METCON Umweltmeteorologische Beratung Was sind und wie entstehen synthetische Windstatistiken? Klaus...
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MET MET CON CON Umweltmeteorologische Umweltmeteorologische Beratung Beratung Was sind und Was sind und wie entstehen wie entstehen synthetische synthetische Windstatistiken? Windstatistiken? Klaus Bigalke
METCON Umweltmeteorologische Beratung Was sind und wie entstehen synthetische Windstatistiken? Klaus Bigalke
METCON Umweltmeteorologische Beratung Was sind und wie
entstehen synthetische Windstatistiken? Klaus Bigalke
Folie 2
METCON Umweltmeteorologische Beratung Motivation
Folie 3
METCON Umweltmeteorologische Beratung Wozu werden
Windstatistiken bentigt? n Genehmigungsverfahren n anlagenbezogene
Immissionsprognosen n Einschtzung der klimatischen Verhltnisse n
Luftreinhalteplne / Verkehrsimmissionen n schnelle Einordnung von
Nachbarschaftsbeschwerden n erste Einschtzung
Quell-Rezeptor-Beziehung n Geruchsausbreitung n Standortfindung n
u.v.m.
Folie 4
METCON Umweltmeteorologische Beratung Woher bekommt man
Windstatistiken? n Messung am Standort? n nchste
Wetterdienststation? n LfU-Messnetz? n QPR? n teuer und langwierig
(1 Jahr) n oft weit entfernt n reprsentativer Messort? n Q
ualifiziert? (bitte genau hinsehen!) Nicht jede nahe liegende Lsung
ist auch fachlich angemessen!
METCON Umweltmeteorologische Beratung Standortbeispiel:
Knzelsau 1 Die Nhe einer Messstation ist kein ausreichendes
Kriterium fr bertragbarkeit!
Folie 11
METCON Umweltmeteorologische Beratung Standortbeispiel:
Knzelsau 2 ? hnliche Tallage wie die LfU-Station Knzelsau? hnliche
Windstatistik?
Folie 12
METCON Umweltmeteorologische Beratung Standortbeispiel:
Knzelsau 2 Eine Beurteilung der rtlichen Verhltnisse ist hufig
schwierig, eine bertragung gelegentlich fragwrdig!
Folie 13
METCON Umweltmeteorologische Beratung Motivation Rumlich hoch
auflsende synthetische Windstatistiken sind ein wertvolles
Hilfsmittel fr Planer. Aber: Um synthetische Windstatistiken
richtig zu interpretieren und anzuwenden, sind Informationen darber
hilfreich, wie diese Statistiken berechnet werden. Darum unser
heutiges Treffen !!!
Folie 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
?
Folie 15
METCON Umweltmeteorologische Beratung Was sind synthetische
Windstatistiken?
Folie 16
METCON Umweltmeteorologische Beratung Die Negativ-Definition...
Synthetische Windstatistiken: n sind NICHT gemessen n sind NICHT
aus gemessenen Statistiken interpoliert o.. n enthalten KEINE
Informationen aus bodennahen Messungen n geben KEINE punktgenauen
Ausknfte ber das Windklima, insbesondere NICHT...... fr eine
punktgenaue Hhe ber Grund... fr einen genauen Ortspunkt in der
Flche n sind NICHT gemessen n sind NICHT aus gemessenen Statistiken
interpoliert o.. n enthalten KEINE Informationen aus bodennahen
Messungen n geben KEINE punktgenauen Ausknfte ber das Windklima,
insbesondere NICHT...... fr eine punktgenaue Hhe ber Grund... fr
einen genauen Ortspunkt in der Flche
Folie 17
METCON Umweltmeteorologische Beratung Die Positiv-Definition
Duden: synthetisch = zusammengesetzt, knstlich 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 knstlich hergestellt.
Folie 18
METCON Umweltmeteorologische Beratung Wie entstehen
synthetische Windstatistiken?
Folie 19
METCON Umweltmeteorologische Beratung Das Simulationsmodell:
METRAS PC n nicht-hydrostatisches prognostisches 3D Strmungsmodell
n rumlich (3d) nicht quidistant verteilte Gitterpunkte n Berechnung
des von Gelnde und Landnutzung (Bebauung, Vegetation) geformten
Windes n Berechnung thermischer Windsysteme (Kaltluft,
Hangaufwinde, Berg-/Talwinde, Land-Seewinde) n qualittsgesichert
nach geplanter VDI 3783, Blatt 9
Folie 20
METCON Umweltmeteorologische Beratung Das Simulationsmodell:
METRAS PC n geostrophischer Antriebswind n atmosphrische Stabilitt
n Topographie n geographische Lage n Zeit n.... MODELL bodennahes
Windfeld / thermische Windsysteme
Folie 21
METCON Umweltmeteorologische Beratung Das Simulationsmodell:
METRAS PC prognostisches Modell METRAS PC diagnostisches
Modell
Folie 22
METCON Umweltmeteorologische Beratung Das Simulationsmodell:
METRAS PC prognostisches Modell METRAS PC diagnostisches
Modell
Folie 23
METCON Umweltmeteorologische Beratung Das Simulationsmodell:
METRAS PC prognostisches Modell METRAS PC
Folie 24
METCON Umweltmeteorologische Beratung Das Simulationsmodell:
METRAS PC Durch Verwendung des prognostischen Modells METRAS PC
werden alle dynamischen und thermodynamischen Gelndeeffekte
physikalisch angemessen in den synthetischen Windstatistiken
erfasst.
