Dienstag, 28. März 2017

Entstehung und Eigenschaften des Windes

Die in Europa wirkenden großräumigen Windereignisse mit großen Windgeschwindigkeiten entstehen infolge der barometrischen Druckunterschiede zwischen Hoch- und Tiefdruckgebieten. Wegen der Rotation der Erdkugel unterliegt der Wind zusätzlich zu den Druck- auch Corioliskräften. Dadurch verläuft die Strömung in großer Höhe in der Richtung der Isobaren. Die Krümmung der Isobaren ist so gering, dass sie keine Rolle spielt.

Dieser von der Erdoberfläche weitgehend ungestörten Wind wird Gradientenwind genannt.

Zusätzlich zu den genannten Einflüssen wirken thermische Effekte auf die Luftmassen ein. Der Boden erwärmt sich tagsüber, nachts kühlt er wieder aus. Die dadurch tagsüber aufsteigenden Luftmassen und nachts absinkenden Luftmassen erzeugen eine räumliche Strömung.

Neben diesen großräumig wirkenden Windereignissen gibt es eine Reihe weiterer, lokaler Entstehungsursachen für den Wind, die von den lokalen Bedingungen gesteuert werden. Beispiel hierfür sind die See- Landwinde oder Land- Seewinde, Föhn usw.  

Bei den See- Landwinden steigt die über dem Land erwärmte Lauft auf, in das entstehende Gebiet niedrigen Luftdrucks am Boden strömen Luftmassen  die von der See kommen, beim Land- Seewind ist es umgekehrt.

Beim Föhn sinkt eine wolkenfreie Luftmasse hinter einem Gebirge ab und erwärmt sich aufgrund des nach unten anwachsenden Luftdruckes, die Luft am Gebirgsfuß ist warm. Wenn dieselbe Luftmasse zuvor beim Anstieg über das Gebirge noch Feuchtigkeit  durch Ausregnen und Kondensation verloren hat, so ist wegen der entstehenden Kondensationswärme der Temperaturabfall auf der Luvseite geringer als der Temperaturanstieg auf der Leeseite. Hieraus resultieren die bekannten Temperaturunterschiede. Dieser Fallwind kann Geschwindigkeiten bis zu 40 m/s erreichen. Die Windgeschwindigkeit wird in m/s angegeben. Häufig wird diese auch in km/h (3,6 km/h = 1 m/s) oder in Knoten (1,94 kn = 1 m/s) angegeben. Sehr verbreitet ist auch die Angabe der sog. Windstärke nach der Beaufortskala, bei der die Auswirkung des Windes auf die Umgebung zur Feststellung der Windgeschwindigkeit verwendet wird.

Die gemessene Windgeschwindigkeit stellt immer eine Mittelwertbildung dar, da die Messung selbst einen gewissen Zeitraum benötigt. Je schmaler das Zeitfenster, desto besser entsprechen die hierin gemessenen Mittelwerte den Spitzenwerten, d.h. desto genauer werden die Windgeschwindigkeitsspitzen erfasst. Für die Messung der mittleren Windgeschwindigkeiten wird in der Meteorologie ein Zeitfenster von 1 h verwendet, im Bereich der Windnormung hat sich ein 10 min Zeitfenster durchgesetzt. Der Unterschied ist nicht seht sehr groß:  u(10min) ~ 1,05 × u(1h).

Windklima am Standort

Das Windklima am Bauwerksort läßt sich i.a. aus den Messungen von meteorologischen Stationen ermitteln. Die synoptischen Meßstationen liegen jedoch oft weiter auseinander und sind durch die örtliche Topographie gestört (Kanalisierungseffekte in Tälern, Abschattung etc). Diese Einflüsse werden korrigiert und als Referenz werden die Mittelwerte (10 min Mittel) in einer Referenzhöhe von 10m über ebenem, freiem  Gelände (Gelände 2 gemäß Windnorm) angegeben.

Aus den Ergebnissen für dem Bauort benachbarten Stationen können die für den Bauwerksort relevanten Werte interpoliert werden.   

Mit Hilfe von Rechenprogrammen können auch die topographischen Einflüsse am Ort des Bauwerkes berücksichtigt werden. Hiermit ist die richtungsabhängige Größe und Auftretenshäufigkeit der Windgeschwindigkeit bekannt.  

Unbekannt sind i.a. das Windprofil über die Höhe, die Auto- und Kreuzkorrelationen der Windgeschwindigkeitsschwankungen usw. Daher werden seit Jahren Windmessungen durchgeführt, die auch die Messungen dieser Werte einschließen.

Die Nachfolgenden Bilder zeigen am Beispiel eines Standortes (in Bildmitte) in der Rhön die Ergebnisse einzelner Berechnungsschritte.





Geländehöhen, Rauhigkeiten und simulierte Windgeschwindigkeit im untersuchten Gebiet

Eigenschaften der Turbulenz


Bild 1: Windschrieb

Die konstante mittlere Windgeschwindigkeit wird von einem turbulenten Anteil überlagert. Dieser stellt einen stochastischen Prozess, d.h. einen zeitabhängigen Zufallsprozess dar. Es liegt auf der Hand, dass ein solcher Prozess nur mit Mitteln der Statistik hinreichend beschrieben werden kann. Messungen zeigen, dass der turbulente Anteil der Windgeschwindigkeit durch eine Normalverteilung gut beschrieben werden kann,  vgl. Bild 1.

 


Bild 2: Turbulenzintesität

Ein normalverteilter Prozess wird durch den Mittelwert und die Standardabweichung vollständig beschrieben. Zur Beschreibung der Höhenabhängigkeit wird häufig die sog. Turbulenzintensität I(z) herangezogen, sie ist das Verhältnis der Standardabweichung des Prozesses zu seinem Mittelwert. Diese Turbulenzintensität nimmt mit der Höhe ab. Bild 2 zeigt den prinzipiellen Verlauf der Turbulenzintensität über die Höhe.

Böen

Diese turbulenten Windgeschwindigkeits-und -richtungsänderungen die weder über die Zeit, noch über den Ort konstant sind, werden als Böen bezeichnet.

Anschaulich kann man sich das Geschehen so vorstellen, dass ein konstanter Grundwind weht, dem sich lokale Böenstörungen überlagern, die anschaulich als translatorisch und rotatorisch bewegte Böenballen beschränkter Ausdehnung gedeutet werden können. Wegen des beschränkten Durchmessers der Böenballen werden kleinere Bauwerke vollständig von der Böe eingehüllt, bei großen Bauwerken werden dagegen nur Teile des Bauwerkes von der Böe getroffen.

Bild 3 zeigt einen 20 sec Ausschnitt eines Windgeschwindigkeitsfeldes, das bis in die Höhe von 341m während des Orkans Vivian am 25.1.1990 gemessen wurde /25/.

Man erkennt die unterschiedlich großen Böenballen, die sich zufällig dem Grundwind überlagern. Die maximalen gemessenen Windgeschwindigkeiten betragen in den außertropischen Zyklonen der gemäßigten Breiten ca. 50m/s, d.h. 180 km/h, in tropischen Wirbelstürmen werden 120 m/s erreicht, in Tornados werden 200 m/s geschätzt.



Bild 3: Messung der Turbulenzstruktur am Mast Gartow

Seite aktualisiert: Dienstag, 21. Oktober 2014