Analyse von Windfeldergebnissen auf See und an der Küste aus regionalen gekoppelten Ozean-Atmosphäre-Klimamodellen - BSH
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Analyse von Windfeldergebnissen auf See und an der Küste aus regionalen gekoppelten Ozean-Atmosphäre-Klimamodellen Autorin: Anette Ganske Stand: 21.06.2019 Themenfeld 1: Verkehr und Infrastruktur an Klimawandel und extreme Wetterereignisse anpassen Schwerpunktthema: SP-104 Sturmgefahren Meilenstein: M104a-4
Inhalt 1 Zielstellung ............................................................................................................................................................ 9 2 Daten ....................................................................................................................................................................10 2.1 MPI-OM/REMO ...................................................................................................................................10 2.2 NEMO/RCA4 ........................................................................................................................................11 3 Methoden.............................................................................................................................................................11 3.1 Untersuchungen des zeitlichen Verhaltens .........................................................................................11 3.1.1 Untersuchungen der Windgeschwindigkeiten ..................................................................... 11 3.1.2 Untersuchungen der Windrichtungen .................................................................................. 12 3.2 Potentielle Sturmfluten ..........................................................................................................................12 3.2.1 Effektiver Wind........................................................................................................................ 12 3.2.2 Definition der Potentiellen Sturmflut ................................................................................... 13 3.2.3 Wasserstände ............................................................................................................................ 14 4 Ergebnisse der Klimaläufe ................................................................................................................................16 4.1 Windgeschwindigkeiten in 10 m Höhe ...............................................................................................16 4.1.1 Zeitscheibenvergleiche für die Felder der hohen Windgeschwindigkeiten .................... 16 4.1.1 Gebietsmittel der hohen Windgeschwindigkeiten .............................................................. 19 4.2 Mittlere Windrichtungen in 10 m Höhe..............................................................................................27 4.2.1 Zeitscheibenvergleiche für die Felder der Mittleren Windrichtungen............................. 27 4.2.2 Gebietsmittel der Mittleren Windrichtungen in 10 m Höhe............................................. 29 4.3 Effektiver Wind in der Nordsee ...........................................................................................................33 4.4 Potentielle Sturmfluten ..........................................................................................................................36 4.4.1 Untersuchung der Zeitreihen ................................................................................................. 37 4.4.2 Vergleich der Zeitscheiben ..................................................................................................... 43 4.4.3 Vergleiche mit den Wasserständen ....................................................................................... 44 5 Zusammenfassung .............................................................................................................................................48 6 Literatur ...............................................................................................................................................................51 7 Anhang Windgeschwindigkeit ..........................................................................................................................52 8 Anhang Windrichtung .......................................................................................................................................58 10 Anhang Sturmfluten ..........................................................................................................................................63
4 Windfeldergebnisse auf See und an der Küste Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Teilgebiete der Nord- (NW, NO, SW, SO) und Ostsee (ZO, MB) und das Übergangsgebiet (ÜG), in denen jeweils Gebietsmittel bestimmt werden. ......................................................................................11 Abbildung 2: Lage der Messstationen und korrespondierender Gitterpunkte der Modelle und der Reanalyse. ........................................................................................................................................................................................13 Abbildung 3: Mittleres Hochwasser (MHW) in cm über PNP berechnet aus 19-jährigen gleitenden Mittelwerten der Hochwasserscheitelwerte von MPI-OM/REMO, Run 1 (blaue Kurve) und NEMO/RCA4, angetrieben mit MPI-ESM (orange Kurve), jeweils unter den Annahmen des historischen Zeitraums und des RCP8.5, für die Jahre 1988-2100. ...........................................................................................14 Abbildung 4: 98. Perzentil der 30-jährigen Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeit in 10 m Höhe an jedem Modellgitterpunkt, berechnet jeweils mit drei Läufen von MPI-OM/REMO und NEMO/RCA4 angetrieben mit fünf verschiedenen GCMs für den Zeitraum 1971-2000. ........................................................17 Abbildung 5: Differenz des 98. Perzentils der 30-jährigen Häufigkeitsverteilungen der Windgeschwindigkeit an jedem Modellgitterpunkt für den Zeitraum 2031-2060. Die Simulationen für die nahe Zukunft wurden unter den Annahmen des RCP8.5 durchgeführt. ...................................................................................................18 Abbildung 6: Differenz des 98. Perzentils der 30-jährigen Häufigkeitsverteilungen der Windgeschwindigkeit an jedem Modellgitterpunkt für den Zeitraum 2071-2100 minus den Werten für 1971-2000. Die Simulationen für die ferne Zukunft wurden unter den Annahmen des RCP8.5 durchgeführt. .....................19 Abbildung 7: Zeitreihen der 98. Perzentile der jährlichen Häufigkeitsverteilungen der Gebietsmittelwerte der Windgeschwindigkeit im Nordsee-Gebiet SO, berechnet mit 3 Läufen von MPI-OM/REMO unter den Annahmen des RCP8.5. .............................................................................................................................................20 Abbildung 8: Zeitreihen der gleitenden 30-jährigen Mittelwerte des 98. Perzentiles der Häufigkeitsverteilungen aus den Gebietsmitteln der Windgeschwindigkeiten in den sieben Teilgebieten der Nord- und Ostsee (siehe Abbildung 1). Alle Zeitreihen berechnet mit MPI-OM/REMO unter RCP8.5 von 1975-2084. ....................................................................................................................................................................20 Abbildung 9: Zeitreihen des 98. Perzentils der jährlichen Häufigkeitsverteilungen der Gebietsmittelwerte der Windgeschwindigkeit im Nordsee-Gebiet SO, berechnet mit NEMO/RCA4 