For two future scenarios on the expansion of offshore wind power in the Baltic Sea and the North Sea, SMHI has investigated how the hydrography, i.e. temperatures, salinities, currents and stratification, may be affected. Effects were induced by wind stress reductions on the sea surface and by the increased friction and turbulence in the water from wind turbine foundations.

The results show that an expansion of wind power in the Baltic Sea in general will cause a shallowed halocline, and increased deep water salinities and temperatures, due to decreasing winds behind the wind farms that lead to decreasing vertical mixing in the Baltic Sea. However, the magnitude of changes shows a strong sensitivity to assumptions about the wind stress reduction at the sea surface, and the size of wind power expansion.

The wind farm scenarios are prepared in collaboration with the Swedish Agency for Marine and Water Management (SwAM) and are based on marine plans from Sweden’s neighbouring countries as well as new proposals for suitable wind power areas that SwAM will present to the government in 2024. In one scenario, Scenario 1, it is assumed that there will be offshore wind in all proposed areas, while in the second scenario, Scenario 2, it is assumed that only 50% of areas will be developed. Both scenarios represent large offshore wind power developments that will probably not be realized in reality. The scenarios have been investigated by running an ocean model for the Baltic Sea and the North Sea with and without wind power for the period 1985 – 2016 to evaluate how different the sea would have looked if the wind power had been built in 1985 according to the scenarios.

There is still lack of knowledge about how wind farms affect the wind at the sea surface, so this work is based on studies of existing wind farms in the North Sea, where studies show a reduction of the wind by around 8% and an area that extends about 30 km behind the wind farm under stable atmospheric conditions. When the atmosphere is unstable, which it often is in winter, the reduction is less. In order to get an estimate of the largest and smallest possible impact of wind power on the sea, we have therefore, for both scenarios, assumed that the reduction of wind only exists in summer and no reduction during winter (minimum possible impact), or that the reduction exists all year round (upper limit of impact).

The magnitude of expected changes is very dependent on the assumptions on the wind wakes, and the response is much smaller for the minimum possible impact than for the upper limit impact. The real response for these scenarios probably lays somewhere in between these estimates.

For the scenario with less wind farms in Swedish waters (Scenario 2), the influences on salinity, temperature, and halocline are reduced relative to Scenario 1 in a manner that may be expected from the difference in total wind farm areas in the Baltic Sea in the two scenarios.

The model results also show that the wind power foundations (modelled as bottom mounted) cause a salinity decrease in the Baltic Sea deep water, probably due to increased friction and mixing in the entrance region to the Baltic Sea. This effect is much smaller than the wind wake effect when it is active during the whole year.

The Baltic Sea surface salinity, surface temperature, and currents show much smaller and less robust changes than the salinity and temperature changes in the deepwater.

SMHI har för två framtidsscenarier för utbyggnad av havsbaserad vindkraft i Östersjön och Nordsjön undersökt hur hydrografin, det vill säga temperaturer, salthalter, strömmar och skiktning, kan påverkas av minskad vindpåverkan på havsytan och av ökad friktion och turbulens i vattnet från vindkraftsfundament.

Resultaten visar att en omfattande utbyggnad av vindkraften i Östersjön kommer att orsaka en grundare haloklin, samt ökade salthalter och temperaturer i djupvattnet på grund av minskande vindar bakom vindkraftsparkerna som leder till minskad vertikal blandning i Östersjön. Förändringarnas storlek visar dock på en stark känslighet för antaganden om hur vindkraften påverkar vinden vid havsytan samt storleken på vindkraftsutbyggnaden.

Vindkraftsscenarierna har tagits fram i samarbete med Havs- och Vattenmyndigheten (HaV) och bygger på havsplaner från Sveriges grannländer samt nya förslag på lämpliga vindkraftsområden som HaV ska presentera för regeringen 2024. I ett scenario, Scenario 1, antas det finnas havsbaserad vindkraft i alla föreslagna områden, medan det i det andra scenariot, Scenario 2, antas att endast 50 % av dessa områden kommer att utvecklas. Både scenarierna representerar stora utbyggnader av havsbaserad vindkraft, som förmodligen aldrig kommer att realiseras. Scenarierna har undersökts genom att köra en havsmodell för Östersjön och Nordsjön med och utan vindkraft för perioden 1985 – 2016 för att utvärdera hur annorlunda havet skulle ha sett ut om vindkraften hade byggts 1985 enligt scenarierna.

