Kjalarnesið er vel þekkt meðal ökumanna fyrir hvassa vinda og snarpar hviður. Á þessu svæði hafa slys orðið þar sem ökutæki hafa fokið út af veginum eða ökumenn hafa misst stjórn á ökutækjum í sterkum hliðarvindi.
Vindafar á Kjalarnesi er undir áhrifum frá Esjunni og landslaginu í kring. Vindmælingar eru á staðnum og töluverð þekking er á vindafari á svæðinu. Svæðið á Kjalarnesi er því upplagt til að nota sem rannsóknarsvæði þar sem notast er við tölvuvædd straumfræðilíkön til að herma sviptivinda í flóknu landslagi. EFLA hefur unnið að rannsóknarverkefni til að skoða þetta og voru niðurstöðurnar kynntar á ráðstefnu Vegagerðarinnar í síðasta mánuði.
Af hverju að herma vind?
Verkefnið er styrkt af rannsóknarsjóði Vegagerðarinnar og tók Jónas Þór Snæbjörnsson, prófessor við Háskólann í Reykjavík, einnig þátt í verkefninu. Markmiðið var að kanna hvernig töluleg straumfræðilíkön (CFD – Computational Fluid Dynamics) geta reiknað út vindafar í flóknu landslagi og þannig bætt skilning á sviptivindum sem hafa bein áhrif á umferðaröryggi.
Ísland er eitt vindasamasta land í Evrópu og það kemur því ekki á óvart að vindur hafi víða áhrif á samgöngur. Snarpar hviður geta valdið því að ökutæki missa veggrip eða jafnvel lyftast og velta, sérstaklega þegar vindur stendur þvert á veg. Oft tengjast slíkar hviður landslagi, þar sem fjöll og dalir móta vindinn með staðbundnum hætti.
Við undirbúning nýrra framkvæmda eða endurbætur á þjóðvegum er því nauðsynlegt að leggja mat á vindafar, bera saman valkosti og meta möguleg áhrif á umferðaröryggi. Þannig má lágmarka líkur á því að hættulegar aðstæður skapist vegna sviptivinda. Venjulega er þetta gert með því að skoða mæligögn og veðurlíkön. En mælingar ná aðeins til eins staðar í einu og hefðbundin veðurlíkön eru of gróf til að fanga vind á smáum skala með nákvæmum hætti, ekki síst þar sem landslagið er bratt og flókið. Þar koma straumfræðihermanir til sögunnar.
Mynd sem sýnir hviðustuðulsrós við veðurstöðvar á Kjalarnesi og nágrenni. Liturinn gefur til kynna meðalstyrk vindhviðu eftir vindátt og meðalvindi.
Tölvuvæddar straumfræðigreiningar
Straumfræði er undirgrein eðlisfræðinnar sem snýr að flæði lofts og vökva, þ.m.t. vinds. Þróuð hafa verið tölvulíkön sem geta reiknað út flæði vinds samkvæmt lögmálum eðlisfræðinnar, sem kallast tölvuvædd straumfræðilíkön (CFD líkön). Með þessum aðferðum má greina flæði vinds í hárri upplausn og sjá hvernig vindur bregst við landslagi, byggingum eða öðrum hindrunum. Hjá EFLU er þessi tækni notuð á fjölmörgum sviðum, allt frá orkumálum og byggingum til samgangna, loftmengunar og innivistar.
Í þessu verkefni var straumfræðilíkan notað til að herma vindafar á Kjalarnesi, einu versta hviðusvæði landsins. Þar koma miklar hviður niður af Esjunni í norðan og norðnorðaustanátt og vindurinn stendur nánast þvert á akstursstefnu. Á vegkafla í grennd við Esjuberg, um 900 metra löngum, er slysahætta sérstaklega mikil.
Vindhraði í 6m hæð yfir jörðu – augnabliksmynd (840s).
