Väitöstyössä kehitetty uusia menetelmiä tuulen puuskien ennustamiseen ja mittaamiseen

Tuulen puuskahavainnot ovat tärkeitä tuulienergian suunnittelussa ja tuulituhojen riskien hallinnassa. Tulosten perusteella kehitettiin myös uusi puuskien ennustusmenetelmä, jonka avulla voidaan tuottaa puuskaennusteita numeerisen sääennustusmallin tuloksiin pohjautuen.

Tuulen puuskat ovat tuulen nopeuden hetkellisiä, noin kolmen sekunnin mittaisia, maksiminopeuksia.  Puuskat kuvaavat hyvin tuulen ääriolosuhteita. Voimakkaat myrskypuuskat aiheuttavat haasteita ihmisen toiminnalle, sillä niihin liittyy usein mittavia tuhoja sekä vaaratilanteita. "Puuskien ennustaminen on tärkeää, jotta vaaratilanteisiin pystytään varautumaan ennalta", toteaa tutkija Irene Suomi. Puuskatieto on tärkeää myös tuulienergian kannalta. Voimaloiden sijoittamisen ja suunnittelun kannalta on tärkeää arvioida puuskaisuusoloja sekä todennäköisyyksiä puuskien ääriolosuhteille voimaloiden elinkaaren, eli vuosikymmenten aikaskaalassa. Toisaalta reaaliaikaista puuskatietoa voidaan hyödyntää voimaloiden operatiivisessa toiminnassa ja siten estää voimalan rakenteiden kulumista tai jopa rikkoutumista.

Irene Suomi on väitöskirjatyössään tutkinut puuskaisuusoloja erilaisissa ympäristöissä Suomen ja Tanskan rannikolla sekä arktisilla merialueilla tuulienergian kannalta tärkeillä korkeuksilla. Työssä on saatu uutta tietoa puuskien käyttäytymisestä koko ilmakehän rajakerroksessa, jonka korkeus maanpinnasta vaihtelee säätilasta riippuen muutamasta kymmenestä metristä pariin kilometriin. Perinteisesti puuskahavaintoja on ollut saatavilla vain säähavaintoasemilta, joilla tuulta mitataan tyypillisesti 10 metrin referenssikorkeudella. Tämä on kuitenkin tuulienergian kannalta aivan liian matala korkeus, sillä suurimpien voimaloiden napakorkeus on nykyisin jopa yli 150 metriä.  Korkeilla meteorologisilla mastoilla voidaan päästä näin korkealle, mutta niiden rakentaminen on usein kallista ja aikaa vievää, ja paikasta riippuen joskus jopa mahdotonta. Väitöskirjatyössään Suomi kehittelikin uusia menetelmiä puuskien mittaamiseksi. Nämä perustuvat tutkimuslentokoneella sekä Doppler lidarilla tehtyihin mittauksiin.

Uusia menetelmiä puuskien mittaamiseksi

Irene Suomi on väitöskirjatyössään kehitellyt menetelmän puuskien mittaamiseksi tutkimuslentokoneesta käsin. 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", Suomi tiivistää.

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. Tästä johtuen väitöskirjatyössä havaittiin, että Doppler lidarin mittaamat tuulennopeuden maksimit olivat korkeampia kuin vastaavat meteorologisesta mastosta mitatut puuskanopeudet. Suomi kehitteli väitöskirjatyössään uuden teoreettisen menetelmän, joka pienentää huomattavasti tätä positiivista harhaa. Puuskien mittaamisen kannalta myös yksittäisten havaintojen laatu on ensisijaisen tärkeää. Käyttämällä perinteisissä turbulenssimittauksissa usein sovellettua piikkien poistoalgoritmia, Irene Suomi havaitsi että Doppler lidarin puuskamittauksia pystytään parantamaan huomattavasti. Menetelmä toimi jopa paremmin kuin perinteiset Doppler lidarin signaalin voimakkuuteen perustuvat laadunvarmistusmenetelmät, sillä menetelmän avulla pystyttiin poistamaan yksittäisiä epärealistisen suuria arvoja mitatusta tuulen nopeuden aikasarjasta.

Uutta havaintotietoa puuskaisuudesta

Meteorologisista mastoista, tutkimuslentokoneesta sekä Doppler lidarilla saatujen mittaustulosten perusteella saatiin uutta tietoa puuskien käyttäytymisestä etenkin ilmakehän alimpien muutaman sadan metrin korkeudella, jotka ovat olennaisia tuulienergian kannalta. Havaintojen pohjalta kehitettiin myös uusi puuskien ennustusmenetelmä, jota voidaan soveltaa puuskien ennustamiseen numeerisen säänennustusmallin tuloksiin pohjautuen. Menetelmän etuna aikaisempiin verrattuna on se, että se ottaa myös huomioon korkeuden maanpinnasta, kun taas aikaisemmat menetelmät oli kehitetty kuvaamaan puuskaisuusoloja 10 metrin referenssikorkeudella. Vertailut meteorologisista mastoista ja tutkimuslentokoneella tehtyihin mittauksiin vahvistivat, että uusi parametrisointi tuotti parempia tuloksia kuin aikaisemmat menetelmät.

Väitöstilaisuus 25. elokuuta Helsingissä

Irene Suomin väitöskirja "Wind gusts in the atmospheric boundary layer" tarkastetaan Helsingin yliopiston matemaattis-luonnontieteellisessä tiedekunnassa. Väitöstilaisuus on perjantaina 25.8. kello 12 yliopiston Kumpulan kampuksella Physicumin auditoriossa E204 (Gustaf Hällströmin katu 2 A, Helsinki). Vastaväittäjänä toimii professori A. A. M. (Bert) Holtslag Wageningenin yliopistosta (Alankomaat) ja kustoksena professori Heikki Järvinen Helsingin yliopiston fysiikan laitokselta.

Lisätietoja:

Tutkija Irene Suomi, puh. 050 413 7811, irene.suomi@fmi.fi