V ersuche über die praktische Anwendung der Windkurven

371 Allgemeines

Anhand der Windkurven für die verschiedenen Windrichtungen dürfte es möglich sein, die Schutzwirkung parallel gestaffelter Windschutzwände auch für eine allseitige Bewindung zu berechnen. Daß es sich dabei nur um eine grobe Annäherung an die wirklichen Verhältnisse handeln kann, liegt auf der Hand. Besonders problematisch wirkt sich dabei die mangelnde Kenntnis der Turbulenzverhältnisse aus, die ja von wesentlichem Einfluß auf die Schutzwirkung sind und die, sowohl zeitlich wie wind-richtungsbedingt, starken Schwankungen unterliegen. Immerhin dürfte bei der Pla-nung von Windschutzanlagen eine solche BerechPla-nung von Nutzen sein, da sie uns wenigstens eine gewisse Vorstellung über die Auswirkung gestaffelter Windschutz-streifen auch dann vermittelt, wenn keine ausgesprochenen Hauptwindrichtungen vor-liegen.

Im folgenden sollen also die resultierenden Windkurven für verschiedene Wind-richtungen und Windstärken berechnet werden, wie sie im Mittel über län-gere Zeiträume auftreten. Untersucht wird aber nur die mittlere Staffelung mit Wandabständen von 15 X h, welche für die praktische Anwendung wohl am geeignetsten erscheint und für welche auch die zuverlässigsten Windkurven vorlie-gen. Es wurden zu diesem Zwecke in Tabelle 3 auch die Windkurven für die Wind-richtungen S und SSE aufgenommen, welche zwar weniger genau, andererseits aber auch von geringerer Bedeutung sind. Insbesondere hätte es für SSE- resp. NNW-Wind, also für die Windströmungen parallel zu den Wänden, genügt, überall ein Windpro-zent von 100

%

einzusetzen. In Anlehnung an die in Abschnitt 39 zu behandelnden Messungen wurde aber doch eine etwas wirklichkeitsnähere, symmetrische Windkurve entworfen mit einem Windprozent von 80

%

in unmittelbarer Wandnähe und einer etwas überhöhten Windgeschwindigkeit im mittleren Bereich zwischen den Wänden.

Zur Erläuterung der Berechnungsart werden die Verhältnisse gewählt, wie sie für unsere Messungen zutrafen, d. h. einem Verlauf der Windwände von SSE nach NNW.

Bei allseitiger Bewindung werden wir daher einmal die gegen WSW, andererseits aber auch die gegen ENE gerichtete Hälfte der Windrose, als Luvseite zu betrachten haben.

Die in diesem Falle den einzelnen Windrichtungen zukommende Bedeutung geht aus dem nachstehenden Schema hervor, wobei a die Abweichung der betreffenden Wind-richtung von der senkrechten AnströmWind-richtung bedeutet:

Luvseite = WSW a Luvseite = ENE

wsw

^{og ENE}

sw = w

^{25g NE}

=

^E

SSW

=

^{WNW sog NNE ESE}

s

NW 75g N

=

^SE

SSE NNW 100g NNW = SSE

Für die Windrichtungen, für welche WSW als Luvseite gilt, sind die in Tabelle 3 enthaltenen Windprozente in der vorliegenden Reihenfolge anwendbar. Für die Rich-tungen, für die ENE als Luvseite zu betrachten ist, müssen die entsprechenden Wind-kurven resp. Windprozente spiegelbildlich vertauscht werden. Dabei war es notwen-dig, die errechneten Windkurven leewärts von Punkt 55 h bis zu Punkt 60 h der Meß-strecke, d. h. bis auf eine Distanz von 15 X h hinter die letzte Schilfwand zu verlän-gern, um auch bei dieser Vertauschung von Luv und Lee die gleiche Meßstrecke folge-richtig decken zu können. Das Windprozent 100

%

gehört in diesem Falle also zu Punkt 60 h. Diese Verlängerung um nur 5 X h bot keine Schwierigkeiten, und die diesbezüglichen Windprozente sind in Tabelle 3 ebenfalls enthalten.

