Für die Beurteilung des Klimas und insbesondere für die Analyse des Windfeldes wäre ein Messnetz wünschenswert, bei dem jede einzelne Station Messwerte liefert, die repräsentativ für eine genau definierte Umgebung sind. Es lässt sich jedoch weder von der theoretischen Seite her für alle natürlich vorkommenden Geländeformen auf ein­fache Weise der Einflussradius genau angeben, noch ist es möglich, Messungen nach einheitlichen Regeln über mehrere Jahrzehnte durchzuführen. Selbst wenn eine Messstation zu Beginn der Mes­sungen optimal ausgewählt worden ist, wird sie oft im Laufe weniger Jahre durch Ausweitung der Bebauung in der Umgebung, durch höher werden­de Baumbestände oder durch Strassenbaumassnah­men (Brücken, Dämme) Störeinflüssen ausge­setzt. Dann bleibt es oft nicht aus, dass der Mess­standort verlegt werden muss. Die diesem Ab­schnitt zugrundeliegenden Messdaten stellen da­her in strengem Sinne keine homogene Daten­grundlage dar. Es ist jedoch gelungen, die an einer grösseren Zahl von Stationen gewonnenen Mess­daten zusammenzustellen. Hierdurch kann trotz der hohen räumlichen und zeitlichen Variabilität des Windfeldes die Systematik des Strömungsfeldes in Abhängigkeit von der Geländeform erar­beitet werden.

In Tabelle 4.5.1 ist das Verzeichnis der für die Analyse herangezogenen Windmessstationen an­gegeben. Neben dem Namen und den geographi­schen Koordinaten der Station sind darin die Sta­tionshöhe sowie die Messhöhe über Grund aufge­führt. Zusätzlich sind Angaben über die Dauer der Messreihe und das Zeitintervall enthalten, in dem die einzelnen Mittelwerte von Windgeschwindig­keit und Windrichtung erfasst werden, und die Windrichtungsklassen, die in den Karten 4.5.1 bis 4.5.13 verwendet worden sind.

Aus der Tabelle wird sofort deutlich, dass so­wohl die Messhöhe über Grund als auch die Mess­periode und das Mittelungsintervall für die einzel­nen Stationen sich erheblich unterscheiden.

Zur Bearbeitung standen zwei Möglichkeiten zur Verfügung:

• eine strenge von der theoretischen Seite gefor­derte Homogenisierung der Messdaten vorzu­nehmen,
• alle Messdaten, soweit sie eine bestimmte Min­destlänge der Aufzeichnung umfassen, in die Analyse mit aufzunehmen.

Da die Erfahrung zeigt, dass in Gebieten mit starkem orographischem Einfluss die wichtigsten Zusammenhänge bereits aus einer mindestens ein­jährigen Messreihe erkennbar sind, ist von der zweiten Möglichkeit Gebrauch gemacht worden. Es sind damit die Nachteile, die sich aus einer Zusammenstellung von Winddaten aus unter­schiedlichen Messhöhen, aus unterschiedlichen Zeiträumen und mit unterschiedlicher Mittelbil­dung ergeben, bewusst in Kauf genommen wor­den. Im ersten Fall hätte eine Reihe von Umrech­nungen vorgenommen werden müssen, z.B. eine Umrechnung der Windgeschwindigkeit auf eine einheitliche Referenzhöhe von 10 m über Grund. Hierzu wäre es wegen mangelnder Information über die im Tagesverlauf variierende thermische Schichtung notwendig gewesen, von einem neu­tralen (logarithmischen) Windprofil auszugehen. Zusätzlich hätten aerodynamische Rauhigkeits­werte des Untergrundes abgeschätzt und Einflüs­se der Geländeform bezüglich einer möglichen Geschwindigkeitsüberhöhung berücksichtigt wer­den müssen.

Da auch weitere Einflüsse wie Bewuchsver­hältnisse und Gebäudeanordnungen in der weite­ren Umgebung eine Rolle spielen und nur schwer korrigierbar sind, wurde von einer mit einer Fülle von theoretischen bzw. empirischen Annahmen befrachteten Korrektur insgesamt Abstand genom­men. Stattdessen wurde einer möglichst vollstän­digen Dokumentation, wo, wie und wann die Messwerte erfasst worden sind, der Vorzug gege­ben.

