Transcript of METCON Umweltmeteorologische Beratung Was sind und wie entstehen synthetische Windstatistiken? Klaus...
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- 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.
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- 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!
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- METCON Umweltmeteorologische Beratung Windmessnetz
Baden-Wrttemberg Knzelsau Schwbisch-Hall Beispielstandorte 1 und
2
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- METCON Umweltmeteorologische Beratung Standortbeispiel:
Knzelsau 1
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- METCON Umweltmeteorologische Beratung Standortbeispiel:
Knzelsau 1 ? stdtischer Standort: Windstatistik fr mikroskalige
Ausbreitungsrechnung?
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- METCON Umweltmeteorologische Beratung Standortbeispiel:
Knzelsau 1 ? LfU Messstation ca. 700m Luftlinie Problem gelst
??
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- METCON Umweltmeteorologische Beratung Standortbeispiel:
Knzelsau 1 Nein! rtliche Windverhltnisse weichen von LfU-Station
ab!
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- METCON Umweltmeteorologische Beratung Standortbeispiel:
Knzelsau 1 Die Nhe einer Messstation ist kein ausreichendes
Kriterium fr bertragbarkeit!
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- METCON Umweltmeteorologische Beratung Standortbeispiel:
Knzelsau 2 ? hnliche Tallage wie die LfU-Station Knzelsau? hnliche
Windstatistik?
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- METCON Umweltmeteorologische Beratung Standortbeispiel:
Knzelsau 2 Eine Beurteilung der rtlichen Verhltnisse ist hufig
schwierig, eine bertragung gelegentlich fragwrdig!
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- 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 !!!
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- 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
?
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- METCON Umweltmeteorologische Beratung Was sind synthetische
Windstatistiken?
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- 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
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- 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.
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- METCON Umweltmeteorologische Beratung Wie entstehen
synthetische Windstatistiken?
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- 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
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- 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
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- METCON Umweltmeteorologische Beratung Das Simulationsmodell:
METRAS PC prognostisches Modell METRAS PC diagnostisches
Modell
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- METCON Umweltmeteorologische Beratung Das Simulationsmodell:
METRAS PC prognostisches Modell METRAS PC diagnostisches
Modell
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- METCON Umweltmeteorologische Beratung Das Simulationsmodell:
METRAS PC prognostisches Modell METRAS PC
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- 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.
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- METCON Umweltmeteorologische Beratung Das Berechnungsverfahren
Grundidee: Die (bekannten) langjhrigen Hhenwindverhltnisse werden
ber Modellsimulationen mit dem (unbekannten) Bodenwindklima
verknpft.
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- 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%
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- METCON Umweltmeteorologische Beratung Das Berechnungsverfahren
u, v, Modell- simulationen % geostrophischer Antriebswind
topographisch geprgter (Boden-)Wind
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- METCON Umweltmeteorologische Beratung Das Berechnungsverfahren
Mit diesen Modellrechnungen werden alle dynamischen Effekte der
Topographie auf das Bodenwindklima - wie z.B. Leewirbel,
Talkanalisierung abgebildet.
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- METCON Umweltmeteorologische Beratung Das Berechnungsverfahren
Zustzliche Modellrechnungen fr windschwache Strahlungswetterlagen
simulieren die regional wichtigen thermodynamischen Windsysteme
z.B. Kaltluftabflsse.
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- 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
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- 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
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- METCON Umweltmeteorologische Beratung Die Datenbasis:
Hhenwinddaten Clusteranalyse: 14.600 Situationen 120 Cluster
- Folie 33
- 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
- Folie 34
- METCON Umweltmeteorologische Beratung Die Datenbasis:
Topographie Topographische Karte 1:50.000 Modellgitter:
Gelndehhe
- Folie 35
- METCON Umweltmeteorologische Beratung Die Datenbasis:
Topographie Topographische Karte 1:50.000 Modellgitter:
Landnutzung
- Folie 36
- 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
3
- 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
2
- 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
- Folie 59
- METCON Umweltmeteorologische Beratung LfU Station
Schwbisch-Hall lokal: NW-SE Ausrichtung (Fluss, Gebude, Bahn)
regional: N-S Ausrichtung (Flusstal)
- Folie 60
- 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.
- Folie 65
- METCON Umweltmeteorologische Beratung ENDE