Baggrund | VG3
Projecter »
Passive mikrobølger
Scatterometri
Synthetic Aperture Radar – SAR
Vindfænomener set fra rummet
Vejrsystemer
Regionale effekter
Lokale effekter
Vindenergi
Kortlægning af havvinde ved hjælp af satellitter blev udviklet i 1960'erne. Dengang udviklede det amerikanske forsvar det første passive mikrobølge-instrument til satellitter. Siden er der udviklet andre metoder til kortlægning af havvindene blandt andet scatterometri og synthetic aperture radar (SAR) (se figuren oven over).
Scatterometri og SAR er baseret på en metode med at udsende mikrobølge-stråling og dernæst at opfange spredningen af den reflekterede stråling fra jordens overflade. Det er altså aktive instrumenter, idet de selv udsender stråling. Ved den passive metode måles mikrobølge-stråling som Jorden selv udsender.
Havets overflade udsender passive mikrobølger. Når vindene skifter, ændres også udsendelsen af mikrobølger. Ved hjælp af en algoritme kan man så 'oversætte' de observerede signaler fra mikrobølgerne til vindhastighed. Algoritmen er fastsat gennem statistisk sammenhæng/korrelation mellem den observerede vind, som er målt ved et antal havbøjer, og satellit-data.
Passive mikrobølger trænger igennem skyer og regn, så havvinde observeres både dag og nat og under alle vejrforhold. En tidsserie af globale kort over havvinden gennem næsten 20 år findes i arkiverne for special sensor microwave/imager (SSM/I).
Mange satellit platforme, udstyret med et passiv mikrobølge radiometer har været i kredsløb. I dag er der tre instrumenter i funktion. Disse giver tilsammen så meget som seks kort med observationer af havvinde fra et hvilket som helst sted på kloden – hver dag. Figur 2 viser hastighed for havvinde på et globalt kort.
Figur 3 viser vindene nær Danmark. De kraftigste vinde optræder i Nordsøen. Læg mærke til at kun vindhastigheden er kortlagt, ikke vindretningen.
Bemærk venligst, at blandt atmosfærefolk er vindretningen altid FRA den retning der nævnes, altså; en vestlig vind kommer fra vest. Til sammenligning er det lige omvendt i oceanografien, hvor en vestlig strøm flyder mod vest!
Satellit-baseret scatterometri er en moderne aktiv radar teknologi, som gør, at man kan observere havvindenes hastighed og retning. Et scatterometer udsender aktivt mikrobølge stråling og opfanger det returnerede signal med tre antenner eller en roterende tallerken/disk antenne. De tilbagesendte værdier i form af det normaliserede radar tværsnit (NRSC; normalized radar cross section) oversættes herefter til vindhastighed ved hjælp af en algoritme. Se nedenstående eksempel på forholdet mellem NRSC og vindhastigheden (figur 4).
Den fysiske forklaring på forholdet i illustrationen er som følger: Mikrobølge-strålingen spredes ved returneringen fra havoverfladen som en funktion af vindhastigheden.
Den aktuelle vind genererer små bølger, der størrelsesmæssigt svarer til bølgelængden af mikrobølger, nemlig omkring 5 cm. Jo mere vind, desto flere små, stejle bølger vil der dannes, og dermed vil der reflekteres mere mikrobølge-stråling fra de små bølger tilbage til satellitinstrumentet. Når det er vindstille, fremstår billedet sort, fordi al strålingen spejles væk fra instrumentet.
Ved højere vindstyrker vil billedet være lysere, fordi en større andel af strålingen tilbagespredes til instrumentet fra de små bølger. Instrumentet er udstyret med sin egen strålingskilde. Mikrobølge-strålingen (radar-strålingen) kan trænge igennem både skyer og regn – og mørke. Derfor kan havvindene observeres på en hvilken som helst tid af døgnet og uafhængigt af vejret.
Adskillige scatterometre er blevet fløjet rundt med satellit-platforme. For Galathea 3 var hovedkraften et QuikSCAT scatterometer. QuikSCAT observerede havvindenes styrke og retning to gange dagligt for hele kloden. Desværre sluttede QuikSCAT den 22. november 2009. Figur 5 viser et vektorkort for havvinde nær Danmark.