und 4 verschiedenen Antrieben aus GCMs. .................................................................................................................................................21 Abbildung 10: Mit NEMO/RCA4 unter den Annahmen des RCP8.5 berechnete Zeitreihen von 1975-2084 der gleitenden 30-jährigen Mittelwerte des 98. Perzentiles der Häufigkeitsverteilungen aus den Gebietsmitteln der Windgeschwindigkeiten in den sieben Teilgebieten der Nord- und Ostsee. ...................22 Abbildung 11: Standardabweichung und lineare Änderung der Zeitreihen des 98. Perzentils der Häufigkeitsverteilungen der flächengemittelten Windgeschwindigkeit in den Nordsee-Gebieten. ...............23 Abbildung 12: wie obige Abbildung, nur für das Übergangsgebiet und die zwei Ostsee-Gebiete. ...............24 Abbildung 13: Differenz des 98. Perzentils der 30-jährigen Häufigkeitsverteilung der flächengemittelten Windgeschwindigkeiten im Übergagsgebiet und in den Nord- und Ostsee-Gebieten. ...................................26 Abbildung 14: Aus den Simulationen unter den Annahmen des RCP8.5 bestimmte Differenz der mittleren Anzahl von Stunden pro Jahr, in denen der Schwellwert für Sturm überschritten wurde. .............................26 Abbildung 15: Mittlere Windrichtung an jedem Modellgitterpunkt, berechnet jeweils mit 3 Läufen von MPI- OM/REMO und NEMO/RCA4 angetrieben mit fünf verschiedenen GCMs für den Zeitraum 1971-2000. ........................................................................................................................................................................................27 Abbildung 16: Differenz der Mittleren Windrichtung an jedem Modellgitterpunkt für den Zeitraum 2031- 2060 minus den Werten für 1971-2000. ..................................................................................................................28
Windfeldergebnisse auf See und an der Küste 5 Abbildung 17: Wie obige Abbildung, nur für den Zeitraum 2071-2100 minus den Werten für 1971-2000. ........................................................................................................................................................................................29 Abbildung 18: Mittlere Windrichtung im Nordsee-Gebiet SO von 1961-2100, berechnet mit drei Läufen von MPI-OM/REMO unter den Annahmen des RCP8.5. ..................................................................................30 Abbildung 19: Zeitreihen der 30-jährige Mittelwerte der räumlich gemittelten Windrichtung von 1975 - 2084, jeweils bestimmt mit einem Lauf von MPI-OM/REMO unter den Annahmen des RCP8.5 für jedes der sieben Nord- und Ostseegebiete. .......................................................................................................................30 Abbildung 20: Mittlere Windrichtung im Gebiet SO von 1961-2100, berechnet mit NEMO/RCA4, angetrieben mit fünf verschiedenen GCMs, unter den Annahmen des RCP8.5. .............................................31 Abbildung 21: Zeitreihen der 30-jährigen Mittelwerte der Mittleren Windrichtung von 1975 - 2084, jeweils bestimmt mit einer Simulation von NEMO/RCA4 unter den Annahmen des RCP8.5. ................................32 Abbildung 22: Differenz der 30-jährigen mittleren Windrichtung für die nahe und ferne Zukunft im Vergleich zum Referenzeitraum im Übergangsgebiet und in den Nord- und Ostsee-Gebieten, berechnet mit den mit den drei Läufen von MPI-OM/REMO und den mit fünf verschiedenen GCMs angetriebenen Läufen von NEMO/RCA4 unter den Annahmen des RCP8.5. Positive Differenzen (Zunahmen) sind rot gezeichnet, negative blau. ...........................................................................................................................................33 Abbildung 23: Zeitreihen des 98. Perzentiles der jährlichen Häufigkeitsverteilungen des effektiven Windes am Gitterpunkt Cuxhaven, berechnet mit drei verschiedenen Läufen von MPI-OM/REMO. Die dünnen Kurven zeigen die jährlichen Werte, die dicken die 30-jährigen Mittelwerte. ...................................................34 Abbildung 24: Zeitreihen des 98. Perzentils der jährlichen Häufigkeitsverteilungen des effektiven Windes am Gitterpunkt Cuxhaven, berechnet mit NEMO/RCA4 unter den Annahmen von RCP8.5 und unterschiedlichen Randbedingungen aus den Ergebnissen von fünf verschiedenen Globalmodellen. ........35 Abbildung 25: Potentielle Sturmfluten berechnet für den Gitterpunkt Cuxhaven mit den drei Läufen von MPI-OM/REMO unter den Bedingungen des RCP8.5 für den Zeitraum 1961-2100....................................39 Abbildung 26: Potentielle Sturmfluten berechnet für den Gitterpunkt Cuxhaven mit NEMO/RCA4 und den Randbedingungen aus 5 verschiedenen Globalmodellen unter den Annahmen des RCP8.5. ................40 Abbildung 27: Standardabweichung (graue Balken), lineare Änderung nach 140 Jahren (blaue Balken) und Signifikanz der Änderungen des maximalen effektiven Windes während Potentieller Sturmfluten, bestimmt aus insgesamt 8 Simulationen unter den Annahmen des RCP8.5. ......................................................................41 Abbildung 28: Standardabweichung (graue Balken), lineare Änderung nach 140 Jahren (blaue Balken) und Signifikanz der Änderungen der Andauer Potentieller Sturmfluten, bestimmt aus insgesamt 8 Simulationen unter den Annahmen des RCP8.5. ...........................................................................................................................41 Abbildung 29: Standardabweichung (graue Balken), lineare Änderung nach 139 Jahren (blaue Balken) und Signifikanz der Änderungen der Anzahl von Potentiellen Sturmfluten pro Jahr, bestimmt aus insgesamt 8 Simulationen unter den Annahmen des RCP8.5. ...................................................................................................42 Abbildung 30: Differenzen der mittleren Werte der Kenngrößen für Potentielle Sturmfluten, jeweils bestimmt über die zwei Zeitscheiben (2060-2100) und (2070-2100) unter den Annahmen des RCP8.5 minus den Werten für den Zeitraum (1971-2000). ............................................................................................................43 Abbildung 31: Wasserstand und effektiver Wind für die Tidekette vom November 2091, 5.11.2091 um 8 UTC (Mitte der Zeitachse), berechnet mit MPI-OM/REMO, Lauf 1, RCP8.5. Oben: Effektiver Wind am REMO Gitterpunkt Cuxhaven. ................................................................................................................................45
