Comparison of measured and simulated wind speed data in the North Atlantic

A systematic investigation and comparison of near-surface marine wind speed obtained from in situ and satellite observations, atmospheric reanalyses and regional atmospheric hindcasts with reanalysis driven regional climate models (RCMs) is presented for the eastern North Atlantic and the North Sea. Wind speed retrievals from two remote sensing data sets, namely QuikSCAT and the Hamburg Ocean Atmosphere Parameters and Fluxes from Satellite (HOAPS) data set, are found to give good representation of observed near-surface wind speed. The value of the root mean squared error (RMSE) for all co-located HOAPS and in situ wind speed data is 2 m/s, while it is 1.8 m/s for QuikSCAT demonstrating that QuikSCAT's mission requirement of providing wind speed with an RMSE of 2 m/s is met for the eastern North Atlantic and the North Sea. QuikSCAT shows a slightly better agreement with observed instantaneous wind speed and its frequency distribution than HOAPS. In contrast, HOAPS wind speed is available for a much longer period and is therefore the more suitable product for climatic studies or investigations of trends in wind speed. The capability of two state-of-the-art RCMs (with and without spectral nudging applied) to add value for surface marine wind fields in comparison to the reanalysis wind speed forcing is assessed by the comparison with in situ wind speed observations in the eastern North Atlantic in 1998. The comparison of the 10 m wind speed forecasts from the NCEP/NCAR and NCEP/DOE-II reanalyses with in-situ observations demonstrates the implausibility of the latter forecast resulting in its non-consideration in the added value assessment. The added value is investigated for instantaneous wind speeds (relevant for case studies) and their frequency distribution (relevant for e.g., extreme value statistics and estimations of wind potential). The observations are discriminated into groups according to their proximity to land and assimilation status, meaning whether they are assimilated into the reanalysis or not. For open ocean areas no value added to the reanalysis forcing is found by the use of the RCMs neither for instantaneous wind speed nor its frequency distribution. The RCMs add value in the wind speed frequency distribution in coastal areas, especially for higher wind speed percentiles. In case of rough coastal areas with a complex orography added value is indicated also in the instantaneous wind speeds. In comparison to the unnudged simulation the spectrally nudged simulations better represent both observed instantaneous wind speed and its frequency distribution. An influence of the observations' assimilation status on these findings can not be seen. Windgeschwindigkeit im Nordatlantik – Vergleich von Messungen und Modellen Zusammenfassung Für das Gebiet des östlichen Nordatlantiks und der Nordsee werden oberflächennahe marine Windgeschwindigkeiten von in situund Satellitenbeobachtungen, atmosphärischen Reanalysen und regionalen atmosphärischen Rekonstruktionen mit Regionalklimamodellen (RCMs) untersucht und systematisch miteinander verglichen. Die fernerkundeten Windgeschwindigkeiten von QuikSCAT und HOAPS (Hamburg Ocean Atmosphere Parameters and fluxes from Satellite data) zeigen eine gute Übereinstimmung mit in situ-Beobachtungen. Der RMSE zwischen in situund HOAPS-Windgeschwindigkeiten liegt bei 2 m/s, für QuikSCAT liegt er bei 1,8 m/s. QuikSCAT zeigt eine leicht bessere Übereinstimmung mit dem beobachteten „instantanen“ Wind und dessen Häufigkeitsverteilung. HOAPS ist für einen längeren Zeitraum erhältlich als QuikSCAT und damit eher geeignet für die Untersuchung von Trends der Windgeschwindigkeit und Klimastudien. Die Fähigkeit zweier RCMs (mit und ohne Verwendung des spektralen Nudgings), im Vergleich zur antreibenden Reanalyse einen Mehrwert für marine Windgeschwindigkeiten zu erzeugen, wird durch den Vergleich mit in situ-Messungen untersucht. Die Mehrwertuntersuchung wird für „instantane“ Windgeschwindigkeiten (relevant für Einzelfallstudien) und deren Häufigkeitsverteilungen (relevant z.B. für Extremwertstatistiken und die Abschätzung des Windpotentials) durchgeführt. Auf Grund der unplausiblen 10-m-Windvorhersage der NCEP/DOE-II-Reanalyse wird die NCEP/NCAR-Reanalyse für die Mehrwertanalyse herangezogen. Die in situ-Beobachtungen werden im Zuge der Untersuchung bezüglich ihrer Küstennähe und der Assimilation in die Reanalyse unterteilt. An küstenfernen Stationen ergibt sich mit der gewählten Untersuchungsmethode für die bodennahe Windgeschwindigkeit kein Mehrwert durch die Benutzung von RCMs. In küstennahen Gebieten generieren die RCMs allerdings einen Mehrwert in der Häufigkeitsverteilung, insbesondere für die höheren Perzentile. In Küstengebieten mit stark gegliederter und komplexer Orographie wird ein Mehrwert auch für den „instantanen“ Wind sichtbar. Im Vergleich zur ungenudgten Simulation zeigen die spektral genudgten Simulationen eine bessere Übereinstimmung mit dem beobachteten „instantanen“ Wind und dessen Häufigkeitsverteilung. Diese Resultate sind unabhängig davon, ob die jeweils betrachtete Windbeobachtung in die Reanalyse assimiliert wurde. Manuscript received / Manuskripteingang in TKP: 26. Februar 2008