Understanding the problems of inland waters: case study

 
Fig. 1. Study Area 
 
 
Global Climate Models (GCMs) can provide prediction information on scales of around 1000 by 1000km 
covering what could be a vastly differing landscape (from very mountainous to flat coastal plains for 
example). Regional Climate Models (RCMs) and Empirical Statistical Downscaling (ESD), applied over a 
limited area and driven by GCMs can provide information on much smaller scales supporting more 
detailed impact and adaptation assessment and planning.  The impacts of a changing climate, and the 
adaptation strategies require to deal with them on regional and national scales. This is where Regional 
Climate Downscaling (RCD) has an important role to play by providing projections with much greater 
detail and more accurate representation of localized extreme events. The Coordinated Regional Climate 
Downscaling Experiment (CORDEX) has served as a catalyst to achieve this goal.  CORDEX  wind data 
developed by Max Planck Institute for the new Earth system model (MPI-ESM) based on context of the 
CMIP5 process (Coupled Models Intercomparison Project Phase 5) was used to produce the data for the 
historical period from 1976 to 2005 and also for the future (from 2071 to 2100) in two Representative 
Concentration Pathways (RCPs), Containing RCP4.5 and RCP8.5, based on the Fifth Assessment Report 
(AR5) of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). The spatial and temporal resolutions 
were about 0.5 degree in latitude and longitude and daily average, respectively  (https://esgf-
index1.ceda.ac.uk/projects/cordex-ceda/). 
 
Results 
Variations of the daily  wind speed was evaluated in the southern part of the  Caspian Sea using  10m 
wind speed for the 30-year period 2071–2100. The evaluation was done with respect to the reference 
period 1976–2005  based on RCP4.5  and RCP8.5  scenarios  obtained from CORDEX  wind field. For this 
purpose, daily wind speed of CORDEX  data were obtained and the variation was assessed using 
statistical analysis.  This comparison was carried out in three points  in the Caspian Sea  (Fig. 1). These 
points were selected based on the spatial resolution of the models. The standard deviation, averages, 
maximums and minimums of wind speed were obtained and shown in table 1.  
 
 
 
58

---

 
Table 1. Wind speed statistics for two periods (2071-2100 & 1976-2005)
 
Points
 
  
Statistical index (m/s)
 
  
Average
 
Max
 
Min
 
St Dev
 
A
 
His
 
4.733
 
22.687
 
0.024
 
2.945
 
RCP4.5
 
4.597
 
21.913
 
0.061
 
2.858
 
RCP8.5
 
4.440
 
19.712
 
0.014
 
2.784
 
B
 
His
 
4.752
 
20.269
 
0.025
 
2.633
 
RCP4.5
 
4.646
 
19.350
 
0.093
 
2.552
 
RCP8.5
 
4.534
 
17.096
 
0.043
 
2.495
 
C
 
His
 
3.769
 
16.291
 
0.020
 
2.162
 
RCP4.5
 
3.727
 
18.999
 
0.046
 
2.095
 
RCP8.5
 
3.637
 
14.968
 
0.051
 
2.053
 
 
Also the changes in wind directions were assessed using wind roses. Wind roses are
 
shown in Figure 2 
for all the 3 points for historical period (1971-2005) compared to the period of 2071 to 2100 base on 
RCP4.5 and RCP8.5 scenarios for future. 
 
 
 
Fig. 2. Wind roses in 3 points for the period 2071-2100 compared to 1976-2005 
 
 
Discussion 
Assessing the effect of climate change on wind regime in the Caspian Sea, CORDEX  wind data were 
compared for two 30-year period (2071-2100 compared to 1976-2005) at three points in the southern 
59

---

part of the Caspian Sea. According to results (Tab. 1), the future maximum and averaged wind speed will 
be decreased at about 2.5% base on RCP4.5 and about 7.5% base on RCP8.5 at the end of the century 
while minimum wind speed will increase according to both future scenarios. In general, in comparison to 
the 1976-2005 period, in the 2071-2100 period  there is an insignificant change in the average wind 
speed in all three points,  however even small changes in average wind speeds can lead to large 
variations in the wave characteristics and sedimentation in the area. 
Directional analysis using wind roses (Fig. 2) indicated a similar dominant direction for both time 
intervals of Historical (1976-2005) and future (2071-2100) base on both RCP4.5 and RCP8.5. Therefore, 
wave direction remains mostly unchanged during 21
st
 century due to climate change. 
 
References 
Alinejhad_Tabrizi, T., N. H. Zaker and B. Kamranzad. 2017. Investigation of Wind Speed Projections in The  Persian
 
Gulf Using Different Resources of CMIP5 Data. 37th IAHR World Congress. 
Ardakanian, R. & S. H. Alemohammad. 2008. Global Warming and Caspian Sea Level Fluctuations. International
 
Conference on Water Resources and Climate Change in the MENA Region, Muscat. 
Benetazzo, A., F. Fedele, S. Carniel, A. Ricchi, E. Bucchignani & M. Sclavo. 2012. Wave climate of the Adriatic
 
Sea: A  future scenario simulation. Nat. Hazards Earth Syst. Sci. 12, 2065–2076. doi:10.5194/nhess
 
122065-2012. 
Bonaldo, D., A. Benetazzo, M. Sclavo & S. Carniel. 2015. Modelling wave-driven sediment transport in a changing
 
climate: a case study for northern Adriatic Sea (Italy). Reg. Environ. Chang. 15, 45–55. doi:10.1007/
 
s10113-014-0619-7. 
Conte, D. & P. Lionello. 2014. Storm surge distribution along the Mediterranean coast:  Characteristics and
 
evolution. 3rd Int. Geogr. Symp. Geomed 2013 120, 110–115. 
Davy, R., N. Gnatiuk, L. Pettersson and L. Bobylev. 2017. Climate change impacts on wind energy potential in the
 
European domain with a focus on the Black Sea, Renewable and Sustainable Energy Reviews.
 
https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.05.253. 
Giorgi, F., X. BI & J. Pal. 2004. Mean interannual variability and trends in a regional climate change experiment
 
over Europe. Clim Dyn 22:733–756. 
Kamranzad, B., A. Etemad-Shahidi, V. Chegini and S. Hadadpour. 2013. Assessment of CGCM 3.1 wind field in
 
the Persian Gulf. Journal of Coastal Research, Special Issue No.65, 249-253. 
Kostianoy A &N. Kosarev. 2008. The Caspian Sea environment. Springer. 
Kroonenberga, S.B., E.N. Badyukovab, J.E.A. Stormsa, E.I. Ignatovb and N.S. Kasimovb. 2000. A full sea-level
 
cycle in 65 years: barrier dynamics along Caspian shores. edimentary Geology 134: 257-274. 
Mori, N., R. Iwashima, T. Yasuda, H. Mase, T. Tom and Y. Oku. 2009. Impact of Global Climate Change On Wave
 
Climate. Coastal Dynamics, Paper No. 135. 
Nicholls, R.J. 2011. Planning for the impacts of sea level rise. Oceanography 24, 144–157.
 
doi:10.5670/oceanog.2011.34. 
Slott, J.M., A.B. Murray, A.D. Ashton & T.J. Crowley. 2006. Coastline responses to changing storm patterns.
 
Geophys. Res. Lett. 33, L18404. 
Tol, R.S.J., R.J.T. Klein & R.J. Nicholls. 2008. Towards successful adaptation to sea-level rise along Europe’s  coasts.
 
J. Coast. Res. 242, 432–442. doi:10.2112/07A-0016. 
https://esgf-index1.ceda.ac.uk/projects/cordex-ceda/ 
 
60

---