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Methodik II: GWS® MESO von Al-Pro


GWS® MESO

Anwendungsbereich

GWS® MESO Windkarten geben einen Überblick über das Windangebot, das in der untersuchten Region erwartet werden kann. GWS® MESO ermöglicht die erste Eingrenzung der Windpark-Standortsuche auf potentiell geeignete Bereiche und spart somit Zeit und Geld, die der Entwickler möglicherweise für ungeeignete Regionen aufbringen würde. GWS® MESO kann aber keine "punktgenaue" Auskunft geben, wo beispielsweise Windmeßmasten oder Windkraftanlagen aufgestellt werden können oder sollen. GWS® MESO ist vielmehr ein Werkzeug, um entscheiden zu können, für welche Gebiete eine detailliertere Untersuchung, z.B. in Form von GWS® MICRO Untersuchungen oder von höchstauflösenden Potenzialstudien, in Betracht gezogen werden soll.

MC2 Modell Die Mesoskalenberechnungen werden mit der kanadischen Software AnemoScope [5] durchgeführt, die auf dem "Mesoscale Compressible Community (MC2)"-Modell [6] basiert. Das MC2 Modell entspricht dem neuesten Stand der Technik und wird weltweit eingesetzt.
Meteorologische
Datenbank
NCAR/NCEP

Die dreidimensionale Abbildung des Atmosphärenzustandes, die als Datenbasis für die GWS® MESO Berechnungen verwendet wird, ist als "NCAR/NCEP Reanalysis"-Datenbank  [7] bekannt. Sie besteht unter anderem aus Langzeitreihen des geostrophischen Windvektors, der auf ein weltweites Gitter von 2.5 Grad Auflösung abgebildet wird. Die NCAR/NCEP Langzeitreihen setzen sich aus meteorologischen Daten zusammen, die alle 6 Stunden weltweit gesammelt werden. Die in AnemoScope eingesetzte meteorologische Datenbank enthält die Daten des Zeitraumes 1958 bis 2000. Die Klassifizierung der Elemente der Datenbank definiert sogenannte "climate states" (Klimazustände) [8]. Die Klassifizierung erfolgt dabei auf Basis der geostrophischen Windrichtung und Windgeschwindigkeit und dem Vorzeichen (positiv oder negativ) der geostrophischen Windscherung zwischen 0 und 1500 m über Grund. Jedem 2.5 Grad Rasterpunkt wird dabei ein Satz unterschiedlicher Klimazustände sowie deren Häufigkeit des Auftretens zugeordnet. Diese Information ist notwendig, um das Mesoskalenmodell zu initialisieren und um das Post-Processing durchzuführen.

Geophysikalische Daten:
USGS Topo
Datenbank und GLC

Das GWS® MESO Topographiemodell verwendet Daten des US Geological Survey (USGS), die in einer Auflösung von 1/60 Grad (~900 m auf 60 Grad Breite) vorhanden sind. Das Landnutzungsmodell basiert auf der GLC Landnutzungsdatenbank [9] . Die Daten beider Datenbanken werden auf die Auflösung des GWS® MESO Modells interpoliert.

Modell- und Kartengröße

Jede GWS® MESO Karte deckt eine Fläche von 2.5 x 2.5 Grad (ca. 200 x 300 km in Abhängigkeit von der geographischen Breite) ab. Das Zentrum jeder GWS® MESO Karte entspricht dabei der Lage eines NCAR/NCEP Rasterpunktes.
Um Randeffekte bei der Modellierung zu minimieren und um Randbereiche zu schaffen, die für die Überlagerung von benachbarten Karten notwendig sind, ist die von dem GWS® MESO Modell abgedeckte Fläche um zirka 50 % größer als der eigentliche GWS® Kartenbereich. AnemoScope erlaubt Modellgrößen mit maximal 256 x 256 Rasterzellen. Bei einer bestimmten vorgesehenen Auflösung (d.h. Rasterzellengröße) wird damit die Größe des Modellbereiches und damit auch die Größe des Kartenbereiches definiert. Für die Modellierung wird eine Auflösung von 2 x 2 km gewählt, wobei als geographische Projektion die Polarstereographische Projektion mit varianter Zentralbreite angewendet wird. Die zentrale Breite variiert von Modell zu Modell in Abhängigkeit von der geographischen Breite des NCAR/NCEP Rasterpunktes, auf den sich das Modellgebiet bezieht.

Windressourcen -
Höhe über Grund

In vertikaler Richtung erfolgt die Modellierung auf 28 ungleichmäßig verteilten Höhenniveaus, wobei sich die zwei tiefsten Niveaus auf einer Höhe von 50 m bzw. 150 m über Grund befinden. Somit können für die Windindustrie relevante Modellierungsergebnisse  für alle Höhen zwischen 50 m und 150 m über Grund erhalten werden.

Mesoskalensimulation und statistisches Postprocessing

Für jeden Klimazustand wird mit dem MC2 Modell eine eigene Simulation durchgeführt. Die Initialisierung der Simulationen erfolgt durch die entsprechenden Klimazustände, die im Zuge der Modellierung auf die Auflösung des GWS® MESO Modells runter gerechnet werden. Um die Modellkonvergenz zu beschleunigen, werden vereinfachte physikalische Rahmenbedingungen ohne Wärmestrahlung, Kondensation und tageszeitliche meteorologische Schwankungen implementiert. Für jede GWS® MESO Karte wird der gesamte Satz an Modellierungsergebnissen zusammengefaßt, wobei eine Gewichtung der Ergebnisse über die Häufigkeit des Auftretens der einzelnen Klimazustände erfolgt. In einem anschließenden Post-Processing Schritt wird ein statistisches Modell, das die dominierende Windsituation am besten wiederspiegelt, zur Ermittlung der mittleren jährlichen Windgeschwindigkeit- und Windleistungsdichte sowie deren Häufigkeitsverteilungen herangezogen. Das statistische Post-Processing bereitet die Ergebnisse zudem auch für eine anschließende Mikroskalenmodellierung vor.

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