Eine Windrose für November

Nach längerem Programmieraufwand, Darstellungen mittels Polarkoordinaten mit Hilfe von Gnuplot 4.4, ist nun die erste Windrose fertig. Dargestellt sind die jeweiligen Messwerte  als Kreuz. Die Entfernung vom Mittelpunkt entspricht der November_02Windgeschwindigkeit im m/s.  Zum Vergleich das Balkendiagramm direkt daneben. Zu beachten ist, das das Balkendiagramm die Messwerte bereits zu Windrichtungsklassen mit einer Breite von 11,25° zusammengefasst hat. Es kann also keine exakte Übereinstimmung zwischen Windrose und Balkendiagramm geben.
Die Darstellung der Werte als Windrose ist noch nicht auf Korrektheit überprüft. Bei bis zu 2976 Messwerten pro Monat kann keine Einzelprüfung erfolgen – ich benötige also noch ein Datensatz mit Kontrollwerten.

Daumenkino im November

Der November ist noch nicht vorbei, das Jahr 2015 auch noch nicht. Also ist noch Zeit  nach einer längeren Arbeitspause an meiner Auswertungssoftware wisys die fehlenden Programmzeilen zu ergänzen. Was jetzt u. a. schon möglich ist, sind

  • erweiterte statistische Ausgaben, wie z.B. Anzahl der Messwerte und Vollständigkeit der Messreihen,
  • Weibull-Verteilungen unterschiedlicher Art,
  • Ausgaben von Windrosen als Balkendiagramme, oder nach Windgeschwindigkeit gestapelte Balkendiagramme.

Nachdem meine Wetterstation inzwischen seit fast 10 Jahren (an unterschiedlichen Standorten) im Einsatz ist, häufen sich inzwischen die Ausfälle. Es kommt also vor, dass einfach mal ein paar Messwerte „verloren“ gehen. So etwas ist in einem Histogramm nicht erkennbar, hierfür wäre ein Liniendiagramm die erste Wahl – und das fehlt als Programmmodul noch. Alle diese Auswertungen beziehen sich noch auf monatliche Analysen – denn die Auwertung eines kompletten Jahres fehlt noch.

Trotzdem ist bei der Betrachtung des unten abgebildeten Daumenkinos eine erste

Windrosen als Daumenkino
Windrosen als Daumenkino

grafische Analyse möglich.  Wir sehen 11 Balkendiagramme je eines pro Monat, beginnend mit Januar (oben links) und abschließend mit November (unten rechts). Die Diagramme enthalten je 32 Balken.  Jeder Balken entspricht somit 11,25 °.  Der erste Balken ganz links steht für Norden, der achte Balken für Osten u.s.w. Die Mitte des Diagramms ist also Süden. Die Balkenlänge gibt die Häufigkeit der Windrichtung an, nicht etwa die Windgescwndigkeit.

Für meinen Stand ist damit eine eindeutige Tendenz erkennbar: „Meist weht der Wind aus West.“ Sehr schön im Januar und Mai erkennbar. Es gibt darüber hinaus noch eine weitere Vorzugsrichtung, nämlich Nord-Ost. Diese ist aber deutlich schwächer ausgeprägt, und scheint einer jahreszeitlichen Schwankung zu unterliegen.

Welche Ergebnisse die vollständige Analyse zusätzlich aufdeckt werde ich im Januar 2016 berichten. Dann wird es mehr als nur ein Daumenkino als „Vorgucker“ geben.

Übersichtlicher Oktober

In diesem Monat möchte ich mit einer Übersicht einfach mal zeigen welche Diagramme jetzt schon mit meinem Analyseprogramm generiert werden können:

Zunächst ganz links das Histogramm der Messwerte, direkt daneben das Histogramm auf Basis der Zeiten, die eine bestimmte Windgeschwindigkeit vorhanden war. Das dritte Diagramm stellt die Häufigkeit einer bestimmten Windrichtung dar. Der erste Balken steht für Norden. Im Letzten Diagramm sind die Balken der Windrichtung entsprechend der Windgeschwindigkeit gestapelt.

ORF-10_Okt_histo-abs ORF-10_Okt_histo-abs ORF-10_Okt_windrose1ORF-10_Okt_windrose2

Abschließend noch die übliche statistische  Zusammenfassung. In diesem Monat gab es einen der zunehmend häufiger vorkommennden Aussetzer in der Datenerfassung. Wenn ich es rechtzeitig bemerke, kann ich das meist über den Zwischenspeicher der WettersOktober_01tation kompensieren. Trotzdem fehlen mir ein paar Werte. Nebenbei ist der Oktober mit einer mittleren Windgeschwindigkeit von nur 1,67 m/s der schlechteste Monat bisher. Auch die Maximalwindgeschwindigkeit von geringfügig über 8 m/s egeistert nicht.

