Synthese von Zeitreihen

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Übersicht

Ziel ist, aus mehreren bestehenden Messhöhen eine neue Höhe zu synthetisieren. Dafür wird eine sogenannte Windscherungs-Matrix erstellt, die für bestimmte jahreszeitliche, tageszeitliche und sektorielle Situationen die mittlere Windscherung aus den vorliegenden Messhöhen berechnet und darauf basierend dann die neue Zeitreihe erstellt.

Die Synthese wird nicht mit der konkreten Windscherung eines Zeitstempels durchgeführt, da sich so kleine Unregelmäßigkeiten, die in normalen Messungen ständig vorkommen, potenzieren und zu extremen Ausschlägen der synthetisierten Zeitreihe führen können.

Anwendungsbereich

Beachten Sie, dass eine Extrapolation über Windscherungen – egal wie aufwändig die Methodik ist – stets nur ein Notbehelf ist. Dabei wird davon ausgegangen, dass die bestimmenden Elemente des Windes in einer extrapolierten Höhe dieselben sind wie in den gemessenen Höhen, und dies muss keineswegs zutreffen. Atmosphärische Schichtungsbedingungen, Orographie- und Rauigkeitseinfluss können komplett unterschiedlich sein. Mit entsprechender Vorsicht sind die Ergebnisse zu genießen. Erste Wahl ist es, die Messung in Nabenhöhe durchzuführen. Zweite Wahl ist es, die Höhenextrapolation mit einem Strömungsmodell, das der Komplexität des Standorts angepasst ist, durchzuführen (mittelkomplex: WAsP; komplex: WAsP-CFD). Erst dann sollte über die Synthese einer Zeitreihe aus den Windscherungen nachgedacht werden, und auch dies nur bis maximal 30% höher als die höchste Höhe.

Bedienung

Ausgangshöhe: Diese Höhe liefert für die synthetisierte Zeitreihe den Ausgangspunkt der Höhenextrapolation sowie in der Regel auch das Richtungssignal (kann geändert werden).

Zielhöhe. Die zu synthetisierende Höhe.

Höhen: Wählen Sie die Höhen aus, die an der Scherungsberechnung beteiligt sein sollen.

Gradienten (/Jahr/Tag/Richtung): Die Vorgaben stellen in der Regel einen guten Kompromiss zwischen Datenverfügbarkeit und Detaillierungsgrad dar. Wenn Sie eine sehr feine Stückelung wählen, laufen Sie Gefahr, dass in einigen Klassen nicht genug Samples vorliegen, um die Extrapolation durchzuführen. Wählen Sie eine grobe Stückelung, kann es sein, dass spezifische Situationen nicht erkannt werden, weil sie in der Mittelung verschwinden.

Gradienten berechnen: Die Scherungsmatrix wird erstellt, auch die statistischen Kenndaten im unteren Teil des Fensters werden ausgefüllt.

Gradienten Anzeigen (erst nach Gradienten berechnen): siehe Windgradienten

OK: Erzeugt eine neue Messhöhe, in der die Signale aus Ausgangszeitreihe und Scherungsmatrix definiert sind. Diese erhält zur Kenntlichmachung das Suffix „-Synth“ und muss vor Verwendung noch geladen werden (gelbe Schaltfläche Höhe ganz (neu) laden).

Windgradienten

Gradienten Anzeigen zeigt die Scherungsmatrix.

Neben ihrer praktischen Bedeutung bei der Synthese der Zeitreihe lässt sie auch interessante Erkenntnisse bezüglich der atmosphärischen Stabilität zu verschiedenen Zeiten zu. Bei instabilen Verhältnissen findet viel vertikaler Austausch statt, die Windscherungen sind daher niedrig; bei stabilen Verhältnissen unterbleibt der vertikale Austausch, die Windscherung wird höher. Die Stabilität ist stark von der Tageszeit und Sonneneinstrahlung abhängig.

Hintergrund

Um die Gradienten zu berechnen, werden aus den gewählten Höhen-Zeitreihen die Zeitstempel für die individuellen Klassen extrahiert. Für die Richtungsklassen spielt dabei alleine die gewählte Messhöhe für das Richtungssignal (s.o.) eine Rolle, nicht die Richtung der individuellen Höhe.

Für jede Klasse wird eine mittlere Windgeschwindigkeit berechnet. Dies ist kein arithmethisches Mittel der Samples, sondern die mittlere Windgeschwindigkeit einer Weibull-Verteilung, die über einen Weibull-Fit der Samples der Klasse berechnet wird.

Aus den mittleren Windgeschwindigkeiten jeder Klasse in den verschiedenen Höhen werden dann über das Power-Law-Windprofil der Windgradient berechnet. Werden mehr als zwei Ausgangshöhen berücksichtigt, wird über die Methode der kleinsten Quadrate] der Windgradient bestimmt.

Kann aufgrund zu weniger Daten für eine Klasse keine Scherung berechnet werden, so wird stattdessen folgender Scherungswert verwendet:

1. Jahreswert für Richtung und Tageszeit
2. Mittelwert der beiden benachbarten Richtungen
3. Gesamtmittelwert

Gibt es z.B. für eine Richtung nur sehr wenige Daten, kann es sein, dass nicht einmal ein Jahreswert für jede Tageszeit berechnet werden kann. In diesem Fall werden die benachbarten Richtungen gemittelt. Gibt es auch für diese zu wenige Daten, wird Option (3) gewählt. Beachten Sie, dass diese Substitutionen nicht sonderlich kritisch sind, da sie stets Richtungen betreffen, aus denen der Wind selten kommt.

Die Windgeschwindigkeit in Zielhöhe wird dann über ein reguläres Power-Law-Windprofil aus der Windgeschwindigkeit der Ausgangshöhe und dem Windgradienten ermittelt.

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