DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-65105-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41188275
تاريخ النشر: 2025-11-04
المؤلف: Yanan Zhao وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث الأعاصير الاستوائية وغير الاستوائية
الطرق
تتناول المنهجية المستخدمة لتصحيح سرعة الرياح القصوى السنوية في منتجات إعادة التحليل، وخاصة ERA5، تقدير الرياح القوية بشكل غير كاف بسبب تأثيرات المتوسط المكاني والزماني الموجودة في النماذج العددية. طور لارسِن وآخرون طريقة تصحيح طيفية (SC) لمعالجة هذه المشكلة من خلال تعزيز التغيرات عالية التردد في مخرجات النموذج. يتم تطبيق هذا التصحيح ضمن نطاق ترددي مستهدف، تحديدًا من $f_c = 0.8 \text{ day}^{-1}$ إلى $f_e = 72 \text{ day}^{-1}$، مما يسمح لطيف الرياح المصحح $S(f)$ بالتوافق مع القياس الملحوظ لـ $S(f) \propto f^{-5/3}$. ثم يتم اشتقاق سرعة الرياح القصوى السنوية ($U_{\text{max}}$) من لحظات الطيف من الدرجة صفر والثانية للطيف المصحح، باستخدام نموذج عملية بواسون.
لتقييم سرعة الرياح لفترة العودة التي تبلغ خمسين عامًا ($U_{50}$)، تستخدم الدراسة إطار توزيع غامبل، الذي يتميز بدالة التوزيع التراكمي الأسية المزدوجة (CDF). يتم تقدير معلمات هذا التوزيع، $\alpha$ و $\beta$، باستخدام طرق متنوعة، حيث تم تحديد تقدير الاحتمالية القصوى (MLE) كأكثر الطرق موثوقية على الرغم من كثافتها الحاسوبية. تُفضل هذه الطريقة لموثوقيتها في اشتقاق $U_{50}$ من سرعة الرياح القصوى السنوية، خاصة في المناطق التي تفتقر إلى بيانات طويلة الأجل. تعترف الدراسة بحدود الطرق الحالية، خاصة في المناطق المعرضة للأعاصير، وتحتفظ بقيم ERA5 الأصلية كتقديرات محافظة عندما تكون التصحيحات غير كافية.
النتائج
تكشف نتائج هذه الدراسة عن أنماط ملحوظة في سرعات الرياح القصوى ($U_{50}$) عبر المناطق المحيطية، مع قيم تتراوح من أقل من 10 م/ث إلى أكثر من 50 م/ث. بشكل ملحوظ، تتجاوز 36.7% من خلايا الشبكة المحيطية العالمية سرعة الرياح المرجعية ($U_{ref}$) البالغة 37.5 م/ث لتوربينات الرياح من الفئة الثالثة، بينما تتجاوز 20.2% 42.5 م/ث، وهو العتبة لتوربينات الفئة الثانية. تشير التحليلات إلى أن المناطق خارج الاستوائية، وخاصة شمال شرق المحيط الهادئ والشمال الأطلسي، تظهر قيم $U_{50}$ أعلى مقارنة بالمناطق الاستوائية، مع توزيعات مائلة نحو اليمين ملحوظة في شمال الأطلسي خارج الاستوائية والرياح الغربية الجنوبية، مما يشير إلى تكرار أعلى للأحداث الريحية القصوى.
تمت ملاحظة اتجاه عام نحو الارتفاع في $U_{50}$ على مستوى العالم، مع زيادة متوسطة قدرها 0.016 م/ث سنويًا على مدى الثلاثين عامًا الماضية (p < 0.01). تظهر حوالي 68.0% من خلايا الشبكة المحيطية اتجاهات زيادة ملحوظة، خاصة في المناطق الاستوائية مثل شمال شرق المحيط الهادئ والشمال الأطلسي، حيث تظهر نسبة كبيرة من خلايا الشبكة زيادات تتجاوز 0.05 م/ث سنويًا. بالإضافة إلى ذلك، تسلط الدراسة الضوء على زيادة متواضعة في متوسط سرعات الرياح عبر معظم المناطق المحيطية من 1940 إلى 2023، مع ارتباطات ملحوظة بين ارتفاع السرعات المتوسطة وزيادة الرياح القصوى. تشير التحليلات أيضًا إلى اتساع الفجوة بين سرعات الرياح القوية وسرعات الرياح المتوسطة بالساعة، مما يشير إلى زيادة في تكرار الأحداث الريحية العالية المفاجئة. ومع ذلك، تشير الفروقات في اتجاهات سرعة الرياح بين مجموعات البيانات المختلفة إلى مشكلات محتملة تتعلق بتغطية البيانات والتغيرات الزمنية.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على نتائج هامة تتعلق بسرعات الرياح القصوى (U50) على طول السواحل العالمية، خاصة فيما يتعلق بتطوير مزارع الرياح البحرية. تكشف التحليلات أن حوالي 62.85% من المناطق الساحلية قد شهدت زيادة في U50 على مدى التسعة عقود الماضية، مع اتجاه عالمي متوسط قدره 0.016 م/ث سنويًا. بشكل ملحوظ، تتجاوز 16.49% من خلايا الشبكة عتبات سرعة الرياح المرجعية لتوربينات الفئة الثالثة، مما يشير إلى خطر كبير على مزارع الرياح البحرية، خاصة في مناطق مثل كندا وإنجلترا واليابان وجنوب الأرجنتين. تصنف الدراسة مزارع الرياح إلى ثلاثة أنواع من المخاطر بناءً على قيم U50، مع نسبة كبيرة من المزارع المعتمدة والمخطط لها في أوروبا وآسيا تقع في مناطق ذات اتجاهات U50 متزايدة.