6 Windfeldergebnisse auf See und an der Küste Abbildung 32: Maximaler effektiver Wind und maximaler Wasserstand während Potentieller Sturmfluten, bestimmt aus dem 1. Lauf von MPI-OM/REMO für den Zeitraum 1961-2100 unter den Annahmen von RCP8.5. .........................................................................................................................................................................45 Abbildung 33: Wasserstand und effektiver Wind für die Tidekette vom November 2091, 5.11.2091 um 14 UTC (Mitte der Zeitachse), berechnet NEMO/RCA, angetrieben mit MPI-ESM_LR, RCP8.5. .................46 Abbildung 34: Maximaler effektiver Wind und Maximaler Wasserstand während Potentiellen Sturmfluten, bestimmt aus NEMO/RCA4, angetrieben mit MPI-ESM_LR für den Zeitraum 1971-2100 unter den Annahmen von RCP8.5. ............................................................................................................................................47 Abbildung 35: Differenz des 98. Perzentils der 30-jährigen Häufigkeitsverteilungen der Windgeschwindigkeit an jedem Modellgitterpunkt für den Zeitraum 2031-2060 unter den Annahmen des RCP4.5 minus den Werten für 1971-2000. .............................................................................................................52 Abbildung 36: Wie obige Abbildung, nur Differenzen der Werte im Zeitraum 2071-2000 minus den Werten für 1971-2000. ..............................................................................................................................................................52 Abbildung 37: Differenz des 98. Perzentils der 30-jährigen Häufigkeitsverteilungen der Windgeschwindigkeit an jedem Modellgitterpunkt für den Zeitraum 2031-2060 unter den Annahmen des RCP2.6 minus den Werten für 1971-2000. .............................................................................................................53 Abbildung 38: wie obige Abbildung, nur Differenzen der Werte in den Zeiträume 2071-2000 minus den Werten für 1971-2000. ................................................................................................................................................53 Abbildung 39: Ergebnisse der Analyse der Zeitreihen des 98. Perzentils der Häufigkeitsverteilungen der flächengemittelten Windgeschwindigkeit in den Nord- und Ostsee-Gebieten, berechnet mit den zwei Modellen MPI-OM/REMO und NEMO/RCA4 unter den Annahmen des RCP4.5 für den Zeitraum 1961- 2099: ..............................................................................................................................................................................54 Abbildung 40: Ergebnisse der Analyse der Zeitreihen des 98. Perzentils der Häufigkeitsverteilungen der flächengemittelten Windgeschwindigkeit in den Nord- und Ostsee-Gebieten, berechnet mit NEMO/RCA4 unter den Annahmen des RCP2.6 für den Zeitraum 1961-2099: ........................................................................55 Abbildung 41: Differenz des 98. Perzentils der 30-jährigen Häufigkeitsverteilung der flächengemittelten Windgeschwindigkeiten im Übergangsgebiet und in den Nord- und Ostsee-Gebieten, berechnet mit den 3 Läufen von MPI-OM/REMO und den mit fünf verschiedenen GCMs angetriebenen Läufen von NEMO/RCA4. Alle Simulationen wurden unter den Annahmen des RCP4.5 durchgeführt. ......................56 Abbildung 42: Differenz des 98. Perzentils der 30-jährigen Häufigkeitsverteilung der flächengemittelten Windgeschwindigkeiten in den Nordseegebieten, berechnet mit den mit vier verschiedenen GCMs angetriebenen Läufen von NEMO/RCA4. Alle Simulationen wurden unter den Annahmen des RCP2.6 durchgeführt. ................................................................................................................................................................56 Abbildung 43: Aus den Simulationen unter den Annahmen des RCP4.5 bestimmte Differenz der mittleren Anzahl von Stunden pro Jahr, in denen der Schwellwert für Sturm überschritten wurde. .............................57 Abbildung 44: Gleiche Abbildung wie oben, nur für vier Simulationen mit NEMO/RCA4 unter den Annahmen des RCP 2.6. ............................................................................................................................................57 Abbildung 45: Differenz der Mittleren Windrichtung an jedem Modellgitterpunkt für den Zeitraum 2031- 2060 minus den Werten für 1971-2000. Windrichtungen jeweils berechnet mit 3 Läufen von MPI- OM/REMO und NEMO/RCA4, angetrieben mit fünf verschiedenen GCMs. Die Simulationen für die Nahe Zukunft wurden unter den Annahmen des RCP4.5 durchgeführt. ..........................................................58 Abbildung 46: wie obige Abbildung, nur Differenzen der Werte in den Zeiträume 2071-2100 minus den Werten für 1971-2000. ................................................................................................................................................58
Windfeldergebnisse auf See und an der Küste 7 Abbildung 47: Differenz der Mittleren Windrichtung an jedem Modellgitterpunkt für den Zeitraum 2031- 2060 unter den Annahmen des RCP2.6 minus den Werten für 1971-2000. Windrichtungen jeweils berechnet mit NEMO/RCA4, angetrieben mit vier verschiedenen GCMs.........................................................................59 Abbildung 48: wie obige Abbildung, nur Differenzen der Werte in den Zeiträume 2071-2100 minus den Werten für 1971-2000. ................................................................................................................................................59 Abbildung 49: 30-jährige gleitende Mittelwerte der Mittleren Windrichtung von 1975 - 2084, jeweils bestimmt mit einem Lauf von MPI-OM/REMO unter den Annahmen des RCP4.5.....................................60 Abbildung 50: 30-jährige gleitende Mittelwerte der Mittleren Windrichtung von 1975 - 2084, jeweils bestimmt mit einer Simulation von NEMO/RCA4 unter den Annahmen des RCP4.5. Dabei kommen die für die Simulation verwendeten Randwerte jeweils aus dem GCM in der Überschrift der jeweiligen Abbildung. ....................................................................................................................................................................60 Abbildung 51: 30-jährige gleitende Mittelwerte der Mittleren Windrichtung von 1975 - 2084, jeweils bestimmt mit einer Simulation von NEMO/RCA4 unter den Annahmen des RCP2.6. Dabei kommen die für die Simulation verwendeten Randwerte jeweils aus dem GCM in der Überschrift der jeweiligen Abbildung .....................................................................................................................................................................61 Abbildung 52: Differenz der 30-jährigen mittleren Windrichtung im Übergangsgebiet und in den Nord- und Ostsee-Gebieten, berechnet mit den 3 Läufen von MPI-OM/REMO und den mit fünf verschiedenen GCMs angetriebenen Läufen von NEMO/RCA4 für die Ferne und Nahe Zukunft im Vergleich zum Referenzeitraum unter den Annahmen des RCP4. 5.............................................................................................62 Abbildung 53: Differenz der 30-jährigen mittleren Windrichtungen für die Ferne und Nahe Zukunft im Vergleich zum Referenzeitraum im Übergangsgebiet und in den Nord- und Ostsee-Gebieten, berechnet mit den mit vier verschiedenen GCMs angetriebenen Läufen von NEMO/RCA4 unter den Annahmen des RCP2.6. .........................................................................................................................................................................62 Abbildung 54: Standardabweichung (graue Balken), lineare Änderung nach 140 Jahren (blaue Balken) und Signifikanz der Änderungen des maximalen effektiven Windes während Potentieller Sturmfluten, bestimmt aus insgesamt 8 Simulationen unter den Annahmen des RCP4.5. ......................................................................63 Abbildung 55: Standardabweichung (graue Balken), lineare Änderung nach 140 Jahren (blaue Balken) und Signifikanz der Änderungen der Andauer Potentieller Sturmfluten, bestimmt aus insgesamt 8 Simulationen unter den Annahmen des RCP4.5. ...........................................................................................................................63 Abbildung 56: Standardabweichung (graue Balken), lineare Änderung nach 140 Jahren (blaue Balken) und Signifikanz der Änderungen der Anzahl von Potentiellen Sturmfluten pro Jahr, bestimmt aus insgesamt 8 Simulationen unter den Annahmen des RCP4.5. ...................................................................................................65 Abbildung 57: Standardabweichung (graue Balken), lineare Änderung nach 140 Jahren (blaue Balken) und Signifikanz der Änderungen des maximalen effektiven Windes während Potentieller Sturmfluten, bestimmt aus insgesamt 4 NEMO/RCA4 Simulationen unter den Annahmen des RCP2.6...........................................65 Abbildung 58: Standardabweichung (graue Balken), lineare Änderung nach 140 Jahren (blaue Balken) und Signifikanz der Änderungen der Andauer Potentieller Sturmfluten, bestimmt aus insgesamt 4 NEMO/RCA4 Simulationen unter den Annahmen des RCP2.6. ......................................................................66 Abbildung 59: Standardabweichung (graue Balken), lineare Änderung nach 140 Jahren (blaue Balken) und Signifikanz der Änderungen der Anzahl Potentieller Sturmfluten pro Jahr, bestimmt aus insgesamt vier NEMO/RCA4 Simulationen unter den Annahmen des RCP2.6. ......................................................................66 Abbildung 60: Analog zu Abbildung 33, jedoch berechnet unter den Annahmen des RCP4.5.....................67
