Impact of spatial resolution on wind speed and long-term wind speed variability in South Greenland using the regional climate model MAR

Abstract

Fighting global warming implies replacing fossil fuels by renewable energy sources. Wind has the benefit to be an easily accessible and infinitely renewable resource but is not evenly distributed in space and time. A solution to prevent energy scarcity in a decarbonised world would be the building of a global interconnected grid that provide populated regions with electricity generated in remote but resourceful areas. In this context, it has appeared that Greenland and Europe have complementary wind regimes. In particular, the southern tip of Greenland, Cape Farewell, has gained increasing interest for wind farm development as it is one of the windiest places on Earth.

However, the development of such wind farms requires a better understanding of the wind field in that area, especially over the tundra. Because it is an observation-scarce country regional climate models are useful tools to study the Greenlandic wind regime. In this thesis, the Modèle Atmosphérique Régional (MAR) was used to model the wind speed over Cape Farewell. The model was first validated over the tundra by comparing its outputs with in situ observations obtained from various databases including the stations from the Katabata project put in place by the University of Liège. It was found that the model could fairly represent the wind field. Subsequently, the impact of the spatial resolution on the modelling of wind speed was investigated by running MAR at 5, 10, 15 and 20 km resolution and by comparing the outputs with in situ observations. It appeared that the improvement of correlation between the model and the observations was not linear as the resolution increased. This is very likely due to a better resolving of the topography by the model in higher resolutions. The resolution also seemed to have a stronger impact in winter when wind speeds are higher. Finally, the long-term wind speed variability over South Greenland was evaluated by analysing simulations of MAR forced by five CMIP6 models between 1981 and 2020 and under the scenario SSP5-8.5 between 2021 and 2100. No significant wind speed change was found between 1981 and 2020. However, a general decrease in wind speed can be expected between 2021 and 2100 in the area likely due to a reduced katabatic forcing over the ice sheet and a diminution in the meridional temperature gradient strength between the mid-latitudes and the Arctic, both induced by global warming. Yet an increase in wind speed is expected along the ice sheet edges due to stronger barrier winds, enhanced by the stronger temperature gradient between the cold ice sheet and the warmer tundra, again as a consequence of global warming.

Lutter contre le réchauffement climatique implique de devoir remplacer les énergies fossiles par des énergies renouvelables. Le vent a pour intérêt d’être une ressource facilement accessible et infiniment exploitable mais n’est pas distribuée partout de la même façon et est variable dans le temps. Une solution pour éviter l’intermittence de la production d’énergie dans un monde décarbonisé serait de construire un réseau global qui fournirait les régions peuplées en électricité produite dans des régions reculées mais au vaste potentiel en énergies renouvelables. Dans ce contexte, il est apparu que le Groenland et l’Europe ont des régimes de vent complémentaires. En particulier, la pointe sud du Groenland, le Cap Farewell, reçoit un intérêt croissant pour le développement de parcs éoliens étant donné que c’est une des régions les plus venteuses du monde.

Cependant, l’installation d’éoliennes au sud du Groenland nécessite une bonne connaissance des champs de vent, particulièrement au-dessus de la toundra. Le pays étant pauvre en données d’observations, l’utilisation d’un modèle climatique régional est un outil précieux pour étudier les vents groenlandais. Dans cette étude, le Modèle Atmosphérique Régional (MAR) a été utilisé pour modéliser les vitesses vent au-dessus du Cap Farewell. Le modèle a, dans un premier temps, été validé au-dessus de la toundra en comparant ses résultats avec des données d’observations provenant de différentes bases de données, dont les stations mises en place par l’Université de Liège dans le cadre de son projet Katabata. Il en résulte que le MAR est en bon accord avec les observations. Ensuite, l’impact de la résolution spatiale sur la modélisation des vitesses de vent a été étudiée en faisant tourner le MAR à 5, 10, 15 et 20 km de résolution et en comparant les résultats avec des données d’observations. Il est apparu que l’amélioration de la corrélation entre le modèle et les observations n’augmente pas de manière linéaire à mesure que la résolution s’affine. Ceci est certainement dû au fait que la topographie est mieux résolue par le modèle à haute résolution. La résolution spatiale semble également avoir un impact plus important en hiver lorsque la vitesse du vent est plus grande. Finalement, la variabilité à long terme de la vitesse du vent au sud du Groenland a été étudiée par l’analyse de simulations du MAR forcé avec cinq modèles du CMIP6 entre 1981 et 2020 et sous le scénario SSP5-8.5 entre 2021 et 2100. Aucun changement significatif de vitesse n’a été trouvé entre 1981 et 2020. Cependant, une diminution générale de la vitesse du vent est attendue entre 2021 et 2100 probablement due à une réduction du forçage catabatique au-dessus de l’inlandsis et une diminution de l’intensité du gradient de température méridional entre les moyennes et les hautes latitudes, tous deux induits par le réchauffement climatique. Au contraire, le long des marges de l’inlandsis, une augmentation de la vitesse des vents est attendue à cause d’un renforcement des vents de barrière, générés par un gradient de température plus fort entre l’inlandsis froide et la toundra plus chaude, encore une fois à cause du réchauffement climatique.