Decadal to centennial variability of daily wind over Northern Europe and its application to migrating dunes in the Baltic Sea region

The present work is focused on the analysis of the variability of extreme daily winds in Northern Europe, their relationship to mean winds and to large-scale climate patterns. In particular, this work has the aim of investigating the following four research questions: 1. Are mean wind statistics a useful tool to draw conclusions on extreme wind statistics over the Baltic Sea? 2. What pressure patterns drive extreme westerly winds over the Baltic Sea? 3. What large-scale atmospheric parameters drive changes in the wind speed distribution over Northern Europe? 4. Can internal dune structures at the southern Baltic be applied to reconstruct the seasonal wind climate? The study uses different data sets ranging from the last decades, using observation-based reconstructions, to the last millennium, using model simulations: To answer the first research question the study compares the statistics of seasonal mean and daily extreme wind events over the Baltic Sea in three aspects: direction distribution, regional differences and seasonal variability. The results exhibited differences between mean and extreme wind events in all three facets. Therefore, the overall conclusion is that the hypothesis that the statistics of mean wind can serve as a proxy for statistics of extreme wind does not hold for the Baltic Sea region. The second part investigates daily wind extremes from west and south-west in the Baltic Sea region during winter and their relationship to circulation types. After identifying eight circulation types, four patterns showed relations to the frequencies of extreme west/southwest winds. The temporal evolution of three of these patterns showed clear imilarities to extreme west/south-west wind frequencies. The third part analyses the influence of potential large-scale atmospheric drivers to modulate the probability distribution of daily wind speed in winter over Northern Europe. The considered drivers are the mean temperature, the meridional temperature gradient and the North Atlantic Oscillation. The main result of this study is that in the analysed climate simulations there is no clear systematic relationship detectable between the analysed atmospheric parameters and the wind speed distribution. Further analysis is needed regarding the linkage of large-scale and small-scale dynamics. The last part of this study validates a dune record compiled in cooperation with geologists (Ludwig et al., 2015). The dune layers can be seen as an analog to tree ring width records with annual resolution, and hence for the validation a dendrochronological method was applied. This proxy is believed to record the frequency of daily wind from particular directions. The measures of statistical skill are found to be acceptable, compared to tree ring reconstructions. Hence, this study statistically verifies a rare instance of a proxy that can be used to reconstruct past wind conditions with high temporal resolution. Die vorliegende Arbeit analysiert die Variabilitat von extremen Winden uber Nordeuropa und deren Beziehung zu mittleren Winden und zu grosskaligen Klimaparametern. Dazu werden unterschiedliche Datensatze untersucht, die die letzten Dekaden - durch die Nutzung von beobachtungs-basierten Rekonstruktionen - bis zum letzten Millennium- durch die Nutzung von Modellsimulationen - abdecken. Die Analyse hat zum Ziel, die folgenden Fragen zu beantworten: 1. Konnen Statistiken von mittleren Winden genutzt werden, um Aussagen uber Statistiken von extremen Winden zu treffen? 2. Welche Luftdruckmuster beeinflussen extreme Winde aus Westen? 3. Welche grosskaligen atmospharischen Parameter beeinflussen die Verteilung der Windgeschwindigkeit? 4. Konnen Internstrukturen von Kustendunen der sudlichen Ostsee als Proxy genutzt werden, um eine Rekonstruktion des saisonalen Windklimas zu erstellen? Um die erste Frage zu beantworten, werden mittlere und extreme Windereignisse uber der Ostseeregion in drei Aspekten verglichen: Verteilung der Windrichtungen, regionale Unterschiede und saisonale Variabilitat. Die Ergebnisse zeigen Unterschiede in allen drei Punkten. Aus diesem Grund wird die Hypothese abgelehnt, dass die Statistik von mittleren Winden als Vertreter fur die Statistik von extremen Winden uber der Ostseeregion verwendet werden kann. Der zweite Teil untersucht extreme West und Sud-West Winde im Winter uber der Ostsee und deren Beziehung zu Zirkulationsklassen, die mit Hilfe des Drucks auf Meeresniveau bestimmt wurden. Nach der Identifikation von acht Zirkulationsklassen zeigen vier Muster eine Verbindung zu den Haufigkeiten von West und Sud-West Winden, die das 95te Perzentil uberschreiten. Die zeitliche Entwicklung dreier Muster zeigt deutliche Ubereinstimmungen mit den Haufigkeiten von extremen West und Sud-West Winden. Im dritten Teil wird der Einfluss potenzieller, grosskaliger atmospharischer Antriebe auf die Verteilung der Windgeschwindigkeit uber Nordeuropa untersucht. Eine Hauptaussage ist, dass mit den untersuchten Klimasimulationen keine klare systematische Verbindung zwischen den analysierten atmospharischen Parametern und der Verteilung der Windgeschwindigkeit gefunden werden kann. Es werden weitere Untersuchungen bezuglich der Kopplung von grosskaligen und kleinskaligen Dynamiken benotigt. Der letzte Teil der Arbeit validiert einen Dunendatensatz, der in Kooperation mit Geologen (Ludwig el al., 2015) erarbeitet wurde. Dieser weist starke Ahnlichkeiten zu Baumringdatensatzen auf und wurde aus diesem Grund mit einer dendrochronologischen Methode validiert, dies fuhrte zu akzeptablen Validationsmasen, vergleichbar zu Werten, die fur Baumringrekonstruktionen erreicht werden. Folglich beweist die vorliegende Untersuchung die statistische Legitimitat von wandernden Kustendunen als Wind-Proxy.