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Modellierung von Flächendatensätzen der Oberflächentemperatur,Strahlungsbilanz und Kaltluftproduktion in Strahlungsnächten

Dissertation

zur

Erlangung des Doktorgrades

der

Geowissenschaftlichen Fakultät

der

Albert-Ludwigs-Universität Freiburg i. Br

vorgelegt von

Hans-Peter Thamm

aus Schwenningen am Neckar

2000

Dekan: Professor Dr. J. Stadelbauer

Referent: Professor Dr. H. Goßmann

Koreferent: Professor Dr. G. Menz

Tag der Beschlußfassung des Promotionsausschusses: 22.04.1999

Tag der Einreichung: 10.01.2000

Tag der Disputation: 14.02.2000

iii

Danksagung

An dieser Stelle möchte ich mich bei all denen bedanken, die mich auf dem Weg, der zudieser Arbeit führte, begleitet haben. Die nachfolgend erwähnten Personen waren nebenvielen anderen dafür verantwortlich, daß dieser Weg trotz zahlreicher steiler Passagen nichtzu beschwerlich wurde. Sie dämpften durch ihre wissenschaftliche Kompetenz, Kamerad-schaft und Freundschaft einige der Härten ab, die eine Dissertation mit sich bringt. Ihnenund vielen anderen ist zu verdanken, daß die Zeit, die ich am Institut für Physische Geogra-phie verbracht habe, für mich sehr schön und fruchtbar war.

Zuerst gebührt großer Dank Herrn Prof. Dr. Herrman Goßmann für die Überlassung desThemas, den ständigen fruchtbaren wissenschaftlichen Austausch, der doch immer von einerwarmherzigen Menschlichkeit geprägt ist. Er lebt vor, daß der Begriff „Doktor Vater“ mehrals eine Floskel ist. Ich bin sehr dankbar, an seinem Institut gearbeitet zu haben.

Dank gebührt auch dem glorreichen „REKLIP-Team“ des IPG. Mit diesem Team habe ichsehr viel gelernt und es war eine fruchtbare Zeit in vielerlei Hinsicht. Besonders erwähnenmöchte ich:

Klaus Braun, der immer dafür sorgte, daß die Rechner liefen und der eine große Hilfe beiComputerproblemen aller Art war. Wenn es mehr „Kläuse“ auf dieser Welt gäbe sähe siesicher besser aus. Glücklich die Institute, die sich preisen können einen „klau“ zu haben.

Bernd Triebfürst, der mir bei meinen Vorstößen in mir bis dahin unbekannte mathemati-sche/statistische/programmiertechnische Weiten oft den Weg wies.

Andreas Schwab alias „Schwäbs“, der einfach ein super Kumpel in allen Lebenslagen war.

Jan Espenlaub, ein Computergenie, von dessen Erfahrung mit Fernerkundungsdaten ich vielprofitieren konnte.

Friedemann Heusel, der mich ARC-Info lehrte und, seinem Namen alle Ehre machend, einfriedlicher und sympathischer Zimmergenosse war.

Besonderer Dank gilt Steffen Vogt, dessen wissenschaftliche und sprachliche Kompetenz sogroß ist wie seine Handschrift klein. Die Zähigkeit, mit der er wissenschaftliche Texte allerArt analysiert und auch kleinste logische Brüche aufdeckt, sind phänomenal. Besonders her-vorzuheben ist seine Fähigkeit, „rote Fäden“ zu sehen und sie in wissenschaftliche Arbeiteneinzuarbeiten. Er war mehr als einmal mein Notnagel.

Den zahlreichen „Hiwis“, die sich hingebungsvoll der Wartung der Meßtürme annahmen,virtuos den Kopierer bedienten und klaglos den umfangreichen Institutsbetrieb unterstützten,sei an dieser Stelle das virtuelle Denkmal des „unbekannten Hilfswissenschaftlers“ errichtet.

Nicht vergessen werden sollte bei einer Danksagung Herr Prof. Dr. Franz Fiedler aus Karls-ruhe, der als Leiter von REKLIP dafür sorgte, daß der Datenpool, auf den in dieser Arbeitzurückgegriffen wurde, überhaupt entstand.

iv

Vielen Dank auch an Herrn Prof. Dr. Eberhard Parlow und seinem Team am Basler Institutfür Geographie (Roland Vogt, Christian Feigenwinter, Dieter Scherrer) für die gute Zusam-menarbeit. Sie vertraten Kompetenz, Effizienz und Hilfsbereitschaft in einer Kombination,wie sie in der Wissenschaft sehr selten zu finden ist.

Carolin Oesterle großer Dank für den heldenhaften Versuch, die Rechtschreibfehler, die so-wohl ich als auch das Rechtschreibeprogramm übersehen hatte, auszumerzen.

Eri Sieberts gebührt Dank für ihre schnelle und kompetenten Hilfe bei meinem Kampf mitder französischen Sprache.

Vielen Dank an Stefan Kuhl für die Freundschaft mit er mich selbst in Phasen größter Ar-beitsbelastung immer wieder vom Schreibtisch auf das Fahrrad lockte, so daß mein seeli-sches Gleichgewicht wieder hergestellt wurde.

Dank sei auch den CA$H CROP$, der Geographenband. Durch sie wurde ich jeden Dienstagwieder geerdet (oder durfte abheben?). Es gibt viele Kulturen ohne Doktoranden, aber keineohne Musik.

Tina Götz möchte ich aus ganzem Herzen danken, daß sie mich in vielfältigster Weise unter-stützt hat. Sie war meine Sonne in trüber Zeit.

Ganz zuletzt gebührt meiner Mutter großen Dank. Ohne Ihre Unterstützung wäre alles nichtmöglich gewesen.

I

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis ........................................................................................................ III

Tabellenverzeichnis ............................................................................................................. VI

0 Vorwort..................................................................................................................... 1

1 Einleitung und Problemstellung ............................................................................ 2

1.1 Die Regionalisierung von Wärmehaushaltsgrößen auf der Basis von Punkt-messungen und Fernerkundungsdaten ...................................................................... 2

1.2 Der Untersuchungsraum............................................................................................ 8

1.3 Die Beschreibung des REKLIP-Meßnetzes .............................................................. 14

2 Erstellung eines Datensatzes der nächtlichen Oberflächentemperatur ............. 20

2.1 Modellierung der vom Satelliten gemessenen Strahlungstemperatur auf derBasis von Relief und Landnutzung............................................................................ 20

2.1.1 Die Landsat – Thermalszene 1986 ............................................................................ 22

2.1.2 Einfluß des Reliefs am Meßort und seiner Umgebung auf dieOberflächentemperatur 24

2.1.3 Einfluß der Landnutzung auf die Oberflächentemperatur ......................................... 27

2.1.4 Das synthetische Muster (Referenzdatensatz) der Oberflächentemperatur............... 28

2.2 Koppelung des synthetischen Musters der Oberflächentemperatur und derAusstrahlung an Meßwerte der REKLIP-Stationen ................................................. 32

2.2.1 Auswahl geeigneter Meßzeiträume ........................................................................... 32

2.2.2 Anpassung des synthetischen Musters der Oberflächentemperatur an dieGeländemessungen .................................................................................................... 42

2.2.3 Verteilung der Oberflächentemperatur in der Nacht vom 08.08.1992 ...................... 43

3 Erstellung eines Datensatzes der nächtlichen Strahlungsbilanz ......................... 46

3.1 Berechnung der Gegenstrahlung mit LOWTRAN .................................................... 46

3.2 Verschneiden des Flächendatensatzes der Gegenstrahlung mit dem Flächen-datensatz der Ausstrahlung........................................................................................ 50

4 Nächtliche Strahlungsbilanz und Kaltluftproduktion .................................................... 54

4.1 Die Größenordnungen der Energiebilanzglieder in Strahlungsnächten .................... 54

4.2 Fühlbarer Wärmestrom und Kaltluftproduktion ....................................................... 66

II

5 Diskussion und Ausblick ......................................................................................... 72

6 Zusammenfassung ................................................................................................... 76

7 Summary .................................................................................................................. 78

8 Résumé...................................................................................................................... 80

9 Literatur ................................................................................................................... 82

10 Anhang...................................................................................................................... 87

III

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: Überblick über die Arbeitsschritte zur Erzeugung von Flächendatensätzen derOberflächentemperaturen, der Stahlungsbilanz und der Kaltluftproduktion inStrahlungsnächten .............................................................................................................. 7

Abb. 2: Überblick über das Untersuchungsgebiet am Oberrhein von Basel im Süden bisKarlsruhe im Norden. ........................................................................................................ 10

Abb. 3: Landnutzung im REKLIP-Gebiet (nach SCHERRER ET AL.) .............................................. 12Abb. 4: Lage der REKLIP-Energiebilanzstationen im Untersuchungsgebiet. ................................ 15Abb. 5: Ansicht der REKLIP-Station Elzach. ................................................................................. 18Abb. 6: Landsat-TM-Nachtaufnahme des Südteils des REKLIP-Gebietes vom 26.11.1986,

22:00 MEZ.. ....................................................................................................................... 24Abb. 7: Reliefparameter zur Beschreibung der Disposition des Geländes für Kaltluftabfluß

in der Umgebung eines Punktes als Werkzeug zur Schätzung von nächtlichenOberflächentemperaturen in reliefiertem Gelände. ........................................................... 26

Abb. 8: Approximation einer Funktion f durch eine lineare Funktion g1 und eine Treppen-funktion (abschnittsweise konstant) g2.. ............................................................................. 29

Abb. 9: Schema der Erstellung eines Referenzmusters der nächtlichen Ausstrahlung. .................. 31Abb. 10: Verlauf der Komponenten der Strahlungsbilanz an einem wolkenfreien Sommertag

(08.08.1992) an der im Oberrheintiefland gelegenen REKLIP-Station Ettenheim.Dabei ist Q0 die Strahlungsbilanz, EG die Globalstrahlung, ER die Reflexstrahlung ,EA die atmosphärische Gegenstrahlung, ET die langwellige Ausstrahlung (alle An-gaben in W m-2). ....................................................................................................... 33

Abb. 11: Schema der Verarbeitung und Kontrolle der REKLIP-Meßdaten...................................... 34Abb. 12: a) Strahlungsbilanz an der Meßstation Ettenheim vom 08.03.1993 12:00 Uhr bis

zum 10.03.1993 12:00 Uhr MEZ, gemessen mit einem unbelüfteten Meßwertgebernach Schenk. Deutlich zu erkennen ist das Ansteigen der Strahlungsbilanz, nach-dem die Gehäusetemperatur die Taupunktstemperatur unterschritt und sich Tau aufder Lupolenhaube des oberen Halbraums des Meßgerätes niederschlug (Pfeil).b) Vergrößerter Ausschnitt der Kurve für die Zeit vom 09.03.1993 16:00 Uhr biszum 10.03.1993 8:00 Uhr MEZ. ........................................................................................ 37

Abb. 13: Darstellung der an der Station Ebnet im Jahr 1993 erhoben 10-Minuten Mittelwertevon a) Temperatur in 2 m Höhe, b) Windrichtung in 10 m Höhe,c) Windgeschwindigkeit in 10 m Höhe als Isoplethendiagramme. Auf der Abszissesind Tage im Jahr aufgetragen, auf der Ordinate die Zeit am Tag. Die Ausprägungdes Meßwerte ist als Grauwert kodiert............................................................................... 39

Abb. 14: Nächtliche Strahlungsbilanzen an den REKLIP-Stationen des IPGs, dargestellt alsIsoplethendiagramme. Auf der Abszisse sind die Tage im Jahr aufgetragen, auf derOrdinate die Stunden am Tag. Die Einteilung der Ordinate wurde so gewählt, daßdie Nachtstunden in der Darstellung nicht unterbrochen sind. Die Tagzeiträumeund die Zeiträume, an denen die Gehäusetemperatur des Strahlungsbilanzmeßge-räts den Taupunkt unterschritt, wurden ausmaskiert. ......................................................... 40

Abb. 15: Karte der Oberflächentemperatur am 08.08.1992 00:00 MEZ bis 04:30 MEZ.................. 44Abb. 16: Schema der Berechnung der Gegenstrahlung der Landoberfläche im Untersu-

chungsgebiet unter Verwendung des Atmosphärenmodell LOWTRAN 7 ........................ 47Abb. 17: Vergleich der mit LOWRAN 7 berechneten und der an den REKLIP-Stationen

gemessenen Werte der atmosphärischen Gegenstrahlung für die Nacht vom08.08.1992 (00:00 UTC). Zusätzlich ist das Temperaturprofil, mit dem LOW-TRAN 7 initialisiert wurde, dargestellt. ............................................................................. 48

Abb. 18: Mit LOWTRAN 7 berechnete Gegenstrahlung für das Untersuchungsgebiet vom08.08.1992, 00:00 UTC. .................................................................................................... 49

IV

Abb. 19: Karte der modellierten Strahlungsbilanz im Untersuchungsgebiet am 08.08.1992für den Zeitraum von 0:00 Uhr bis 4:00 Uhr...................................................................... 51

Abb. 20: Darstellung der modellierten Strahlungsbilanz für die Nacht vom 08.08.1992 sowieder Landnutzung und des Relief für das Zartener Becken. ............................................... 53

Abb. 21: Verlauf der Komponenten der Strahlungsbilanz und der Energiebilanz an der in derRheinebene gelegenen REKLIP-Station Ettenheim während eines wolkenfreienSommertages (08.08.1992)a) Strahlungsflüsseb) Glieder der Energiebilanz; H0 und Vo berechnet mit der Sverdrup-Methode ............... 54

Abb. 22: Mittelwerte der Strahlungsbilanz an den REKLIP-Stationen am 08.08.1992 und am09.08.1992 jeweils von 0:00 Uhr bis 4:00 Uhr. ................................................................. 55

Abb. 23: Darstellung des Reliefs der 5 km x 5 km großen Stationsumgebungen der REKLIP-Stationen Freiolsheim und Titisee. .................................................................................... 56

Abb. 24: Verlauf der Temperatur und verschiedener Energieflüssen an den REKLIP-Stationen Freiolsheim und Titisee für den Zeitraum vom 07.08.1992 zum09.08.1992. ......................................................................................................................... 58

Abb. 25: Mittelwerte der Strahlungsbilanzen an den REKLIP-Stationen 08.08.1992,0:00 Uhr-4:00 Uhr. ............................................................................................................. 59

Abb. 26: Mittelwerte der Bodenwärmeströme an den REKLIP-Stationen 08.08.1992,0:00 Uhr bis 4:00 Uhr......................................................................................................... 60

Abb. 27: Mittelwerte der Bodenwärmeströme an den REKLIP-Stationen 09.08.1992,0:00 Uhr bis 4:00 Uhr......................................................................................................... 60

Abb. 28: Topographie in der 5 km x 5 km großen Umgebung ausgewählter REKLIP-Meßstationen, die typische Lagen im Relief repräsentieren............................................... 62

Abb. 29: Zeitlicher Verlauf meteorologischer Größen an REKLIP-Stationen mit unter-schiedlicher Lage im Relief in Strahlungsnächten (04.08.1992-09.08.1992). ................... 64

Abb. 30: Mittelwerte des Betrags der nächtlichen Strahlungsbilanz für das Zartener Beckenund seiner Teileinzugsgebieten in der Nacht vom 08.08.1992. Zum Vergleich sindauch die Werte für das südlich von Freiburg gelegene Hexental (Betrag Strah-lungsbilanz: 39.5 Wm-²) und das östlich davon gelegene Bohrertal (Betrag Strah-lungsbilanz: 54.7 Wm-²) dargestellt. .................................................................................. 67

Abb. 31: Modellierte Flächensummen des Betrages der Strahlungsbilanz für das Einzugsge-biet des Zartener Beckens und einiger seiner Teileinzugsgebiete für die Nacht vom08.08.1992 (00:00 Uhr bis 4:30). Zusätzlich sind auch die Flächensummen derStrahlungsbilanz für das südlich von Freiburg gelegene Hexental (0.55 GW) unddas östlich davon gelegene Bohrertal (1.12 GW) dargestellt. ............................................ 68

V

AnhangAbb. A1: Mittelwert der Gegenstrahlung (tdr) und der Ausstrahlung (tur) an den REKLIP-

Stationen in der Nacht des 06.08.1992 von 0:00 Uhr bis 04:00 Uhr (MEZ). .................. 85Abb. A2: Mittelwert der Gegenstrahlung (tdr) und der Ausstrahlung (tur) an den REKLIP-



Stationen in der Nacht des 09.08.1992 von 0:00 Uhr bis 04:00 Uhr (MEZ). .................. 86Abb. A5: Mittelwert der Strahlungsbilanz an den REKLIP-Stationen in der Nacht des

06.08.1992 von 0:00 Uhr bis 04:00 Uhr (MEZ). ............................................................. 87Abb. A6: Mittelwert der Strahlungsbilanz an den REKLIP-Stationen in der Nacht des



09.08.1992 von 0:00 Uhr bis 04:00 Uhr (MEZ). ............................................................. 88Abb. A9: Mittelwert des Bodenwärmestroms an den REKLIP-Stationen in der Nacht des

06.08.1992 von 0:00 Uhr bis 04:00 Uhr (MEZ). ............................................................. 89Abb. A10: Mittelwert des Bodenwärmestromss an den REKLIP-Stationen in der Nacht des



09.08.1992 von 0:00 Uhr bis 04:00 Uhr (MEZ). ............................................................. 90Abb. A13: Mittelwert der Luftemperatur an den REKLIP-Stationen in der Nacht des

06.08.1992 von 0:00 Uhr bis 04:00 Uhr (MEZ). ............................................................ 91Abb. A14: Mittelwert der Luftemperatur an den REKLIP-Stationen in der Nacht des

07.08.1992 von 0:00 MEZ bis 04:00 MEZ. .................................................................... 91Abb. A15: Mittelwert der Luftemperatur an den REKLIP-Stationen in der Nacht des

09.08.1992 von 0:00 Uhr bis 04:00 Uhr (MEZ). ............................................................ 92Abb. A16: Mittelwert der Luftemperatur an den REKLIP-Stationen in der Nacht des

09.08.1992 von 0:00 Uhr bis 04:00 Uhr (MEZ). ............................................................ 92

Tafel 1: Beschreibung der REKLIP-Meßstationen ....................................................................... 94Tafel 2: Darstellung der Umgebung der REKLIP-Meßstationen Nr. 1 - Nr. 12 ........................... 95Tafel 3: Darstellung der Umgebung der REKLIP-Meßstationen Nr. 13 - Nr. 24 ......................... 96Tafel 4: Darstellung der Umgebung der REKLIP-Meßstationen Nr. 25 - Nr. 36 ......................... 97

VI

TabellenverzeichnisTab. 1: Überblick über Nummer, Name, Betreiber und Lage der REKLIP-Stationen. .................. 16Tab. 2: An den REKLIP-Stationen standardmäßig gemessene klimatologische Parameter .......... 17Tab. 3: Meßtechnische Probleme der an den REKLIP-Stationen eingesetzten Geräte zur

Bestimmung der nächtlichen Strahlungsbilanz und weiterer vertikaler Energieflüsse................................................................................................................................... 36

Tab. 4: Das Mittel der Oberflächentemperaturen an den REKLIP-Stationen, die Regressi-onskoeffizienten und die Korrelation zwischen den Temperaturen des Referenz-datensatzes und den Meßwerten an den REKLIP-Stationen für die betrachtetenStrahlungsnächte. ............................................................................................................... 42

Tab. 5: Für die verschiedenen Teilräume des Untersuchungsgebietes repräsentative RE-KLIP-Stationen................................................................................................................... 60

Tab. 6: Quellstärken nächtlicher Hangabwinde (“Kaltluftproduktionsraten”) über unter-schiedlicher Landnutzung nach verschiedenen Autoren. ................................................... 69

1

0 Vorwort

Die vorliegende Arbeit ist im Rahmen des REKLIP-Projektes (REgio-KLima-Projekt) amInstitut für Physische Geographie entstanden. Sie steht in einer Tradition mit früheren Fo r-schungen am Institut, die sich mit der Erstellung von Flächendatensätzen klimatologischerGrößen auseinandersetzen.

Die räumliche Ausprägung klimatischer Größen in einem Gebiet ist das Resultat eines ex-trem komplexen Prozessgefüges. Deshalb können Modellergebnisse immer nur Näherungenan die realen Verteilungsmuster sein, selbst wenn bei aufwendigen Modellen versucht wird,viele der ablaufenden Prozesse physikalisch exakt zu beschreiben. Bei Klimatologen undLandschaftsplanern besteht ein starkes Interesse an der Modellierung von klimatischen Grö-ßen, beispielsweise um die Auswirkungen von Landnutzungsänderungen abschätzen zu kön-nen. Neben komplexen numerischen Modellen werden auch Methoden benötigt, die für be-stimmte Randbedingungen befriedigende Ergebnisse liefern und keine zu hohen Anforde-rungen an Rechnerkapazitäten oder an initialisierende Datensätze stellen. Vor diesem Hin-tergrund ist die Entstehung der vorliegenden Arbeit zu sehen.

In dem Bemühen die Arbeit „schlank“ zu halten, wurden Beschreibungen von verwendetenMethoden, die schon in zahlreichen anderen Veröffentlichungen zu finden sind, auf das W e-sentliche gekürzt. Ebenso ist die Vorstellung des Untersuchungsgebietes auf die für dieseArbeit wichtigen Punkte reduziert, mit dem Hinweis, bei tiefergehenderem Interesse auf dieOrginalquellen zurückzugreifen.

Da in der Geländeklimatologie immer mehr elektronisch erhobene Meßdaten in einer hohenzeitlichen Auflösung verwendet werden, wurde ein Teil dieser Arbeit dem Problemkreis derautomatische Meßdatenerhebung und den dabei auftretenden Fehlerquellen gewidmet. Auchneue Möglichkeiten zur Darstellung großer Meßdatenkollektive werden diskutiert.

REKLIP war ein trinationales Projekt, in dessen Rahmen Wissenschaftler aus Deutschland,Frankreich und der Schweiz zusammenarbeiteten, deshalb ist dieser Arbeit noch eine franzö-sische Zusammenfassung beigefügt.

