Cup (90m) USA (80m) Cup (80m) Cup (70m) Vane (70m) USA (60m) Cup (60m) Vane (50m) Cup (50m) Cup (40m) USA (40m) Vane (33m) Cup (33m)

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1 Das erste Messjahr auf der FINO1-Plattform in der Nordsee - Auswertung und Analyse des Windprofils und Abschätzung des statistischen Langzeitmittels The First Year of Measurements on the FINO1 Platform in the North Sea - Evaluation and Analysis of the Wind Profile and Assessment of the Statistical Long-Term Mean Value V. Riedel, F. Durante,T. Neumann, M. Strack, DEWI Wilhelmshaven Im Rahmen der umfangreichen Vorbereitungen zur Erschliessung der Offshore-Windenergie in Deutschland wird seit Mitte 2003 die FINO1-Offshore-Plattform 1 in der Nordsee betrieben. Dieses erste realisierte deutsche Offshore-Wind-Vorhaben liefert seit September 2003 kontinuierlich Daten zur Meteorologie und Hydrographie in der südlichen Nordsee. Über die Betriebserfahrungen sowie über das Gesamtprojekt inklusive der ökologischen Vorhaben wurde bereits in den vorangegangenen DEWI-Magazinen (23 u. 24) berichtet. Nachdem nun mehr als ein Jahr Messdaten vorliegen, konnten erste Analysen des Windprofils und der zu erwartenden Langzeitstatistik der Windgeschwindigkeiten durchgeführt werden. Deutlich wurde der starke Einfluss, den das Meereswasser als Wärmespeicher auf die meteorologischen Vorgänge in der unteren atmosphärischen Grenzschicht besitzt. Die gemessenen Effekte werden quantitativ beschrieben und erste Erklärungsmöglichkeiten gegeben, eine genaue Untersuchung der beobachten Phänomene steht jedoch noch aus. Vane (90m) Einleitung Abb. 1 zeigt ein Foto der Fino-Plattform kurz nach der Errichtung Die Plattform wird zur Durchführung der technischen aber auch der biologischen Forschungsvorhaben regelmäßig von Wissenschaftlern besucht. Bei den zurückzulegenden Entfernungen und dem schwierigen Boardingmanöver vom Schiff auf die Plattform ist die Anreise per Helikopter wesentlich kürzer und unproblematischer als die Anreise auf dem Seeweg. Die genaue Lage der Plattform im Gebiet der ersten in Deutschland genehmigten Off- Abb. 1: shore Windprojekte zeigt die Abb. 2 Fig. 1: mit einer ungefähren Angabe der An- USA (80m) Vane (70m) USA (60m) Vane (50m) USA (40m) Vane (33m) As part of the extensive preparations for the development of offshore wind energy in Germany the FINO1 offshore platform 1 has been installed and is in operation since mid Since September 2003, this first German offshore wind project has been continuously providing meteorological and hydrological data from the southern North Sea. In the last issues of DEWI-Magazin (23 and 24) we already reported on the first operating experience and on the project as a whole including the environmental investigations. After more than one year of measurements, there are now enough data to carry out a first analysis of the wind profile and the expected long-term wind statistics. The measurements have shown clearly that the sea as a heat reservoir has a strong influence on the meteorological conditions in the lower atmospheric boundary layer. The measured effects are described quantitatively, and possible explanations are discussed, but a more detailed investigation of the phenomena observed has yet to be performed. Cup (100m) Cup (90m) Cup (80m) Cup (70m) Cup (60m) Cup (50m) Cup (40m) Cup (33m) FINO 1 Mast mit Instrumentierung FINO 1: Instrumentation of the meteorological mast Introduction Fig. 1 shows a photo of the Fino platform shortly after its erection in Scientists regularly visit the platform to work on the technical and biological research projects. Because of the distances to be covered and the difficult boarding manoeuvres from ship to platform, the preferred means of transport is by helicopter. The trip is much shorter and less complicated than travelling by ship. Fig. 2 shows the exact position of the platform in the area of the first approved German offshore wind projects, indicating also the approximate travelling times. In Fig. 1 the positions of the sensors for wind speed and wind direction have been marked with arrows. A series of 1 FINO: Forschungsplattformen in Nord- und Ostsee, GL-Windenergie, Hamburg, im Auftrag des Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) im Rahmen des Zukunftsinvestitionsprogr. der Bundesregierung (http://www.fino-offshore.de) FINO: Research platforms in the North Sea and in the Baltic Sea, GL-Windenergie, Hamburg, on behalf of the German Ministry for the Environment within the framework of the future investment programme of the Federal Government (http://www.fino-offshore.de) 37

