Logo: to the web site of Uppsala University

Understanding the risk of atmospheric icing on wind turbines is crucial for the operation of wind farms in cold climate regions. Processes leading to atmospheric icing in the planetary boundary layer are subject to interactions with the land surface--the details of which are largely unknown in current numerical weather prediction models and must be parameterized. This thesis examines the impact of the representation of land surface cover in these models on meteorological variables related to wind turbine icing. First, a sensitivity analysis is conducted using a single-column model to test the relative impacts of the vegetation fraction on ice accretion at the elevation of a modern commercial wind turbine. The impact of the representation of surface roughness due to the vegetation fraction and parameterization of processes related to the forest canopy is found to have the largest impact on icing in the simulations. This effect is combined with an important secondary role due to the albedo of the surface, which impacts the evolution of the icing event under early season solar insolation. Next, large eddy simulations (LES) are conducted to test the impact of the land cover heterogeneity length scale on wind profiles during a semi-idealized diurnal cycle in dry, subarctic conditions. The effective surface roughness is found to decrease as a function of the land cover heterogeneity length scale and the blending height is found to be limited by the height of the atmospheric boundary layer. Using the findings of this study in combination with previous work in the literature, a dynamic blending height model is presented as a possible coupling strategy for surface parameterizations. Following the results of the aforementioned study, LES simulations of different heterogeneity length scales are used to validate an analytical model that is used to simulate mean wind profiles and wind stress over arbitrary patterns of surface roughness. Lastly, semi-idealized LES simulations of supercooled low-level clouds are used to test the sensitivity of meteorological variables related to wind turbine icing to land cover heterogeneity length scales. Here, the presence of snow cover in bare patches has a significant effect on the icing prediction. The results of this thesis show that the representation of the surface can have a significant impact on wind turbine icing forecasts and that these findings will be helpful in identifying uncertainties in these predictions.

Att ha en förståelse för risken för nedisning av vindkraftverk på grund av atmosfäriska förhållanden är avgörande för driften av vindkraftsparker i regioner med kallt klimat. Processer som leder till atmosfärisk nedisning i det planetära gränsskiktet beror på interaktioner med landytan. Detaljerna för dessa interaktioner i de numeriska väderprognosmodeller som används idag är i stort sett okända och måste parametriseras. Denna avhandling undersöker hur representationen av markytan i dessa modeller påverkar meteorologiska variabler relaterade till isbildning på vindkraftverk. Först genomförs en känslighetsanalys med en enkelkolumn-modell för att testa vegetationsandelens relativa påverkan på isbildning på de höjder som är relevanta för ett modernt kommersiellt vindkraftverk. Effekten av hur ytans skrovlighet representeras på grund av vegetationsandelen och parametriseringen av de processer som är kopplade till trädtopparna visar sig ha störst påverkan på isbildningen i simuleringarna. Denna effekt kombineras med en viktig sekundär faktor, ytans albedo, som framförallt påverkar isbildningsförloppet tidigt under säsongen då solinstrålningen fortfarande är viktig att ta i beaktande. Därefter genomförs stora virvelsimuleringar (large eddy simulations, LES) för att testa hur landtäckets heterogenitetslängdskala påverkar vindprofiler under en semi-idealiserad dygnscykel i torra, subarktiska förhållanden. Den effektiva ytjämnheten har visat sig minska som en funktion av landtäckets heterogenitetslängdskala och blandningshöjden har visat sig vara begränsad av höjden på det atmosfäriska gränsskiktet. Med hjälp av resultaten av denna studie i kombination med tidigare arbeten presenteras en dynamisk blandningshöjdmodell som en möjlig kopplingsstrategi för ytparameteriseringar. Baserat på resultaten från den tidigare nämnda studien används LES med olika heterogenitetslängdskalor för att validera en analytisk modell som används för att simulera medelvindprofiler och vindstress över godtyckliga mönster av ytojämnhet. Slutligen används semi-idealiserade LES av underkylda moln på låg nivå för att testa känsligheten hos meteorologiska variabler relaterade till isbildning på vindkraftverken kopplat till landtäckets heterogenitetslängdskalor. Här har förekomsten av ett snötäcke med fläckar av barmark en betydande effekt på isbildningsprognosen. Resultaten av denna avhandling visar att representationen av ytan kan ha en betydande inverkan på prognoser för isbildning på vindkraftverk och dessa fynd kommer vara till hjälp för att identifiera osäkerheter i dessa prognoser.