Impact of strong winds, heavy snow loads and soil frost conditions on the risks to forests in Northern Europe

The aim of this work was to study the potential impacts of strong winds, heavy snow loads, and soil frost conditions on the risks to forests in northern Europe under the current and changing climate (until 2100), with the main focus on Finland. More specifically, the analyses concentrated on: i) changes in the occurrence of strong winds, heavy snow loads, and unfrozen soil conditions in Finland, ii) regional risks to Finnish forests from heavy snow loads and strong winds, iii) the mean and extreme geostrophic wind speeds in Northern Europe, and iv) estimation of windstorm-related timber losses in Europe in 1960-2011 using the geostrophic and ageostrophic isallobaric winds as a basis for the analyses. This work employed the meteorological measurements made by the Finnish Meteorological Institute (FMI) between 1961-2009, the datasets from the Finnish National Forest Inventory and the EFIATLANTIC storm catalogue, a number of global climate model (GCM) simulation runs using different greenhouse gas (GHG) emission scenarios (A1B, A2, and B1) and re-analyzed weather datasets ERA-40 and ERA-Interim. The occurrence and depths of soil frost were studied with a model that simulates the freezing of the snow-free ground. The occurrence of large snow loads was estimated with the cumulative snow load approach. The analyses of the risks from snow and/or wind to forests were based on simulations done by the ecosystem model SIMA, the mechanistic model HWIND, and a new regression fit between storm wind impact and timber losses in Europe. According to this work, the growth of Finnish forests is expected to increase under the changing climate. Concurrently, the tree species distribution may also change, which affects the potential risks to forests from wind and snow. In the current climate, strong mean wind speeds of about 17-18 m s-1 have occurred approximately once in 10 years in Finland (in October-February) and caused wind damages. In this work, wind speeds induced by intense cyclones were also found to correlate well with primary losses of timber. The annual maximum soil frost depth has also decreased 5-10% in the period 1980-2009 compared to the period 1971-2000 in southern and central Finland. Under the future climate projections, the soil is expected to hardly freeze at all in southern and central Finland by 2100. Mean and extreme geostrophic wind speeds are also projected to increase during September-April slightly by 2100. Furthermore, days with heavy snow loads may still occur in the near future. To conclude, wind-induced risks to forests in particular may increase in Finland and elsewhere in Northern Europe in the forthcoming decades. However, proper and timely management of forests could help reduce at least to some degree wind-induced risks to forests in the future.Tämän työn tavoitteena oli tutkia voimakkaiden tuulten, lumikuormien ja roudan esiintymisen mahdollisia vaikutuksia metsien tuhoriskeihin Pohjois-Euroopassa. Tarkastelut tehtiin nyky- ja muuttuvalle ilmastolle aina vuoteen 2100 asti. Pääpaino tutkimuksessa oli Suomessa. Työssä analysoitiin i) voimakkaan tuulen, lumikuormien ja routaolojen esiintymisessä tapahtuvia muutoksia Suomessa, ii) Suomen metsiin kohdistuvia alueellisia tuuli- ja lumituhoriskejä, iii) ilmastonmuutoksen vaikutusta keskimääräisiin ja äärimmäisiin geostrofisiin tuuliin Pohjois-Euroopassa ja iv) Euroopan primääristen metsätuhojen ja myrskyissä esiintyneiden geostrofisten ja ageostrofisen isallobaaristen tuulten välistä yhteyttä 1960–2011. Työssä käytettiin Ilmatieteen laitoksen havaintoaineistoa 1961–2009, Metsäntutkimuslaitoksen valtakunnan metsien inventointitietoja (METLA), Eurooppalaista metsien myrskytuhotietokantaa (EFIATLANTIC) ja lukuisia maailmanlaajuisia ilmastomalleja huomioiden eri skenaariot (A1B, A2 ja B1). Tämän lisäksi käytettiin uusanalysoituja meteorologisia aineistoja (reanalyysejä) ERA-40 ja ERA-Interim. Roudan syvyyksiä tutkittiin mallilla, joka laskee lumettoman maan jäätymistä. Puiden lumikuormien esiintymistä arvioitiin kumulatiivisella lumikuormamallilla. Metsiin kohdistuvia lumikuormien ja tuulten aiheuttamia riskejä analysoitiin SIMA-ekosysteemimallilla ja mekanistisella HWIND-mallilla. Tämän lisäksi kehitettiin regressioyhtälö, jolla voitiin arvioida metsien puustotuhojen määrää myrskytuulten perusteella Euroopassa. Työn perusteella Suomen metsien kasvu tulee lisääntymään ilmaston lämmetessä ja lisäksi puulajien jakauma voi muuttua. Tällä voi olla vaikutusta siihen, millaisia lumi- ja tuulituhoja metsissä tulevaisuudessa mahdollisesti esiintyy. Nykyilmastossa, 10-minuutin keskituuli, joka esiintyy keskimäärin kerran kymmenessä vuodessa, on voimakkaimmillaan noin 17–18 ms-1 maan etelä- ja länsiosan sisämaassa. Tyypillisimmin voimakkaita tuulia esiintyy lokakuusta helmikuuhun ulottuvalla jaksolla. Euroopan myrskyjen laajuudella, tuulen nopeudella, ja primääristen metsätuhojen suuruudella on selvä korrelaatio. Suomen etelä- ja keskiosassa roudan syvyydet ovat pienentyneet talvella 5-10 % verrattaessa jaksoa 1980–2009 jaksoon 1971–2000. Mikäli ilmaston lämpeneminen jatkuu, maan etelä- ja keskiosa muuttuvat vuosisadan loppuun mennessä vähitellen roudattomiksi. Lumikuormat voivat vielä lähivuosikymmeninä olla suuria maan etelä- ja keskiosassa, mutta loppuvuosisadalla suuria lumikuormia esiintynee enää pohjoisessa. Suomessa keskimääräiset ja äärimmäiset geostrofiset tuulet voimistuvat syyskuu-huhtikuu välisenä aikana vuoteen 2100 mennessä. Muutos on kuitenkin vain muutaman prosentin luokkaa. Kaikki tulokset vahvistavat käsitystä siitä, että erityisesti metsiin kohdistuva tuuliriski on mitä todennäköisimmin kasvamassa niin Suomessa kuin muualla Pohjois-Euroopassa. Tämä edellyttää tuhoriskien huomioimista metsien hoidossa

