Synchrone Messungen der Windgeschwindigkeit und die Leistung von Windkraftanlagen dienen der Ermittlung der Kennlinien der Anlagen. Die existierenden Vorschriften zur Vermessung enthalten bezüglich der Strömungseigenschaften des Windes nahezu keine Spezifikationen. Diese sind jedoch notwendig, um die erreichbare Genauigkeit und Repräsentativität der vermessenen Kennlinie zu quantifizieren. Messungen am Standort der AEOLUS II-Anlage in Wilhelmshaven dienten dazu, bei einer Anlagenvermessung die Eigenschaften der Strömung und die Kennlinie gemeinsam zu untersuchen. Es wurde gefunden, daß die Strömungseigenschaften wie die vertikale Windscherung, die Winddrehung über der Höhe, die turbulenten Schwankungen der Windgeschwindigkeit und der Windrichtung die Leistung von Windenergieanlagen bei gleicher mittlerer Windgeschwindigkeit erheblich verändern. Dabei wirken sowohl Standorteigenschaften als auch die Witterung auf die Ergebnisse der Vermessung. Am gleichen Standort können in anisotropem Gelände die Werte der Kennlinie auch bei mehrmonatigen Vermessungen wegen der Variabilität der Windrichtung Unterschiede von mehr als 10 % aufweisen. Der größte Einzeleffekt wird von der vertikalen Windscherung verursacht, die Wirkung der Drehung des mittleren Windvektors über der Rotorfläche ergab sich als kleinerer Effekt. Die Wirkung der turbulenten Schwankungen von Geschwindigkeit und Richtung weisen meist unterschiedliche Vorzeichen auf, so daß die Rolle dieser Schwankungen insgesamt meist klein bleibt. Die Vermessung einer Kennlinie mit einer kleineren systematischen Abweichung von im Mittel weniger als etwa 5 bis 10 % erfordert eine genaue Strömungsspezifikation sowohl für den Vermessungs- als für den Betriebsstandort, die bisher nicht in hinreichendem Maße in den entsprechenden Richtlinien und Vorschriften enthalten sind. / Power curves ofwind energy convetras need synchronous measurements of wind and power. The existing specification on the wind measurements are rather poor, however necessary. AEOLUS II-measurments and the wind measurments served to quantify the role of the different atmospheric parameters. Thus it was possible to define the influence on the power output of the machine as a function of the vertical wind shear, the wind veer with height, the turbulent fluctuations with the average wind speed being constant. As a consequence site properties and weather conditions both influence the measurements of the power curve. As a major result it was found that these factors may alter the power curve by as much as 10 %. The largest single effect is produced the effects of the vertical wind shear, The turbulent fluctuations are somewhat smaller in their effect, because speed and direction effects tend to compensate each other. lt may be concluded that a highly accurate power curve - meaning errors to be less than 10 % - requires a fully specified set of weather and site parameters.

Die lange Lebensdauer und die hohe Intensität der Wirbelschleppen landender Großraumflugzeuge kann zu einer Gefährdung des nachfolgenden Verkehrs führen. Zur Vorhersage einer gefährdungsfreien Nutzungszeit der Landebahn, nach der die Staffelungsabstände der landenden Flugzeuge bestimmt werden, dient ein Wirbelschleppenwarnsystem. Ein wesentlicher Teil dieses Warnsystems ist die Vorhersage des quer zur Landebahn wehenden Windes. Dafür wird bisher ein auf Persistenz beruhendes Verfahren eingesetzt. Die vorliegende Arbeit zeigt, daß durch Verwendung eines autoregressiven Modells die Querwindprognose verbessert werden kann. Dazu werden die Meßdaten analysiert und die Modellparameter geschätzt. Der Einsatz der AR Prognose im Wirbelschleppenwarnsystem führt im Vergleich zur bisherigen Methode zu längeren Nutzungszeiten und vermeidet das Auftreten von Diskontinuitäten (Sprüngen) in der Vorhersage. Besonders durch letzteres wird die Akzeptanz des Warnsystems bei den Fluglotsen verbessert.

Das seit Juli 2004 kontinuierlich arbeitende Meteorradar am Observatorium Collm (53,3°N, 13°E) der Universität Leipzig dient der Messung des horizontalen Windfeldes sowie der Temperatur in der Mesopausenregion. Neben der Betrachtung des jahreszeitlichen Verhaltens von Grund- und Gezeitenwind ist es möglich, die Aktivität planetarer Wellen zu untersuchen. Spezielles Interesse gilt dabei der Quasi-2-Tage Welle im Sommer 2005, da zu dieser Zeit sowohl eine Verschiebung der maximalen Amplituden hin zu kürzeren als auch zu längeren Perioden beobachtbar war. Als mögliche Ursache dafür werden nichtlineare Wechselwirkungen zwischen der Quasi-2-Tage Welle und planetaren Wellen mit größeren Perioden gesehen. Die Untersuchung derartiger Wechselwirkungen erfolgt mit Hilfe der Bispektralanalyse. / Since July 2004 the meteor radar operates continuously at the Observatory (53,3°N, 13°E) of the University of Leipzig. It provides data of the horizontal wind field as well as the temperature of the mesopause region. In addition to the consideration of the seasonal behaviour of prevailing and tidal winds it is possible to examine the activity of planetary waves. Because of the shift of maximum amplitudes of the quasi-2-day wave in summer 2005 to shorter as well as longer periods the event has to be considered more in detail. Possible reasons for the displacements are nonlinear couplings between the quasi-2-day wave and planetary waves with longer periods. The examination of those couplings is performed using bispectral analyses.