Folie 25
METCON Umweltmeteorologische Beratung Das Berechnungsverfahren
Grundidee: Die (bekannten) langjhrigen Hhenwindverhltnisse werden
ber Modellsimulationen mit dem (unbekannten) Bodenwindklima
verknpft.
Folie 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%
Folie 27
METCON Umweltmeteorologische Beratung Das Berechnungsverfahren
u, v, Modell- simulationen % geostrophischer Antriebswind
topographisch geprgter (Boden-)Wind
Folie 28
METCON Umweltmeteorologische Beratung Das Berechnungsverfahren
Mit diesen Modellrechnungen werden alle dynamischen Effekte der
Topographie auf das Bodenwindklima - wie z.B. Leewirbel,
Talkanalisierung abgebildet.
Folie 29
METCON Umweltmeteorologische Beratung Das Berechnungsverfahren
Zustzliche Modellrechnungen fr windschwache Strahlungswetterlagen
simulieren die regional wichtigen thermodynamischen Windsysteme
z.B. Kaltluftabflsse.
Folie 30
METCON Umweltmeteorologische Beratung Die Datenbasis:
Hhenwinddaten 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
Folie 31
METCON Umweltmeteorologische Beratung Die Datenbasis:
Hhenwinddaten n 10 Jahre Hhenwinddaten = 14.600 meteorologische
Situationen Die knnen nicht alle prognostisch simuliert werden !!!
n Clusteranalyse: 14.600 Situationen auf eine handhabbare Anzahl
(120 Cluster) meteorologischer Situationen reduzieren, die einzeln
simuliert werden knnen n Prinzipielles Verfahren: Alle Datenpunkte
zusammenfassen, die im Parameterraum (2 Windkomponenten,
Schichtung) benachbart sind
METCON Umweltmeteorologische Beratung Die Datenbasis:
Hhenwinddaten Ergebnis der Clusteranalyse: Modellantriebsdaten fr
120 Situationen mit den gleichen statistischen Eigenschaften wie
die 14.600 Situationen aus 10 Jahren
METCON Umweltmeteorologische Beratung Modellsimulationen:
Beispiel Nchtliches Kaltluftsystem 20:00
Folie 37
METCON Umweltmeteorologische Beratung Modellsimulationen:
Beispiel Nchtliches Kaltluftsystem 20:00
Folie 38
METCON Umweltmeteorologische Beratung Modellsimulationen:
Beispiel Nchtliches Kaltluftsystem 22:00
Folie 39
METCON Umweltmeteorologische Beratung Modellsimulationen:
Beispiel Nchtliches Kaltluftsystem 24:00
Folie 40
METCON Umweltmeteorologische Beratung Modellsimulationen:
Beispiel Nchtliches Kaltluftsystem 02:00
Folie 41
METCON Umweltmeteorologische Beratung Modellsimulationen:
Beispiel Nchtliches Kaltluftsystem 04:00
Folie 42
METCON Umweltmeteorologische Beratung Modellsimulationen:
Beispiel Nchtliches Kaltluftsystem 06:00
Folie 43
METCON Umweltmeteorologische Beratung Modellsimulationen:
Beispiele stationrer Simulationsrechnungen n Groraum Stuttgart n
Antriebswind: schwach, ~ Ost n Schichtung: sehr stabil n Groraum
Stuttgart n Antriebswind: schwach, ~ Ost n Schichtung: sehr
stabil
Folie 44
METCON Umweltmeteorologische Beratung Modellsimulationen:
Beispiele stationrer Simulationsrechnungen n Groraum Stuttgart n
Antriebswind: krftig, ~ West n Schichtung: leicht stabil n Groraum
Stuttgart n Antriebswind: krftig, ~ West n Schichtung: leicht
stabil
Folie 45
METCON Umweltmeteorologische Beratung Modellsimulationen:
Beispiele stationrer Simulationsrechnungen n Groraum Heilbronn n
Antriebswind: schwach, ~ Ost n Schichtung: sehr stabil n Groraum
Heilbronn n Antriebswind: schwach, ~ Ost n Schichtung: sehr
stabil
Folie 46
METCON Umweltmeteorologische Beratung Modellsimulationen:
Beispiele stationrer Simulationsrechnungen n Groraum Heilbronn n
Antriebswind: krftig, ~ West n Schichtung: leicht stabil n Groraum
Heilbronn n Antriebswind: krftig, ~ West n Schichtung: leicht
stabil
Folie 47
METCON Umweltmeteorologische Beratung Modellsimulationen:
Beispiele stationrer Simulationsrechnungen n Groraum Reutlingen n
Antriebswind: krftig, ~Nordnordwest n Schichtung: leicht stabil n
Groraum Reutlingen n Antriebswind: krftig, ~Nordnordwest n
Schichtung: leicht stabil
Folie 48
METCON Umweltmeteorologische Beratung Modellsimulationen:
