MISKAM advanced

Mikroskalige Windfeldmodellierung & mikroskalige Ausbreitungsmodellierung

MISKAM genießt hohes Ansehen als prognostisches Windfeld-und Ausbreitungsmodell. Es berechnet Windfelder für einzelne meteorologische Anströmsituationen unter stationären Verhältnissen. SoundPLAN fügt eine leistungsstarke Oberfläche hinzu, mit der Sie für Planungszwecke auch längere Perioden wie Jahresstatistiken mit MISKAM effizient abarbeiten können. Arbeitsabläufe zur Dateneingabe, Rechenlaufsteuerung und Ergebnisauswertung, z.B. statistische Aggregation für die Erstellung von Jahresstatistikkarten, werden automatisiert.

Vorbereitung

  • Die SoundPLAN - Bibliothek Meteorologische Station unterstützt Sie bei der visuellen Analyse meteorologischer Daten und hilft Ihnen diese an Ihre Aufgabenstellung anzupassen. MISKAM wird vor allem in dichten Bebauungsstrukturen verwendet, wo die atmosphärische Stabilität wenig Einfluss hat. Hierzu lassen sich meteorologische Messdaten leicht in klassifizierte Daten bei neutraler Stabilität umwandeln.
  • Mithilfe von Emissionsganglinien können mittlere Emissionen für verschiedene Windrichtungen berechnet werden. Die Genauigkeit der mittleren jährlichen Konzentration kann so ohne Zeitverlust erhöht werden. Dies ist ein großer Vorteil, da ein PC keine 8760 separaten Stunden mit solch einem detaillierten Modell berechnen kann. Ein Postprocessing zur weitergehenden Berücksichtigung der Emissionsganglinien ist in Vorbereitung.

Dateneingabe

  • Die SoundPLAN - Geodatenbank gibt Ihnen die Möglichkeit Modelldaten über mehrere Schnittstellen zu importieren, sie zu digitalisieren und zu bearbeiten. Modelle, die für SoundPLAN-Lärmberechnungen erstellt wurden können ohne Probleme übernommen und weiterbearbeitet werden. Auch die Verwendung von Hintergrundbitmaps, zum Beispiel georeferenzierte Luftbilder, ist möglich.

Berechnung

  • Im SoundPLAN - Rechenkern können mithilfe einer benutzerfreundlichen Oberfläche die Rechenlaufeinstellungen bestimmt und die Rechenläufe kontrolliert werden. Bei Berechnung mit neutraler Schichtung und ohne Quellimpuls, fordert SoundPLAN von MISKAM nur die Berechnung eines einzelnen Standardwindfeldes pro Windrichtung an. Wind- und Konzentrationsfelder für andere Windgeschwindigkeiten werden zeitsparend von SoundPLAN abgeleitet. MISKAM-Berechnungen können windfeldweise auf mehrere Kerne in Ihrem Computer aufgeteilt werden, sofern genug Arbeitsspeicher vorhanden ist (MISKAM läuft unter dem neuen Modulnamen MISKAM advanced auch als 64 Bit Software). Mit unserem Modul "Verteiltes Rechnen" können Windfeldberechnungen auch parallel auf mehreren Computern laufen.

Präsentation

  • Mit dem SoundPLAN - Grafik-Modul können Sie überzeugende Präsentationsgrafiken erstellen. Für die Windfeld- und Immissionsdarstellung im Lageplan wird mit dem Upgrade auf MISKAM advanced auch eine 3-D Grafik angeboten, wahlweise mit SoundPLAN-Objekten oder mit den daraus erzeugten MISKAM-Objekten, die durch die auf die Gittergeometrie angepasst werden. In dieser Darstellung werden auch Unterströmungsbereiche sichtbar.
  • Darüber hinaus können im Grafikmodul in einem Postprocessing Daten mithilfe von benutzerdefinierten Formeln modifiziert oder Ergebnisse mehrerer Rechenläufe, unabhängig vom Modell, kombiniert werden und es können zusätzliche Lageplaninformationen hinzugefügt werden.

