entwickelt. Die Daten hierfür werden über einen Web
Feature Service bereitgestellt. Die Webkarte bildet Überutungsächen verschie-
dener Klimaszenarien des IPCC ab und zeigt die Anzahl an betroenen Personen in
Norddeutschland. Auf diese Weise wird ermöglicht, sich niedrigschwellig einen Über-
blick über die Risiken und Auswirkungen des klimawandelbedingten Meeresspiegel-
anstiegs zu machen.
Interaktive Visualisierung des
Meeresspiegelanstiegs am Beispiel
von Norddeutschland
Klimawandel | Meeresspiegelanstieg | Visualisierung | interaktive Karten
climate change | sea level rise | visualisation | interactive maps
DOI: 10.23784/HN122-01
Autoren
Caroline Schuldt und Güren
Tan Dinga sind wissenschaft-
liche Mitarbeiter an der
HafenCity Universität (HCU) in
Hamburg.
Philipp Loose ist Software-
Entwickler bei der DEMV
Systems GmbH in Hamburg
und ehemaliger wissenschaft-
licher Mitarbeiter der HCU.
sealevel@hcu-hamburg.de
Findings and results from research projects are usually transferred through the publication of articles
in scientic journals and presentations at conferences for professionals. In order to present results in a
comprehensible way outside of the professional community, they have to be processed and presented
in a way that is understandable to the public. This publication proposes an approach that presents results
from the society-relevant eld of sea level rise in a visual and interactive way. Based on calculations of sea
level rise in the year 2100, an interactive web map is developed. The data for the web map are provided
by a web feature service. The web map displays ooded areas of dierent climate scenarios of the IPCC
and shows the number of aected people in northern Germany. In this way, it is possible to get a clear
overview of the risks and impacts of climate change-induced sea level rise.
HN 122 — 06/2022 7
Interaktive Webkarte
sowie Gletscher), die drei ozeanbezogenen Kom-
ponenten (dynamische Meeresoberächenhöhe,
globale thermosterische Anomalien und inverser
Barometereekt aus der Atmosphäre) sowie Land-
wasserspeicher zur Ermittlung der Prognosen für
Nord- und Ostsee berücksichtigt. Für das gemä-
ßigte Szenario RCP4.5 konnte ein Anstieg der re-
lativen Meeresoberäche im Jahr 2100 der Nord-
see von ca. 0,49m und der Ostsee von ca. 0,47m
identiziert werden. Beim Szenario RCP8.5 liegt
der Mittelwert der zukünftigen Meeresoberäche
der Nordsee bei 0,72m und der Ostsee bei 0,73m
(ICDC 2019). Da es seit der Veröentlichung des
IPCC-Berichts 2013 neue Erkenntnisse gibt, die von
einem höheren Meeresspiegelanstieg ausgehen
(Bamber et al. 2019; Gornitz et al. 2019; Jevrejeva et
al. 2016; Sweet et al. 2017; Wright et al. 2019), wird
die Simulation auch für einen Anstieg um 1,4m
durchgeführt.
Zur Änderung des relativen Meeresspiegel-
anstiegs gehören neben der ansteigenden
Meeresoberäche auch Änderungen in der
Höhe der Landäche. Diese vertikale Landbe-
wegung kann auf der einen Seite durch Küs-
tenerhöhungen den klimawandelbedingten
Meeresspiegelanstieg abschwächen. Auf der an-
deren Seite wird durch das Absinken der Land-
massen der Meeresspiegelanstieg verstärkt (Han-
son et al. 2011). Aus diesem Grund weicht der
Meeresspiegelanstieg lokal von den Prognosen
ab. Für die vorliegende Arbeit werden Daten der
URL6a-GPS-Lösung verwendet, bei der GPS-Daten
von 1995 bis 2014 analysiert wurden (Santamaría-
Gómez et al. 2017), und mittels IDW interpoliert.
Um die vorgestellten Faktoren in einer Simula-
tion zusammenzuführen, müssen die Faktoren
physisch sinnvolle Höhen vorweisen. Besonders
für Höhenangaben eignet sich das Geoid, die
Äquipotenzialäche des Erdschwerefelds, die dem
mittleren Meeresspiegel im Sinne der kleinsten
Quadrate annähernd gleicht. Aus diesem Grund
werden die unterschiedlichen Höhensysteme der
Einussfaktoren zu den Geoidhöhen des Modells
EGM96 transformiert.
