Wellenverhalten

Seegangs- und Brechererfassung mittels Doppler-Messung zur Untersuchung der raum-zeitlichen Veränderungen im Seegangsfeld im Einflussbereich von Offshore-Bauwerken

Helmholtz-Zentrum Geesthacht - Zentrum für Material- und Küstenforschung GmbH
Dr. Friedwart Ziemer

Die Radarmessung von Wellenkämmen soll Klarheit über das Verhalten von großen steilen Wellen auf See schaffen. Das neue Verfahren wurde von Wissenschaftlern des Helmholtz-Zentrums Geesthacht - Zentrum für Material- und Küstenforschung GmbH entwickelt und wird auf der Forschungsplattform FINO3 erstmals im Dauereinsatz getestet.

Informationen über große steile Wellen - so genannte Brecher - sind für die Erbauer und Betreiber von Offshore-Windanlagen von großem Interesse. Zum Beispiel ist bislang unbekannt, wie die Brecher auf Windanlagen wirken und in welchem Ausmaß die Anlagen selbst Brecher erzeugen. Um diese Werte zu erhalten, betreibt das Helmholtz-Zentrum Geesthacht - Zentrum für Material- und Küstenforschung GmbH ein Doppler-Radar zirka 50 Meter über Meereshöhe auf dem FINO3 Gittermast.

Gerade die Häufigkeit großer Brecher und die Kraft, die die steilen Wogen erzeugen, interessieren nicht nur die Forscher, sondern auch die Betreiber von Offshore-Anlagen oder Ölplattformen. Insbesondere die Stabilität der Anlagen wäre damit besser vorhersagbar.

Der FINO3-Standort, die „Dan Tysk“ Sandbank liegt rund 80 Kilometer westlich von Sylt – hier werden in einigen Jahren bis zu 80 Mühlen stehen. Jede Mühle wirkt auf die Strömungsmechanik und erzeugt in ihrer „Schleppe“ Turbulenzen oder auch periodische Bewegungen, die andere Bauwerke beeinflussen. Dies kann zu unerwünschten oder sogar gefährlichen Schwingungen führen. Im Falle von Wellen führt das zu Interferenzen.

Das bedeutet: In einem ohne Windmühlenpark harmlosen Wellenfeld, können durch diese Interferenzen einzelne hohe Wellen erzeugt werden, die eventuell kritisch werden. Die Wellenforscher des Helmholtz-Zentrums Geesthacht - Zentrum für Material- und Küstenforschung GmbH wollen gerade das - also Wellen, deren Verhalten durch das Bauwerk verändert wird – beobachten.

Ergebnisse Phase 1 (Landgestütztes Radar)

Beobachtung hydrodynamischer Vorgänge in der Küstenzone durch ein landgestütztes polarisiertes Doppler-Radar

Stylanos Flampouris, Jörg Seemann und Friedwart Ziemer
Helmholtz-Zentrum Geesthacht - Zentrum für Material- und Küstenforschung GmbH

Seegang erzeugt auf unterschiedlichen Skalen in Raum und Zeit den Haupteintrag dynamischer Energie in den Küstenbereich. Die vorliegende Untersuchung zeigt die Beobachtung von Seegang im litoralen Bereich auf der Basis von Radarmessungen. Der Schwerpunkt liegt hierbei in der eindeutigen Erkennung von brechenden Wellen.

Hauptinstrument ist ein bodengestütztes X-Band-Doppler-Radar mit horizontaler Polarisation 36m über dem Meeresspiegel mit den folgenden Spezifikationen:

  • Radar-Radius: 2km
  • Räumliche Auflöung: 7,5m
  • Rasterzellen: 254
  • Abtastdauer: 10min/h
GKSS-Landradar - Karte
Abbildung 1: Karte mit Position des landgestützten Doppler-Radars

Datenanalyse
Basierend auf dem komplexen Radarsignal wurden der Normalisierte Radarquerschnitt (NRCS) und die Dopplergeschwindigkeiten der Wasseroberfläche ermittelt.

GKSS-Dopplerradar - Prinzipskizze
Abbildung 2: Prinzipskizze des Doppler-Radars

NCRS und Dopplergschwindigkeit
Es wurden Zeit- und Wegserien des NCRS und der Dopplergeschwindigkeit für unterschiedliche Wind- und Wellenverhältnisse errechnet.

GKSS-Dopplerradar - Zeit- und Wegserien
Abbildung 3: Weg-Zeit Diagramme der Radarückstreuung (NRCS) - links und der Dopplergeschwindigkeiten - rechts. Das Radar steht jeweils am Wegpunkt "0 m", also am oberen Rand der Graphik. Die weißen Streifen entstehen bei Abschattung durch Wellenkämme. Die

Wellenbrechung
Zur Feststellung von "Brecherereignissen" und zur Ermittlung der Brecherwahrscheinlichkeiten wurden die Verbundwahrscheinlichkeiten aus NRCS und Doppergeschwindigkeiten berechnet. Abbildung 4. zeigt die Ergebnisse aus 10 Teilbereichen des überstrichenen Radarbereiches.

Basierend auf diesen Beobachtungen wurden Brecherwahrscheinlichkeiten berechnet.

Interpretation der Doppler-Geschwindigkeiten
Für unterschiedliche Seegangsverhältnisse außerhalb der Brandungszone wurde nachgewiesen, dass die gemessene Dopplergeschwindigkeit die Summe aus Winddrift, Wellenorbitalgeschwindigkeit, Strömungsgeschwindigkeit und Steuergeschwindigkeit darstellt, wovon die beiden letzten vernachlässigbar sind.

vr-(uw+uorb+vcur+vsct)=0

Nach Anwendung der In-Situ-Messungen auf die verbleibenden Beiträge liefert dieser Ansatz plausible Werte, z. B.Hs=4m, vr=2,64m/s, uw=0,72m/s und uorb=1,73m/s

Modulationstransferfunktion
Durch Umkehrung dieser Lösung konnnte der lokale Hub berechnet und die Modulationstransferfunktion zwischen dem Hub an einer Seegangsboje und dem aus dem Radar kalkulierten Hub aufgestellt werden.

GKSS-Dopplerradar - Spektren
Abbildung 6: Spektren der Bojenmessungen (rot) und Radarmessungen (blau) in Abstand von 1.000m von der Antenne

Ergebnisse

Der Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben 0327533A für den Projektzeitraum 01.07.2009–30.06.2012 steht hier zum Download bereit | Link zum PDF

Ergänzende Literatur

  • P . Catalan, M. Haller, R Hohnan, and W. Plant , "Surf zone breaking wave identification using marine radar," in 31st ICCEHamburg, 2008.
  • G. Farquharson, S. J. Frasier, B. Raubenheimer, and S. Eigar, "Microwave radar cross seetions and Doppler velocities measured in the surf zone," J. Geophys. Res., vol. 110, 12/232005.
  • S. Flampouris, "On the wave propagation over uneven seabottom observed by ground based radar," in Institute of Oceanography. vol. PhD. Hamburg: University ofHamburg, 2010, p. 220.
Poster (PDF engl.) [PDF, 3,4 MB]
Projektinformationen als PDF [PDF, 651,3 KB]
Helmholtz-Zentrum Geesthacht

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