Numerische Modellierung - Praxisbeispiele


Terrain-Induced Rotor Experiment (T-REX)

Beobachtungen und numerische Simulation von kleinskaligen Prozessen im komplexen Terrain

Beobachtungsdaten, die während der zwischen 2004 und 2006 durchgeführten Messkampagnen des Terrain-induzierten Rotor Experiments (T-REX; Grubišić et al 2008) gesammelt wurden, und hochaufgelöste numerische Simulationen mit einem auf ein Gebiet begrenztes numerisches mesoskaliges Modell wurden benutzt um kleinskalige dynamische Prozesse in komplexem Gelände zu studieren. Die Gebiete die untersucht wurden sind durch hohe Berge, sowie durch scharfe Geländesteigungen gekennzeichnet. Die dynamischen Prozesse die untersucht wurden umfassen Merkmale von Gebirgswellen in der Troposphäre und ihre Ausbreitung in die Stratosphäre, welleninduzierte Abtrennung der Grenzschicht die zu atmosphärischen Rotoren führt, gebirgswelleninduzierte Turbulenzen in der unteren Troposphäre, die Grenzschicht im komplexen Gelände sowie thermisch induzierte Zirkulationen im Tal und deren Zusammenspiel mit Gebirgswellen in der unteren Troposphäre.

 

Forscher:

  • Vanda Grubišić
  • James D. Doyle (Naval Research Laboratory, USA)
  • Ronald B. Smith (Yale University, USA)
  • Joachim Kuettner (National Center for Atmospheric Research, USA)
  • u.v.m

Links:

Publikationen:


Leewellen-Resonanz über mehreren Gebirgszügen

Leewellen-Resonanz über zwei Bergketten wird durch eine Reihe von idealisierten hochauflösenden numerischen Simulationen mit dem nicht-hydrostatischen Modell Coupled Ocean–Atmosphere Mesoscale Prediction System (COAMPS) sowohl mit offenen als auch mit geschlossenen Randbedingungen und der theoretischen Analyse der Ergebnisse des numerischen Modells untersucht. Die Profile der Windgeschwindigkeit und Stabilität sowie des Geländes stammen aus den Beobachtungen eines Leewellenereigniss in den Sierra Nevada und Inyo Mountains im Zuge des Terrain-Induced Rotor Experiments (T-REX) aus 2006.

 

Forscher:

  • Ivana Stiperski (Universität Innsbruck)
  • Vanda Grubišić

Publikationen:


Gebirgswellen-induzierte Grenzschichtablösung

Detaillierte Informationen dazu im FWF-Projekt: STABLEST - Ablösung und Turbulenz der stabilen Grenzschicht, 2012-2015


Die atmosphärische Wirbelstraße von Madeira

Die 57km lange und 22km breite NW-SE orientierte Insel Madeira liegt im östlichen Atlantik, 950km südwestlich von der Südspitze Portugals. Der höchste Punkt der Insel, der Gipfel des Pico Ruivo, welcher auf 1862m über dem Meeresspiegel liegt. Durch seine Größe, die Struktur der atmosphärischen Stabilität und die Winde stromaufwärts ist die Ausbildung einer Wirbelschleppe oder Wirbelstraße im Lee der Insel häufig, vor allem im Sommer, wenn unter der Passatinversion die stärksten Winde aus NE wehen, der Richtung normal zur Ausrichtung der Insel. In situ- und Fernerkundungsmessungen wurden während der i-Wake Kampagne (Aug. - Sept. 2010) in Madeira durchgeführt. SAFIREs Forschungsflugzeug ATR-42 sammelte Daten stromauf- und stromabwärts der Insel. Im hier analysierten Ereignis wurden Messungen am 2. Sept. 2010 entlang von zehn Teilstrecken durchgeführt. Wirbelsignale wie abrupte Windsprünge an den Flanken von Madeira und warme Kerne in den Wirbeln sind stark ausgeprägt in den Daten vorhanden.

