Lasten - Anhang X: Tropical Cyclone Analysis

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IEC 61400-1 Ed. 4 (2019) enthält in Anhang J Methoden, um Extremwindgeschwindigkeiten tropischer Wirbelstürme zu quantifizieren. Zur Vorhersage der Extremwindgeschwindigkeiten wird eine komplizierte Monte Carlo-Simulation beschrieben. Als praktischere Alternative enthält windPRO ab Version 4.0 im Modul SITE COMPLIANCE ein Tool zur Analyse historischer Wirbelsturmbahnen um einen Standort. Das Analysetool integriert die International Best Tack Datenbank (IBTrACS) , für historische tropische Wirbelstürme mit einer weltweiten Abdeckung, die bis zum Jahr 1900 zurückreicht. Dadurch besteht die Möglichkeit, die Sensitivität gegenüber der Größe der relevanten Region und dem historischen Zeitraum zu analysieren. Die extrahierten Spuren werden visualisiert, und die wichtigsten Statistiken werden extrahiert und zusammengefasst. Am Ende werden die extrahierten Daten über ein Gumbel-Modell extrapoliert, um eine 50-Jahres-Schätzung für den Extremwind unter Standardbedingungen zu ermitteln. Anhang J der IEC 61400-1 Ed. 4 erwähnt sowohl die Gumbel-Methode, als auch die Monte Carlo-Simulation. Die in windPRO verwendete Methode entspricht also der Richtlinie.

Tropische Wirbelstürme

Tropische Wirbelstürme werden auch als Taifune oder Hurrikans bezeichnet und sind so genannte Warmkernwirbelstürme, die nur dann entstehen und sich halten können, wenn die Temperatur in den oberen Teilen der Wassersäule 26°C übersteigt. Genau am Äquator ist die Corioliskraft gleich Null und tropische Wirbelstürme können sich nicht bilden und sterben aus. Nördlich des Äquators bewirkt die Coriolis-Kraft, dass sich Wirbelstürme gegen den Uhrzeigersinn drehen, da die Winde nach rechts drehen. Das Gegenteil ist südlich des Äquators der Fall, wo der Wind nach links dreht und die Wirbelstürme sich im Uhrzeigersinn drehen.

Tropische Wirbelstürme sind die heftigsten Wetterereignisse und Windgeschwindigkeiten auf unserer Erde, und glücklicherweise seltene und relativ lokal begrenzte Phänomene. Genau das macht die Analyse der Extremwinde aus tropischen Wirbelstürmen so schwierig -eine ausreichende Langzeitaufzeichnung und eine ausreichende räumliche Abdeckung zu erhalten, um die Variation der Zugbahnen zu erfassen ist oft nicht möglich. Selbst mehrere Jahre an Daten für einen bestimmten Ort reichen selten aus, um das Risiko tropischer Wirbelstürme richtig zu bewerten.

Tropische Wirbelstürme werden üblicherweise nach der Saffir-Simpson-Hurrikan-Skala klassifiziert, die die so genannte "1-minütige maximale anhaltende Windgeschwindigkeit" in 10 m Höhe verwendet. Dies ist das höchste aufgezeichnete/modellierte 1-min-Mittel der Windgeschwindigkeit innerhalb des Zyklons zu einem bestimmten Zeitpunkt. Aber nicht alle internationalen Organisationen melden Wirbelsturmdaten mit derselben Mittelungszeit, daher enthält IBTrACS je nach Quelle Daten mit 1min, 3min und 10min. Um diese problematische Inkonsistenz zu umgehen, verwenden wir nur die Windgeschwindigkeiten, die von den US-amerikanischen Organisationen gemeldet werden, die auch die Daten der anderen Agenturen einbeziehen, und konvertieren sie konsistent in 1-Minuten-Daten. Die folgende Tabelle fasst die Saffir-Simpson-Skala für tropische Wirbelstürme mit in m/s umgerechneten Schwellenwerten zusammen. In der Spalte ganz rechts ist jeweils die typische Art der Schäden jeder Wirbelsturmkategorie angegeben, siehe auch https://www.nhc.noaa.gov/aboutsshws.php.

Die Analyse der tropischen Wirbelstürme befindet sich unter Andere Prüfungen.

Einstellungen – Datenentnahme aus der IBTrACS-Datenbank

Um Zyklonereignisse und -statistiken aus der IBTrACS-Datenbank zu extrahieren, müssen Sie drei Parameter festlegen: Das Startjahr der Extraktion, den Radius um den Standort, innerhalb dessen die Bahnen extrahiert werden sollen, und einen Grenzwert für die Windgeschwindigkeit, unterhalb dessen die extrahierten jährlichen Höchstwerte nicht in das Gumbel-Extremwindmodell aufgenommen werden. Standardmäßig ist dieser Grenzwert auf 20m/s eingestellt, sollte jedoch vom Anwender standortspezifisch festgelegt werden.

