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Windgeschwindigkeit

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Winddaten und Information des Umweltatlas Hessen!

windkarte_hessen

Bild rechts: Mittlere Windgeschwindigkeit Jahr 1981-1990


 

Windgeschwindigkeit

Allgemeine Grundlagen

In Höhen von etwa 1000 m und mehr über Grund weht der Wind nahezu isobarenparallel. Seine Geschwindigkeit dort ist nur abhängig von den horizontalen Luftdruckunterschieden. Man spricht in diesem Falle auch vom geostrophischen Wind. Mit Annäherung an den Erdboden nimmt der Einfluss der Reibungskraft immer mehr zu, so dass eine Verringerung der Windgeschwindigkeit erfolgt. Direkt an der Erdoberfläche ist die Windgeschwindigkeit null. Umgekehrt betrachtet nimmt die Windgeschwindigkeit mit der Höhe zu - und zwar recht stark innerhalb der ersten 100 m - bis sich in etwa 1000 m über Grund eine geostrophische Strömung einstellt. Neben einer Geschwindigkeitszunahme mit der Höhe ist auf der Nordhalbkugel der Erde eine Rechtsdrehung des Windes verbunden, so dass z. B. ein bodennaher Südwind in der Höhe mit Südwestwind verbunden ist.

In Bodennähe findet eine zusätzliche Modifikation des Windfeldes durch unterschiedliche topographische Verhältnisse und durch verschiedene Bodennutzungsformen statt: In flachem, ebenem Gelände oder über größeren Wasserflächen weht der Wind nahezu ungestört. Die Windgeschwindigkeiten sind relativ hoch, da größere Geländehindernisse nicht vorhanden sind. In topographisch gegliedertem Gelände dagegen gibt es eine Reihe von Faktoren, die sich auf das Windfeld auswirken. Tallagen führen in der Regel nicht nur zu einer Verringerung der mittleren Windgeschwindigkeit, sondern modifizieren - durch Leiteffekte - auch die Verteilung der Windrichtung. Kuppen- und Kammlagen, Höhenrücken oder Berggipfel weisen gegenüber der Umgebung im Mittel höhere Windgeschwindigkeiten auf.

Die hier aufgeführten Einflussgrößen auf das Windfeld spiegeln sich auch in einer Untersuchung über die bodennahen Windverhältnisse in der Bundesrepublik Deutschland wider: Großräumig hohe Windgeschwindigkeiten treten über der Deutschen Bucht auf. Der Übergang zum Binnenland - mit seiner höheren Rauhigkeit - ist zwar mit einer raschen Abnahme der Windgeschwindigkeit verbunden; das allgemeine Windgeschwindigkeitsniveau in Norddeutschland ist aber immer noch recht hoch. Gegenüber dem Flachland mit seiner wenig differenzierten, homogenen Windgeschwindigkeitsverteilung macht sich im mittleren und südlichen Deutschland der Einfluss der Topographie stärker bemerkbar. Windschwache Gebiete sind dort besonders die Tallagen. Erst in den höheren Lagen des Mittelgebirgs- und Alpenbereiches werden wieder ähnlich hohe Windgeschwindigkeiten wie im norddeutschen Küstenraum erreicht, was auf die Windgeschwindigkeitszunahme mit der Höhe zurückzuführen ist, die der landeinwärts gerichteten Abnahme der Windgeschwindigkeit überlagert ist.

Neben diesen großräumigen Abhängigkeiten gibt es weitere Parameter, die zu einer kleinräumigen, lokalen Änderung der mittleren Windgeschwindigkeit beitragen.

Der Einfluss der Bodennutzung (Wald, Städte) auf das bodennahe Windfeld wirkt sich im Mittel geschwindigkeitsmindernd aus, wenn auch im Einzelfall durch Düsen- oder Eckeneffekte (z. B. in Waldschneisen oder Straßenschluchten) die Windgeschwindigkeit durchaus erhöht werden kann. Größere Wasserflächen dagegen bewirken - aufgrund ihrer Oberflächenrauhigkeit - eine weniger starke Abschwächung der Windgeschwindigkeit.

In größeren Höhen über Grund werden alle hier erwähnten Effekte ausgedämpft: So verringert sich der Einfluss der Bodenrauhigkeit mit zunehmender Höhe. Die Wirkung kleinerer Hindernisse (z. B. Einzelgebäude), die im bodennahen Windfeld noch vorhanden ist, wird bereits in wenigen Dekametern verschwunden sein, während großflächig rauhe Gebilde (ausgedehnte Waldgebiete oder größere Städte) auch noch in größeren Höhen das Windfeld beeinflussen. Ähnliches gilt für topographische Formen: Die Windgeschwindigkeitszunahme über Kuppenlagen verringert sich mit der Höhe, wobei die Abnahme von der Form und der Größe der Kuppe abhängig ist. Auch Taleffekte müssen zwangsläufig dann verschwinden, wenn aufgrund der Höhenlage über Grund keine Abschirmung durch die umliegenden Hänge mehr auftreten kann.