8 Windfeldergebnisse auf See und an der Küste Abbildung 61: analog zur obigen Abbildung, jedoch berechnet mit NEMO/RCA4 und den Randbedingungen aus den vier GCMs MPI-ESM_LR, EC-EARTH, HadGEM2-ES und GFDL-ESM2M unter den Annahmen des RCP2.6. ...........................................................................................................................67 Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Übersicht über die gekoppelten regionalen Ozean-Atmosphäre-Klimamodelle und ihren Globalmodellantrieb (GCM) pro RCP-Szenario sowie ihre Herkunft ( K: KLIWAS, R!: RACE!, S: SMHI) ........................................................................................................................................................................................10 Tabelle 2: Effektive Windrichtung für einzelne Küstenabschnitte .....................................................................13 Tabelle 3: Auswertungen der mit MPI-OM/REMO bestimmten Zeitreihen des effektiven Windes für den Zeitraum 1961-2100 an den drei Nordsee-Stationen: Linearer Trend und Signifikanz der Zeitreihe des 98. Perzentils.......................................................................................................................................................................35 Tabelle 4: Auswertungen der mit NEMO/RCA4 und unterschiedlichen Randbedingungen aus Globalmodellläufen bestimmten Zeitreihen des effektiven Windes für den Zeitraum 1961-2100 an den drei Nordsee-Stationen: Linearer Trend und Signifikanz Zeitreihe des 98. Perzentils. ...........................................36 Tabelle 5: Werte des 98. Perzentils der effektiven Windgeschwindigkeit an den zu den Messstationen korrespondierenden Gitterpunkten für den Zeitraum 1961-2000, berechnet aus den historischen Läufen der zwei gekoppelten Modelle. .........................................................................................................................................37 Tabelle 6: Parameter der Potentiellen Sturmfluten am Gitterpunkt Cuxhaven: Maxima aus allen Läufen, die mit einem Modelle unter den Bedingungen eines Klimaszenarios gemacht wurden. ......................................42
1 Zielstellung Im Themenfeld 1, SP-104 werden die Risiken von Sturm auf den Verkehr und die Verkehrsinfrastruktur untersucht. Dieser Bericht konzentriert sich dabei auf die Küste und die Nord- und Ostsee, da die Küsten- gebiete vom Wind im besonderen Maße beeinflusst werden. Der durch den Wind induzierte Seegang und Sturmfluten in Verbindung mit einem steigenden Meeresspiegel können die Stabilität der Küsten beein- trächtigen und zu Überflutungen führen. Zudem sind die Windgeschwindigkeiten in 10 m Höhe an den Küsten im Vergleich zum Binnenland (mit Ausnahme der Berge) im Mittel höher, so dass auch die Sturm- risiken für den Verkehr an der Küste höher sind als im Binnenland. Durch die Auswertungen von Klimamodelldaten werden die möglichen zukünftigen Änderungen der Wind- felder untersucht. In Küstennähe und über See sind die Wechselwirkungen zwischen Ozean und Atmo- sphäre dabei besonders wichtig, da z.B. die Höhe einer Sturmflut nicht nur von der Stärke des Windes abhängt, sondern auch von der Windrichtung, vom Fetch, von der Gezeitenphase und dem mittleren Was- serstand in Küstennähe. Man benötigt also konsistente Projektionen für die Atmosphäre und den Ozean in einer hohen zeitlichen und räumlichen Auflösung, damit diese Wechselwirkungen adäquat untersucht wer- den können. Dies wird mit gekoppelten regionalen Ozean-Atmosphäre-Klimamodellen realisiert. Damit stehen neben Informationen zum Wind auch Informationen zum Meeresspiegel zur Verfügung. Im ersten Meilensteinbericht zum Wind auf See (Ganske, 2019) wurden alle Modelle validiert, um sicher zu stellen, dass die Ergebnisse und Analysen vertrauenswürdig sind. Dabei wurde auch für verschiedene Fra- gestellungen geprüft, ob man diese mit den zur Verfügung stehenden Modellergebnissen untersuchen kann. Da zumindest für die Nordsee bereits umfangreiche Untersuchungen über mögliche zukünftige Verände- rungen der Windgeschwindigkeiten und Windrichtungen vorliegen ((de Winter et al., 2013) und (Ganske et al., 2016)), wurden hier nur ergänzende Untersuchungen durchgeführt. In diesem Meilensteinbericht werden die Modellergebnisse für die mögliche Zukunft unter Annahme der Klimaszenarien RCP2.6, RCP4.5 und RCP8.5 ausgewertet. Da in diesem Schwerpunkt die Wirkung von Stürmen an der Küste betrachtet wurde, sind die vorliegenden Analysen begrenzt auf die möglichen Ände- rungen von hohen Windgeschwindigkeiten und mittleren Windrichtungen in 10 m Höhe über Wasser bzw. über Grund. Zusätzlich werden die Auswirkungen der möglichen Änderungen der Windfelder auf die Sturmfluten in der Nordsee untersucht.
2 Daten Für die Untersuchung der möglichen zeitlichen Änderungen der Windfelder werden Ergebnisse von gekop- pelten Ozean-Atmosphäre-Modellen ausgewertet. Da die bisher vorliegenden Ergebnisse der globalen ge- koppelten Klimamodelle (GCM) räumlich zu grob sind, um die oben genannten Prozesse in der Nord- und Ostsee zu untersuchen, müssen die Ergebnisse von regional gekoppelten Ozean-Atmosphäre-Modellen (OARCM) verwendet werden. Dem Expertennetzwerk stehen zurzeit nur die Ergebnisse der beiden gekoppelten regionalen Modelle MPI- OM/REMO und NEMO/RCA4 zur Verfügung, siehe Tabelle 1. Dabei besteht MPI-OM/REMO aus re- gional gekoppelten Komponenten und NEMO/RCA4 aus Regionalmodellen (RCM), die miteinander ge- koppelt sind. Die Ergebnisse der Validation der gekoppelten Modelle findet man in einem gesonderten Bericht (Ganske, 2019). Tabelle 1: Übersicht über die gekoppelten regionalen Ozean-Atmosphäre-Klimamodelle und ihren Global- modellantrieb (GCM) pro RCP-Szenario sowie ihre Herkunft ( K: KLIWAS, R!: RACE!, S: SMHI) RCP GCM MPI-OM/ REMO NEMO/RCA4 MPI-ESM_LR S EC-EARTH S 2.6 HadGEM2-ES S GFDL-ESM2M S MPI-ESM_LR R! S EC-EARTH S 4.5 GFDL-ESM2M S HadGEM2-ES S IPSL-CM5A S MPI-ESM_LR R! K EC-EARTH S 8.5 GFDL-ESM2M S HadGEM2-ES S IPSL-CM5A S 2.1 MPI-OM/REMO Für das Klimamodell MPI-OM/REMO des MPI Hamburg wurde das regionale Atmosphärenmodell REMO mit dem globalen Ozeanmodell MPI-OM gekoppelt, siehe (Elizalde et al., 2014) und (Mathis et al., 2018). Für die Projektionsläufe wurden die atmosphärischen Randdaten von REMO mit dem Globalmodell MPI-ESM-LR erstellt. Unter Verwendung dieser gekoppelten regionalen Ozean-Atmosphäre-Modelle wur- den innerhalb des BMBF-Projekts RACE! je drei Läufe für die RCPs 4.5 und 8.5 gerechnet, die auch im Expertennetzwerk verwendet werden. Die Gitterweite von REMO beträgt 0.22° (etwa 24 km). MPI-OM hat in der Nordsee Gitterweiten zwischen 5 und 13 km.
