Occurrence of Low-Level Jets over the Eastern U.S. Coastal Zone at Heights Relevant to Wind Energy

Two years of high-resolution simulations conducted with the Weather Research and Forecasting (WRF) model are used to characterize the frequency, intensity and height of low-level jets (LLJ) over the U.S. Atlantic coastal zone. Meteorological conditions and the occurrence and characteristics of LLJs are described for (i) the centroids of thirteen of the sixteen active offshore wind energy lease areas off the U.S. east coast and (ii) along two transects extending east from the U.S. coastline across the northern lease areas (LA). Flow close to the nominal hub-height of wind turbines is predominantly northwesterly and southwesterly and exhibits pronounced seasonality, with highest wind speeds in November, and lowest wind speeds in June. LLJs diagnosed using vertical profiles of modeled wind speeds from approximately 20 to 530 m above sea level exhibit highest frequency in LA south of Massachusetts, where LLJs are identified in up to 12% of hours in June. LLJs are considerably less frequent further south along the U.S. east coast and outside of the summer season. LLJs frequently occur at heights that intersect the wind turbine rotor plane, and at wind speeds within typical wind turbine operating ranges. LLJs are most frequent, intense and have lowest core heights under strong horizontal temperature gradients and lower planetary boundary layer heights.

Classification and properties of coastal wind profiles with negative gradients – an observational study

Wind profiles with a negative gradient are frequently occurring over the Baltic Sea and are important to take into consideration for offshore wind power as they affect not only the power production, but also the loads on the structure and the behavior of the wake behind the turbine. In this study, we classified non-normal profiles as wind profiles having negative shear in at least one part of the profile between 28 and 300 m: low-level jets (with a local wind maximum in the profile), profiles with a local minimum, and negative profiles. Using observations spanning over 3 years, we show that the non-normal wind profiles are common over the Baltic Sea in late spring and summer, with a peak of 40 % relative occurrence in May. Negative profiles (in the 28–300 m layer) were mostly occurring during unstable conditions, in contrast to low-level jets that primarily occurred in stable stratification. There were indications that the the zone with strong shear during low-level jets could cause a relative suppression of the variance for large turbulent eddies compared to the peak of the velocity spectra, in the layer below the jet core. Swell conditions were found to be favourable for the occurrence of negative profiles and profiles with a local minimum, as the waves fed energy into the surface layer, resulting in an increase of the wind speed from below.

Interactions Between the Nocturnal Low-Level Jets and the Urban Boundary Layer: A Case Study over London

Understanding the physical processes that affect the turbulent structure of the nocturnal urban boundary layer (UBL) is essential for improving forecasts of air quality and the air temperature in urban areas. Low-level jets (LLJs) have been shown to affect turbulence in the nocturnal UBL. We investigate the interaction of a mesoscale LLJ with the UBL during a 60-h case study. We use observations from two Doppler lidars and results from two high-resolution numerical-weather-prediction models (Weather Research and Forecasting model, and the Met Office Unified Model for limited-area forecasts for the U.K.) to study differences in the occurrence frequency, height, wind speed, and fall-off of LLJs between an urban (London, U.K.) and a rural (Chilbolton, U.K.) site. The LLJs are elevated ($$\approx $$ ≈ 70 m) over London, due to the deeper UBL, while the wind speed and fall-off are slightly reduced with respect to the rural LLJ. Utilizing two idealized experiments in the WRF model, we find that topography strongly affects LLJ characteristics, but there is still a substantial urban influence. Finally, we find that the increase in wind shear under the LLJ enhances the shear production of turbulent kinetic energy and helps to maintain the vertical mixing in the nocturnal UBL.

