Wind gusts in the atmospheric boundary layer

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-336-025-9
Title: Wind gusts in the atmospheric boundary layer
Author: Suomi, Irene
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics, Ilmakehätieteiden osasto
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Wind gusts, which are short duration (typically 3 s) wind speed maxima, are representative of the extreme wind conditions. They are very important for human activity, because the strongest gusts associated with storms are the most significant single cause of natural hazards. The impact of wind gusts on different structures depends on the characteristics of each structure. For example for wind energy, it is important to know both the probability of extreme maximum gusts in time scales of decades for the design of power plants and in the shorter term to support wind turbine operations. For wind gust forecasting it is essential to have reliable wind gust observations. Traditionally, observations have only been available from weather stations where the wind is usually measured at a reference height of 10 m. For wind energy, information is needed at greater heights, as the hub heights of the largest turbines extend even above 150 m. The main aim of this work has been to investigate wind gusts across the entire atmospheric boundary layer based on observations from tall meteorological masts as well as applying new measurement methods developed in this dissertation. The novel methods are based on turbulence measurements taken on board a research aircraft and by a Doppler lidar. The research aircraft can fly long distances in a short time, so the measured wind speeds do not represent wind speed variation in time but they are a function of flight distance. The new method developed in this dissertation to compare temporal and spatial scales allows the measurement of wind gusts from a research aircraft. Then, observations can be obtained from places where traditional weather stations or meteorological masts cannot be deployed. Applying the new method, the observed wind gusts from the marine Arctic matched well with those observed at a meteorological mast in the Baltic Sea, although also differences were observed between these environments. Doppler lidar provides radial wind speed measurements along a laser beam transmitted by the instrument. When data from at least three lines of sight are combined, the three-dimensional wind vector can be derived. However, the measurements from multiple lines of sight take several seconds, and the different beams represent different measurement volumes. For these reasons, the measured wind speed maxima from the Doppler lidar used in this work were higher than the corresponding wind gusts from the nearby meteorological mast. In this dissertation, we developed a new theoretical method that significantly reduced this positive bias. Wind gust measurements are usually prone to measurement errors, called outliers. The use of a spike removal algorithm typically applied in traditional turbulence measurements, resulted in significantly improved Doppler lidar data quality. The method performed even better than the traditional data quality assurance methods based on carrier-to-noise ratio, by removing the unrealistic outliers present in the time series. Based on the above wind gust measurements, it was found that in the lowest part of the atmospheric boundary layer the ratio of the wind gust speed and the mean wind speed, called the gust factor, decreases strongly with measurement height. The higher the aerodynamic roughness of the surface, the greater is the change. Moreover, the static stability of the atmosphere affects the gust factor: the decrease of the gust factor with height is clearly smaller in unstable than in stable conditions. The gust parameterizations used in numerical weather prediction models were originally designed for the reference measurement height of 10 m. A new parameterization was developed that takes into account not only the effects of surface roughness and atmospheric stability but also the height above the surface. Based on meteorological mast and research aircraft measurements, the