2 Modelling of the wind profile The lattice mast of the FINO1 platform has a strong influence on all wind sensors installed on the booms. There are strong wake effects as well as retardation upwind of the mast and lateral acceleration effects. This influence is much stronger than under onshore conditions, which is probably due to the lower turbulence intensity. Since up to now a wind tunnel or CFD analysis of the FINO1 mast is not yet available, the wind profile was modelled for the least disturbed wind direction (222 ) depending on the stratification. The modelling of the wind profile is based on the difference between air and water temperature. The Obukhov length is not used here as a parameter for two reasons: For one thing it is not sure whether the Monin- Obukhov (MO) theory describes the offshore wind profile adequately up to 100 m height. There is evireisezeiten. In Abb. 1 wurden die Positionen der Sensoren zur Erfassung der Windgeschwindigkeit und Richtung mit Pfeilen gekennzeichnet. Eine Reihe von baugleichen Schalensternanemometern befindet sich an der von der Plattform abgewandten Süd-Ostseite und erfasst die Langzeitwindgeschwindigkeiten in acht Höhen (33.5 bis m). Die Plattform stellt damit die weltweit höchste Dauerwindmessung im Offshorebereich dar. Auf der Nordwestseite des Mastes befinden sich klassische Windfahnen zur Windrichtungsbestimmung auf den Höhen 33.5, 50, 70 und 90m. Auf den Zwischenhöhen (40, 60 und 80m) wurden schnell aufzeichnende Ultraschallanemometer (USA) angebracht. Diese geben nicht nur Aufschluss über kurzzeitige Schwankungen der Windströmung (Turbulenz), sondern sind durch die Aufnahme des 3-D Windvektors auch in der Lage, die horizontale Windrichtung und vertikal gerichtete Windströmungen zu erfassen. Durch die gegenüber den Schalensternanemometern um 180 versetzte Lage, bieten sie darüber hinaus die Möglichkeit, die Windgeschwindigkeiten auf den unteren Lagen zusätzlich zu erfassen, wenn bei nordwestlichen Windrichtungen die Schalensternanemometer im Lee des Mastes liegen. Weitere Sensoren erfassen die meteorologischen Standardparameter wie Temperatur und Feuchte in unterschiedlichen Höhen. Modellierung des Windprofils Der Gittermast der FINO1-Plattform hat einen starken Einfluss auf alle Windmessgeräte, die an den Auslegern montiert sind. Es treten sowohl starke Abschattungs- als auch Stau- und seitliche Beschleunigungseffekte auf. Dieser Einfluss ist erheblich stärker als unter Onshore-Bedingungen, was auf die niedrigere Turbulenzintensität zurückzuführen sein dürfte. Da bis jetzt noch keine Windkanaloder CFD-Studie des FINO1-Masts verfügbar ist, wurde das Windprofil für die am wenigsten gestörte Windrichtung (222 ) schichtungsabhängig modelliert. Abb. 3: Fig. 3: Relative Windprofile an der FINO1-Plattform, aufgeschlüsselt nach der Differenz zwischen Luft- und Meeresoberflächentemperatur (dt=tluft-twasser). Relative wind profiles measured at the FINO1 platform, arranged according to the difference between air and sea surface temperature (dt=tair-twater). Abb. 2: Fig. 2: ~45km Ship 3-4 h Lageplan der FINO 1 Plattform Location of the FINO 1 platform Helicopter ~35 min identical cup anemometers has been arranged on the south-east side facing away from the platform which measure the long-term wind speed at eight different height levels (33.5 to m). The platform thus provides the highest continuous wind measurement in the offshore area world-wide. On the north-west side of the mast, classic wind vanes are installed at 33.5, 50, 70 and 90m height to determine the wind direction. High-resolution ultrasonic anemometers (USA) are installed at the intermediate levels (40, 60 and 80m). They not only provide data on short-term fluctuations of the wind flow (turbulence), but by means of the 3-D wind vector are also capable of recording the horizontal wind direction and vertical wind flows. Since they are arranged at a position of 180 to the cup anemometers they can provide an additional measurement of the wind speed at the lower levels when the wind is coming from the north-west and the cup anemometers are therefore lying in the wake of the met mast. Other sensors are measuring the meteorological standard parameters such as temperature and humidity at different levels. 38

