Original paper

A high resolution reference data set of German wind velocity 19512001 and comparison with regional climate model results

Walter, Andreas; Keuler, Klaus; Jacob, Daniela; Knoche, Richard; Block, Alexander; Kotlarski, Sven; Müller-Westermeier, Gerhard; Rechid, Diana; Ahrens, Wilfried

Meteorologische Zeitschrift Vol. 15 No. 6 (2006), p. 585 - 596

published: Dec 20, 2006

DOI: 10.1127/0941-2948/2006/0162

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Abstract

A high resolution (1 km × 1 km) data set of monthly wind velocities over Germany for the time period 1951-2001 is provided. The data have been reduced to a reference level using a so called 'relative altitude' scheme, interpolated using a simple Inverse Distance Weighting approach and retransformed to the actual topography. However, no parametrization of land use or surface roughness has been integrated in the modelling process of this data and therefore the data is not suitable to serve as criteria for planning wind energy sites. A Cross-Validation scheme applied to this data set yields a mean error of 0.1 m/s for the time period 1951-2001. Regarding the area mean of wind velocities a linear trend of −0.05 m/s is obvious for this period. This negative linear trend changes to a positive one when shorter time scales are considered, e.g. +0.3 m/s for the 1981-2001 period. However, all these temporal trends are not significant. Thus, they could be the result of random features within the dataset and are not further interpreted. These monthly derived wind velocities serve as a reference data set for regional climate model evaluations. The climate models used are two different versions of the hydrostatic regional climate model REMO as well as the nonhydrostatic CLM and MM5 models. All models are capable to reproduce the temporal and spatial variability of the observations to a great extent. Projections of changes in wind velocity have been carried out with these regional climate models. All of these projections show a significant increase in wind velocities over the full model domain, especially over the Baltic Sea and the North Sea, during winter and a decrease during summer. Regarding changes in annual means an increase of up to 1.0 m/s for the Baltic Sea and a decrease in wind velocitites of the same magnitude for the Mediterranean is projected as an average for the 2070-2099 period.

Kurzfassung

Ein hochaufgelöster Datensatz (1 km × 1 km) monatlicher Windgeschwindigkeiten für Deutschland im Zeitraum 1951-2001 wurde erstellt. Die Daten wurden mit Hilfe einer sog. 'relativen Stationshöhe' auf ein einheitliches Bezugsniveau reduziert, hier mit einem Inverse Distance Verfahren interpoliert und anschliessend wieder auf die reale Topographie retransformiert. Da zum Zweck der Evaluierung von regionalen Klimamodellen keine Parametrisierung der Landnutzung bzw. der Rauhigkeit in den Modellierungprozess eingeht, sind die erhaltenen Daten zur Planung potentieller Standorte von Windenergieanlagen jedoch nicht geeignet. Eine Abschätzung des durch das Interpolationsverfahren bedingten Fehlers mittels Cross-Validation ergab einen mittleren Fehler von 0, 1 m/s im Zeitraum 1951-2001. Für diesen Zeitraum liegt der lineare Trend der mittleren Windgeschwindigkeit für Deutschland bei −0.05 m/s. Auf kürzeren Zeitskalen kehrt sich dieser Trend um, z.B. +0, 3 m/s im Zeitraum 1981-2001. Jedoch sind alle gefundenen Trends nicht signifikant. Diese zeitlichen Trends können somit zufällig sein und werden nicht weiter interpretiert. Die erhaltenen hochaufgelösten Felder mittlerer Windgeschwindigkeit dienen weiterhin als Referenzdatensatz zur Evaluierung regionaler Klimamodelle. Die hierzu verwendeten Modelle sind zwei Versionen des hydrostatischen regionalen Klimamodells REMO sowie die nichthydrostatischen Modelle CLM und MM5. Es zeigt sich, dass alle Modelle die Beobachtungsdaten sowohl in ihrer zeitlichen als auch räumlichen Struktur gut reproduzieren. In einem letzten Schritt wurden die regionalen Klimamodelle im Scenario-Mode betrieben. Alle hierzu verwendeten Klimamodelle zeigen eine deutliche Erhöhung der Windgeschwindigkediten über dem gesamten Modellgebiet, vor allem über der Ost- und Nordsee, für die Wintermonate und eine Abnahme der Windgeschwindigkeiten in den Sommermonaten. Werden jährliche Mittelwerte dieser Scenarienrechnungen betrachtet, so zeigen sich im Mittel für den Zeitraum 2070-2099 eine Zunahme der Windgeschwindigkeiten um bis zu 1 m/s im Ostseegebiet und eine Abnahme um den selben Betrag im Mittelmeerraum.