Stürme waren in den vergangenen 70 Jahren ein wichtiger Bestandteil der Störungsdynamik in Europas Wäldern. Sie verursachten seit 1951 die größte kumulierte Schadholzmenge. Diese Tendenz wird sich voraussichtlich als eine Folge des Klimawandels zukünftig fortsetzen und zu vermehrten Störungen führen, die die Produktivität, Struktur und Zusammensetzung von Wäldern sowie Ökosystemdienstleistungen beeinträchtigen. Die Windwirkung auf Bäume im reliefierten Gelände kann bisher noch nicht vollständig und verallgemeinerbar nachvollzogen und durch Modelle abgebildet werden, weil kaum Informationen zum Windfeld über Wäldern vorliegen. Windmessungen werden dort nur in Ausnahmefällen durchgeführt. Es besteht immer noch eine große Wissenslücke bzgl. der Korrelation von Windlasten und daraus resultierenden Baumreaktionen. Das Projekt „Erfassung des bodennahen Windfeldes und windinduzierter Baumreaktionen in komplexem bewaldetem Gelände mit Luftdruckmessungen (WiCoTrAir)“ zielt darauf ab, zur Schließung dieser Wissenslücke beizutragen, indem kleinräumige Strömungseigenschaften, die über Wäldern auftreten, durch großräumig verteilte, bodennahe Luftdruckmessungen erfasst und quantifiziert werden. Auf der Grundlage der Luftdruckmessungen sollen daraufhin auf Bäume wirkende Windlasten abgeschätzt werden. Das Projekt basiert auf fünf Hypothesen: 1. Durch Luftdruckschwankungen, die über dem Waldboden gemessen werden, können die Windgeschwindigkeit und -richtung über Wäldern in reliefiertem Gelände erfasst und quantifiziert werden. 2. Die gemessenen Luftdruckschwankungen können mit Eigenschaften von Windgeschwindigkeits- und Windrichtungsfeldern über einem großen Gebiet in statistische Zusammenhänge gebracht werden. 3. Die statistischen Zusammenhänge ermöglichen eine generalisierbare Abbildung kleinräumiger Strömungsmuster über reliefiertem, bewaldetem Gelände. 4. Validierte Simulations- und Prädiktionsergebnisse von Windfeldmodellen eignen sich als Prädiktoren für Luftdruckschwankungsmodelle, die Eigenschaften von Windfeldern über Wäldern abbilden. 5. Durch Luftdruckschwankungen kann die effektive Windlast, die auf Bäume in reliefiertem Gelände wirkt, abgeschätzt werden. Das Projekt hat zwei Ziele: 1. Die Ursachen und Muster von Luftdruckschwankungen über dem Waldboden im reliefierten Gelände zu eruieren und durch statistische Modellierung Windfeldeigenschaften über Wäldern abzubilden. 2. Neues Wissen über Luftdruckschwankungen für die Abschätzung von Windlasten, die auf Bäume in reliefiertem Gelände wirken, zu generieren, um zukünftig großräumige Windlastabschätzungen zu ermöglichen. Durch die Zielerreichung wird eine neuartige Methode zur Messung von Strömungseigenschaften über Wäldern eingeführt, die geeignet ist, Windfeldeigenschaften im komplexen Gelände auf großer Fläche kleinräumig und mit Relevanz für Wind-Baum-Interaktionen abzubilden. Die verbesserte Abbildung der Windfeldeigenschaften kann dazu beitragen, Sturmschäden in Wäldern zu minimieren.