Der naturräumlichen Ausstattung des Untersuchungsraumes kommt eine wichtige Rolle beider hier vorgestellten Methode zur Modellierung der räumlichen Verteilung klimatischerGrößen zu, deshalb finden sich im Anhang Karten, die das Relief, die Landnutzung sowiedie Kombination von Relief und Landnutzung darstellen. Auch eine Beschreibung der Meß-stationen, deren Daten in die Arbeit einflossen, findet sich im hinteren Einbanddeckel. Da indieser Arbeit die dargestellten Grafiken aus Gründen der Übersichtlichkeit meistens mit denStationsnummern bezeichnet sind, empfiehlt es sich diese Beschreibungen bei der Lektüredieser Arbeit zur Hand zu haben.

2

1 Einleitung und Problemstellung

1.1 Die Regionalisierung von Wärmehaushaltsgrößen auf der Basis von Punktmes-sungen und Fernerkundungsdaten.

Die Abschätzung der Wärmehaushaltsgrößen, insbesondere der Temperatur, der Strahlungs-flüsse und des Bodenwärmestromes, ist ein Kernthema der Geländeklimatologie, da ihreAusprägung entscheidenden Einfluß auf die Umwelt (z.B. Vegetation, Fauna, Boden) unddas Wirtschaften (z.B. Landwirtschaft) des Menschen hat. Auch viele dynamische Prozessein der Atmosphäre (z.B. thermisch induzierte Windsysteme) werden durch die räumlicheVerteilung der Wärmehaushaltsgrößen gesteuert und sind mit diesen rückgekoppelt.

Nachts bestimmen andere Wirkungsgefüge die Ausprägung von Klimaelementen als am Tagund führen zu anderen Verteilungsmustern im Raum. Für Strahlungsnächte ist die Kenntnisder Verteilung der klimatologischen Parameter Strahlungstemperatur, Oberflächentempera-tur, Strahlungsbilanz und Kaltluftproduktion von hoher Relevanz für viele Bereiche der Ge-ländeklimatologie. Flächendatensätze der genannten Parameter sind einerseits wichtig fürdas Verständnis der ablaufenden Prozesse, und können direkt in der Raum- und Land-schaftsplanung genutzt werden. Karten der räumlichen Verteilung von Oberflächentempe-ratur dienen u.a. zur Abschätzung des Frostrisikos.

Die Strahlungsbilanz ist Antrieb für alle Energieaustauschprozesse an der Erdoberfläche undwird ihrerseits von diesen beeinflußt. Sie ist deshalb in einem Raum mit komplexem Reliefund unterschiedlicher Landnutzung ein Abbild des physikalischen Prozeßgefüges. DieKenntnis der räumlichen Muster der Strahlungsbilanz und ihrer zeitlichen Veränderung istdaher wichtig für das Verständnis der Vorgänge in der atmosphärischen Grenzschicht. A u-ßerdem sind unterschiedliche Ausprägungen der Strahlungsbilanz die Grundlage der klimati-schen Differenzierung eines Raumes. So können auch oberflächennahe dynamische Prozes-se, wie etwa Kaltluftproduktion und Kaltluftabfluß, mit Hilfe der Datensätze von Strah-lungsbilanz und Oberflächentemperatur beschrieben werden.

Die in orographisch gegliedertem Gelände auftretenden nächtlichen Hang- und Bergwindesind wegen ihrer Bedeutung für die Belüftung von Siedlungen und aufgrund ihres Einflussesauf das thermische Milieu (Verminderung von Wärmebelastung) zentrale Punkte der ange-wandten Klimatologie mit erheblicher Planungsrelevanz (INNENMINISTERIUM BADEN-WÜRTTEMBERG 1990, VDI 1999) (REKLIP 1995). Da viele Modelle, die diesen Kalt-luftabfluß berechnen, mit Flächendatensätzen der Kaltluftproduktion initialisiert werden,besteht seitens der Modellanwender ein starkes Interesse an den Kaltluftproduktionsrateneines Raumes.

Es ist also ein Bedarf an Flächendatensätzen der genannten klimatischen Parameter vorhan-den. In der Geländeklimatologie wurden deshalb in der Vergangenheit eine Anzahl von Ar-beiten durchgeführt, die das Ziel hatten, die räumliche Verteilung dieser Größen abzuleiten.Die dabei verwendeten Ansätze lassen sich im wesentlichen folgendermaßen gliedern:

3

a) Durchführung von Punktmessungen im Untersuchungsgebiet und Übertragung derWerte auf die nicht bemessenen Gebiete mit geeigneten Verfahren: Für ein Untersu-chungsgebiet werden repräsentative Meßstellen gesucht und an ihnen die zu untersuche n-den Klimaparameter gemessen. Anschließend wird versucht, aus diesen Punktdaten dieräumliche Verteilung des Parameters abzuleiten. Eine Methode dafür ist die Interpolationzwischen den Meßstellen, etwa durch eine Abstandsgewichtung der Meßwerte. Dabeiwird aber die Abhängigkeit des Meßwertes von der Geländeeigenschaft nicht berücksich-tigt.

Da aber die Geländeeigenschaft am Meßpunkt selbst und in einer größeren Umgebungden Meßwert beeinflussen, wurden statistische Schätzverfahren für die Klimavariablenunter Verwendung der Meßwerte an den Meßpunkten und ihrer Beziehung zu den Gelän-deeigenschaften entwickelt. Mit den dabei gewonnenen Übertragungsfunktionen könnenWerte für die Punkte berechnet werden, an denen zwar die Geländeparameter bekanntsind, aber keine Meßdaten der Klimavariablen vorliegen

Der Vorteil dieser Methoden besteht darin, daß, je nach Meßintervall an den Meßstellen,eine hohe zeitliche Auflösung der Datensätze erzielt werden kann. Der Nachteil ist die ge-ringe räumliche Auflösung aufgrund der hohen Kosten für Messungen, gerade in starkgegliedertem Gelände, selbst wenn beispielsweise durch Meßfahrten die Anzahl derMeßpunkte erhöht wird. Deshalb kann auch nur eine beschränkte Anzahl von Raumpara-metrisierungen in die Regressionsbeziehungen einfließen. Außerdem stehen aufgrund deraufwendigeren Meßwerterhebung meistens keine oder nur sehr wenige Meßdaten fürWaldoberflächen zur Verfügung

Als Beispiele für diese Methoden seien Karten der Frostgefährdung von LAUGHLIN, &KALMA (1990) angeführt. CARL (1994) untersuchte die Verteilung von Minimumtempe-raturen und den Kaltluftabfluß in Strahlungsnächten, DUTTMANN & MOSIMANN (1994)modellierten mit diesem Ansatz Flächendatensätze von Temperaturverteilungen inStrahlungsnächten in einem Altmoränengebiet. KLEIN (1994) verwendete eine aufwendi-ge Reliefparametrisierung zur Erstellung von Karten des Niederschlags.

b) Auswertung von Fernerkundungsdaten: Die Fernerkundung liefert Flächendatensätzevon klimatologischen Parametern. Vorteil dieser Methode ist die hohe räumliche Auflö-sung, sowie die exakte Abbildung der realen Situation zum Aufnahmezeitpunkt. Deshalbist die Wirkung aller den betrachteten Parameter beeinflussenden Prozesse in ihrer Ge-samtheit sichtbar (GOSSMAN 1984, STOCK 1984, GOSSMANN 1987, GOSSMANN ET AL.1987). Auch lokale Phänomene, wie etwa Kaltluftabflüsse, die einen Einfluß auf dieStrahlungstemperatur haben, können sich anhand solcher Aufnahmen erkennen lassen(z.B. FEZER 1975, NÜBLER 1979), natürlich immer nur in Abhängigkeit der räumlichenAuflösung des Aufnahmesystems. Außerdem liefert die Fernerkundung Informationen fürWaldoberflächen. Der große Nachteil dieser Methode ist die schlechte zeitliche Aufl ö-sung aufgrund der niedrigen Überflugsfrequenz der Satelliten bzw. der hohen Kosten für

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eine mehrmalige Flüge. Deshalb stellen die aus der Fernerkundung gewonnenen Daten-sätze klimatologischer Parameter in der Regel nur Beschreibungen von Einzel-Situationendar, auch wenn sich durch eine zweifache Überfliegung, z.B. zu Beginn der Nacht undgegen Ende der Nacht, eine Veränderung in der räumlichen Ausprägung des Parametersdokumentieren läßt (STEINICKE & STREIFENEDER 1992).

c) Modellierung mit numerischen Modellen: In diesen Modellen werden die den Ener-gieumsatz steuernden physikalischen Vorgänge durch Algorithmen beschrieben und be-rechnet. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, für beliebige Landnutzungen, mete o-rologische Randbedingungen und Zeitschritte, Flächendatensätze meteorologischer Para-meter erstellen zu können. Nachteile bei dieser Methode sind die langen Rechenzeitenund die aufwendige Bereitstellung von Datensätzen für die Initialisierung. Außerdem be-darf es „erfahrener Nutzer“ um diese Modelle bedienen zu können. Ein weiterer Nachteilnumerischer Modelle ist, daß die tatsächlich in der Natur ablaufenden Prozesse nur mehroder minder stark vereinfacht wiedergegeben werden können. Zum einen ist die Rechen-leistung beschränkt, zum anderen ist es unmöglich, die Komplexität aller zur Ausprägungdes Parameter führender Prozesse exakt in mathematische Formeln zu fassen. Die Ergeb-nisse können also auch nur Näherungen der tatsächlichen Situation sein. Beispiele fürnumerische Modelle finden sich bei GROSS (1985, 1987), der Kaltluftabflüsse und Tiefst-temperaturen in einem Moselseitental modellierte, AVISSAR & MAHRER (1988), die Frost-gefährdungskarten erstellten, KONDO & OKUSA (1990), die das nächtliche Abkühlungs-verhalten in einem reliefierten Gebiet untersuchten, und bei HEIMANN (1988), der nächtli-che Kaltluftabflüsse im Moseltal untersuchte.

Wie die kurze Zusammenstellung zeigt, haben bisher verwendete Methoden, mit denen Flä-chendatensätze meteorologischer Parameter (für diese Arbeit interessieren die Oberfläche n-temperatur, Strahlungsbilanz und Kaltluftproduktion in Strahlungsnächten) erzeugt werdenkönnen, noch deutliche Schwachpunkte.

Daraus ergibt sich für die vorliegende Arbeit folgende zentrale Problemstellung:

Ist es möglich eine Methode zur Ableitung von Flächendatensätzen der Oberflächentempe-ratur, Strahlungsbilanz und Kaltluftproduktion für Strahlungsnächte zu entwickeln, in der dieVorteile der ersten beiden Ansätze, also eine hohe zeitliche Auflösung und eine hohe räuml i-che Auflösung kombiniert werden? Sie sollte außerdem nur kleine Rechenzeiten benötigenund auch für größere Untersuchungsgebiete, die in einer Nacht nicht mehr durch Meßfahrtenabgedeckt werden können, Gültigkeit haben, selbst wenn der Raum eine große Vielfalt vongeomorphologischen Formen und Landnutzungen aufweist.

Ein Hinweis auf den Lösungsansatz ist in der Regionalisierung durch Reliefparametrisierungund Koppelung dieser Reliefparameter an Meßdaten zu finden (GOSSMANN 1991). Aller-dings ist bei vielen der bisher durchgeführten Arbeiten für ein wirklich befriedigendes E r-gebnis in einem großen Untersuchungsraum mit unterschiedlichen Landschaftseinheiten dieAnzahl der ableitbaren Reliefklassen zu gering, da in der Regel nur wenige Meßpunkte für

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die Regression zwischen den Klima- und den Reliefparametern zur Verfügung stehen. Wennaber eine sehr große Anzahl von Meßwerten für die Ableitung von Regressionen zwischenReliefklasse und Ausprägung des Meßwert vorhanden wären, könnte auch die Zahl der Re-liefklassen stark erhöht werden, so daß die räumliche Verteilung des Parameters auch instark gegliederten Räumen befriedigend beschrieben werden kann. Daraus ergibt sich dieFrage, wie die geforderte große Zahl der Meßwerte bereitgestellt werden kann.

Den Schlüssel zur Lösung dieses Problems, zumindest für die Ableitung eines Flächendaten-satzes der Oberflächentemperatur, liefert die Fernerkundung. Thermalbilder die in wolken-armen Nächten aufgenommen wurden, geben ein Verteilungsmuster der Strahlungstempe-ratur (Siehe Kapitel 2.1.1) wieder, das für ein bestimmtes Gebiet charakteristisch ist. Ausder Verteilung der Strahlungstemperaturen kann das Verteilungsmuster der Oberflächente m-peratur abgeleitet werden. Dieses für ein Gebiet typische Muster der Oberflächentemperaturist weitgehend unabhängig vom Datum der Thermalaufnahme, solange sich die Landnutzungnicht wesentlich verändert (NOACK 1986). Bei verschiedenen Aufnahmezeitpunkten könnenzwar die absoluten Werte der Oberflächentemperatur sowie die Differenzen zwischen deneinzelnen Punkten differieren, aber das Grundmuster bleibt gleich, sofern sich die Landnu t-zung nicht signifikant ändert (wie etwa bei Schneebedeckung). So weisen beispielsweise dieKuppen von Bergen in Strahlungsnächten in der Regel höhere Oberflächentemperaturen aufals Tallagen (diese Tatsache wurde durch Messungen bestätigt, unter anderem von GEIGER

1961, BAUMGARTNER 1963, ENDERS, G. 1979, ROSNER 1993, DUTTMANN & MOSIMANN

1994). Daneben hat auch die Landnutzung einen charakteristischen Einfluß auf die Oberfl ä-chentemperatur (LUTZ 1986, MATTSON & NORDBECK 1981). Die Ausprägung der Oberflä-chentemperatur ist also eine Funktion von Relief und Landnutzung an jedem Geländepunktund seiner Umgebung. Wenn dieser Zusammenhang durch eine geeignete Parametrisierungvon Relief und Landnutzung nachgebildet werden kann, entsteht ein synthetisches Musterder Oberflächentemperatur. Durch die sehr große Anzahl von Meßwerten die eine Ther-malszene liefert, stehen für eine fein differenzierte Parametrisierung des Reliefs und derLandnutzung ausreichend Werte für die Berechnung der Regressionen zur Verfügung. A u-ßerdem liefert die Thermalaufnahme auch Informationen bezüglich der Oberflächentempe-ratur von schwer zugänglichen Gebieten und Landnutzungen (Wäldern), die sonst nur mitgroßen Aufwand gemessen werden können.

Das erzeugte synthetische Muster der Oberflächentemperatur kann an reale Meßwerte vonStationen im Untersuchungsgebiet gekoppelt werden. Dabei wird das synthetische Muster inAbhängigkeit der vorhandenen Meßwerte mit geeigneten Funktionen umgeformt und somitdie räumliche Verteilung der Oberflächentemperatur für den entsprechenden Zeitschritt oderden gewünschten Zeitraum erzeugt. Die Methode wird in Kapitel 2.2 ausführlich erläutert.

Für eine Modellierung des räumlichen Musters der Strahlungsbilanz muß die Differenz zwi-schen dem Flächendatensatz der langwelligen Ausstrahlung der Erdoberfläche und der atmo-sphärischen Gegenstrahlung berechnet werden. Zur Berechnung der atmosphärischen G e-

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genstrahlung stehen recht ausgereifte Modelle zur Verfügung, wie das Atmosphärenkorrek-turprogramm LOWTRAN 7, das bei der vorliegenden Arbeit verwendet wird. Die langwelli-ge Ausstrahlung wird aus den Oberflächentemperaturen/Strahlungstemperaturen abgeleitet.In Kapitel 3 wird die Erstellung des Datensatzes der Strahlungsbilanz beschrieben.

In wolkenfreien Nächten ist die Strahlungsbilanz die entscheidende Größe für den Ener-gieumsatz. Aus dem Flächendatensatz der Strahlungsbilanz läßt sich der Energieverlustdurch eine negative Strahlungsbilanz abschätzen. Da dieser Energieverlust in erster Linie,neben dem Boden- bzw. Bestandswärmestrom durch Übergang von fühlbarer Wärme aus derbodennahen Luft kompensiert wird, kann durch einfache Wärmeinhaltsberechnungen dieKaltluftproduktion eines Gebietes abgeschätzt werden. Das Verfahren wird im Kapitel 4.2dargestellt. Für viele Fragestellungen in der Raumplanung ist solch eine Abschätzung durch-aus ausreichend.

Im folgenden wird nun dieser Ansatz zur Erzeugung von Flächendatensätzen der Oberflä-chentemperatur, der Strahlungsbilanz und der Kaltluftproduktion, dessen einzelne Arbeits-schritte in Abbildung 1 dargestellt sind, im Detail besprochen. Durch diesen Modellansatzwird die Forderung an die moderne Geländeklimatologie, daß am Ende einer geländeklima-tologischen Untersuchung die Entwicklung eines Modells stehen sollte, erfüllt (SCHUMANN

1990).

Entwickelt und getestet wurde das Modell im Gebiet des Regio-Klima-Projekts (REKLIP),das das Oberrheintiefland von Basel bis Karlsruhe und die es begrenzenden Mittelgebirgeumfaßt. Eine Beschreibung des Untersuchungsgebiets findet sich in Kapitel 1.2. Die Meß-daten, die für die Modellierung benötigt wurden, stammen aus dem REKLIP-Meßnetz, dasin Kapitel 1.3 vorgestellt wird.

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synthetisches Muster der Oberflächentemperatur

Modellierte Flächendatensätze der Oberflächentemperatur

Flächendatensatz der Gegenstrahlung

Berechnen der Differenz von Ausstrahlung und Gegenstrahlung

Flächendatensatz der Strahlungsbilanz

Abschätzung des Engerieumsatzes und der Abkühlungsraten

Flächendatensatz der Kaltluftproduktion

Berücksichtigung der Landnutzung

Satelliten-Themalaufnahme (Oberflächentemperatur)

Koppelung an Meßdaten

Berechnung der Gegenstrahlung

Reliefanalyse mit digitalem Geländemodell

Abb. 1: Überblick über die Arbeitsschritte zur Erzeugung von Flächendatensätzen der Oberflä-chentemperaturen, der Stahlungsbilanz und der Kaltluftproduktion in Strahlungsnächten

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1.2 Der Untersuchungsraum

Ein Modell zur Erzeugung von Flächendatensätzen der Oberflächentemperatur, der Strah-lungsbilanz und der Kaltluftproduktion sollte für ein weites Spektrum von unterschiedlichenGeländeformen und Landnutzungen anwendbar sein. Daraus ergibt sich die Forderung, es aneinem Gebiet zu testen, das eine Vielzahl von unterschiedlichen Landschaftseinheiten undLandnutzungen aufweist. Nur so läßt sich überprüfen, ob die differenzierte Ausprägung derklimatischen Parameter, die in den jeweiligen Raumeinheiten teilweise von unterschiedli-chen Prozessen verursacht werden, vom Modell korrekt reproduziert wird.

Unter diesem Gesichtspunkt ist das REKLIP-Gebiet (Regio Klima Projekt), das denOberrheingraben von Basel bis Karlsruhe mit den ihn begrenzenden Mittelgebirgen Jura,Vogesen und Schwarzwald umfaßt (dargestellt in Abbildung 2), in besonderer Weise alsTestgebiet geeignet. Es umfaßt eine Vielzahl von unterschiedlichen naturräumlichen Ein-heiten, von den Ebenen des Oberrheintieflandes bis hin zu den höchsten Gipfeln der Mittel-gebirge von Schwarzwald, Jura und Vogesen. Auch finden sich fast alle in Mitteleuropa vor-kommenden Landnutzungen in dem Untersuchungsgebiet.

Da der Untersuchungsraum in zahlreichen Publikationen detailliert beschrieben wurde(MEYNEN & SCHMIDTHÜSEN 1962, REKLIP 1995, PARLOW & ROSNER 1992), werden imfolgenden nur die Merkmale des Gebietes besprochen, die für die vorliegende Arbeit vonbesonderer Bedeutung sind. Dazu wird zunächst die Vielfalt der Reliefformen und ihreräumliche Verteilung im Untersuchungsgebiet beschrieben und dann kurz auf das Muster derLandnutzungen im Untersuchungsraum eingegangen. Anschließend werden einige charakte-ristische, lokalklimatische Phänomene vorgestellt, die in diesem Gebiet auftreten.

Man kann den Untersuchungsraum grob in folgende Bereiche gliedern, deren einzelne Ein-heiten durch charakteristische Reliefformen gekennzeichnet sind (vergleiche dazu die in Ab-bildung 2 dargestellte Reliefansicht des Untersuchungsgebietes. Im hinteren Einbanddeckelfindet sich eine Folie mit dem geographischen Koordinatensystem, auf das alle Gesamtdar-stellungen des Untersuchungsraumes bezogen sind).

Das Oberrheintiefland von Karlsruhe bis Basel. Es hat den Charakter einer weiten Ebene,mit sehr wenig bewegtem Relief, die ein sehr geringes Gefälle nach Norden hin aufweist.Vereinzelt ragen Bruchschollen als kleine Erhebungen hervor (als Beispiel sei der Tuniberg,südöstlich des Kaiserstuhls genannt). Die Oberrheinebene besteht größtenteils aus denSchotterflächen der letzten Kaltzeit (Niederterrasse). Sie ist von wenigen Metern tiefliegen-den Einschnitten durchzogen, in denen die Gewässer fließen. Der Kaiserstuhl, der vulkani-schen Ursprungs ist, bildet mit 534 m ü.NN und einer Höhendifferenz von ca. 340 m zu denihn umgebenden Ebenen die auffälligste Erhebung.

Am östlichen und westlichen Rand des Oberrheintieflands schließen sich Hügelländer unter-schiedlicher Breite mit dazwischenliegenden Schwemmfächern an, die den Übergang in dieMittelgebirge bilden. Die Mittelgebirge Schwarzwald und Vogesen haben einen, bezogen

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auf den Oberrheingraben, achsensymmetrischen geologischen Aufbau und ähneln sich starkin ihrer Reliefentwicklung. Die höchsten Teile der beiden Gebirge (über 1200 m.NN) liegennahe am Rand zum Oberrheintiefland. Sie fallen steil zum Oberrheintiefland, bzw. den vor-gelagerten Hügelländern ab. Sie sind durch die großen Sprunghöhen zum Oberrheintieflandund die sich daraus ergebende hohe Reliefenergie tief zertalt.

