High-dimensional statistical modelling of changes in wave climate and implications for maritime infrastructure

Fremtidige endringer i havets bølgeklima kan ha stor innvirkning på både natur og infrastruktur i hav- og kystområdene. En helhetlig vurdering av konsekvensene klimaendringer kan medføre i disse regionene, må derfor ta hensyn til endringer i bølgeklima. Vår forståelse av de forventede endringene i bølgeklima er pr. i dag noe begrenset i forhold til mange andre klimavariabler som temperatur og nedbør. Dette er fordi de mest brukte klimamodellene vanligvis ikke gir anslag for endringer i bølgeklima. HDwave prosjektet har utviklet nye statistiske modeller for bølgeklima samt nye statistiske verktøy for å analysere bølgeklimaprojeksjoner for å redusere dette kunnskapshullet. Vi har vist at tilnærminger basert på såkalte ikke-stasjonære, fuzzy tidsseriemodeller kan brukes til å generere framskrivninger av vind og bølger. Disse modellene kan bruke informasjon fra hindcasts, målinger og satellitter. Vi har videre utviklet en statistisk prognosemodell for bølgehøyde som gir prediksjoner for både bølgehøyden og den tilknyttede usikkerheten hvor prediksjonene i tillegg er konsistente i både rom og tid. En åpen programvare for denne modellen er tilgjengelig som en R-pakke. Vi har, ved hjelp av regional ekstremverdisanalyse, vist at regionale estimater av ekstreme bølgehøydekvantiler er mer robuste og forbundet med mindre usikkerhet enn de som vanligvis oppnås ved lokale analyser. Det er generelt stor usikkerhet omkring fremtidige endringer i bølgeklima. I Nord-Atlanterhavet observeres en generell tendens mot reduksjon i bølger. En effektstudie på skipresponser indikerer at både skipsbevegelser og bøyningsmomenter kan være lavere i fremtiden, men det er store usikkerheter rundt disse resultatene.

The project outcomes fall in two groups, statistical methodology and software, and assessment results. New statistical methodology for wave climate prediction with associated open-source software provides a computationally efficient alternative to obtain future wave climate information. Our assessment of future wave climate in the Northern Atlantic indicates a large degree of uncertainty regarding future changes, with some indications of an overall decreasing trend. As a consequence, ocean wave impact on ships and offshore structures may decrease. However, such results are highly dependent on geographical location and modelling choices in the generation and analysis of the wave data.

Future changes in ocean wind wave climate have broad implications for the physical infrastructure and environment in coastal, near- and offshore regions. A comprehensive assessment of the impact of climate change and the associated risks in these regions thus requires the consideration of changes in wave climate. However, the understanding of projected changes in wave climate is limited relative to many other climate variables such as temperature and precipitation. This results from the fact that coupled atmosphere-ocean general circulation models (GCMs) typically lack wind wave parameterizations so that wave parameters are not available as a standard model output. The HDwave project aims to decrease this knowledge gap by developing advanced statistical tools for the analysis of newly developed data sets of wave climate projections. The new framework includes methodology to handle multi-model ensembles, provides simultaneous confidence regions in space and time for events of interest and assesses the impact of future changes on maritime infrastructure.