Using the spaced receiver method in the low-frequency (LF) range, lower E-region ionospheric drifts are measured at Collm Observatory, Germany since several decades. These drifts are interpreted as upper mesospheric winds at the reflection height of the used amplitude modulated LF radio waves, the latter being measured since 1983 using travel time differences between the ground wave and the ionospherically reflected sky wave within a small sideband range near 1.8 kHz above and below the carrier frequency. One regular feature of midlatitude upper mesosphere winds is the quasi twoday wave (QTDW), known as a wavenumber 3 or 4 wave in the middle atmosphere, usually occurring as one or more bursts during the summer season at midlatitudes. The OTDW bursts, as measured in LF winds, shows substantial decadal and interannual variability. Comparison with the background winds show that the onset of QDTW bursts is found near maximum values of the vertical wind shear, and maximum QTDW amplitudes are measured, on average, about one week after the maximum wind shear. This supports the theory that the QTDW is forced by instability of the summer mesospheric wind jet. / Am Observatorium Collm werden seit mehreren Jahrzehnten Langwellenwindmessungen in der unteren ionosphärischen E-Schicht durchgeführt. Die zugehörige Reflexionshöhe wird, auf der Basis von Laufzeitdifferenzmessungen zwischen der Raum- und Bodenwelle, seit 1983 ebenfalls registriert. Eines der regelmäßig beobachteten Phänomene ist die quasi 2-Tage-Welle, die als eine planetare Welle der Wellenzahl 3 oder 4 bekannt ist. Diese Welle erscheint in mittleren Breiten in einem oder mehreren Schüben im Sommer. Nach den Messungen am Collm besitzt die Welle eine deutliche Variabilität von Jahr zu Jahr. Vergleiche mit dem zonalen Grundwind zeigen, dass das Auftreten von Maxima der 2-Tage-Welle in vielen Fällen mit erhöhter vertikaler Windscherung in Verbindung steht, so dass im langzeitlichen Mittel maximale Wellenamplituden einige Tage nach dem Auftreten maximaler Windscherung zu finden sind. Dies unterstützt die These, dass die quasi 2-Tage-Welle durch barokline Instabilität des sommerlichen Mesosphärenjets angeregt wird.

Nachdem der weitere Ausbau der Stromerzeugung aus Windenergie an Land an seine Grenzen stösst, rücken die küstennahen Bereiche der Seegebiete in den Mittelpunkt der Planungen. Aufgrund seiner Komplexität sind die Vorhersagen der relevanten Größen im Zeitbereich bis 48 Stunden in diesen Gebieten oftmals ungenau. Mittels systematischer Vergleiche von Prognosen und Messreihen meteorologischer Größen wurde untersucht, ob sich charakteristische Muster der Abweichung der Windprognose von der Messung in Abhängigkeit meteorologischer Größen und Prognosezeit finden und sich die Abweichungen verringern lassen. / After the further development of the generation of current by wind energy on land areas is pushed to the borders the near-shore areas of the see regions moves into the center of plannings. Because of the complex behavior of such areas the prediction of the required meteorological values often becomes uncertain within the forecast range of 48 hours. Measurements of meteorological values and forecasts were compared systematically. By means of this comparisons it was examined, whether characteristical pattern of the deviation between measurements and forcasts, dependent on other meteorological values and forecast time, can be found. The possibility to reduce this deviations was verified.

Long-period oscillations in the period range between 2-30 days, interpreted as planetary wave (PW) signatures, have been analysed using daily upper mesosphere/lower thermosphere wind measurements near 90 km over Collm (52°N, 15°E) in the time interval 1980-2005. Strong interannual and interdecadal variability of PW are found. Since the 1990s, a tendency for larger zonal amplitudes compared to meridional ones, has been observed, thus long-term trends are visible, which are positive in the zonal component, but negative in the meridional component. The change appears in a stepwise manner, so that a sudden change of the mean is visible rather than a linear trend. The behaviour of the upper middle atmosphere winds is similar to analysed wave changes in the stratosphere, indicating a coupling of the atmospheric layers through planetary waves. / Mit Hilfe von täglichen Windmessungen im Mesopausenbereich bei 90 km werden langperiodische Schwankungen im Zeitbereich von 2-30 Tagen untersucht, die als das Signal planetarer Wellen gelten. Im Zeitraum 1980-2005 werden deutliche Schwankungen von Jahr zu Jahr als auch langfristige Trends gefunden. Einer Zunahme der zonalen Komponente der Schwankungen seit 1990 steht eine Abnahme der meridionalen Komponente gegenüber. Diese Änderung erfolgt in rascher Form, so dass sich die Änderung der Zirkulation im Mesopausenbereich als klimatische Verschiebung, und weniger als Trend darstellt. Das Verhalten der Dynamik im Mesopausenbereich korrespondiert mit möglichen Änderungen klimatischer Parameter in anderen Schichten der Atmosphäre und weist auf eine Kopplung atmosphärischer Schichten untereinander hin.

