METEO-Objekt:Neue Höhe synthetisieren

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Mit dieser Option wird aus mehreren bestehenden Messhöhen eine neue Höhe synthetisiert. 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.

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.

Shear-Matrix mit den Daten in diesem Objekt berechnen: Verwendet die Höhen des aktuellen Objekts, um die Shear-Matrix zu erstellen

Shear-Matrix aus Datei importieren: Verwendet eine in einem anderen METEO-Objekt erzeugte und dann mit der Schaltfläche Shearmatrix-Export exportierte Shear-Matrix. So kann z.B. die Shear aus einem Lidar mit der höchsten Höhe eines Masts kombiniert werden.

Shear-Tabelle von Windscherungs-Register: Erlaubt die Verwendung eines Datensatzes vom Windscherungs-Register. Dies muss keine vollständige Scherungs-Matrix sein, sondern es reichen auch z.B. sektorweise Windgradienten.

Die beiden folgenden Angaben müssen ungeachtet der gewählten Methode getroffen werden:

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.

Die weiteren Eingabefelder richten sich nach der oben im Fenster gewählten Methode. Die folgende Beschreibung gilt für die Option Shear-Matrix mit den Daten in diesem Objekt berechnen:

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:

Die Scherungsmatrix wird angezeigt. 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.

OK: Schließt das Fenster und zeigt das Register Höhen wieder an. Eine neue Messhöhe mit dem Suffix -Synth wird erzeugt, in der die Signale aus Ausgangszeitreihe und Scherungsmatrix definiert sind. Diese muss vor Verwendung noch aus den beiden Ausgangszeitreihen geladen werden (grüne Schaltfläche Höhe ganz (neu) laden).

Shearmatrix-Export: Exportiert eine berechnete Shearmatrix in eine Datei (Dateiformat *.shearmat), die dann in einem anderen METEO-Objekt zur Zeitreihen-Synthese verwendet werden kann. Typischer Anwendungsfall hierfür ist der Export der Windscherung aus einem LIDAR-Meteo-Objekt und die Verwendung in einem benachbarten Messmast-Meteo-Objekt, um dort dann mit der höchsten Messhöhe und der LIDAR-Windscherung auf die Nabenhöhe der WEA zu extrapolieren.

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. Ist für das METEO-Objekt eine Verdrängungshöhe definiert, so werden die tatsächlichen Messhöhen zur Berechnung der Windscherung um die Verdrängungshöhe reduziert.

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 per Definition 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.

Verdrängungshöhen: Wenn der Messmast eine Verdrängungshöhe erfährt, weil er im Wald steht, sollte diese Verdrängungshöhe im METEO-Objekt angegeben werden. Diese wird dann sowohl auf die Höhen, aus denen die neue Zeitreihe synthetisiert wird, als auch auf die Ausgangs- und die Zielhöhe angewendet.

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