Validierung von DWD-Produkten mittels BayWa-Winddaten

Eines der Ziele in FAIR ist es, Produkte des DWD durch die Messwerte verschiedener Projektpartner zu veredeln. Die Firma BayWa r.e. Wind GmbH hat dem DWD zu diesem Zweck nun Windmessdaten sowie Betriebsdaten von Windparks zur Verfügung gestellt, um mittels statistischer Verfahren ein verbessertes Windfeldprodukt aus der regionalen Reanalyse COSMO-REA6 abzuleiten. Dabei wird vor allem eine möglichst gute Darstellung der Windgeschwindigkeit im Bereich zwischen 50m und 200m über Grund angestrebt, um beispielsweise Standortanalysen für neue Windparks leichter durchzuführen oder zu erwartende Energieerträge abzuschätzen.

Die zeitlich und vertikal hochaufgelösten Windmessungen wurden nun zunächst verwendet, um die Performance der regionalen Reanalyse COSMO-REA6 zu untersuchen und mit verschiedenen globalen Reanalysen (hier ERA5 und MERRA-2) zu vergleichen. Die Abbildung (a) zeigt beispielhaft eine 48-stündige Zeitreihe der gemessenen Windgeschwindigkeit an einem Standort mit komplexer Topografie sowie die modellierte Windgeschwindigkeit der Reanalysen in rund 100m über Grund. Keine der Reanalysen ist aufgrund der räumlichen und zeitlichen Auflösung in der Lage, die fluktuierende Größe Wind exakt wiederzugeben. Erkennbar ist jedoch an diesem Beispiel die bekannte Unterschätzung der Windgeschwindigkeit in der Nacht bei COSMO-REA6, speziell beim Auftreten von Low-Level-Jets. Dennoch liegen COSMO-REA6 und ERA5 vor allem durch ihre bessere vertikale Auflösung näher an den Messwerten als MERRA-2.

Das mittlere Windprofil über den gesamten Messzeitraum eines knappen Jahres (Abbildung (b)) zeigt, dass sowohl COSMO-REA6 als auch ERA5 den Mittelwind gut repräsentieren. Allerdings wird die Standardabweichung von ERA5 über- und von COSMO-REA6 unterschätzt (Abbildung (c)). Bodennah ist die zeitliche Korrelation (Abbildung (d)) aufgrund der besseren horizontalen Auflösung von COSMO-REA6 gut getroffen. Mit zunehmender Höhe reduzieren sich die lokalen Einflüsse und die Performance der globalen Reanalysen wird besser. Das zeigt sich auch im RMSE (Abbildung (e)), der für COSMO-REA6 mit der Höhe rasch zunimmt, während der RMSE von ERA5 in 200m Höhe unter dem von COSMO-REA6 liegt.

Eine sinnvolle Ergänzung der Analyse der Windgeschwindigkeit ist die Annäherung der Daten an eine Weibull-Verteilung. Diese wird durch zwei Parameter beschrieben. Der Shape-Parameter gibt dabei die Form der geschätzten Weibull-Verteilung an und ist invers proportional zur Standardabweichung der Windgeschwindigkeit. Ein großer Wert des Shape-Parameters bedeutet daher eine spitzere Verteilung mit einer geringeren Anzahl an hohen/extremen Windgeschwindigkeiten. Der Scale-Parameter ist proportional zum Mittelwert der Geschwindigkeit. Schätzt man beide Parameter für die beobachtete und modellierte Windgeschwindigkeit (Abbildung (f) und (g)), so ist festzustellen, dass COSMO-REA6 und ERA5 den Scale-Parameter gut treffen, allerdings beim Shape-Parameter daneben liegen. Die Reanalysen sind also nicht in der Lage, die Tails korrekt zu repräsentieren, d.h. sehr hohe Windgeschwindigkeiten werden unter- (COSMO-REA6) oder überschätzt (ERA5).

Im nächsten Schritt werden die Messungen nun dazu benutzt, ein statistisches Modell zu entwickeln, welches die Fehler zwischen den beobachteten Windgeschwindigkeiten und COSMO-REA6 reduziert. Dieses soll dann verwendet werden, um verbesserte Windfelddaten bereitzustellen.