. Identikation von
Überutungsächen
Auf Basis der vorgestellten Faktoren wird der Mee-
resspiegel für das Jahr 2100 simuliert. Die Simula-
tion wird im Geoinformationssystem ArcMap und
mit Hilfe der Programmiersprache Python durch-
geführt. In einer Rasterberechnung werden der
aktuelle Meeresspiegel (MS), die Prognose zum
Meeresspiegelanstieg (MSA), die vertikale Landbe-
wegung (VLM, vertical land motion) und das DEM
kombiniert, um die unter dem zukünftigen Mee-
resspiegel liegende Fläche zu erhalten. Dies erfolgt
nach der Ungleichung:
DEM + VLM ≤ MS + MSA.
können andernfalls abstrakt wirkende Kennzah-
len greifbar gemacht werden.
Simulation des Meeresspiegelanstiegs
Die entwickelte Webanwendung basiert auf einer
Simulation des Meeresspiegelanstiegs für das
Jahr 2100. Im Folgenden werden die Faktoren be-
schrieben, die in die Simulation einießen und die
Datengrundlage darstellen. Im Anschluss wird das
methodische Vorgehen der GIS-basierten Simula-
tion erläutert.
. Einussfaktoren
Um das komplexe System eines ansteigenden
Meeresspiegels so genau wie möglich zu model-
lieren, werden verschiedene Faktoren betrachtet.
Neben der Genauigkeit spielen vor allem die regio-
nalen Gegebenheiten eine Rolle, die in die Simula-
tion integriert werden. Zur Charakterisierung der
Landoberäche wird ein digitales Höhenmodell
(DEM, digital elevation model) genutzt. Das der
Arbeit zugrunde liegende DEM besteht aus Daten
der TanDEM-X-Mission, die sich durch ihre homo-
gene Qualität und bisher unerreichte Genauigkeit
auszeichnen (DLR 2018). Die Höhenwerte reprä-
sentieren die ellipsoidischen Höhen von WGS84.
Zusätzlich wird ein zweites DEM erstellt, das von
Deichen bereinigt ist. Dafür werden alle Deiche,
die im DEM enthalten sind, identiziert und mittels
einer Rasterberechnung in ihrer Höhe reduziert.
Da das DEM nur die Landoberäche beschreibt,
muss zudem die Wasseräche modelliert werden,
um als Grundlage für den ansteigenden Meeres-
spiegel zu dienen. Die Höhe des Meeresspiegels
wird in Meter über Normalhöhennull angegeben
und bezieht sich auf das Deutsche Haupthöhen-
netz DHHN92. Da der Meeresspiegel regional vari-
iert, ießt in die Modellierung der mittlere höchste
Wert der Wasserstände in einer Zeitspanne ein.
Durch die Nutzung des Mittelwertes ist sicherge-
stellt, dass keine monats-, tages- oder uhrzeitab-
hängigen Werte den aktuellen Wasserstand und
damit die Simulation verfälschen. Für die Nord-
und Ostsee liegen Messungen aus 165 Stationen
vor (Wasserstraßen- und Schifahrtsverwaltung
2019), die mittels Inverser Distanzwichtung (IDW)
zu einem ächendeckenden Meeresspiegel inter-
poliert werden.
Der nächste wesentliche Faktor zur Simulation
des Meeresspiegelanstiegs ist die Vorhersage der
Höhe der zukünftigen Meeresoberäche (Church
et al. 2013). Basierend auf den Klimaszenarien des
Weltklimarats IPCC (Intergovernmental Panel on
Climate Change), werden regionale Prognosen
auf das deutsche Küstengebiet erstellt. Für die
vorliegende Arbeit werden die fünf Eiskompo-
nenten (dynamisches Eis und Oberächenmas-
senausgleich in Grönland, dynamisches Eis und
Oberächenmassenausgleich in der Antarktis
8Hydrographische Nachrichten
Interaktive Webkarte
Visualisierung der potenziell gefährdeten Über-
utungsächen benötigten Daten verhindern auf-
grund ihres Volumens eine üssige und dynami-
sche Visualisierung im Webbrowser. Entsprechend
wurde der Datenbestand mit Hilfe der frei verfüg-
baren Mapserver-Software GeoServer (http://geo-
server.org) in gleichgroße, quadratische Elemente
aufgeteilt. Diese Kacheln (tiles) werden bei ent-
sprechender Zoomstufe über den Webbrowser
angefragt und durch einen Web Feature Service
(WFS) bereitgestellt. Die aus zahlreichen Zoomstu-
fen und dem Ausmaß des Untersuchungsraums
resultierenden Kacheln werden vorberechnet und
während der Betrachtung gespeichert (tile ca-
ching). Dadurch wird Nutzer:innen selbst bei einer
Vielzahl einzelner Kacheln eine möglichst perfor-
mante Visualisierung angeboten. Dies ermöglicht
das üssige Betrachten diverser Zoomstufen und
Kartenzustände.
Zur Visualisierung wird die JavaScript-Bibliothek
LeaetJS (https://leaetjs.com) verwendet. Leaf-
let bietet keine interne Schnittstelle zum Laden
von Shape-Dateien, und den gesamten Untersu-
chungsraum mit sämtlichen Zoomstufen im Geo-
JSON-Format zu laden, würde zu viel Zeit in An-
spruch nehmen. Dementsprechend wird auf den
zuvor mit GeoServer eingerichteten WFS zurück-
gegrien, um die Basiskarte in Form von Raster-
Kacheln darzustellen, deren Ladegeschwindigkeit
durch den Cache (also die zwischengespeicherten
vorberechneten Kacheln) beschleunigt wird. Zu-
dem werden ressourcenschonend ausschließlich
Teile der Karte geladen, die zu dem jeweiligen
Zeitpunkt für Nutzer:innen sichtbar sind.
Sowohl die Webseite zur Übersicht als auch
die Seite, auf welcher die Karte visualisiert wird,
fragen die Bildschirmbreite ab, um die gezeigten
Nach dem entwickelten Raster werden alle Flä-
chen, die unterhalb des prognostizierten Meeres-
spiegels liegen, potenziell überutet. Das führt zu
Seen im Landesinneren, die es aufgrund der feh-
lenden Verbindung zum Meer in der Realität nicht
gibt. Aus diesem Grund wird im nächsten Schritt
eine iterative Selektion durchgeführt, welche die-
jenigen Flächen des Datensatzes auswählt, die
eine auf Basis des DEM kreierte Küstenlinie berüh-
ren.
Aufbauend auf den identizierten Überutungs-
gebieten werden die sozioökonomischen Folgen
anhand von Bevölkerungs- und Landnutzungs-
daten ermittelt (vgl. Tab elle 1). Bei der Berechnung
der Überutungsächen zeigen sich gravierende
Unterschiede – zum einen zwischen Nord- und
Ostseeküste, zum anderen zwischen den verschie-
denen Klimaszenarien, besonders aber zwischen
der Annahme eines standhaltenden Küstenschut-
zes und eines Deichbruchs.
Technische Umsetzung
Die im Kapitel 2 erläuterten Daten müssen zu-
nächst für die interaktive Darstellung in Webbrow-
sern aufbereitet werden. Insbesondere die zur
Abb. 1: Anpassung der Position der Bedienungs- und Informationselemente im mobilen Webbrowser (links)
und im Desktop-Webbrowser (rechts)
Szenario basierend auf
IPCC-Prognosen
Nord
Fläche (km²)
see
Bevölkerung
Ost
Fläche (km²)
see
Bevölkerung
RCP. (mittlerer Anstieg um , °C)
mit Küstenschutz
RCP. (mittlerer Anstieg um , °C)
mit Küstenschutz
RCP. (mittlerer Anstieg um , °C)
ohne Küstenschutz
Tab elle 1: Landäche und Bevölkerung, die dem Meeresspiegelanstieg in verschiedenen
Szenarien ausgesetzt sind
Interaktive Webkarte
werden Verweise auf wissenschaftliche Publikatio-
nen gelistet.
Über einen Schieberegler im rechten oberen
Bereich der Karte können Nutzer:innen die Visu-
alisierung der Überutungsszenarien anpassen
(vgl. Abb.2). Neben dem Wechsel zwischen den
bereits genannten Szenarien (RCP 4.5, RCP 8.5
und Meeresspiegelanstieg um 1,4 m) bietet ein
Kontrollkästchen die Möglichkeit einzustellen, ob
die Visualisierung der Simulation mit oder ohne
Küstenschutz geschehen soll. Die Betätigung des
entsprechenden Kästchens führt zu einer Visuali-
sierung der überschwemmten Landäche für den
Fall, dass Deiche brechen und der Küstenschutz
versagt. Die Webanwendung ermöglicht somit
Vergleiche zwischen drei unterschiedlichen Szena-
rien, jeweils mit und ohne Küstenschutz.
Während der Fokus der interaktiven Karte zu-
nächst auf einer großächigen Darstellung der po-
tenziellen Überutungsgebiete liegt, können Nut-
zer:innen die Zoomstufe exibel anpassen. Neben
der Anpassung der spezischen Szenarien wird so
ein Mehrwert gegenüber statischen Karten gene-
riert (vgl. Abb.3).
Fazit und Ausblick
Ziel dieser Arbeit war es, eine Webanwendung
auf Basis einer bereits abgeschlossenen wissen-
schaftlichen Arbeit zu entwickeln. Dabei lag der
Fokus vorwiegend auf der Veröentlichung und
dem Zugänglichmachen von Forschungsergeb-
nissen, sodass diese auch ohne Fachwissen inter-
pretiert werden können. Besucher:innen der Web-
site können sich einen Überblick verschaen, wie
der prognostizierte Meeresspiegelanstieg im Jahr
2100 die Küste Norddeutschlands und ihre Bevöl-
kerung betrit. Zeitgleich wurde auf weiterführen-
Elemente entsprechend organisieren zu können.
So wird eine reibungslose Bedienung auf mobilen
Endgeräten mit kleinen Bildschirmgrößen ermög-
licht. Dabei erstreckt sich der Slider zur Auswahl
der Überutungsszenarien über den gesamten
Bildschirm. Die Szenario-Informationen verschie-
ben sich an den unteren Bildschirmrand, sodass
die Karte betrachtet werden kann (vgl. Abb. 1).
Ist ein Szenario geladen, wird dieses im Cache
(Zwischenspeicher) abgelegt. So wird bei einem
Wechsel zwischen Szenarien keine Abfrage an den
Webserver gestellt, und den Nutzer:innen wird
ein unmittelbares Durchschalten und Vergleichen
zwischen Szenarien ermöglicht, ohne erneut Da-
ten herunterladen zu müssen.
Ergebnisse
Die Webanwendung (https://sealevelrise.hcu-
hamburg.de) listet neben allgemeinen Informa-
tionen zum Projekt eine Weiterleitung zur inter-
aktiven Karte und Kontaktmöglichkeiten. Auf der
interaktiven Karte wird zunächst die Prognose
zum Meeresspiegelanstieg für das Jahr 2100 unter
Berücksichtigung des Küstenschutzes präsentiert.
Weitere Szenario-Informationen geben das ent-
sprechende Klimaszenario preis und schildern
kurz, um welches Maß die Temperaturen für das
jeweilige Szenario steigen. Ferner werden unge-
fähre Angaben zur Menge der betroenen Men-
schen sowie zur überuteten Fläche gemacht.
Über einen Informations-Button gelangen Nut-
zer:innen zu weiterführenden Informationen zum
Weltklimarat (IPCC) und den sogenannten Repre-
sentative Concentration Pathways (RCP). Neben
einer kurzen Übersicht zu den Einussfaktoren für
die Simulation, wie dem zugrunde liegenden Hö-
henmodell oder der vertikalen Landbewegung,
9HN 122 — 06/2022
Abb. 2: Mit Hilfe der Webanwendung können diverse Überutungsszenarien visualisiert werden. Weitere Szenario-
Informationen beinhalten unter anderem die Menge betroener Menschen und die Summe der überuteten Fläche
10 Hydrographische Nachrichten
Interaktive Webkarte
das Ausarbeiten von Konzepten zu interaktiven
Führungen durch die Karte. Dabei können zum
Beispiel stark betroene Regionen durch einen
kleineren Maßstab hervorgehoben und im Hin-
blick auf ihre Statistiken in den unterschiedlichen
Szenarien diskutiert werden. Weiterhin ist geplant,
Auswertungen unter Berücksichtigung der Land-
nutzungsklassen in die Webkarte zu integrieren,
um zu visualisieren, zu welchen Anteilen Grünä-
chen und besiedelte, industriell genutzte Flächen
betroen wären. //
de Literatur hingewiesen, sodass für interessierte
Besucher:innen die Möglichkeit besteht, weitere
Informationen zu der Datengrundlage und Vorge-
hensweise einzusehen.