3 Die Modellierung geschieht in Abhängigkeit von der Differenz zwischen Luft- und Wassertemperatur. Die Obukhov-Länge wird im vorliegenden Fall aus zwei Gründen nicht als Parameter verwendet: Zum einen ist unsicher, ob die Monin-Obukhov- Theorie (MO-Theorie) das Offshore-Windprofil bis in 100m Höhe in angemessener Weise beschreibt. Es gibt Belege dafür, dass der Anwendungsbereich dieser Theorie teilweise verlassen wird [1]. Im instabilen Fall werden die Gradienten überschätzt, während sie im leicht stabilen Fall unterschätzt werden. Auf stark stabile Zustände kann die Theorie gar nicht angewendet werden. Zum anderen wäre es für eine Langzeitbetrachtung der Windverhältnisse an der Fino1-Plattform erforderlich, für einen historischen Zeitraum eine zuverlässige Zeitreihe der Monin-Obukhov-Länge zu erlangen. Dies wäre beispielsweise möglich anhand von Temperatur- und Windgeschwindigkeitsmessungen, wie sie am Feuerschiff TW-Ems vorliegen. Allerdings ist die Qualität dieser Messdaten gering und insbesondere für die stabilen Wetterlagen ist diese Methode zur Bestimmung der Obukhov-Länge sehr ungenau. Deshalb wird im folgenden ein pragmatisches Verfahren angewendet, das zwar auch nur eine Näherung darstellt, das aber die oben beschriebenen Probleme bei der Anwendung der MO-Theorie vermeidet. Bei der Modellierung des Windprofils werden dabei solche Zustände separat behandelt, bei denen die Lufttemperatur dicht über dem Wasser um mehr als 1 C über der Meeresoberflächentemperatur liegt. Die Begründung für diese Aufteilung liegt in ihrem Vermögen, Situationen zu separieren, bei denen sich augenscheinlich ein von dem Rest der Zeit zu separierender physikalischer Zustand der Atmosphäre einstellt. Während das Windprofil an der FINO1-Plattform dadurch gekennzeichnet ist, dass meistens nur ein sehr geringer Gradient dence that the application scope of this theory does not completely cover the offshore conditions [1]. In the instable case the gradients are overestimated, whereas under slightly stable conditions they are underestimated. Under very stable conditions the theory cannot be applied at all. On the other hand it is necessary for a long-term assessment of the wind conditions prevailing at the FINO1 platform to have a reliable time series of the Monin-Obukhov length for a historic period. This could be done, for example, by using the temperature and wind speed measurements as they are provided by the lightship TWE-Ems. The quality of these data, however, is rather poor, and in particular for stable weather conditions this method to determine the Obukhov length is very inaccurate. Therefore in the following a pragmatic method is used which is also only an approximation, but avoids the problems described above when applying the MO theory. When modelling the wind profile, situations in which the air temperature close above the water is more than 1 C above the temperature of the sea surface, are dealt with separately in this method. The advantage of this method is its capability to filter situations characterised by a physical condition of the atmosphere that is different from the rest of the time. While the wind profile measured at the FINO1 mast is characterised by a mostly rather low gradient of wind speeds, there are special meteorological conditions which produce much higher gradients. These weather conditions occur mainly during south-westerly winds, when warm air is flowing over the colder sea water and so a particularly stable stratification occurs. In this situation, the air temperature is at least 1 C above the temperature of the sea surface. In Fig. 3 this effect is shown quantitatively based on the wind speed profile scaled with the 101.5m value. Abb. 4a/b: Zweidimensionale Histogramme der Windgradienten (10-min Mittelwerte) an der FINO1-Plattform. Zeiträume: Links bis , Rechts bis Die Farbskala entspricht der (mit dem Maximalwert skalierten) Wahrscheinlichkeitsdichte, bezüglich eines Gradienten (zwischen 101.5m und 60m) bei einer bestimmten Windgeschwindigkeit (in 101.5m). Fig. 4a/b: Two-dimensional histograms of the wind gradients (10-min mean values) measured at the FINO1 platform. Periods: left to , right to The colour range corresponds to the probability density (scaled with the maximum value), with reference to a gradient (between 101.5m and 60m) at a certain wind speed (at 101.5m). 40