Der Schwarzwald fällt nach Osten, die Vogesen nach Westen relativ flach ab. Die Täler sinddort weniger tief eingeschnitten, weisen eine flachere und weitere Form auf (bis auf Flüsse,die zum Rhein entwässern, z.B. die Wutach). Der südlichste Teil des Schwarzwaldes (Hot-zenwald) besteht aus Hochflächen, die durch tief eingeschnittene Täler gegliedert sind. Ös t-lich des Schwarzwald wird das Untersuchungsgebiet von der Hochfläche der Baar begrenzt,die ein nur wenig bewegtes Relief aufweist. Die wenigen dort vorhandenen Flüsse sind tiefeingeschnitten. Den südwestlichen Rand des Untersuchungsgebietes bildet der SchweizerJura. Der noch im Untersuchungsgebiet liegende Teil läßt sich in einen nördlichen Teilb e-reich, den Tafeljura zwischen Basel und Aare-Mündung in den Rhein, mit eher flachen Hö-henzügen und dazwischenliegenden tief eingeschnittenen Tälern, und den sich südlich darananschließenden Faltenjura mit den größeren Höhen, schmaleren Höhenrücken und sehr stei-len Talflanken dazwischen, gliedern. Südöstlich des Juras wird das Untersuchungsgebietdurch das Schweizer Mittelland begrenzt, das nicht mehr zum eigentlichen Untersuchungs-gebiet gehört. Neben der großen Vielfalt der geomorphologischen Formen sind im Untersu-chungsraum eine Vielzahl unterschiedlicher Landnutzungen vertreten. Dies war ebenfalls einwichtiges Kriterium für die Auswahl dieses Raumes als Testgebiet für das Modell.

Eine gute Zusammenfassung der Landnutzung im Untersuchungsgebiet findet sich beiPARLOW & PAUL 1995. Die Landnutzung des Untersuchungsgebietes ist in Abbildung 3 dar-gestellt. Das tief eingesenkte Oberrheintiefland zwischen Schwarzwald, Jura und Vogesenwird in erster Linie von einer ackerbaulichen Nutzung geprägt. Es ist auch Standort zahlrei-cher Sonderkulturen. Ein Merkmal des Ackerbaus im Oberrheintiefland sind die großen Fel-der. Grünlandwirtschaft findet sich weitgehend nur in den Auenbereichen. Größere zusam-menhängende Waldflächen kommen östlich von Mulhouse, nördlich des Kaiserstuhls sowiezwischen Straßburg und Karlsruhe und längs des Rheins vor. Im Sundgau, südwestlich vonMühlhausen, wechseln sich ackerbaulich genutzte Flächen, Grünland und Wald mosaikartigab. Ein ähnliches Muster der Landnutzung findet sich auch im Kraichgau nordöstlich vonKarlsruhe und in der Zabener Senke nordwestlich von Straßburg. Entlang der Vorbergzonenvon Schwarzwald und Vogesen und um den Kaiserstuhl sind Sonderkulturen, und dabei be-sonders der Rebbau, die vorherrschende Landnutzungen. Dabei gibt es teilweise noch einekleine Parzellierung der Flächen. Rebbau findet sich ebenso am Ostrand des Pfälzer Waldes,im nördlichen Teil des Untersuchungsraumes.

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Abb. 2: Überblick über das Untersuchungsgebiet am Oberrhein von Basel im Süden bisKarlsruhe im Norden.

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In den Randgebirgen ändert sich mit zunehmender Höhe die Landnutzung. Es dominierenGrünland und Waldnutzung. Dabei unterscheidet sich der Schwarzwald von den anderenMittelgebirgen durch einen deutlich höheren Anteil von Nadelwald. In den Vogesen gibt esdeutlich mehr Laubwälder, im Jura ist der Grünlandanteil sehr hoch, mit Ackerbau und Son-derkulturen in den intramontanen Becken. Insgesamt zeichnen sich die Mittelgebirge durchein differenziertes Muster der Landnutzung aus, in Abhängigkeit von der Höhenlage unddem Relief. So werden die Talsohlen in der Regel ackerbaulich genutzt, teilweise sogar nochmit Sonderkulturen, während die Hänge und Kuppen überwiegend der Grünlandwirtschaftoder der Forstwirtschaft dienen.

Bei der Siedlungsdichte gibt es große Unterschiede innerhalb des Untersuchungsraumes. DasOberrheintiefland und die Ausgänge der Haupttäler von Schwarzwald und Vogesen sinddicht besiedelt. Die Ballungszentren sind Basel, Mühlhausen, Freiburg, Straßburg und Karls-ruhe. In diesen Bereichen findet sich auch eine z.T. starke Industrialisierung.

Der Rhein selbst als Binnenwasserstraße, sowie besonders die zu ihm parallel verlaufendenAutobahnen auf deutscher und französischer Seite, sowie die Bahnlinie auf deutscher Seite,stellen wichtige europäische Verkehrsadern dar.

Demgegenüber ist die Siedlungsdichte in den Vorbergzonen und den Mittelgebirgen gegen-über dem Oberrheintiefland deutlich geringer. Es gibt keine Orte mit mehr als 30 000 Ein-wohnern. Auch größere Industriebetriebe fehlen. Es dominieren Land- und Forstwirtschaftsowie klein- und mittelständige Gewerbe.

Teilweise bedingt durch die Vielfalt der auftretenden Landschaftsform zeichnet sich dasUntersuchungsgebiet auch durch eine Vielfalt lokalklimatischer Phänomene aus. Eine guteZusammenfassung findet sich bei MAHLBERG & BÖKENS (1984) und dem REKLIP-KLIMAATLAS (1995). Auffällig ist die Kanalisierung der Windströmung im Oberrheintieflandin Nord – Südrichtung, je nach übergeordneter Windrichtung. So dominieren im Oberrhein-tiefland bei übergeordneten Winden aus westlichen Richtungen die Südwinde. Übergeord-nete Winde aus östlichen Richtungen ergeben Nordwinde im Tiefland.

Von großer Bedeutung für Fragestellungen in der Stadtklimatologie und Raumplanung sinddie an den Rändern und in den Tälern der Mittelgebirge auftretenden Berg-Talwindsysteme(REKLIP-ENDBERICHT KLIMA-WIRKUNGSFORSCHUNG 1999). Besonders die nächtlichenBergwinde tragen zur Verbesserung der Belüftung und Minderung von thermischer Bela-stung in den in ihrem Einflußbereich liegenden Siedlungen bei.

Über den flachen Sohlen der großen Täler von Schwarzwald und Vogesen, sowie im ge-samten Oberrheintiefland sammelt sich nachts Kaltluft, und es kommt zu Inversionen. ImOberrheintiefland können diese eine große Mächtigkeit annehmen.

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Wald

Wiese

Acker

Sonderkultur

Siedlung

WasserN

Abb. 3: Landnutzung im REKLIP-Gebiet (nach SCHERRER ET AL. 1994)

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Das Untersuchungsgebiet stellt also an ein Modell, das in der Lage sein soll, eine durch diesekomplexen Systeme geprägte flächenhafte Verteilung von klimatischen Parametern zu re-produzieren, hohe Anforderungen.

Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß sich der gewählte Gebietsausschnitt, aufgrundder großen Vielfalt an Reliefformen, Höhenlagen und Landnutzungen in besonderer Weiseals Testgebiet für das beschriebene Verfahren eignet.

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1.3 Beschreibung des REKLIP-Meßnetzes

Die für die Regionalisierung verwendeten Punktmeßdaten stammen aus dem im folgendenbeschriebenen Meßnetz des Regio-Klima-Projektes (REKLIP).

Nach dem Brand in einem Chemiewerk (Sandoz) in Basel-Schweizerhalle (1984), mit seinenverheerenden Auswirkungen auf das Ökosystem des Rheins, wurde den Verantwortlichen inder Politik das Defizit zwischen den vorhandenen Kenntnissen über das Regionalklima unddem für diesen dicht besiedelten und teilweise stark industrialisierten Raum notwendigenWissen bewußt. Angeführt sei hier als Beispiel die Kenntnis über die Windverteilung, dieeine Notwendigkeit für effektives Störfallmanagement ist, oder Emissions- bzw. Immissi-onskarten für die Raumplanung. Daraufhin wurde ein Projekt zur umfassenden Untersu-chung des regionalen Klimas initiiert.

Da im Oberrheingebiet drei Länder aneinander grenzen, wurde das Regio-Klima-Projekt (imfolgenden REKLIP genannt) als eine trinationale Aufgabe konzipiert. Ein erstes Ziel war,alle verfügbare Information über das Klima im Oberrheingebiet zusammenzutragen und ineinem Atlas mit ausführlichem Textband zu veröffentlichen (REKLIP 1995). Parallel dazuwurde ein Meßnetz mit 36 Energiebilanzmeßstationen aufgebaut, an denen über 5 Jahre(1992-1997) die für die Ermittlung der Energiebilanz benötigten Klimaelemente in einerhohen zeitlichen Auflösung gemessen wurden. Die Aufgabe des Meßnetzes war zum einenGrundlagenforschung bezüglich des Strömungsfeldes und des Energieumsatzes in geglie-dertem Gelände. Zum anderen sollten aus den Erkenntnissen über das regionale Klima Ent-scheidungshilfen für Planer und Entscheidungsträger abgeleitet werden. Eine genauere B e-schreibung der Zielsetzung des REKLIP-Meßnetzes findet sich bei PARLOW (1992 und 1994)und FIEDLER (1992).

Die Energiebilanzmeßstationen wurden von 6 Institutionen in 3 Ländern betrieben. Es warendies in Deutschland das Forschungszentrum Karlsruhe, das Institut der Meteorologie derUniversität Karlsruhe (IMF), das Institut für Physische Geographie der Universität Fre i-burg i.Br. (IPG) und das Meteorologische Institut der Universität Freiburg i.Br. (MIF). DasGeographische Institut der Universität Basel (GIB) betrieb die Schweizer Stationen, und fürdie französischen Stationen war der nationale Wetterdienst Meteo-France (MTF) verant-wortlich.

Die Meßstationen sind im gesamten Untersuchungsgebiet verteilt (Abbildung 4). Für die imUntersuchungsraum vorkommenden Landschaftselemente wurden repräsentative Standorteausgewählt. So reicht die Spannweite der Standorte von der Ebene des Oberrheintieflandesüber die Vorbergzone sowie die Täler von Schwarzwald, Jura und Vogesen, bis hin zu denGipfeln der genannten Mittelgebirge. Aber auch in der direkten Stationsumgebung gab esteilweise große Unterschiede zwischen einzelnen Stationen. So gab es Stationen auf einerKuppe, am Hang, am Hangfuß und in der Ebene. Im Anhang findet sich eine genaue Be-schreibung der Stationen des REKLIP-Meßnetzes. Abbildung 5 zeigt die REKLIP-StationElzach.

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N

9

811 12

13

53

61

421516

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3029

31

3236

35

34

33

2019

18

2124

2223

25

2627

28

7

Abb. 4: Lage der REKLIP-Energiebilanzstationen im Untersuchungsgebiet.

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Tab 1: Überblick über Nummer, Name, Betreiber und Lage der REKLIP-Stationen.Nr. Stationsname Betreiber geogr. Länge geogr. Breite Höhe ü.NN

(m)1 Hornenberg IMK 8° 8‘ E 48° 39‘...... 3372 Freistett IMK 7° 58‘ E 48° 40‘...... 1313 Plittersdorf IMK 8° 10‘ E 48° 53‘ N 1134 Sasbach IMK 8° 5‘ E 48° 39‘ N 1375 Freiolsheim IMK 8° 21‘ E 48° 52‘ N 4876 Hornisgrinde IMK 8° 12‘ E 48° 37‘ N 11577 Karlsdorf IMK 8° 32‘ E 48° 8‘ N 1108 Bellheim IMK 8° 16‘ E 49° 11‘ N 1299 Bergzabern IMK 8° 0‘ E 49° 7‘ N 21510 Elsenz IMK 8° 51‘ E 49° 11‘ N 21711 Linkenheim IMK 8° 24‘ E 49° 10‘ N 9912 Kraichtal IMK 8° 44‘ E 49° 10‘ N 20413 Lauterbourg MTF 8° 10‘ E 48° 58‘ N 11014 Hegeney MTF 7° 44‘ E 48° 53‘ N 18015 La Wantzenau MTF 7° 49‘ E 48° 40‘ N 12816 Pfettisheim MTF 7° 39‘ E 48° 40‘ N 15517 Selestat MTF 7° 29‘ E 48° 16‘ N 17318 Soulzeren MTF 7° 7‘ E 48° 5‘ N 76019 Colmar MTF 7° 33‘ E 48° 7‘ N 20020 Algolsheim MTF 7° 32‘ E 48° 0‘ N 19821 Burnhaupt MTF 7° 8‘ E 47° 44‘ N 30422 Fischingen GIB 7° 36‘ E 47° 39‘ N 26423 Lange Erlen GIB 7° 39‘ E 47° 35‘ N 22524 Gupf GIB 7° 35‘ E 47° 42‘ N 36025 Gempen GIB 7° 40‘ E 47° 28‘ N 71026 Oberservatorium GIB 7° 35‘ E 47° 32‘ N 32027 Muesbach GIB 7° 22‘ E 47° 34‘ N 45028 Ettenheim IPG 7° 47‘ E 48° 16‘ N 16729 Freiamt IPG 7° 52‘ E 48° 11‘ N 44030 Elzach IPG 8° 7‘ E 48° 12‘ N 45031 Ebnet IPG 7° 55‘ E 47° 59‘ N 33032 Titisee IPG 8° 10‘ E 47° 55‘ N 87033 Hartheim MIF 7° 36‘ E 47° 57‘ N 20134 Bremgarten MIF 7° 37‘ E 47° 55‘ N 21235 Geiersnest MIF 7° 51‘ E 47° 55‘ N 87036 Feldberg MIF 8° 0‘ E 47° 53‘ N 1493

Während Grünland in den meisten Fällen die Landnutzung der direkten Stationsumgebungdarstellte, wurde an einigen Stationen auch über Feldfrüchten gemessen. Die Station Har t-heim erhob Daten sogar über Wald. Allerdings handelt es sich dabei um einen Kiefernwald,

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ein Waldtyp, der sonst im Untersuchungsraum nur selten vertreten ist. Das Fehlen von Sta-tionen, die Energieumsätze über für das Untersuchungsgebiet typischen Waldgesellschaften(Tannen-Buchen-Mischwälder, Fichtenwälder) aufzeichneten, war eine Schwachstelle desREKLIP-Meßnetzes.

Da, wie sich zeigte, das Relief und die Landnutzung der näheren Stationsumgebung einenerheblichen Einfluß auf die Ausprägung der gemessenen Klimaparameter hat, wurden füreine 5 km-Umgebung der Stationen Blockbilder erstellt. In Abbildung 28 (Kapitel 4.1) sindzwei Bespiele dargestellt. Diese Blockbilder erwiesen sich als ein sehr wichtiges Hilfsmittelbei der Interpretation der Meßdaten.

Alle Stationen des REKLIP-Meßnetzes erfaßten standardmäßig die in Tabelle 2 aufgelistetenKlimaparameter. Zusätzlich hatten einige Stationen noch Sonderausstattungen wie bei-spielsweise ein zusätzliches Meßniveau oder zusätzliche Bodentemperaturfühler.

Tab. 2: An den REKLIP-Stationen standardmäßig gemessene klimatologische Parameter.

Klimatologischer Parameter Meßwertgeber

Lufttemperatur in 2 m PT 100

Lufttemperatur in 10 m PT 100

rel. Luftfeuchte in 2 m Psychrometer

rel. Luftfeuchte in 10 m Psychrometer

Windgeschwindigkeit in 2 m Schalenkreuz-Annemometer

Windgeschwindigkeit in 10 m Schalenkreuz-Annemometer

Windrichtung in 10 m Windfahne

Globalstrahlung CM7 oder CM15

Reflexstrahlung CM7 oder CM15

Emission unbelüftete Meßwertgeber nach Schenk oder belüftetenach Schulze

Gegenstrahlung unbelüftete Meßwertgeber nach Schenk oder belüftetenach Schulze

Bodenwärmestrom Bodenwärmestromplatten

Niederschlag Niederschlagswippen und Totalisatoren

Die in Tabelle 2 aufgeführten Parameter wurden an den deutschen und schweizerischen Sta-tionen alle 10 Sekunden an den jeweiligen Meßfühlern abgefragt und in einem Datenloggerals 10-Minuten-Mittelwerte abgelegt. Bei einigen Parametern (Windrichtung, Windge-schwindigkeit) wurde auch die Standardabweichung und die Varianz, sowie der Maximal-wert innerhalb des 10-Minuten-Intervalls gespeichert. Aus den 10 Minuten-Mittelwertenwurden Halbstunden-Mittelwerte gebildet, die dann der zentrale REKLP-Datenbank zuge-

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führt wurden. Diese Halbstunden-Mittelwerte der REKLIP-Stationen wurden im Rahmendieser Arbeit verwendet.

Abb. 5: Ansicht der REKLIP-Station Elzach.

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Leider konnten die Meßzyklen nicht mit dem Betreiber der französischen Stationen, derMeteo France, harmonisiert werden. So wurde an den französischen Stationen jeweils 10-Minuten vor jeder vollen Stunde die Meßgeräte abgelesen und dieser 10-Minutenwert alsrepräsentativ für die vergangene Stunde abgespeichert. Auf Grund eines Fehlers im Aus-wertungsprogramm wurde nachts die Strahlungsbilanz auf 0 gesetzt, so daß für die französi-schen Stationen nachts keine Werte der Strahlungsbilanz vorliegen.

Die Qualitätssicherung bei Daten, die in einer so hohen Genauigkeit vorliegen sollen, wie siefür die Berechnung der Energiebilanz notwendig ist, stellt an die Meßnetzbetreiber hoheAnforderungen. So mußten die Geräte häufig kalibriert werden. Um die Vergleichbarkeit derDaten zu gewährleisten, wurden Vergleichsmessungen mit einem mobilen Meßmast undRingversuche mit den Meßgeräten durchgeführt.

Die Endkontrolle der Daten, bei der versucht wurde, Fehlmessungen aufgrund von Um-welteinwirkungen oder sonstiger Fehlerquellen zu erkennen, erfolgte nach einheitlichenRichtlinien, die im Laufe des Projekts entwickelt wurden (ZIMMERMANN 1998). Trotzdemsind Fehlmessungen durch Umwelteinflüsse nicht vollständig auszuschließen. In Kapitel2.2.1, „Die Auswahl geeigneter Meßzeiträume“, wird auf diese Problematik noch ausführlicheingegangen. Eine REKLIP-Meßstation des IPG-Freiburg wird bei ERNST (1994) beschrie-ben. Zusätzlich ist eine ausführliche Dokumentation der Standorte und Meßgeräte aller RE-KLIP-Stationen im Anhang dieser Arbeit als HTML-Datei beigelegt.

Trotz der genannten Einschränkungen stellt die im Rahmen des REKLIP-Meßnetzes erhobe-ne Datenbasis zeitlich hochaufgelöster Daten eine sehr wertvolle Grundlage dar, mit der inZukunft noch viele Fragestellungen in der Geländeklimatologie bearbeitet werden können.

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2 Erstellung eines Datensatzes der nächtlichen Oberflächentemperatur

2.1 Modellierung der vom Satelliten gemessenen Strahlungstemperatur auf der Ba-sis von Relief und Landnutzung

Wie schon in Kapitel 1, „Einleitung und Problemstellung“, besprochen, ist die Erzeugungvon Flächendatensätzen meteorologischer Parameter eine der zentralen Themen in der Ge-ländeklimatologie. Zur Erstellung dieser Flächendatensätze wurden in der Vergangenheitverschiedene Methoden entwickelt, deren Vor- und Nachteile in Kapitel 1.1 dargelegt sind.Auf Grund der Defizite, die die bisher angewandten Methoden aufweisen, wurde im Rahmendieser Arbeit ein neuer Ansatz zur Regionalisierung von Oberflächentemperatur, Strahlungs-bilanz und Kaltluftproduktion entwickelt. Im folgenden wird dieser Ansatz im Detail vorge-stellt.

Die Grundidee dieses Ansatzes, dessen Prinzip auch für andere Klimaelemente anwendbarist, beruht auf dem von GOSSMANN ET AL. (1993) entwickelten Freiburger Regionalisierungs-Modell (FREIM). Unter der Regionalisierung von meteorologischen und klimatologischenDaten wird dabei im folgenden die Ableitung flächendeckender Wertefelder aus den an Ein-zelpunkten gewonnenen Meßreihen verstanden (GOSSMANN 1991). Von einer Interpolationim klassischen Sinne unterscheidet sich die Regionalisierung dadurch, daß die verwendetenModelle für einen Geländepunkt auch Ergebnisse weit über dem höchsten und weit unterdem niedrigsten Wert der benachbarten Meßstellen liefern können. Beispiele hierfür sind dieArbeiten zur Regionalisierung des Niederschlags, die bei der Erstellung des REKLIP-Klimaatlasses von PERRON & PERRON (1994) nach der Methode Aurelhy (BENICHOUT 1987)und von KLEIN (1994) mit dem Freiburger Regionalisierungsmodell FREIM durchgeführtwurden und die Arbeit von BANZHAF ET AL. (1993), der eine Karte der Wärmebelastung inMainfranken erstellte. Die dabei angewandten Methoden beruhen auf der Entwicklung einesstatistischen Schätzverfahrens für die Klimavariablen unter Verwendung der Meßwerte derKlimastationen und ihrer Beziehung zu den Geländeeigenschaften. Mit der dabei gewonne-nen Übertragungsfunktion werden Werte für die Punkte berechnet, an denen zwar die Ge-ländeparameter bekannt sind, aber keine Meßdaten der Klimavariablen vorliegen. Wichtig istdabei, daß nicht nur Geländeeigenschaften am Meßpunkt sondern auch die einer größerenUmgebung Einfluß auf die Meßwerte der Klimaelemente haben. Deshalb müssen bei denSchätzverfahren nicht nur die Höhenlagen, sondern auch die Geländeformen verschiedengroßer Umgebungen einbezogen werden. Wie unterschiedliche Geländeformen die Ausprä-gung von gemessenen Klimaelementen beeinflussen, wird in Kapitel 4.1 anhand von Bei-spielen aus dem REKLIP-Meßnetz dargelegt. Zentrale Bedeutung für die Güte der Modellie-rung hat die Wahl der Größe der relevanten Umgebung, die den Punktmeßwert beeinflußt.Diese Auswahl ist abhängig von den Prozessen, die zu der Ausprägung des Parameters füh-ren. Zum Beispiel sind bei der Regionalisierung von Niederschlag großräumige Luv- undLee-Effekte prägend. Deshalb hat sich bei den Arbeiten für die Niederschlagskarten im RE-KLIP-Klimaatlas (KLEIN 1994) eine Umgebungsgröße von 25 km x 25 km zur Reliefpara-

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metrisierung als optimal erwiesen. Für andere Klimaelemente, wie die Oberflächentempera-tur und die nächtliche Strahlungsbilanz, sind andere Prozesse und somit andere, sehr vielgeringere Umgebungsgrößen relevant. Der genaue Prozeß der Reliefparametrisierung wirdim Kapitel 2.1.4 eingehend beschrieben.

