1.

Potsdam Institut für Klimafolgenforschung

3. VorlesungKlimaanalyse

NiederschlagSonnenscheindauer/Strahlung

2.

Niederschlag

3.

4.

NiederschlagInformation: a) Art der Erscheinung

b) Intensität der Erscheinung (in vielen Fällen)

Einteilung: nach Aggregatzustand

- flüssig- fest

nach Art der Bildung

- advektiv- konvektiv = fallend

- abgesetzt

Intensitäten:

- leicht, mäßig, stark- mit oder ohne Unterbrechungen- in Kombination mit anderen Erscheinungen (z. B. Gewitter)

5.

NiederschlagUnter Niederschlag versteht man allgemein das aus der Atmosphäre ausgeschiedene Wasser, das zuvor von der gasförmigen Phase (Wasserdampf) in die flüssige oder feste Phase übergegangen ist. In der Meteorologie unterscheidet man zwischen abgesetzten (Tau, Reif, etc.) und fallenden Niederschlägen (Regen, Schnee, Hagel, u.a.):

Abgesetzter Niederschlag: Unmittelbare Kondensation bzw. Sublimation des Wasserdampfes an oder nahe der Erdoberfläche

• Flüssige Formen: Tau (Kondensation), Taubeschlag

• Feste Formen: Reif (Kondensation), Frostbeschlag

Fallender Niederschlag: Mittelbare Kondensation bzw. Sublimation in der freien Atmosphäre, Niederschlag aus Wolken

6.

1. Flüssige Formen

Kurz und heftig als Schauer; langanhaltend und gleichmäßig als Landregen

0,5 - 5,0Regen

Geringe Intensität, gleichmäßig fallend0,1 - 0,5

Sprühregen (Nieseln)

Intensität / FallartTropfen-durchmesser(mm)

Bezeichnung

7.

2. Feste Formen

Eiskugeln oder Klumpen, große Hagelkörner haben einen Schalenaufbau durch mehrmaliges Auf- und Absteigen in der Wolke

5 - 50Hagel

Sehr kleine Eiskristalle bei Windstille und klarem Himmel, durch Sublimation des Wasserdampfes

sehr kleinEisnadeln

Gefrorene Regentropfen, durchsichtig, um 0 °C< 5Eiskörner

Halbdurchsichtige Bällchen mit weißem trüben Kern, von klarer Eisschicht umgeben, um 0 °C

1 – 5Frostgraupel

Schneeähnlich, meist kegelförmig oder abgerundet, um 0 °C

< 5Reifgraupel

Undurchsichtige weiße Körner aus Schneekristallen mit raureifartigem Überzug, meist platt oder länglich, unter 0 °C

< 1Schneegriesel

Sechsstrahlige Sternchen, unter 0 °C>= 10Schneeflocke

Sechseckige Plättchen, Prismen, unter 0 °C1 – 5Schneekristall

Gestalt, EntstehungstemperaturDurchmesser (mm)

Bezeichnung

8.

Raureif Quelle: Karlsruher Wolkenatlas

9.

Tau Quelle: Karlsruher Wolkenatlas

10.

Schnee Quelle: Karlsruher Wolkenatlas

11.

Hagel Quelle: Karlsruher Wolkenatlas

12.

Schauer Quelle: Karlsruher Wolkenatlas

13.

Gewitterschauer Quelle: Karlsruher Wolkenatlas

14.

Advektiver und konvektiver Niederschlag

• Advektive Niederschläge (horizontale Luftbewegung > vertikale Luftbewegung) bilden großflächige Niederschlagsgebiete mit geringen bis mäßigen Intensitäten aber lang anhaltender Regendauer (D bzw. TN)

• Konvektive Niederschläge (vertikale Luftbewegung > horizontale Luftbewegung) führen zu Starkregen

• Unterscheidungskriterium nach Wussow: Starkregen wird als Regen bezeichnet, dessen Niederschlagshöhe N [mm] und Regendauer D [min] folgende Mindestbedingung erfüllt:

• Interzeption: Vorgang, bei dem der auf die vegetationsbedeckte Erdoberfläche fallende Niederschlag von der Vegetationsdecke aufgenommen wird

(Maniak, U. 1997)

15.