4 der Windgeschwindigkeiten vorliegt, treten bei speziellen Wetterlagen erheblich höhere Gradienten auf. Besonders häufig treten diese Wettersituationen bei südwestlichen Winden auf, wenn warme Luft über das im Verhältnis kältere Meer strömt und so eine besonders stabile Schichtung entsteht. Die Lufttemperatur liegt dabei um mindestens 1 C über der Oberflächentemperatur des Meereswassers. In Abb. 3 lässt sich dieser Effekt anhand des auf den 101.5m-Wert normierten Windgeschwindigkeitsprofils quantitativ nachvollziehen. Für Situationen, bei denen die Temperatur der Luft unterhalb der des Meerwassers liegt, erkennt man bei 33.5m einen Rückgang der Windgeschwindigkeit auf 95% des 101.5m-Wertes. Liegt die Lufttemperatur um mehr als 1 C oberhalb der Wassertemperatur, so lässt sich eine deutlichere Geschwindigkeitsabnahme erkennen. Die nahezu linearen Gradienten hängen dabei systematisch von der Windgeschwindigkeit ab. Bei geringen Windgeschwindigkeiten fällt der 33.5m-Wert auf bis zu 40% des 101.5m-Wertes. In dem für die Windenergienutzung relevanten Bereich ist immer noch ein Geschwindigkeitsrückgang von bis zu 35% zu beobachten. Die Abb. 4a und 4b zeigen die Zustands- bzw. Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeitsdifferenz zwischen m und 60 m. Aufgrund des häufigen Auftretens von Situationen mit nur geringen Gradienten liegen die meisten Zustände, analog zur Darstellung in Abb. 3, in einem Bereich, wo die Windgeschwindigkeiten sich nur geringfügig (<1m/s) unterscheiden. In Abb. 4b ist dies durch das deutlich ausgeprägte Hauptmaximum zu erkennen. Daneben lässt jedoch der zweite Zustand, der die zuvor beschriebene stabile Wettersituation beschreibt, als Nebenmaximum erkennen. Insgesamt liegen mehr als 10% der Zustände in diesem Nebenmaximum mit deutlich höheren Ab- bzw. Zunahmen der Windgeschwindigkeit. Der Übergang vom Haupt- in das Nebenmaximum wird als ein positiv rückgekoppelter Prozess beschrieben, bei dem die Modifikation des Windprofils durch die atmosphärische Schichtung mit den Wellen wechselwirkt ( quasi- Abb. 5: Fig. 5 Perspektivische Darstellung des Histogramms aus Abb. 4a. The histogram from Fig. 5a shown in perspective. In situations where the air temperature is below the temperature of the sea, a decline of the wind speed to 95% of the 101.5m values can be seen at 33.5m. If the temperature of the air is more than 1 C above the water temperature, a more distinct decline in speed can be made out. The almost linear gradients 41

5 frictional decoupling, siehe z. B. [2]). Als Folge der schichtungsinduzierten Reduktion des abwärtsgerichteten, turbulenten Impulsflusses wird die Wellengenerierung gedämpft, was zu einer noch geringer gestörten Strömungssituation führt. Die Turbulenzintensitäten sinken stark ab (~4%). All diese Prozesse sind mit erheblichen Relaxationszeiten behaftet. Dies würde erklären, warum an der FINO1-Plattform im wesentlichen nur die beiden Zustände sehr hohe Gradienten und sehr geringe Gradienten beobachtet werden. Die genauen Zusammenhänge werden derzeit am DEWI mit Hilfe des mesoskaligen Atmosphärenmodells MM5 analysiert. Einige Ergebnisse sind im folgenden zusammengefasst. Einflüsse der synoptischen Wetterlage auf das Offshore-Windprofil Sogenannte Mesoskalige Atmosphärenmodelle können wichtige Beiträge zum Verständnis des Off- Abb. 6: Fig. 6: Abb. 7: Fig. 7: Ergebnis der MM5-Simulation: Druckverteilung auf Meereshöhe über Europa am , 0 Uhr UTC Sea Level Pressure over Europe at 00 UTC, 28 th October 2003 as simulated by the MM5 model. Ergebnis der MM5-Simulation: Geostrophischer Wind und Temperaturdifferenz [K] zwischen der Lufttemperatur