Windfeldergebnisse auf See und an der Küste 11 2.2 NEMO/RCA4 Für das Klimamodell NEMO/RCA4 des SMHI (Dieterich et al., 2013) wurde das regionale Ozeanmodell NEMO an das regionale Atmosphärenmodell RCA4 angekoppelt. Zur Berechnung der Projektionen be- kommen beide Modelle an ihren lateralen Rändern die Werte eines global gekoppelten Modells. Für die drei Szenarien RCP2.6, RCP4.5 und RCP8.5 stehen jeweils mehrere Läufe mit verschiedenen Globalmodellan- trieben zur Verfügung. Die Gitterweite des Atmosphärenmodells RCA4 beträgt 0.11° (etwa 12 km). Das Ozeanmodell NEMO hat eine Gitterweite von 0.03° (2 sm, etwa 3,7 km). 3 Methoden Der Wind in 10 m Höhe beeinflusst den Wasserstand auf See, die Wellenhöhen und -richtungen, sowie die Strömungen. Für den Wasserstand an der Küste macht es einen großen Unterschied, ob der Wind auf- oder ablandig ist. Deshalb werden sowohl die Windgeschwindigkeiten als auch die Windrichtungen z.T. einzeln analysiert, aber auch ihr Zusammenwirken. Hierfür ist die Berechnung des effektiven Windes geeignet, siehe Kapitel 3.2.1. Für alle folgenden Untersuchungen werden die Stundenmittelwerte der Windfelder in 10 m Höhe über Grund bzw. Meeresspiegel analysiert. 3.1 Untersuchungen des zeitlichen Verhaltens Die zeitlichen Änderungen der Windgeschwindigkeiten und -richtungen in der Nord- und Ostsee werden mit räumlichen Mittelwerten untersucht, die für die in Abbildung 1 gezeigten Teilgebiete bestimmt wurden. In jedem Gebiet wird für jeden Zeitschritt und über alle Gitterpunkte auf See der Mittelwert über alle Wind- geschwindigkeiten und über alle Windkomponenten berechnet. MB NW NO ÜG ZO SW SO Abbildung 1: Teilgebiete der Nord- (NW, NO, SW, SO) und Ostsee (ZO, MB) und das Übergangsgebiet (ÜG), in denen jeweils Gebietsmittel bestimmt werden. 3.1.1 Untersuchungen der Windgeschwindigkeiten Aus den Zeitreihen der räumlich gemittelten Windgeschwindigkeiten werden in jedem Gebiet Häufigkeits- verteilungen (HV) aus allen Werten innerhalb eines Jahres bestimmt. Dafür werden Windgeschwindigkeiten in Klassen mit einer Breite von 1 m/s eingeteilt und die Häufigkeiten der Werte pro Klasse berechnet. Aus diesen Häufigkeitsverteilungen werden die 1.-99. Perzentile bestimmt.
12 Windfeldergebnisse auf See und an der Küste Zum Vergleich der Perzentile aus den Häufigkeitsverteilungen von zwei Zeitreihen, z.B. aus Messwerten und Modellwerten, werden in einem sogenannten Quantil-Quantil-Plot (Q-Q-Plot) die Werte der jeweiligen Perzentile gegeneinander aufgetragen. Die Nullhypothese, dass zwei Zeitreihen zu der gleichen Verteilung gehören, wird mit dem Kolmogorov-Smirnov-Verfahren (Massey, 1951) mit einem Schwellwert von 5% für eine fälschliche Verwerfung getestet. Um die mögliche zeitliche Veränderung der jährlichen HV zu untersuchen, wird das 98. Perzentil der jähr- lichen HV ermittelt. Aus diesem Wert werden jeweils Zeitreihen für längere Zeiträume gebildet, z.B. von 1961-2100. Zur Darstellung der multi-dekadischen Veränderungen werden aus diesen Zeitreihen 30-jährige gleitende Mittelwerte bestimmt. Dabei wird in den Kurven der Mittelwert einer 30-jährigen Periode von z.B. 1971-2000 dem 15. Jahr der Periode – hier 1985 – zugeordnet. Für den Vergleich der Zeitscheibenergebnisse wurden die 30-jährigen Häufigkeitsverteilungen der räum- lich gemittelten Windgeschwindigkeiten in allen sieben Gebieten für den Referenzzeitraum (1971-2000), die nahe Zukunft (2031-2070) und die ferne Zukunft (2070-2100) gebildet. Aus diesen Häufigkeitsvertei- lungen wird jeweils das 98. Perzentil bestimmt. Anschließend wird für jedes Gebiet jeweils die Differenzen aus den Werten für die nahe Zukunft und die ferne Zukunft zu denen des Referenzzeitraums bestimmt. Für die Berechnung der Stunden mit Sturm wird bei jeder Simulation und in jedem Gebiet der Wert des 98. Perzentils der Häufigkeitsverteilung für den Referenzzeitraum als Schwellwert genommen. Anschlie- ßend wird in den Zeitreihen für die nahe und ferne Zukunft jeweils ermittelt, an wie vielen Stunden dieser Schwellwert überschritten wird. Die Änderungen der Anzahl aus dem Referenzzeitraum und den zukünfti- gen Zeiträumen wird anschließend bestimmt. 3.1.2 Untersuchungen der Windrichtungen Die Windrichtungen werden aus den Windkomponenten in West-Ost (U-Komponente) und Nord-Süd- Richtung (V-Komponente) berechnet. Aus den räumlich gemittelten Komponenten des Windfeldes werden Zeitreihen der Windrichtung bestimmt. Zur Interpretation der Ergebnisse werden die Windrichtungen in die Klassen Nord, Nord-Ost,…. Nord–West (N, NO,…,NW) der 8-teiligen Windrose unterteilt. Aus bestimmten Zeiträumen von einem Jahr oder 30 Jahren werden zeitliche Mittelwerte der Komponenten ̅ ̅ ) gebildet und daraus die mittlere Windrichtung ̅ bestimmt. Aus diesen Mittelwerten werden Zeitrei- ( , hen gebildet. Werden die Windrichtungen von zwei Zeitreihen verglichen, kann mit dem Watson-Williams Test (Berens, 2009) geprüft werden, ob die mittlere Windrichtung der einen Zeitreihe signifikant (Signifi- kanzniveau 5%) von der der anderen Zeitreihe abweicht. 3.2 Potentielle Sturmfluten Mithilfe der Potentiellen Sturmfluten wird die Frage untersucht, ob sich die Häufigkeit und Stärke von möglichen zukünftigen Sturmfluten aufgrund von Änderungen der Windfelder ändert. Durch die Analyse der zugehörigen Wasserstände wird gezeigt, dass während der gefundenen Phasen mit hohen Windge- schwindigkeiten auch tatsächlich Sturmfluten vorkommen können. 3.2.1 Effektiver Wind Die effektive Windrichtung ist diejenige Windrichtung, bei der die Wirkung des Windes auf den Wasserstand am stärksten ist. Sie wurde von (Müller-Navarra and Giese, 1999) anhand einer Regressionsbeziehung der beobachteten Wasserstanddaten aus den gleichzeitig beobachteten Windgeschwindigkeiten und Windrich- tungen bestimmt. Die effektive Windgeschwindigkeit bzw. der effektive Wind ist die orthogonale Projektion des gemessenen Windes auf die effektive Windrichtung. Diese Methode wurde bereits in mehreren Projek- ten verwendet (siehe z.B. (Koziar and Renner, 2005) und (Ganske et al., 2018). Die in Tabelle 2 angegebenen effektiven Windrichtungen hängen vom Küstenabschnitt ab, unterscheiden sich aber nur wenig an der Ost- friesischen und der Nordfriesischen Küste:
Windfeldergebnisse auf See und an der Küste 13 Tabelle 2: Effektive Windrichtung für einzelne Küstenabschnitte Küstenabschnitt Effektive Windrichtung Cuxhaven 295° Ostfriesland 315° Nordfriesland 295° Für die Modelle werden die zu den Messstationen Borkum und Hallig Hooge korrespondierenden Gitter- punkte (siehe Abbildung 2) bestimmt. Dabei werden diejenigen Gitterpunkte ausgewählt, die über See (Lan- danteil < 10 %) und am nächsten zur Station liegen. Im Folgenden werden diese Gitterpunkte mit dem Namen der korrespondierenden Station bezeichnet. Da in Cuxhaven die Windmessungen stark von der Umgebung beeinflusst sind, wird hier ein zu Scharhörn (eine kleine Insel vor Cuxhaven) korrespondierender Gitterpunkt ausgewählt, der der Einfachheit halber als Cuxhaven bezeichnet wird. Aus den Windgeschwindigkeiten und Windrichtungen an den einzelnen Gitterpunkten werden Zeitreihen der effektiven Windgeschwindigkeiten berechnet. Damit werden Häufigkeitsverteilungen ermittelt und da- raus das 98. Perzentil berechnet. Abbildung 2: Lage der Messstationen und korrespondierender Gitterpunkte der Modelle und der Reanalyse. 3.2.2 Definition der Potentiellen Sturmflut Eine Potentielle Sturmflut liegt an einem Gitterpunkt vor, falls der effektive Wind einen Schwellwert für mindestens 10 Stunden überschreitet. Dabei wird als Schwellwert das 98. Perzentil der 40-jährigen Häufig- keitsverteilung vom Zeitraum 1961-2000 verwendet. Der Zeitraum, in dem der effektive Wind ohne Unter- brechung höher ist als der Schwellwert, nennen wir die Andauer des Ereignisses. Zudem wird die maxi- male effektive Windgeschwindigkeit während des jeweiligen Ereignisses bestimmt.