(Maniak, U. 1997)

Niederschlagsmessung

• Hauptmessgröße des Niederschlages ist Menge/Zeiteinheit, d.h. die Höhe des Niederschlages der den Boden bedecken würde, wenn kein Niederschlag abfließt, versickert oder verdunstet wird in l/m² Bodenfläche angegeben

• 1 l/m² = 1 mm Niederschlagshöhe

• Angabe der Niederschlagsintensität PI oder iN [mm/h], der Niederschlagsdauer TN oder D und der Zeitpunkte des Einsetzens des Niederschlages und des Niederschlagsendes

• Traditionelle Niederschlagsmessung über Sammelgefäße

• Aufstellungsort der Messgeräte: unbeeinflusst von der Umgebung, d.h. in zwei- bis vierfacher Höhe von Hindernissen entfernt

16.

Niederschlagshöhen hN [mm]:

Niederschlagshöhe am Boden, wenn nichts versickert oder verdunstet

hN – Angaben auch für Wasserinhalt einer Schneedecke üblich (d.h. Messung nach Auftauen im Auffanggefäß und zusätzlich Messen der Schneehöhen im Freien an der Station)

hN – Angabe erfordert zugehörige Zeitspanne, in der hN aufgetreten ist.

Niederschlagsintensität iN [mm/h]:

Messung des Niederschlags (N)

iN = hN / ∆t [mm/h]iN = hN / ∆t [mm/h]

[hN] = 1 mm = 1 Liter/m² = 1 l/m²[hN] = 1 mm = 1 Liter/m² = 1 l/m²

17.

HydroSkript: http://www.hydroskript.de/html/_index.html

HELLMANN-Niederschlagsmessgerät

• Hellmann-Niederschlagsmessgerät: Dieser nicht registrierende Totalisator ist einfach aufgebaut. Der "Hellmann" ist ein wichtiges und weit verbreitetes Messgerät.

• Er besteht im wesentlichen aus einem Auffangtopf mit einer Grundfläche von 200 cm².

• Problematisch sind die großen Messfehler (20-100 %!) wegen kleiner Referenzfläche, Verdunstungs- und Spritzwassereinfluss, Schneehauben, Windeinfluss sowie Benetzungseinfluss (Messung erst ab bestimmtem Volumen) und Fehlern im Gefäß.

• Außerdem stören Inhomogenitäten in der Umgebung, z.B. bei Astwuchs, Hochhausbau. Das Gerät eignet sich nur für "Alltagsklimatologie".

• Im Hochgebirge beträgt die Auffangfläche 500 cm², zusätzlich sind hier Gefrier- (CaCl) und Verdunstungsschutz (Paraffinöl) sowie Windschutz nötig.

• Zeitliche Auftragung über Schreiber (Zylinder mit Schwimmer und Schreibarm, Trommel)

18.

Niederschlagsmesser nach Hellmann

19.

• Auffangtrichter und Sammelgefäß durch Stahlgehäuse vor Sonneneinstrahlung geschützt

• Zubehör:- Schneekreuz als

Aufsatz im Winter- Messzylinder

HELLMANN-Niederschlagsmessgerät

20.

Messung des Niederschlags (N)Messgeräte für Regen und Schnee (Pluviometer):

Prinzip der Messung: Auffangen des Niederschlages mit Gefäß bestimmter Auffangfläche, meist 200 cm²

Geräte: Regenmesser, NiederschlagsmesserHellmannscher Regenmesser

Geeignet für kurzfristigeMessungen z.B. tägl. Messungdurch tägl. Bestimmen derN-Menge mit Messglas.Bei Ablesung feststellbardie seit der letzten Messung gefallene N-Höhe

Messergebnis:Niederschlagshöhe hNzwischen zwei Ablesungen

21.

Regenschreiber

22.

Ombrograph (Regenschreiber)

HydroSkript: http://www.hydroskript.de/html/_index.html

SelbstschreibenderNiederschlagsmesser

Ombrograph

(nach DRACOS 1980)

A: Auffangtrichter

B: Messgerät

C: Schwimmer

D: Saugheber

E: Schreibtrommel mit innenliegendem Uhrwerk

F: Auffangfläche

G: Schreibfeder

23.