Eine Reihe von hochaufgelösten WRF Modellsimulationen wird durchgeführt um aufzuzeigen, wie gut die Wirbel reproduziert werden können. Zu Beginn der analysierten Periode (1. - 3. Sept. 2010) war die Atmosphäre kontinuierlich stabil geschichtet und wechselte zum Ende hin zu einem Flachwasserregime mit einer starken Inversion unterhalb der Bergspitzen der Insel. Die Ergebnisse zeigen, dass die Abweichungen der Windkomponenten und der potentiellen Temperatur zwischen Messungen und Modellsimulationen entlang der Teilstrecken bemerkenswert klein sind, obwohl dieses Phänomen von stark nichtlinearer Natur ist. Um die Quelle der vertikalen Vorticitykomponente in den Wirbeln zu finden, wird eine Vorticitybudgetanalyse basierend auf Simulationsdaten durchgeführt. Es zeigt sich, dass für beide Flussregime die Reibung, ein echter Vorticityquellterm, dominant zur Vorticitytendenz beiträgt. Zusätzlich haben Divergenz- und Advektionsterm einen starken Einfluss auf die Entwicklung der Wirbel. Ein Sensitivitätstest zeigt eine starke Abhängigkeit der Entstehung der Wirbel von der SST (Meeresoberflächentemperatur) auf, welche mit der vertikalen Schichtung der Atmosphäre zusammenhängt.

 

Forscher:

  • Johannes Sachsperger
  • Vanda Grubišić
  • Brigitta Goger
  • Rui Caldeira (Universidade da Madeira)

Konferenzbeiträge:

Links:

Abb. 1: Atmosphärische Wirbelstraße leeseitig von Madeira, sichtbar gemacht durch eine niedrige Stratocumulus Schicht. Satellitenaufnahme vom 2. Aug. 2010. (Quelle: NASA MODIS, modis.gsfc.nasa.gov)

Abb. 2: Beobachtete Windvektoren entlang der Flugstrecke des Forschungsfluges am 2. Sept. 2010 (© IMGW)

Abb. 3: Simulierte relative Vorticity in 600 m a.s.l. am 2. Sept. 2010. Die gepunktete Fläche ist die Schnittfläche zwischen dem Terrain und der Zeichenfläche (© IMGW)


Analyse von Lidar-Winddaten in einem Windpark

Abb. 1: Standort des WINDCUBE™ östlich der Windturbine WEA-4 (Blick Richtung Südwesten). (© IMGW)

Abb. 2: Windrose der horizontalen Windgeschwindigkeiten größer als 3 m/s in 65 m Höhe, überlagert mit der Topographie der Umgebung von Bruck an der Leitha. (© IMGW)

Abb. 3: Vertikale Profile der Windrichtung [Grad], horizontalen Windgeschwindigkeit [m/s] und TKE [m^2/s^2] vom 25. September 2010. Innerhalb der schwarz gekennzeichneten Box befindet sich das Messgerät im wake der Windturbine. (© IMGW)

Auf Grund der stetig größer werdenden Windkraftanlagen ist es messtechnisch schwierig Windprofile mit herkömmlichen meteorologischen Masten zu erfassen. Daher geht der Trend zur Datenbestimmung, und somit auch zur Berechnung der Leistungskurve jeder Windturbine, mittels bodengestützten Fernerkundungssystemen, wie SODAR oder LIDAR.


Für diese Studie stehen LIDAR Daten einer Messkampagne von VERBUND Renewable Power GmbH zur Verfügung. Ein WINDCUBETM, hergestellt von Leosphere, wurde über einen Zeitraum von drei Monaten in einem Windpark westlich von Bruck an der Leitha (NÖ) zur Datenaufnahme betrieben. Das Messprinzip dieses Geräts basiert auf der Ermittlung von radialen Windgeschwindigkeiten durch den Doppler-Effekt, der bei der Rückstreuung von Lichtpulsen an Aerosolen zustande kommt. Die gewonnenen Daten werden in neun verschiedenen Höhenniveaus, von 40 bis 200 m über Grund, also innerhalb der atmosphärischen Grenzschicht gemessen. Das Windprofil in dieser Schicht ist nahezu logarithmisch und Turbulenz spielt eine tragende Rolle. Aus einer Messreihe, mit einer Datendichte von 0.25 Hz an je einem von 4 Punkten, kann man diese turbulenten Flüsse berechnen und so abgeleitete Größen wie die turbulente kinetische Energie (TKE) zur Analyse heranziehen.


