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Messung der Turbulenzstruktur an Waldkanten mittels Dual-Doppler-Lidar Verfahren und Vergleich mit Windkanaluntersuchungen

Messung der Turbulenzstruktur an Waldkanten mittels Dual-Doppler-Lidar Verfahren und Vergleich mit Windkanaluntersuchungen
Ansprechpartner:

Bodo Ruck (IfH), Andreas Wieser (IMK)

Projektgruppe:

LGU

Förderung:

KIT Start-up-Programm

Für die Untersuchung von Turbulenzstrukturen an Waldkanten werden Feldmessungen vom IMK-TRO mit optischen Fernerkundungsinstrumenten (Lidar) 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 ist es möglich Rauhigkeitsparametrisierungen in Grenzschichtmodellen zu verbessern. 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 eine andere Anpflanzungsschemata der Bäume verringert werden können.

 

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