Messung des Niederschlags (N)Geräte: Regenschreiber, Niederschlagsschreiber

selbstregistrierender Regenmesser→ kontinuierliche Messungen

Registrierung der Niederschlagsmenge über Schwimmer (3) in Sammelgefäß (2),Abhebern (4) bei Vollfüllung und Fortsetzen der Registrierung (5, 6) auf neuem Nivau.

Messergebnis:N-Summenlinie aufPapierstreifen (Diagramm)

24.

Messung des Niederschlags (N)

Geräte: Totalisator wie Regenmesser, aber mit größerem Sammelgefäß für Langzeitregistrierung→ langfristige Messungen (Monat, Jahr)

Erforderlich im unwegsamen Gelände, z.B. Gebirge. Aufstellhöhe meist 5-6 m wegen Bewuchs und Schneetiefe.

Auffangfläche ebenfalls 200 cm², aber auch 500 cm² möglich.

Messergebnis: Niederschlagshöhe hNzwischen zwei Ablesungen

25.

Messung des Niederschlags (N)Geräte: Andere Hellmann-Messgeräte, Wippe

und Tropfenzählerselbstregistrierender Regenmesser→ kontinuierliche Messungen

Registrierung der Niederschlagsmenge über Wippe (1) und eine Lichtschranke (3) oder Magnetschalter (3)

Messergebnis: Diskrete Niederschlagshöhe oderSummenlinie in digitalerForm

26.

Quelle: DWD

Niederschlagsmessungmit Radar

Im Rahmen des Großprojektes Messnetz 2000 soll das Niederschlagsmessnetz des Deutschen Wetterdienstes (DWD) ausgedünnt und die bisher zumeist verwendeten konventionellen durch automatische Messstationen ersetzt werden. Die Ausdünnung soll zum einen aus Kostengründen erfolgen. Zum anderen steht mit der Niederschlagsmessung mittels Radar eine Methode zur Verfügung, die im Gegensatz zu herkömmlichen Messungen mit so genannten Hellmann-Regenmessern den Niederschlag nicht nur für einzelne Punkte (die Auffangfläche bei einem „Hellmann“ beträgt 200 cm² bei einer Stationsentfernung von ca. 10 bis 20 km) sondern flächenhaft erfassen kann.

27.

Quelle: DWD

Allerdings kann durch Radar die Niederschlagshöhe am Boden nicht direkt gemessen werden. Die an Regentropfen reflektierten Radarimpulse liefern nur eine flächenhafte Verteilung der Stärke der Radarechos. Da die Stärke der Rückstreuung von der Größe und der Menge der Regentropfen abhängt, kann über empirische Beziehungen sowie Korrekturverfahren die Niederschlagshöhe berechnet werden. Das Aneichen der Radardaten geschieht mittels der Niederschlagsmessungen am Boden. Der Radarverbund des DWD umfasst 16 Radarstandorte, die eine weitgehende Abdeckung des Bundesgebiets gewährleisten.

28.

29.

Fehlerquellen

(nach J.C. Rodda 1968)

Schematische Darstellung der Fehlerquellen bei der Erfassung desmeteorologischen und hydrologischen Niederschlags

Schematische Darstellung der Fehlerquellen bei der Erfassung desmeteorologischen und hydrologischen Niederschlags

Regen:Tropfendurchmesser,Intensität, Dauer

Wind:Geschwindigkeit, Richtung

Regenmesser:Form, Höhe über Grund,Material, Farbe,Auffangfläche

AufgefangenerNiederschlag

Schätzwert desNiederschlags aneinem Punkt

Turbulenz

Wirbel

Spritzwasser

Topographie des Gebietes

Aufstellung des Regenmessers

Fehler im Gefäß:Neigung, Undichtigkeit, Adhäsion, Verdunstung,Kondensation, Spritzwasser

Fehler der Messung

30.

Extreme bzw.

Spannbreiteder

Niederschlagsereignisse

31.

Dürre im südlichen Afrika

German Competence Network forResearch to Combat Desertification, 2000

32.

Überschwemmungen in Mittel- und Südchina, Schäden der Überflutung 1998 30 Mrd. US$

Münchener Rück, topics 2000

33.

Düsseldorf am Rhein im Sommer 2003www.lvz-online.de

34.