in 80m Höhe und der Oberflächentemperatur am um 0 Uhr UTC. Geostrophic flow and differences [K ]between air temperature at 80m and surface temperature as simulated by the MM5 model at 0:00 UTC, 28 th Oct are systematically dependent on the wind speed. At low wind speeds the 33.5m value drops down to 40% of the 101.5m value. In the range particularly relevant for wind energy between m/s a decline in speed of up to 35% can still be observed. Figures 4a and 4b show the occurrence or frequency distribution of the wind speed difference between m and 60 m. Because of the frequent occurrence of situations with low gradients, most conditions, analogously to the presentation in Fig. 3, occur within a range where there are only slight differences between the wind speeds (<1m/s). This is shown in Fig. 5 with its distinctively developed principal maximum. Next to it, the second condition describing the stable weather situation mentioned above can be recognized as secondary maximum. Altogether more than 10% of the situations lie within this secondary maximum with clearly higher decreases or increases of the wind speed. The transition from the principal to the secondary maximum can be interpreted as a positive-feedback process, in which the modification of the wind profile due to the atmospheric stratification interacts with the waves ( quasi-frictional decoupling, see e.g. [2]). As a consequence of the stratification-induced reduction of the downward turbulent momentum flux, the generation of waves is dampened, which leads to a flow situation that is even less disturbed. The turbulence intensities are dropping heavily (~4%). All these processes have considerable relaxation times. This would explain why at the FINO1 platform mostly only two conditions, i.e. very high gradients and very low gradients were observed. A more detailed analysis of these phenomena is at present carried out at DEWI by means of the mesoscale atmospheric model MM5. Some of the results are summarized in the following: The influence of the meteorological synoptic situation on the offshore wind profile An effective way to obtain information and improve the understanding of offshore wind profiles is represented by the use of mesoscale models. DEWI used the mesoscale model MM5 to simulate the meteorological situation over Europe for two periods presenting clearly different wind profiles at FINO1. The first one is a three-day period (27-30 Oct-2003) presenting a relatively high pressure over Central Europe and a zone of depression over the Scandinavian Area (Fig. 6). This pressure distribution caused the advection of air coming from the SSW sector. Fig 7 shows the geostrophic wind and the difference between air temperature and surface temperature. During this period, air colder than the surface was blowing over the German Bight. The advection of cold air over relatively warm sea surface is typically related to high heat fluxes from the 42

6 Abb. 8: Vertikales Windprofil, gemessen an der FINO1-Plattform am um 0 Uhr UTC Fig. 8: Vertical wind profile measured at FINO1 at 0:00 UTC, 28 th October 2003 shore-windprofils liefern. Am DEWI wurde mit Hilfe des mesoskaligen Modells MM5 die Entwicklung des Wettergeschehens über Europa für zwei Situationen simuliert, die sich bezüglich des Windprofils an der Fino1-Plattform erheblich unterscheiden. Die erste Situation umfasst den Zeitraum vom bis zum Diese Situation ist gekennzeichnet durch ein Druckgefälle zwischen Mitteleuropa und Skandinavien (Abb. 6). Diese Druckverteilung führt zu Süd-Südwestlichen Winden in der Deutschen Bucht. In Abb. 7 ist der geostrophische Wind und die Differenz zwischen Luft- und Oberflächentemperatur dargestellt. Während dieser Periode lag in der Deutschen Bucht die Lufttemperatur unterhalb der Meeresoberflächentemperatur. Der Transport kalter Luft über das im Verhältnis wärmere Meer verursacht starke aufwärtsgerichtete Wärmeflüsse und starke turbulente Impulsflüsse. Infolgedessen wird die atmosphärische Grenzschicht homogenisiert und es treten im Mittel kaum vertikale Windgeschwindigkeitsgradienten auf (Abb. 8). Eine vergleichbare Simulation wurde für den Zeitraum vom bis zum durchgeführt. Die synoptische Situation unterscheidet