Was sind und wie entstehen synthetische Windstatistiken?

Präsentation zum Thema: "Was sind und wie entstehen synthetische Windstatistiken?"—  Präsentation transkript:

1 Was sind und wie entstehen synthetische Windstatistiken?
Klaus Bigalke

2 Motivation

3 Wozu werden Windstatistiken benötigt?
Genehmigungsverfahren anlagenbezogene Immissionsprognosen Einschätzung der klimatischen Verhältnisse Luftreinhaltepläne / Verkehrsimmissionen schnelle Einordnung von Nachbarschaftsbeschwerden erste Einschätzung Quell-Rezeptor-Beziehung Geruchsausbreitung Standortfindung u.v.m.

4 Woher bekommt man Windstatistiken?
Messung am Standort? nächste Wetterdienststation? LfU-Messnetz? QPR? teuer und langwierig (1 Jahr) oft weit entfernt repräsentativer Messort? Q ualifiziert? (bitte genau hinsehen!)  Nicht jede nahe liegende Lösung ist auch fachlich angemessen!

5 Windmessnetz Baden-Württemberg
Künzelsau Schwäbisch-Hall Beispielstandorte 1 und 2

6 Standortbeispiel: Künzelsau 1

7 Standortbeispiel: Künzelsau 1
städtischer Standort: Windstatistik für mikroskalige Ausbreitungsrechnung? ?

8 Standortbeispiel: Künzelsau 1
LfU Messstation ca. 700m Luftlinie Problem gelöst ?? ?

9 Standortbeispiel: Künzelsau 1
Nein! Örtliche Windverhältnisse weichen von LfU-Station ab!

10 Standortbeispiel: Künzelsau 1
 Die Nähe einer Messstation ist kein ausreichendes Kriterium für Übertragbarkeit!

11 Standortbeispiel: Künzelsau 2
? Ähnliche Tallage wie die LfU-Station Künzelsau? Ähnliche Windstatistik?

12 Standortbeispiel: Künzelsau 2
 Eine Beurteilung der örtlichen Verhältnisse ist häufig schwierig, eine Übertragung gelegentlich fragwürdig!

13 Motivation Räumlich hoch auflösende synthetische Windstatistiken sind ein wertvolles Hilfsmittel für Planer. Aber: Um synthetische Windstatistiken richtig zu interpretieren und anzuwenden, sind Informationen darüber hilfreich, wie diese Statistiken berechnet werden. Darum unser heutiges Treffen !!!

14 Gliederung Was sind synthetische Windstatistiken?
Wie entstehen synthetische Windstatistiken? Wie unterscheiden sich gemessene und synthetische Windstatistiken? Welche Windstatistiken sind „besser“ ?

15 Was sind synthetische Windstatistiken?

16 Die Negativ-Definition ...
Synthetische Windstatistiken: sind NICHT gemessen sind NICHT aus gemessenen Statistiken interpoliert o.ä. enthalten KEINE Informationen aus bodennahen Messungen geben KEINE punktgenauen Auskünfte über das Windklima, insbesondere NICHT für eine punktgenaue Höhe über Grund für einen genauen Ortspunkt in der Fläche

17 Die Positiv-Definition
Duden: „synthetisch“ = zusammengesetzt, künstlich hergestellt Definitionsversuch: Synthetische Windstatistiken werden ohne Messungen vor Ort durch Zusammensetzung von topographischen Informationen, statistischen Informationen und Windfeld-Simulationsrechnungen künstlich hergestellt.

18 Wie entstehen synthetische Windstatistiken?

19 Das Simulationsmodell: METRAS PC
nicht-hydrostatisches prognostisches 3D Strömungsmodell räumlich (3d) nicht äquidistant verteilte Gitterpunkte Berechnung des von Gelände und Landnutzung (Bebauung, Vegetation) geformten Windes Berechnung thermischer Windsysteme (Kaltluft, Hangaufwinde, Berg-/Talwinde, Land-Seewinde) qualitätsgesichert nach geplanter VDI 3783, Blatt 9