2. Niederschlag

192913299 mmLloroKolumbien

19098636 mmBellenden KerQueenslandAustralien

1860/6126461 mmCherrapunjiIndienAsien

1970/7131100 mm(Schnee)Paradise(Mt. Rainier)USA

Amerika

193210287 mmDebundschaKamerunAfrika

1970

1981

3503,1 mm

788,8 mm

Balderschwang(Allgäu)Potsdam

Deutschland

04.08.18814648 mmCrkviceKroatien

Europa

AnmerkungWertOrtLandKontinent

HÖCHSTE JAHRESSUMMEN

35.

Kroatische Insellandschaft

© Croatian National Tourist Board

36.

Der Mount Cameroon

Klimadiagramm Douala(Nahe Debundscha)

37.

Jahressummen des Niederschlags in Indien

Klimadiagramm Cherrapunji

38.

Geographische LageBellenden Ker

Bellenden Ker Range

39.

3. Sonstige Niederschlagsextreme

1970/7131100 mmParadise(Mt. Rainier)USAAmerika

Juli 1954

Juli 1907

777 mm

202.3 mm

Oberreute (Bodensee)

PotsdamDeutschlandEuropa

02.04.1944

1969/70

8300 mm

700 mm

Zugspitze

PotsdamDeutschlandEuropa

HÖCHSTE SCHNEEDECKE

1970/719300 mmCherrapunjiIndienAsien

HÖCHSTE MONATLICHE NIEDERSCHLAGSSUMME

12.08.2002

08.08.1978

312.0 mm

105.7 mm

Zinnwald

PotsdamDeutschlandEuropa

15.03.-16.03.19521870 mmCilaosLa ReunionAfrika

AnmerkungWertOrtLandKontinent

HÖCHSTE 24STÜNDIGE NIEDERSCHLAGSSUMME

40.

La Reunion

KlimadiagrammeSaint Denis/Reunion

41.

42.

43.

Geographische Lagedes Mount Rainier

Der Mount Rainier

44.

MaximaleSchneehöhe

Gewittertage pro Jahr

Längste Niederschlags-periode (Schnee)

Längste Trockenperiode

Höchste Tagessummedes Niederschlags

Längste Kälteperiode(TMax < 0 °C)

Längste Hitzeperiode (TMax > 30 °C)

TMin

TMax

Wetterextreme in Potsdam

39.1 °C 09.08.1992

-26.8 °C 11.02.1929

15 Tage23.07. -

06.08.1969

105.7 mm 08.08.1978

70 cm 06.03.1970

37 Tage21.01. -

26.02.1947

32 Tage19.09. -

20.10.1949

33 Tage02.02. -

06.03.1970

45 Tage 1990

45.

Hagelkorn, München, 12.07.1984

Hagelschicht, München, 12.07.1984

46.

Schwere Unwetter und Hagel USA 2001

www

47.

Schwere Unwetter und Hagel USA 2001

www

48.

49.

50.

Sonnenscheindauer

51.

Sonnenscheinautograph (Campell-Stokes)

Der Sonnenscheinautograph ist ein Messgerät zur Bestimmung derSonnenscheindauer. Er besteht aus einer Glaskugel, die wie ein Brennglasfunktioniert, und einer Halterung hinter der Kugel, in der ein Papierstreifeneingelegt wird. Bei Sonnenschein brennt der gebündelte Strahl der Sonnedann eine Spur, die sogenannte Brennspur, ins Papier. Dieser wird dannausgewertet, in dem man auf dem Papierstreifen die Länge der Brennspuranhand der aufgetragenen Zeitskala misst.

Maßeinheiten:

- Stunden und Minuten- Zehntelstunden- Prozent in Bezug zur astronomisch möglichen Sonnenscheindauer

52.

Campell-Stokes für die Messung der Sonnenscheindauer

53.

Messung der Sonnenscheindauer

Häckel, H. (1999)

Markasub Ag, (2003)

Sonnenscheinautograph

54.

Sonnenscheinautograph (Campell-Stokes)

Messfehler bzw. Ursachen für Inhomogenitäten:

- Tau auf der Kugel- Verschmutzung der Kugel- Nasser Papierstreifen (Regen, Tau, Reif)- Wechsel der Papierart- Veränderung der Horizontbedeckung (Bewuchs, Bebauung)

55.