Modellbeschreibung

Entwicklung

Das Modell MISKAM (mikroskaliges Klima- und Ausbreitungsmodell) ist eines der physikalisch anspruchsvollsten Modelle innerhalb der großen Auswahl, die mittlerweile weltweit für Planungszwecke angeboten wird. Es wurde am Institut für Physik der Atmosphäre an der Universität Mainz, Deutschland entwickelt. Dieses Institut hat sich bereits viele Jahre mit der Entwicklung regionaler und lokaler Klima- und Ausbreitungsmodelle beschäftigt. Im Rahmen von Weiterentwicklungen wurde das Modell fortlaufend verifiziert und validiert. Die Testberechnungen orientierten sich hauptsächlich an den Richtlinien der VDI-Richtlinie 3783/9 "Umweltmeteorologie - Prognostische mikroskalige Windfeldmodelle - Evaluierung der Gebäude- und Hindernisumströmung".

Modelltyp und Anwendungsgebiet

Bei MISKAM handelt es sich um ein dreidimensionales, nichthydrostatisches, numerisches Strömungs- und Ausbreitungsmodell zur mikroskaligen Berechnung von Windverhältnissen und Schadstoffkonzentrationen, das sowohl in Straßenschluchten als auch in kleineren Stadtvierteln Verwendung findet. Es wurde ursprünglich zur Behandlung mikroklimatischer Probleme entwickelt (Eichhorn,1989).

MISKAM wurde für die Bearbeitung kleinräumiger Ausbreitungsprozesse (typische Modellgröße von mehreren 100 Metern) entwickelt. Es berücksichtigt vor allem die physikalischen Prozesse, die den Transport der Schadstoffe in der direkten Umgebung der Gebäude beeinflussen und ist deshalb besonders für die Anwendungen in der Straßen- und Stadtplanung geeignet.

MISKAM wird nicht nur für Luftschadstoffberechnungen verwendet. Die Nachfrage nach Klimastudien in der Siedlungsentwicklung steigt. MISKAM kann zur Optimierung der Durchlüftungskapazität zwischen Gebäuden verwendet werden. Die Windfelder für jede definierte Anströmsituation werden berechnet und in einer Karte dargestellt.

Zeitliche und räumliche Auflösung

Die üblichen Rasterauflösungen in horizontaler Richtung sind 1-2 Meter. In vertikaler Richtung muss ebenfalls mit geringen Schichthöhen begonnen werden, die sich nach oben sukzessive aufweiten, bis eine angemessene Modellhöhe erreicht wird. Oberhalb der Gebäude kann die Aufweitung großzügiger erfolgen als zwischen den Gebäuden. Die übliche Anzahl von Schichten liegt, abhängig von der Gebäudehöhe und der Größe des Untersuchungsgebietes, bei 20 bis 40.

Durch die Einführung einer 64-Bit MISKAM-Version für das Modul MISKAM advanced wird dem Wunsch nachgekommen, größere, höhere oder feiner aufgelöste Gebiete bearbeiten zu können, da der von Windows für eine Anwendung bereitgestellte Speicher in der 32-Bit-Version manchmal zu gering war. Der Spielraum hält sich jedoch in Grenzen, da die Rechenzeit mit jeder Gebietsvergrößerung steigt.

MISKAM-Windfeldberechnungen benötigen, abhängig von der Gebietsgröße, mehrere Stunden für ein Windfeld. Wenn Sie eine Berechnung beschleunigen wollen, können Sie einen vorsichtigen Kompromiss eingehen, indem Sie eine gröbere meteorologische Klassifikation, aber niemals ein zu grobes Rechenraster verwenden. Im "Best Practice Guideline of the COST Action 732" wurden Empfehlungen verschiedener Autoren in einem Anhang gesammelt (siehe Link unten).

Emittenten

Die SoundPLAN - Oberfläche verarbeitet sowohl Punkt-, Linien- und Flächenquellen als auch Straßen. Linien- und Flächenquellen können als frei gestaltete Polygone eingegeben werden. Straßen werden als separater Objekttyp für die Grafik etc. und zur Definition der Fahrbahnbreite angeboten. Ganglinien können zwar erfasst werden, sie werden jedoch nur dafür verwendet, die durchschnittliche Emission für jede Windrichtung zu berechnen. Eine Stunde für Stunde-Berechnung mit unterschiedlichen Emissionen wäre zu zeitaufwendig.

