Erforschung kleinräumiger, extremer konvektiver Starkwindereignisse und deren Wechselwirkung mit Bebauungsstrukturen im urbanen Bereich

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Kunz; Professor Dr.-Ing. Bodo Ruck
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Physik und Chemie der Atmosphäre
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 245745015

Konvektive Starkwindböen erreichen Geschwindigkeiten, die weit über denen von synoptisch-skaligen Winterstürmen liegen können. Damit verbunden ist ein erhebliches Schadenpotential für Gebäude, kritische Infrastrukturen oder landwirtschaftliche Kulturen. Aufgrund der lokal-skaligen Eigenschaft hochreichender Konvektion lassen sich dringend benötigte Informationen wie die Wahrscheinlichkeit, räumliche Ausdehnung und maximale Geschwindigkeit der Böen aber weder direkt aus Modelldaten noch aus Stationsmessungen mit der notwendigen räumlichen Repräsentanz ableiten. Außerdem können die Punktmessungen der Stationen nicht die zusätzliche Amplifizierung der Böen bei der Wechselwirkung mit bebauten Strukturen wiedergeben. Daher sind konvektive Starkwindereignisse unterrepräsentiert in den Richtlinien und Normen zur Windlastbemessung von Bau- und Tragwerken, die auf Zeitreihen meteorologischer Stationen basieren. Insgesamt besteht somit ein erhebliches Wissensdefizit über mehrere Skalen hinweg, von der Ursache der konvektiven Starkwindböen, ihrer Charakteristik und Klimatologie bis hin zur Strömungsausbreitung über bebauten Strukturen und ihren Auswirkungen.Das übergeordnete Ziel des vorgeschlagenen Projektes ist es, dieses Wissensdefizit durch zeitlich und räumlich hochauflösende Beobachtungen auf mehreren Skalen zu verringern und Schadenpotentiale auf Bauwerke abzuschätzen. Im meteorologischen Teil des Projekts werden Daten verschiedener Beobachtungssysteme (Messmasten, Lidar und Radar) kombiniert und statistisch ausgewertet, um den Zusammenhang zwischen vertikalen Fallböen und horizontalen Windgeschwindigkeiten in Abhängigkeit von den vorherrschenden meteorologischen Bedingungen zu untersuchen. Durch Anwendung geeigneter empirischer Verfahren sollen aus Beobachtungsdaten maximale Böengeschwindigkeiten für die verschiedenen konvektiven Systeme bestimmt werden. Diese Untersuchungen werden anschließend genutzt, um aus Reanalysen Wahrscheinlichkeiten der Böen für Deutschland über einen klimatologischen Zeitraum zu bestimmen. Weiterhin sind die Ergebnisse des meteorologischen Teils eine wichtige Grundlage, um im strömungsdynamischen Vorhabenteil mittels realitätsnaher Simulationen in einem atmosphärischen Grenzschichtwindkanal das unzureichende Grundlagenwissen über die Wechselwirkung der Fallböen mit typischen innerstädtischen Bebauungsstrukturen zu verbessern. Hierzu soll eine Messstrecke mit einem Böengenerator konstruiert werden, der diskrete Fallböen vordefinierter Dauer, Ausdehnung und Neigung erzeugt, die dann bei vorhandener Grundströmung mit typischen Bebauungsstrukturen wechselwirken sollen. Charakteristisch für die Wechselwirkung Böen-Bebauung ist hierbei, dass die Böen beim Niedergang durch eine schräge Einfallsrichtung über die Struktur hinweg ziehen und zusätzlich eine Grundströmung gegenwärtig ist. Zur Untersuchung der Böendynamik sollen die zeitaufgelöste PIV-Technik (TR-PIV) sowie hochempfindliche multiple Drucksensoren Verwendung finden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen