Bodennahe Windverhältnisse und windrelevante...

52Nationalatlas Bundesrepublik Deutschland – Klima, Pflanzen- und Tierwelt

Bodennahe Windverhältnisse und windrelevante ReliefstrukturenMonika Bürger

Wind ist eine Ausgleichsbewegung derLuft. Er entsteht auf Grund von Luft-druckunterschieden als horizontaleLuftbewegung vom hohen zum tiefenDruck. Als Bewegungsgröße ist derWind damit das einzige Klimaelement,das neben der � skalaren Komponente(Windgeschwindigkeit) auch eine� vektorielle Komponente (Windrich-tung) hat. Die Windrichtung ist die ho-rizontale Bewegung der Luft, benanntnach der Richtung, aus der der Windkommt �. Bei der Betrachtung derLuftbewegungen muss unterschiedenwerden zwischen dem Wind der freienAtmosphäre und dem Wind in Boden-nähe. Die Luftbewegung in der freienAtmosphäre wird nur beeinflusst durchDruckunterschiede und durch planetari-sche Kräfte, die aus der Rotation derErdkugel entstehen. Die wichtigsteKraft ist die durch Luftdruckunterschie-de erzeugte � Gradientkraft, die die Luftin Bewegung versetzt. Je größer der Gra-dient – also der Luftdruckunterschiedbezogen auf eine bestimmte Entfernung– ist, desto höher ist die Windgeschwin-digkeit. Die Bewegung der Luft vomHoch zum Tief wird durch die Erdrotati-on abgelenkt und zwar auf der Nord-halbkugel nach rechts und auf der Süd-halbkugel nach links. Dadurch kommtes in unserem mitteleuropäischen Be-reich zu einer westlichen Höhenströ-mung, die eigentlich eine nach rechtsabgelenkte Luftströmung von Süd ausden subtropischen Hochdruckgebieten(z.B. Azorenhoch) nach Nord zur pola-ren Tiefdruckrinne (z.B. Islandtief) ist.Dies wirkt sich beispielsweise auf Flug-zeiten aus: Der Flug von Europa nach

der südwestlichen Hauptwindrichtungein sekundäres Windrichtungsmaximumaus nordöstlicher bis östlicher Rich-tung. Einige Windmessstandorte zeigenabweichend von diesen für ganzDeutschland typischen Windrichtungenein regional geprägtes Windfeld. DerStandort Meiningen unterscheidet sichz.B. deutlich von den nahegelegenenStationen Wasserkuppe und Schmücke.Die Hauptwindrichtung Süd und die se-kundäre Windrichtung Nordwest wirdin diesem Fall durch die Kanalisierungder Strömung zwischen Rhön und Thü-ringer Wald verursacht. Weitere Bei-spiele für eine Kanalisierung des Win-des sind die Stationen Straubing undMühldorf im Alpenvorland. Hier folgendie Windrichtungen dem Verlauf desDonau- bzw. des Inntales. Solche Wind-messungen sind nur für ihre jeweiligeregionale Lage repräsentativ.

Windgeschwindigkeitsvertei-lungDie Jahresmittel der Windgeschwindig-keit sind in Karte � stark generalisiertin der Einheit m/s angegeben, wobei1 m/s genau 3,6 km/h entspricht. Aufden ersten Blick fällt die Abnahme der

Mesoform – Form mittlerer Größenord-nung

mesoskalig – auf mittlerem Maßstab

Morphographie – beschreibende Dar-stellung der Oberflächenformen

orographisch, Orographie – beschrei-bende Darstellung des Reliefs

skalar – größenmäßig

vektoriell – die Richtung betreffend

Nordamerika dauert in der Regel auf-grund des starken Gegenwindes längerals der Rückflug nach Europa mit Rü-ckenwind.

In Bodennähe wird der Wind zusätz-lich zu der Gradientkraft und den pla-netarischen Kräften noch von der Rei-bungskraft beeinflusst. Diese Kraft mussman sich als Strömungswiderstanddurch die Rauigkeit der Erdoberflächevorstellen. Die Bodenreibung führt zurAblenkung und Abbremsung des Win-des, die mit Annäherung an den Erdbo-den zunehmen �. Je rauer die Erdober-fläche ist, desto stärker wird der Windabgebremst. Für den Vergleich von bo-dennahen Windverhältnissen ist es des-halb eine notwendige Voraussetzung,dass die Messungen in gleicher Höheüber Grund und über Flächen mit glei-cher, möglichst geringer Rauigkeit statt-finden. Einen großen Einfluss auf denbodennahen Wind hat das Gelände-relief. Erhebungen stellen sich demWind als Hindernis entgegen und müs-sen um- und überströmt werden. ImGipfelbereich von Hügeln und Bergenkommt es je nach Höhe und Steilheitder Erhebung zu zum Teil erheblichenWindgeschwindigkeitszunahmen, wäh-rend der Wind im � Leebereich einesBerges durch Wirbelbildung stark abge-bremst werden kann. Taleinschnittekönnen zu einer Abschwächung desWindes, aber auch zu einer Verstärkungund Ablenkung des Windes durch dieKanalisierung der Strömung entlang desTalverlaufes führen.