sich durch das Tiefdruckgebiet über Island von der zuvor beschriebenen Wetterlage. Wie zuvor herrschen in der Deutschen Bucht Süd-Südwestliche Winde vor (Abb. 9 und 10). Im Unterschied zur ersten Situation war die Luft, die aus Mitteleuropa über die Nordsee transportiert wurde, wärmer als die Meeresoberfläche. Unter diesen Bedingungen entsteht eine stabile Schichtung: Die unteren Luftschichten kühlen ab und weniger dichte, warme Luft strömt tendenziell darüber hinweg. Infolgedessen sinkt die Turbulenzintensität ab und die vertikalen Gradienten nehmen zu (Abb. 11). Die Form des Offshore-Windprofils wird hauptsächlich durch die thermische Schichtung und weniger durch die Oberflächenrauhigkeit bestimmt. Folglich spielt die Temperaturdifferenz zwischen Luft und Abb. 9: Fig. 9: Ergebnis der MM5-Simulation: Druckverteilung auf Meereshöhe über Europa am , 0 Uhr UTC. Sea Level Pressure over Europe at 0:00 UTC, 17 th March 2004 as simulated by the MM5 model. water surface to the upper layers and is associated with high momentum exchange rates. These features lead to a well mixed boundary layer in which the air properties are almost unchanged for the complete column and as a consequence wind speed gradients remain low (See Fig. 8). A similar simulation for a second 4-day period (14-18 March 2004) was performed. For this period the synoptic situation was slightly different showing a low pressure system over Iceland and a high pressure over Central Europe causing, also in this case, the advection of air masses over the North Sea from the SSW sector (Fig. 9, 10). Differently from the previous situation, the air advected from the Continental Europe was warmer than the sea surface. These conditions are normally favorable to thermal stratification: Lower layers are cooled by the sea surface and less dense advected warm air tends to flow over them. The resulting flow is characterized by relatively low turbulence intensity and higher vertical gradients (See Fig 11). These considerations suggest that the shape of the wind profile over sea (differently from on-shore) is mainly affected by thermal stratification and, probably, only in a minor way influenced by surface roughness properties. Accordingly, differences in temperature between sea surface and air become important to determine the atmospheric stability properties and, consequently, wind profile. Since the temporal variation of sea surface temperature is typically slower than changes in air temperature, variations in atmospheric stratification over offshore are primarily affected by the temperature of the advected air. On the other hand, a direct relationship between stability effects and synoptic pressure systems was less clear. 44

7 Meeresoberfläche eine wichtige Rolle bei der Ermittlung der Stabilitätsbedingungen und damit des Windprofils. Weil die Meeresoberflächentemperatur erheblich langsamer variiert als die Lufttemperatur, ist die Ausprägung der atmosphärischen Schichtung in erster Line durch die Temperatur der Luftströmung bestimmt. Ein direkter Zusammenhang zwischen Stabilitätseffekten und synoptischer Druckverteilung war nicht augenfällig. Abb. 10: Fig. 10: Ergebnis der MM5-Simulation: Geostrophischer Wind und Temperaturdifferenz [K] zwischen der Lufttemperatur in 80m Höhe und der Oberflächentemperatur am um 0 Uhr UTC Geostrophic flow and differences [K ]between air temperature at 80m and surface temperature as simulated by the MM5 model at 0:00 UTC, 17 th March Langzeitkorrelation Die Messdaten des Top-Anemometers der FINO1- Plattform wurden mit Hilfe der Langzeit-Messdaten vom 130m-Mast am DEWI-Testfeld langzeitkorreliert (Zeitraum: bis ). Zur Einordnung des genannten Zeitraumes hinsichtlich der Langzeitwindbedingungen wurde eine Analyse von verschiedenen langjährigen Reanalyse-Datensätzen [4] durchgeführt. Demnach unterscheidet sich der Zeitraum diesbezüglich nicht signifikant von 20- bis 35-jährigen Perioden und wird daher als Langjahresmittelwert angenommen. Zur Korrelation wurde das in [3] beschriebene Verfahrens verwendet. Die Korrelation wurde darüber hinaus in Abhängigkeit von der Differenz zwischen Meeresoberflächentemperatur und Lufttemperatur dicht über dem Meer durchgeführt. Auf die langzeitkorrelierten Daten des Top-Anemometers wurde anschließend das schichtungsabhängig modellierte Windprofil, wie es in Abbildung 4 zu sehen ist, angewendet, um die Windbedingungen für tiefere Messhöhen zu erlangen. Hierbei wird zusätzlich ein anhand der Messdaten modellierter Rauschterm angewendet, der die Schwankungen der Windprofile realistisch modelliert. In Abb. 12 links erkennt man die (nicht korrelierte) Häufigkeitsverteilung der gemessenen Windge- 45

