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.

Di ff . 98 . Pe rz. W in d g esch w. [ 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.

20 Windfeldergebnisse auf See und an der Küste

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 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.

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.

Geraden: Ausgleichsgerade jeweils durch eine Zeitreihe.

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 untscheiden, 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.

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 popo-sitiven 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 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.

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auf einen Anstieg des 98. Perzentils der Häufigkeitsverteilung der flächengemittelten Windgeschwindigkei-ten hindeuWindgeschwindigkei-ten. Dieser Anstieg ist bei der Mehrzahl der Ergebnisse von vergleichbarer Stärke und bei zwei Modellergebnissen höher als die natürliche Variabilität.

Die Vorzeichen der Trends hängen vom antreibenden GCM ab. Die jeweiligen Vorzeichen der Trends in den Nordsee-Gebieten stimmen mit denen überein, die (de Winter et al., 2013) für die jährlichen Maxima der Windgeschwindigkeiten in den Modellergebnissen von 12 verschiedenen GCMs gefunden haben. Aller-dings waren bei den maximalen Windgeschwindigkeiten die Trends so schwach, dass sie meist nicht signi-fikant waren.

In den zwei Ostsee-Gebieten ZO und MB ist die Mehrzahl der Trends positiv und signifikant und die Änderungen nach 140 Jahren sind z.T. größer als die mittlere Schwankung, siehe Abbildung 12. Einzig im Übergangsgebiet UEG ist die Mehrzahl der positiven Trends nicht signifikant, so dass man hier von einem eher schwachen Anstieg des 98. Perzentils der Windgeschwindigkeit ausgehen muss, der nicht stärker ist als die natürliche Variabilität.

Somit findet man für die Simulationen der gekoppelten Modelle unter den Annahmen des RCP8.5 in der südlichen Nordsee, der zentralen Ostsee und den Meerbusen Modellergebnisse, die in der Mehrheit einen Anstieg des 98. Perzentils der flächengemittelten Windgeschwindigkeiten zeigen. Dies deutet darauf hin, dass in diesen Gebieten die Anzahl der Stürme im Laufe des 21. Jahrhunderts leicht ansteigen wird. Aller-dings ist dies nur für die Simulationen unter den Annahmen des RCP8.5 der Fall. Vergleicht man die Trends und die Standardabweichungen aus den acht Simulationen unter den Annahmen des RCP4.5 und RCP2.6 in Abbildung 39 und Abbildung 40, so sind bei den meisten Simulationen die Trends nicht signifikant und man findet innerhalb eines Gebiets sowohl negative als auch positive Änderungen. Für diese beiden RCPs kann man aufgrund der ausgewerteten Simulationen den Schluss ziehen, dass sich das 98. Perzentil der Häufigkeitsverteilung der flächengemittelten Windgeschwindigkeit nicht ändert.

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 Gebietsmit-teln der Windgeschwindigkeiten in den sieben Teilgebieten der Nord- und Ostsee.

NEMO/RCA4 wurde mit fünf verschiedenen GCMs angetrieben (siehe Überschriften). Da bei dem Lauf mit IPSL-CM5A-MR das Jahr 1975 fehlt, wurden hierfür nur die gleitenden Mittelwerte ab 1976 bestimmt.

Windfeldergebnisse auf See und an der Küste 23

Abbildung 11: Standardabweichung und lineare Änderung der Zeitreihen des 98. Perzentils der Häufigkeits-verteilungen der flächengemittelten Windgeschwindigkeit in den Nordsee-Gebieten.

Berechnet mit den zwei Modellen MPI-OM/REMO und NEMO/RCA4 unter den Annahmen des RCP8.5 für den Zeitraum 1961-2099. Graue Balken: Standardabweichung (pos. und negativ)

Blaue/türkise Balken: nicht signifikante bzw. signifikante lineare Änderung nach 139 Jahren aus den Aus-gleichsgeraden Die Signifikanz der Änderungen wurde für jede Zeitreihe mit dem Mann-Kendall Verfahren bestimmt.

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Vergleiche von Zeitscheiben für die Gebietsmittel

Für die Vergleichbarkeit mit Auswertungen für andere Klimaparameter werden zusätzlich Zeitscheibener-gebnisse für die Referenzperiode (1971-2000), die nahe Zukunft (2031-2060) und die ferne Zukunft be-stimmt. Da bei einigen Simulationen das Jahr 2100 nicht vollständig ist oder fehlt, wird hierfür der Zeitraum 2070-2099 für die ferne Zukunft verwendet. Für die Vergleiche wird jeweils das 98. Perzentil von allen 30-jährigen Häufigkeitsverteilungen der räumlich gemittelten Windgeschwindigkeiten in allen sieben Gebieten, für alle Simulationen von MPI-OM/REMO und NEMO/RCA4 jeweils unter den Annahmen der zwei RCPs 8.5 und 4.5 für den Referenzzeitraum, die nahe und die ferne Zukunft gebildet. Für das RCP2.6 Abbildung 12: wie obige Abbildung, nur für das Übergangsgebiet und die zwei Ostsee-Gebiete.

