Frågeställningar vid vindkartering: Var blåser det? Varför blåser det som det gör?

Transkript

1 VINDKARTERINGEN Vilken nytta har vi av den och hur använder vi den Hans Bergström Institutionen för geovetenskaper, luft-, vatten- och landskapslära Uppsala universitet Frågeställningar vid vindkartering: Var blåser det? Geografiska variationer Hur blåser det? Vindfördelningar - energiproduktion Varför blåser det som det gör? Atmosfärsfysik. Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 1

2 Resultaten av en vindkartering: Kartor över medelvind och energiinnehåll på olika höjder, vindfördelningar och profil. Suorva 40 a) U35m (m/s) year c) b) A=8.8 m/s, c=1.73 U (35m)=7.85 m/s mean 8 frequency (%) frequency (%) Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi U (m/s) W 40

3 Hur kan frågeställningarna besvaras? Vindmätningar ger dålig geografisk täckning Modellering ger bra geografisk täckning men enklare analytisk modell och avancerad numerisk modell kan ge helt olika resultat. WA S P indata från Ölands södra grund Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 3

4 Varför dessa skillnader mellan olika modeller? Vinden nära jordytan påverkas av: Överlagrade vinden - geostrofiska vinden, d.v.s. den horisontella lufttrycksgradienten som driver vinden. Ytans skrovlighet (z 0 ) friktionen mot jordytan bromsar vinden hav, slätt, skog... Stabiliteten d.v.s. den vertikala temperaturgradienten påverkar hur snabbt vinden ökar med höjden. Topografin kullar, berg och dalar... Förändringar i jordytans egenskaper som medför: interna gränsskikt low-level jets sjöbris... Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 4

5 Marktäckets inflytande på vindprofilen: höjd m - Minst friktion vid slätt underlag - is, sjö, hav... - Störst friktion vid skrovligt underlag - skog, stad... vindhastighet hav slätt skog Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 5

6 Atmosfärens skiktning eller stabilitet, d.v.s. hur temperaturen varierar med höjden. Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 6

7 Typiska instabila profiler (dagtid) Höjd (m) Höjd (m) Fria atmosfären Entrainment zone Verklig Geostrofisk Blandningsskikt Ytskikt Vindhastighet (m/s) Potentiell temperatur ( C) Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 7

8 Typiska stabila profiler (natt) Höjd (m) Höjd (m) Fria atmosfären Geostrofisk Verklig Entrainment zone Residual layer Vindhastighet (m/s) Stabilt gränsskikt Ytskikt Potentiell temperatur ( C) Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 8

9 Väder/vindmodeller: a) Prognostiska modeller - numeriska eller CFD-modeller (Computational Fluid Dynamic): Globala modeller (Global circulation models) globala prognosmodeller med ca. 100 km horisontell upplösning. Regionala modeller (High resolution limited area models) regionala prognosmodeller med ca km horisontell upplösning. Högre ordningens modeller (meso-skalemodeller) väl upplöst gränsskikt och ca km horisontell upplösning. b) Analytiska modeller, t.ex. WA S P. Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 9

10 Avancerad numerisk modell: (t.ex. MIUU-modellen) Fördelar: Mer detaljerad fysik Kräver inga vindmätningar Nackdelar: Komplex att använda Tidskrävande Enklare analytisk modell: Fördelar: Lätt att använda Snabba resultat Nackdelar: Ofullständig fysik Kräver vindmätning Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 10

11 Principen för en numerisk modell: Beräkningen görs i s.k. gridboxar. Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 11

12 MIUU-modellen Utvecklad av Leif Enger m.fl. vid Institutionen för geovetenskaper (Meteorologiska inst.), Uppsala universitet 3 dimensionell mesoskale-modell Higher-order turbulence closure scheme Terrängpåverkade koordinatsystem Energibalansrutin vid ytan Prognostiska ekvationer för: vind, temperatur, fuktighet och turbulent kinetisk energi Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 12

13 Klimatmodellering med numerisk modell tekniken har utvecklats inom VKK/Vindforsk-projekt. Viktiga parametrar att variera: Lufttrycksgradient (geostrofisk vind), årstid och tid på dygnet. Vindklimatet beräknas baserat på modellkörningar för: 3 styrkor för den geostrofiska vinden 16 riktningar för den geostrofiska vinden 4 årstider representerade av förhållandena i januari, april, juli och oktober. Varje modellkörning genererar resultat för en dygnscykel. Detta summerar till 3 x 16 x 4 = 192 modellkörningar med vadera 24 timmar data totalt 4608 timmar. Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 13

14 Modellkörningarna resulterar i en stor databas bestående av meteorologiska fält (vind, temperatur, fuktighet, turbulens) som funktion av geografisk position och höjd. Resultaten kan viktas samman: med utnyttjande av klimatdata avseende den geostrofiska vinden för olika årstider och vindriktningar MIUU-metoden. Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 14