Eine Handvoll Balken im September

Im September hat meine Wetterstation die folgende Statistik ausgeworfen. Die Ergebnisse sind nicht besonders spektakulär. Es gab keine Ausfälle,  keine Extremwerte – wenn wir davon absehen dass das Mittel der Windgeschwindigkeit mit 2,27 m/s schon ernüchternd klein ist.

Messzeitraum       : 01.09.'15 (00:00:05) bis 30.09.'15 (23:45:02)
Dauer              : 29 Tage, 23 Stunden, 44 Minuten
Anzahl Messwerte   : 2800 von 2800 (entspricht 100%)
Kleinster Wert     : 0,00 m/s (Zeitpunkt: 01.09.'15 um 00:45:01)
Größter Wert       : 9,81 m/s (Zeitpunkt: 02.09.'15 um 10:30:05)
Mittelwert         : 2,27 m/s abs. Fehler: 2,21 m/s bis 2,34 m/s

Es bleibt also Zeit sich näher mit der Darstellung von Windrosen zu beschäftigen. Das folgende ist unabhängig davon wie die Windrose dargestellt ist, als Balkendiagramm oder

Auflösung der Windrichtung
Auflösung der Windrichtung

als Tortendiagramm. Die Windrose wird zunächst in Abschnitte gleicher Breite unterteilt, bei vier Windrichtungen, Norden, Osten, Süden, Weste, böten sich vier Abschnitte an, die dann jeweils eine Breite von 90° besitzen. Das ist auf dem Bild ganz links dargestellt. Vier Balken, der erste steht für Norden. Alle Windrichtungen die im Abschnitt ±45°, d. h. zwischen 315° und 45° liegen, werden in dem ersten Balken versammelt. Aus dieser Windrose wird zumindest erkennbar das die vorherrschende Richtung Westen sein muss.

Den zwangsläufigen Wunsch nach größerer Auflösung erfüllt das folgende Diagramm mit 8 Balken. Es sind also die Windrichtungen N – NO – O – SO – S – SW – W -NW vertreten. Mit dieser Auflösung wird klar, dass z. B. die ehemalige Hauptwindrichtung West eine klare Tendenz nach Südwest besitzt.

Wird die Auflösung weiter vergrößert, in diesem Fall auf 16 Windrichtungsklassen, wie im dritten Diagramm gezeigt, wird allmählich erkennbar, dass wir es mit drei Hauptwindrichtungen zu tun haben: Der nordöstlichen, der südöstlichen und der südwestlichen Hauptwindrichtung. Die südwestliche ist dabei die schwächste und gleichzeitig die am wenigsten ausgeprägte.

Eine weitere Verfeinerung mit 32 Windrichtungsklassen, bringt jetzt nicht wirklich neuen Informationszuwachs. Es bleibt bei drei Vorzugswindrichtungen, die unterschiedlich stark ausgeprägt sind. Das ist der Grund, warum ich überwiegend mit 16 Windklassen arbeite.

Richtungswechsel im Juni

Nachdem sich im Mai der Trend zu einer statt zwei Vorzugswindrichtungen vollendet hat, ist nun, im Juni ein Wechsel zu beobachten. Neben der bestehenden südwestlichen Hauptwindrichtung (Balken 11, 12, 13) scheinen sich eine vielleicht auch zwei weitere Windrichtungen zu ORF-06_Jun_windrose2etablieren. Zum einen die altbekannte nordöstliche (Balken 1, 2, 3), zum anderen eine eher südliche (Balken 7, 8)  Richtung.
(Anm.: Ich sollte tatsächlich mal langsam lernen Windrichtungen als Windrose dazustellen, anstatt mit Balkendiagrammen zu arbeiten…) Ob sich diese Tendenz halten kann oder sich sogar weiter entwickelt werden die folgenden Monate zeigen. Meine Windstatistik meldet diesen Monat kaum interessante Ergebnisse. Mit insgesamt 2880 Messwerten wurde der Messzeitraum vollständig erfasst, die größte gemessene Windgeschwindigkeit betrug 11,19 m/s und die mittlere Windgeschwindigkeit lag bei lediglich 2,69 m/s.