Wind Shear of Low-Level Jets and Their Influence on Manned and Unmanned Fixed-Wing Aircraft during Landing Approach

Wind shear at low altitudes represents a potential hazard to landing aircraft. Based on two wind lidar data sets of one year, the occurrence of low-level jets (LLJs), the vertical wind shear and the rotation of the wind direction were analysed. The lidar system was located at the sites of Braunschweig in the North German Plain, Germany, and Clausthal-Zellerfeld in the low mountain range Harz, Germany. The observed wind shear gradients between the altitude of 40 m and the altitude of the maximum wind speed was in the range of −0.23 s−1 to +0.20 s−1. The rotation of the wind direction with altitude occurred both in clockwise and anticlockwise direction. The ratio of clockwise versus anticlockwise occurrence of directional shear was 4:1 for Braunschweig and 3:1 for Clausthal-Zellerfeld. The observed wind shear gradients were compared to values for hazard potential of different levels for a typical aircraft. Although the LLJ was not hazardous for manned aircraft in any observed case, the awareness of LLJ helps to reduce the pilot’s workload and possible pilot-introduced oscillations caused as a result of the wind shear and aircraft characteristics. In contrast to manned aviation, the value of changes in wind speed and direction during LLJ conditions can cause significant risks for unmanned aerial system operations with less than 25 kg of take-off weight. This is a result of the lower airspeed-wind-speed ratio and the flight control and flight planning.

Zur Ermittlung von Profilen verschiedener Turbulenzvariablen aus Doppler-Lidar-Messungen

<p>Eine der wesentlichen Prozessvariablen zur Charakterisierung der atmosphärischen Grenzschicht (AGS) ist die turbulente kinetische Energie (TKE). In modernen Wettervorhersage-Modellen erfolgt die Simulation der TKE mit einer eigenen prognostischen Gleichung, hieraus ergibt sich zunehmend der Bedarf nach Messdaten zur Verifikation der Modellergebnisse auch für diese Variable. Operationelle Messungen der TKE werden in der Praxis nur an wenigen Standorten mittels 3D-Ultraschall-Anemometern durchgeführt und sind damit oft auf Höhen in Bodennähe, in Einzelfällen auf Mastmessungen bis etwa 200 m Höhe beschränkt. Am Meteorologischen Observatorium Lindenberg – Richard-Aßmann-Observatorium des DWD wurde in den letzten Jahren ein in der Literatur beschriebenes Verfahren (Smalikho und Banakh, 2017) zur Ableitung verschiedener Turbulenzvariablen aus Doppler-Lidar-Messungen implementiert, getestet und anhand mehrmonatiger Datensätze bewertet.</p> <p>Das Verfahren von Smalikho und Banakh (2017) zeichnet sich zum einen dadurch aus, dass es auf der Grundlage von nur einer Scankonfiguration sowohl die Bestimmung des mittleren Windvektors als auch eine kombinierte Abschätzung mehrerer Turbulenzvariablen (TKE, Impulsfluss, Dissipationsrate, integrale Längenskala) erlaubt und damit ein in sich konsistenter Datensatz zur Charakterisierung turbulenter Prozesse gewonnen werden kann. Zum anderen berücksichtigt das Verfahren verschiedene Korrekturmöglichkeiten, um z.B. dem Mittelungseffekt über das Doppler Lidar Pulsvolumen und der damit verbundenen begrenzten Auflösbarkeit kleinräumiger turbulenter Fluktuationen Rechnung zu tragen. Das Verfahren basiert auf Messungen im sogenannten Continuous Scan Mode (CSM), dessen Anwendung eine vergleichsweise niedrige Anzahl von Lidar-Pulsen pro Messstrahl erfordert. Damit können klassische Ansätze der Datenfilterung (Signal-to-Noise Schwellwert, Consensus Filterung) für die Analyse dieser Messungen nicht verwendet werden.</p> <p>Der Beitrag beschreibt zunächst sowohl das Scan-Verfahren als auch die Methodik zur Ableitung der TKE, dabei wird auf alternative Ansätze zur Datenfilterung eingegangen. Ebenfalls implementiert wurde ein mehrstufiges Verfahren zur Charakterisierung der Qualität der abgeleiteten Turbulenzvariablen. Eine Bewertung der ermittelten TKE erfolgt auf der Basis mehrmonatiger Messungen auf dem Grenzschichtmessfeld Falkenberg des DWD.</p> <p>Erste Vergleiche mit unabhängigen Referenzmessungen (insb. Sonic Messungen in 90m Höhe) zeigen eine gute Übereinstimmung. Bei gesamtheitlicher Betrachtung des Turbulenzdatensatzes können des Weiteren hinreichend bekannte Effekte, wie z.B. die scherinduzierte Turbulenz unterhalb eines Low Level Jets nachgewiesen und gleichzeitig Größenabschätzungen für die damit in Verbindung stehenden turbulenten Wirbel geliefert werden. Diese Einblicke zeigen mögliche Potentiale auf, Grenzschichtprozesse auf Grundlage eines umfangreichen Messdatensatzes bestehend aus Profilinformationen verschiedener Turbulenzvariablen genauer zu analysieren und damit besser verstehen zu lernen. Des Weiteren hat die Testphase deutlich gezeigt, dass die Ableitung eines belastbaren Daten-Produktes sehr stark von der Güte der Lidar-Rohdaten abhängt. Hierbei spielen nicht nur atmosphärische Bedingungen (z.B. der Aerosolgehalt der AGS), sondern auch die Leistungsmerkmale des Messsystems, eine Rolle. Die in diesem Zusammenhang gewonnenen Erfahrungen und Erkenntnisse zur Qualität der abgeleiteten Produkte werden abschließend diskutiert.</p>