14 Windfeldergebnisse auf See und an der Küste 3.2.3 Wasserstände Dem Expertennetzwerk liegen Wasserstände von MPI-OM/REMO ab 1951 vor, bei NEMO/RCA4 ab 1970. Hieraus kann für jede potentielle Sturmflut der während dieses Ereignisses vorkommende höchste Wasserstand bestimmt werden. Dazu werden für je einen Lauf von MPI-OM/REMO als auch für NEMO/RCA4 jeweils Wasserstandszeitreihen an einem Gitterpunkt in der Nähe von Cuxhaven extrahiert, siehe (Möller, 2019). Dabei sind die Koordinaten der mit Cuxhaven korrespondierenden Gitterpunkte bei MPI-OM 53.8457°N / 8.6595°E und bei NEMO 53.9249°N / 8.2360°E. Da bei beiden Modellen die Was- serstände und die Windfelder auf unterschiedlichen Gittern berechnet werden, weichen die Koordinaten der mit Cuxhaven korrespondierenden Gitterpunkte beim Wasserstand ab von denen, die für die Berech- nung des Windes verwendet werden. Für die Vergleiche werden jeweils die Zeitreihen des Wasserstands des Modells an die Höhen des Pegelnull- punkts von Cuxhaven angepasst (Möller, 2019), d.h. auf die Modellergebnisse werden die Höhendifferenzen zwischen dem mittleren Hochwasser aus dem Modell und dem aus den Messungen in Cuxhaven aufgeschla- gen. Diese Höhendifferenz beträgt für den Zeitraum 1970-1999 bei MPI-OM/REMO 506.4 cm und bei NEMO/RCA4 411.2 cm. Aus den Zeitreihen der höhenkorrigierten Wasserstände wird mit einem gleitenden 19-jährigen Mittel die Mittleren Hochwasser (MHW) bestimmt, um jeweils annähernd über den Tidezyklus von einer Nodaltide (18.6 Jahre) zu mitteln. Dabei wird z.B. der Mittelwert von 1970-1988 dem Jahr 1988 zugeordnet, wobei bei den späteren Auswertungen für die Jahre zwischen 1970 und 1988 als MHW der Wert von 1988 verwendet Abbildung 3: Mittleres Hochwasser (MHW) in cm über PNP berechnet aus 19-jährigen gleitenden Mittelwerten der Hochwasserscheitelwerte von MPI-OM/REMO, Run 1 (blaue Kurve) und NEMO/RCA4, angetrieben mit MPI-ESM (orange Kurve), jeweils unter den Annahmen des historischen Zeitraums und des RCP8.5, für die Jahre 1988-2100. wird. Die Ergebnisse für die MHW von MPI-OM/REMO und NEMO/RCA4 von 1988 – 2100 sind in Abbildung 3 dargestellt. Aus dem Vergleich der zwei Kurven wird ersichtlich, dass der Anstieg des MHW bei NEMO/RCA4 bis 2100 deutlich geringer ist als bei MPI-OM/REMO. Für die Analyse der potentiellen Sturmfluten wird die Differenz zwischen dem maximalen Wasserstand in dem jeweiligen Zeitraum und dem MHW des betreffenden Jahres gebildet. Dies geschieht analog zur Defi- nition für Sturmfluten, die am BSH verwendet wird. Danach liegt eine Sturmflut vor, wenn der Wasserstand
Windfeldergebnisse auf See und an der Küste 15 eine Höhe von 150 cm über dem MHW überschreitet. Eine schwere Sturmflut liegt vor, wenn der Wasser- stand auf mehr als 250 cm über MHW ansteigt, eine sehr schwere Sturmflut ab einem Wasserstand von 350 cm über MHW.
4 Ergebnisse der Klimaläufe Ein Vergleich der Ergebnisse der Validationsläufe der zwei gekoppelten Modelle MPI-OM/REMO und NEMO/RCA4 mit Messungen und der Reanalyse COSMO-DE findet man im Meilensteinbericht M104a- 2 zur Validation der Windfelder über See (Ganske, 2019). Im Folgenden werden die Ergebnisse der in Ta- belle 1 aufgelisteten Klimaläufe für die Vergangenheit (1961-2005) und die Zukunft (2006-2100) unter den Annahmen der RCPs 8.5, 4.5 und 2.6 vorgestellt. 4.1 Windgeschwindigkeiten in 10 m Höhe Da in dieser Phase des Expertennetzwerks die Wirkung von Stürmen an der Küste untersucht wird, be- schränken sich diese Analysen auf die höheren Windgeschwindigkeiten. Aufgrund der Ergebnisse aus den Vergleichen mit den Reanalysen (Ganske, 2019), konzentrieren wir uns hier auf die Veränderungen des 98. Perzentils der 30-jährigen Häufigkeitsverteilungen an einzelnen Gitterpunkten, da auf der Nordsee in der Vergangenheit im Mittel in rund 2 % aller Tage Stürme vorkamen (Jenkinson and Collison, 1977) und Mül- ler-Navarra, pers. Mittelung). Mit den Zeitscheibenvergleichen der Windfelder sollen die möglichen Veränderungen der Werte an den einzelnen Gitterpunkten und der räumlichen Strukturen gezeigt werden. 4.1.1 Zeitscheibenvergleiche für die Felder der hohen Windgeschwindigkeiten Aus allen verfügbaren Simulationen werden jeweils für die Zeitscheiben der nahen Zukunft (2031-2060), der fernen Zukunft (2071-2100) und dem Referenzzeitraum (1971-2000) die 30-jährigen Häufigkeitsvertei- lungen der Windgeschwindigkeiten an allen Gitterpunkten des jeweiligen Modells berechnet. Daraus werden dann die Felder des 98. Perzentils der Windgeschwindigkeiten bestimmt. Anschließend werden jeweils für eine Simulation die Felder der Nahen und Fernen Zukunft mit denen des Referenzzeitraums verglichen, indem die Differenzen gebildet werden (z.B. nahe Zukunft – Referenz). Bei allen Vergleichen werden nur die Veränderungen an Gitterpunkten in der Nord- und Ostsee diskutiert. Abbildung 4 zeigt für alle acht Modellsimulationen das 98. Perzentil der Windgeschwindigkeit für den Re- ferenzzeitraum 1971- 2000. Daraus wird ersichtlich, dass die 98. Perzentile der Windgeschwindigkeiten bei MPI-OM/REMO höhere Werte erreichen als bei NEMO/RCA4. Bei allen Simulationen sind diese