The Extratropical Transition of Hurricane Debby (1982) and the Subsequent Development of an Intense Windstorm over Finland

On 22 September 1982, an intense windstorm caused considerable damage in northern Finland. Local forecasters noted that this windstorm potentially was related to Hurricane Debby, a category 4 hurricane that occurred just 5 days earlier. Due to the unique nature of the event and lack of prior research, our aim is to document the synoptic sequence of events related to this storm using ERA-Interim reanalysis data, best track data, and output from OpenIFS simulations. During extratropical transition, the outflow from Debby resulted in a ridge building and an acceleration of the jet. Debby did not reintensify immediately in the midlatitudes despite the presence of an upper-level trough. Instead, ex-Debby propagated rapidly across the Atlantic as a diabatic Rossby wave-like feature. Simultaneously, an upper-level trough approached from the northeast and once ex-Debby moved ahead of this feature near the United Kingdom, rapid reintensification began. All OpenIFS forecasts diverged from reanalysis after only 2 days indicating intrinsic low predictability and strong sensitivities. Phasing between Hurricane Debby and the weak trough, and phasing of the upper- and lower-level potential vorticity anomalies near the United Kingdom was important in the evolution of ex-Debby. In the only OpenIFS simulation to correctly capture the phasing over the United Kingdom, stronger wind gusts were simulated over northern Finland than in any other simulation. Turbulent mixing behind the cold front, and convectively driven downdrafts in the warm sector, enhanced the wind gusts over Finland. To further improve understanding of this case, we suggest conducting research using an ensemble approach.Peer reviewe