Über ideal ebenem Gelände folgt die Verände­rung der Windgeschwindigkeit mit der Höhe bis etwa 50 m über Grund bei neutraler thermischer Schichtung dem logarithmischen Gesetz:

Hierbei ist z die Messhöhe über Grund, z₀ die vom Bewuchs abhängige aerodynamische Rau­higkeit des Untergrundes, k = 0,4 die von Karman Konstante und u_* die Schubspannungsgeschwin­digkeit, zusätzlich muss bei bewachsenem Unter­grund die Verdrängungshöhe d berücksichtigt werden.

Bei thermisch geschichteter Luft müssen zu­sätzlich noch Stabilitätsfunktionen berücksichtigt werden:

Diese Stabilitätsfunktionen sind durch aufwen­dige Feldexperimente bestimmt worden. Neben der Messhöhe z hängen sie von der Monin­Obuchow-Länge ab.

Diese Länge enthält neben dem Auftriebsfaktor g/T₀ (g = Erdbeschleunigung, Ta = Referenz­temperatur = 288 K) insbesondere den vertikalen turbulenten Fluss fühlbarer Wärme w'T'.

Kennzeichnend für das Verhalten des Windes bei neutraler Schichtung ist, dass bei einer Ver­dopplung der Messhöhen die Geschwindigkeit je­weils um den gleichen Betrag zunimmt. Wenn beispielsweise die Windgeschwindigkeit von z₁ = 0,5 m bis z₂ = 1 m um 0,5 m s^-1 zunimmt, so ergibt sich die gleiche Zunahme

bei einer Wahl der Höhen z₁ = 1 m, z₂ = 2 m oder z₁ = 32 m und z₂ = 64 m.

In Figur 4.5.1 ist der schematische Verlauf der Windgeschwindigkeit als Funktion der Höhe z dargestellt. Im Vergleich dazu ist das am 200 m hohen Messmast des Forschungszentrums Karls­ruhe gemessene vertikale Profil vom 3.2.1990 dargestellt. Dieses Profil wurde während einer extremen Sturmsituation zu Beginn des Jahres 1990 beobachtet. Aus der Kenntnis eines solchen Profils lässt sich aus der Steigung der Geraden die Schubspannungsgeschwindigkeit u_* und aus dem Ordinatenabschnitt für u = 0 die aerodynamische Rauhigkeit z₀ ablesen. Bei Vorgabe eines Schätz­wertes der Rauhigkeitslänge z₀ kann man unter Zugrundelegung eines logarithmischen Profils aus einer in der Höhe z gemessenen Windgeschwin­digkeit die Werte für alle anderen Messhöhen umrechnen. Dieses Gesetz gilt nur bei Vorliegen eines ebenen und homogen bewachsenen Gelän­des bis zu einer Höhe von etwa 50 m bis 100 m über Grund. Für andere Bedingungen kann diese Gesetzmässigkeit nur für die Gewinnung erster Schätzwerte verwendet werden. Um solche Schätz­werte aus den gemessenen Werten ermitteln zu können, ist in Figur 4.5.2 der Zusammenhang von aerodynamischer Rauhigkeit und Art der Boden­unterlage angegeben.

Fig. 4.5.1: Vergleich des schematischen Verlaufs der Windgeschwindigkeit als Funktion der Höhe mit dem am 200 m hohen Messmast des Forschungszentrums Karlsruhe am 3.2.1990 um 19.00 UTC gemessenen Profil.

Die unterschiedliche Ausgangsbasis bezüglich der verfügbaren Datengrundlage macht sich auch dadurch bemerkbar, dass bei der statistischen Ana­lyse für die Windrichtungssektoren keine einheit­liche Aufteilung vorgenommen werden konnte. Wie aus der Tabelle 4.5.1 zu ersehen ist, wurde für die überwiegende Zahl der Stationen eine Auftei­lung in 10 °-Richtungsklassen gewählt. Für eine Reihe der Stationen musste die Aufteilung in 30 °-Sektoren (12-teilige Windrose), in einigen weni­gen weiteren Fällen in 20°-Sektoren in Kauf genommen werden. Die unterschiedliche Aus­gangssituation ist jeweils durch unterschiedliche Farbgebung für die Häufigkeitskreise in den Karten 4.5.1 bis 4.5.13 kenntlich gemacht worden.

Fig. 4.5.2: Aerodynamische Rauhigkeit verschiedener Oberflächen (nach GEIGER 1961).

Tab. 4.5.1: Stationen der Windmessung.