Strahlung und Strahlungsgesetze

56.

Strahlung

• Unter Strahlung versteht man:

• den Energietransport in Form von elektromagnetischen Wellen (elektromagnetische Strahlung), oder

• den Fluß schnell bewegter Teilchen (Teilchenstrahlung, Korpuskularstrahlung).

• Die Teilchenstrahlung aus Ionen, Elektronen, Protonen und Neutronen ist nur in der oberen Atmosphäre (Thermosphäre und Ionosphäre) von Bedeutung.

57.

• Erde und Atmosphäre absorbieren ständig solare Strahlung und emittieren ihre eigene Strahlung in den Weltraum.

• Über einen längeren Zeitraum entsprechen sich die absorbierte und die emittierte Strahlung fast ganz genau:

• Das System Erde-Atmosphäre befindet sich nahezu vollständig im Strahlungsgleichgewicht.

58.

59.

Wichtigkeit der Strahlung

• Der Energietransport durch Strahlung ist von Bedeutung für

• den Energieaustausch zwischen der Atmosphäre und der Erdoberfläche

• den Energieaustausch zwischen den verschiedenen Schichten der Atmosphäre

• Wichtige chemische Reaktionen in der Atmosphäre laufen nur ab, wenn elektromagnetische Strahlung bestimmter Wellenlänge vorhanden ist.

• ein Beispiel ist die Ozonbildung in der Stratosphäre

• ein anderes Beispiel ist die Photosynthesereaktion

60.

Optische Auswirkungder Strahlung

• Im sichtbaren Bereich der elektromagnetischen Strahlung entsteht

• das Himmelsblau,

• das Erscheinungsbild der Wolken

• die Sichtweite usw.

61.

Frequenz – Wellenlänge Beziehung

• Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Strahlung ist gleich der Lichtgeschwindigkeit c*.

• Die Frequenz ν und Wellenlänge λ sind durch folgende Beziehung verknüpft.

• Je kleiner die Wellenlänge der Strahlung, desto höher ist also die Energie W der Photonen.

h – Plancksches Wirkungsquantum: 6.62612 x 10-34 J s

62.

Normierte Schwarzkörperspektren für die Sonne und die Erde

63.

Stefan-Boltzmannsches GesetzWenn man

integriert über alle Wellenlängen, erhält man die von einem schwarzen Körper pro Zeit- und Flächeneinheit emittierte Strahlungsenergie

Stefan-BoltzmannschesGesetz

Stefan-Boltzmann-Konstante

64.

Kurzwellige Nettostrahlung

Qk = Energiegewinn der Erdoberfläche

durch

Sonneneinstrahlung

D = Direkte Sonnenstrahlung

H = Diffuse Himmelsstrahlung

R = Rückstrahlung der Erdoberfläche

G = Globalstrahlung = D + H

Qk = D + H - R

65.

Unterscheidung von kurzwelliger und langwelliger

Strahlung

Geringfügige Wärmewirkung auf der Haut

großer Teil im sichtbaren Bereich

Sinneswahr-nehmung

Fast immer negativ

Nur positivEnergiebilanz

Zu vernachlässigen

Von 0 bis 100%Albedo irdischer Flächen

Erdoberfläche, Atmosphäre

ausschließl. Sonne

Quelle

LangwelligKurzwellig

66.

Definitionvon Strahlungsgrößen

• Zur Beschreibung der Strahlung werden (verwirrend) viele Größen verwendet.

• Die Definitionen der Strahlungsgrößen sind in den nächsten Bildern zusammengefasst.

67.

Strahlungsenergie Q

• Radiant energy

• Einheit J = Ws

• Menge der emittierten, transmittierten oder absorbierten Strahlungsenergie.

68.

Strahlungsfluss, Strahlungsleistung Φ

• Radiant flux

• Einheit W

• Pro Zeiteinheit emittierte, transmittierte oder absorbierte Strahlungsenergie.

69.

Strahlungsflussdicht E

• Radiant flux density

• Einheit Wm−2

• Strahlungsenergie, die pro Zeiteinheit ein Flächenelement durchquert.

70.