Det saknas fortfarande kunskap om hur vindkraftsparker påverkar vinden vid havsytan, så detta arbete baseras på studier av befintliga vindkraftsparker i Nordsjön, där studier visar en minskning av vinden med cirka 8 % och en yta som sträcker sig cirka 30 km bakom vindkraftsparken under stabila atmosfäriska förhållanden. När atmosfären är instabil, vilket den ofta är på vintern, är minskningen mindre. För att få en uppskattning av största och minsta möjliga påverkan av vindkraft på havet har vi därför, för båda scenarierna, antagit att minskningen av vind endast finns på sommaren och helt uteslutit påverkan under vintern (minsta möjliga påverkan), eller att minskningen existerar hela året runt (övre påverkansgräns).

Storleken på förväntade förändringarna är mycket beroende av antagandena om vindvaken, och responsen är mycket mindre för den minst möjliga påverkan än för den övre påverkansgränsen. Det verkliga svaret för dessa scenarier ligger förmodligen någonstans mellan dessa uppskattningar.

För scenariot med färre vindkraftsparker i svenska vatten (Scenario 2) reduceras påverkan relativt Scenario 1 på ett sätt som kan förväntas utifrån skillnaden i totala ytan av vindparksområden i Östersjön i de två scenarierna.

Modellresultaten visar även att vindkraftsfundamenten (modellerade bottenfasta) orsakar en minskning av salthalten i Östersjöns djupvatten, troligen på grund av ökad friktion och blandning i mynningsområdet av Östersjön. Denna effekt är mycket mindre än vindvakseffekten när den är aktiv hela året.

Östersjöns ytsalthalt, yttemperatur och strömmar visar mycket mindre förändringar än förändringarna i salthalt och temperatur i dess djupvatten.

SMHI har analyserat hur havsisens utbredning och beskaffenhet i Bottenviken, Bottenhavet, Ålands hav och Norra Östersjön kan komma att förändras i ett perspektiv på 20 respektive 50 år, vilket motsvarar runt år 2040 och 2070. Analyserna utgår från sju indikatorer som beskriver olika aspekter av havsisens förändring. Indikatorerna är framtagna i samråd med Sjöfartsverket och valda både utifrån tillgång till data och med syfte att vara relevanta ur isbrytningsperspektiv.Som underlag för analyserna ligger historiska observationer från SMHI, det Finska Meteorologiska Institutet (FMI) och Sjöfartsverket, samt klimatscenarier framtagna i tidigare projekt.Klimatscenarier som representerar två olika utsläppsscenarier (RCP4,5 och RCP8,5) har analyserats från totalt tio olika klimatmodellsimuleringar. Klimatscenarier baserade på det lägre utsläppsscenariet (RCP2,6) saknas i underlaget eftersom befintliga klimatmodellsimuleringar för detta scenario bedömdes ha för låg kvalité. Tidsramen för denna utredning medgav inte heller framtagande av nya klimatscenarier.Resultatet av analyserna visar att framtidens isvintrar blir lindrigare med avseende på havsisens maximala utbredning jämfört med kontrollperioden (1975–2004). Issäsongens längd blir också kortare, med störst förändring i de södra delområdena. Inget scenario indikerar dock helt isfria vintrar, och åtminstone Bottenviken väntas i medel bli helt istäckt även i framtiden. I södra Bottenviken kommer is tjockare än 10 cm dock att försvinna för RCP8,5. På 20 års sikt är förändringen av den maximala isutbredningen mindre tydlig på grund av en fortsatt stor naturligt förekommande väderdriven mellanårsvariation. På 50 års sikt däremot är signalen tydligare och visar minskad isutbredning och en något mindre mellanårsvariabilitet.Istäcket förväntas bli tunnare i medel i samtliga delområden och utbredningen av tjock deformerad is förväntas minska. Modellerna saknar dock förmågan att simulera så kallade stampisvallar. Dessa vallar bildas då tunnare is pressas upp mot en landfast iskant eller land vid kraftiga vind- och vågförhållanden, och kan utgöra ett problem för sjöfarten även under lindriga isvintrar. Tunnare och glesare is kommer även att leda till ökade isdriftshastigheter i Bottenviken och Bottenhavet.Antalet dagar med utfärdade isrestriktioner till svenska hamnar förväntas minska i takt med att issäsongen blir kortare och isförhållandena lindrigare. Fördelningen av isrestriktioner förändras också, främst i Bottenviken där de högre isklasserna (1A/B) minskar till fördel för de lägre isklasserna (1C/II) som istället ökar.Förändringar i isutbredning, issäsongens längd och jämnisens medeltjocklek bedöms ha en låg osäkerhet eftersom resultatet styrks av både observationer bakåt i tiden och modellsimuleringarna som ligger förhållandevis nära observationerna. Förändringar i deformation, istjockleksfördelning och isdrift bedöms ha en hög osäkerhet eftersom det saknas eller finns väldigt få observationer som kan styrka resultatet från modellscenarierna.Utredningen begränsas delvis av att data för det lägre strålningsscenariot RCP2,6 och analys av eventuella förändringar i väder- och vindförhållanden saknas. En annan begränsande faktor som kan påverka resultatens tillförlitlighet är det låga antalet regionala klimatmodellsimuleringar med tillförlitliga isparametrar.