تناقش الورقة أيضًا تداعيات هذه النتائج في سياق الاحتباس الحراري، موصلة الزيادات الملحوظة في سرعات الرياح القصوى بالتغيرات في أنماط الأعاصير الاستوائية وغير الاستوائية. يؤكد المؤلفون على الحاجة إلى تقييمات مخاطر محسنة ومعايير تصميم للبنية التحتية لمزارع الرياح البحرية، خاصة في المناطق المعرضة للأعاصير، للتخفيف من الأضرار المحتملة الناتجة عن الأحداث الريحية القصوى. علاوة على ذلك، تقترح الدراسة أن معايير التصميم الحالية قد لا تعالج بشكل كافٍ سلوكيات الرياح الفريدة في مختلف المناطق الساحلية، داعية إلى تكييفات محلية في هندسة التوربينات والتخطيط للمرونة لضمان استدامة وأمان تطوير طاقة الرياح البحرية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-65105-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41188275
Publication Date: 2025-11-04
Author(s): Yanan Zhao et al.
Primary Topic: Tropical and Extratropical Cyclones Research
Methods
The methodology for correcting annual maximum wind speed in reanalysis products, particularly ERA5, addresses the underestimation of strong winds caused by spatial and temporal averaging effects inherent in numerical models. Larsén et al. developed a spectral correction (SC) method to rectify this issue by enhancing the high-frequency variability in model outputs. This correction is applied within a targeted frequency range, specifically from $f_c = 0.8 \text{ day}^{-1}$ to $f_e = 72 \text{ day}^{-1}$, allowing the corrected wind spectrum $S(f)$ to align with the observed scaling of $S(f) \propto f^{-5/3}$. The annual maximum wind speed ($U_{\text{max}}$) is then derived from the zero- and second-order spectral moments of the corrected spectrum, utilizing a Poisson process model.
For the assessment of the fifty-year return period wind speed ($U_{50}$), the study employs a Gumbel distribution framework, characterized by a double exponential cumulative distribution function (CDF). The parameters of this distribution, $\alpha$ and $\beta$, are estimated using various methods, with maximum likelihood estimation (MLE) identified as the most robust approach despite its computational intensity. This method is preferred for its reliability in deriving $U_{50}$ from the annual maximum wind speed, particularly in regions with limited long-term data. The study acknowledges the limitations of existing methods, especially in cyclone-prone areas, and retains original ERA5 values as conservative estimates when corrections are insufficient.
Results
The results of this study reveal significant patterns in extreme wind speeds ($U_{50}$) across oceanic regions, with values ranging from below 10 m/s to over 50 m/s. Notably, 36.7% of global oceanic grid cells exceed the reference wind speed ($U_{ref}$) of 37.5 m/s for Class III wind turbines, while 20.2% surpass 42.5 m/s, the threshold for Class II turbines. The analysis indicates that extratropical regions, particularly the Northeastern Pacific and North Atlantic, exhibit higher $U_{50}$ values compared to tropical regions, with pronounced right-skewed distributions in the Extratropical North Atlantic and Southern Westerlies, suggesting a higher frequency of extreme wind events.
A general upward trend in $U_{50}$ has been observed globally, with an average increase of 0.016 m/s per year over the past 30 years (p < 0.01). Approximately 68.0% of oceanic grid cells show significant increasing trends, particularly in tropical regions such as the Northeast Pacific and North Atlantic, where a substantial proportion of grid cells exhibit increases exceeding 0.05 m/s per year. Additionally, the study highlights a modest increase in mean wind speeds across most oceanic regions from 1940 to 2023, with notable correlations between rising mean speeds and intensifying extreme winds. The analysis also indicates a widening gap between gust wind speeds and hourly mean winds, pointing to a rise in the frequency of sudden high-wind events. However, discrepancies in wind speed trends between different datasets suggest potential issues related to data coverage and temporal variations.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights significant findings regarding extreme wind speeds (U50) along global coastlines, particularly in relation to offshore wind farm development. The analysis reveals that approximately 62.85% of coastal regions have experienced an increase in U50 over the past nine decades, with a global average trend of 0.016 m s⁻¹ per year. Notably, 16.49% of grid cells exceed the reference wind speed thresholds for Class III turbines, indicating a substantial risk for offshore wind farms, particularly in regions such as Canada, England, Japan, and southern Argentina. The study categorizes wind farms into three risk types based on U50 values, with a significant proportion of commissioned and planned farms in Europe and Asia located in areas with rising U50 trends.
The paper also discusses the implications of these findings in the context of global warming, linking the observed increases in extreme wind speeds to changes in tropical and extratropical cyclone patterns. The authors emphasize the need for enhanced risk assessments and design standards for offshore wind infrastructure, particularly in cyclone-prone regions, to mitigate potential damages from extreme wind events. Furthermore, the study suggests that the current design criteria may not adequately address the unique wind behaviors in various coastal regions, advocating for localized adaptations in turbine engineering and resilience planning to ensure the sustainability and safety of offshore wind energy development.