Erweiterte meteorologische Standortevaluierung des Forschungspark Windenergie Krummendeich WiValdi

<p>Der Forschungspark Windenergie WiValdi wird vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und seinen Partnern im Forschungsverbund Windenergie entwickelt. Der Standort Krummendeich im Landkreis Stade befindet sich in unmittelbarer Nähe, südöstlich der Elbmündung in die Nordsee. Dementsprechend sind die meteorologischen Bedingungen in der atmosphärischen Grenzschicht dort, je nach Wetterlage und Windrichtung, ähnlich der maritimen Grenzschicht in der deutschen Bucht, oder auch typisch für flaches, heteorogenes Gelände in der norddeutschen Tiefebene. Seit November 2020 und somit für einen Zeitraum von mehr als einem Jahr, sind am Standort ein weitreichendes Doppler-Windlidar (DWL) und ein Mikrowellenradiometer (MWR) installiert, um Vertikalprofile von Windgeschwindigkeit, -richtung, Temperatur und Luftfeuchte zu messen. Eine gute Verfügbarkeit von Daten in Nabenhöhe (ca. 100 m) der zu installierenden Windenergieanlagen (WEA) mit nahezu 90% für DWL und 80% für MWR wurden erreicht. Wir präsentieren eine statistische Auswertung der Daten in Bezug auf die Windressource im Vergleich zu historischen Daten des Neuen Europäischen Windatlas (NEWA), welcher mesoskalische Simulationen für einen Zeitraum von 2011-2018 bereitstellt. Eine weitgehende Übereinstimmung der Messdaten mit den Modelldaten ist gegeben, wobei das Jahr 2021 durch häufige Passagen von Tiefdruckgebieten, vor allem in den Monaten März bis August, eine Überrepräsentation von Nordwestströmungen aufweist. Darüber hinaus wird eine Analyse vorgestellt, welche insbesondere die für Lasten an WEA wichtigen Größen der Windscherung und -drehung der atmosphärischen Stabilität in Form des Gradienten der potentiellen Temperatur in der Grenzschicht gegenüberstellt. Es wird gezeigt, dass, entsprechend ähnlicher Analysen in der deutschen Bucht, eine Häufung von Situationen mit hoher thermischer Stabilität und damit einhergehend größerer Windscherung und -drehung vor allem bei ablandigem Wind aus Südwest bis Ost auftritt. Nordwestströmungen sind wesentlich seltener stabil geschichtet. Die stabile nächtliche Grenzschicht führt in großer Häufigkeit, d.h. in etwa 55% der Tage, zu nächtlichen Strahlströmungen (Low-level Jets, LLJ). Diese LLJ verstärken zusätzlich die Windscherung und -drehung in der Rotorebene der WEA. Die kombinierten Messungen von DWL und MWR zeigen, dass ihre Höhe und Ausprägung wiederum stark von der thermischen Stabilität abhängig sind.</p> <p> </p>

A Model-Based Climatology of Low-Level Jets in the Weddell Sea Region of the Antarctic