Bestrahlung H

• radiant exposure

• Einheit Jm−2

• Summe der Strahlungsenergie, die in einem bestimmten Zeitraum auf ein Flächenelement einfällt.

71.

Strahlungsmessung

• Zur Messung der Strahlungsintensität gibt es mehrere Methoden:

• Pyrheliometern

• Pyranometern

• In Pyrheliometern wird die einfallende direkte Sonnenstrahlung von geschwärzten Empfangsflächen absorbiert.

• Die dabei produzierte Strahlungswärme führt zu einer Temperaturerhöhung des Strahlungsempfängers, die mit Thermoelementen gemessen wird.

72.

• Das Pyranometer zur Messung der Globalstrahlung (Summe aus direkter, gestreuter und an der Erdoberfläche reflektierter Sonnenstrahlung) besteht aus einer geschwärzten Säule mit hintereinander geschalteten Thermoelementen.

• Die geschwärzten Empfangsflächen der aktivierten Lötstellen absorbieren die einfallende Strahlung und erwärmen sich gegenüber den „kalten“ Lötstellen.

• Die Temperaturdifferenzen erzeugen Thermospannungen, die ein Maß für die empfangene Strahlung sind.

• Eine halbkugelförmige Glashaube schützt die Messfühler gegen Witterungseinflüsse.

73.

Ein Aktinometer dient der Messung derStrahlungsintensitaet der direkten und der diffusenHimmelsstrahlung, also der kurzwelligenStrahlungsanteile des Sonnenlichtes. Prinzip derMessung ist die Erwärmung einer schwarzen Fläche(im physikalischen Sinne eines schwarzen Körpers) durch die Absorption der einfallenden Strahlung. Dabei wird meist die Erwärmungsrate im Verhältnis zueinem unbestrahlten Geräteteil gesetzt bzw. es wirdeine Thermospannung abgegriffen. Man erhält überdiese relative Messmethode dann den Wert dersolaren bzw. diffusen Strahlungsintensität. Absolute Messgeräte (d.h. nicht relative) sind hingegen die sogenannten Pyrheliometer.

Das Albedometer dient der Messung derGlobalstrahlungsintensität im Bereich von etwa 300 ... 3000 nm Wellenlänge, zur Feststellung des Reflexionsvermögens (Albedo) des Bodens sowie zurBerechnung der kurzwelligen Strahlungsbilanz.

74.

Strahlungsthermometer ist ein Strahlungsmessgerät zurTemperaturbestimmung. Dabei wird die Wärmeabstrahlung eines Körpers in einembestimmten Spektralbereich gemessen. Über das Planck’sche Strahlungsgesetz wird dann auf seine Temperatur zurückgerechnet. Vorteil derStrahlungsthermometer ist, dass man keinen direktenKontakt zum Objekt braucht. Die gebräuchlichsteForm ist das Infrarotthermometer.

75.

xxxIR-Strahlungsthermometer

xoberer und unterer

x xxStrahlungsbilanzmesser

xxxPyrgeometer

xoberer und unterer

xxAlbedometer

xxxPyranometer

xxxAktinometer

xxxPyrheliometer

Halbraum gerichtetkurzw. langw.absolut relativ

ÖffnungswinkelWellenlängeGerätetypMessgerät

Einteilung der Strahlungsmessgeräte

76.

Pyranometer

77.

Pyranometer

1) Schaltplatine; 2) Thermosäule; 3) Glasdom; 4) Metallgehäuse;5) Kabelverschraubung; 6) Signalkabel; 7) Niveaustellschraube;8) Gummiring; 9) Verschlusskappe; 10) Anschlussblock für Kabel;11) Nivellierlibelle

78.

Messung der StrahlungPyranometer

Quelle: Häckel, H. (1999)

Solarimeter messen nur diekurzwellige Strahlung

79.

Strahlungsbilanzmesser

80.

Strahlungsmessung

81.

Pyrheliometer

82.

Energiehaushalt der Erde (in %)

83.

Globalstrahlung 1983-1992

Global-Horizontal-Strahlung (1983-1992)Eingangsdaten: ECMWF, ERA15 G. Czisch, ISET / IPP, 2000

84.

Globale Verteilung der Nettostrahlung

85.

Ende