Einseitiger Mai

Eine interessante Besonderheit zeigt sich im Monat Mai. Erkennbar wird sie allerdings erst im Rückblick (Ich hatte ja schon an anderer Stelle geschrieben, dass ich die Beiträge chronologisch ordne, aber nicht in dieser Reihenfolge schreibe).  Bevor ich dazu komme, hier noMai_01ch die üblichen statistischen Auswürfe meines Programms wisys, diesmal als Screenshot. Gleich neben der Überschrift steht „05_Mai“. Das bezeichnet nicht den 05. Mai, sondern bedeutet, das der Mai der fünfte Monat im Jahr ist – ich werde an der zugegebener Maßen missverständlichen Darstellung, noch etwas arbeiten.

Nun zu der Besonderheit: Seit Januar gibt es zwei Hauptwindrichtungen: Nord-Ost und Süd-West. Von Januar bis Mai ist uns die zweite erhalten geblieben, während die erste von Monat zu Monat schwächer wurde und im Mai vollkommen verschwunden ist. Sehr schön lässt sich das an den vier kleine Bildern für die Monate Januar bis April im Vergleich zum Mai erkennen. Das vereinfachte Histogramm berücksichtigt nur die Windrichtung, nicht die Windgeschwindigkeitsverteilung auf die jeweilige Richtung. Ob der Effekt der nachlassen Windrichtung Nord-Ost auch eine Geschwindigkeitskomponente enthält ist so noch nicht zu Mai_02beurteilen. In jedem Fall ist das Thema Hauptwindrichtung noch nicht abgeschlossen – wie der kommende Monat Juni zeigen wird. Und deswegen werden die Windrichtungen auch ein Thema in der  kommenden Jahresauswertung sein.

Starker Märzwind

Windgang im März
Windgang im März

Der März ist ziemlich stürmisch – und bis jetzt der kräftigste Monat im Jahr 2015. Nur der November oder Dezember können ihn noch von Platz der Windparade verdrängen. Ich weiß das scheinbar schon jetzt, weil dieser Beitrag im November geschrieben ist, über das Datum der Veröffentlichung aber zeitlich in die korrekte Reihenfolge, nämlich zwischen Februar und April einsortiert wird. Auf meiner Startseite habe ich schon darauf hingewiesen, hier kein Tagebuch zu schreiben, sondern Berichte immer wieder korrigiere, aktualisiere und ergänze – und deswegen, kann ich jetzt im November 2015 sagen, dass

  • der März mit einer Spitzenwindgeschwindigkeit von 15,4 m/s den Jahresrekord hält und
  • mit einer mittleren monatlichen Windgeschwindigkeit von 3,6 m/s ebenfalls auf Platz 1 steht.

Zur Abwechslung zeige ich die Situation mal anhand eines Diagramms welches die Software von Krienke auf Basis meiner Daten generiert hat. Die Windgeschwindigkeit ist hier in km/h aufgetragen. Um auf m/s zu kommen müssen die Werte also durch 3,6 dividiert werden.

Absolute Zeiten im Februar 2015

Der Februar ist der erste vollständig erfasste Monat in meiner aufwachsenden Wetterstatistik. Somit lohnt sich, im Gegensatz zum Januar, die weitere Verarbeitung der Daten. Die statistische Auswertung des Februars zeigt folgendes Bild:

Messzeitraum       : 01.02.'15 (00:00:03) bis 28.02.'15 (23:45:03)
Dauer              : 27 Tage, 23 Stunden, 44 Minuten
Anzahl Meswerte    : 2688
Kleinster Wert     : 0.00 m/s (Zeitpunkt: 01.02.'15 um 00:30:03)
Größter Wert       : 10.78 m/s (Zeitpunkt: 23.02.'15 um 02:30:00)
Mittelwert         : 2.89 m/s abs. Fehler: 2.80 m/s bis 2.97 m/s

Der Messzeitraum ist nur scheinbar um eine viertel Stunde zu kurz. Da der erste Messwert um drei Sekunden nach Anbruch des Februar bereits mitgezählt wird, die letzte viertel Stunde jedoch nicht mehr, hat der Messzeitraum die richtige Länge, beginnt jedoch, genau betrachtet 15 Minuten zu früh.  Um das Ergebnis zu korrigieren muss der erste Wert (noch aus Januar) entfernt werden und der erste Wert der Märzreihe (die es zu diesem Zeitpunkt noch nicht geben kann) hinzugefügt werden. Die Anzahl der Messwerte bliebe gleich – also verändert sich ein Wert von 2688 Werten, das entspricht einer Änderung des Ergebnisses von 0,03 %.

