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Augst, Ayla (2017): Analyse und Vorhersage eines aus verschiedenartigen Messdaten gewonnenen dreidimensionalen Windfeldes. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik
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Abstract

Das lokale Windfeld ist eine Größe, die nicht beeinflussbar ist, jedoch in weiten Bereichen Einfluss nimmt. Beispiele kommen unter anderem aus dem Flugverkehr (Flugplanung und -Sicherheit, Wirbelschleppenprognose, ...) sowie der Windenergie (Planung und Regelung des elektrischen Versorgungsnetzes). Die Kenntnis des aus Messungen bestimmten Windfeldes ist im operationellen Kontext von großer Bedeutung, jedoch in einem größeren Volumen bislang in Deutschland noch nicht verfügbar. In dieser Arbeit wird eine Methode entwickelt, die in der Lage ist, das dreidimensionale Windfeld in einem 100 x 100 x 10km3 großen Gebiet um den Münchner Flughafen in Echtzeit (Berechnungszeit < 5 Min) mit hoher Genauigkeit aus Daten unterschiedlicher Messinstrumente zu bestimmen. Dazu wird eine dreidimensionale Variationsanalyse basierend auf Fernerkundungs- sowie in situ Messungen aufgebaut. Als Hintergrundfeld dienen Vorhersagefelder des numerischen Wettermodells COSMO-DE. Das Modell wird mit synthetischen Daten entwickelt und getestet, bevor es anhand von realen Daten zuverlässig validiert wird. Für die Validierung werden 628 Windfelder an 21 Tagen des Jahres 2014 analysiert. Durch die Fehlervalidierung mit Hilfe von flugzeuggebundenen Mode-S Daten, operationellen Radiosondendaten sowie Messungen eines weiteren Radars kann eine geringe Abweichung von 1 bis 2ms−1 im gesamten Gebiet bis zu einer Analysehöhe von 4,5km nachgewiesen werden. Der mit Radardaten gemessene Verlauf des Energiedichtespektrums wird von den gewonnenen Windfeldern gut wiedergegeben, allerdings versetzt auf ein niedrigeres Energieniveau, bedingt durch Glättungseffekte. Die effektive Auflösung des Modells beträgt etwa 8 km. Anhand der Variabilität der untersuchten Windfelder wird gezeigt, dass die Annahme der Eulerschen Persistenz in vielen Fällen nicht gegeben ist. In 20% der Fälle ändert sich die Windgeschwindigkeit innerhalb einer Stunde um mehr als 2m/s. Dennoch können mit dieser Annahme Kürzestfristprognosen erstellt werden, deren mittlere Abweichung zu unabhängigen Mode-S Daten mit 2,3m/s auch für einen Vorhersagehorizont von einer Stunde weit unter dem des COSMO-DE Modelles mit 2,7m/s liegt. Unter der Annahme der Lagrangeschen Persistenz können diese Abweichung weiter verringert werden, was zeigt, dass das gewonnene Windfeld oftmals durch Advektion kontrolliert ist. Diese Tatsache kann genutzt werden, um das Windfeld innerhalb der nächsten Stunde vorherzusagen.

Abstract

The local wind field is a measurement that can not be manipulated but has a wide impact. Examples include air traffic (flight planning and safety, wake vortex prediction, ...) as well as wind energy (planning and regulation of the electrical supply system). Understanding wind fields is of great importance in the operational context. Operational evaluations of the three-dimensional wind field in a larger volume are not yet available in Germany. In this work, a method is developed which is able to determine the three-dimensional wind field from measurement in a 100 x 100 x 10km3 area around the Munich Airport in real time (computation time < 5 min) with high accuracy. A three-dimensional variation analysis based on remote sensing and in situ measurements is developed. Forecast fields of the numerical weather model COSMO-DE are used as Background information. The model is developed and tested with synthetic data before it could be reliably validated using real data. 628 wind fields on 21 days in 2014 were analyzed for the validation. The error estimation with airborne Mode-S data, operational Radiosonde data, and measurements of another radar showes a very slight deviation of 1 to 2m/s in the entire area up to an analysis altitude of 4.5 km. The wind fields effectively reproduce the measured energy spectrum. A slight shift towards lower energies, results from smoothing effects. The effective resolution of the model is about 8 km. On the basis of the variability of the 628 retrieved wind fields, it is shown that the assumption of the Eulerian persistence is not given in many cases. In 20% of the cases, the wind speed changes within an hour by more than 2m/s. Nevertheless, using the assumption of the Eulerian persistence, short-term forecasts can be made, whose average deviation compared to independent Mode-S data is below the COSMO-DE model forecasts for the analyzed prediction period of one hour (with 2.3m/s compared to 2.7m/s). On the assumption of Lagrange’s persistence, this deviation could be further reduced, what showed that the retrieved local wind field in the analyzed cases is often controlled by advection. This fact can be used to predict the wind field within the next hour.