Erste Voraussetzung für die Berechnung einer der allseitigen Bewindung entspre-chenden Windkurve ist natürlich das Vorhandensein einer entspreentspre-chenden Windrose, aus welcher das, jeder der 16 Windrichtungen entsprechende Häufigkeitsprozent be-rechnet werden kann. Dabei wird die Summe aller Ablesungen mit Wind, d. h. ohne die Kalmen, zu 100

%

gesetzt. Ferner ist die Kenntnis der mittleren

Windgeschwin-265

digkeit für jede einzelne Windrichtung erforderlich. lm allgemeinen werden allerdings diese Grundlagen für potentielle Windschutzgebiete fehlen. Am ehesten sind sie von Flugplätzen erhältlich, die ja meist in größeren, windschutzbedürftigen Ebenen liegen.

Leider sind aber für unsere schweizerischen Flughäfen nur die Windmessungen von Zürich-Kloten und Genf-Cointrin den obigen Anforderungen entsprechend zusammen-gestellt. Besonders erwünscht wären dabei diejenigen der Flugplätze Locarno und Sion gewesen.

Falls aber diese Berechnungsgrundlage tatsächlich vorhanden ist, kann bei der Auswertung wie folgt vorgegangen werden:

a) Zunächst muß die über alle Windrichtungen gemillelte Freilandwindgeschwindig-keit bestimmt werden, welche sich aus den GeschwindigFreilandwindgeschwindig-keiten für jede Windrich-tung unter Berücksichtigung der entsprechenden Häufigkeitsprozente als gewogenes Mittel ergibt.

b) Für jede einzelne Windrichtung muß sodann, für sämtliche Punkte von - 15 h bis

+

60 h, anhand der in Tabelle 3 enthaltenen Windprozente die mittlere Windge-schwindigkeit jedes Punktes in m/sec berechnet werden, wobei die, ebenfalls in m/sec ausgedrückte, beobachtete Windgeschwindigkeit der betreffenden Richtung zu 100

%

gesetzt wird.

c) Die so erhaltenen Werte für jede Windrichtung und jeden Punkt müssen noch mit den entsprechenden Richtungshäufigkeitsprozenten multipliziert werden. Für jeden Punkt werden die so gebildeten Produkte aller Windrichtungen addiert, und bei Division dieser Summen durch 100 (= Summe der Häufigkeitsprozente) erhält man die gewogenen -Mittel der Windgeschwindigkeit für jeden Punkt in m/sec.

d) Diesen absoluten Werten entspricht der unter a berechnete Freilandwind. Setzt man diesen zu 100

%,

so läßt sich für jeden Punkt das für die Gesamtbewindung gültige Windprozent berechnen.

Zur Vereinfachung der Berechnung können äquivalente Windrichtungen, in unserem Falle z.B. SW und W, SSW und WNW, durch Addition ihrer Häufigkeitsprozente und Ermittlung des gewogenen Mittels der beiden korrespondierenden Windgeschwin-digkeiten zusammengefaßt werden. Die Zahl der zu behandelnden Richtungen redu-ziert sich auf diese Weise von 16 auf 9.

In den Abschnitten 372 bis 374, werden drei solchermaßen berechnete Wind-kurven dargestellt.

372 Berechnung der Windkurve entsprechend der Winter-Windrose von Kloten

Als Grundlage für die Berechnung dieser Windkurve dient die in Figur 1 darge-stellte Windrose, deren Werte aus folgender Zusammenstellung zu ersehen sind:

N NNE NE ENE E ESE SE SSE S SSW SW WSW W WNW NW NNW

Häufigkeit% 3,5 5,7 9,1 6,2 5,0 3,6 4,3 4,,1 4,4 4,1 7,7 11,7 13,1 7,9 5,9 3,7

Geschwindig-keit m/sec 2,10 2,71 3,67 3,78 2,20 1,74, 1,77 1,73 1,81 2,29 3,07 4,21 3,81 3,05 2,43 2,11

Für die Berechnung reduziert sich diese Verteilung au:f nachstehende 9

Wie bei den bishe'rigen Betrachtungen wurde also auch für diese theoretische Unter-suchung die Richtung der Wände im Sinne von Figur 1, d. h. von SSE nach NNW verlaufend, beibehalten.

Das Resultat der Berechnung ist in Figur 27 dargestellt. Ermittelt wurde das mittlere Windprozent für jeden Punkt im Vielfachen von h. Die bisherige Numerierung wurde beibehalten, obschon nun je nach Windrichtung einmal der Abschnitt - 15 h bis Oh, einmal derjenige von 45 h bis 60 h als Luvseite zu betrachten ist. Diese Wechselwirkung hat zur Folge, daß die berechnete mittlere Freilandwindgeschwindigkeit, von 2, 98 m/ sec=

100

% ,

hier nirgends erreicht wird. Trotz der relativ stark ausgebauchten Windrose wird eine ansehnliche Schutzwirkung erzielt. Die mittleren Windprozente zwischen den einzelnen Wänden ergeben folgendes Bild:

Berechnete Windkurve für eine der Winter-Windrose von Kloten entsprechende Bewindung und eine Staffelung im Abstand von 15 x h

Damit hat das mittlere Windprozent zwischen der ersten und der letzten Wand ge-genüber einseitiger, senkrechter Anströmung nur um 11

%

zugenommen. Auffallend ist dabei auch die starke Ausgeglichenheit der Windprozente zwischen den einzelnen Wänden mit sehr kleinen Amplituden, gegenüber den Windkurven für einzelne Wind-richtungen. Dies ist um so erstaunlicher, als natürlich auf den meisten Punkten, je nach Windrichtung, sehr starke Unterschiede auftreten müssen. Das Vorherrschen mehr oder weniger diametral auftretender Windrichtungen wirkt aber stark ausglei-chend auf die Windkurve. Immerhin ist eine deutliche Überlegenheit der Winde aus dem Westsektor festzustellen, denn die Lage der minimalen Windprozente ist im Ver-gleich zu reinem WSW-Wind, wie er in Figur 22 vorliegt, kaum verändert.

373 Berechnung der Windkurve bei allseitig gleichmäßiger Bewindung

Im Beispiel von Abschnitt 372 sind zwar auch mehr oder weniger parallel zu den Wänden verlaufende Windrichtungen festzustellen, doch sind diese, sowohl hinsicht-lich ihrer Häufigkeit wie auch ihrer Geschwindigkeit, ziemhinsicht-lich bedeutungslos. Es fragt sich nun, wie sich die Windkurve gestalten würde, wenn namhafte Querwinde mit im Spiel wären. Es wurde daher eine solche Berechnung durchgeführt unter der Annahme, daß die Winde aus allen 16 Windrichtungen gleich häufig seien und auch alle die gleiche Windgeschwindigkeit besäßen. Das Resultat ist aus Figur 28 zu erse-hen. Vorherrschende Windrichtungen gibt es in diesem Falle nicht, und es ist daher auch belanglos, in welcher Richtung die gestaffelten Windwände angelegt werden.

Auch in diesem Extremfall ergibt sich noch eine ganz beachtliche mittlere Schutz-wirkung. Im betrachteten Bereich steigen die mittleren Windprozente nirgends über

60

40

Figur 28

Berechnete Windkurve für gleiche Häufigkeit und gleiche Windgeschwindigkeit aus allen 16 Himmelsrichtung; für die Staffelung im Abstand von 15 X h

50 55 0 60h

90

%

an. Die Windkurve ist natürlich bei dieser Konzeption spiegelbildlich gleich.

Sie bewegt sich innerhalb der Wände zwischen 60 % und 70 %, ist also sehr ausgegli-chen. Anders verhält es sich hinsichtlich der Extremwerte für jeden einzelnen Punkt.

Diese Minimal- und Maximalwerte sind in Figur 28 ebenfalls als Grenzkurven aufge-tragen. Um diese zu erhalten, wurden die Windkurven für sämtliche Windrichtungen übereinander aufgetragen und die Umhüllungen dieses Kurvenbündels aufgezeichnet.

Für die Maxima erwies sich dabei die in Abschnitt 371 erwähnte Kurve für die Winde parallel zu den Wänden als allein maßgebend. Bei den Minima dagegen lösen sich bei dieser Umhüllung verschiedene Windrichtungskurven ab, vor allem aber sind daran diejenigen für senkrechte Anströmung von beiden Seiten her beteiligt.