Der Darstellung der bodennahenWindverhältnisse � liegen die Wertevon 107 Windmessstationen inDeutschland mit Zeitreihen vonmindestens 5-20 Jahren Länge aus demZeitraum von 1976 bis 1995 zugrunde(TRAUP/KRUSE 1996). Die Messungenwurden überwiegend in 10 m Höhe überGrund durchgeführt, allerdings mit Ab-weichungen bis zu 25 m Messhöhe aneinigen Standorten. Außerdem warendie Stationsumgebungen durch unter-schiedliche Oberflächen-Rauigkeitenim Umfeld geprägt. Deshalb wurden diemittleren Jahresmittel der Windge-schwindigkeiten aller Stationen mittelseines Windmodells (MORTENSEN u.a.1993) auf eine einheitliche Höhe von10 m über Grund und eine geringe Rau-igkeit, die Wiesen-/Weideflächen ent-spricht, umgerechnet (TRAUP/KRUSE

1996). An realen Standorten mit ande-ren Flächennutzungen kommt esdadurch zu lokalen Abweichungen ge-genüber den in der Karte dargestelltenWindverhältnissen.

WindrichtungsverteilungGroßklimatisch gesehen gehörtDeutschland zur außertropischen West-

windzone. Geprägt wird das Klimadurch den Durchzug von Tiefdruckge-bieten, deren Zugbahnen häufig vonSüdwest nach Nordost verlaufen. Dem-entsprechend lässt sich an vielen der inder Karte � dargestellten Stationen einVorherrschen von Winden aus Südwestbis West feststellen. Insbesondere anden Küstenstandorten liegen sowohl dieHauptwindrichtung wie auch die zweit-häufigste Windrichtung in den Sekto-ren West bis Südwest. In den Küstenre-gionen und im norddeutschen Flach-land wird der Wind kaum von Hinder-nissen beeinflusst und abgelenkt. BeiHochdruckwetterlagen führt die Strö-mung aus dem Hochdruckgebiet überMitteleuropa in Deutschland häufig zuWinden aus nordöstlichen Richtungen.Deshalb zeigen einige Stationen neben

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Windschur - Büsche und Bäume werden durch stetige, kräftige Winde aus weitgehendkonstanter Richtung asymmetrisch verformt. Windschur tritt vorwiegend in Küstengebietensowie in Kammbereichen von Gebirgen auf.

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53Bodennahe Windverhältnisse und windrelevante Reliefstrukturen

Windgeschwindigkeit von der Küste insBinnenland auf. Hier macht sich dievon Nordwest nach Südost zunehmendeAbbremsung des Windes über Land be-merkbar. Diese Windgeschwindigkeits-abnahme ist von einer höhenabhängi-gen Zunahme der Geschwindigkeit inden Mittelgebirgsregionen überlagert.Auf den Hochflächen der Eifel und imGipfelbereich des Erzgebirges werdenwie im Küstenvorland über 4,5 m/s alsJahresmittel erreicht. Werte über 4 m/serreichen neben dem norddeutschenTiefland die Höhenlagen von Harz,Rothaargebirge, Eifel, Hunsrück, Vo-gelsberg, Rhön, Thüringer Wald, Fich-telgebirge, Erzgebirge und der Hoch-schwarzwald. In diesen Mittelgebirgsre-gionen ist mit einer kleinräumigen Ver-änderung der Windgeschwindigkeit jenach Lage im Gipfel- oder Talbereich zurechnen, so dass die in der Karte ange-gebenen Windgeschwindigkeiten nurfür exponierte freie Lagen gelten. DieGipfellagen der Alpen bleiben in dergeneralisierten Darstellung unberück-sichtigt, hier können aber Werte wie ander deutschen Küste erreicht werden(CHRISTOFFER/ULBRICHT-EISSING 1989).Die Stationen Mendig, Meiningen undErfurt fallen durch ihre – relativ zurUmgebung – geringen Windgeschwin-digkeiten auf. Sie repräsentieren wind-abgeschattete Regionen in Beckenlageoder – wie im Fall von Meiningen – inLeelage hinter der Rhön. Die geringstenWindgeschwindigkeiten unter 3 m/s imJahresmittel finden sich im Bereich vonsüddeutschen Becken- (Stuttgarter Be-cken) und Tallandschaften (Donau-,Inntal).

