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Turbulenzstruktur an Waldkanten

Turbulenzstruktur an Waldkanten
Contact:

Dr. Andreas Wieser, Cooperation partner:
Prof. Dr. B. Ruck, Institute for Hydromechanics (IfH), KIT

Project Group:

IMK-TRO

Funding:

KIT Start-up-Programme

Projektbeschreibung

Projektbeschreibung
Für die Untersuchung von Turbulenzstrukturen an Waldkanten werden Feldmessungen vom IMK-TRO mit optischen Fernerkundungsinstrumenten (Lidar->Link) und Windkanalsimulationen an einem physikalischen Modell des ausgewählten Waldabschnittes am IfH durchgeführt.

Hintergrund für diese Untersuchungen sind Sturmschäden an Waldkanten, die gehäuft während Starkwindereignissen in den Herbst- und Wintermonaten auftreten. Die Waldkante stellt in einer Strömung einen Rauhigkeitssprung dar, der zur Ausbildung von organisierten Wirbelstrukturen im Bereich hinter der Waldkante führt. Insbesondere beim Auftreten von starken Böen kann es durch die sich ausbildenden Wirbelstrukturen zu Schäden im Waldbestand kommen. Ausgehend von einer so entstandenen Lücke kann sich ein Schaden weiter in den Bestand ausbreiten und so erhebliche Verluste verursachen. Massive Schäden dieser Art traten z.B. während des Orkans Lothar im Jahr 1999 in weiten Teilen des Nordschwarzwaldes auf, die bis heute großflächige Lücken im Bestand hinterlassen haben.

Ziel des Forschungsprojekts Turbulenzstruktur an Waldkanten ist es, die die Schäden im Waldbestand verursachenden Turbulenzstrukturen zu visualisieren und die damit verbundenen Windgeschwindigkeiten in Abhängigkeit von der Anströmung zu quantifizieren. Mit Hilfe dieser Erkenntnisse kann die Rauhigkeitsparametrisierung in Grenzschichtmodellen für eine genauere Wettervorhersage verbessert werden. Zusätzlich sind Empfehlungen für Anpflanzungsschemata von neuen Bäumen und damit verbunden eine mögliche Reduktion von Schäden durch Starkwindereignisse  möglich. 
Bisherige Erkenntnisse auf diesem Gebiet liegen zumeist aus Windkanalsimulationen vor, da Feldmessungen wegen des hohen instrumentellen Aufwandes nur eingeschränkt möglich waren. Deshalb ist es ein weiteres Anliegen dieses Projekts, zu überprüfen, inwiefern Doppler-Lidar Messungen Aufschluss über die Strömungsverhältnisse im Freiland liefern können.


Ziel des Projekts
Ein Vergleich der Ergebnisse der Turbulenzmessung aus den Windkanalsimulationen mit Feldmessungen soll im Rahmen einer Machbarkeitsstudie Aufschluß über das Potential einer kombinierten Methodik geben. Bei erfolgsversprechendem Resultat der Machbarkeitsstudie sollen anschließend durch ausgedehnte Messungen und Modellrechnungen unter Zuhilfenahme von Grobstruktursimulationen (LES) Erkenntnisse erarbeitet werden, wodurch Sturmschäden begünstigt werden bzw. ob sie durch einen andere Anpflanzungsschemata der Bäume verringert werden können.


Messtechnik IMK-TRO
Vom IMK werden drei Doppler-Lidar Geräte, zwei  „WindTracer“ und ein WindCube, eingesetzt (->Link).  Weiterhin wird eine Energiebilanzstation (-> Link) verwendet.

Messaufbau IMK-TRO
Die Doppler-Lidar Geräte wurden in Hatzenbühl in der Südpfalz aufgestellt (Abb. 1). Dort befindet sich eine ca. 3 km lange Waldkante die senkrecht zur Hauptanströmrichtung während Winterstürmen (ermittelt aus Messungen am KIT Forschungsmast) ausgerichtet ist.

 

  
 
Abb. 1: Messstandort Hatzenbühl: (1) Standort WindTracer 1, WindCube sowie Energiebilanzstation; (2) Standort WindTracer 2. Rot eingezeichnet ist das im Laborversuch modellierte Gebiet.

 

Abb. 2: Aufbau des modellierten Waldabschnitts im Windkanal. Das detaillierte Waldmodell (Modellmaßstab 1:200) wurde mit Hilfe eines vereinfachten Waldmodells verbreitert und verlängert, um unrealistische Kanteneffekte zu vermeiden.


Film: Messung des Windfeldes über der Waldkante mit Hilfe des WindTracer Lidars vom Standort (1) am 28.02.2010 (Sturmtief „Xynthia“). Dargestellt ist die in Strahlrichtung gemessene Windgeschwindigkeit (positiv vom Lidar weg, negativ, auf das Lidar zu). Die sehr geringen Windgeschwindigkeiten vor der Waldkante sind Störungen in der Windmessungen auf Grund des Hindernisses. Im Verlauf der Messung ändert sich das Windfeld von einem geschichteten zu einem turbulenten Windfeld. Gegen 9.30 UTC können deutlich Böenstrukturen (vertikale Muster sehr hoher Geschwindigkeit) beobachtet werden, die den Waldbestand erreichen.