Climatology, variability, and trends in near-surface wind speeds over the North Atlantic and Europe during 1979-2018 based on ERA5

This study presents the monthly 10‐m wind speed climatology, decadal variability and possible trends in the North Atlantic and Europe from ERA5 reanalysis from 1979 to 2018 and investigates the physical reasons for the decadal variability. Additionally, temporal time series are examined in three locations: the central North Atlantic, Finland and Iberian Peninsula. The 40‐year mean and the 98th percentile wind speeds emphasize a distinct land‐sea contrast and a seasonal variation with the strongest winds over the ocean and during winter. The strongest winds and the highest variability are associated with the storm tracks and local wind phenomena such as the mistral. The extremeness of the winds is examined with an extreme wind factor (the 98th percentile divided by mean wind speeds) which in all months is higher in southern Europe than in northern Europe. Mostly no linear trends in 10‐m wind speeds are identified in the three locations but large annual and decadal variability is evident. The decadal 10‐m wind speeds were stronger than average in the 1990s in northern Europe and in the 1980s and 2010s in southern Europe. These decadal changes were largely explained by the positioning of the jet stream and storm tracks and the strength of the north–south pressure gradient in the North Atlantic. The 10‐m winds have a positive correlation with the North Atlantic Oscillation in the central North Atlantic and Finland on annual scales and during cold season months and a negative correlation in Iberian Peninsula mostly from July to March. The Atlantic Multi‐decadal Oscillation has a moderate negative correlation with the winds in the central North Atlantic but no correlation in Finland and Iberian Peninsula. Overall, our results emphasize that while linear trends in wind speeds may show a general long‐term trend, more information on the changes is obtained by analysing long‐term variability.This study presents the monthly 10-m wind speed climatology, decadal variability and possible trends in the North Atlantic and Europe from ERA5 reanalysis from 1979 to 2018 and investigates the physical reasons for the decadal variability. Additionally, temporal time series are examined in three locations: the central North Atlantic, Finland and Iberian Peninsula. The 40-year mean and the 98th percentile wind speeds emphasize a distinct land-sea contrast and a seasonal variation with the strongest winds over the ocean and during winter. The strongest winds and the highest variability are associated with the storm tracks and local wind phenomena such as the mistral. The extremeness of the winds is examined with an extreme wind factor (the 98th percentile divided by mean wind speeds) which in all months is higher in southern Europe than in northern Europe. Mostly no linear trends in 10-m wind speeds are identified in the three locations but large annual and decadal variability is evident. The decadal 10-m wind speeds were stronger than average in the 1990s in northern Europe and in the 1980s and 2010s in southern Europe. These decadal changes were largely explained by the positioning of the jet stream and storm tracks and the strength of the north-south pressure gradient in the North Atlantic. The 10-m winds have a positive correlation with the North Atlantic Oscillation in the central North Atlantic and Finland on annual scales and during cold season months and a negative correlation in Iberian Peninsula mostly from July to March. The Atlantic Multi-decadal Oscillation has a moderate negative correlation with the winds in the central North Atlantic but no correlation in Finland and Iberian Peninsula. Overall, our results emphasize that while linear trends in wind speeds may show a general long-term trend, more information on the changes is obtained by analysing long-term variability.Peer reviewe

Tykkylumen alueellinen esiintyminen Suomessa kahden laskentamenetelmän perusteella

TutkimusselosteSeloste julkaisusta: Lehtonen, I., Hoppula, P., Pirinen, P. & Gregow, H. 2014. Modelling crown snow loads in Finland: a comparison of two methods. Silva Fennica 48(3), article id 1120