20 Das Simulationsmodell: METRAS PC
geostrophischer Antriebswind atmosphärische Stabilität Topographie geographische Lage Zeit .... MODELL bodennahes Windfeld / thermische Windsysteme

21 Das Simulationsmodell: METRAS PC
prognostisches Modell METRAS PC diagnostisches Modell

22 Das Simulationsmodell: METRAS PC
prognostisches Modell METRAS PC diagnostisches Modell

23 Das Simulationsmodell: METRAS PC
prognostisches Modell METRAS PC

24 Das Simulationsmodell: METRAS PC
 Durch Verwendung des prognostischen Modells METRAS PC werden alle dynamischen und thermodynamischen Geländeeffekte physikalisch angemessen in den synthetischen Windstatistiken erfasst.

25 Das Berechnungsverfahren
Grundidee: Die (bekannten) langjährigen Höhenwindverhältnisse werden über Modellsimulationen mit dem (unbekannten) Bodenwindklima verknüpft.

26 Das Berechnungsverfahren
Antriebswind 1: u, v,  h=2,3% eindeutig Bodenwind 1: Antriebswind 2: u, v,  h=1,7% eindeutig Bodenwind 2:

27 Das Berechnungsverfahren
geostrophischer Antriebswind u, v,  Modell- simulationen % topographisch geprägter (Boden-)Wind

28 Das Berechnungsverfahren
Mit diesen Modellrechnungen werden alle dynamischen Effekte der Topographie auf das Bodenwindklima - wie z.B. Leewirbel, Talkanalisierung – abgebildet.

29 Das Berechnungsverfahren
Zusätzliche Modellrechnungen für windschwache Strahlungswetterlagen simulieren die regional wichtigen thermodynamischen Windsysteme – z.B. Kaltluftabflüsse.

30 Die Datenbasis: Höhenwinddaten
Zeitreihen seit 1979, alle 6 Stunden globales Raster 2,5° x 2,5° Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Temperatur, u.a. alle Haupt-Druckniveaus (1000, 925, 850, 700, .... hPa) Analyse verschiedener Eingangsdaten (Bodenmessungen, Radiosonden, Satelliten, ...) mit globalem Vorhersagemodell

31 Die Datenbasis: Höhenwinddaten
10 Jahre Höhenwinddaten = meteorologische Situationen Die können nicht alle prognostisch simuliert werden !!! Clusteranalyse: Situationen auf eine handhabbare Anzahl (120 Cluster) meteorologischer Situationen reduzieren, die einzeln simuliert werden können Prinzipielles Verfahren: Alle Datenpunkte zusammenfassen, die im Parameterraum (2 Windkomponenten, Schichtung) benachbart sind

32 Die Datenbasis: Höhenwinddaten
Clusteranalyse: Situationen  Cluster

33 Die Datenbasis: Höhenwinddaten
Ergebnis der Clusteranalyse: Modellantriebsdaten für 120 Situationen mit den gleichen statistischen Eigenschaften wie die Situationen aus 10 Jahren

34 Die Datenbasis: Topographie
Topographische Karte 1:50.000 Modellgitter: Geländehöhe

35 Die Datenbasis: Topographie
Topographische Karte 1:50.000 Modellgitter: Landnutzung

36 Modellsimulationen: Beispiel Nächtliches Kaltluftsystem
20:00

37 Modellsimulationen: Beispiel Nächtliches Kaltluftsystem
20:00

38 Modellsimulationen: Beispiel Nächtliches Kaltluftsystem
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39 Modellsimulationen: Beispiel Nächtliches Kaltluftsystem
24:00

40 Modellsimulationen: Beispiel Nächtliches Kaltluftsystem
02:00

41 Modellsimulationen: Beispiel Nächtliches Kaltluftsystem
04:00

42 Modellsimulationen: Beispiel Nächtliches Kaltluftsystem
06:00

43 Modellsimulationen: Beispiele stationärer Simulationsrechnungen
Großraum Stuttgart Antriebswind: schwach, ~ Ost Schichtung: sehr stabil

44 Modellsimulationen: Beispiele stationärer Simulationsrechnungen
Großraum Stuttgart Antriebswind: kräftig, ~ West Schichtung: leicht stabil