Die räumliche Verteilung der Oberflächentemperatur (Ts) im Untersuchungsgebiet für einenZeitpunkt kann aus den Strahlungstemperaturen (ET) einer Thermal-Fernerkundungsszeneabgeleitet werden. Dazu müssen nur die Emissionskoeffizienten der unterschiedlichen Land-oberflächen bekannt sein, und je nach gewünschter Genauigkeit entsprechende Atmosphä-renkorrekturen verwendet werden (BÄHR 1998).

Dieser so erzeugte Datensatz gibt die gesamte Variabilität der Oberflächentemperatur imRaum zum Zeitpunkt der Aufnahme wieder (z.B. MENZ 1987). Dabei ist das Muster derOberflächentemperatur in Strahlungsnächten charakteristisch für ein Gebiet, da die Ausprä-gung der Oberflächentemperatur von der geographischen Ausstattung des Raumes abhängigist. Dieses typische Muster ist bei ähnlichen meteorologischen Randbedingungen in weitemRahmen zeitlich invariant, solange sich die Landnutzung nicht ändert (NOACK ET AL. 1986).

Alle Messungen der nächtlichen Ausstrahlung, und damit auch der Strahlungstemperatur derLandoberflächen, weisen auf die angesprochenen wesentlichen Zusammenhänge zwischender geographischen Ausstattung des Raumes und dem Muster der nächtlichen Energieflüssehin (GOSSMANN 1987). Deshalb kann dem durch Fernerkundung gewonnenen Datenkollektivein Satz von Parametern der Geländeeigenschaften zugeordnet und gemeinsam mit diesendurch multivariate statistische Verfahren bearbeitet werden. Auf diese Weise kann eineSchätzgleichung abgeleitet werden, mit der die Werte der Thermalaufnahme aus den Gelän-deeigenschaften berechnet und die in der Thermalaufnahme erkennbaren räumlichen Musterder Oberflächentemperatur bzw. der langwelligen Ausstrahlung reproduziert werden können.Dieses synthetische Muster der Oberflächentemperatur kann dann an Stationsmessungen ge-koppelt werden. Dabei wird es je nach Ausprägung der Meßwerte transformiert, um für denentsprechenden Zeitpunkt einen Flächendatensatz der Oberflächentemperatur zu erhalten.Die Transformation geschieht mittels einer linearen Funktion, da bei diesem Funktionstypdie Ordnung des Musters nicht verändert wird, sondern nur die absolute Ausprägung dereinzelnen Werte und die Größe der Differenzen zwischen den einzelnen Punkten.

Aus diesem Ansatz ergeben sich folgende Arbeitsschritte für die Erzeugung von Flächenda-tensätzen der Oberflächentemperatur in Strahlungsnächten:

a) Erstellung eines Referenzdatensatzes der langwelligen Ausstrahlung, der die Grund-strukturen des räumlichen Musters der nächtlichen Strahlungstemperatur der Landobe r-flächen im gesamten REKLIP-Gebiet repräsentiert. Er wird aus einer Satelliten-Thermalaufnahme, die einen Teil des REKLIP-Gebietes abdeckt, unter Anwendung einesDigitalen Geländemodells und einer Landnutzungsklassifizierung abgeleitet.

22

b) Die Anpassung des Referenzdatensatzes an die Meßwerte der REKLIP-Energiebilanz-stationen mit Hilfe einer affin-linearen Abbildung. Hierbei wird der Referenzdatensatz Ts

(ref) durch Stauchung und Verschiebung so transformiert, daß er für den gewählten Zeit-punkt die an den REKLIP-Stationen gemessene Strahlungstemperatur Ts (mes) , bezie-hungsweise die zugeordnete langwellige Ausstrahlung ET mit einem möglichst kleinenRestfehler reproduziert. Dabei werden in der Gleichung

Ts (mes) = a * Ts (ref) + b (Glg. 1)

die Konstanten a und b mit einer linearen Regression bestimmt.

2.1.1 Die Landsat – Thermalszene 1986

In diesem Kapitel wird die Thermal-Fernerkundungsszene besprochen, die verwendet wurde,um die Reliefparametrisierung an die reale räumliche Verteilung der Oberflächenverteilunganzupassen. Es wird kurz auf die Verfahren eingegangen, mit denen die Szene vorbereitetwurde (Entstreifung, Entzerrung) und anschließend die Oberflächentemperaturverteilung indem von der Thermalaufnahme abgedeckten Teil des Untersuchungsgebiets diskutiert.

Für den Untersuchungsraum steht eine wolkenfreie nächtliche Thermalaufnahme des Land-sat-5-Thematic-Mapper zur Verfügung. Sie wurde am 26.11.1986 um 22 Uhr MEZ aufge-nommen. Die Vergleiche von nächtlichen Thermalaufnahmen anderer Meßsysteme zu ver-schiedenen Zeitpunkten, insbesondere auch die Auswertung zahlreicher NOAA-Aufnahmendes REKLIP-Gebietes, zeigen, daß das Muster der nächtlichen Ausstrahlung in den ver-schiedenen Strahlungsnächten sehr ähnlich ist und sich nur die Absolutwerte ändern(GOSSMANN 1984 und 1987).

Die Aufnahme hat im thermischen Kanal (Kanal 6) eine Auflösung von 120 m x 120 m. DasOrginalbild war durch regelmäßige Streifen gestört. Mittels einer Fourieranalyse wurden die-ses Streifenmuster entfernt (RICHARDS 1986). Dazu wurde das Bild in überlappende Blöckevon 128x128 Pixel zerlegt. Jeder Block wurde fouriertransformiert. Die regelmäßigen Strei-fenmuster sind als eigene Frequenz in jedem transformiertem Block an gleicher Stelle imFrequenzraum lokalisierbar. Da sich die Blöcke von ihrer Struktur her ansonsten unterschei-den, bleibt bei einer Mittelung aller Blöcke (Magnitudenwerte) als gemeinsame Frequenzgerade die Frequenz der Streifenmuster übrig. Aus dem gemittelten Bild läßt sich ein Filterkonstruieren, der genau diesen Frequenzbereich aus einem Bild herausfiltert. Dazu wurdenun das ganze Bild fouriertransformiert, im gesamten Frequenzraum die entsprechendenFrequenzen herausgefiltert und das Resultat wieder zurücktransformiert (siehe auch BÄHR

1998).

Die geometrische Entzerrung auf das UTM System erfolgte mit Hilfe der georeferenziertenLandnutzungklassifikation (vergl. Kap. 2.1.3). Die Auflösung dieser Landnutzungsklassifi-kation beträgt 30 m x 30 m. Bei der Entzerrung der Thermalaufnahme konnte ein mittlererFehler von weniger als einem Pixel (120m) erzielt werden.

23

Abbildung 6 zeigt die gefilterte und entzerrte Landsat-Thermalaufnahme. Die Strahlung-stemperaturen sind als Graustufen kodiert. Je heller der Grauwert desto höher ist die Stra h-lungstemperatur, dunklere Grauwerte repräsentieren niedrigere Stra hlungstemperaturen.

Auf der Aufnahme ist der Verlauf des Rheins mit seinem charakteristischen „Knie“ bei Ba-sel (D7) gut zu erkennen (D1-D7, D7-G7). Auch der Rhein-Rhône-Kanal (C5-D5) läßt sichgut ausmachen, ebenso die zahlreichen Baggerseen (z.B. E1-E3) und die Städte Basel (D7),Mulhouse (C5), Colmar (C2) und Freiburg (F3). Auffällig sind die hohen Strahlungswerteder Landebahn des Flughafens Bremgarten (D4). Bei den Mittelgebirgen Schwarzwald, Vo-gesen und Jura fallen die bewaldeten Höhenzüge als Bereiche hoher Strahlungstemperaturauf. Die höchsten Strahlungstemperaturen finden sich dabei im Schwarzwald an den Kup-pen, die den steilen Abfall nach Westen (E4-E5) begrenzen und in den Ost-Vogesen an denKuppen westlich des Steilabfalls nach Osten. Die Talsysteme, deren Gründe in der Regel alsWiese oder Weide genutzt werden (vergleiche Kapitel 1.2), weisen dagegen tiefe Strahlung-stemperaturen auf (zum Beispiel das Münstertal (E4), das Zartener Becken (F3), das Wie-sental (F4), die Täler des Juras (C8) oder der Vogesen (B2)). Niedrige Strahlungstemperatu-ren finden sich ebenfalls auf den kalten waldfreien Hochflächen an der Ostseite desSchwarzwaldes (H4-H5). Der flachere, weniger stark reliefierte Nordschwarzwald (E6-G6)hat gegenüber dem Hochschwarzwald niedrigere Strahlungstemperaturen.

Es lassen sich aber auch in der schwach reliefierten Oberrheinebene deutliche Unterschiedebei den Strahlungstemperaturen erkennen. So weisen die Auewälder nördlich von Basel (D6)deutlich höhere Temperaturen auf als die Acker- und Wiesenflächen westlich desRheins (D3). Insgesamt läßt sich in der Rheinebene, in der verschiedene Strahlungstempe-raturen dicht nebeneinander liegen, der Zusammenhang zwischen Landnutzung und Strah-lungstemperatur deutlich erkennen. Auffällig ist noch die Differenzierung der Strahlung-stemperaturen im Kaiserstuhl (D2-E2) mit den höheren Strahlungstemperaturen des bewal-deten Zentralkamms und den etwas niedrigeren Temperaturen der Riedellandschaft, in derRebanbau die vorherrschende Landnutzung darstellt.

24

1

2

3

4

5

6

7

8

A B C D E F G H J

12 km

12 k

m

N

Abb. 6: Landsat-TM-Nachtaufnahme des Südteils des REKLIP-Gebietes vom 26.11.1986,22:00 MEZ. Die Strahlungstemperaturen sind als Grauwerte dargestellt (dun-kel=niedrige Strahlungstemperatur, hell=hohe Strahlungstemperatur).

2.1.2 Der Einfluß des Reliefs am Meßort und seiner Umgebung auf die Oberflächen-temperatur

Das bearbeitete Thermalbild (Abb. 6) zeigt ein charakteristisches Muster der Oberflächen-temperatur, da dessen Ausprägung einen sehr engen Zusammenhang zwischen Geländeform,der Landnutzung und der nächtlichen Strahlungstemperatur erkennen läßt. In diesem Kapitelwird dargestellt, wie dieser Zusammenhang (vergleiche die Landnutzung und das Relief imUntersuchungsraum) durch eine Reliefanalyse unter Berücksichtigung der jeweiligen Land-nutzung beschrieben werden kann, um ein synthetisches Muster der Oberflächentemperatu-ren zu erhalten, das dann an Meßwerte gekoppelt werden kann, um die Oberflächentempe-ratur für die Strahlungsnacht zu modellieren.

25

Der Zusammenhang zwischen Geländeform und Ausprägung der Oberflächentemperaturwurde schon früh erkannt (z.B. GEIGER 1961) und in zahlreichen Arbeiten, die sich mit derFrage der Verteilung von Oberflächentemperaturen im Gelände auseinandersetzten (z.B.KNOCH 1961, BAUMGARTNER 1963, HESS 1984), untersucht und bestätigt. Es besteht also dieMöglichkeit, die Oberflächentemperatur an jedem Punkt durch eine Reliefparametrisierungunter Berücksichtigung der Landnutzung zu beschreiben. Die Parametrisierung beruht aufder Überlegung, daß die Oberflächentemperatur in der Nacht neben der Höhe ü.NN. durchdie Produktion nächtlicher Kaltluft und deren Abflußmöglichkeit erheblich beeinflußt wer-den. Die Disposition des Geländes für nächtliche Kaltluftzu- und -abflüsse muß also durchKenngrößen, die für jeden Punkt des Gebietes aus dem digitalen Geländemodell berechnetwerden können, beschrieben werden. Dabei sind verschiedene räumliche Maßstäbe derKaltluftabflüsse zu berücksichtigen. So ist sowohl die direkte Umgebung der Meßstation(Kuppenlage oder Mulde), als auch die Einbindung des Geländepunktes in einen größerenräumlichen Kontext von Bedeutung.

Umfangreiche statistische Analysen ergaben, daß die folgenden 6 Parameter, mit denen dieEignung des Geländes zum Kaltluftabfluß beschrieben werden, die beste Erklärung für dasMuster der im Thermalbild vorliegenden Oberflächentemperaturen bieten:

Reliefparameter R0: Absolute Höhe des Geländepunktes.

Reliefparameter R1: In einer Kreisumgebung mit Radius 3 Pixel (= 360 m) werden alle Pixelbetrachtet, deren absolute Höhe größer ist als die absolute Höhe des Pixels im Mittelpunkt.Die Summe der Höhendifferenzen dieser Pixel zum Mittelpunktpixel ergibt Reliefparame-ter 1 (Zuflußparameter für eine kleine Umgebung).

Reliefparameter R2: Wie R1, nur werden alle Pixel betrachtet, deren absolute Höhe niedrigerist, als die des Mittelpunktspixels (Abflußparameter für eine kleine Umgebung). R1 ist einMaß dafür, wieviel Luft aus der Umgebung zufließen, R2 dafür, wieviel Luft in die Umge-bung abfließen könnte.

Reliefparameter R3 und R4: Wie R1 und R2, nur für eine Ringumgebung mit dem inneren Ra-dius von 3 Pixel und dem äußeren Radius von 6 Pixel (= 720 m). Durch Kombination derReliefparameter R1 und R2 mit R3 und R4 können auch komplexe Reliefformen beschriebenwerden, wie etwa eine kleine Mulde, in der sich Kaltluft sammelt, die innerhalb eines größe-ren Tales liegt, in dem die Luft abfließen kann.

Reliefparameter R5: In einer Kreisumgebung mit Radius 25 Pixel (= 3 km) werden die Hö-hendifferenzen aller Pixel zum Mittelpunktpixel berechnet und die Absolutbeträge aufsum-miert. Durch R5 läßt sich die großräumige Umgebung eines Punktes beschreiben (Gesamtre-liefindex). Er unterscheidet z.B. zwischen Punkten in einer breiten Talsohle und Punkten inder Oberrheinebene, die durch die Parameter R1 bis R4 nicht differenziert werden.

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ReliefparameterR0) Absolute HöheR1) Zufluß-Parameter in 0.720 km UmgebungR2) Abfluß-Parameter in 0.720 km UmgebungR3) Zufluß-Parameter in 1.440 km Umgebung R4) Abfluß-Parameter in 1.440 km Umgebung R5) Gesamtrelief-Parameter in 6 km Umgebung

5 km

Abb. 7: Reliefparameter zur Beschreibung der Disposition des Geländes für Kaltluftabflußin der Umgebung eines Punktes als Werkzeug zur Schätzung von nächtlichenOberflächentemperaturen in reliefiertem Gelände.

In Abbildung 7 wird der Einfluß verschiedener Geländeformen auf den Abfluß von Kaltluftund somit auf die Ausprägung der Oberflächentemperatur verdeutlicht. An Punkt A, der eineHöhe ü.NN von 570 m aufweist, kann weder in der 0,720 km Umgebung noch in der1,440 km Umgebung Kaltluft von oberhalb gelegenen Hängen zugeführt werden, da sich derPunkt auf dem Gipfel des Berges befindet und in den genannten Umgebungen kein Punkthöher liegt. Die entsprechenden Parameter R1 und R2 weisen somit den Wert 0 auf. Es gibtaber sowohl in der 0,720 km Umgebung wie in der 1,440 km Umgebung tieferliegende Ge-ländepunkte, so daß ein Kaltluftabfluß möglich ist (Reliefparameter R2 und R4 sind ungleich0). Das gesamte Relief weist in der gesamten 6 km Umgebung große Höhenunterschiede auf,wie sich an dem hohen Wert für den Gesamtreliefparameter P5 ablesen läßt. Zusammenfas-send läßt sich sagen, daß an dem Punkt entstehende Kaltluft sehr gut abfließen und keineschon abgekühlte Luft von oberhalb zugeführt werden kann. Da die abfließende Kaltluftdurch die nachts wärmere Luft aus der freien Atmosphäre ersetzt wird, ist mit einer höherenOberflächen- und damit auch Strahlungstemperatur zu rechnen als beispielsweise amPunkt E in der Ebene (Vergleiche Abbildung 6). Am Punkt E kann die Luft nicht abfließen(Reliefparameter R2 und R4 sind null). Die Luft stagniert und wird im Laufe der Nacht we i-ter abgekühlt. Deshalb ist die Oberflächen- und Strahlungstemperatur an diesem Punkt nied-riger als am Punkt A.

27

Die anderen in Darstellung 7 hervorgehobenen Punkte nehmen eine Zwischenstellung zwi-schen den beiden extremen Gipfeln (Punkt A) und Ebene (Punkt E) ein.

Mit dieser Methode kann nun das gesamte digitale Geländemodell im Hinblick auf Kaltluft-zufluß und Kaltluftabfluß klassifiziert werden, wodurch wiederum eine Beschreibung derOberflächentemperatur möglich wird.

2.1.3 Der Einfluß der Landnutzung auf die Oberflächentemperatur

Das Muster der Strahlungstemperaturen im Nacht-Thermalbild wird neben der Reliefbe-schaffenheit an einem Punkt (vergl. Kapitel 2.1.2) auch maßgeblich von der Landnutzungbeeinflußt (GOSSMANN 1984 und 1987). Dieser Zusammenhang läßt sich auch sehr gut an-hand der Betrachtung der Thermalaufnahme des Untersuchungsgebietes belegen. ÜberbauteFlächen weisen nachts höhere Strahlungstemperaturen auf als Wiesen und Äcker ähnlicherTopographie (GERTH 1986 und 1987, KING 1973). Auch die Waldoberflächen haben nachtshöhere Strahlungstemperaturen. Auf den Zusammenhang zwischen Landnutzung und derAusprägung von Klimaelementen wird von vielen Autoren eingegangen (z.B. KESSLER

1983, FIEDLER 1987).

Daraus folgt, daß für die Erstellung des synthetischen Musters der Strahlungs temperatur ne-ben der Reliefanalyse die Landnutzung an jedem Punkt als ein weiterer Parameter berück-sichtigt werden muß.

Für das REKLIP-Untersuchungsgebiet stand eine georeferenzierte Landnutzungsklassifi-zierung, die vom MRC-Lab des Geographischen Instituts in Basel aus einer Landsat-TM-Aufnahme vom 07.07.1984 abgeleitet wurde (PARLOW ET AL. 1992, PARLOW 1994), zurVerfügung. Die Auflösung dieser Landnutzungsklassifikation beträgt 30 m x 30 m. Die ur-sprünglich mehr al 35 Landnutzungsklassen wurden für diese Arbeit im Hinblick auf ihrethermischen Eigenschaften zu 6 Klassen zusammengefaßt: Siedlung, Wasser, Wald, Grün-land, Ackerfläche und Sonderkulturen. Die Landnutzung wird in der Erstellung des synthet i-schen Musters der Strahlungstemperatur als qualitative Variable mit 6 Klassen behandelt.

28

2.1.4 Das synthetische Muster (Referenzdatensatz) der Oberflächentemperatur

Es ist das Ziel, das Muster der Strahlungstemperaturen durch eine Reliefanalyse unter Be-rücksichtigung der Landnutzung zu beschreiben (siehe Kapitel 2.1). Bei der praktischen Um-setzung dieses Konzeptes sind folgende Aspekte zu berücksichtigen:

1. Die beschriebene Methode setzt ein typisches Muster der nächtlichen Ausstrahlung vor-aus. Ein solches Muster würde am besten aus einer Mittelung verschiedener Thermalauf-nahmen gewonnen. Für den Untersuchungsraum steht zur Zeit in der erforderlichen Auf-lösung jedoch nur eine wolkenfreie nächtliche Thermalaufnahme des Landsat-5 zur Ver-fügung (26.11.1986, 22 Uhr MEZ). Jedoch zeigt der Vergleich von nächtlichen Ther-malaufnahmen anderer Meßsysteme zu verschiedenen Zeitpunkten, insbesondere auch dieAuswertung zahlreicher NOAA-Aufnahmen des REKLIP-Gebietes, daß das Muster dernächtlichen Ausstrahlung in verschiedenen Strahlungsnächten sehr ähnlich ist und sichnur die Absolutwerte ändern. Dieses Muster wird wesentlich durch das Relief und dieLandnutzung geprägt. In windschwachen Strahlungsnächten sind diese Geofaktoren diebeiden wesentlichen Steuergrößen (GOSSMANN 1984). Wenn in Zukunft hochauflösendeThermalaufnahmen für wolkenfreie Strahlungsnächte zu Verfügung stehen (etwa durchden japanischen Satelliten ASTER) kann das Modell an den neuen Daten validiert wer-den.

2. Die zur Verfügung stehende Thermalaufnahme des Landsat-5 deckt nur den südlichenTeil REKLIP-Gebietes ab. Um auch den nördlichen Teil darzustellen, muß extrapoliertwerden. Das hier dargestellte Verfahren, mit Hilfe eines statistischen Modells die Me ß-daten des Satelliten aus den Geofaktoren zu schätzen, löst gleichzeitig das Problem derExtrapolation. Es erzeugt den Referenzdatensatz der Oberflächentemperatur für das ge-samte REKLIP-Gebiet.