Neben der thermischen Schichtung bestimmt wesentlich der Turbulenzzustand eine Vielzahl der in der bodennahen Windgrenzschicht ablaufenden Strömungs- und Transportprozesse. Das vom Menschen wahrnehmbare Mikroklima, Windlasten oder z.B. die Windenergiegewinnung werden substanziell von Turbulenzphänomenen im bodennahen Wind beeinflusst. In der durch Orographie, Bebauung und Bewuchs unmittelbar beeinflussten bodennahen Windgrenzschicht ist die Dynamik des Windes hochkomplex und deshalb auch heute noch Gegenstand der Forschung. Turbulenzphänomene im bodennahen Wind können prinzipiell mit Hilfe von Naturmessungen oder mit Hilfe numerischer oder physikalischer Modelle untersucht werden. Die Repräsentativität und Verallgemeinerbarkeit von Naturversuchen zur Turbulenzcharakterisierung wird allerdings durch die begrenzte 'räumliche Auflösung' bzw. Datendichte und die ständig wechselnden, in der Regel nicht vollständig dokumentierbaren Strömungsrandbedingungen limitiert. Die an einem Standort erhobenen Naturdaten können nicht ohne vereinfachende Annahmen verallgemeinert und nur bedingt auf andere orographische Verhältnisse übertragen werden. Auch bei der mathematisch numerischen Modellierung kleinskaliger turbulenter Strömungs- und Transportprozesse wird auf eine Reihe vereinfachender Annahmen zurückgegriffen. Dennoch kann mit Hilfe partiell wirbelauflösender LES-Modelle ein deutlich besserer Einblick in die Dynamik des bodennahen Windes sowie die Wirkung der Turbulenz auf den bodennahen Stoff- und Impulstransport gewonnen werden. Voraussetzung ist, dass die für die entsprechende Modellanwendung ausreichende Güte der Simulationsergebnisse durch eine anwendungsbezogene, systematische und vollständige Modellvalidierung nachgewiesen wird. Im Projekt wird der Einfluss orographischer Strukturen auf die Turbulenzcharakteristik und Dynamik des bodennahen Windes erstmals systematisch mit Hilfe von Laborversuchen im Grenzschichtwindkanal untersucht und analysiert. Die bodennahe Windturbulenz in Raum und Zeit hinreichend auflösende Simulationen werden mit zeitgemäßer Messtechnik untersucht, um systematische Informationen zu turbulenten Impulsflüssen, Druck-Strömungs-Korrelationen und zum turbulenten Stofftransport in Abhängigkeit von der überströmten Orographie zu gewinnen und entsprechende Kausalzusammenhänge abzuleiten. Gleichzeitig werden für die systematische Validierung wirbelauflösender numerischer Modelle geeignete Referenzdatensätze mit bekannter und dokumentierter Datenqualität erzeugt. Das Projekt legt den Grundstein für einen systematischen Datenfundus, der bisher nicht existiert. Die experimentellen Daten werden noch während der Projektumsetzung in aufbereiteter, qualitätsgesicherter und dokumentierter Form potenziellen Nutzern in einer Referenzdatenbank im Internet zur Verfügung gestellt.
In den vergangenen 70 Jahren stellten Stürme die größte Naturgefahr für europäische Wälder dar. Sturmschäden treten auf, wenn Bäume destruktiven Windlasten ausgesetzt sind. Aufgrund ihrer weiträumigen Ausdehnung verursachten Winterstürme die größten Schadholzmengen. Die Bedeutung von Winterstürmen für das Schadholzaufkommen in den europäischen Wäldern hat sich in den letzten 30 Jahren erhöht. Sechs der sieben schwersten Winterstürme traten nach 1990 auf. In der Vergangenheit waren besonders Nadelbaumarten von Schäden durch Winterstürme betroffen, weil sie im Gegensatz zu Laubbaumarten ihre Nadeln ganzjährig behalten. Durch die winterliche Belaubung ist die Übertragung von kinetischer Energie der bodennahen Strömung auf die Baumkronen effizient, weil die angeströmte Kronenfläche sehr groß ist. Aufgrund des derzeit ablaufenden Klimawandels kann davon ausgegangen werden, dass zukünftig neben den Winterstürmen vermehrt konvektive Sturmereignisse auftreten, die ganzjährig zu Sturmschäden an Bäumen und Wäldern führen, insbesondere im Sommer. Der Vorteil der saisonalen Belaubung von Laubbaumarten wird durch das ganzjährige Auftreten von destruktiven konvektiven Sturmereignissen verringert. Sturmereignisse können die Vitalität der verbleibenden Bestände in den betroffenen Regionen verringern und sekundäre biotische Naturgefahren wie Kalamitäten von Borkenkäfern und wirtschaftliche Verluste induzieren. Sturmschäden beeinträchtigen Ökosystemdienstleistungen wie die Holzproduktion, die Erholungsfunktion, Wasser- und Erosionsschutz und die CO2-Senkenleistung. Durch katastrophale Stürme kann die CO2-Senkenleistung von Wäldern bei einer sehr kurzen Exposition stark minimiert werden. Umfassendes Wissen über die auf Bäume wirkenden Windlasten ist eine grundlegende Voraussetzung, um Sturmschäden an Bäumen und in Wäldern zu minimieren. (i) Während zahlreiche (auch eigene) frühere Studien Muster von Wind-Baum-Interaktionen identifiziert und beschrieben haben, (ii) besteht immer noch eine grundlegende Wissenslücke hinsichtlich der absoluten instantanen Beträge von Windlasten, die Wind-Baum-Interaktionen hervorrufen. Diese fundamentale Wissenslücke besteht, weil nur rudimentäre quantitative Kenntnisse über die Verformung von Baumkronen unter realen Windbedingungen vorliegen (Rekonfiguration). Die Rekonfiguration bestimmt die Übertragung von kinetischer Strömungsenergie auf Baumkronen entscheidend mit. Das Projekt TreeCon soll dazu beitragen, diese Wissenslücke zu schließen. Die zu erwartenden Ergebnisse und die damit verbundenen neuen Erkenntnisse tragen dazu bei, zukünftige Sturmschäden an Bäumen und Wäldern zu minimieren. Für die Erzielung der neuen Kenntnisse wird ein neuartiges, kostengünstiges Messsystem zum Einsatz gebracht und mit bestehenden Messsystemen kombiniert, wodurch sich bisher nicht vollständig beantwortbare Fragen klären und Hypothesen überprüfen lassen. Das Messsystem eignet sich insbesondere für Untersuchungen an Laubbäumen.