Der Interessensschwerpunkt liegt vor allem auf dem Einfluss einzelner Wetterlagen und Strömungsmuster auf die Verteilung der TKE. Kenntnisse darüber würden die Vorhersage der Leistung konkretisieren, sowie eine Verbesserung in der Konstruktion und somit in der Lebensdauer einer Windkraftanlage ermöglichen. Im Zuge dessen werden relevante Größen wie Windgeschwindigkeit oder TKE in Fallstudien untersucht, abhängig von der Wetterlage. Resultate zeigen, dass die Hauptwindrichtungen durch die Topographie der Region gegeben sind und stark mit der Umströmung der Alpen zusammenhängen. Bedingt durch eine Vb-artige Wetterlage sind stromabwärts der Windkraftanlage Verwirbelungen im TKE-Profil sowie ein Rückgang der horizontalen Windgeschwindigkeit zu erkennen.

 

Forscher:

Konferenzbeiträge:


Verwellte Boren in der Atmosphäre

Verwellte Boren (undular Bores) sind Schwerewellen die sich an Inversionen ausbreiten und oft durch die Kollision von Seewinden mit anderen Strömungen entstehen. Solche Wellen kommen in verschiedenen Gebieten auf der Erde vor. Die Morning Glory Cloud von Australien, welche üblicherweise im Herbst über dem Golf von Carpentaria entsteht, ist nur ein Beispiel.


Bereits in den 1970er Jahren begann man damit diese Wellen systematisch zu beobachten und Messungen vorzunehmen. Auch die Entwicklung der theoretischen Modelle wurde vorangetrieben. Einfache Modelle verwenden dabei oft die Korteweg und de Vries Gleichung, eine nichtlineare, partielle Differentialgleichung welche solitäre Wellen als Lösung anbietet. Solitäre Wellen breiten sich mit konstanter Phasengeschwindigkeit aus und erhalten dabei ihre Gestalt da der nichtlineare Term die Dispersion ausgleicht. In diesem Modell besteht eine verwellte Bore aus einer Familie von solitären Wellen, welche nach ihrer Amplitude geordnet sind.


Am 27. April 2011 wurde von dem Satelliten GOES-13 über dem Golf von Mexico ein solches Phänomen dokumentiert. Die Satellitenbilder zeigen ein etwa 850 km langes Wolkenband welches sich von der Küste aus NW in Richtung Meer (SO) bewegt. Die Wellenfront war dabei normal zur Ausbreitungsrichtung orientiert und bestand von 12:00 UTC bis 22:00 UTC. Das Band war etwa 70 km breit, hatte eine Wellenlänge von etwa 6 km und bewegte sich mit einer Phasengeschwindigkeit von 12-14 m/s entlang einer starken Inversion von 7 K in 900 m amsl.


Um die Bedingungen, unter denen solche Wellen entstehen, zu untersuchen wurde eine hochaufgelöste Simulation mit WRF durchgeführt. Dabei wurden drei Domänen mit 5 km, 1 km und 333 m horizontalem Gitterpunktsabstand ineinander genestet, um die kurze Wellenlänge auflösen zu können. Die Simulation der Bore und ihre zeitliche Entwicklung passen sehr gut zu den Beobachtungen des Satelliten. Um ein tieferes Verständnis des Zusammenspiels der verschiedenen Parameter zu bekommen sind noch weitere Simulationen geplant.

 

Forscher:

  • Daniel Leukauf
  • Vanda Grubišić

Konferenzbeiträge:

Links:

Abb. 1: Das Bild zeigt die vertikale Windkomponente in 1500m amsl um 16:15 UTC. Die schwarze Linie markiert die Position des Profils entlang dessen die vertikale Struktur der Bore untersucht wurde. (© IMGW)

Abb. 2: Ein Hovmöller Plot der vertikalen Windgeschwindigkeit in 1500m amsl entlang der Profilline. Die Bewegung der Bore mit praktisch konstanter Geschwindigkeit ist sehr gut zu erkennen. (© IMGW)


Thermisch angetriebene Strömungen

Dieses Forschungsfeld versucht mittels Large-Eddy-Simulationen (LES) die für die tägliche Entwicklung von thermisch angetriebenen Zirkulationen in Gebirgstälern verantwortlichen Mechanismen zu modellieren. Die wichtigsten Ergebnisse gewähren Einblick in den Einfluss von Hangwinden und turbulenter Konvektion auf den Wärmefluss vom Talboden zur Mitte der Talatmosphäre und die Rolle von hochreichendem konvektiven Mischen in Gebirgsregionen, woraus stark ausgprägte Taggänge in der Temperatur resultieren.

 

Forscher:

Publikationen: