Haku
EN
FI | EN

 

Tietoa tuulivoimasta

Turbulenttisuus

Ilmavirtaukset ilmakehän alimmassa osassa, nk. rajakerroksessa ovat käytännössä aina turbulenttisia. Turbulenssia synnyttävät kitkavoimat, noste sekä toisinaan gravitaatioaallot. Kitkaan vaikuttaa alustan aerodynaaminen karkeus, eli se kuinka epätasainen pinta on. Hyvin tasaisella alustalla, kuten tasaisella jääpinnalla aerodynaaminen karkeus on pientä, ja turbulenssi on siten selvästi heikompaa kuin esimerkiksi metsän yllä.

Nostevoimat voivat vaikuttaa turbulenssiin sitä voimistaen tai heikentäen. Ajatellaan esimerkiksi tilannetta, jossa aurinko lämmittää maanpintaa aurinkoisena kesäpäivänä. Tällöin lämpimän alustan vaikutuksesta myös maanpinnan läheinen ilmakerros lämpenee. Koska pinnanläheinen ilma on nyt lämpimämpää ja siten kevyempää kuin yläpuolinen ilma, se pyrkii kohoamaan ylöspäin.

Samanaikaisesti ylempänä olevaa nyt kylmempää raskaampaa ilmaa siirtyy kohti pintaa. Tämä prosessi synnyttää ilmavirtaukseen pyörteitä eli turbulenssia, jonka vaikutuksena vertikaaliset (ja horisontaaliset) lämpötilaerot pyrkivät tasoittumaan. Prosessin jatkuessa turbulenttiset pyörteet kasvavat ja ulottuvat yhä korkeammalle maanpinnasta eli ne kasvattavat rajakerroksen korkeutta.

Nostevoimat voivat myös heikentää turbulenssia. Näin tapahtuu nk. stabiileissa inversiotilanteissa. Normaali-ilmakehässä lämpötila laskee ylöspäin mentäessä noin asteen verran 100 metrin matkalla (adiabaattinen muutos). Kun maanpinta jäähtyy säteilyjäähtymisen vaikutuksesta (esim. yöllä), myös maanpinnan läheinen ilma jäähtyy (johtumalla ja turbulenttisten pyörteiden vaikutuksesta). Tällöin pinnanläheisestä ilmasta tulee kylmempää kuin yläpuolinen ilma, eli toisin sanoen pinnan lähelle muodostuu kerros, jossa lämpötila kasvaa korkeuden funktiona. Tällaista ilmakerrosta kutsutaan lämpötilainversioksi. Lämpötilainversio heikentää turbulenttista sekoittumista. Turbulenssi ei kuitenkaan yleensä häviä kokonaan, sillä stabiiliin rajakerrokseen voi syntyä gravitaatioaaltoja. Ne ovat periaatteessa analogisia meren pinta-aalloille, mutta niitä ei käytännössä yleensä voi nähdä. Gravitaatioaaltoja on kuitenkin havaittu esimerkiksi suurten vuorten yhteydessä ja niitä pystytään myös mallintamaan ilmakehämallilla, mikäli mallin resoluutio on riittävän tarkka. Toisin kuin meren pinta-aallot, gravitaatioaallot voivat edetä eri suuntiin. Niiden amplitudi ja aallonpituus voivat vaihdella paljon.

Kuvissa (1) ja (2) on esitetty tuulen nopeus- ja suuntahavaintoja Ilmatieteen laitoksen Inkoon Koparnäsissä Gåsörenin pienellä saarella sijaitsevalta tutkimusmastolta. Mittaukset on tehty 10 Hz:n taajuudella eli 10 mittausta sekunnissa. Kuvissa tuulen nopeus on esitetty 1 s keskiarvoina. Ensimmäisessä kuvassa tuulen suunta on mereltä maalle (tuulensuunta 170-180 astetta, keskinopeus 9,6 m/s) ja toisessa maalta merelle (tuulen suunta 40-60 astetta, keskinopeus 8,4 m/s).

Kuvia tarkastelemalla voidaan todeta selkeä ero tuulen nopeuden ja suunnan vaihteluiden suuruudessa kuvien välillä. Ylemmässä kuvassa tuuli tulee mereltä (pieni rosoisuus) ja alemmassa kuvassa metsäiseltä mantereelta (suuri rosoisuus). Virtauksen turbulenttisuuteen vaikuttaa maaston rosoisuuden ja mahdollisten esteiden (mm. puut, rakenukset, mastot) aiheuttaman mekaanisen turbulenttisuuden ohella alueen termiset olot (stabiilius, lämpötila) eli terminen turbulenssi. Yleensä termisen turbulenssin osuus on merkityksetön, kun tuulen nopeus on yli 10 m/s.

Turbulenssin intensiteetti

Tuulen nopeuden u turbulenssin intensiteettiä Iu kuvataan hetkellisten havaintojen (0,01 – 3 s) keskihajonnan suhteella tarkastelujaksolle mitattuun (tyypillisesti 10-30 minuuttia) tuulen keskinopeuteen.

Sääasemien tuulimittauksissa ei yleensä ole mitattu tuulen turbulenttisuutta. Vanhemmissa mittauksissa on kylläkin etenkin lentosääasemilla ja Ilmatieteen laitoksen observatorioissa mitattu keskinopeuden lisäksi myös havaintoaikaa vastaavan 10 minuutin jakson puuskanopeutta (tähän linkki puuskakappaleeseen) eli 1-3 sekunnin otosaikaa edustavaa nopeusmaksimia.

Tutkimusasemilla turbulenssin mittaaminen on eräs keskeisiä asioita. Inkoon Kopparnäsissä ja Pelkosenniemen Pyhätunturin laella tehtyjen turbulenssimittausten mukaan keskimääräinen turbulenssin intensiteetti 50 m korkeudella yli 5 m/s olevilla tuulilla on rannikolla avoimelta mereltä tulevissa tuulissa suuruusluokkaa 0,05-0,07 ja sisämaasta tulevilla 0,2-0,3 sekä tuntureiden paljailla lakialueilla 0,1-0,15.

Lisätietoja Tuuliatlas-sivuilla.

Lähteet:

B. Tammelin: Tuulivoimameteorologia, 2006