3. Die Landsat TM-Aufnahme vom 26.11.1986 ist zwar wolkenfrei, jedoch sind einige Stö-rungen, unter anderem einige kleine Bodennebelfelder, erkennbar. Da es sich hierbei nurum lokale Effekte handelt, werden diese durch das statistische Verfahren weitgehend un-terdrückt. Der Referenzdatensatz kann damit, auch in den Bereichen die durch die Ther-malaufnahme abgedeckt werden, die Beziehung zwischen Geländeeigenschaften undOberflächentemperatur besser erfassen als die Thermalaufnahme selbst. Diese auf den e r-sten Blick paradoxe Tatsache ist dadurch zu erklären, daß jede Reliefklasse mit der dazu-gehörigen Landnutzungsklasse, im folgenden CoForm-Klassen, von Englisch Cover(Landnutzung) und Form (Relief), genannt, häufig vertreten ist. Singularitäten, wie etwadie lokalen Bodennebelfelder, fallen somit statistisch nicht sehr ins Gewicht.

29

Zusammenfassend dargestellt wird für die Erzeugung des Tsref-Referenzbildes des REKLIP-Gebietes folgende Datengrundlage verwendet:

• Eine Landsat-TM-Thermalaufnahme vom 26.11.1986, 22.00 MEZ (Abbildung 6), Auflö-sung 120 m x 120 m, entstreift und entzerrt mit einem mittleren Fehler von unter einemPixel.

• Ein digitales Geländemodell des REKLIP-Gebietes. Seine horizontale Auflösung wurdefür diese Arbeit von 250 m x 250 m auf das Raster der Thermalaufnahme von120 m x 120 m interpoliert.

• Eine Karte der Landnutzung, die aus einer Landsat-TM-Aufnahme (07.07.1984, 10.32MEZ) abgeleitet wurde. Die Rasterweite beträgt 30 m. In der vorliegenden Untersuchungwurde die Auflösung zunächst auf 120 m x 120 m reduziert und die 42 Landnutzungs-klassen zu den 6 Klassen Wasser, Wald, Wiese, Acker, Siedlung und Sonderkulturen zu-sammengefaßt.

In einem nächsten Schritt muß nun die in dem Satellitenthermalbild vorliegende Oberflä-chentemperatur Ts als Funktion der Reliefparametern R0, R1, ..., R5, und der Landnutzungs-variablen LNK dargestellt werden:

Ts = f (R0, R1, ..., Rn, LNK) (Glg 2)

Abb. 8: Approximation einer Funktion f durch eine lineare Funktion g1 und eine Treppen-funktion (abschnittsweise konstant) g2.

Es wurden verschiedene Ansätze untersucht, diese Funktion zu approximieren. Die bestenErgebnisse ergaben sich bei dem Ansatz den gesuchten Zusammenhang durch eine ab-schnittsweise konstante Funktion anzunähern. Das Prinzip, in Abbildung 8 dargestellt, wirdzunächst auf den 6-dimensionalen Reliefmerkmalsraum (ohne Landnutzung) angewendet.

30

Mit Hilfe des ISODATA-Clusteralgorithmus, der von BALL & HALL 1965 beschrieben wur-de und von TOU & GONZALEZ 1974 auf die Bildsegmentierung angewandt wurde, wird die-ser in 250 Segmente zerlegt. Somit wird ein Datensatz mit 250 Reliefklassen erzeugt. DieAnzahl der Reliefklassen ergab sich aus dem Bedarf, eine möglichst differenzierte Gelände-parametrisierung zu erreichen, und der Notwendigkeit, für jede Klasse eine ausreichendeZahl von Strahlungstemperaturwerten zur Verfügung zu haben.

Um die Landnutzung einbeziehen zu können, wird jede dieser 250 Reliefklassen entspre-chend der Landnutzung in 6 Teilklassen untergliedert. Es ergeben sich also insgesamt6 x 250 = 1500 CoForm-Klassen, die sich jeweils durch das Relief (Form) und/oder dieLandnutzung (Cover) unterscheiden. Jeder Klasse wird als repräsentativer Tsref-Wert das je-weilige Ts-Klassenmittel berechnet. Die Funktion zur Approximation der Oberflächentempe-ratur ist somit durch die 1500 CoForm-Klassen mit den entsprechenden TSref-Werten(TSref(1,1),..., TSref(6,250) ) abschnittsweise konstant definiert. Das hieraus entstehende Wer-temuster zeigt zum Thermalbild eine Korrelation von r = 0.69 (B = 0.48).

Störend an dem so abgeleiteten Referenzmuster im Vergleich zum Satelliten-Thermalbildsind die an einigen Klassengrenzen auftretenden deutlichen Unstetigkeiten. Eine wesentlicheVerbesserung bringt der Einsatz des "Fuzzy-C-Mean"-Clusteralgorithmus (BEZDEK 1992)zur Clusterung der Reliefparameter. Der Algorithmus liefert nicht nur eine Segmentierungdes Merkmalraumes in verschiedene Klassen, sondern auch für jeden Punkt des Merkmal-raumes Zugehörigkeitswahrscheinlichkeiten (r1,..., r250) zu den einzelnen Klassen, die hierals Klassenanteile interpretiert werden. Jedem Punkt des DGM werden somit über seine Re-liefeigenschaften die Reliefklassenanteile zugeordnet, die als Gewichte in die Temperatur-schätzung eingehen.

Eine weitere Verbesserung erhält man durch Berücksichtigung der LNK in der 30 m x 30 mAuflösung. Hieraus ergeben sich für jedes Pixel in der 120 m x 120 m Aufösung die jeweili-gen Landnutzungsanteile k1,..., k6. Jedem Pixel des Untersuchungsraumes wird somit nichtder TSref-Wert einer CoForm-Klasse zugeordnet, sondern entsprechend seiner Reliefklassen-anteile und Landnutzungsanteile eine gewichtete Mittelung aus allen CoForm-Klassen. DieKorrelation konnte mit diesem Ansatz auf r = 0.74 (B = 0.54) verbessert werden.

Der gesamte Arbeitsablauf zur Erzeugung des synthetischen Thermalbildes und damit desReferenzmusters für die nächtliche Ausstrahlung ist in Abbildung 9 dargestellt.

Landsat TM, C6

LNK (30m x 30m)

DGM (120m x 120m)

Relief ParameterR0R1

R5

(120m x 120m)

ISODATA

CoForm Klassen TS

T (1,1)S

T (1,250)S

T (6,250)S

1,1

1,250

6, 250 T -Referenzmusters(120m x 120m)

250 Reliefklassen

1500 CoFormKlassen

LNK(120m x 120m)

(120 m x 120m)

(120m x 120m)

Ts

Landsat TM, C6

LNK (30m x 30m)

DGM (120m x 120m)

Relief ParameterR0

LNK-Anteile

Reliefklassen-anteile

R1 k2

k1

r2

R5 k6

r250

(120m x 120m)

FUZZY-C-MEAN

CoForm Klassen TS

T (1,1)S

T (1,250)S

T (6,250)S

1,1

1,250

6, 250

(120m x 120m)

r1

Ts(ref) k r T i jiji

j s= ∗ ∗==∑∑250

250

1

6( , )k r T i ji

jij s= ∗ ∗

==∑∑2501

( , )

T -Referenzmusters(120m x 120m)

250 Reliefklassen

1500 CoFormKlassen

LNK(120m x 120m)

(120 m x 120m)

(120m x 120m)

31

Abb.9: Schema der Erstellung eines Referenzmusters der nächtlichen Ausstrahlung. Die Clusterung der Reliefklass en mit dem Fuzzy-C-Mean Ansatz(rechts) verbessert gegenüber der Clusterung mit dem ISODATA Algorithmus (links) die Anpassung des Referenzmuste rs an die Satelliten-Thermalszene.

32

2.2 Koppelung des synthetischen Musters der nächtlichen Ausstrahlung an Meß-werte der REKLIP-Stationen

2.2.1 Auswahl geeigneter Meßzeiträume

Die an den REKLIP-Meßstationen erhobenen Daten bilden eine wichtige Grundlage dieserArbeit, da das synthetische Muster der Oberflächentemperatur (Kap. 2.1.4) an sie gekoppeltwird, um eine räumliche Verteilung des Parameters zu modellieren. Dieser Modellansatzeignet sich nur für wolkenfreie nächtliche Situationen (im folgenden Strahlungsnächte ge-nannt), in denen die Ausprägung des betrachteten Parameters vor allem von der naturräumli-chen Ausstattung des Untersuchungsgebietes abhängt.

In diesem Kapitel wird beschrieben nach welchen Kriterien die entsprechenden Zeiträumeausgewählt wurden, es wird auf die technischen Probleme bei der Meßwerterfassung einge-gangen und die Qualität der im REKLIP-Meßnetz erhobenen Daten kritisch diskutiert. ImRahmen dieser Arbeit wurde eine Methode entwickelt, um große Datenmengen übersichtlichdarzustellen. Sie wird in diesem Kapitel ebenfalls präsentiert.

Die Entscheidung, ob es sich um Strahlungsnächte handelt, wurde anhand der Meßdaten derREKLIP-Stationen getroffen. Wenn die Globalstrahlung und die Gegenstrahlung an zweiaufeinanderfolgenden Tagen einen gleichmäßigen Verlauf aufweist und tagsüber in etwa dieBeträge erreicht werden, die für die jeweilige Jahres- und Tageszeit zu erwarten sind, kanndavon ausgegangen werden, daß während der Periode keine Bewölkung aufgetreten ist. Diekonkrete Auswahl der Zeiträume erfolgte durch eine Sichtkontrolle der in Liniendiagrammenaufgetragenen Meßdaten. Dazu ist anzumerken, daß das geschulte Auge einer erfahrenenBearbeiterin oder eines erfahrenen Bearbeiters sehr differenziert die zeitlichen Verläufe dereinzelnen Parameter beurteilen kann. Versuche, die Auswahl geeigneter Zeiträume durchComputerprogramme mit entsprechenden Algorithmen treffen zu lassen, scheiterten. Kurz-zeitig auftretende Störungen, etwa durch eine einzelne Wolke, waren für einfachere Algo-rithmen, bei denen ein stetiges Ansteigen der Werte bis Mittag und ein stetiges Fallen derWerte nach dem Erreichen des Scheitelpunktes das Kriterium für einen Strahlungstag war,ausreichend, den Zeitraum nicht als Strahlungsperiode zu kennzeichnen, obwohl diese ein-zelne Wolke die Gesamtsituation nicht wesentlich beeinflußte. Die Implementierung zusätz-licher Kriterien, die solche leichten Abweichungen berücksichtigen sollten, etwa durch dieBerechnung von gleitenden Mitteln, oder das Ignorieren von abweichenden Einzelmeßwer-ten führte rasch zu aufwendigen Programmen, die dann wiederum Zeiträume mit mehr Be-deckung als gültig annahmen. Das menschliche Auge, im Laufe der Evolution auf das Er-kennen von Mustern optimiert, ist offenbar besser in der Lage, komplexe Verläufe in demZusammenspiel zu erfassen und zu bewerten (FREMEREY 1999).

Trotzdem ist eine kurzzeitige Beeinflussung der Meßwerte an einzelnen Stationen durchQuellwolken, wie sie an warmen Tagen mit hoher Einstrahlung, besonders über den Gipfelnder Mittelgebirge auftreten, nicht völlig auszuschließen.

33

Die während der Nachtstunden erhobenen Meßdaten weisen einige Besonderheiten auf, diefür diese Arbeit von Bedeutung sind. Nachts sind gegenüber den Tagessituationen die Beträ-ge der Strahlungsbilanz und der anderen vertikalen Energieflüsse an den Landoberflächendeutlich niedriger, da die kurzwelligen Strahlungsflüsse fehlen. Bei wolkenfreien Wettersi-tuationen, die in dieser Arbeit besonders interessieren, sind die Beträge noch niedriger, dadie Gegenstrahlung deutlich vermindert ist (STULL 1988). In Abbildung 10 sind zur Veran-schaulichung die Strahlungsflüsse eines Sommerstrahlungstags an der in der Rheinebenegelegenen Station Ettenheim dargestellt.

Abb. 10: Verlauf der Komponenten der Strahlungsbilanz an einem wolkenfreien Sommertag(08.08.1992) an der im Oberrheintiefland gelegenen REKLIP-Station Ettenheim.Dabei ist Q0 die Strahlungsbilanz, EG die Globalstrahlung, ER die Reflexstrahlung ,EA die atmosphärische Gegenstrahlung, ET die langwellige Ausstrahlung (alle An-gaben in W m-2).

Das bedeutet, daß zur Erfassung einer klimatischen Differenzierung die vertikalen Ener-gieflüsse in der Nacht mit höherer Genauigkeit gemessen werden müßten.

Dabei ist die Erfassung der Energieflüsse, besonders in der Nacht, mit einigen meßtechni-schen Problemen behaftet. In Tabelle 3 sind diese Möglichkeiten der Fehlmessungen genau-er spezifiziert. Bei der Auswertung der nächtlichen Energieflüsse muß den Problemen beider Meßwertaufnahme besonderes Augenmerk gewidmet werden, um Fehlinterpretationendie auf fehlerhaften Meßwerten beruhen, zu vermeiden. Dieses Problem der Fehlmessungenwird an automatischen Meßstationen oft unterschätzt, da Fehlmessungen mit der gleichenGenauigkeit in den elektronischen Datenaufzeichnungsgeräten gespeichert werden wie diekorrekten Meßwerte. Während bei den „klassischen“ analogen Meßinstrumenten störendeEinflüsse (Vereisung, Verschmutzung, etc.) sofort bei der Ablesung bemerkt werden, sind

34

sie bei einer automatischen Meßwertaufzeichnung, die oft erst Tage später ausgewertet wird,zunächst nicht ohne weiteres zu erkennen. Die Auswertung von automatisch erhobenen Da-ten erfordert deshalb eine hohe Sorgfalt und erhebliche Erfahrung, damit es nicht zu dem beider Arbeit mit elektronischer Daten bekannten Phänomen kommt, das im englischenSprachraum mit „Garbage in, Gospel out“ bezeichnet wird. Deshalb kamen neben den Sicht-kontrollen auch im Rahmen von REKLIP entwickelte Prüfroutinen zum Einsatz, mit denendie Meßdaten auf Plausibilität untersucht wurden (ZIMMERMAN 1998). Abbildung 11 zeigtden Arbeitsablauf bei der Kontrolle der Meßdaten.

Rohdaten der Meßgeräte an den Meßstationen

(Spannungen, Impulse, oder Widerstände)

Skalierung der Daten (umrechnen auf

meteorologische Größen)

Grobe Sichtkontrolle (auf Geräteausfall)

Sorgfältige Sichtkontrolle des

zeitlichen Verlaufs des Parameters

Darstellung der Parameter in Liniendiagrammen

Vorhaltung der Daten in einer Datenbank

(INGRES )

Prüfroutinen in SQL: Wiederholung

Grenzwerte Intervalle

Abb. 11: Schema der Verarbeitung und Kontrolle der REKLIP-Meßdaten.

Folgende Tests wurden von den Prüfroutinen durchgeführt:

• Kontrolle der Zeit (Ausschließen von Doppelmessungen).

• Kontrolle der Wiederholungen. Es ist sehr unwahrscheinlich, daß aufeinanderfolgendeMeßwerte, die bis auf 3 Stellen hinter dem Komma abgespeichtert werden, exakt denselben Wert aufweisen.

• Kontrolle der Überschreitung oder Unterschreitung von Grenzwerten. Dabei wurde fürjeden einzelnen Parameter plausible Grenzwerte aufgestellt (z.B. kurzwellige Strahlungin der Nacht <= 0 Wm-², Lufttemperatur im Januar > 25 oC).

35

• Kontrolle der Änderungen des Meßwertes zwischen zwei Meßzeitpunkten. Für jedenParameter werden plausible Intervalle definiert, in deren Grenzen sich aufeinanderfol-gende Meßwerte unterscheiden dürfen. Sind die Differenzen größer, wird der Meßwertals unplausibel gekennzeichnet.

Kontrolle der Differenzen der Meßwerte in unterschiedlichen Niveaus. Für jeden Parameterwurden Intervalle definiert, zwischen denen die Meßwerte unterschiedlicher Höheniveaus aneiner Station liegen dürfen (z.B. Lufttemperaturdifferenz zwischen 2 m und 10 m nicht mehrals 8 K).

Die von den Prüfroutinen als unplausibel gekennzeichneten Meßdaten wurden nochmalseiner genauen Sichtkontrolle unter Einbeziehung aller gemessenen Parameter der betreffen-den Station unterzogen und dann je nach Plausibilität auf Fehlwert gesetzt oder in der Da-tenbank beibehalten. Allerdings kann, trotz aller Sorgfalt, nicht ausgeschlossen werden, daßFehlmessungen übersehen wurden. So bleibt ein gewisses Restrisiko einzelner Fehlinterpre-tationen aufgrund von fehlerhaften Ausgangsdaten bestehen.

Einige der aufgeführten Probleme bei der Meßwertaufnahme, wie etwa die Vereisung derMeßfühler, treten vor allem im Winter oder in den Übergangsjahreszeiten auf. Im Sommerstellen andere Umwelteinflüsse, die zu Fehlmessungen führen können ein Problem dar, wiez.B. Staub, Insekten oder Vogelkot. In der vorliegenden Arbeit, die sich auf wolkenfreieStrahlungsnächte beschränkt, ergeben sich die größten Einschränkungen durch auftretendenTaufall, der zu Fehlmessungen bei den Strahlungsbilanzmeßwertgebern führt.

Der Tau schlägt sich auf den nach oben gerichteten Meßfühler der unbelüfteten Strahlungs-bilanzmesser nach Schenk, mit denen ein Großteil der REKLIP-Meßstationen bestückt war,nieder. Bei extremen Witterungsbedingungen kann es selbst bei belüfteten Strahlungsbi-lanzmessern zu Taubildung kommen. Tau auf der Schutzhaube erhöht den Meßwert der Ge-genstrahlung und hat somit dieselbe Wirkung wie eine geschlossene Wolkendecke. Aus die-sem Grund werden nach Einsetzen des Taufalls die Werte der Strahlungsbilanz verfälscht.Bei beginnendem Taufall auf die obere Kunststoffhaube des Strahlungsbilanzmessers wer-den niedere Beträge für die Strahlungsbilanz gemessen, solange die nach unten gerichteteKunstoffhaube noch taufrei ist.

In Abbildung 12 ist an einem Beispiel dargestellt wie sich die Meßwerte für die Strahlungs-bilanz unter Einfluß von Taufall verändern. Sie zeigt den Verlauf der Strahlungsbilanz an derMeßstation Ettenheim für die Zeit vom 08.03.1993 12:00 MEZ bis zum 10.03.199312:00 MEZ, wie er mit einem unbelüfteten Strahlungsbilanzmesser nach Schenk gemessenwurde. In der ersten Nacht (08.03.1993-09.03.1993) wurde der Taupunkt nicht unterschrit-ten. Die Strahlungsbilanz ist die gesamte Nacht über stark negativ, mit Werten zwischen-70 W m-2 zu Beginn der Nacht und -50 W m-2 kurz vor Sonnenaufgang. In der zweitenNacht (09.03.1993-10.03.1993) wird gegen 24 Uhr der Taupunkt unterschritten. Tau schlägtsich auf der Kunststoffhaube des oberen Halbraumes des Schenk Meßwertgebers nieder. Eskommt zu einer sprunghaften Erhöhung der Meßwerte (Pfeil). Das Gerät liefert für die

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Strahlungsbilanz nur noch Werte um -5 W m-2 (Abb. 12 b), obwohl die Strahlungsbilanztatsächlich weiterhin bei etwa -50 W m-2 liegen dürfte.

Tab 3: Meßtechnische Probleme der an den REKLIP-Stationen eingesetzten Geräte zurBestimmung der nächtlichen Strahlungsbilanz und weiterer vertikaler Energieflüs-se.

Betrachteter Parameterund Meßverfahren

Systematische Fehler Andere Fehlerquellen

Windgeschwindigkeit(Messung mit Anemometer)

• Trägheit der Scha-lenkreuze

• Reibung der Lager

• Festfrieren im Winter

• Veränderung des aerody-namischen Profils derSchalenkreuze durch An-lagerung von Schnee, Reifoder Eis im Winter

Lufttemperatur(Messung mit PT100 in be-lüftetem Strahlungs-schutzgehäuse)

• Einstellzeit derFühler

• Vereisung im Winter

• Eindringen von Insektenin das Strahlungs-schutzgehäuse

Dampfdruck, Luftfeuchte(Berechnung aus Psychro-metermessungen)

• Einstellzeit derFühler

• Einfrieren des Wassers imWinter

• Verschmutzung desStrumpfes

• Eindringen von Insektenin das Strahlungs-schutzgehäuse

Strahlungsbilanz(Messung mit Meßwertgebernnach Schenk (unbelüftet) odernach Schulze (belüftet))

• Verfälschung derMessungen bei tief-stehender Sonne

• Taufall auf den unbelüf-teten Geräten bei Unter-schreiten der Taupunkt-temperatur

• Schnee, Eis oder Reif aufdem Meßgerät im Winter

• Verschmutzung durchVogelkot

Bodenwärmestrom(Messung mit Bodenwärme-stromplatten)

• Inhomogenitätender Wärmeleitfä-higkeit des Bodens

• Veränderung des Boden-gefüges durch wühlendeInsekten, Wirbeltiere oderWurzeln

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08.03.93 09.03.93 10.03.93 09.03.93 10.03.93

b)a)Q

0(W

m)

-2

Q0

(W m

)-2

400

300

200

100

0

-100

12:00 24:00 12:00 24:00 16:00 20:00 24:00 04:00 08:00

t t(MEZ) (MEZ)

40

20

0

-20

-40

-60

Abb. 12: a) Strahlungsbilanz an der Meßstation Ettenheim vom 08.03.1993 12:00 Uhr biszum 10.03.1993 12:00 Uhr MEZ, gemessen mit einem unbelüfteten Meßwertgebernach Schenk. Deutlich zu erkennen ist das Ansteigen der Strahlungsbilanz, nach-dem die Gehäusetemperatur die Taupunktstemperatur unterschritt und sich Tau aufder Lupolenhaube des oberen Halbraums des Meßgerätes niederschlug (Pfeil).b) Vergrößerter Ausschnitt der Kurve für die Zeit vom 09.03.1993 16:00 Uhr biszum 10.03.1993 8:00 Uhr MEZ.