Berechnung windrelevanterRelieftypenSeit einigen Jahren hat sich in derWindklimatologie mit Untersuchungenzur Windenergienutzung (�� BeitragKlein, Bd. 8) ein neues Forschungsge-biet ergeben. Hier stellt sich die Fragenach einer schnellen groben Abschät-zung des Windenergiepotenzials, bevoranschließend an geeigneten Standortenteure, zeitaufwendige Messungen durch-geführt werden. Eine weitere Frage istdie Übertragbarkeit von an einemPunkt erfassten Windverhältnissen aufdie weitere Umgebung. Da � meso-skalige Windströmungen in erster Liniedurch das Relief modifiziert werden, wa-ren vorhandene Reliefabgrenzungen fürdie Belange der Strömungssimulationenund Windfeldvergleiche nicht ausrei-chend. Daraus ergab sich die Notwen-digkeit für eine windrelevante Relief-klassifizierung. Diese neue Methodeführt für das UntersuchungsgebietDeutschland zur Abgrenzung von zehnverschiedenen � orographischen Typen

(BÜRGER 2002). In Gebieten mit ähnli-cher Reliefstruktur kann eine Überein-stimmung im Auftreten von regionalenWindströmungen erwartet werden,wenn sich die atmosphärischen Zu-standsgrößen nicht prinzipiell unter-scheiden. Damit sind einmal gewonne-ne Mess- oder Simulationsergebnissezum Wind auf Gebiete mit vergleichba-rer Reliefstruktur übertragbar.

Eine Typisierung der Orographie aufGrundlage von windklimatologisch re-levanten Reliefparametern ergibt einedetaillierte Beschreibung und Abgren-zung der Oberflächenformen hinsicht-lich ihrer Relevanz für das mesoskaligeStrömungsfeld. Die Anwendung mathe-matischer Methoden auf digitale Hö-hendaten mit dem Ziel der Ableitungvon Charakteristika, die für die � Mor-

phographie der Erdoberfläche von Be-deutung sind, wird mit dem Begriff derComputer-Morphographie (BÜRGER

2002) bezeichnet. Aus Rasterdaten(AMT FÜR MILITÄRISCHES GEOWESEN 1996)wurde in mehreren aufeinander folgen-den Analyseschritten von der Auswahlund Reduzierung der Reliefparameterbis hin zur Clusterung der Rasterfeldereine flächendeckende Verteilung ��

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54Nationalatlas Bundesrepublik Deutschland – Klima, Pflanzen- und Tierwelt

von zehn verschiedenen Relieftypen fürdas Untersuchungsgebiet Deutschlanderrechnet.

Verteilung windrelevanterRelieftypenDie Karte zeigt einen Überblick überdas Auftreten der verschiedenen wind-relevanten Relieftypen (BÜRGER 2002).Auf den ersten Blick lässt sich eineDreiteilung der Fläche der Bundesrepu-blik Deutschland erkennen. Der gesam-te Nordteil wird durch die Flachlandty-pen 1 und 2 geprägt. Im Mittelteil isteine stärkere Differenzierung vorhandenmit einem Vorherrschen des Relieftyps3. Der Süden wird, abgesehen vom Al-penraum, vom Relieftyp 4 dominiert.

Entsprechend der Dominanz der Reli-eftypen 1-4 in weiten BereichenDeutschlands haben diese vier Typenzusammen einen Flächenanteil vonrund 83% am gesamten Untersuchungs-gebiet �. Die beiden ersten Typen um-fassen die � Mesoformen des Flachlan-des, aufgeteilt in flaches Küstengebietsowie weite, flache Tallandschaften(Typ 1) und in leicht strukturiertesFlachland einschließlich des norddeut-schen Jungmoränengebietes (Typ 2).Der Typ 3 repräsentiert die hügeligenMittelgebirgslandschaften,beispielsweise die Schwäbisch-Fränki-sche Gäulandschaft und Randbereichedes Rheinischen Schiefergebirges. Reli-eftyp 4 fasst alle Bereiche mit Hochflä-chencharakter, also mit einer mittlerenLandschaftshöhe von rund 500 m überNN, geringen Höhenvarianzen und fla-chen Neigungen zusammen. Dazu ge-hört in erster Linie fast das gesamte Al-penvorland.