Die effektive Quellhöhe kann als Impuls für das gesamte Volumen der Quellzelle eingegeben werden. Eine solche Berechnung erfordert jedoch bedeutend mehr MISKAM-Windfeldberechnungen als passive Quellen, da keine sinnvollen Standardwindfelder zur Ableitung abweichender Windgeschwindigkeiten erstellt werden können.

Schadstoffe

Die Schadstoffliste ist vollständig benutzerdefiniert. Sie kann Neutralgase oder Stäube enthalten, die über die Sedimentations- und Depositionsgeschwindigkeit definiert werden.

Die Umwandlung von NOx in NO2 wird bei einer MISKAM-Berechnung immer konzentrationsabhängig in einem Postprocessing durchgeführt. Es wird empfohlen, die in Europa übliche Stundenmittelwertbetrachtung für NO2 und die Tagesmittelwertbetrachtung für PM10 aus Jahresmittelwerten abzuleiten. Hierfür bietet das Postprocessing im Grafikmodul spezielle Funktionen an.

Topographie

Die Topographie kann erfasst werden (damit Daten aus einem Lärmprojekt verwendet werden können), wird jedoch nicht berücksichtigt. Alle SoundPLAN-Objekte mit Ausnahme der Quellen werden während der Berechnung temporär auf eine ebene Fläche gesetzt: Die Höhendifferenz zwischen Gelände und Quelle wird als Höhe über Grund berücksichtigt.

Wenn Sie ein flaches, aber von Hängen umgebenes Gebiet berechnen wollen, benötigen Sie meteorologische Daten, die die Geländeeffekte des umgebenden Geländes bereits beinhalten.

Gebäude, Hindernisse, Landnutzung

Wenn MISKAM, wie normalerweise üblich, als mikroskaliges Modell zu Planungszwecken verwendet wird, müssen alle Strömungshindernisse im Modell erfasst werden! Das können sowohl Gebäude als auch "Rauhigkeitsgebiete" mit einer benutzerdefinierten Rauhigkeitslänge sein. 

Das Modul MISKAM anvanced erlaubt es auch, die Unter/Durchströmung von Gebäuden (Tore, Brücken, Parkhäuser) und die Durchströmung von Vegetation (m² Blattfläche/m³ Luft) zu berücksichtigen.

Verfügbare Ergebnisse

Ergebnisse stehen für jede Schicht des Rechengebiets zur Verfügung.

Einzelne Windfelder: Karten der unterschiedlichen Windströmungsparameter wie Windgeschwindigkeit, Windrichtung, vertikale Neigung der Windrichtung.

Windfeldstatistiken für den berechneten Zeitraum: Mittelwert, Minimum, Maximum der Windgeschwindigkeit, Fälle über oder unter einer bestimmten Windgeschwindigkeit, in Stunden oder als Prozentwert.

Einzelne Konzentrationsfelder: Konzentrations- und Depositionskarten.

Konzentrationskarten für den berechneten Zeitraum: Mittlere und maximale Konzentration, Perzentile, Fälle über/unter einem Konzentrations-Schwellenwert, in Stunden oder als Prozentwert.

Rasteroperationen stehen für Konzentrationskarten zur Verfügung, z.B. zur Ableitung täglicher und stündlicher Statistiken aus Jahresmittelwerten mithilfe vordefinierter Funktionen oder benutzerdefinierter Formeln (beide unter Verwendung empirischer Ableitungen).

Objekte können ab dem MISKAM advanced upgrade als SoundPLAN-Objekte oder als gerasterte MISKAM-Objekte ausgegeben werden. Neu sind dann auch 3D-Karten und Profilschnitte.

Dokumente

MISKAM

Prinzipskizze: 3D-Raster zur Berechnung der Gebäudeumströmung
SoundPLAN Kontrollgrafik: Gebäude- und Quellenverteilung nach automatischer Aufrasterung
Windkarte: Windgeschwindigkeit (Farbe) und Windrichtung (Pfeile) für eine einzelne Anströmsituation
Windkarte: Zahl der Stunden pro Jahr unterhalb einer kritischen Windgeschwindigkeit
Rasterschadstoffkarte