WP-I6: Windwurfmodellierung für Sturmschäden an Stadtbäumen

Projektziele:

Vorhandene Windwurfmodelle aus der Forstmeteorologie werden hinsichtlich ihrer Verfügbarkeit und Anwendbarkeit auf Stadtbäume untersucht. Solche Modelle wie GALES oder HWIND basieren auf Erkenntnissen aus Feldversuchen und Windkanalexperimenten an einzelnen Bäumen und werden heute für ausgedehnte Waldflächen zur Abschätzung der Sturmgefahr eingesetzt. Meteorologische Eingangsgrößen sind immer einfache Informationen wie beispielsweise der mittlere Wind in 10 m Höhe außerhalb des Bestandes. In einer städtischen Umgebung variiert dagegen Wind und Turbulenz auf sehr kurzer Distanz und so sind auch die Kräfte auf Einzelbäume stark vom Ort der Einwirkung abhängig. Die Berechnung des Windwurfrisikos für Stadtbäume soll mit einer hohen räumlichen Auflösung von 1 m erfolgen. Damit können zum einen die detaillierten Bewuchsstrukturen berücksichtigt werden, als auch die simulierten hochaufgelösten, lokal stark unterschiedlichen Wind- und Turbulenzfelder. In einem ersten Schritt wird untersucht, wie die dreidimensionalen Informationen aus PALM-4U hinsichtlich des turbulenten Windfeldes in den vorhandenen Windwurfmodellen berücksichtigt werden können. Basierend auf den Ergebnissen dieser Untersuchungen wird ein Windwurfmodell ausgewählt, in PALM-4U implementiert und Sensitivitätsstudien durchgeführt.

Für die Berechnung der Sturmgefährdung sind einzelne Parameter hinsichtlich der Bewuchscharakteristik und der Verankerung im Boden von großer Bedeutung. In einem weiteren Schritt werden die in der Literatur zusammengetragenen entsprechenden Werte aufbereitet und tabellarisch für typische Stadtbäume zusammengestellt. Um die Bedeutung einzelner Eingangsgrößen auf das Ergebnis zu ermitteln, werden in einer Parameterstudie der Einfluß der Bandbreite dieser Eingangsdaten einzeln und in Kombination vor dem Hintergrund der individuellen Unsicherheiten der einzelnen Parameter berechnet. Dieses Ergebnis gibt den Entscheidungsträgern in den Kommunen einen Hinweis, welche Daten in den entsprechenden Baumkatastern vorgehalten werden sollten um PALM-4U für die Untersuchung der Sturmgefahr von Stadtbäumen einsetzen zu können. Mögliche Erweiterungen des Windwurfmodells für Stadtbäume, wie beispielsweise der Einfluß von Baumschwingungen, werden untersucht und ggf. implementiert.

Zum Nachweis der Realitätsnähe des implementierten Windwurfmodells erfolgt eine Anwendung auf gut dokumentierte Sturmereignisse aus jüngster Zeit wie beispielsweise dem Sturm „Ela“ 2014 und dem Sturm „Xavier“ im Jahre 2017, bei dem eine sehr große Anzahl von Bäumen gerade auch in norddeutschen Städten beschädigt und zerstört wurden. Neben der Beschaffung der Gebäudekataster der entsprechenden Städte (beispielsweise Braunschweig für „Xavier“) müssen die Baumkataster um die in WP-I6.2 ermittelten notwendigen Eingangsgrößen erweitert werden. Die Ergebnisse der durchzuführenden Simulationen werden mit den beobachteten Sturmschäden verglichen. Ggf auftretende Unterschiede werden analysiert, entsprechende Modifikationen in den Eingangsdaten durchgeführt und die Simulationen werden wiederholt.

Aufgabenstellung:

WP-I6.1: Einbau eines Windwurfmodells in PALM-4U

WP-I6.2: Erweiterung des Windwurfmodells und Parameterstudien

WP-I6.3: Die Anwendung des Windwurfmodells

Projektstruktur:

Dieses Arbeitspaket wird von der LUH durchgeführt.

Zu liefernde Ergebnisse:

DL1 (Monat 12):Windwurfmodell ist in PALM-4U implementiert

DL2 (Monat 24): Genauigkeit der benötigten Eingangsdaten für Stadtbäume ist bestimmt

DL3 (Monat 36): Werkzeug zur Bestimmung des Windwurfrisikos steht zur Verfügung

Bisheriger Fortschritt:

Nach einer eingehenden Literaturrecherche wurde ein Windwurfmodell ausgewählt, dass auf dem Modell von Peltola and Kellomäki (1993) und Peltola et al. (1999) basiert und von Groß (2018) adaptiert wurde. Es wurde untersucht, wie das dreidimensionale turbulente Windfeld in PALM-4U auf dieses Modell angewendet werden kann und es wurde eine entsprechende Methodik und die dazu benötigten Algorithmen entwickelt. Das so adaptierte Windwurfmodell wurde schließlich in PALM-4U implementiert und getestet. Es wurde damit begonnen, die, für die Berechnung der Sturmgefährdung von Stadtbäumen benötigten Parameter zusammenzutragen und aufzubereiten. Diese Parameter werden benötigt, um mit PALM-4U eine realistische Untersuchung der Sturmgefahr von Stadtbäumen durchführen zu können.

Abbildung 1: In der Bildsequenz (30s Abstand) ist zu sehen, wie in einem idealisierten Setup (7x7 Raster) eine starke Böe 32 Bäume umwirft. Den Windschatten, den Baum 4 (grün) auf die dahinter stehenden Bäume 25 (blau) und 46 (violett) wirft, ist auch in der Darstellung des individuell an dem Bäumen wirkenden Verlauf des Drehmoments mit der Zeit gut zu erkennen.

Referenzliteratur:

Peltola, H., & Kellomäki, S., (1993). A mechanistic model for calculating windthrow and stem breakage of Scots pines at stand age: Silva Fennica.

Peltola, H., Kellomäki, S., Väisänen, H., and Ikonen, V. -P., (1999) A mechanistic model for assessing the risk of wind and snow damage to single trees and stands of Scots pine, Norway spruce, and birch: Canadian Journal of Forest Research. 29(6): 647-661. ​https://doi.org/10.1139/x99-029.

Gross, G., (2018). A windthrow model for urban trees with application to storm "Xavier": Meteorologische Zeitschrift 27, Nr. 4, 27(4), 299-308. ​https://doi.org/10.1127/metz/2018/0905

Kontaktdaten:

gross[at]meteo.uni-hannover.de

knoop[at]meteo.uni-hannover.de