Histogramm: Windgeschwindigkeit im Februar
Histogramm: Windgeschwindigkeit im Februar

Der Ausgangspunkt jeder Verarbeitung sind Winddaten im Format „Windgeschwindigkeit x mit Toleranz y zum Zeitpunkt z“. Die erste Bearbeitungsstufe ist das Einsortieren in Windgeschwindigkeitsklassen, so wie schon im Januar in Form eines Histogramms aus Absolutwerten gezeigt. Damit kann festgetellt werden, wie oft ein bestimmtes Windgeschwindigkeitsintervall vorliegt.

Ohne weitere Kenntnis über Anzahl der Messwerte, des Zeitraumes und des Messzyklus ist diese Information recht dürr. Viel interessanter ist es zu erfahren, wie lange (in Stunden und Minuten) ein bestimmtes Windgeschwindigkeitsintervall im beobachteten Zeitraum vorhanden war.

Histogramm: Zeitlicher Verlauf der Windgeschwindigeiten im Februar
Histogramm: Zeitlicher Verlauf der Windgeschwindigeiten im Februar

Während das Erstellen der Histogramme aus Absolutwerten (Messwerte) bisher reines Sortieren ist, braucht es für die folgende Stufe noch kaum mathematische Grundkenntnisse. Die Anzahl der Messwerte jeder Windklasse wird mit dem Messintervall (hier: 0,25 Stunden) multipliziert. Nach Duchführung dieser Rechnung ergibt sich ein neues Hstogramm mit absoluten Angaben in Stunden zu jeder einzelnen Windklasse. Nun zeigt jeder Balken an, wie lange die entsprechende Windgeschwindigkeit im Messzeitraum vorhanden war.

Das Diagramm kann nun so gelesen werden: Rund 150 Stunden lag die gemessene Windgeschwindigkeit unter 1 m/s. Über 300 Stunden herrschte eine Windgeschwindigkeit zwischen 1 m/s und 4 m/s.

Mit diesem Diagrammtyp lassen sich aussagekräftigere Ergebnisse über die Situation am Messort gewinnen. Vergleiche zwischen verschiedenen Zeiträumen oder Standorten bleiben aber schwierig, denn wir arbeiten immer noch mit absoluten Angaben. Wie das Problem gelöst wird – dazu im nächsten Beitrag mehr.

Startwind im Januar 2015

Mitte Januar, habe ich meine Wetterstation WS2500 endlich in Betrieb nehmen und testen können. Es dauerte noch bis zum 23.01. ’15 ca. 09 Uhr bis der erste vollständige Winddatensatz für Januar 2015 in die Datenbank geschrieben wurde. Insgesamt haben sich dazu dann noch weitere 827 Messwerte gesellt. Die Auswertung für Januar ist also aufgrund der kurzen Messdauer nicht wirklich repräsentativ. Mein Programm wisys (Anm.: Ich hatte im letzten Artikel schon kurz darüber berichtet.)  hat aus den Daten folgende kleine Statistik generiert:

Messzeitraum       : 23.01.'15 (09:01:32) bis 31.01.'15 (23:45:03)
Dauer              : 8 Tage, 14 Stunden, 43 Minuten
Anzahl Messwerte   : 828
Kleinster Wert     : 0,00 m/s (Zeitpunkt: 23.01.'15 um 09:01:32)
Größter Wert       : 11,17 m/s (Zeitpunkt: 29.01.'15 um 00:15:02)
Mittelwert         : 2,32 m/s abs. Fehler: 2,25 m/s bis 2,39 m/s

Der Messzyklus beträgt 15 Minuten. Wäre also die Station 33 Sekunden früher in Betrieb gegangen, hätte der letzte Messwert kurz vor Mitternacht noch dem Januar zugeschlagen werden können. So fällt diese letzte viertel Stunde bereits in den Februar.

Der Zeitpunkt für den jeweils kleinsten und größten Messwert der Windgeschwindigkeit kennzeichnet immer das erste Auftreten des Min-, beziehungsweise Maximalwertes.

Der Mittelwert der Windgeschwindigkeit ist mit 2,32 m/s erwartungsgemäß klein, insbesondere wenn über eine energetische Nutzung des Windes nachgedacht wird. Absolut betrachtet liegt er zwischen 2,25 m/s (minimal) und 2,39 m/s (maximal). Das entspricht einen prozentualen Fehler von ± 3 %.