Winddaten

Der Deutsche Wetterdienst unterhält ein umfangreiches Windmessnetz von derzeit etwa 350 Stationen im gesamten Bundesgebiet, an denen kontinuierliche Windmessungen durchgeführt werden. In einer nachträglichen Auswertung dieser Daten werden Stundenmittelwerte von Windgeschwindigkeit und Windrichtung ermittelt. Gemäß einer internationalen Vereinbarung soll die Windgeschwindigkeit in 10 m Höhe über Grund in ebenem und offenem Gelände gemessen werden. Diese Forderung kann jedoch aus verschiedenen Gründen nicht an allen Stationen eingehalten werden, so dass die Windmessung an Stadt-/Stadtrandstationen oder auf stark bewaldeten Kuppenlagen z. T. in größeren Anemometerhöhen (Höhe, in der die Windmessung stattfindet) erfolgt.

Aus den Stundenmitteln wurden Jahresmittelwerte der Windgeschwindigkeit (Bezugszeitraum 1981 bis 1990) ermittelt. Stationen mit abweichenden Geberhöhen wurden mit Hilfe des Potenzansatzes von HELLMANN (1917) auf 10 m über Grund umgerechnet. Weiterhin wurde der unmittelbare Einfluss von Einzelhindernissen (z.Bsp. Büsche, einzelstehende Bäume, Strommasten) auf die gemessenen Windgeschwindigkeiten ausgeschaltet. Das Verfahren hierzu ist im Europäischen Windatlas (TROEN und PETERSEN, 1989) beschrieben. Um eine Vorstellung von dem zu erwartenden Windgeschwindigkeitsniveau zu bekommen, sind in Tabelle 1 die Jahresmittelwerte (1981 bis 1990) der Windgeschwindigkeit an einigen hessischen Stationen in einer Höhe von 10 m über Grund dargestellt.

Tab. 1: Hindernisbereinigte Jahresmittelwerte der Windgeschwindigkeit im Bezugszeitraum 1981 bis 1990 in 10 m Höhe über Grund

Station

Höhe ü. NN

Windgeschwindigkeit

Beerfelden

450 m

3,2 m/s

Feldberg, Kleiner

805 m

5,3 m/s

Frankfurt

112 m

3,2 m/s

Fritzlar

173 m

3,2 m/s

Geisenheim

120 m

2,7 m/s

Hersfeld, Bad

207 m

1,9 m/s

Kassel

231 m

3,4 m/s

Wasserkuppe

945 m

7,0 m/s

Planerische Relevanz

Klimatologische Angaben über die Windverhältnisse sind vor allem für die Standortplanung von Industrieanlagen, die Landschaftsplanung, das Bauwesen und die wirtschaftliche Nutzung der Windenergie in Windkraftanlagen von Bedeutung. Auch Versicherungen und Umweltinstitute gehören zum Interessentenkreis. Die spezifischen Anforderungen an Daten zu den Windverhältnissen sind allerdings sehr unterschiedlich: Während für die Errichtung von Windkraftanlagen beispielsweise mittlere Windgeschwindigkeiten (nach Möglichkeit in Nabenhöhe des Konverters) als Entscheidungskriterium dienen, sind im Bauwesen zur Auslegung von Bauvorhaben eher Angaben über maximale Windgeschwindigkeiten von Bedeutung. Für Immissionsabschätzungen und industrielle Standortplanungen braucht man dagegen Daten zur Windgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Windrichtung, da erst diese Information die Ausbreitung von Luftbeimengungen abzuschätzen erlaubt.

Das Statistische Windfeldmodell (SWM) des Deutschen Wetterdienstes

Um die mittlere Windgeschwindigkeit in 10 m Höhe über Grund in Abhängigkeit von den verschiedenen Einflussgrößen in einem größeren Maßstab darstellen zu können, wurde beim Deutschen Wetterdienst das Statistische Windfeldmodell (SWM) entwickelt. Dieses Modell ist ein Regressionsmodell, das in seiner neusten Version (März 1999) die hindernisbereinigten Windgeschwindigkeiten als eine Funktion von bekannten Parametern (z. B. der Höhe über Meeresspiegel, der geographischen Lage, der Geländeform und der Bodenrauhigkeit) darstellt.

Zur Bestimmung der Regressionskoeffizienten wurden die Daten von 218 Windmessstationen des Deutschen Wetterdienstes verwendet. Die Stationen unterscheiden sich bezüglich der Landnutzung in der näheren Stationsumgebung beträchtlich voneinander. Einige Stationen liegen im Innenstadtbereich mit meist hoher Bebauungsdichte. Die meisten verwendeten Stationen liegen jedoch entweder in Stadtrandlagen und sind somit repräsentativ für die Windverhältnisse im siedlungsnahen Bereich oder sie befinden sich in meist völlig freier, ungestörter Lage (z. B. Flughafenstationen).