Windfeldergebnisse auf See und an der Küste 25 werden die Ergebnisse der vier NEMO/RCA4-Läufe verglichen. Abbildung 13 zeigt die Zeitscheibener-gebnisse, die unter den Annahmen des RCP8.5 gemacht wurden. In den Gebieten NW und NO der Nordsee zeigen sowohl für die nahe als auch die ferne Zukunft jeweils rund die Hälfte der Simulationen einen Anstieg bzw. einen Abfall des 98. Perzentils der räumlich gemittelten Windgeschwindigkeit. Da alle Änderungen kleiner oder gleich der Standardabweichung des 98. Perzentils sind, liegen die Unterschiede zwischen den Zeitscheiben innerhalb der natürlichen Variabilität und könnten durch langperiodische Variabilität bedingt sein. In allen anderen fünf Gebieten findet man jedoch mehr Simulationen, bei denen in der nahen und fernen Zukunft das 98. Perzentil höher ist als im Referenzzeitraum. Zudem sind die Differenzen in der fernen Zukunft höher als in der nahen Zukunft. Dies deutet darauf hin, dass hier die Änderungen nicht nur durch die natürliche Variabilität bedingt sind. Die gefundenen Trends sind konsistent zu den Ergebnissen aus den linearen Änderungen, die in Abbildung 11 und Abbildung 12 dargestellt sind.

Betrachtet man die Zeitscheibenvergleiche in Abbildung 41 und Abbildung 42 (Anhang Windgeschwindig-keit), die mit den Simulationen unter den Annahmen der RCPs 4.5 und 2.6 gemacht wurden, so findet sich in diesen Ergebnissen kein eindeutiger Trend. Stattdessen gibt es in jedem Gebiet annähernd gleich viele positive und negative Änderungen, die kleiner sind als die natürliche Variabilität und die sich nicht von der nahen Zukunft zur fernen Zukunft verstärken. Insgesamt decken sich also die Befunde aus den Vergleichen der Zeitreihen mit denen aus den Zeitscheiben.

Die Änderungen des 98. Perzentils können in eine mittlere Änderung von Sturmstunden umgerechnet wer-den. Dazu wird für jedes Gebiet und jede Simulation der Wert das 98. Perzentils als Schwellwert für Sturm angenommen. Anschließend werden in den Zeitreihen für die nahe Zukunft und die ferne Zukunft jeweils die Anzahl der Sturmstunden ermittelt, in denen dieser Schwellwert vorliegt oder überschritten wird.

Die relative Anzahl von 2 % der Stunden pro Jahr entspricht rund 175 Stunden, wobei die aus den Wind-geschwindigkeiten bestimmte Anzahl der Sturmstunden starken jährlichen Schwankungen unterliegt. Be-rücksichtigt man alle Ergebnisse der acht Simulationen für den Zeitraum 1971-2000, so schwankt die Anzahl der Sturmstunden zwischen 20 Stunden pro Jahr und 447 Stunden pro Jahr mit Standardabweichungen zwischen 50 Stunden/Jahr und 80 Stunden/Jahr. Abbildung 14 zeigt die Differenzen der mittleren Anzah-len von Sturmstunden pro Jahr aus den acht Simulationen, die unter den Annahmen des RCP8.5 durchge-führt wurden. In der nördlichen Nordsee liegen die Änderungen bei bis zu ±50 Stunden pro Jahr, in der südlichen Nordsee bei bis zu rund +100 Stunden pro Jahr. Die stärksten Änderungen findet man im Ostsee-Gebiet MB, wo die max. Änderung einem Zuwachs von bis zu 148 Sturmstunden pro Jahr entspricht. Genau wie beim 98. Perzentil fallen die Differenzen der Sturmstunden pro Jahr zwischen den Zeitscheiben bei den Simulationen unter den Annahmen von RCP4.5 und RCP2.5 geringer aus und betragen maximal 100 Sturm-stunden pro Jahr, siehe Abbildung 43 und Abbildung 44 im Anhang Windgeschwindigkeit. Analog wie beim 98. Perzentil sind die meisten Änderungen der Sturmstunden pro Jahr vergleichbar mit der natürlichen Va-riabilität.

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Eine einfache Bestimmung der Anzahl der Sturmtage pro Jahr aus diesen Werten ist nicht sinnvoll, da dafür die zeitliche Einteilung der Sturmstunden berücksichtigt werden müsste, indem die Andauer der einzelnen Stürme bestimmt wird. Dieser Schritt musste aus Zeitgründen entfallen.

Abbildung 13: Differenz des 98. Perzentils der 30-jährigen Häufigkeitsverteilung der flächengemittelten Windgeschwindigkeiten im Übergagsgebiet und in den Nord- und Ostsee-Gebieten.

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.

Berechnet mit den drei Läufen von MPI-OM/REMO und den mit fünf verschiedenen GCMs angetriebe-nen Läufen von NEMO/RCA4. Alle Simulatioangetriebe-nen wurden unter den Annahmen des RCP8.5 durchgeführt.

Positive Differenzen (Zunahmen) sind rot gezeichnet, negative blau.

Anzahl der Stunden ermittelt aus den Zeitreihen der flächengemittelten Windgeschwindigkeiten im Über-gangsgebiet und in den Nord- und Ostsee-Gebieten, berechnet mit den drei Läufen von MPI-OM/REMO und den mit fünf verschiedenen GCMs angetriebenen Läufen von NEMO/RCA4. Verglichen wurde die Anzahl der Sturmstunden in den Zeitscheiben der Nahen und fernen Zukunft mit denen im Referenzzeit-raum. Positive Differenzen (Zunahmen) sind rot gezeichnet, negative blau.

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