Die mittlere Windgeschwindigkeit kann aus den Komponenten der Geschwindigkeit (Vektorwind) und aus dem Windweg eines Schalensternanemometers (Skalarwind) berechnet werden. Diese beiden Geschwindigkeiten werden verglichen, indem große Datensätze von Windmeßreihen hoher Auflösung, die mittels Ultraschallanemometer gewonnen wurden, benutzt werden. Der Skalarwind ist verursacht durch die Turbulenz immer größer als der Vektorwind, die Abweichungen betrugen bis zu 4%. Durch Benutzen von Normalverteilungen für die Komponenten des Windes wird eine analytische Lösung für diesen systematischen Fehler angegeben. Windmessungen mit einem Schalensternanemometer zeigen einen zweiten systematischen Fehler, das sogenannte Overspeeding. Dieses Verhalten wird durch ein einfaches Modell beschrieben. / Mean wind velocity can be calculated from the components of velocity (vector wind) and the wind way of a cup anemometer (scalar wind). The wind velocities resulting from different definitions of mean wind velocities are compared by using large dataset of fast-response wind measurements with an ultrasonic anemometer. It is found that the scalar wind is always greater then the vector wind up to 4% owing to the turbulence. Using Gaussian normal distribution for the components of wind velocity, an analytical solution is given for this systematic error. Wind velocity measured with cup anemometer shows second systematic error called overspeeding which is described by a simple mathematical model.

Hier werden einige Ansätze dargestellt, um das Schadenspotential von Stürmen abzuschätzen. Dabei sollen auch Aussagen zur Größenordnung des Schadens bei sehr unwahrscheinlichen Ereignissen gemacht werden. Die Naturgefahr Sturm wird getrennt nach außertropischen Zyklonen und Tornados betrachtet. Im ersten Fall werden empirische Verteilungsfunktion und mittels einer Markov Methode erzeugte synthetische Windreihen zur Abschätzung extremer Windgeschwindigkeiten genutzt. Eine Abschätzung der Böen wird durchgeführt und der Schaden mit Hilfe einer einfachen Beziehung zwischen Böengeschwindigkeit und Schaden ermittelt. Für die Abschätzung des Schadens im Falle eines Tornados werden von Dotzek angegebene Wahrscheinlichkeiten für Tornados in Deutschland und die Definition einer Tornadointensitätsskala als Schadensfunktion verwendet. / Some conceptions were explained, to estimate the risk of storm caused damages. The amount of damage by unlikely events is assessed. The natural hazard storm is considered separately for extratropical cyclones and tornadoes. Empirical distribution functions and synthetic series of wind speeds generated by a Markov chain model are used to derive the extreme wind speeds for cyclones. An estimation of gust speeds are performed and a simple relationship between gust speed and damage is applied. The likelihood of tornadoes to occur in Germany provided by Dotzek and the definition of an intensity scale are used to estimate the damage in the case of tornadoes.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第20344号 / 工博第4281号 / 新制||工||1663(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科社会基盤工学専攻 / (主査)教授 白土 博通, 教授 八木 知己, 教授 KIM Chul-Woo, 教授 杉浦 邦征 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

Acoustic travel time tomography is presented as an experimental technique for remote monitoring of spatially averaged meteorological quantities, such as the virtual air temperature and the horizontal wind speed. This ground based remote sensing technique uses the nearly horizontal propagation of sound waves in the atmospheric surface layer. Here the acoustic travel time tomography was applied by measuring the travel time at defined propagation paths between several sound sources and receivers. The resulting sound speed was used to obtain estimates of the meteorological parameters. Several measuring campaigns were carried out to compare the acoustically derived data with conventional systems. The results of a cross validation during a field experiment in autumn 2000 are presented, where receivers at different heights above the ground were used. / Die Akustische Laufzeittomographie wird als ein Verfahren zur Fernerkundung räumlich gemittelter Größen, wie der virtuellen Temperatur und der horizontalen Windgeschwindigkeit, vorgestellt. Dieses bodengebundene Fernerkundungsverfahren beruht auf der annährend horizontalen Schallausbreitung in der atmosphärischen Grenzschicht. Das hier angewendete Verfahren der Laufzeittomographie beruht auf der Bestimmung der Ausbreitungszeit von Schallwellen zwischen mehreren Schallsendern und -empfängern. Die daraus abgeleitete Schallgeschwindigkeit liefert eine Information über die interessierenden meteorologischen Parameter. Eine Reihe von Feldexperimenten wurde durchgeführt mit dem Ziel, die akustisch bestimmten Größen mit denen konventioneller Verfahren zu vergleichen. Hier werden die Ergebnisse eines Vergleiches im Herbst 2000 präsentiert, bei dem die Schallempfänger in unterschiedlichen Höhen über dem Boden angebracht wurden.