45 Modellsimulationen: Beispiele stationärer Simulationsrechnungen
Großraum Heilbronn Antriebswind: schwach, ~ Ost Schichtung: sehr stabil

46 Modellsimulationen: Beispiele stationärer Simulationsrechnungen
Großraum Heilbronn Antriebswind: kräftig, ~ West Schichtung: leicht stabil

47 Modellsimulationen: Beispiele stationärer Simulationsrechnungen
Großraum Reutlingen Antriebswind: kräftig, ~Nordnordwest Schichtung: leicht stabil

48 Modellsimulationen: Beispiele stationärer Simulationsrechnungen
Großraum Reutlingen Antriebswind: kräftig, ~Nordnordwest Schichtung: sehr stabil

49 Das statistische Auswerteverfahren
Belegung der Klassenhäufigkeiten aus stationären Modellrechnungen mit den „repräsentativen“ Clustern Korrektur der Klassenhäufigkeiten aus instationären Modellrechnungen mit den Clustern geringer Windgeschwindigkeit Glättung der berechneten Häufigkeitsverteilungen, weil aus >= 130 Modellrechnungen nur theoretisch alle 12x6=72 Klassen der synthetischen Statistiken belegt werden

50 Das statistische Auswerteverfahren
geglättete Klassenzuordnung „Treffer“ Einzelsituation Prinzip der Glättung unbesetzter Häufigkeitsklassen (aus Hänsch, 1997)

51 Wie unterscheiden sich gemessene und synthetische Windstatistiken?

52 Raumbezug gemessene Windstatistiken stammen aus Punktmessungen
synthetische Windstatistiken stammen aus Modellrechnungen und sind deshalb Volumenmittelwerte über ein „Gitterpunktsvolumen“ von ca. 20x500x500 m3

53 Gültigkeitshöhe gemessene Windstatistiken gelten innerhalb von Rauigkeitsstrukturen (speziell städtische Messungen!) synthetische Windstatistiken gelten oberhalb einer mittleren Rauigkeit (z.B. über Dachniveau)

54 Horizontale Repräsentativität
Messung variabel: abhängig von der Standortumgebung Modell konstant: Gitterfläche, hier: 500 x 500 m2

55 Gemessene und synthetische Statistiken

56 Gemessene und synthetische Statistiken
Mit anderen Worten: Synthetische Statistiken repräsentieren die mittleren Windverhältnisse über Untersuchungsgebieten typischer Größe! Sie sind frei von lokalen mikroskaligen Einflüssen!

57 Windgeschwindigkeit (Jahr) an LfU-Stationen

58 Windrosen an LfU-Stationen
Backnang Leonberg Schwäbisch-Hall

59 LfU Station Schwäbisch-Hall
lokal: NW-SE Ausrichtung (Fluss, Gebäude, Bahn) regional: N-S Ausrichtung (Flusstal)

60 Welche Windstatistik ist „besser“?

61 Die „bessere“ Statistik?
Die gemessene Statistik ist „wahrer“. Aber: „Wahrer“ nur in Bezug auf exakten Punkt, für den Messzeitraum, ... Die synthetische Statistik ist „repräsentativer“. Denn: Sie „sieht“ die die mittleren Verhältnisse in einem typischen Untersuchungsraum von bekannter (!), konstanter Größe (500x500m2)

62 Die „bessere“ Statistik?
Schlussfolgerung 1: Synthetische Statistiken werden immer dann verwendet, wenn keine anderen Windstatistiken vorliegen oder übertragen werden können.

63 Die „bessere“ Statistik?
Schlussfolgerung 2: Synthetische Statistiken dienen der Kontrolle, ob eine übertragene Windstatistik die charakteristischen Windverhältnisse am Standort trifft. Falls nein: Übertragung kritisch hinterfragen oder synthetische Statistik verwenden!

64 Die „bessere“ Statistik?
Schlussfolgerung 3: Synthetische Statistiken dienen der Kontrolle, ob eine lokal gemessene Windstatistik tatsächlich für die Windverhältnisse in der Umgebung eines Standortes repräsentativ ist.

65 ENDE