Ergebnis (Grafik) – räumliche Karte mit Saffir-Simpson-Einteilung

Dieser Trackplot fasst alle Zugbahnen zusammen, die in einem Gebiet von ca. 1000 km mal 1000 km bis zum angegebenen Startjahr zurückreichen. Die Zugbahnen werden in der Farblegende der Saffir-Simpson-Skala dargestellt. Punkte/Segmente höherer Zugbahnkategorien werden immer oben eingezeichnet, um die historische Sturmschwere hervorzuheben. Der vom Benutzer gewählte Repräsentativitätsradius um das Standortzentrum ist in der Mitte der Grafik markiert.

Ergebnis (Tabelle) – Liste der extrahierten Zyklon-Events und jährliche Maxima

Die obere Tabelle auf diesem Register gibt die summierte Anzahl der Events innerhalb des festgelegten Radius und Zeitraums für jede der fünf Saffir-Simpson-Kategorien an. Die untere Tabelle listet die stärksten Stürme jedes einzelnen Jahres im gewählten Zeitraum und innerhalb des festgelegten Radius um den Projektstandort. In dieser Tabelle wurden alle von den US-amerikanischen Behörden gemeldeten IBTrACS-Windgeschwindigkeiten von 1 Minute in 10-Minuten-Mittelwerte umgerechnet. Dafür wurde die WMO-Richtlinie für tropische Wirbelstürme verwendet. Bei dieser Umrechnung wird davon ausgegangen, dass die Position in Küstennähe liegt, für Orte im Landesinneren ist sie sehr konservativ. Da tropische Wirbelstürme jedoch über Land schnell abklingen, sind sie hauptsächlich für Küstenregionen oder Inseln von Bedeutung.

Gumbel-Anpassung (Grafik) – 50-Jahres-Extremwindabschätzung (auf 10m)

Die auf Ergebnis (Tabelle) aufgelisteten maximalen jährlichen Windgeschwindigkeiten werden in einem Gumbel-plot dargestellt und über ein Gumbel-Extremwindmodell angepasst (siehe Anhang 1). Windgeschwindigkeiten, die unter dem vom Benutzer gewählten Schwellenwert liegen, werden in Gumbelplot und -anpassung nicht berücksichtigt, fließen jedoch in die Berechnung der Darstellungspositionen auf der y-Achse ein. Die Gumbelanpassung ermöglicht die indikative Berechnung der 50-Jahres-Windgeschwindigkeit für tropische Wirbelstürme. Die Abschätzung bezieht sich auf eine Höhe von 10 m und auf küstennahe Bedingungen, und kann bei der Verwendung der EN1991-1-4-Methode im Rahmen des Extremwindchecks als Basiswindgeschwindigkeit verwendet werden. In diesem Fall sollte die Referenzrauigkeit auf die Offshore-Rauigkeit z0=0,0002m gesetzt werden, da die IBTrACS-Windgeschwindigkeiten Offshore- bzw. Küstenbedingungen darstellen.

Disclaimer und Einschränkungen der Tropical Cyclone Analysis

• Die von IBTrACS bereitgestellten Daten werden nur in der vorliegenden Form mit den oben beschriebenen Umrechnungen bereitgestellt
• IBTrACS-Daten von 1965 bis 1980 haben eine begrenzte Gültigkeit, die je nach Region variiert
• Einige Windgeschwindigkeiten sind gröber aufgelöst (z. B. 0,5 m/s) und als stufenförmige Artefakte im Gumbel-Fit angezeigt
• Die Analyse der tropischen Wirbelstürme ist für Offshore- und Küstenstandorte gedacht
  • Für Standorte im Landesinneren ist die Analyse möglicherweise nicht repräsentativ und könnte zu konservativ sein
• Die Analyse berücksichtigt keine anderen Sturmmechanismen - nur tropische Wirbelstürme
  • Andere extreme Windmechanismen (z. B. Gewitter oder Tornados) können erheblich zu den extremen Windbedingungen an einem bestimmten Standort beitragen

SITE COMPLIANCE & LOAD RESPONSE
SITE COMPLIANCE: Überblick ♦ Schritt-für Schritt ♦ Berechnung ♦ Ergebnisse
Hauptprüfungen: Komplexität ♦ Extremwind ♦ Turbulenz ♦ Windverteilung ♦ Windshear ♦ Neigung der Anströmung♦ Luftdichte
Andere Prüfungen: Erdbebenrisiko ♦ Temperaturbereich ♦ Blitzrate
LOAD RESPONSE: Überblick ♦ Berechnung ♦ WEA-Modelle ♦ Ergebnisse
Anhang: Gumbel Theory of Extremes ♦ Frandsen-Modell ♦ Grenzen in SITE COMPLIANCE ♦ Theorie Ermüdungslasten ♦ Sektormanagement ♦ IEC 61400-1 Ed.2 ♦ IEC 61400-1 Ed.4 ♦ Weiterbetrieb ♦ Siteres ♦ Tropical Cyclone Analysis ♦ Downscaling, Offshore-Modus & Spektralkorrektur