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

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METCON Umweltmeteorologische Beratung Motivation

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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

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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

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METCON Umweltmeteorologische Beratung Die Datenbasis: Topographie Topographische Karte 1:50.000 Modellgitter: Gelndehhe

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METCON Umweltmeteorologische Beratung Die Datenbasis: Topographie Topographische Karte 1:50.000 Modellgitter: Landnutzung

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METCON Umweltmeteorologische Beratung Modellsimulationen: Beispiel Nchtliches Kaltluftsystem 20:00

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METCON Umweltmeteorologische Beratung Modellsimulationen: Beispiel Nchtliches Kaltluftsystem 20:00

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METCON Umweltmeteorologische Beratung Modellsimulationen: Beispiel Nchtliches Kaltluftsystem 22:00

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METCON Umweltmeteorologische Beratung Modellsimulationen: Beispiel Nchtliches Kaltluftsystem 24:00

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METCON Umweltmeteorologische Beratung Modellsimulationen: Beispiel Nchtliches Kaltluftsystem 02:00

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METCON Umweltmeteorologische Beratung Modellsimulationen: Beispiel Nchtliches Kaltluftsystem 04:00

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METCON Umweltmeteorologische Beratung Modellsimulationen: Beispiel Nchtliches Kaltluftsystem 06:00

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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METCON Umweltmeteorologische Beratung Das statistische Auswerteverfahren Prinzip der Glttung unbesetzter Hufigkeitsklassen Treffer Einzelsituation geglttete Klassenzuordnung (aus Hnsch, 1997)

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METCON Umweltmeteorologische Beratung Wie unterscheiden sich gemessene und synthetische Windstatistiken?

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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

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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)

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METCON Umweltmeteorologische Beratung Horizontale Reprsentativitt n Messung variabel: abhngig von der Standortumgebung n Modell konstant: Gitterflche, hier: 500 x 500 m 2

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METCON Umweltmeteorologische Beratung Gemessene und synthetische Statistiken

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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!

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METCON Umweltmeteorologische Beratung Windgeschwindigkeit (Jahr) an LfU-Stationen

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METCON Umweltmeteorologische Beratung Windrosen an LfU-Stationen LeonbergBacknangSchwbisch-Hall

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

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METCON Umweltmeteorologische Beratung Welche Windstatistik ist besser?

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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 )

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METCON Umweltmeteorologische Beratung Die bessere Statistik? Schlussfolgerung 1: Synthetische Statistiken werden immer dann verwendet, wenn keine anderen Windstatistiken vorliegen oder bertragen werden knnen.

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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!

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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.

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METCON Umweltmeteorologische Beratung ENDE