Die vollständige Fehlerangabe der Station für die WIndgeschwindigkeit lautet:  3 % ± 1 km/h. Mein Programm berücksichtigt in der Fehlerrechnung bisher nur den ersten Teil des Terms. Die „1 km/h“ werden noch nicht berücksichtigt!

Eine wichtige Frage bei der Abschätzung des Windpotenzial an einem Standort lautet: „Welche Windgeschwindigkeit kommt wie häufig vor?“.  Die Antwort liefert folgendes Diagramm (Anm.: erzeugt von wisys2500 mit Hilfe von  gnuplot.):

Histogramm: Windgeschwindigkeit im Januar
Histogramm: Windgeschwindigkeit im Januar

Alle 828 Messwerte wurden in 20 Windgeschwindigkeitsklassen (Schubladen) von  gleicher Breite (= 1 m/s) eingeordnet und auf die horizontale Achse aufgetragen. Klasse Eins enthält also alle Messwerte die größer 0 m/s und kleiner 1 m/s. D. heißt ein Messwert v = 1,0 m/s fällt bereits in die Klasse 2. Die Messwerte sind mit einem Fehler von ±3 % belegt. Liegen sie dicht genug an der Grenze zu einer benachbarten Klasse, können sie in diese überwechseln. Das ist im Diagramm durch zwei weitere Balken dargestellt. Die senkrechte Achse stellt die absolut Anzahl der Messwert je Klasse dar. Schwarz steht für die Anzahl der Messwerte je Klasse, weiß für die Annahme der Fehler der Messwerte liegt zwischen -3 % und 0 %, und grau für den Fall das die Messwertfehler zwischen 0 % und +3 % liegen.

Im Diagramm  (Histogramm) wird erkennbar, das die Minimal- und Maximalbalken unterschiedlich weit auseinander liegen, hieraus könnte ein Fehler für jede Klasse separat berechnet werden.

Die Wetterstation

Wetterstation in Osterrönfeld
Wetterstation
(C)2015 S. Köpke

Die Messwerte zur Ermittlung des Windpotenzials an meinem Standort, liefert  mir die Touch-Screen-Funk-Wetterstation WS2500 des Herstellers ELV Elektronik AG. Die Station ist schon etwas in die Jahre gekommen; ich verwende sie mit mehreren kurzen Unterbrechungen seit 2005. Die lange Betriebszeit hat ihren Tribut gefordert; die Sensoren für Regen und Licht sind inzwischen ausgefallen. Gerade der Regensensor hätte jetzt (2015), interessante und vor allem sehr viele Daten geliefert!

Aktuell in Betrieb ist das Schalenkreuzanemometer, die Wetterfahne und der Sensor für die Aussentemperatur. Vor dem Start meiner Messkampagne Mitte Januar 2015 war eine Reparatur des Temperatursensors nötig; das Gehäuse war am Übergang zur Masthalterung eingerissen. Schalenkreuz und Fahne benötigten lediglich eine Grundreinigung.

  • Die technischen Daten nach [1]:
    Temperaturbereich, außen: -30,0 °C bis +70 °C
    Auflösung: 0,1 °C
    Genauigkeit: ± 1 °C Windgeschwindigkeit: 0 km/h bis 200 km/h
    Auflösung: 0,1 km/h
    Genauigkeit: 3 % ± 1 km/h Windrichtung, numerische Auflösung: 5 Grad

Die Sensoren übertragen ihre Maßwerte mittels Funksignal zur Station. Von dort gelangen sie über eine serielle Verbindung zu einem PC und werden in einer Datenbank gespeichert. Zur grafischen Darstellung der Messwerte verwende ich die Software wetter.cgi von Rainer Krienke aus Koblenz. Auf seinem Technikblog beschreibt er genauer wie diese Software eingesetzt und verwendet werden kann.

Für die Erstellung einer Windpotenzialanalyse, benötige ich u.a. Windgeschwindigkeitsverteilungen, Windrichtungsanalysen, Monatsgänge und andere Auswertungen die Krienkes Software nicht liefert. Aus diesem Grund habe ich mit dem Schreiben einer eigenen Auswertungssoftware begonnen. Wie Krienke auch, ist mein Prgramm ein CGI-Script das zur grafischen Darstellung der aufbereiteten Messwerte gnuplot verwendet.


[1]
ELV Touch-Screen-Funk-Wetterstion WS2500 Bedienungsanleitung
3. Ausgabe Deutsch 10/2003
Dokumentation © 2001 ELV Electronic Ltd.