Low-level jets (LLJs) are climatological features in polar regions. It is well known that katabatic winds over the slopes of the Antarctic ice sheet are associated with strong LLJs. Barrier winds occurring, e.g., along the Antarctic Peninsula may also show LLJ structures. A few observational studies show that LLJs occur over sea ice regions. We present a model-based climatology of the wind field, of low-level inversions and of LLJs in the Weddell Sea region of the Antarctic for the period 2002–2016. The sensitivity of the LLJ detection on the selection of the wind speed maximum is investigated. The common criterion of an anomaly of at least 2 m/s is extended to a relative criterion of wind speed decrease above and below the LLJ. The frequencies of LLJs are sensitive to the choice of the relative criterion, i.e., if the value for the relative decrease exceeds 15%. The LLJs are evaluated with respect to the frequency distributions of height, speed, directional shear and stability for different regions. LLJs are most frequent in the katabatic wind regime over the ice sheet and in barrier wind regions. During winter, katabatic LLJs occur with frequencies of more than 70% in many areas. Katabatic LLJs show a narrow range of heights (mostly below 200 m) and speeds (typically 10–20 m/s), while LLJs over the sea ice cover a broad range of speeds and heights. LLJs are associated with surface inversions or low-level lifted inversions. LLJs in the katabatic wind and barrier wind regions can last several days during winter. The duration of LLJs is sensitive to the LLJ definition criteria. We propose to use only the absolute criterion for model studies.

Driving Mechanisms of Double-Nosed Low-Level Jets during MATERHORN Experiment

In the realm of boundary-layer flows in complex terrain, low-level jets (LLJs) have received considerable attention, although little literature is available for double-nosed LLJs that remain not well understood. To this end, we use the MATERHORN dataset to demonstrate that double-nosed LLJs developing within the planetary boundary layer (PBL) are common during stable nocturnal conditions and present two possible mechanisms responsible for their formation. It is observed that the onset of a double-nosed LLJ is associated with a temporary shape modification of an already-established LLJ. The characteristics of these double-nosed LLJs are described using a refined version of identification criteria proposed in the literature, and their formation is classified in terms of two driving mechanisms. The wind-driven mechanism encompasses cases where the two noses are associated with different air masses flowing one on top of the other. The wave-driven mechanism involves the vertical momentum transport by an inertial-gravity wave to generate the second nose. The wave-driven mechanism is corroborated by the analysis of nocturnal double-nosed LLJs, where inertial-gravity waves are generated close to the ground by a sudden flow perturbation.

Statistical Relationships Between Two Types of Heavy Rainfall and Low-Level Jets in South China

Two types of heavy rainfall, namely warm-sector and frontal heavy rainfall, coexist in South China during the pre-summer rainy season and manifest as varying mechanisms and features. They both exhibit close relationships with two types of low-level jets (LLJs): the boundary layer jet (BLJ) and synoptic-system-related low-level jet (SLLJ), but in different ways. The motivation of the present study is to elucidate the statistical relations between two types of heavy rainfall and LLJs over South China using TRMM rainfall data and ERA5 reanalysis. Generally, warm-sector heavy rainfall mainly occurs over coastal areas and during the early morning, which is primarily caused by the interaction between the nocturnal BLJ and land breeze. In contrast, frontal heavy rainfall is mostly concentrated in inland regions and modulated by distinct diurnal forcings at different locations. Statistical analysis indicates that 76% (62%) of the warm-sector (frontal) heavy rainfall events are associated with LLJs. In the presence of heavy rainfall, low-level winds are often strengthened over Beibu Gulf, northern South China Sea, and the south side of fronts, corresponding to two branches of southerly BLJs at ~950 hPa over the ocean and the southwesterly SLLJs at ~850–700 hPa on land, respectively. Furthermore, BLJs are shown to be linked to both types of heavy rainfall and with the most frequent occurrences of rainfall in their exit region, whereas SLLJs are more closely associated with frontal heavy rainfall. The left side (entrance) of the SLLJ axis is favorable for frontal (warm-sector) heavy rainfall production. The regional rainfall distributions are affected by the structures and locations of LLJs.