SMHI has analysed how sea ice conditions in the Bothnian Bay, Bothnian Sea, Åland Sea and northern Baltic Proper may change in a 20 and 50 year perspective relative to 2020. The study is focused on seven indicators describing different aspects of sea ice change. The indicators were identified jointly with the Swedish Maritime Administration (SMA), and chosen based on available data and relevance to ice breaking.The study is based on historical observations from SMHI, the Finnish Meteorological Institute (FMI) and SMA, and climate scenario data from previous projects.Climate scenarios representing two different representative concentration pathways (RCP4.5 and RCP8.5) have been analysed based on a total of ten different climate model simulations. Scenarios based on the lower representative concentration pathway (RCP2.6) are absent because existing datasets for this pathway do not have sufficient quality for sea ice parameters. The time frame for this assignment did not allow for new climate scenario simulations to be produced.The results show that future winters will gradually, on average, have a smaller maximum ice extent compared to the control period (1975-2004). Ice seasons will also get shorter, with the largest differences in the southern areas. None of the scenarios yield ice free winters, and at least Bothnian Bay is expected to become fully ice covered on average, also during future winters. However, in the RCP8.5 scenario, ice with an average thickness of 10 cm or more disappears from the southern Bothnian Bay.In a 20-year perspective, changes in maximum ice extent are less distinct due to large inter-annual variations. In a 50-year perspective the change becomes more distinct and shows decreasing ice extents and smaller inter-annual variations.Level ice is expected to get thinner on average in all analysed areas, and the presence of heavily deformed ice is expected to decrease. However, models lack the ability to simulate brash ice barriers, which are formed when thin ice is pressed against a thicker ice edge or land by wind and waves. These types of barriers can be problematic for ships even in mild winters, and are expected to occur also in the future. Thinner and less dense ice fields also lead to increased ice drift in the Bothnian Bay and Bothnian Sea.The number of days with ice class based traffic restrictions for Swedish harbours are expected to decrease as sea ice thickness become thinner and ice seasons become shorter. The distribution of restrictions will also change, mainly in the Bothnian Bay where days with heavier ice classes (1A/B) decrease and days with lighter ice classes (1C/II) increase.Changes in maximum ice extent, length of ice season and average level ice thickness are judged to have a low uncertainty as the results are supported by both historical observations, and by the fact that model simulations are relatively close to the observations during the historical period. Changes in ice deformation, ice thickness distribution, and ice drift are judged to have a higher degree of uncertainty as there are no or very few observations to support model results.The study is partly limited by the lack of data for the lower RCP2.6 and by lacking analyses of possible changes in meteorological conditions. Another limiting factor is the relatively low number of regional climate model simulations with reliable ice parameters used in the study.

This paper presents a method for joint retrieval of the ocean surface wind and current vectors using the backscatter and the Doppler frequency shift measured by spaceborne single-beam single-polarization synthetic aperture radar (SAR). The retrieval method is based on the Bayesian approach with the a priori information provided by atmospheric and oceanic models for surface wind and currents, respectively. The backscatter and Doppler frequency shift are estimated from the along-track interferometric SAR system TanDEM-X data. The retrieval results are compared against in-situ measurements along the Swedish west coast. It is found that the wind retrieval reduces the atmospheric model bias compared to in-situ measurements by about 1 m/s for wind speed, while the bias reduction in the wind direction is minor as the wind direction provided by the model was accurate in the studied cases. The ocean model bias compared to in-situ measurements is reduced by about 0.04 m/s and 12 circle for current speed and direction, respectively. It is shown that blending SAR data with model data is particularly useful in complex situations such as atmospheric and oceanic fronts. This is demonstrated through two case studies in the Skagerrak Sea along the Swedish west coast. It is shown that the retrieval successfully introduces small scale circulation features detected by SAR that are unresolved by the models and preserves the large scale circulation imposed by the models.