new parametrization yielded better results than previous methods.Tuulen puuskat, eli tuulen nopeuden hetkelliset (kestoltaan noin 3 s) maksimit kertovat tuulen ääriolosuhteista. Ne ovat ihmisen toiminnan kannalta erittäin tärkeitä, sillä voimakkaat myrskypuuskat ovat suurin yksittäinen luonnon aikaansaamien tuhojen ja vaaratilanteiden aiheuttaja. Puuskien vaikutus eri rakenteille riippuu paljon tarkasteltavan rakenteen ominaisuuksista. Esimerkiksi tuulienergian kannalta on tärkeää tietää sekä todennäköisyys äärimmäisille puuskaoloille vuosikymmenien aikaskaalassa voimaloiden suunnittelun kannalta että lyhyemmällä aikavälillä voimaloiden operatiivisen toiminnan tueksi. Puuskien ennustamisen kannalta luotettavat puuskahavainnot ovat ensisijaisen tärkeitä. Perinteisesti puuskahavaintoja on ollut saatavilla vain säähavaintoasemilta, joissa tuulta tyypillisesti mitataan 10 m referenssikorkeudella. Tuulivoimaloiden kannalta tietoa tarvitaan ylempää, sillä suurimpien voimaloiden napakorkeus on nykyisin jopa yli 150 m. Tässä väitöskirjatyössä on tarkasteltu tuulen puuskaisuutta koko ilmakehän rajakerroksessa perustuen korkeiden meteorologisten mastojen havaintoihin sekä tässä väitöskirjatyössä kehitettyjen uusien mittausmenetelmien avulla. Uudet menetelmät perustuvat tutkimuslentokoneella ja Doppler lidarilla tehtyihin mittauksiin. Tutkimuslentokone pystyy lyhyessä ajassa lentämään pitkiä matkoja, jolloin mitattu tuulen nopeuden aikasarja ei edusta tuulen ajallista vaihtelua vaan tuulen nopeuden vaihtelua lentomatkan suhteen. Väitöskirjatyössä kehitetty uusi menetelmä tuulen nopeuden ajallisen ja paikallisen vaihtelun vertaamiseen mahdollistaa puuskien mittaamisen tutkimuslentokoneesta, jolloin havaintoja saadaan myös paikoista, joissa ei ole säähavaintoasemia tai meteorologisia mastoja. Uutta menetelmää soveltaen arktisilla merillä tehdyt puuskaisuusmittaukset vastasivat hyvin Itämerellä meteorologisesta mastosta käsin tehtyjä mittauksia, vaikka erojakin havaittiin näiden ympäristöjen välillä. Doppler lidarilla voidaan mitata lasersäteen avulla säteen suuntaista tuulen nopeutta. Yhdistämällä tietoa vähintään kolmelta eri suuntaan suunnatulta säteeltä, saadaan mittauksista johdettua kolmiulotteinen tuulivektori. Usean säteen mittaamiseen kuluu kuitenkin aikaa useita sekunteja, ja eri säteet edustavat eri mittaustilavuuksia. Tämän vuoksi tässä työssä käytetyn Doppler lidarin mittaamat tuulen nopeuden maksimit olivat korkeampia kuin vastaavat meteorologisesta mastosta mitatut puuskanopeudet. Tässä väitöskirjatyössä kehitettiin uusi teoreettinen menetelmä, joka pienentää huomattavasti tätä positiivista harhaa. Puuskien mittaus on altis mittausvirheille. Käyttämällä perinteisissä turbulenssimittauksissa usein sovellettua piikkien poistoalgoritmia, pystyttiin Doppler lidarin puuskamittauksia parantamaan huomattavasti. Menetelmä toimi jopa paremmin kuin perinteiset Doppler lidarin signaalin voimakkuuteen perustuvat laadunvarmistusmenetelmät, sillä sen avulla pystyttiin poistamaan yksittäisiä epärealistisen suuria arvoja mitatusta tuulen nopeuden aikasarjasta. Saatujen mittaustulosten perusteella havaittiin, että rajakerroksen alaosassa puuskanopeuden ja tuulen nopeuden suhde, puuskakerroin, pienenee voimakkaasti mittauskorkeuden funktiona. Muutos on sitä voimakkaampaa mitä suurempi on alustan aerodynaaminen rosoisuus. Myös ilmakehän staattinen stabiilisuus vaikuttaa puuskakertoimeen: kertoimen muutos mittauskorkeuden funktiona on selvästi pienempi epästabiileissa kuin stabiileissa olosuhteissa. Puuskien ennustamiseen käytetyt puuskaparametrisoinnit on alunperin suunniteltu 10 m referenssimittauskorkeudelle. Työssä kehitettiin uusi parametrisointi, joka ottaa huomioon alustan rosoisuuden ja ilmakehän stabiiliuden lisäksi myös mittauskorkeuden. Vertailut meteorologisista mastoista ja tutkimuslentokoneilla tehtyihin mittauksiin vahvistivat, että uusi parametrisointi tuotti parempia tuloksia kuin aikaisemmat menetelmät.
URI: URN:ISBN:978-952-336-025-9
http://hdl.handle.net/10138/199817
Date: 2017-08-25
Subject:
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
windgust.pdf 7.678Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record