Ilmastonmuutoksen vaikutukset Suomessa metsänhoidon näkökulmasta

Kasvavat metsät sitovat hiiltä ilmakehästä, ja metsillä on siten tärkeä rooli ilmastonmuutoksen hillinnässä. Metsät ovat myös tärkeitä virkistysalueita, ja ennen kaikkea luonnontilaisia metsiä tarvitaan pyrittäessä suojelemaan luonnon monimuotoisuutta. Toisaalta metsäteollisuus on yksi Suomen tärkeimmistä teollisuudenaloista, joten myös metsien taloudellinen merkitys Suomessa on suuri. Ilmastonmuutoksen edetessä ja erilaisten metsien käyttöön liittyvien intressien ristipaineessa korostuu kysymys siitä, miten metsiä voidaan hyödyntää kestävällä tavalla. Metsänhoidon suositusten uudistamisen pohjaksi tarvitaan tietoja niin ilmastonmuutoksen suuruudesta kuin sen vaikutuksistakin. Tässä raportissa esitetään tämänhetkisen tietämyksen mukaiset arviot ilmastonmuutoksesta Suomessa sekä siitä, millaisia vaikutuksia muutoksella on Suomen metsiin ja metsätaloudelle. Viimeisten noin 150 vuoden aikana keskilämpötila on Suomessa jo kohonnut pari astetta. Tällä hetkellä lämpötila nousee Suomessa vajaat puoli astetta vuosikymmenessä. Kuluvan vuosisadan puoliväliin mennessä lämpötilan odotetaan kohoavan nykyisestä noin 1–1,5 astetta lisää. Kuinka paljon lämpötila nousee edelleen vuosisadan jälkipuoliskolla, riippuu suuresti kasvihuonekaasupäästöjen tulevasta maailmanlaajuisesta kehityksestä. Suomessa lämpötilan nousu on noin kaksi kertaa nopeampaa kuin maapallolla keskimäärin. Lämpenemisen lisäksi sateiden odotetaan lisääntyvän etenkin talvikuukausina. Toisaalta kesällä kuivuus voi vaivata aiempaa useammin. Lämpeneminen ja ilmakehän kohonnut hiilidioksidipitoisuus ovat jo omalta osaltaan kiihdyttäneet metsien kasvua, ja tulevaisuudessa metsiemme ennustetaan kasvavan yhä rivakammin. Toisaalta lisääntyvät metsätuhot voivat osittain neutralisoida tämän kehityksen. Erityisesti kuusikot ovat alttiita paitsi monille tuhonaiheuttajille, niin Etelä-Suomessa myös lisääntyvälle kuivuudelle. Tuhohyönteisistä lämpeneminen hyödyttää muun muassa kaarnakuoriaisiin lukeutuvaa kirjanpainajaa. Talvella roudan väheneminen vaikeuttaa puiden korjuuolosuhteita, mikä lisää juuristovaurioiden riskiä korjuun yhteydessä ja haittaa puunkorjuun logistiikkaa. Myös tuulituhojen riski kasvaa roudan vähentyessä. Kansainvälisesti tavoitteeksi on asetettu lämpenemisen rajaaminen maailmanlaajuisesti alle kahteen asteeseen esiteolliseen aikaan eli 1700-luvun puolivälin ilmastoon verrattuna. Tämä edellyttäisi nopeaa maailmanlaajuista kasvihuonekaasupäästöjen hillintää. Toistaiseksi kasvihuonekaasujen päästöjen kasvua ei ole pystytty rajoittamaan siinä määrin, että tavoitteen toteutuminen näyttäisi todennäköiseltä, joten on syytä varautua voimakkaampaan lämpenemiseen. Pahimman skenaarion toteutuessa lämpötila voi maailmanlaajuisesti kohota jopa yli neljä astetta kuluvan vuosisadan aikana. Yksittäisen metsänomistajan kannalta keskeistä on huolehtia metsien kasvusta ja elinvoimasta sekä pyrkiä myös tunnistamaan metsiä uhkaavat riskit, puuston ja maaston vaihtelevuus huomioon ottaen. Riskien hallinnan tueksi verkossa on saatavilla runsaasti avoimia ilmaston vaihteluita ja sään ääri-ilmiöiden esiintymistä kuvaavia tietoaineistoja sekä ennustepalveluita.Growing forests sequester carbon from the atmosphere, and hence forests have Aan important role in mitigating climate change. Forests are also important as recreational areas, and natural forests are needed in maintaining biodiversity. On the other hand, the economic importance of forests is substantial in Finland as the forest industry is a major contributor to wellbeing in the country. Ongoing climate change and the multiple contradictory interests towards forests expressed from different sectors in society make it important to study how forests can be exploited in a sustainable way. Information on the magnitude and impacts of climate change are needed in revising the forest management recommendations. In this report, we present an assessment of climate change in Finland based on current knowledge and describe the expected effects of the change on forests and forestry. Over the last 150 years, the mean temperature in Finland has already risen by about 2 °C. Presently, the temperature continues to increase with a rate of almost 0.5 °C per decade, and by the mid-century, temperatures in Finland are expected to be approximately 1–1.5 °C higher than at present. The rate of warming during the latter half of the 21st century will largely depend on the future evolution of global greenhouse gas emissions. In Finland, the rate of warming is about twice as large as the global average. In addition to warming, precipitation levels, particularly in winter, are expected to increase in the future. On the other hand, drought may occur in summer more frequently than at present. Increasing temperature and rising atmospheric carbon dioxide concentration have already contributed to accelerating forest growth. In the future, our forests are projected to grow even more rapidly. On the other hand, an increasing frequency of forest damages may partly overrule this development. Particularly, spruce forests are vulnerable to many insect pests but in southern Finland also to drought. An example of a pest benefitting from the warming is the European spruce bark beetle. In winter, reduction of soil frost complicates the logistics of forest harvesting and increases the risk of root damage during the harvest. The risk of wind damage also increases as the soil frost decreases. Internationally, the goal is to limit global warming to less than 2 °C compared to pre-industrial era, i.e., the mid-18th century. This would require rapid global mitigation of greenhouse gas emissions. So far, limiting the increase in global greenhouse gas emissions has not been adequately successful so that reaching the target would seem likely. Thus, there is a need to be prepared for a more severe warming. In the worst case, the temperature could rise even by more than 4 °C globally by the end of the 21st century. From the forest owner viewpoint, it is important to take care of the growth and vitality of the forest stands and to identify the risks threatening the stands, taking into account the variability of the stands and the terrain. To support risk management, there are available several open data sets on climate variability and the occurrence of extreme weather events, as well as forecasting services.Växande skogar binder kol från atmosfären och spelar därmed en viktig roll för att mildra klimatförändringarna. Skogar är också viktiga som rekreationsområden, och framför allt behövs naturskogar för att skydda den biologiska mångfalden. Å andra sidan är skogsindustrin en av Finlands viktigaste industribranscher och skogsbrukets ekonomiska betydelse är därmed också betydande. Pågående klimatförändringar, samt delvis till och med motstridiga intressen gentemot skogen som uttrycks från olika sektorer i samhället, gör det viktigt att studera hur skogen kan utnyttjas på ett hållbart sätt. Information om både omfattningen och konsekvenserna av klimatförändringarna behövs för att revidera skogsvårdsrekommendationerna. I denna rapport presenterar vi en bedömning av klimatförändringarna i Finland baserat på nuvarande information och beskriver de förväntade effekterna på skog och skogsbruk. Under de senaste 150 åren har medeltemperaturen i Finland redan stigit med cirka 2 °C. För närvarande stiger temperaturen i Finland med nästan 0,5 °C per årtionde. I mitten av 2000-talet förväntas temperaturerna vara cirka 1–1,5 °C högre än för närvarande. Uppvärmningshastigheten under den senare hälften av 2000-talet beror till stor del på den framtida utvecklingen av de globala utsläppen av växthusgaser. I Finland är uppvärmningen ungefär dubbelt så snabb som det globala genomsnittet. Förutom uppvärmningen förväntas nederbörden att öka i framtiden, särskilt på vintern. Å andra sidan kan torka förekomma på sommaren oftare än för nuförtiden. Högre temperaturer och stigande koldioxidkoncentration i atmosfären har redan bidragit till att förbättra skogstillväxten. I framtiden beräknas våra skogar växa ännu snabbare. Å andra sidan kan en ökande frekvens av skogsskador delvis radera denna utveckling. Det är särskilt granskogar som är sårbara för många skadedjur, men också för torka i södra Finland. Ett exempel på ett skadedjur som kan dra nytta av uppvärmningen är granbarkborren. På vintern komplicerar en minskning av tjäle logistiken för skogsavverkning och ökar risken för rotskador under avverkningen. Risken för vindskador ökar också när tjälen minskar. Internationellt har målet satts att begränsa den globala uppvärmningen till mindre än 2 °C jäm-fört med den förindustriella tiden, dvs mitten av 1700-talet. För att uppnå målet skulle det krävas en snabb minskning av de globala utsläppen av växthusgaser. Hittills har man inte lyckats begränsa ökningen av de globala utsläppen av växthusgaser i en sådan utsträckning att det skulle verka troligt att målet kan uppnås. Därför finns det ett behov av att förbereda sig för en större uppvärmning. I värsta fall kan den globala medeltemperaturen öka med mer än 4 °C till slutet av 2000-talet. Det är viktigt för den enskilda skogsägaren att ta hand om skogens tillväxt och livskraft, samt att försöka identifiera riskerna som hotar skogarna, med hänsyn till variationer i bestånd och terräng. För att stödja riskhanteringen finns det flera öppna datauppsättningar om klimatvariabilitet och förekomsten av extrema väderhändelser, såväl som prognostjänster