Sammenligninger af vindkort for havvinde nær Danmark observeret med henholdsvis passive mikrobølger (figur 3) og scatterometer (figur 5) optaget den 8. og den 7. august 2006 viser følgende:
* Kraftig vind (gult og rødt) i Nordsøen ses i begge kort.
* Svag vind (blåt) i Østersøen ses i begge kort.
* Passive mikrobølger kan KUN kortlægge vindhastigheden.
* Scatterometeret kortlægger både vindhastighed og vindretning.
* Scatterometeret observerer havvindene tættere på kysten (se f.eks. i Kattegat).
Synthetic Aperture Radar – SAR
Synthetic Aperture Radar – SAR – instrument ombord på Envisat satellitten er særdeles hensigtsmæssig, når det gælder en detaljeret kortlægning af havvindene. Tilsvarende som med scatterometeret, er SAR et aktivt instrument, der udsender mikrobølge stråling. For Envisat ASAR’s (Advanced SAR) vedkommende har den udsendte stråling en bølgelængde på omkring 5 cm. Den samme algoritme, som blev illustreret tidligere, anvendes her til at beregne vindhastigheden ud fra de normaliserede radar tværsnit, som er observeret fra SAR.
SAR-instrumentet har kun én antenne, i modsætning til scatterometeret, der har tre. Derfor observerer SAR udelukkende vindhastigheden. For at kortlægge vindhastigheden anvender vi vindretningen fra en atmosfærisk model, NOGAPS. Illustrationen (figur 6) viser et eksempel på et SAR kort over havvinde målt fra satellit.
På dette billede kommer vinden fra sydvest og er kraftigere i Nordsøen (15-18 meter i sekundet) end i de indre danske farvande.
Pilene viser vindretningen, som den er beregnet af atmosfære-modellen NOGAPS. Pilens farve viser modellens kalkulerede vindhastighed i den pågældende celle. Når der er overensstemmelse mellem pilens farve og satellitbilledet, er det ensbetydende med, at satellittens vindkort og atmosfære-modellen er enige om vindhastigheden. Atmosfære-modellen giver også resultater over land, hvorimod satellitbilledet kun viser vind over havområder.
I Nordsøen har vindkortet fra satellitten et stribet mønster, som følger vindens retning, fra sydvest mod nordøst. Dette kaldes vindstriber, og de går typisk på langs med vindretningen. Ved svag vind er striberne mindre tydelige eller helt fraværende.
Den jyske vestkysts BLOKERENDE effekt for vinden kan ses af figur 6. Den blokerende effekt kan ses ved, at vinden over havet bliver langsommere allerede et stykke INDEN luftmassen når kysten. Blokeringen skyldes landskabet med bakker, skove og byer. Langt ude på havet ligger vindens hastighed på omkring 15 meter/sekundet (markeret med gult), mens den er nede på 12 m/s (markeret med grønt) nær kysten ved den jyske vestkyst.
Over land er vindhastigheden endnu lavere (blå pile fra NOGAPS modellen). Kortlægningsmetoden SAR fungerer kun på flydende overflader, hvor vinden kan fremkalde kapillære bølger. Derfor er ingen SAR vindkort data for landområderne.
LÆ-EFFEKTEN fra Jyllands østkyst ved Kattegat fremgår også af figur 6. Her er vindhastigheden ganske lav – omkring 7 m/s (markeret med blåt) – nær kystlinien, mens den øges hen over Kattegat til omkring 12 m/s (grønt). København danner læ tværs over Øresund til Sverige.
Vindene indgår i store vejrsystemer. Derudover påvirkes vindene også af det regionale landskab i form af blokader og læ-effekt, ligesom lokale forhindringer påvirker vinden.
Den store variation på mange skalaer gør det til noget af en udfordring at kortlægge vindene. Rækkevidden af samlede vejrsystemer ligger på omkring 1.000 km, den regionale rækkevidde er omkring 100 km, mens lokale hindringer som træer, huse og vindmøller er af en størrelsesorden på mellem 10 og 100 m.
Vindene indgår i større samlede vejrsystemer såsom fronter langs forskellige luftmasser, hvor kold og varm luft mødes. Frontsystemer er sædvanligvis synlige i form af skyer, der i dagevis bevæger sig i systematiske forløb. Fronterne har ofte form af lange linier eller roterende systemer. Scatterometer og SAR observationer af havvinde giver meget detaljerede oplysninger om de vinde, der bevæger sig tæt på overfladen. De vinde, der ses på kortene, befinder sig 10 meter over havoverfladen.