Die Webanwendung soll zukünftig unter Be-
rücksichtigung von Usability-Tests und User-
Feedback weiterentwickelt werden. Dabei steht
eine verbesserte Visualisierung mit dem Fokus
auf die Lesbarkeit der interaktiven Karte sowie der
Hervorhebung von Hotspots im Fokus. Insbeson-
dere das Hervorheben von Hotspots ermöglicht
Literatur
Bamber, Jonathan L.; Michael Oppenheimer; Robert E. Kopp
et al. (): Ice sheet contributions to future sea-level
rise from structured expert judgment. Proceedings
of the National Academy of Sciences, DOI:./
pnas.
Church, John A.; Peter U. Clark; Anny Cazenave et al. ():
Sea Level Change. In: Climate Change : The Physical
Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth
Assessment Repor t of the Inter-governmental Panel on
Climate Change. Cambridge University Press, Cambridge,
New York, pp. –
DLR (): TanDEM-X – Die Erde in drei Dimensionen.
URL: www.dlr.de/content/de/missionen/tandem-x.html
Gornitz, Vivien; Michael Oppenheimer; Robert E. Kopp et al.
(): New York City Panel on Climate Change Report.
Annals of the New York Academy of Sciences, DOI: ./
nyas .
Hanson, Susan; Robert Nicholls; N. Ranger et al. (): A
global ranking of port cities with high exposure to climate
extremes. Climatic change, DOI: ./s---
ICDC (): Live Access Server. URL: http://icdc.cen.uni-
hamburg.de/las/getUI.do
Jevrejeva, Svetlana; Luke P. Jackson; Riccardo E.M. Riva et al.
(): Coastal sea level rise with warming above °C.
Proceedings of the National Academy of Sciences,
DOI:./pnas.
Abb. 3: Die Webanwendung erlaubt ein einfaches Durchschalten unterschiedlicher Überutungsszenarien (oben)
und eine intuitive Auswahl interessanter Gebiete in beliebiger Zoomstufe (unten)
Interaktive Webkarte
Nicholls, Robert J.; Poh Poh Wong; Virginia Burkett et al. ():
Coastal systems and low-lying areas. In: Climate Change
: Impacts, Adaption and Vulnerability. Contribution of
Working Group II to the Fourth Assessment Report of the
Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge
University Press, Cambridge, pp. –
Santamaría-Gómez, Alvaro; Médéric Gravelle; Sönke
Dangendorf et al. (): Uncertainty of the th century
sea-level rise due to vertical land motion errors.
Earth and Planetary Science Letters, DOI: ./j.
epsl...
Schuldt, Caroline; Jochen Schiewe; Johannes Kröger
(): Sea-Level Rise in Northern Germany: A GIS-Based
Simulation and Visualization. KN – Journal of Cartography
and Geographic Information, DOI: ./s--
-
Sweet, William; Robert E. Kopp; Christopher P. Weaver et
al. (): Global and Regional Sea Level Rise Scenarios
for the United States. NOAA Tech Report NOS CO-OPS,
DOI:./v/tr-nos-coops-
Wasserstraßen- und Schifahrtsverwaltung ():
Pegelonline. URL: www.pegelonline.wsv.de/gast/hilfe
Wright, Lynn Donelson; J. P. M. Syvitski; C. Reid Nichols ():
Sea level rise: Recent trends and future projections.
In: Tomorrow’s Coasts: Complex and Impermanent.
Springer, Cham, DOI: ./----_
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