Für die Berechnung der nächtlichen Energiebilanz dürfen deshalb nur die Zeiträume heran-gezogen werden, in denen Fehlmessungen auf Grund von Taufall weitgehend ausgeschlos-sen werden können. Als Indikator für eine Taufreiheit wird die Gehäusetemperatur desStrahlungsbilanzmeßgerätes verwendet. Liegt sie über dem Taupunkt, sind Fehlmessungenauf Grund von Taufall unwahrscheinlich. Die für diese Entscheidung erforderliche Gehäu-setemperatur des Strahlungsbilanzgebers wurde an allen Stationen registriert. Der Zeitpunktdes Unterschreitens der Taupunkttemperatur kann somit festgestellt werden. Dabei ist zuberücksichtigen, daß die Kunststoffhauben sich nachts etwas schneller abkühlen als das Ge-häuse des Meßwertgebers. Deshalb wurde noch ein Sicherheitszuschlag von 0.25 K auf dieTaupunkttemperatur des Gehäuses zugegeben. Wenn die Gehäusetemperatur die Taupunkt-temperatur plus Sicherheitszuschlag unterschritten hat, werden die gemessenen Strahlungs-bilanzwerte verworfen. Gerade in bewölkungsarmen Nächten mit geringer atmosphärischerGegenstrahlung, die für die Fragestellung dieser Arbeit interessant sind, kommt es häufig zurTaubildung auf den Meßgeräten. Das hat zur Folge, daß die verwendbaren Zeiträume starkeinschränkt sind.

Die Meßgenauigkeit der Strahlungsbilanzmesser nach Schenk, mit denen die meisten RE-KLIP-Meßstationen bestückt waren, schätzt FEIGENWINTER (1994) nach eingehenden Unter-suchungen bei den im Meßnetz gegebenen Betriebsbedingungen auf +/- 20 Wm-2. Dieserrecht hohe Meßfehler ist vor allem auf die nicht lineare Berücksichtigung von kurzwelligerStrahlung bei Geräten dieses Typs zurückzuführen. Deshalb dürften in Nachtstunden, in de-nen keine kurzwellige Strahlung auftritt, die zu einer systematischen Abweichungen der

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Meßwerte der Strahlungsbilanzgeber dieses Typs führt (VOGT ET AL. 1995), die Abweichun-gen deutlich geringer sein.

Das Erkennen der Ausprägung des Meßwertes in seinem zeitlichen Verlauf ist ein wichtigesZiel von Messungen. Ein großes Problem zeitlich hochaufgelöster Daten ist es, den Verlaufdes Parameters sowohl in der Abhängigkeit von der Tageszeit als auch im Jahresverlauf zuerfassen, da die zu betrachtenden Datenmengen erheblich sind. Im Rahmen dieser Arbeitwurde eine Methode der übersichtliche Darstellung von Meßwerten verwendet und weiter-entwickelt, die im folgenden etwas ausführlicher beschrieben wird.

Bei der Verwendung von 30-Minuten-Mittelwerten fallen im Laufe eines Jahres17520 Werte an, die zu visualisieren sind. Herkömmliche Linien- oder Balkendiagrammekönnen dafür nicht verwendet werden, da die Darstellung für den Gesamtzeitraum zu un-übersichtlich würde. Mit einer Datenreduktion, etwa durch die Verwendung von Mittelwer-ten, wie sie aus Gründen der besseren Darstellbarkeit oft verwendet wird, geht allerdings einInformationsverlust einher. Gerade singuläre Ereignisse, die von Bedeutung sein können,werden dabei unterdrückt. Deshalb wurde ein Verfahren zur Darstellung der Meßdaten ver-wendet, das an die klassische Isoplethendarstellung anknüpft (TROLL 1964). Der Datensatzeines Jahres wird als zweidimensionales Feld über einer Tageszeit- (Ordinate) und einer Jah-reszeitachse (Abszisse) dargestellt. Die Ausprägung des Meßwerts am jeweiligen Zeitpunktwird durch eine Farbe oder einen Grauwert kodiert. Mit diesen Grauwert- bzw. Farbraster-bildern kann der komplette Datensatz übersichtlich dargestellt werden. Die Effekte von Ta-geszeit, Jahreszeit oder Wetterlage auf die betrachteten Parameter sind klar erkennbar. Beientsprechender Vergrößerung sind selbst einzelne 30-Minuten Meßwerte erkennbar. So istdieses Verfahren hervorragend zur Sichtung, Kontrolle und Auswertung von Meßdaten einerhohen zeitlichen Auflösung geeignet. Die gleichzeitige Darstellung von unterschiedlichenParametern in einzelnen Isoplethendiagrammen untereinander verdeutlicht das Ineinander-greifen der betrachteten Klimaelemente für jede Wettersituation innerhalb des betrachtetenZeitraums. THAMM (1997) stellt dieses Verfahren ausführlicher dar. In Abbildung 13 ist alsBeispiel die Lufttemperatur in 2 m Höhe, Windrichtung in 10 m Höhe und die Windge-schwindigkeit in 10 m Höhe für das Jahr 1993 an der Station Ebnet dargestellt. Das tagespe-riodische Windsystem mit westlichen Winden am Tag und nächtlichen Ostwinden ist deut-lich zu erkennen. Ebenso der Zusammenhang zwischen Windrichtung und Windgeschwin-digkeit. Tagsüber herrschen in der Regel höhere Windgeschwindigkeiten. Ebenso läßt sichder Einfluß der Tageslänge auf das Berg- Talwindsystem beobachten. Auffällig sind nochdie Bereiche mit hohen Windgeschwindigkeiten aus westlichen Richtungen am Ende desJahres. Während diesen Herbststürmen bildet sich kein tagesperiodisches Windsystem aus.

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Abb. 13: Darstellung der an der Station Ebnet im Jahr 1993 erhoben 10-Minuten Mittelwertevon a) Temperatur in 2 m Höhe, b) Windrichtung in 10 m Höhe,c) Windgeschwindigkeit in 10 m Höhe als Isoplethendiagramme. Auf der Abszissesind Tage im Jahr aufgetragen, auf der Ordinate die Zeit am Tag. Die Ausprägungdes Meßwerte ist als Grauwert kodiert.

Aber nicht nur der gesamte Datensatz ist so darstellbar. Durch eine geeignete Maskierungkönnen Daten, die bestimmte Merkmale aufweisen, z.B. Überschreitung oder Unterschrei-tung eines vorgegebenen Grenzwertes, ausgeblendet werden. Ebenso können Sonnenauf-und Sonnenuntergangszeiten, Wetterphasen u.a. den Werten überlagert werden.

In Abbildung 14 sind die Strahlungsbilanzen an den REKLIP-Stationen des IPG für das Jahr1993 als Isoplethendiagramme dargestellt. Auf der Abszisse sind die Tage im Jahr darge-stellt, auf der Ordinate die Zeit am Tag.

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Abb. 14: Nächtliche Strahlungsbilanzen an den REKLIP-Stationen des IPGs, dargestellt alsIsoplethendiagramme. Auf der Abszisse sind die Tage im Jahr aufgetragen, auf derOrdinate die Stunden am Tag. Die Einteilung der Ordinate wurde so gewählt, daßdie Nachtstunden in der Darstellung nicht unterbrochen sind. Die Tagzeiträumeund die Zeiträume, an denen die Gehäusetemperatur des Strahlungsbilanzmeßge-räts den Taupunkt unterschritt, wurden ausmaskiert.

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Die Tagstunden und die Zeiträume, an denen die Gehäusetemperatur des Strahlungsmeßge-rätes den Taupunkt unterschreitet, sind ausmaskiert. Damit die Nachtstunden an einem Stückdargestellt werden können, wurde die Zeiteinteilung auf der Ordinate so gewählt, daß einedargestellte Spalte von 12:00 Mittags bis 12:00 des Folgetages reicht. So läßt sich der zeitli-che Verlauf der Strahlungsbilanz in der Nacht besser verfolgen.

Mit der gleichen Methode lassen sich Binärbilder erzeugen, die nur anzeigen, ob für dieMeßstationen gültige Meßdaten vorhanden sind oder nicht. Diese binären Bilder können nunmiteinander verschnitten werden (wie bei einer klassischen Bildverarbeitung) und man erhältals Ergebnis ein Bild, das anzeigt, für welche Zeiträume Daten aller Stationen vorhandensind.

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2.2.2 Anpassung des synthetischen Musters der Oberflächentemperatur an die Ge-ländemessungen

Aus dem synthetischen Referenzmuster der Oberflächentemperatur, dessen Ableitung inKapitel 2.1.4 beschrieben wurde, läßt sich durch Koppelung an Meßdaten von Stationen fürjeden beliebigen Zeitpunkt oder für längere Zeitspannen (z.B. einige Stunden) einer Strah-lungsnacht eine Karte der Oberflächentemperatur erstellen (siehe Kapitel 1.1). Dies wird nunfür mehrere Strahlungsnächte durchgeführt (Tab 4). An jeder Station wird das Mittel derMeßwerte für die Zeitspanne 00:00 Uhr bis 04:30 Uhr gebildet und als Ankerwert herange-zogen. Der Referenzdatensatz wird entsprechend der Gleichung 1 so transformiert, daß er anden Stationen diese Ankerwerte möglichst genau annimmt. Die Koeffizienten werden überein lineares Regressionsmodell mit der Methode der kleinsten Quadrate ermittelt.

Die Korrelationskoeffizienten zwischen den Werten des Referenzdatensatzes und den Meß-werten der Stationen liegen für die einzelnen Tage zwischen 0.66 und 0.74. Dabei ist es nichtüberraschend, daß die Korrelationskoeffizienten nicht näher bei 1 liegen, da einerseits nochweitere, nicht durch die verwendeten Parameter beschriebene und damit im Modell nichterfaßte strahlungstemperaturrelevante Prozesse existieren, und andererseits im Thermalbildund im Referenzdatensatz mit einer Rasterweite von 120 m jeder Wert eine größere Flächerepräsentiert, als die Messungen an den Stationen. Lokale Besonderheiten unterhalb der120 m Auflösung, die Einfluß auf die Meßwerte der Stationen haben, werden also nicht be-rücksichtigt. Außerdem ist nochmals auf die Möglichkeit von Fehlmessungen an einzelnenStationen hinzuweisen (siehe Kapitel 2.2.1).

Tab.4: Das Mittel der Oberflächentemperaturen an den REKLIP-Stationen, die Regressi-onskoeffizienten und die Korrelation zwischen den Temperaturen des Referenz-datensatzes und den Meßwerten an den REKLIP-Stationen für die betrachtetenStrahlungsnächte.

Datum Zeit Ts (Mittel)(°C)

a b R

30.06.93 00:00 - 04:30 9.1 0.00038 0.05137 0.66

21.08.93 00:00 - 04:30 12.0 0.00074 0.05362 0.70

20.08.93 00:00 - 04:30 10.6 0.00035 0.05279 0.71

08.08.92 00:00 - 04:30 18.1 0.00057 0.05855 0.74

Die genannten Korrelationskoeffizienten ergeben sich, wenn die Daten aller verfügbarenStationen einbezogen werden. Wenn man Stationen mit auffälligen lokalen Besonderheitenund Stationen, deren Meßwerte problematisch erscheinen, herausnimmt, läßt sich eine deut-liche Verbesserung der Korrelationskoeffizienten erreichen.

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Das Temperaturverhalten von größeren Wasserkörpern mit einer sehr geringen Tagesampli-tude (WEISCHET, 1988) und einer großen Trägheit im jahreszeitlichen und wetterabhängigenTemperaturgang wird durch den verwendeten Ansatz nicht erfaßt. Deshalb werden in dieserArbeit Wasserflächen (Flüsse, Seen, etc.) nicht berücksichtigt und in den Ergebniskarten derjeweiligen Parameter ausmaskiert.

2.2.3 Verteilung der Oberflächentemperatur in der Nacht vom 08.08.1992

Als ein Beispiel für einen mit der beschriebenen Methode erzeugten Datensatz der Oberflä-chentemperatur ist die Verteilung der Oberflächentemperaturen im REKLIP-Gebiet für dieZeitspanne von 00:00 MEZ bis 04:30 MEZ am 08.08.1992 in Abbildung. 15 dargestellt. In-teressant ist der Vergleich mit der Thermal-Fernerkundungsszene (Kapitel 2.1.1, Abb. 6).Schon auf den ersten Blick fällt die große Ähnlichkeit des Musters der Oberflächentempe-raturverteilung in der Satellitenszene und der synthetischen Karte auf. Sämtliche Strukturendes Satellitenthermalbildes werden von der synthetischen Karte wiedergegeben. Nicht nurdie unterschiedliche Oberflächentemperaturniveaus der großen Landschaftseinheiten wie derOberrheinebene, der Vorbergzone, des Schwarzwaldes und der Gäulandschaften östlich da-von werden wiedergegeben, sondern auch vielfältige Detailstrukturen, die durch das Reliefund die Landnutzung bestimmt sind, lassen sich auf der synthetischen Karte erkennen.

So weisen die nach Westen steil abfallenden waldbestandenen Berge des Schwarzwalds einehohe Oberflächentemperatur auf. Dasselbe gilt für die Ostvogesen und die Höhenzüge desJura. Auf der Baar finden sich die niedrigsten Oberflächentemperaturen. Auch das gegen-über dem stark relieferten Hochschwarzwald niedrigere Oberflächentemperaturniveau desflacher reliefierten Hotzenwald und der Emmendinger Vorbergzone ist zu erkennen. Ebensoweisen die tief eingeschnittenen Talsohlen von Schwarzwald, Vogesen und Jura deutlichniedrigere Oberflächentemperaturen auf, als die sie begrenzenden Höhenzüge.

In der Oberrheinebene läßt sich eine Differenzierung der Oberflächentemperaturen erkennen,die sich in erster Linie auf die unterschiedlichen Landnutzungen zurückführen läßt.

Auffallend sind die unterschiedlichen Oberflächentemperaturen im Kaiserstuhl mit denwarmen Kuppen, den demgegenüber schon etwas kälteren Hangzonen und den deutlichkühleren Talregionen.

44

Abb. 15: Karte der Oberflächentemperatur am 08.08.1992 00:00 MEZ bis 04:30 MEZ.

45

Die Gebiete mit hoher Oberflächenversiegelung, z.B. die Städte Basel, Mulhouse, Freiburg,Straßburg und Karlsruhe, weisen eine markant höhere Oberflächentemperatur als das unbe-baute Umland auf. Ebenfalls sehr gut wird die hohe Oberflächentemperatur der Landebahndes ehemaligen Militärflugplatzes Bremgarten wiedergegeben (vergl. Abb. 6).

Besonders hingewiesen werden sollte an dieser Stelle auf die Tatsache, daß die Thermal-Satellitenszene, an der die Reliefparametrisierung kalibriert wurde (Kapitel 2.1), nur densüdlichen Teil des Untersuchungsraumes abdeckt. Die Verteilung der Oberflächentemperaturdes gesamten nördlichen Teils wurde mit der beschriebenen Methode extrapoliert. Selbst beieiner genauen Betrachtung der modellierten Karte der Oberflächentemperatur lassen sichkeine scharfen Übergänge zwischen dem Gebiet, das durch die Fernerkundungsszene abge-deckt wurde, und dem extrapolierten Gebiet erkennen. Auch sonstige Artefakte finden sichselbst bei eingehender Prüfung nicht.

Die Methode ist also sehr gut für eine Extrapolation über das Testgebiet hinaus geeignet, solange sich die Reliefformen sowie die den betrachteten Parameter beeinflussenden Prozessein dem zu extrapolierenden Raum nicht wesentlich von denen im Testgebiet unterscheiden.

Insgesamt liefern die mit dieser Methode erstellten Flächendatensätze plausible Ergebnisse.

46

3. Erstellung eines Datensatzes der nächtlichen Strahlungsbilanz

Die räumliche Verteilung der Stahlungsbilanz ist die wesentliche Steuergröße für alle Ener-gieverteilungsprozesse an der Erdoberfläche und deshalb von besonderem Interesse inner-halb der Geländeklimatologie. Im folgenden wird beschrieben, wie aus dem Flächendaten-satz der Oberflächentemperatur die räumliche Verteilung der Strahlungsbilanz abgeleitetwerden kann.

3.1 Berechnung der Gegenstrahlung mit LOWTRAN

In Kapitel 2 wurde eine Methode zur Erstellung von Flächendatensätzen der Oberflächen-temperatur für ein Untersuchungsgebiet vorgestellt. Bei bekannten Emissionskoeffizentender Landoberflächen kann daraus die langwellige Ausstrahlung berechnet werden. Um nuneinen Flächendatensatz der Strahlungsbilanz zu erhalten, wird ein auf gleiche Weise räum-lich differenzierter Datensatz der atmosphärischen Gegenstrahlung benötigt.

Die Ausprägung der atmosphärischen Gegenstrahlung hängt im wesentlichen von der ther-mischen und hygrischen Schichtung der Atmosphäre über dem betrachteten Punkt im Gelän-de ab. Zu ihrer Berechnung wurde in der vorliegenden Arbeit das von der NASA entwickelteStrahlungstransfermodell LOWTRAN 7 (Low Resolution Transmisson) verwendet. LOW-TRAN 7 ist eine Weiterentwicklung von LOWTRAN 6 und dessen Vorgängern.

Das Programm berechnet die Transmission, die Emission und die Reflexion von Erdatmo-sphäre und Erdoberfläche für einen gegebenen Weg im Spektralbereich von 0 µm-1 bis5 µm-1 mit einer spektralen Auflösung von 0.002 µm-1. Durch Interpolation können Werteim Abstand von 0.0004 µm-1 errechnet werden. Es geht vom lambertschen Reflexionsver-halten der Landoberflächen aus und im Gegensatz zu den Vorgängermodellen sind verbes-serte extraterrestrische Solarquellfunktionen basierend auf den Arbeiten von LABS &NECKEL (1984) und THEKEAKERA (1974) eingeschlossen. Eine genaue Beschreibung desModells findet sich in dem von KNEIZYS (1988) verfaßten Handbuch. In Abbildung 16 istder in dieser Arbeit vollzogene Ablauf zur Berechnung des Beitrags der Gegenstrahlung derLandoberfläche mit Hilfe von LOWTRAN 7 dargestellt.

Als Eingangsgrößen benötigt LOWTRAN 7 Angaben zur atmosphärischen Schichtung (Hö-he, Luftdruck, Temperatur, Feuchte) und Steuerdaten wie Geländehöhe, Pfad durch die At-mosphäre und Frequenzband, für die die Gegenstrahlung ermittelt werden soll.

Als Ergebnis liefert das Programm die langwellige Gegenstrahlung EA', die zwischen einemPunkt P mit der Höhe h und der Obergrenze der Atmosphäre entlang dem vorgegebenenPfad Pf anfällt. Aufgrund der Abhängigkeit der Berechnung von Pf wird die Größe EA' in derEinheit W m-2sr-1 angegeben. Zur Bestimmung der Gegenstrahlung aus dem gesamten obe-ren Halbraum wird EA' auf insgesamt 10 Pfaden durch diesen Halbraum berechnet und dieErgebnisse anschließend aufsummiert. Aufgrund des hohen Rechenaufwands werden dieBerechnungen lediglich für die Höhenstufen 0 m, 50 m, 100 m usw. durchgeführt. Resultat

47

hieraus ist eine Tabelle, in der in Abhängigkeit von den gewählten Höhenstufen und demZeitpunkt, zu dem das Atmosphärenprofil aufgenommen wurde, Werte für die langwelligeGegenstrahlung abgespeichert werden. Zur Übertragung dieser Tabelle auf das gesamte RE-KLIP-Gebiet wird das digitale Geländemodell herangezogen und jedem Höhenwert ein Wertfür die langwellige Gegenstrahlung zugeordnet. Zwischen den einzelnen Höhenstufen wirdeine lineare Interpolation durchgeführt.

Atmosphäre( h , p , T , e )

LOWTRAN 7

Höhe [m] LW [W / m²] 0 50 100 . . . .1600

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

DGMRasterbild LW

LW = f(h) [W / m² sr]

Integrationüber 10 Pfade

lineare InterpolationVertikalprofil LW

Steuerdaten:- Höhen (h)- Frequenzband- . . . . .

Abb. 16: Schema der Berechnung der Gegenstrahlung der Landoberfläche im Untersu-chungsgebiet unter Verwendung des Atmosphärenmodell LOWTRAN 7

Die Werte des Temperaturprofils, das zur Initialisierung des Modells zur Berechnung derGegenstrahlung in der Nacht vom 07.08.1992-08.08.1992 verwendet wurde, stammen fürHöhen größer als 1500 m aus den Werten der Vertikalsondierung, die vom DWD an der Sta-tion Stuttgart durchgeführt wurden. Der untere Teil des Profils wurde aus den Meßdaten der

48

REKLIP-Stationen ergänzt. Zur Überprüfung der mit LOWTRAN 7 berechneten Gegen-strahlung wurden Werte für die im REKLIP-Gebiet auftretenden Stationshöhen berechnet(EA mod) und mit den Meßwerten an den Stationen (EA mes) verglichen. Dabei zeigt sich,daß die Höhenabhängigkeit der Gegenstrahlung mit dem oben skizzierten Verfahren imPrinzip erfaßt wird. Die Streuung der Meßwerte bei Punkten gleicher Geländehöhe läßt sichhingegen nicht reproduzieren. Die große Abweichung einiger Stationen unter 400 m Höhevon den mit LOWTRAN 7 berechneten Werten kann unter Umständen auf das bereits be-schriebene Problem des Taufalls auf den Kunststoffhauben des oberen Halbraumes derStrahlungsmesser zurückgeführt werden. Insgesamt ergibt sich dennoch bei der Gegenüber-stellung von Meßwerten und modellierten Werten ein Korrelationskoeffizient von r = 0,76.

Abb. 17: Vergleich der mit LOWRAN 7 berechneten und der an den REKLIP-Stationengemessenen Werte der atmosphärischen Gegenstrahlung für die Nacht vom08.08.1992 (00:00 UTC). Zusätzlich ist das Temperaturprofil, mit dem LOW-TRAN 7 initialisiert wurde, dargestellt.