Der er her vist to eksempler på cirkulerende luftmasser; det første eksempel er fra Stillehavet observeret fra QuikSCAT (figur 7). I Stillehavet i figur 7 kan man se den cirkulære struktur med kraftige vinde nær 'stormens øje'. Dette ligger nær øgruppen Aleuterne (som er beliggende uden for kortet mod nord). Nogle få dage efter stormen, vil bølgerne nå Hawaii (øerne i den sydøstlige del af kortet).
De store bølger fra stormen vil rulle 3.000 km tværs over havet som lange, lave bølger. Når de lange bølger når ind over det lave vand ved koralreve og strande, rejser bølgerne sig og bliver meget stejle og høje, hvorefter de brækker. Det er det perfekte forhold til surfing. Man kan altså ud fra vinden målt med satellitbilleder forudsige, hvordan vilkårene vil være for surfing et par dage efter en storm i en afstand af 3.000 km.
Det andet eksempel er fra Grønland og vinden over havet er observeret fra Envisat ASAR (figur 8). Havvindene i Danmarksstrædet nær Grønland viser et roterende system med kraftige vinde (markeret med rødt) rundt om et område med lav hastighed (blåt). Pilene fra NOGAPS atmosfære-modellen viser lavere vindhastigheder end dem, man ser i SAR vindkortet. Når det gælder vindretningen er der imidlertid fin overensstemmelse mellem modellen og de vindstriber, man ser på SAR vindkortet.
Vindene påvirkes af de regionale landmasser. For Danmarks vedkommende er dette beskrevet tidligere (se figur 5) med eksempler på blokering og læ-effekt.
Et andet eksempel på en regional effekt af landmasser som påvirker vinden stammer fra Cap Verde (figur 9). Her ser man bl.a. tunnel-effekt ('gap flow'). Tunnel-effektern er en accelereret strømning, som i dette tilfælde optræder mellem to øer. Der er en voldsom tunnel-effekt med stærkt forøget vindhastighed mellem de to øer Santo Antão og São Vicente i nordvest.
Vinden kommer fra nordøst ved Cap Verde hvilket er meget typisk der (passatvinden). Pilene angiver vindretning og -hastighed fra NOGAPS atmosfære-modellen. Modellen giver i dette tilfælde en smule lavere vindhastighed end vindkortet fra SAR-instrumentet. Bemærk uoverensstemmelsen mellem pilene og kortet, hvor pilene er mørkere blå. Øernes læ-effekt kan ses ret tydeligt. Der er svag vind bag øerne – det ses som mørkeblå områder i de felter, hvor der er vindskygge. Jo højere bjerge, der er på en ø, jo større er læ-effekten.
På SAR vindkortet ser man at ved området med tunnel-effekt mellem de to øer er vinden oppe på mellem 15 og 20 m/s (gule og røde felter). Derimod viser atmosfære-modellen at vinden er omkring 5 m/s for den samme lokalitet (den mørkeblå pil). Modellen angiver en middelværdi for en celle (på kortet), der er 100 km x 100 km og dækker begge øer. Over land er vinden svagere, og modellen er derfor helt korrekt for cellen (totalt set). Atmosfære-modellen kan ikke beregne vindhastigheden i flaskehalsen (tunnelen) mellem de to øer, fordi den arbejder med en opløsning, der er grovere end afstanden mellem de to øer. SAR kortet viser altså betydeligt finere detaljer for så vidt angår variationen i den rumlige fordeling af vind hastigheden end atmosfære-modellen.
Havvinde nær Island udviser stærke gradienter (dvs. store forskellige over korte afstande) i vindhastighed (figur 10). Vindhastigheden går lige fra 15 m/s til mindre end 5 meter pr sekund inden for få kilometer. Derudover er vindretningen meget kompliceret med skiftende vinde. I nord skyldes denne skiften primært de samlede vejrsystemer over det åbne hav, mens den på det regionale plan – tæt på Island – må tilskrives bjergene. I det nordøstlige område på Fontur ser man accelereret strømning omkring halvøen. Luftmassen bliver presset rundt om øen i stedet for at strømme tværs over bjergene i den nordøstlige del af Island. Øst på, tæt ved kysten er der en stærk læ-effekt. Lokaliseringen af såvel accelereret strømning som læ-effekter beror i høj grad på Islands regionale topografi.