8 results of the correlation are presented in Fig. 12 on the right based on the Weibull distribution. Acschwindigkeiten über einen Zeitraum von mehr als einem Jahr ( bis ). Das Histogramm entspricht recht gut der Weibullverteilung, Windgeschwindigkeiten zwischen 15-20m/s wurden jedoch etwas häufiger gemessen als es der idealisierten Verteilung entspricht. Die Ergebnisse der Korrelationsrechnung werden anhand der Weibullverteilungen in Abb. 12 rechts deutlich. Die Korrelation ist demnach für größere Unterschiede in den Windgeschwindigkeiten verantwortlich als die Differenz zwischen 100m und 80m Messhöhe. Auffällig ist die Zunahme der Windgeschwindigkeiten im Bereich um 20m/s. Fazit Zu den augenfälligsten beobachteten meteorologischen Vorgängen an der FINO1-Plattform gehört die stark unterschiedliche Ausprägung des vertikalen Windprofils. Ein genaues Verständnis dieses und weiterer beobachteter Phänomene ist dabei nicht nur von Interesse für die meteorolologische Grundlagenforschung, sondern betrifft die Offshore Windenergie in Bezug auf die Planung von Windparks und das Design von Offshore-Windenergieanlagen. Nur bei einem hinreichenden Verständnis der physikalischen Vorgänge kann eine geeignete Wahl von Filterkriterien zu sicheren Langzeitprognosen führen und damit eine verlässliche Abschätzung der Energieerträge sicherstellen. Die Analyse der Grenzschicht mit Hilfe eines mesoskaligen Atmosphärenmodells hat sich zum Verständnis des Windprofils als hilfreich erwiesen. Ein solches Modell kann darüber hinaus zur Ermittlung der räumlichen Variation der Windbedingungen in der Deutschen Bucht angewendet werden, um so die langzeitkorrelierten Daten der FINO1-Plattform unter Berücksichtigung der relevanten Einflussfaktoren auf die Windparkstandorte zu extrapolieren. Das Windprofil zeigt im Mittel eine geringe Windgeschwindigkeitszunahme mit der Höhe, was der geringen Rauhigkeit der Meeresoberfläche entspricht. Neben der Grundrauhigkeit spielen der Wärmetransport zwischen dem Wasser und der Luft jedoch Abb. 12: Fig. 12: Häufigkeitsverteilungen der Windgeschwindigkeit an der FINO1-Plattform. Alle Höhen sind in Metern über Seekartennull angegeben. Frequency distribution of the wind speed measured at the FINO1 platform. All levels are indicated in metres above chart datum. Abb. 11: Vertikales Windprofil, gemessen an der FINO1-Plattform am um 0 Uhr UTC. Fig. 11: Vertical wind profile measured at FINO1 at 0:00 UTC, 28 th October 2003 Long-term correlation The data measured by the top anemometer of the FINO1 platform have been long-term correlated with the long-term data from the 130m met mast at the DEWI test site (period: to ). In order to assess this period with regard to the longterm wind conditions, an analysis of various longterm reanalysis data records [4] was carried out. This analysis has shown that the period is not significantly different from 20- to 35-year periods and can therefore be accepted as a long-term mean value. For the correlation the procedure described in [3] was used. Furthermore, the difference between the temperature of the sea surface and the air temperature close above the sea was taken into account for the correlation. Then the wind profile modelled depending on the stratification, as seen in Fig. 4, was applied to the long-term correlated data of the top anemometer, in order to obtain the wind conditions for lower measurement levels. Here in addition a noise term modelled according to the measured data is applied, which models the fluctuations of the wind profiles realistically. Fig. 12 on the left shows the (non-correlated) frequency distribution of the wind speeds measured over a period of more than a year ( to ). The histogram corresponds rather well to the Weibull distribution, although wind speeds between m/s were measured slightly more frequently than it would correspond to the idealised distribution. The 46