Der berechnete Flächendatensatz der Gegenstrahlung für das Untersuchungsgebiet ist in Ab-bildung 18 dargestellt. Es bietet sich ein differenziertes Bild. Die Werte der Gegenstrahlungreichen von 320 W/m² bis 430 W/m². Die höchsten Werte der Gegenstrahlung finden sich inden Tälern der Mittelgebirgen und an den Rändern der jeweiligen Vorbergzone. Die etwasniedrigeren Werte für die Gegenstrahlung im Oberrheintiefland erklären sich durch die nied-rigeren Lufttemperaturen, die dort gemessen wurden.

49

Abb. 18: Mit LOWTRAN 7 berechnete Gegenstrahlung für das Untersuchungsgebiet vom08.08.1992, 00:00 UTC.

50

Das Temperaturprofil, mit dem LOWTRAN 7 initialisiert wurde, ist in Abbildung 17 darge-stellt). Die niedrigsten Werte der Gegenstrahlung finden sich auf den Höhenlagen der Mit-telgebirge, da sich dort die bodennahe Atmosphäre, die im wesentlichen das Emissions- undAbsorptionsverhalten beeinflußten, sich erheblich von denen der Täler unterscheidet.

3.2 Verschneiden des Flächendatensatzes der Gegenstrahlung mit dem Flächenda-tensatz der Ausstrahlung.

Ein Datensatz der Strahlungsbilanz ergibt sich aus der Differenz der Datensätze von Aus-strahlung und Gegenstrahlung. Die Karte der nächtlichen Strahlungsbilanz für das Untersu-chungsgebiet ist in Abbildung 19 dargestellt.

Die Strahlungsbilanz weist im Untersuchungsgebiet eine große räumliche Differenzierungauf. Für den betrachteten Zeitraum, 08.08.1992 von 0:00 Uhr bis 4:00 Uhr, finden sich imUntersuchungsraum Werte von -10 W/m2 bis -150 W/m2. Die größten Beträge mit einer ne-gativen Strahlungsbilanz von bis zu 150 W m-2 finden sich auf den bewaldeten hochgelege-nen Bergzügen von Schwarzwald, Vogesen und Schweizer Jura. Dagegen weisen die fla-chen, als Grünland genutzten Talsohlen der Täler in den genannten Mittelgebirgen, niedrige-re Beträge der Strahlungsbilanz auf.

In den Großräumen mit geringen Reliefunterschieden wie der Oberrheinebene, den Gäuland-schaften, der Baar und dem Kraichgau gehen die Werte bis auf -10 W m-2 zurück. Bei nähe-rer Betrachtung lassen sich diese Bereiche weiter differenzieren. So erscheint die z.B. Hoch-fläche der Baar östlich des Schwarzwaldes dunkler als die Oberrheinebene. Sie ist, zumin-dest in der zweiten Nachthälfte, zugleich die kälteste (vgl. Abb. 6.) und ausstrahlungsärmstegrößere Landschaftseinheit des gesamten Raumes. Auffällig sind auch die geringeren Beträ-ge der Strahlungsbilanz im Hotzenwald und den Vorbergzonen der Mittelgebirge.

Auch innerhalb des Oberrheintieflandes ist die Strahlungsbilanz differenziert. NiedrigeStrahlungsbilanzwerte weisen alle Grünlandbereiche auf, die in den Auen der Nebenflüssedes Rheins gelegen sind. Die benachbarten Auewälder haben höhere Beträge der Strahlungs-bilanz. Interessant sind die unterschiedlichen Werte der Stahlungsbilanzen von Sundgau undOberrheintiefland. Die höheren Beträge im Sundgau sind durch das im Vergleich bewegtereRelief bedingt. Auch kleinräumigere Strukturen lassen sich erkennen so fallen die das Roll-feld des Flughafens Bremgarten umgebenden Wiesen durch ihre niedrigen Beträge derStrahlungsbilanz auf.

Die größeren Städte Basel, Mulhouse, Freiburg, Straßburg und Karlsruhe weisen hohe Be-träge der nächtliche Strahlungsbilanzen auf und sind dadurch deutlich zu erkennen.

Die Wasserflächen sind, wie bereits oben erwähnt maskiert, da sich deren Strahlungsbilanznicht mit in dieser Arbeit dargestellten Methode berechnen läßt.

51

Abb. 19: Karte der modellierten Strahlungsbilanz im Untersuchungsgebiet am 08.08.1992für den Zeitraum von 0:00 Uhr bis 4:00 Uhr

52

Der Modellansatz ist auch in der Lage eine kleinräumigere Differenzierung der nächtlichenStrahlungsbilanz zu erfassen. In Abbildung 20 ist die berechnete nächtliche Strahlungsbilanzin der Nacht des 08.08.1992 für das Zartener Becken dargestellt. Durch die maßstabsgleicheDarstellung von Landnutzung und Relief in derselben Abbildung wird die Abhängigkeit derStrahlungsbilanz von den dargestellten Geofaktoren deutlich. Die höchsten Beträge (fast150 W/m²) der Strahlungsbilanz finden sich auf den steilen bewaldeten Gipfeln und Hängendes Schwarzwaldes im Süden des Ausschnittes (C4, D5, E5). Die Hänge des im Norden dasZartner Becken begrenzenden Höhenzuges (C2, D2, E2) sind weniger steil und niedriger,dementsprechend sind dort die Beträge der Strahlungsbilanz etwas niedriger. In den im Ver-gleich zu den Hangbereichen etwas steileren Gipfellagen, bilden sich auch dort stärker nega-tive Strahlungsbilanzen aus.

Die niedrigsten Beträge der Strahlungsbilanz treten über dem relativ flachen Talboden desZartner Beckens auf, der als Wiese genutzt wird (D3). Auffällig sind ebenfalls die niedrigenBeträge der Strahlungsbilanz auf den wenig reliefierten Hochflächen bei St. Peter (F2) undSt. Märgen (G2). Auch über dem flachen Sattel zwischen Wittnau und Sölden (B3-B4)westlich des Schönbergs sind die Beträge der Strahlungsbilanz niedrig. Westlich des Aus-gangs des Dreisamtals in die Rheinebene (B2,B3) werden die Reliefunterschiede geringerund es läßt sich eine Differenzierung der Strahlungsbilanz aufgrund der unterschiedlichenLandnutzung erkennen.

Das Stadtgebiet (C2 unten) selber weist eine höhere Strahlungsbilanz auf als die sie umgren-zenden Freiflächen, die als Wiesen oder Ackerland genutzt werden. Besonders auffällig ist indiesem Zusammenhang, wie sich der Flugplatz, dessen grasbestandenes Gelände eine drei-eckige Form aufweist (C2 oben), durch deutlich geringere Beträge der Strahlungsbilanz ab-zeichnet.

Insgesamt läßt sich feststellen, daß sich für das Untersuchungsgebiet mit dem verwendetenModellansatz sehr differenzierte Flächendatensätze der Strahlungsbilanz errechnen lassen,die auch bei genauerer Untersuchung plausibel erscheinen.

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-10-30-50-70-90

-110-130-150

Strahlungs-bilanz

Landnutzung

W/m**2

Siedlung

Wald

Grasland

Sonderkultur

Acker

Abb. 20: Darstellung der modellierten Strahlungsbilanz für die Nacht vom 08.08.1992 sowieder Landnutzung und des Relief für das Zartener Becken.

54

4 Nächtliche Strahlungsbilanz und Kaltluftproduktion

4.1 Die Größenordnungen der Energiebilanzglieder in Strahlungsnächten

Die REKLIP-Meßstationen liegen in verschiedenen Naturräumen des Oberrheingebietes(siehe Kapitel. 1.3). Ihre Meßdaten eignen sich in besonderer Weise zur Untersuchung deszeitlichen Verlaufs von Komponenten der Energiebilanz bei unterschiedlichen Umgebungs-parametern und Wetterlagen. Für die vorliegende Arbeit interessieren vor allem die Ausprä-gung der Parameter in Strahlungsnächten, die im folgenden besprochen werden.

Wie schon in Kapitel 2.2.1 angesprochen, sind Energieumsätze nachts deutlich kleiner alsam Tage. An einem wolkenfreien Strahlungstag an der in der Rheinebene gelegenen StationEttenheim am 08.08.1992 (Abbildung 21) kann die Strahlungsbilanz in der Oberrheinebenetagsüber Werte bis zu 600 W m-2 annehmen, dagegen liegen sie in der Nacht bei –25 W m-2.Auch der Bodenwärmestrom, der tagsüber Werte von mehr als 30 W m-2 annehmen kann,erreicht nachts nur einen Bruchteil dieses Wertes. Deshalb sind Effekte unterschiedlicherWetterlagen oder verschiedener Umgebungsparameter viel schwerer zu erfassen, da ihr Ein-fluß oft in den Fehlerbereich der Meßgeräte fällt (Kapitel 1.3 und 2.2.1)

Q0

(W m

)-2

(W m

)-2

EG

Q0 ER

EA

B0

MEZ MEZ

H0

ET

a) Strahlungsbilanz b) Energiebilanz

Abb. 21: Verlauf der Komponenten der Strahlungsbilanz und der Energiebilanz an der in derRheinebene gelegenen REKLIP-Station Ettenheim während eines wolkenfreienSommertages (08.08.1992)a) Strahlungsflüsseb) Glieder der Energiebilanz; H0 und Vo berechnet mit der Sverdrup-Methode

55

Dennoch lassen sich deutliche Unterschiede in der Ausprägung der Energiebilanzkompo-nenten erkennen, die durch die Lage der Stationen im Gelände begründet sind. Dies gilt be-sonders für Strahlungsnächte, in denen die Ausprägung der Energiebilanzglieder vor allemdurch die geographische Ausstattung des Raumes beeinflußt wird. Der Zeitraum zwischendem 04.08.1992 und dem 09.08.1992 war von ausgeprägtem Strahlungswetter gekennzeich-net. Es gab in der gesamten Periode keinen Niederschlag. Deshalb eignet er sich hervorra-gend zur Diskussion der Ausprägung der einzelnen Klimaelemente in Strahlungsnächten.

Mittelwerte Strahlungsbilanz 08.08.1992, 0 Uhr - 4 Uhr

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

01 2 3 4 5 7 8 9 10 11 12 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36

Nummern der REKLIP-Stationen

Str

ahlu

ngsb

ilanz

(W/m

**2)


-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

1 2 3 4 5 7 8 9 10 11 12 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36


Str

ahlu

ngsb

ilanz

(W/m

**2)

Abb. 22: Mittelwerte der Strahlungsbilanz an den REKLIP-Stationen am 08.08.1992 und am09.08.1992 jeweils von 0:00 Uhr bis 4:00 Uhr.

56

Zur Untersuchung der Abhängigkeit einzelner Klimaelemente von den Geofaktoren amMeßstandort werden zunächst die Mittelwerte in der zweiten Nachthälfte (0:00 Uhr-4:00 Uhr) herangezogen. Dieser Zeitraum wurde gewählt um Störungen durch Quellwolken,wie sie sich bei starker Einstrahlung über den Mittelgebirgen bilden können, weitgehendauszuschließen. Außerdem stabilisieren sich in der zweiten Nachthälfte lokalklimatischeSysteme, die einen Einfluß auf die Meßwerte haben können, wie beispielsweise Kaltluftab-flüsse.

Abb. 23: Darstellung des Reliefs der 5 km x 5 km großen Stationsumgebungen der REKLIP-Stationen Freiolsheim und Titisee.

57

Abbildung 22 zeigt die Mittelwerte der Strahlungsbilanz an den REKLIP-Stationen am08.08.1992 von 0:00 Uhr bis 4:00 Uhr. Die Zahlen auf der Abszisse geben die Stationsnum-mern an, die sich anhand der Tabelle 1 in Kapitel 1.3 den entsprechenden Stationen zuord-nen lassen. Deutlich erkennbar sind die großen Unterschiede in der Ausprägung der Strah-lungsbilanz zwischen den einzelnen Stationen. Die Spannweite der Werte reicht von unter -10 Wm-2 an der Station Burnhaupt (21) bis zu fast –70 Wm-2 an der Station Feldberg (36).Auffällig ist dabei, daß die Strahlungsbilanz nicht direkt an die Höhenlage gekoppelt ist. Soist z.B. an der Station Hornenberg ([1], 337 m ü.N.N.) die Strahlungsbilanz deutlich negati-ver als an der Station Freiamt ([29], 440 m ü.N.N.). An der Station Titisee ([32],870 m ü.N.N.) ist der Betrag der Strahlungsbilanz deutlich niedriger als z.B. an der StationFreiolsheim ([5], 487 m ü.N.N.). Dies läßt sich durch die Lage der Station im Gelände erklä-ren. Die Station Titisee liegt, wie die Abbildung 23 zeigt, auf einem kleinen Hügel innerhalbeines flachen Tals. Nachts sammelt sich Kaltluft im Tal, und die an der Station entstehendeKaltluft kann nicht mehr ungehindert abfließen. Dadurch kühlt sie ab weiter ab. ZufließendeKaltluft von höher gelegenen Hängen schichtet sich ein, und die Kaltluftmächtigkeit wächstinsgesamt an. Dieses Phänomen wird bei EIMERN & HÄCKEL (1984) beschrieben. Bei derStation Freiolsheim dagegen kann, aufgrund der größeren Höhenunterschiede, die in derStationsumgebung entstandene Kaltluft besser abfließen. Die abfließende Luft wird durchwärmere Luft aus der Atmosphäre oder von wärmeren Hangbereichen oberhalb ersetzt.

In Abbildung 24 ist der Verlauf von Klimaelementen für die REKLIP-Stationen Freiolsheimund Titisee vom 05.08.1992 bis 09.08.1992 dargestellt. Die Beträge der Strahlungsbilanz ander Station Feiolsheim sind höher als an der Station Titisee. Dies ist auf die deutlich höherenBeträge der Ausstrahlung an der Station Freiolsheim zurückzuführen.

58

07.08.92 08.08.92 09.08.92 250

300

350

400

450W

/m**

2

07.08.92 08.08.92 09.08.92 350

375

400

425

450

W/m

**2

07.08.92 08.08.92 09.08.92 -120

-90

-60

-30

0

W/m

**2

07.08.92 08.08.92 09.08.92 0

6

12

18

24

30

!U0C

07.08.92 08.08.92 09.08.92 -60

-40

-20

0

20

W/m

**2

Gegenstrahlung

Strahlungsbilanz

Bodenwärmestrom

Ausstrahlung

Lufttemperatur (2 m)

Titisee

Freiolsheim

Abb. 24: Verlauf der Temperatur und verschiedener Energieflüssen an den REKLIP-Stationen Freiolsheim und Titisee für den Zeitraum vom 07.08.1992 zum09.08.1992.

Interessant ist auch der Verlauf der Lufttemperatur in 2 m Höhe. In Titisee ist eine starkeTagesamplitude zu verzeichen (fast 15 K). Auch im Verlauf der Nacht sinkt die Temperaturkontinuierlich ab. Dagegen weist in Freiolsheim die Lufttemperatur eine deutlich geringereTagesamplitude (ca. 6 K) auf. Sie sinkt auch im Verlauf der Nacht nur leicht ab. Die nächtli-chen Bodenwärmeströme unterscheiden sich kaum an beiden Stationen.

Dieses Beispiel zeigt deutlich, daß einfache lineare Ansätze zur Beschreibung der Strah-lungsbilanz durch die Geländehöhe nicht greifen, da in einem besonderen Maße die Gelän-deform in der Umgebung der Meßstation einen erheblichen Einfluß auf die Ausprägung dernächtlichen Strahlungsbilanz hat. Alle Stationen die eine stark negative Strahlungsbilanzaufweisen stehen auf Kuppen oder an Hängen. Die Verteilung der Mittelwerte der Strah-lungsbilanz in der darauffolgenden Nacht (09.08.1992) zeigt ein ähnliches Muster wie in dervorherigen Nacht. Die Reihung der Stationen unterscheidet sich im wesentlichen nicht vonder in der Nacht zuvor beobachteten. Nur die Beträge sind insgesamt etwas höher.

Die starke Abhängigkeit zwischen geographischer Ausstattung des Raumes in der Umge-bung der Meßstation und Ausprägung der nächtlichen Strahlungsbilanz wird besonders beieiner Sortierung der Stationen nach dem Betrag der Strahlungsbilanz deutlich. Dies ist inAbbildung 25 realisiert.

59

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

036 35 25 22 12 1 5 9 24 23 30 31 32 29 10 34 3 2 8 28 7 11 21

Stationsnummer der REKLIP-StationenS

trahl

ungs

bila

nz (W

/m**

2)

Abb. 25: Mittelwerte der Strahlungsbilanzen an den REKLIP-Stationen 08.08.1992,0:00 Uhr-4:00 Uhr.

Sie zeigt die mittlere nächtliche Strahlungsbilanz an den REKLIP-Stationen für den08.08.1992, 0:00 Uhr bis 04:00 Uhr, sortiert nach der Größe der Strahlungsbilanz. Auf derAbszisse sind wieder die Nummern der REKLIP-Stationen aufgetragen. Die Stationen mitden geringsten Beträgen der Strahlungsbilanz, von rechts nach links, die Stationsnummern21-34, liegen im Oberrheintiefland, ihre Stationsumgebungen weisen fast keine Höhenunter-schiede auf. Die Stationen in dem Abschnitt zwischen der Stationsnummer 10 und 22 liegenalle in Tälern oder an Hangfüßen. Die Stationen 9 bis 22 unterscheiden sich von den vorher-genannten Gruppen dadurch, daß sie auf Kuppen oder in engeren Tälern liegen. In Abbil-dung 25 sind die Gruppen durch unterschiedliche Grauwerte markiert.

60

Mittelwert Bodenwärmestrom 08.08.1992, 0 Uhr - 4 Uhr

0

5

10

15

20

25

30

35

1 2 3 4 5 7 8 9 10 11 12 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36


(W/m

**2)

Abb. 26: Mittelwerte der Bodenwärmeströme an den REKLIP-Stationen 08.08.1992,0:00 Uhr bis 4:00 Uhr


0

5

10

15

20

25

30

35

1 2 3 4 5 7 8 9 10 11 12 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36


(W/m

**2)

Abb. 27: Mittelwerte der Bodenwärmeströme an den REKLIP-Stationen 09.08.1992,0:00 Uhr bis 4:00 Uhr.

Die höchsten Beträge der Strahlungsbilanz weisen die Kuppenstationen (Stationsnummern25-36) auf, die gleichzeitig die größten Höhendifferenzen in der Stationsumgebung aufwei-sen. Insgesamt ist bei der Strahlungsbilanz eine starke Abhängigkeit zwischen den Geofakto-ren der Stationsumgebung und der Ausprägung der Strahlungsbilanz gegeben.

61

In der darauffolgenden Nacht ist bis auf eine Ausnahme (Station Nummer 22, Fischingen)die Ausprägung des Bodenwärmestromes dieselbe, mit leicht höheren Beträgen als in derNacht zuvor. Die Größenordnungen des Bodenwärmestromes sind bei den meisten Stationengegenüber der Strahlungsbilanz deutlich geringer.

Da der Energieverlust durch langwellige Ausstrahlung der Erdoberfläche neben dem Entzugvon fühlbarer Wärme aus der bodennahen Luft durch den Bodenwärmestrom kompensiertwird, wird im folgenden die Ausprägung der Bodenwärmeströme an den unterschiedlichenStandorten des REKLIP-Meßnetzes untersucht.

In Abbildung 26 sind die Mittelwerte (0:00 Uhr bis 4:00 Uhr) der Bodenwärmeströme fürden 08.08.1992 dargestellt. Die Werte variieren in einem Bereich zwischen 17 Wm-2 und2 Wm-2, wobei der Bodenwärmestrom bei einem Großteil der Stationen Werte von unter10 Wm-2 erreicht.

Da, wie die Untersuchung der Mittelwerte gezeigt hat, die Lage der Stationen im Geländeeinen erheblichen Einfluß auf die Ausprägung der Klimaelemente hat, werden für die Dis-kussion der zeitlichen Verläufe der Klimaelemente für verschiedene Teilräume des Untersu-chungsgebietes repräsentative Stationen ausgewählt. Dazu gehört die im Oberrheintieflandgelegene Station Bellheim (129 m ü.N.N.), deren Stationsumgebung innerhalb der vertikalenAuflösung des DGM kaum reliefiert ist. Ausgewählt wurde auch die Station Ettenheim(167 m ü.N.N.), die am Rand des Oberrheintieflandes gelegen ist. Im Osten und Südostender 5 km x 5 km Umgebung der Station sind die Ausläufer der Vorbergzone sichtbar. DieStation Elzach (450 m ü.N.N.) ist im Elztal, einem relativ engen, südwest-nordost verlaufen-den Tal im Schwarzwald, gelegen. Die Kuppenlagen im Schwarzwald werden von den Sta-tionen Geiersnest (870 m ü.N.N.) und Feldberg (1493 m ü.N.N) repräsentiert, die Station-sumgebung ist stark reliefiert. Einen Eindruck der 5 km x 5 km Stationsumgebungen ver-mittelt die Abbildung 28. In Tabelle 5 werden die ausgewählten Stationen charakterisiert.

Tab.5: Für die verschiedenen Teilräume des Untersuchungsgebietes repräsentative RE-KLIP-Stationen.

REKLIP-Station Höhe Standort

Bellheim 129 m NN Rheinebene

Ettenheim 167 m NN Rheinebene

Elzach 450 m NN Tallage im Schwarzwald

Geiersnest 870 m NN Kuppenlage im Schwarzwald

Feldberg 1493 m NN Kuppenlage im Schwarzwald

62

Abb 28: Topographie in der 5 km x 5 km großen Umgebung ausgewählter REKLIP-Meßstationen, die typische Lagen im Relief repräsentieren.

In Abbildung 29 ist der Verlauf von Klimaelementen an den ausgewählten Stationen für denZeitraum vom 04.08.1992-09.08.1992 dargestellt, wobei die Skalierung so gewählt wurde,daß besonders die Ausprägung während der Nachtsituation gut aufgelöst ist.