Havvinde nær Danmark viser en nord-sydgående front parallel med Jyllands vestkyst (figur 11). Der er kraftig vind fra sydvest. Vindstriberne er fuldstændigt parallelle med vindpilene fra NOGAPS atmosfære-model. I den nordlige del af Nordsøen kan man se adskillige runde fænomener af varierende størrelse. Det er nedadgående trækvinde, som optræder i forbindelse med regn-celler, svarende til spredte byger.
SAR vindkortet ved Grønland viser et eksempel på Föhn vind, dvs. nedfald af kold, tung luft fra indlandsisen gennem en dal (figur 12). Kold luft fra iskalotten blæser ud over havet omkring 68º nordlig bredde og 32° vestlige længde gennem en dal. Dette fænomen, som indbefatter meget høje vindstyrker, kaldes altså Föhn. Föhnen er specielt tydelig på et enkelt sted, hvor den accelerede strømning ses at nå langt ud over havet.
Vinden påvirkes også af forhindringer på lokalt niveau; det er et velkendt fænomen på land. Bare tænk på, når man sidder i læ af et hus eller en hæk. Omvendt kan man sidde i blæsten på en bjergtop. På havet er der relativt få forhindringer; en af disse er vindmøller.
Vindmøller er designet til at kunne udnytte den maksimale mængde energi fra vinden, og det betyder at læeffekten - også kaldet skyggeeffekt – kan optræde nedstrøms fra vindmøllerne. I figur 13 ses Nysted havvindmøllepark syd for Lolland. Her er ingen vind skyggeeffekt, eftersom vindstyrken er tæt på nul. Vindmøllerne rører sig ikke; de kræver en vindhastighed på minimum 5 m/sek for at rotere.
Havoverfladen virker sort, fordi al mikrobølgestrålingen fra radaren reflekteres bort i stedet for retur til radaren; det glatte hav virker som et spejl. Vindmøllerne ses tydeligt, fordi mikrobølgestrålingen rammer møllernes turbiner og vinger og reflekteres til SAR instrumentet. Faktisk er de så tydelige, at man kan tælle dem – det skulle gerne give 72 i alt.
I figur 14 er vist Horns Rev havvindmølleparken i blæsevejr. Reflektionen fra vindmøllerne kan ikke hamle op med reflektionen fra havoverfladen, så man kan ikke identificere de 80 vindmøller. Der er en klar vindskygge-effekt bag de snurrende vindmøller. I vindskyggen er vindhastigheden reduceret (blåt), mens der er kraftigere vinde (markeret med grønt) rundt om vindskygge området. Man kan også se en tydelig skyggeeffekt langs med kysten, hvor sandklitter og skove giver læ endog adskillige kilometer fra land.
Vindenergi er en vedvarende energi og derfor bæredygtig. Mange lande kloden rundt udnytter vindenergien i større eller mindre grad.
I dag er Danmark det land i verden, der har den højeste andel af vindenergi i sin energiforsyning, målt pr. borger. Vi har et klima med megen blæst, som udnyttes via et større antal vindmøller, hvoraf en del er placeret på havet i store vindmølleparker.
Gennem lang tids meget detaljeret observation af vindklimaet bliver det muligt at beregne, hvor meget energi man kan få ud af vinden. Som regel benytter man sig af målinger fra meteorologimaster.
En nyere metode, som er knapt så præcis, men som til gengæld er let og hurtig, går ud på at bruge vindkort fra satellitter. Denne metode kan anvendes til at få et førstehåndsindtryk af vindklimaet på en konkret lokalitet. Men for at beregne den reelle vindressource for en given lokalitet er man naturligvis nødt til at observere vinden på alle årstider og alle tider af døgnet gennem mindst et år.
Kendskab til vindressourcen er et meget væsentligt element i planlægningen af en hvilken som helst vindmøllepark. På havet skal der desuden tages hensyn til vanddybden og hvordan man får adgang til elnettet og dermed de forbrugere, der skal aftage den producerede energi.
Derudover er der faktorer som fredning, turisme og travle sejlruter, som bør holdes fri for vindmøller, eftersom de støjer, har en visuel/æstetisk effekt og udgør en hindring for skibsfarten.
Du kan lære mere om vindkraft i projektet: Vindkraft: Kap Verde.
Du kan lære om vinden ved Kap Horn - et område med frygtelige storme i projektet: Kap Horn.
.