Frá mælingum til líkans
Fyrst var unnið með gögn úr veðurstöðvum á Kjalarnesi, Skrauthólum og Álfsnesi ásamt því að skoða gögn úr Slysaskrá Samgöngustofu. Gögnin sýna að frá 2018 til 2024 urðu fjölmörg slys á vegkaflanum við Esjuberg þar sem orsökin var skráð sem „ökutæki fýkur“. Þau tengjast flest NNA-vindátt, sömu átt og hefur lengi verið þekkt fyrir hvassar hviður á svæðinu.
Til að greina þetta nánar var sett upp straumfræðilíkan sem nær yfir svæði um 24 x 29 km að stærð, með sérstaklega fínt reikninet yfir Kjalarnesi og hlíðum Esjunnar. Hæðarlíkan Íslands (ÍslandsDEM) var notað til að móta landslagið og tryggja að það væri nægilega nákvæmt til að ná áhrifum fjallshlíða og skarða.
Í líkaninu var hermd norðnorðaustanátt (15°) með meðalvindhraða 20 m/s og niðurstöður keyrðar í tímaháðum ham. Þetta þýðir að flökt og hviður í vindinum birtast beint í útreikningunum.
Vindhraði á lóðréttu plani. Planið er tekið í gegnum vindmæli Vegagerðarinnar á Kjalarnesi og sýnir tímaháðan breytileika í vindhraða hlémegin við Esjuna.
Mynd sem sýnir frá staðalfráviki vindhraða.
Hvað sýndu niðurstöðurnar?
Hermuninni má líkja við þrívíða kvikmynd af vindinum. Myndirnar sýna að vindhraðinn við Kjalarnesstöðina getur sveiflast gríðarlega, jafnvel frá nær engum vindi og upp í 40 m/s á fáeinum sekúndum. Þetta flökt lýsir sér sem skyndilegum hviðum sem berast niður af hlíðum Esjunnar og fara þvert yfir veginn.
Greining á staðalfráviki vindhraðans í sex metra hæð yfir jörðu sýndi einnig ákveðinn blett með háu staðalfráviki við þjóðveginn, nákvæmlega þar sem slys hafa hvað oftast orðið. Staðalfrávikið endurspeglar breytileika vindsins, því hærra sem það er því óstöðugri er vindurinn, með tilheyrandi hættu fyrir vegfarendur. Þetta bendir til þess að líkanið nái vel að fanga þá staðbundnu hviðu sem ökumenn finna fyrir í raun.
Straumfræðihermanir bjóða upp á mikla nákvæmni og innsýn í flókið flæði sem hvorki mælingar né hefðbundin veðurlíkön geta veitt með sama hætti. Með þeim má m.a. herma áhrif skjólveggja, landmótunar og gróðurs á vind og sjá hvernig vindur breytist á smáum skala.
Mynd sem sýnir niðurstreymi frá Esjunni.
Næstu skref og möguleikar
Næstu skref í verkefninu felast í því að fínstilla líkanið, m.a. til að fanga betur þær flóknu aðstæður sem myndast þegar vindur streymir niður hlíðar Esjunnar og þvert á vegkaflann við Esjuberg. Einnig verður unnið að því að tengja líkanið betur við veðurlíkön, stilla iðustreymi og fínstilla upplausn netsins.
Verkefnið sýnir að straumfræðilíkön geta verið öflugt tæki til að auka umferðaröryggi með því að greina sviptivinda og staðbundin hættusvæði á þjóðvegum. Þannig má ekki aðeins skilja betur vandann heldur einnig prófa mögulegar lausnir, eins og skjólbelti eða landmótun, áður en farið er í kostnaðarsamar framkvæmdir.
Niðurstaða
Hermanir á vindafari með straumfræðilíkönum eru spennandi skref í átt að nákvæmari veður- og öryggisgreiningu á Íslandi. Á Kjalarnesi hefur þessi aðferð þegar sýnt að hægt er að fanga staðbundnar vindhviður og sýna hvernig þær myndast í flóknu landslagi við Esjuna og kortleggja með nokkuð nákvæmum hætti hvar hættulegar aðstæður geta skapast. Verkefnið gefur nýja sýn á áhrif vinds á samgöngur og leggur grunn að því að framtíðin verði öruggari, með vísindin í meðvindi.