Mittelgebirge mit Berglandcharaktersowie eingeschnittene Täler und einzel-ne Höhenzüge werden durch die Relief-typen 5, 6 und 7 beschrieben. Sie habenzusammen einen Anteil von rund 15%an der Untersuchungsfläche. Typ 5 re-

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präsentiert niedriger als ihre Umgebungliegende Mittelgebirgsbereiche sowieschmale Taleinschnitte und Talhangla-gen mit jeweils überdurchschnittlichstarken vertikalen Wölbungen. Der Re-lieftyp 5 tritt meist linienhaft z.B.entlang des Moseltales, im Donau-,Neckar- und Saaletal auf. Die Gebietedes Relieftyps 6 liegen leicht über dermittleren Höhe der Umgebung, und ho-rizontale Wölbungen treten überdurch-schnittlich stark auf. Dieser Relieftypkommt mit geringen Anteilen in allenMittelgebirgsregionen vor, die größtenzusammenhängenden Flächen mit demTyp 6 treten im westlichen Odenwaldund westlichen Mittelschwarzwald auf.Relieftyp 7 ist mit durchschnittlich 600m über NN der höchste Mittelgebirgs-typ. In diesem Typ sind alle Gipfel- undKuppenbereiche der Mittelgebirge sowieausgeprägte Einzelkuppen wie der Vo-gelsberg vertreten. Deshalb liegt dieHöhe über NN im Rasterfeld deutlichüber der mittleren Landschaftshöhe.Die ausgeprägte Schichtstufe derSchwäbischen Alb ist ebenfalls diesemTyp zugeordnet.

Den geringsten Flächenanteil an derGesamtfläche mit zusammen nur 1,7%haben die Relieftypen 8-10. Aufgrundihrer starken Abweichungen bei allenReliefvariablen lassen sich diese Typennicht weiter zusammenfassen. Der Reli-eftyp 8 umfasst hohes Mittelgebirge unddie tieferen Regionen der deutschen Al-pen. Zusammenhängende Flächen imMittelgebirgsbereich treten nur imSchwarzwald und im Bayerischen Waldauf. Der Relieftyp 9 muss als Ausreißer-typ bezeichnet werden. Hier sind Ras-terfelder mit einem weit überdurch-schnittlichen spitzen Wölbungsanteilzusammengefasst. Typ 9 zeigt zudemeine mittlere Höhe über NN, die fast20% über der mittleren Landschaftshö-he liegt. Dieser Typ tritt nur vereinzeltim hohen Mittelgebirge auf und kon-zentriert sich auf die Gipfelbereiche derAlpen. Relieftyp 10 fasst den Großteildes deutschen Alpenraumes zusammen.

Die im Raum um Leipzig und in derNiederlausitz punkthaft innerhalb derFlachlandtypen 1 und 2 (grün) auftre-tenden Typen 5 und 8 repräsentierenden Braunkohletagebau in diesen Regi-onen. Hier sind in den vergangenenhundert Jahren durch anthropogenenEinfluss windrelevante Reliefstrukturenentstanden.

In den Abbildungen am Rand vonKarte (BÜRGER 2002) werden alle 10im Untersuchungsgebiet vorkommen-den Relieftypen anhand von beispiel-haften Ausschnitten, die ein Gebietvon rund 40 x 40 km abdecken, vorge-stellt. Zur Charakterisierung jedes Reli-eftyps werden die mittleren Werte der

Reliefvariablen jeweils in einer kombi-nierten Abbildung veranschaulicht. Ne-ben der mittleren Höhe über NN im1-km²-Rasterfeld im Vergleich zur mitt-leren Landschaftshöhe (roter Balken amlinken Rand der Diagramme) und dermaximalen Höhendifferenz in der100-km²-Umgebung (roter Balken amrechten Rand der Diagramme) ist dasHöhen-Längenverhältnis eines typi-schen Hindernisses dargestellt. Der un-tere Teil der Diagramme für jeden Reli-eftyp enthält die Häufigkeitsverteilun-gen der Hangneigungen, der vertikalenund der horizontalen Wölbungen im 1-km²-Rasterfeld. Durch diese symbolhaf-te Darstellung können die Charakteris-tika der als windklimatologisch relevantangesehenen Reliefparameter für jedenTyp auf einen Blick verglichen wer-den.�

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Eine Windhose richtete am 12. Juni 2002 inLutherstadt Wittenberg (Sachsen-Anhalt)große Schäden an.

55Bodennahe Windverhältnisse und windrelevante Reliefstrukturen

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