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METCON Umweltmeteorologische Beratung Was sind und wie entstehen synthetische Windstatistiken? Klaus Bigalke.

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Präsentation zum Thema: "METCON Umweltmeteorologische Beratung Was sind und wie entstehen synthetische Windstatistiken? Klaus Bigalke."—  Präsentation transkript:

1 METCON Umweltmeteorologische Beratung Was sind und wie entstehen synthetische Windstatistiken? Klaus Bigalke

2 METCON Umweltmeteorologische Beratung Motivation

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

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

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

6 METCON Umweltmeteorologische Beratung Standortbeispiel: Künzelsau 1

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

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

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

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

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

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

13 METCON Umweltmeteorologische Beratung 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 METCON Umweltmeteorologische Beratung Gliederung n Was sind synthetische Windstatistiken? n Wie entstehen synthetische Windstatistiken? n Wie unterscheiden sich gemessene und synthetische Windstatistiken? n Welche Windstatistiken sind „besser“ ?

15 METCON Umweltmeteorologische Beratung Was sind synthetische Windstatistiken?

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

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

18 METCON Umweltmeteorologische Beratung Wie entstehen synthetische Windstatistiken?

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

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

21 METCON Umweltmeteorologische Beratung Das Simulationsmodell: METRAS PC prognostisches Modell METRAS PC diagnostisches Modell

22 METCON Umweltmeteorologische Beratung Das Simulationsmodell: METRAS PC prognostisches Modell METRAS PC diagnostisches Modell

23 METCON Umweltmeteorologische Beratung Das Simulationsmodell: METRAS PC prognostisches Modell METRAS PC

24 METCON Umweltmeteorologische Beratung 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 METCON Umweltmeteorologische Beratung Das Berechnungsverfahren Grundidee: Die (bekannten) langjährigen Höhenwindverhältnisse werden über Modellsimulationen mit dem (unbekannten) Bodenwindklima verknüpft.

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

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

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

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

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

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

32 METCON Umweltmeteorologische Beratung Die Datenbasis: Höhenwinddaten Clusteranalyse: Situationen  120 Cluster

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

34 METCON Umweltmeteorologische Beratung Die Datenbasis: Topographie Topographische Karte 1: Modellgitter: Geländehöhe

35 METCON Umweltmeteorologische Beratung Die Datenbasis: Topographie Topographische Karte 1: Modellgitter: Landnutzung

36 METCON Umweltmeteorologische Beratung Modellsimulationen: Beispiel Nächtliches Kaltluftsystem 20:00

37 METCON Umweltmeteorologische Beratung Modellsimulationen: Beispiel Nächtliches Kaltluftsystem 20:00

38 METCON Umweltmeteorologische Beratung Modellsimulationen: Beispiel Nächtliches Kaltluftsystem 22:00

39 METCON Umweltmeteorologische Beratung Modellsimulationen: Beispiel Nächtliches Kaltluftsystem 24:00

40 METCON Umweltmeteorologische Beratung Modellsimulationen: Beispiel Nächtliches Kaltluftsystem 02:00

41 METCON Umweltmeteorologische Beratung Modellsimulationen: Beispiel Nächtliches Kaltluftsystem 04:00

42 METCON Umweltmeteorologische Beratung Modellsimulationen: Beispiel Nächtliches Kaltluftsystem 06:00

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

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

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

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

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

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

49 METCON Umweltmeteorologische Beratung Das statistische Auswerteverfahren 1.Belegung der Klassenhäufigkeiten aus stationären Modellrechnungen mit den „repräsentativen“ Clustern 2.Korrektur der Klassenhäufigkeiten aus instationären Modellrechnungen mit den Clustern geringer Windgeschwindigkeit 3.Glättung der berechneten Häufigkeitsverteilungen, weil aus >= 130 Modellrechnungen nur theoretisch alle 12x6=72 Klassen der synthetischen Statistiken belegt werden 1.Belegung der Klassenhäufigkeiten aus stationären Modellrechnungen mit den „repräsentativen“ Clustern 2.Korrektur der Klassenhäufigkeiten aus instationären Modellrechnungen mit den Clustern geringer Windgeschwindigkeit 3.Glättung der berechneten Häufigkeitsverteilungen, weil aus >= 130 Modellrechnungen nur theoretisch alle 12x6=72 Klassen der synthetischen Statistiken belegt werden

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

51 METCON Umweltmeteorologische Beratung Wie unterscheiden sich gemessene und synthetische Windstatistiken?

52 METCON Umweltmeteorologische Beratung Raumbezug n gemessene Windstatistiken stammen aus Punktmessungen n synthetische Windstatistiken stammen aus Modellrechnungen und sind deshalb Volumenmittelwerte über ein „Gitterpunktsvolumen“ von ca. 20x500x500 m 3

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

54 METCON Umweltmeteorologische Beratung Horizontale Repräsentativität n Messung variabel: abhängig von der Standortumgebung n Modell konstant: Gitterfläche, hier: 500 x 500 m 2

55 METCON Umweltmeteorologische Beratung Gemessene und synthetische Statistiken

56 METCON Umweltmeteorologische Beratung 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 METCON Umweltmeteorologische Beratung Windgeschwindigkeit (Jahr) an LfU-Stationen

58 METCON Umweltmeteorologische Beratung Windrosen an LfU-Stationen LeonbergBacknangSchwäbisch-Hall

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

60 METCON Umweltmeteorologische Beratung Welche Windstatistik ist „besser“?

61 METCON Umweltmeteorologische Beratung Die „bessere“ Statistik? n Die gemessene Statistik ist „wahrer“. Aber: „Wahrer“ nur in Bezug auf exakten Punkt, für den Messzeitraum,... n Die synthetische Statistik ist „repräsentativer“. Denn: Sie „sieht“ die die mittleren Verhältnisse in einem typischen Untersuchungsraum von bekannter (!), konstanter Größe (500x500m 2 )

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

63 METCON Umweltmeteorologische Beratung 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 METCON Umweltmeteorologische Beratung 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 METCON Umweltmeteorologische Beratung ENDE


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