15 MIUU-metoden för modellering av vindklimatet Indata Lufttrycksfältet Topografi Ytråhet Markanvändning Marktemperatur Molnighet Longitud and latitud Tid på året Startprofiler av temperatur och fuktighet MIUUmodellen Utdata Vind Temperatur Fuktighet Turbulent energi Vindklimat Statistik av lufttrycksfältet Medelvind, vindfördelning och energiproduktion på olika höjder. Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 15

16 Nationella vindkarteringsprojektet, fas 1: Vindklimatet över Sverige och svenska farvatten modelleras med MIUU-modellen med 5 km upplösning. Detta inkluderar omgivande områden som kan anses påverka vindklimatet i Sverige. Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 16

17 Nationella vindkarteringsprojektet, fas 2: Vindklimatet modelleras med MIUU-modellen med 1 km upplösning. För detta ändamål delas Sverige upp i 14 delområden. Randvärden tas då från modellkörningarna med 5 km upplösning. Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 17

18 Årsmedelvind (m/s) på 70 m höjd med 1 km upplösning m/s Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 18

19 Jämförelser med vindmätningar på 84 platser Höjder Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 19

20 Jämförelser med vindmätningar på 84 platser Medeldiff.: m/s Korrel.koeff.: % inom ±0.4 m/s 48 % inom ±0.2 m/s +: Platser med uppenbart småskalig terrängvariation som modellen inte löser upp på 1 km skalan. Även i övrigt finns platser där den lokala terrängen inte löses upp av modellen; ger ökad spridning. Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 20

21 Jämförelser med vindmätningar Profiler från skånska sydkusten till Smålands skogar X X Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 21

22 Resultatens beroende av modellberäkningarnas horisontella upplösning. Terrängvariationer på skalor mindre än modellens upplösning syns inte alls i resultaten. Även terrängens variationer på skalor upp till på 3-5 gånger modellens upplösning återges inte helt korrekt av beräkningarna. 5 km upplösning 1 km upplösning Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 22

23 Ibland medför detta att områden med högre vindar i lokalt högre liggande terräng missas. Ibland kan dock även en tendens till det motsatta ses terrängvariationerna skapar då ett slags terränginducerad skrovlighet och resultatet kan bli en allmän sänkning av vinden i ett område. Behov finns alltså att modellera vinden med högre upplösning över för vindenergi intressanta områden. Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 23

24 Exempel på beräkningar med olika upplösning. Fjällberget Saxberget, topografi Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 24

25 Exempel på beräkningar med olika upplösning. Fjällberget: 5 km upplösning. Vind: 5.5 till 6.7 m/s maximat fel lokaliserat i terrängen. Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 25

26 Exempel på beräkningar med olika upplösning. Fjällberget: 1 km upplösning. Vind: 4.8 till 7.1 m/s maximum finns på Fjällberget. Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 26

27 Exempel på beräkningar med olika upplösning. Fjällberget: 500 m upplösning. Vind: 4.4 till 7.2 m/s maximum på Fjällberget och Saxberget. Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 27

28 Topografin i området runt Fjällberget i ett västostligt snitt som modellen ser det med olika terrängupplösning. Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 28

29 Fjällberg/Saxberget med olika upplösning JJ=B JJJA JJJG JJJ= JJJJ JJJH JJJF JJJI JJJ> 1 km #$%%&'()*+,&-../0+&01*203*&45.)&67**)&8'96:&0;&<*53<;&=>&' 300 m #$%%&'()*+,&-../0+&01*203*&45.)&67**)&8'96:&0;&<*53<;&=>&' 100 m GKF! " EFF= EFFG EFFA EFHB EFHE EFH> EFHI EFHF EFHH 4*6;!*06;&8?@ABCD': 6(/;<!.(2;<&8?@ABCD': JJ=B JJJA JJJG! JJJ= JJJJ JJJH " JJJF JJJI JJJ> EFF= EFFG EFFA EFHB EFHE EFH> EFHI EFHF EFHH 4*6;!*06;&8?@ABCD': 6(/;<!.(2;<&8?@ABCD': JJ=B GK> G =KG JJJA =KJ =KF JJJG =K>! = JKG JJJ= JKJ JKF JJJJ JK> J HKG JJJH HKJ HKF " JJJF HK> H FKG JJJI FKJ FKF JJJ> FK> F EFF= EFFG EFFA EFHB EFHE EFH> EFHI EFHF EFHH 4*6;!*06;&8?@ABCD': GKF GK> G =KG =KJ =KF =K> = JKG JKJ JKF JK> J HKG HKJ HKF HK> H FKG FKJ FKF FK> F Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 29

30 Alla resultat presenteras för höjd ovan den s.k. nollplansförskjutningen d ¾ h höjd h d vindhastighet Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 30

31 Tät skog: Lägre skrovlighet (z 0 ) och högre nollplansförskjutning (d) h d Gles skog: Högre skrovlighet (z 0 ) och lägre nollplansförskjutning (d) h d Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 31

32 Inverterad spridningsberäkning kan ge information om varifrån egenskaperna hos vinden på en viss höjd kommer. Typiskt ser vinden på 100 m höjd marken en till flera kilometer bort. Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 32

33 Tänk alltid på beräkningarnas upplösning när resultaten används! Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 33

34 SLUT Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 34