Valutazione della risorsa eolica di aree ad orografia complessa per mezzo di analisi fluidodinamica numerica di mesoscala

The aim of this research has been the development of a numerical protocol aimed at the study of complex orography sites in order to evaluate available wind resources by means of mesoscale model software. For this purpose the two most widely used mesoscale numerical models, the NCAR MM5 and WRF-ARW, were used to run annual simulations based on both coarse and fine grids on a domain area centred on Col di Mezzo, a hill located half way between Monte Tolagna and Monte Miglioni in the town-hall of Montecavallo (Mc). The results were compared to measured data available from the weather station mast owned by ''Comunità Montana di Camerino'', supervised by DIISM (Dipartimento di Ingegneria Industriale e Scienze Matematiche) of UNIVPM (Università Politecnica delle Marche). Complex areas are those in which terrain orography is such that it influences profoundly the behaviour of wind field in a way that, commonly available micro scale codes, mostly developed, tailored and tuned to tackle the study of stable planetary boundary layer on flat terrain, often give unsatisfactory solutions. It is a well known fact that wind energy in the Country is mainly available in those areas located at relevant heights, where the complexities of terrain and convective phenomena play a crucial role in influencing the wind field mean values and direction as well as its turbulence content. The classical approach to studying wind resources in complex orography sites has so far been that of relying on a three steps protocol: the first step consists in collecting data available from GCM (General Circulation Models) which solve for the state of the atmosphere globally around the Earth numerically; the second step consists in passing the boundary conditions provided by the GCM used in step one to a LAM (Local Area Model) (e.g. NCAR mesoscale models such as MM5 and WRF) which in turn solves or more often parametrizes weather phenomena in scale ranges that go from thousands of kilometres to a few kilometres; the third step consists in feeding in data, worked out by the mesoscale models used in step two, as boundary conditions to a CFD (Computational Fluid Dynamics) micro scale models (e.g. the PHOENICS model) which solves for the local wind field. The approach pursued in this research is based on the exploitation of NASA SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) terrain orography data and aims to skip the third step of the classical approach. Even though SRTM data grid are available down to resolutions of thirty meters, a 200 metres grid was used. This grid dimension turned out to be acceptable both from the computational power demand and numerical stability point of view. The more powerful latest versions of WRF in particular, and MM5 mesoscale models were let to resolve for most of the local phenomena rather then relying on parametrization, thanks to finer grids whose use was made it possible by the availability of SRTM data. This way, in this research, the limits of what was commonly referred to as a height resolution 30 seconds of degree grid (approximately 900 metres) was pushed forward to a finer 200 metres grid. However, in order to make use of such a fine grid, some alterations to the source code were necessary in the case of MM5 mesoscale model whereas some minor code writing was enough to enable the WRF model to ingest new high resolution SRTM terrain data. The comparison between numerical results and experimental data has shown that this new approach results in a step beyond in the evaluation of complex orography sites wind resources.

Lo scopo della presente ricerca è stato lo sviluppo di un protocollo numerico, basato sul codice WRF (Weather Research Forecast), volto allo studio di siti eolici ad orografia complessa al fine di valutarne la producibilità energetica mediante l'uso di codici numerici di mesoscala. A tale scopo sono stati utilizzati i due codici numerici di mesoscala attualmente più usati per effettuare simulazioni annuali basate su griglie sia lasche che fini, del sito di interesse: MM5 (Mesoscale Model 5th generation), già da anni utilizzato e testato presso il DIISM; WRF successore del primo. Quest'ultimo sta lentamente sostituendo il primo in tutti gli Enti scientifici a livello mondiale e si spera che, dopo questa e successive fasi di sperimentazione, dia i risultati aspettati in modo da sostituire in futuro il suo predecessore. Quest'ultimo è posizionato sul Col di Mezzo, una collina a metà strada tra il monte Tolagna ed il monte Miglioni nell'area del comune di Monte Cavallo (Mc). I risultati numerici sono stati confrontati con i dati sperimentali forniti da una torre anemometrica della Comunità Montana di Camerino, supervisionata dal DIISM (Dipartimento di Ingegneria Industriale e Scienze Matematiche) dell'UNIVPM (Università Politecnica delle Marche), posizionata in prossimità del centro del dominio di calcolo. Le aree ad orografia complessa sono quelle in cui le irregolarità del terreno sono tali da influenzare profondamente il campo di moto in maniera tale che i codici di microscala attualmente usati, sviluppati e affinati soprattutto per affrontare le situazioni di strato limite planetario stabile su terreni pianeggianti, non danno soluzioni del tutto soddisfacenti. È ben noto infatti come l'energia del Paese sia soprattutto disponibile in quelle aree situate ad altitudini medio alte, dove le complessità del terreno ed i fenomeni convettivi giocano un ruolo cruciale nell'influenzare il campo di moto nei suoi valori medi, direzione e contenuto di turbolenza. L'approccio classico finora adottato nello studio delle risorse eoliche in siti ad orografia complessa prevede tre passi successivi: nella raccolta dei dati di scala globale, ottenuti da modelli GCM (Global Circulation Models) che risolvono lo stato dell'atmosfera a livello globale; nel passare le condizioni al contorno fornite dai GCM ad un modello LAM (Local Area Model) (quale MM5 o WRF) che risolve, e più spesso parametrizza, i fenomeni meteo locali, nelle scale che vanno dal migliaio a pochi chilometri; nel passare in termini di condizioni al contorno, i dati calcolati dal modello di mesoscala ad un modello CFD (Computational Fluid Dynamics) di microscala che risolve il campo locale di velocità (es. modello PHOENICS). L'approccio qui perseguito è stato basato sullo sfruttamento dei dati di orografia ad alta risoluzione SRTM (Shuttle Radar Topography Mission), al fine di evitare l'ultimo passo dell'approccio consueto. Sebbene siano disponibili dati relativi a risoluzioni di griglia che arrivano a 30 metri, è stata scelta la griglia a 200 metri in quanto è risultata un buon compromesso tra le necessità di avere una adeguata stabilità numerica ed un peso computazionale non troppo oneroso. L'alta definizione dei dati SRTM ha permesso di spingere le potenzialità di calcolo sia di WRF, che di MM5 alla risoluzione numerica di fenomeni locali che normalmente vengono parametrizzati. In questo modo, il limite di quelle erano definite simulazioni ad alta risoluzione, basate su dati di orografia GTOPO30 (ossia griglie di lato di circa 900m), è stato spinto verso il valore di 200 metri. Il confronto dei dati numerici e sperimentali ha dato risultati incoraggianti ed in buon accordo con i dati misurati sperimentalmente.