Overadaptation to Climate Change? The Case of the 2013 Finnish Electricity Market Act

In this paper, we put forward a definition of over-adaptation in disaster risk reduction (DRR) and climate change adaptation (CCA) projects. We detail an illustrative case in which the response to extreme weather risk while aligned with the goals of CCA, is implemented beyond the economically efficient scale. We undertake a cost-benefit analysis of the 2013 Finnish Electricity Market Act, enacted partially as a reaction to long, storm-induced electricity blackouts experienced after 2000. The Act imposes strict requirements on electricity distribution companies as regards the duration of blackouts. Meeting these requirements entails investments amounting to billions of euros. As a benefit, we quantify the avoided cost from the blackouts for households and producers. Our results, derived from Monte-Carlo simulations, show that for urban areas, the net expected value is positive. However, in rural areas less strict requirements could have been economically more efficient. Our results indicate that distributional impacts and correspondence between those who benefit and those who pay the costs should be taken into account in DRR and CCA policies that require large-scale investments. We also note that the population affected by a disaster may not accept DRR and CCA that are successful in terms of regulation and implementation. This applies when societal and individual preferences do not coincide.Peer reviewe

Characteristics of extratropical cyclones and precursors to windstorms in northern Europe

Peer reviewe

Adding value to Extended-range Forecasts in Northern Europe by Statistical Post-processing Using Stratospheric Observations

The strength of the stratospheric polar vortex influences the surface weather in the Northern Hemisphere in winter; a weaker (stronger) than average stratospheric polar vortex is connected to negative (positive) Arctic Oscillation (AO) and colder (warmer) than average surface temperatures in northern Europe within weeks or months. This holds the potential for forecasting in that timescale. We investigate here if the strength of the stratospheric polar vortex at the start of the forecast could be used to improve the extended-range temperature forecasts of the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) and to find periods with higher prediction skill scores. For this, we developed a stratospheric wind indicator (SWI) based on the strength of the stratospheric polar vortex and the phase of the AO during the following weeks. We demonstrate that there was a statistically significant difference in the observed surface temperature in northern Europe within the 3-6 weeks, depending on the SWI at the start of the forecast. When our new SWI was applied in post-processing the ECMWF's 2-week mean temperature reforecasts for weeks 3-4 and 5-6 in northern Europe during boreal winter, the skill scores of those weeks were slightly improved. This indicates there is some room for improving the extended-range forecasts, if the stratosphere-troposphere links were better captured in the modelling. In addition to this, we found that during the boreal winter, in cases where the polar vortex was weak at the start of the forecast, the mean skill scores of the 3-6 weeks' surface temperature forecasts were higher than average.Peer reviewe