Als Bestandteil der natürlichen Störungsdynamik verursachen Stürme an Bäumen wiederkehrend große Schäden. In den vergangenen Jahrzehnten haben Stürme mehr als 50 % der gesamten Schadholzmenge hervorgerufen, die in europäischen Wäldern angefallen ist. Aufgrund ihrer erheblichen, vielschichtigen Schadenswirkung besteht ein begründetes Interesse an der Entwicklung von Strategien zur Minimierung der durch sie verursachten Schäden. Aus der aktuellen und zukünftigen Sturmgefährdungslage ergibt sich die Frage, ob und, wenn ja, wie auf die Sturmgefährdung proaktiv reagiert werden kann, um eine Minimierung des Sturmschadensrisikos an Bäumen und in Wäldern herbeizuführen.Eine wesentliche Voraussetzung für die prozessbasierte Analyse der Sturmschadensentstehung ist das umfassende Verständnis von Wind-Baum-Interaktionen. Wind-Baum-Interaktionen determinieren die Dynamik der Übertragung von kinetischer Energie der bodennahen Luftströmung auf Bäume. Ein Schlüsselelement bei der Übertragung der kinetischen Energie ist die Anpassung der Form von Baumkronen an die auf sie wirkenden Windlasten. Sind Baumkronen Windlasten ausgesetzt, verändern sie ihre Form und ihre aerodynamischen Eigenschaften, um den Widerstand gegenüber der sie umströmenden Luft zu reduzieren. Durch die Stromlinienform werden die auf Bäume wirkenden Windlasten, und damit die Schadenswahrscheinlichkeit, reduziert.Zur Dynamik der windinduzierten Stromlinienförmigkeit von Kronen realer Bäume im Freiland liegen allerdings nur sehr wenig Erkenntnisse und quantitative Informationen vor. Bisherige Erkenntnisse stammen vor allem aus Windkanaluntersuchungen an Miniaturbäumen oder an einzelnen Baumteilen, die nur sehr eingeschränkt auf reale Bäume übertragen werden können.Mit dem vorliegenden Antrag soll der Frage nachgegangen werden, wie sich die windinduzierte Stromlinienförmigkeit von Kronen realer Bäume unter der natürlichen Strömungsdynamik auf die in Bäumen auftretenden Kräfte auswirkt. Auf der Grundlage von drei Hypothesen soll getestet werden (1) welchen Einfluss die windinduzierte Veränderung der Kronenprojektionsfläche, des Widerstandsbeiwerts und der Porosität von Baumkronen auf die Windlastdynamik hat, (2) wie der Betrag von Windlasten, die auf Bäume wirken, von der bodennahen Windgeschwindigkeit abhängt und (3) ob Zugversuche, die zur Bestimmung der Baumstabilität gegenüber Windlasten verwendet werden, geeignet sind, reale Windlasten zu approximieren. Die Hypothesen sollen an verschiedenen Laub- und Nadelbaumarten, die an drei Standorten einem unterschiedlichem Windklima ausgesetzt sind, getestet werden.Ein verbessertes Verständnis der windinduzierten Dynamik der Stromlinienförmigkeit von Baumkronen würde zu einem besseren Verständnis der Entstehung von Sturmschäden an Bäumen führen und wichtige Grundlagen für eine weitergehende Sturmschadensforschung liefern.