374 Berechnung der Windkurve entsprechend der Windrose für alle 201 Messungen der Staffelung von 15 X h

Die beiden Beispiele der Abschnitte 372 und 373 besitzen den Nachteil, daß die berechneten Windkurven nicht auf ihre Richtigkeit nachgeprüft werden können. Es wurde daher das Verfahren auch auf die Verhältnisse angewandt, wie sie in der Mitte von Figur 21, also für die mittlere Staffelung von 15 X h dargestellt sind. Es han-delt sich hier bei allen 201 Messungen dieser Position um eine ziemlich breite Windrose, teilweise sogar um Winde aus entgegengesetzten Richtungen. Die prozentuale Häufig-keit und die mittleren WindgeschwindigHäufig-keiten, wie sie dem Freilandwind entsprachen, sind nachstehend zusammengestellt, wobei äquivalente Windrichtungen bereits zu-sammengefaßt sind:

Luv im WSW Luv im ENE

0/o m/sec 0/o ^m/eec

wsw

19,0 2,52 ENE 1,0 1,42

sw

+

w

^39,4 2,50 E + NE 1,9 1,42

ssw

+ WNW 24,0 2,42 NNE + ESE 1,8 1,49

s

+ ^{NW 7,5 1,98} N + SE 1,7 1,49

SSE + NNW 3,7% 1,81 m/sec

Die Berechnung der mittleren Windgeschwindigkeit für die einzelnen Windrich-tungen ist dabei insofern nicht ganz korrekt, als sich pro Messung nur ein Mittelwert für die Geschwindigkeit ergab, wobei es nicht möglich war, diesen auf die verschiede-nen, beteiligten Windrichtungen aufzugliedern. Bei jeder Ablesung wurde daher die Windgeschwindigkeit der momentan, d. h. in der zugehörigen Windrose vorherrschen-den Windrichtung zugeschrieben. Bei der großen Zahl von Messungen dürfte sich aber dieser Fehler weitgehend ausgeglichen haben.

In Figur 29 sind nun sowohl die tatsächlich durch Messungen ermittelte wie auch die auf obiger identischer Grundlage berechnete Windkurve dargestellt. Diese beiden Kurven decken sich bis auf wenige Prozente genau und weisen namentlich einen glei-chen Kurvenverlauf auf. Allerdings ist auch dies kein vollgültiger Beweis für die Brauchbarkeit der Methode, da zu wenig Quer- und Gegenwinde mitspielen.

269

Figur 29

Berechnete Windkurve für alle 201 Messungen der Staffelung von 15 x h im Vergleich mit den wirklich gemessenen Werten Schutzwir-kung man verliert, wenn in einem System von gestaffelten Windschutzstreifen jeder zweite Streifen entfernt wird.

Die schon im Abschnitt 1 erwähnte, aus der Praxis an die Meteorologen gerich-tete diesbezügliche Frage Rasch k es (1957) lautet wörtlich: «Deshalb wäre jetzt eine Untersuchung sehr zu begrüßen, welche die Abstände 10h bis 15h und darüber hinausgehend bis 30 h erforscht auf ihre Wirksamkeit. Die letzte Zahl ( 30 h) ist des-halb von Interesse, weil geklärt werden muß, mit welcher Schutzwirkung man hier noch rechnen kann, wenn z.B. im Zuge der Nutzung der Hecken bzw. Baumreihen (die im Abstand von 15 h stehen) abwechselnd jede zweite entfernt und neu gepflanzt wird.»

In Figur 30 ist dieser Fall dargestellt, jedoch nur für die Windrichtung senkrecht zu den Wänden. Die ausgezogene Windkurve entspricht dabei derjenigen für die in 15 X h gestaffelten Wände, dargestellt in der Mitte von Figur 22. Die gestrichelte Kurve dagegen ist identisch mit derjenigen für WSW-Wind in Figur 19. Bei der Ent-fernung der mittleren nur angedeuteten Wand in 15 h erhält man eine Windzunahme, wie sie der getönten Fläche entspricht. Die entsprechenden mittleren Windprozente.

mit und ohne die Wand in 15 h, sind nachstehend zonenweise zusammengestellt:

Im Dokument Über die Windverhältnisse im Bereich gestaff eher Windschutzstreifen (Seite 50-56)