Beispiele stationrer Simulationsrechnungen n Groraum Reutlingen n
Antriebswind: krftig, ~Nordnordwest n Schichtung: sehr stabil n
Groraum Reutlingen n Antriebswind: krftig, ~Nordnordwest n
Schichtung: sehr stabil
Folie 49
METCON Umweltmeteorologische Beratung Das statistische
Auswerteverfahren 1.Belegung der Klassenhufigkeiten aus stationren
Modellrechnungen mit den reprsentativen Clustern 2.Korrektur der
Klassenhufigkeiten aus instationren Modellrechnungen mit den
Clustern geringer Windgeschwindigkeit 3.Glttung der berechneten
Hufigkeitsverteilungen, weil aus >= 130 Modellrechnungen nur
theoretisch alle 12x6=72 Klassen der synthetischen Statistiken
belegt werden 1.Belegung der Klassenhufigkeiten aus stationren
Modellrechnungen mit den reprsentativen Clustern 2.Korrektur der
Klassenhufigkeiten aus instationren Modellrechnungen mit den
Clustern geringer Windgeschwindigkeit 3.Glttung der berechneten
Hufigkeitsverteilungen, weil aus >= 130 Modellrechnungen nur
theoretisch alle 12x6=72 Klassen der synthetischen Statistiken
belegt werden
Folie 50
METCON Umweltmeteorologische Beratung Das statistische
Auswerteverfahren Prinzip der Glttung unbesetzter Hufigkeitsklassen
Treffer Einzelsituation geglttete Klassenzuordnung (aus Hnsch,
1997)
Folie 51
METCON Umweltmeteorologische Beratung Wie unterscheiden sich
gemessene und synthetische Windstatistiken?
Folie 52
METCON Umweltmeteorologische Beratung Raumbezug n gemessene
Windstatistiken stammen aus Punktmessungen n synthetische
Windstatistiken stammen aus Modellrechnungen und sind deshalb
Volumenmittelwerte ber ein Gitterpunktsvolumen von ca. 20x500x500 m
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Folie 53
METCON Umweltmeteorologische Beratung Gltigkeitshhe n gemessene
Windstatistiken gelten innerhalb von Rauigkeitsstrukturen (speziell
stdtische Messungen!) n synthetische Windstatistiken gelten
oberhalb einer mittleren Rauigkeit (z.B. ber Dachniveau)
Folie 54
METCON Umweltmeteorologische Beratung Horizontale
Reprsentativitt n Messung variabel: abhngig von der
Standortumgebung n Modell konstant: Gitterflche, hier: 500 x 500 m
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Folie 55
METCON Umweltmeteorologische Beratung Gemessene und
synthetische Statistiken
Folie 56
METCON Umweltmeteorologische Beratung Gemessene und
synthetische Statistiken Mit anderen Worten: Synthetische
Statistiken reprsentieren die mittleren Windverhltnisse ber
Untersuchungsgebieten typischer Gre! Sie sind frei von lokalen
mikroskaligen Einflssen!
Folie 57
METCON Umweltmeteorologische Beratung Windgeschwindigkeit
(Jahr) an LfU-Stationen
Folie 58
METCON Umweltmeteorologische Beratung Windrosen an
LfU-Stationen LeonbergBacknangSchwbisch-Hall
METCON Umweltmeteorologische Beratung Welche Windstatistik ist
besser?
Folie 61
METCON Umweltmeteorologische Beratung Die bessere Statistik? n
Die gemessene Statistik ist wahrer. Aber: Wahrer nur in Bezug auf
exakten Punkt, fr den Messzeitraum,... n Die synthetische Statistik
ist reprsentativer. Denn: Sie sieht die die mittleren Verhltnisse
in einem typischen Untersuchungsraum von bekannter (!), konstanter
Gre (500x500m 2 )
Folie 62
METCON Umweltmeteorologische Beratung Die bessere Statistik?
Schlussfolgerung 1: Synthetische Statistiken werden immer dann
verwendet, wenn keine anderen Windstatistiken vorliegen oder
bertragen werden knnen.
Folie 63
METCON Umweltmeteorologische Beratung Die bessere Statistik?
Schlussfolgerung 2: Synthetische Statistiken dienen der Kontrolle,
ob eine bertragene Windstatistik die charakteristischen
Windverhltnisse am Standort trifft. Falls nein: bertragung kritisch
hinterfragen oder synthetische Statistik verwenden!
Folie 64
METCON Umweltmeteorologische Beratung Die bessere Statistik?
Schlussfolgerung 3: Synthetische Statistiken dienen der Kontrolle,
ob eine lokal gemessene Windstatistik tatschlich fr die
Windverhltnisse in der Umgebung eines Standortes reprsentativ
ist.