Werte über der nördlichen Nordsee höher als über der nördlichen Ostsee. Beim Vergleich der extremen Windge- schwindigkeiten für die Validationsläufe (Ganske, 2019) wurde gezeigt, dass auch diese bei NEMO/RCA4 deutlich kleiner sind als bei MPI-OM/REMO. Somit treten die sehr hohen Windgeschwindigkeiten bei NEMO/RCA4 deutlich seltener auf als bei MPI-OM/REMO. Die Differenzen zwischen den 98. Perzentilen der 30-jährigen Häufigkeitsverteilungen der nahen Zukunft (2031-2060) und unter den Annahmen des RCP8.5 zum Referenzzeitraum sind in Abbildung 5 gezeigt. Bei allen Simulationen sind die Differenzen zwischen den 98. Perzentilen der Häufigkeitsverteilungen im Be- reich ±0.625 m/s. Bei den in (Ganske, 2019) gezeigten Validationsläufen liegen die Standardabweichungen der mittleren Windgeschwindigkeiten bei NEMO/RCA4 zwischen 3 m/s und 4 m/s und bei MPI- OM/REMO im Bereich von 3.5 m/s bis 5 m/s. Erfahrungsgemäß haben die höheren Perzentile der Wind- geschwindigkeit höhere Standardabweichungen als die Mittelwerte der Windgeschwindigkeit. Deshalb sind die in Abbildung 5 gezeigten Unterschiede deutlich kleiner als die natürliche Variabilität. Dabei sind die Änderungen nicht in der ganzen Nord- und Ostsee gleich. So beobachtet man bei mehreren Simulationen eine Abnahme der Windgeschwindigkeiten in der nördlichen Nordsee und eine Zunahme in der südlichen Nordsee und der Ostsee. Ähnliche Veränderungen der Windfelder wurden in den Untersuchungen von
Windfeldergebnisse auf See und an der Küste 17 (Ganske et al., 2016) bei mehreren Simulationen gefunden, die unter den Annahmen des Klimaände- rungsszenarios A1B gemacht wurden. 98. Perzentil der Windgeschw. [m/s] Abbildung 4: 98. Perzentil der 30-jährigen Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeit in 10 m Höhe an jedem Modellgitterpunkt, berechnet jeweils mit drei Läufen von MPI-OM/REMO und NEMO/RCA4 an- getrieben mit fünf verschiedenen GCMs für den Zeitraum 1971-2000. Vergleicht man für das RCP8.5 die in Abbildung 6 gezeigten Differenzen des 98. Perzentils für die ferne Zukunft mit denen des Referenzzeitraums, so ist ein Anwachsen der Differenzen auf bis zu ±0.8 m/s zu sehen. Da die Windgeschwindigkeiten über See auch einer dekadischen Variabilität unterliegen (siehe (Ganske et al., 2016)), ist nicht in allen Regionen der Nordsee die Verstärkung eines Trends für die ferne Zukunft im Vergleich zur nahen Zukunft zu beobachten, sondern der Trend kann sich auch umkehren. Dies ist z.B. beim ersten Lauf von MPI-OM/REMO in der Nordsee zu beobachten, wo man in der nahen Zukunft eine Abnahme und in der fernen Zukunft eine Zunahme des 98. Perzentils im Vergleich zum Referenzzeitraum sieht. Den Einfluss der dekadischen Variabilität auf die Unterschiede im 98. Perzentil kann man auch bei den Ergebnissen für die Simulationen sehen, die unter den Annahmen des RCP4.5 berechnet wurden, siehe Abbildung 36 und Abbildung 35 im Anhang Windgeschwindigkeit. So sieht man zwar für die nahe Zukunft in kleinen Regionen Änderungen um bis zu ±1 m/s, allerdings sind diese Änderungen dann in der fernen Zukunft geringer oder haben das umgekehrte Vorzeichen. Betrachtet man die Ergebnisse der vier Simula- tionen unter den Annahmen des RCP2.6 in Abbildung 38 und Abbildung 37 im Anhang Windgeschwindig- keit, so findet man hier zwar wieder schwache Änderungen in der Nord- und Ostsee, doch sind diese klein gegenüber der natürlichen Variabilität. Insgesamt findet man im Mittel im Vergleich der Zeitscheibendifferenzen bei den Simulationen unter den Annahmen des RCP8.5 größere Unterschiede zwischen den Zeitscheiben als bei den RCPs 4.5 und 2.6,
18 Windfeldergebnisse auf See und an der Küste doch sind keine systematischen Änderungen bei einer Verstärkung des Strahlungsantriebs zu sehen (d.h. RCP2.6 RCP4.5 RCP8.5). Bei allen Simulationen kann die dekadische Variabilität der Windgeschwin- digkeiten dazu führen, dass man in der Nordsee bei einem gewählten Regionalmodell mit festem Global- modellantrieb unter der Annahme verschiedener RCPs Zu- und Abnahmen zwischen der Nahen und Fer- nen Zukunft im Vergleich zum Referenzeitraum findet. So findet man z.B. bei den Simulationen mit MPI- OM/REMO unter den Annahmen des RCP4.5 in allen drei Läufen in der ganzen Nordsee negative Diffe- renzen zwischen den Ergebnissen der nahen Zukunft im Vergleich zum Referenzzeitraum, aber beim zwei- ten Lauf von MPI-OM/REMO unter den Annahmen des RCP8.5 positive Differenzen. Genau wie bei den Ergebnissen zu den A1B-Simulationen in (Ganske et al., 2016) hängen die Zeitscheibendifferenzen des 98. Perzentils der Windgeschwindigkeit in der Nord- und Ostsee vor allem vom antreibenden Globalmodell ab und sind meist klein gegen die natürliche Variabilität. Diff. 98. Perz. Windgeschw. [m/s] Abbildung 5: Differenz des 98. Perzentils der 30-jährigen Häufigkeitsverteilungen der Windgeschwindigkeit an jedem Modellgitterpunkt für den Zeitraum 2031-2060. Die Simulationen für die nahe Zukunft wurden unter den Annahmen des RCP8.5 durchgeführt. Windgeschwindigkeiten jeweils berechnet mit drei Läufen von MPI-OM/REMO und NEMO/RCA4, an- getrieben mit fünf verschiedenen GCMs.
