VINDKARTERINGEN Vilken nytta har vi av den och hur använder vi den Hans Bergström Institutionen för geovetenskaper, luft-, vatten- och landskapslära Uppsala universitet Hans.Bergstrom@met.uu.se 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
Resultaten av en vindkartering: Kartor över medelvind och energiinnehåll på olika höjder, vindfördelningar och profil. Suorva 40 a) 35 30 U35m (m/s) 25 20 15 10 5 0 1995 1996 1997 1998 1999 2000 year 12 15 c) b) A=8.8 m/s, c=1.73 U (35m)=7.85 m/s mean 8 frequency (%) frequency (%) 10 6 4 10 5 2 Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 0 10 0 5 10 2 15 U (m/s) 20 25 9 30 0 0 90 1 W 40
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
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
Marktäckets inflytande på vindprofilen: höjd 100-1000 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
Atmosfärens skiktning eller stabilitet, d.v.s. hur temperaturen varierar med höjden. Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 6
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
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
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. 10-50 km horisontell upplösning. Högre ordningens modeller (meso-skalemodeller) väl upplöst gränsskikt och ca. 0.5-10 km horisontell upplösning. b) Analytiska modeller, t.ex. WA S P. Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 9
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
Principen för en numerisk modell: Beräkningen görs i s.k. gridboxar. Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 11
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
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
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
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
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
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
Årsmedelvind (m/s) på 70 m höjd med 1 km upplösning 9.5 9.0 8.5 8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 m/s Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 18
Jämförelser med vindmätningar på 84 platser Höjder Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 19
Jämförelser med vindmätningar på 84 platser Medeldiff.: -0.03 m/s Korrel.koeff.: 0.975 87 % 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
Jämförelser med vindmätningar Profiler från skånska sydkusten till Smålands skogar X X Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 21
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
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
Exempel på beräkningar med olika upplösning. Fjällberget Saxberget, topografi Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 24
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
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
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
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
Fjällberg/Saxberget med olika upplösning 6(/;<!.(2;<&8?@ABCD': 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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ans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 29
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
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
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
Tänk alltid på beräkningarnas upplösning när resultaten används! Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 33
SLUT Hans Bergström Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper, meteorologi 34