9 cording to this, the correlation is responsible for greater differences in wind speed as the difference between 100 m and 80 m measuring height. Noticeable is the increase in the range around 20m/s. Abb. 13: Gemessene Windrichtungsverteilung in 90m Höhe über Seekartennull ( bis ). Fig. 13: Measured distribution of wind directions at 90m above chart datum ( to ). eine wesentliche Rolle bei der Ausprägung der atmosphärischen Schichtung. Bei entsprechenden Randbedingungen führt dieses in einem Zeitraum von mehr als 10% des Jahres zu einem Windprofil, welches stark von dem durchschnittlichen Profil abweicht. Hierbei werden Windgradienten beobachtet, die, wenn auch bei geringerer Turbulenz, den an Land vorkommenden entsprechen. Es ist zu prüfen, in wie weit dieser Umstand bei der Auslegung von Offshore-WEA berücksichtigt werden muss. Derzeit werden am DEWI Forschungsaktivitäten vorbereitet, die auf eine genauere Untersuchung der physikalischen Vorgänge in der atmosphärischen Grenzschicht speziell im Hinblick auf das Design von WEA abzielen. In Verbindung mit der Industrie, Universitäten und Zertifizierern von WEA sollen dabei Vorschläge für eine Anpassung des bestehenden Normenwerkes erarbeitet werden. Referenzen / References [1] B. Lange, S. Tautz: Bestimmung von Wärmeund Impulsfluss in der marinen atmosphärischen Grenzschicht für die Offshore-Windenergienutzung (BAGO), ForWind, Zentrum für Windenergieforschung, Universität Oldenburg, [2] L. Mahrt, D. Vickers, J. Sun, T.L. Crawford: Surface stress in offshore flow and quasifrictional decoupling, Journal of Geophysical Research, Vol. 106, No. D18, pp , [3] V. Riedel, M. Strack, H.P. Waldl: Robust Approximation of functional Relationships between Meteorological Data: Alternative Measure-Correlate-Predict Algorithms. Proceedings EWEC 2001, Copenhagen. [4] E. Kalnay et. al. : The NCEP/NCAR 40-Year Reanalysis Project, Bulletin of the American Meteorological Society, Vol. 77, No. 3, Conclusion One of the most striking meteorological phenomena observed at the FINO1 platfom is the strong variation of the vertical wind profile. A detailed investigation into this and other phenomena observed is not only interesting for the meteorological basic research, but also for offshore wind energy, in particularly for the planning of wind farms and the design of offshore wind turbines. Only when the physical principles are understood properly, suitable filter criteria can be selected and used for safe longterm predictions, which are the pre-requisite for reliable energy yield assessments. The analysis of the boundary layer by means of a mesoscale atmospheric model has proved to be useful in order to interpret the wind profile. Such a model can also be used for determining the spatial variation of the wind conditions in the German Bight, in order to extrapolate the long-term correlated data of the FINO1 platform to the wind farm sites, taking into account the relevant influencing factors. On an average, the wind profile shows only a small increase in wind speed with height, which is due to the low roughness of the sea surface. Apart from the roughness, however, the heat transfer between the water and the air also plays an important role in the development of the atmospheric stratification. Under certain conditions, this leads to a wind profile strongly deviating from the average profile during a period of more than 10% of the year. Wind gradients are observed which correspond to those prevailing onshore, although with lower turbulence. It is to be investigated in how far this circumstance has to be taken into account in the design of offshore wind turbines. At present research activities are being prepared at DEWI which aim at a more detailed investigation of the physical phenomena in the atmospheric boundary layer, in particular concerning the design of wind turbines. In co-operation with the industry, universities and certification bodies for wind turbines a proposal for a revision of the existing technical standards is to be prepared. 48

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