Windfeldergebnisse auf See und an der Küste 19 Diff. 98. Perz. Windgeschw. [m/s] Abbildung 6: Differenz des 98. Perzentils der 30-jährigen Häufigkeitsverteilungen der Windgeschwindigkeit an jedem Modellgitterpunkt für den Zeitraum 2071-2100 minus den Werten für 1971-2000. Die Simulatio- nen für die ferne Zukunft wurden unter den Annahmen des RCP8.5 durchgeführt. Windgeschwindigkeiten jeweils berechnet mit 3 Läufen von MPI-OM/REMO und NEMO/RCA4, ange- trieben mit fünf verschiedenen GCMs. 4.1.1 Gebietsmittel der hohen Windgeschwindigkeiten Zur Berechnung der Gebietsmittel der hohen Windgeschwindigkeiten werden zu jeder Stunde die räumli- chen Mittelwerte der Windgeschwindigkeiten an allen Gitterpunkten über See in einem Gebiet bestimmt. Für jedes Jahr wird aus diesen Mittelwerten Zeitreihen gebildet und daraus das 98. Perzentil der Häufig- keitsverteilungen berechnet. Ein Vergleich der Gebietsmittel der zwei Validationsläufe mit Werten aus der Reanalyse COSMO-DE findet man in (Ganske, 2019). Abbildung 7 zeigt die Zeitreihe, die mit den drei Läufen von MPI-OM/REMO unter den Annahmen des RCP8.5 mit den Werten aus dem Nordseegebiet SO für den Zeitraum 1961-2100 berechnet wurden. Zu- sätzlich wird für jede der drei Zeitreihen je eine Ausgleichsgerade bestimmt. Alle drei Zeitreihen zeigen eine hohe Variabilität von Jahr zu Jahr. Die drei Ausgleichsgeraden steigen im Mittel alle an, wobei die Werte des ersten und dritten Laufs signifikant mit der Zeit anwachsen.
20 Windfeldergebnisse auf See und an der Küste Abbildung 7: Zeitreihen der 98. Perzentile der jährlichen Häufigkeitsverteilungen der Gebietsmittelwerte der Windgeschwindigkeit im Nordsee-Gebiet SO, berechnet mit 3 Läufen von MPI-OM/REMO unter den Annahmen des RCP8.5. Geraden: Ausgleichsgerade jeweils durch eine Zeitreihe. Die Zeitreihen aller Läufe in allen sieben Gebieten zeigen nicht nur eine hohe jährliche Variabilität wie die Kurven in Abbildung 7, sondern auch dekadische Schwankungen. Abbildung 8 zeigt die 30-jährigen glei- tenden Mittelwerte der Zeitreihen der drei Läufe von MPI-OM/REMO in den sieben Gebieten der Nord- und Ostsee. Aus dem Vergleich der Kurven ist zu erkennen, dass das 98. Perzentil der flächengemittelten Windgeschwindigkeit in der nordwestlichen Nordsee am höchsten und in den Meerbusen der Ostsee am geringsten ist. Zudem verändern sich innerhalb eines Laufs von MPI-OM/REMO die Zeitreihen der ver- schiedenen Gebiete nicht immer in gleicher Art und Weise. So ist z.B. vor etwa 2050 der Anstieg der Zeit- reihe im Gebiet SO stärker als im Gebiet NO, vergleiche Lauf 1 und Lauf 3 in Abbildung 8. Dies ist kon- sistent mit den Ergebnissen, die aus einem Lauf von MPI-OM/REMO unter den Annahmen des Szenarios A1B gemacht wurden, siehe (Ganske et al., 2016). Bei dieser Simulation zeigt das 99. Perzentil der Windge- schwindigkeiten an den einzelnen Gitterpunkten im nordwestlichen Teil der Nordsee einen Abfall und im südöstlichen Teil einen Anstieg mit der Zeit. Abbildung 8: Zeitreihen der gleitenden 30-jährigen Mittelwerte des 98. Perzentiles der Häufigkeitsverteilun- gen aus den Gebietsmitteln der Windgeschwindigkeiten in den sieben Teilgebieten der Nord- und Ostsee (siehe Abbildung 1). Alle Zeitreihen berechnet mit MPI-OM/REMO unter RCP8.5 von 1975-2084. Links: Lauf 1. Mitte: Lauf 2. Rechts: Lauf 3.
Windfeldergebnisse auf See und an der Küste 21 Die Windfelder der fünf Simulationen von NEMO/RCA4 mit den Randbedingungen aus den verschiede- nen Globalmodellen werden in gleicher Art und Weise untersucht. Abbildung 9 zeigt wieder beispielhaft für das Gebiet SO den Vergleich der Zeitreihen des jährlichen 98. Perzentiles der flächengemittelten Wind- geschwindigkeit für die fünf Modelläufe, angetrieben mit den verschiedenen GCMs unter den Annahmen des RCP8.5. Auch hier ist bei allen fünf Zeitreihen eine starke Variabilität von Jahr zu Jahr zu sehen. Aller- dings ist aus den Ausgleichsgeraden zu erkennen, dass die Vorzeichen der Trends bei den fünf Kurven nicht einheitlich sind. Abbildung 10 zeigt die Vergleiche der 30-jährigen gleitenden Mittel, die jeweils mit einem Modelllauf für alle sieben Gebiete bestimmt wurden. Vergleicht man zwischen den Simulationen mit ver- schiedenen GCMs, so erkennt man, dass sich zum Teil die zeitlich und räumlich gemittelten Windgeschwin- digkeiten in der Nordsee bei der Simulation mit den Randwerten aus verschiedenen GCMs deutlich unter- scheiden, siehe z.B. die Kurven von GDFL-ESM2M und EC-EARTH in Abbildung 10. Zudem ist zu er- kennen, dass sich auch die zeitlichen Trends für ein festes Gebiet je nach dem antreibenden GCM im Vor- zeichen unterscheiden. Abbildung 9: Zeitreihen des 98. Perzentils der jährlichen Häufigkeitsverteilungen der Gebietsmittelwerte der Windgeschwindigkeit im Nordsee-Gebiet SO, berechnet mit NEMO/RCA4 und 4 verschiedenen An- trieben aus GCMs. Dicke Linien: Ausgleichsgeraden jeweils durch eine Zeitreihe. Ein Vergleich der Standardabweichungen, die Änderungen nach fast 140 Jahren aus den linearen Trends und der Signifikanz der Änderungen des 98. Perzentils der jährlichen Häufigkeitsverteilungen der Windge- schwindigkeiten aus allen Modelläufen von MPI-OM/REMO und NEMO/RCA4 für das RCP8.5 und die vier Nordseegebiete wird in Abbildung 11 und für die drei Ostseegebiete in Abbildung 12 gezeigt. Vergleiche innerhalb eines Gebiets zeigen, dass die Standardabweichungen bei MPI-OM/REMO stets höher sind als bei NEMO/RCA4. In der nördlichen Nordsee findet man ungefähr gleich viele positive und negative Trends und die meisten Änderungen sind nicht signifikant, siehe Abbildung 11 oben. Hier kann man im Mittel über alle Modeller- gebnisse erwarten, dass es Änderungen des 98. Perzentiles der flächengemittelten Windgeschwindigkeiten gibt, die die natürliche Variabilität überschreiten. In der südlichen Nordsee hingegen findet man sechs po- sitive und zwei negative Änderungen, von denen ungefähr die Hälfte der positiven Trends signifikant ist. Allerdings muss man beachten, dass das verwendete Modell-Ensemble willkürlich zusammengestellt ist. So wurde bei zwei Modellläufen (MPI-OM/REMO Lauf 1 und MPI-ESM/NEMO/RCA4) Randwerte vom gleichen GCM verwendet. Berücksichtigt man nur die Änderungen in den Simulationen mit NEMO/RCA4, so findet man drei positive und zwei negative Trends. Zusätzlich sind bei den drei Läufen von MPI- OM/REMO die Trends unabhängig vom Lauf immer positiv. Somit kann man aus diesen Ergebnissen schließen, dass in den zwei Nordsee-Gebieten SW und SO insgesamt die Mehrzahl der Modellergebnisse
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