Auf eine ausführliche Diskussion des Statistischen Windfeldmodells soll an dieser Stelle verzichtet werden. Der interessierte Leser sei auf die Arbeit von GERTH und CHRISTOFFER (1994) verwiesen, wo neben einer ausführlichen Beschreibung der Ergebnisse auch farbige Karten in unterschiedlichen Maßstäben veröffentlicht sind. Statt dessen wird in kurzen Stichworten auf die einzelnen Einflussparameter eingegangen:

  • Allgemein gesehen nimmt die Windgeschwindigkeit mit der Höhe zu. In Höhenlagen bis 500 m über NN ist diese Zunahme der Windgeschwindigkeit jedoch gering, oberhalb 500 m über NN wird die Höhenabhängigkeit ausgeprägter.
  • Die Abhängigkeit von der geographischen Lage ergibt eine großräumige Abnahme des Windes nach Süden und Osten hin.
  • Die Bodenrauhigkeit (parametrisiert durch den prozentualen Anteil an bebauten oder bewaldeten Flächen im Umkreis von 500 m um die Station) führt zu starken Änderungen der Windgeschwindigkeit auf engstem Raum und überdeckt in der Regel den Einfluss von Geländehöhe und geographischer Lage.
  • Topographische Formen (parametrisiert über die mittlere prozentuale Geländesteigung in den acht Hauptwindrichtungen) bewirken eine mehr oder weniger stark ausgeprägte Verringerung des Jahresmittels der Windgeschwindigkeit in Tal- oder Muldenlagen und eine Überhöhung bei Kuppen- oder Kammlagen.

Auf der Grundlage von digitalen topographischen Daten (Rasterdaten von Geländehöhe und Landnutzung) stehen alle o. a. Einflussgrößen zur Verfügung oder können aus ihnen berechnet werden. Somit ist man in der Lage, flächendeckende Verteilungen des Jahresmittels der Windgeschwindigkeit zu erstellen und kartographisch darzustellen.

Flächenhafte Darstellung

Die Windkarte zeigt die mittlere jährliche Windgeschwindigkeit in 10 m über Grund. Die Berechnungen erfolgten in einem feinmaschigen 200-m-Raster und wurden für die vorliegende Internet- bzw. CD-ROM-Version auf ein 1-km- Raster generalisiert. Die Karte veranschaulicht, dass das Windfeld aufgrund der o.a. Einflüsse räumlich sehr stark variiert. Mehr Details zeigt die Windkarte im 200-m-Raster, die in der gedruckten Ausgabe des Umweltatlas Hessen veröffentlicht ist oder beim Deutschen Wetterdienst (http://www.dwd.de) erhältlich ist.

Das südliche Rheintal, das Maintal sowie die Wetterau sind orographisch wenig gegliedert. Das Fehlen von markanten topographischen Formen und die meist einheitliche Geländehöhe bewirken, dass die Windgeschwindigkeit in dieser Region im wesentlichen durch die Landnutzung (Bodenrauhigkeit) bestimmt wird.

Im Gegensatz zu den flacheren Landesteilen ist das Windfeld im Odenwald und Taunus durch ein vielfältiges Zusammenwirken der Einflussfaktoren Landnutzung, Höhe und topographische Formen bestimmt, was zu starken Änderungen des Jahresmittels der Windgeschwindigkeit auf engstem Raum führt.

Die westlichen und nordwestlichen Randgebirge Hessens (Ausläufer von Westerwald und Rothaargebirge) sind durch hohe Jahresmittelwerte der Windgeschwindigkeit geprägt.

Die tieferen Lagen in Nordhessen (Weser-, Fulda-, Werra- und Edertal) weisen ähnliche Windverhältnisse auf, wie die flacheren Teile im Süden des Landes.

Mit ansteigender Geländehöhe nimmt auch das Jahresmittel der Windgeschwindigkeit zu. Die absolut höchsten Jahresmittelwerte der Windgeschwindigkeit in Hessen sind über den freien Lagen der Rhön (im Bereich der Wasserkuppe) zu erwarten.

Relativ windschwach dagegen ist der hessische Teil des überwiegend stark bewaldeten Spessart.

Literatur

GERTH, W.-P., und J. CHRISTOFFER, 1994: Windkarten von Deutschland, Meteorologische Zeitschrift, N.F.3.

HELLMANN, G., 1917: Über die Bewegung der Luft in den untersten Schichten der Atmosphäre (2. Mitt.), Meteorologische Zeitschrift 34.

TROEN, I. und E. L. PETERSEN, 1989: European Wind Atlas, Risö National Laboratory, Denmark.


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