Der Verlauf der Lufttemperaturen an den einzelnen Stationen (ϑ ) weist folgende Charakte-ristika auf: Es ist ein großer Unterschied in der Tagesamplitude der Lufttemperatur zu ver-zeichnen. Die Stationen im Oberrheintiefland (Bellheim und Ettenheim) erreichen die höch-ste Tagesamplitude von fast 15 K. Während tagsüber Werte bis über 30 oC erreicht werden,sinken sie nachts bis auf unter 15 oC ab. An den „Kuppenstationen“ Feldberg und Geiersnestist die Tagsamplitude der Temperatur deutlich geringer. Sie beträgt bei der Station Gei-ersnest nur etwa 7 K am Feldberg ca 5 K. Die Station Elzach nimmt eine Zwischenstellungein. Die dort gemessene Temperaturamplitude ist niedriger als an den Stationen im

63

Oberrheintiefland, doch deutlich höher als an den Kuppenstationen. Interessant ist der Ver-lauf der Lufttemperatur innerhalb der Nacht. Bei den „Ebenenstationen“ sinken die Lufttem-peraturen, die zu Beginn der Nacht bei ca. 25 °C lagen, im Laufe der Nacht kontinuierlichauf Werte von ca. 18 °C ab. Dagegen bleiben die Lufttemperaturen der „Kuppenstandorte“im Laufe der Nacht fast konstant. Die Temperaturabnahme beträgt nur ca. 2 K. Dies ist fol-gendermaßen zu interpretieren: Mit der einsetzenden Abkühlung der Vegetations- und Bo-denoberflächen an den Hängen und auf den Kuppenstandorten wird die negative Strahlungs-bilanz durch den fühlbaren Wärmefluß aus der bodennahen Luft kompensiert. Dadurch wirddie oberflächennahe Luft abgekühlt. Sie wird dichter und fließt dem Relief folgend ab. Dieabfließende Kaltluft wird durch Zufuhr von Luft aus der freien Atmosphäre der Umgebungersetzt. Dieser Luftaustausch führt dazu, daß die Temperatur der bodennahen Luft über Hän-gen und Kuppen im Laufe der Nacht nur wenig absinkt. Auf ebenen Standorten dagegenstagniert die Luft und wird in Folge des negativen Strahlungshaushaltes der dortigenLandoberflächen kontinuierlich weiter abgekühlt. An den Kuppen- und Hangstationen ergibtsich deshalb nach einer Anpassungsphase in den ersten Nachtstunden ein Gleichgewicht derverschiedenen Energieflüsse mit nahezu konstanten Temperaturen. In der Rheinebene bildetsich eine Kaltluftauflage, deren Temperatur durch den fortwährenden Energieentzug bis zumMorgen immer weiter absinkt.

Der Bodenwärmestrom weist innerhalb der Periode Werte zwischen -45 Wm-2 tagsüber undzwischen 5 Wm-2 und 20 Wm-2 nachts auf. Dabei unterscheidet sich wiederum die Tagesam-plitude an den einzelnen Stationen. Die Stationen im Oberrheintiefland (Bellheim, Etten-heim) haben eine etwas höhere Tagesamplitude als die „Kuppenstationen“ (Geiersnest,Feldberg) oder die „Talstation“ (Elzach). Allerdings sind die Unterschiede nachts nicht soausgeprägt wie am Tage und gegen Ende der Periode sind kaum noch Unterschiede im Bo-denwärmestrom während der Nacht auszumachen.

Bei den nächtlichen Verläufen der atmosphärischen Gegenstrahlung (EA) innerhalb des Zeit-raums ist eine starke Höhenabhängigkeit der atmosphärischen Gegenstrahlung zu verzeich-nen. Besonders in der Nacht vom 05.08.1992 zum 06.08.1992 und vom 08.08.1992 zum09.08.1992, sowie in der zweiten Nachthälfte der Nacht vom 08.08.1992 auf den 09.08.1992ist diese höhenlagenabhängige Differenzierung deutlich zu sehen. Auffällig dabei ist, daß beiden „Ebenenstationen“, besonders am 08.08.1992, 0:00-04:00 Uhr, und am 09.08.1992 überdie gesamte Nacht, die atmosphärischen Gegenstrahlung konstant absinkt. Dies läßt sich mitdem Verlauf der Lufttemperatur, die an den Stationen in der Ebene ebenfalls kontinuierlichabsinkt, erklären. Dabei wird im Laufe der Nacht der in der Ebene stagnierenden Luft zurKompensation des Energieverlusts durch die Ausstrahlung an der Energieumsatzfläche stän-dig fühlbare Wärme entzogen. Das Luftpaket kühlt ab, damit verringert sich nach dem Ge-setz von Stefan Boltzmann auch seine Ausstrahlung.

64

Abb. 29: Zeitlicher Verlauf meteorologischer Größen an REKLIP-Stationen mit unter-schiedlicher Lage im Relief in Strahlungsnächten (04.08.1992-09.08.1992).

65

An den Kuppenstationen dagegen bleibt die atmosphärische Gegenstrahlung nach einemstarken Abfall kurz nach Sonnenuntergang im Laufe der Nacht mehr oder minder konstant,bedingt durch das Abfließen der kalten Luft, die ständig durch Luft mit relativ konstanterTemperatur aus der freien Atmosphäre ersetzt wird. Der leichte Anstieg mit anschließendemsofortigen Abfallen der atmosphärischen Gegenstrahlung am 08.08.1992 kurz nach Mitter-nacht ist wahrscheinlich auf den Durchzug eines kleinen Wolkenfeldes zurückzuführen.

Die Ausprägung der Strahlungsbilanz zeigt eine deutliche Differenzierung zwischen deneinzelnen Stationen. Insgesamt reicht die Spanne der Werte von unter -75 Wm-2 an der„Kuppenstation“ Feldberg bis zu Beträgen kleiner als 20 Wm-2 an den Stationen imOberrheintiefland. Im Laufe der Periode nähern sich die nächtlichen Werte der „Ebenensta-tionen“ an. Die „Talstation“ Elzach nimmt über die gesamte Periode eine Zwischenstellungein. Die Strahlungsbilanz liegt dort bei Werten zwischen –30 Wm-2 und -50 Wm-2. Die nied-rigsten Strahlungsbilanzen finden sich an den „Kuppenstationen“ von Geiersnest und Feld-berg, wobei die Strahlungsbilanz an der Station Feldberg noch niedriger ist als an der StationGeiersnest. Insgesamt sind die Strahlungsbilanzwerte an den „Kuppenstationen“ währendder Nacht stärkeren Schwankungen unterworfen als die Talstationen.

Zusammenfassend läßt sich folgendes feststellen:

Es ist eine deutlich differenzierte Ausprägung der Klimaelemente an den einzelnen Stationenzu erkennen. Dabei sind die Unterschiede durch die Lage der Stationen im Raum und dasRelief in der Stationsumgebung begründet.

Weitere, hier nicht vorgestellte Auswertungen zeigen, daß die beschriebenen Unterschiedezwischen den Stationen in ähnlicher Weise auch in anderen Jahreszeiten auftreten. Bei derSichtung der Daten der Meßstationen ergibt sich also, daß während Strahlungswetterlagendie Stationen unterschiedliche aber charakteristische nächtliche Verläufe der verschiedenenphysikalischen Zustandsgrößen und der Energieflüsse besitzen. Diese sind abhängig von denGeländeeigenschaften an den Stationen und ihrer Umgebung. Von besonderer Bedeutung istdabei die Höhenlage, die Geländeform und die Landnutzung. Diese Ergebnisse sind eine derVoraussetzungen für die in Kapitel 3 vorgestellte Regionalisierung der nächtlichen Strah-lungsbilanz.

66

4.2 Fühlbarer Wärmestrom und Kaltluftproduktion

Wie im Kapitel 1 angesprochen sind die nächtlichen Berg- und Hangwindsysteme an denRändern und Talausgängen der Mittelgebirge eine wichtige Komponente des Klimas inMittelgebirgen. Da häufig an den Talausgängen größere Siedlungen liegen, haben die Berg-winde eine wichtige Funktion für den Luftaustausch. Sie tragen zur Verbesserung der ther-mischen und lufthygienischen Situation innerhalb der Siedlungsstrukturen bei (INNEN-

MINISTERIUM BADEN-WÜRTTENBERG 1990, ERNST 1995), insbesonders während sommerli-chen Strahlungswetterlagen. Für ihre Funktion als Frischluftlieferant für Siedlungen interes-siert weniger die Temperatur der abfließenden Luft, als vielmehr das Volumen der aus deneinzelnen Talräumen abfließenden Luft. Die Abschätzung des Gesamtvolumens sowie dieAusweisung der Flächen besonders hoher Kaltluftproduktion ist eine wichtige Aufgabe derKlimatologie, um den Stadt- und Landschaftsplanern Entscheidungshilfen zu geben(VDI 1999). Auch für die Initialisierung von Kaltluftabflußmodellen ist die Frage nach denKaltluftproduktionsraten der jeweiligen Flächen von einer besonderen Bedeutung(SCHÄDLER 1993). Die bisher veröffentlichten Werte wurden aus Messungen (Z.B.KING 1973) gewonnen oder aus Ergebnissen von numerischen Modellen, die auch die Ther-modynamik berücksichtigen, berechnet (z.B. GROSS 1989). Beide Methoden sind recht auf-wendig und kostenintensiv. So erhebt sich die Frage, ob für eine grobe Abschätzung derKaltluftproduktionsraten in einem Untersuchungsgebiet nicht ein einfacherer Ansatz entwik-kelt werden kann.

In den folgenden Abschnitten wird solch eine Methode vorgestellt. Dabei erfolgt die Ab-schätzung der im Untersuchungsraum oder in seinen Teilräumen produzierten Kaltluftvolu-mina aus dem Flächendatensatz der Strahlungsbilanz (vergl. Kapitel 4 und Abb. 19 undAbb. 20).

Geht man von der stark vereinfachenden Annahme aus, daß in der nächtlichen Wärmebilanzeiner sommerlichen Strahlungsnacht die Flüsse latenter Energie sowie der Boden- bzw. Be-standswärmestrom gegenüber der negativen Strahlungsbilanz in ihrer Größenordnung zuvernachlässigen sind, so kommt dem fühlbaren Wärmestrom in der Bilanzgleichung ent-scheidende Bedeutung zu (siehe auch Kapitel 4.1). Die von der bodennahen Luft zur Erd-oberfläche hin gerichteten Wärmeflüsse müssen den durch die Strahlungsbilanz verursachtenEnergieverlust ausgleichen. Mit Blick auf eine Bewertung des Raumes als Quelle für Kalt-luftabflüsse stellt sich die Frage, welches Volumen an Kaltluft pro Zeiteinheit über der be-trachteten Fläche produziert werden kann. Entscheidend dabei ist die Größe der Luftvolumi-na, die in den Abkühlungsprozeß einbezogen werden. Bei einer geringen Abkühlung einesgroßen Luftvolumens wird der gleiche Betrag fühlbarer Wärme umgesetzt wie bei einer star-ken Abkühlung eines wesentlich geringeren Volumens. Im folgenden soll am Beispiel desZartener Beckens, dessen nächtliche Strahlungsbilanz schon in Kapitel 3.2 diskutiert wurde,anhand einfacher Überlegungen das Kaltluftpotential als eine Funktion von Strahlungsbilanzund Abkühlungsbetrag beschrieben werden. In Abbildung 30 wird für diesen Raum die

67

nächtliche Strahlungsbilanz am 08.08.1992 (a), die Landnutzung (b) und das Relief (c) dar-gestellt.

Eine hohe negative Strahlungsbilanz (helle Flächen) tritt dort auf, wo aufgrund einer starkenReliefierung bodennah entstehende Kaltluft rasch, d.h. schon bei geringer Abkühlung, ab-fließen kann. Diese hellen Flächen liegen auch oberhalb der sich in den Tälern ausbildendenInversionen, da unterhalb der Inversion die kalte Luft stagniert. Über der Inversion dagegenkann die abgekühlte Luft abfließen und durch wärmere Luft aus der benachbarten freien At-mosphäre oder von den oberhalb gelegenen Hängen ersetzt werden.

Abb. 30: Mittelwerte des Betrags der nächtlichen Strahlungsbilanz für das Zartener Becken und sei-ner Teileinzugsgebieten in der Nacht vom 08.08.1992. Zum Vergleich sind auch die Wertefür das südlich von Freiburg gelegene Hexental (Betrag Strahlungsbilanz: 39.5 Wm-²) unddas östlich davon gelegene Bohrertal (Betrag Strahlungsbilanz: 54.7 Wm-²) dargestellt.

Es kann davon ausgegangen werden, daß sich in diesen Bereichen, angetrieben durch den dieganze Nacht bestehenden starken Temperaturgradienten zwischen Luft und Oberflächentem-peratur, sich ein starker fühlbarer Wärmestrom einstellt. Die Oberflächentemperaturen wer-den sich dort deshalb im Laufe einer Nacht wenig verändern (siehe auch Kapitel 4.1).Gleichzeitig werden den sich einstellenden Bergwindsystemen auf diesem Wege große Vo-lumina leicht abgekühlter Luft zugeführt. Mit Blick auf die kräftigen Bergwindsysteme an

68

der Westabdachung des Schwarzwaldes oder der Ostabdachung der Vogesen darf also Flä-chen mit hoher negativer Strahlungsbilanz in großer Höhenlage bei starkem Relief ein hohesKaltluftpotential (d.h. eine hohe Produktionsrate von Kaltluft pro Zeiteinheit) zugewiesenwerden.

In Bereichen, wo die autochthon entstandene oder die zugeflossene Kaltluft nicht weiter ab-fließen kann, kommt es zu einer verstärkten Auskühlung der bodennahen Luft. Die Differenzvon Luft- und Oberflächentemperatur wird geringer. Deshalb wird sich der fühlbare Wär-mestrom auf ein niedrigeres Niveau einstellen. Ergebnisse sind dann weiter abnehmendeOberflächentemperaturen und ein geringerer Betrag der Strahlungsbilanz. In der Karte dermodellierten Strahlungsbilanz sind diese Flächen besonders dunkel. Im gewählten Teilaus-schnitt treten sie vorwiegend in der Oberrheinebene, dem Zartener Becken sowie in zahlrei-chen Tälern auf. Sie finden sich aber auch in größeren Höhenlagen mit flachem Relief undWiesen. Hierbei spielt auch die in der Höhe geringere Gegenstrahlung eine Rolle.

Flächensumme der Strahlungsbilanz (GW) für das Einzugsgebiet.

13.54

0,78 4.49

0.83

0.82 2.4

2.22

2.43 1.79

1.120.55

Abb 31: Modellierte Flächensummen des Betrages der Strahlungsbilanz für das Einzugsgebiet desZartener Beckens und einiger seiner Teileinzugsgebiete für die Nacht vom 08.08.1992(00:00 Uhr bis 4:30). Zusätzlich sind auch die Flächensummen der Strahlungsbilanz für dassüdlich von Freiburg gelegene Hexental (0.55 GW) und das östlich davon gelegene Bohr-ertal (1.12 GW) dargestellt.

69

Aus den Karten der Strahlungsbilanz mit ihrer hohen räumlichen Auflösung kann nun auchdie Energiemenge abgeschätzt werden, die in den einzelnen Teilräumen bis hin zu den klei-nen Seitentälern der Schwarzwaldflüsse für den Antrieb der nächtlichen Bergwinde zur Ver-fügung steht.

In Abbildung 30 sind für das Zartener Becken und seiner Teileinzugsgebiete die Mittelwerteder nächtlichen Strahlungsbilanz vom 08.08.1992 in W m-2 dargestellt. Im Einzugsgebiet derStation Ebnet beträgt also im berechneten Zeitraum die mittlere Strahlungsbilanz -53,7 W m2. Auffällig sind die Unterschiede zwischen den Einzugsgebieten auf der Nordseiteund der Südseite des Zartener Beckens. Auf der Nordseite sind die Beträge aufgrund derunterschiedlichen Raumausstattung (flacheres Relief, mehr Wiesenanteil) deutlich niedrigerals auf der Südseite. Neben den Mittelwerten lassen sich auch die Flächensummen derStrahlungsbilanzen für die jeweiligen Einzugsgebiete berechnen. Die Flächensumme derStrahlungsbilanz in einem Einzugsgebiet ist die obere Schranke für den Wärmeentzug, dendie Luft durch die kälteren Landoberflächen erfährt. In allen Fällen, bei denen der latenteWärmestrom und der Bodenwärmestrom vernachlässigbar sind, erhält man eine gute Appro-ximation für den fühlbaren Wärmestrom von der Luft zu den Vegetationsbeständen. In Ab-bildung 31 ist dies für das Zartener Becken und seine Teileinzugsgebiete dargestellt.

Die Flächensumme für das gesamte Zartener Becken beträgt -13,54 Gigawatt (1 GW =109 W). Gibt man eine mittlere Abkühlung der einbezogenen Luft vor, so kann die Quell-stärke der Bergwinde geschätzten werden. Für eine Überschlagsrechnung wird nun der Ein-fachheit wegen mit einem fühlbaren Wärmefluß von der Luft zum Bestand von 12 GW (=12 x 109 W) und einer Wärmekapazität der Luft von 1200 J m-3 K-1 sowie einer mittlerenAbkühlung der Luft von 4 K gerechnet. Die für das Rechenbeispiel angenommene mittlereAbkühlung der Luft von 4 K ergibt sich aus im Untersuchungsgebiet durchgeführten Ballon-sondenaufstiegen und Modellrechnungen (ERNST 1995).

Unter diesen Voraussetzungen läßt sich der Volumenfluß abgekühlter Luft folgendermaßenabschätzen:

12 101200 4

9

3 1

××− −

WW s m K K

= 1 104 10

9 3

2

××

ms

= 2 5 106 3 1, × −m s (Glg. 3)

= 2 5 10 3 6 106 3 3 1, ,× × × −m h = 9 109 3 1× −m h = 9 3 1km h − . (Glg. 4)

70

Für das Zartener Becken und seine Seitentäler mit einer Gesamtfläche von ca. 250 km2 er-gibt dies eine mittlere „Kaltluftproduktionsrate" von

9 102 5 10

9 3 1

8 2

××

−m hm,

= 36 361 3 1 2m h oder m h m− − − . (Glg. 5)

Dieser Wert korrespondiert gut mit den Angaben anderer Autoren die in Tabelle 6 dargestelltsind . Die Angabe in Gleichung 3 entspricht, auf das Talquerprofil bei Ebnet bezogen, einermittleren Geschwindigkeit der Bergwinde von ca. 2,8 ms-1, die ebenfalls gut mit den beizahlreichen Ballonsondenaufstiegen und Sodarmessungen gemessenen Werten korrespon-diert (ERNST 1995).

Tab 6: Quellstärken nächtlicher Hangabwinde (“Kaltluftproduktionsraten”) über unter-schiedlicher Landnutzung nach verschiedenen Autoren.

KING (1973) 12 m3 m-2 h-1 (waldfrei)

HAUF & WITTE (1985) 32 m3 m-2 h-1 (50 % bewaldet)

LUTZ (1986) 54 m3 m-2 h-1 (Wald)

GROSS (1987) 13.4 m3 m-2 h-1 (Wald)

GROSS (1989) 11.1 m3 m-2 h-1 (waldfrei)

GROSS (1989) 43 m3 m-2 h-1 (Wald)

Ein Volumenstrom von 9 km-3h-1 würde in einer achtstündigen Nacht im Oberrheingrabenein Gebiet von 144 km2 500 m hoch mit der Luft aus dem Bergwind des Zartener Beckensauffüllen.

Ähnliche Überschlagsrechnungen können auf der Basis der Zahlenwerte in Abbildung 31auch für alle Teileinzugsbereiche des Zartener Beckens durchgeführt werden.

Natürlich wird bei der hier vorgestellten Methode der vielschichtige Prozeß der Kaltluftpro-duktion und des Kaltluftabflusses stark vereinfacht. Aber die hiermit vorgenommenen Ab-schätzungen sind durchaus plausibel und korrespondieren gut mit Feldmessungen sowie denErgebnissen anderer Autoren, die mit unterschiedlichen Ansätzen zu den selben Ergebnissenkommen. Außerdem ist es denkbar, diesen Ansatz weiter zu verfeinern, wie etwa durch Ein-

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beziehung von Flächendatensätzen des Bodenwärmestromes zur Kompensation der Strah-lungsverluste.

Es darf nicht vergessen werden, daß auch bei komplexen numerischen Modellen die tatsäch-lich in der Natur herrschenden Prozeßgefüge mehr oder weniger vereinfacht werden. Außer-dem ist bei diesen Modellen oft nicht mehr eindeutig erkennbar, welchen Einfluß die einzel-nen initialisierenden Datensätze auf das Ergebnis haben. Der Hinweis, daß es „erfahrenerNutzer“ bedarf, um mit diesen Modellen zu arbeiten, ist ein Hinweis auf die vielen Stell-schrauben, mit denen das jeweilige Ergebnis beeinflußt werden kann.

Vor diesem Hintergrund ist es durchaus gerechtfertigt, mit der vorgestellten Methode, diewenig Rechenleistung benötigt, plausible Ergebnisse bringt und an der jeder Teilschritt ohneweiteres nachvollziehbar ist, die jeweiligen Kaltluftproduktionsraten abzuschätzen. Auch fürPraktiker, wie Landschafts- oder Regionalplaner, die schnell eher qualitative Aussagen übereinen Raum treffen (müssen), ist diese Methode interessant, auch um verschiedene Teilflä-chen hinsichtlich ihrer Kaltluftpotentiale zu vergleichen. Dabei sind für die Planer eher dieUnterschiede zwischen den einzelnen Teilflächen wichtig, als die exakte Berechnung derabsoluten Beträge. Diese Vergleichbarkeit der Teilräume wird durch die vorgestellte Metho-de gewährleistet.

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5 Diskussion und Ausblick

In diesem Kapitel werden die Ergebnisse der Arbeit zusammengefaßt und kritisch diskutiert.Außerdem werden Anstöße für eine zukünftige methodischen Weiterentwicklung des ver-wendeten Ansatz zur Erstellung von Flächendatensätzen klimatologischer Parameter inStrahlungsnächten vorgestellt

Wie gezeigt wurde, liefert die in dieser Arbeit vorgestellte Methode zur Erstellung von Flä-chendatensätzen der Oberflächentemperatur, Strahlungsbilanz und Kaltluftproduktion inStrahlungsnächten brauchbare Ergebnisse. Sowohl die räumliche Verteilung der Oberflä-chentemperatur als auch die der Strahlungsbilanz sind plausibel und korrelieren gut mit imUntersuchungsgebiet erhobenen Meßdaten.

Die räumliche Verteilung der genannten Größen in Strahlungsnächten läßt sich also durcheine kombinierte Beachtung von Reliefeigenschaften und Landnutzung an jedem Gelände-punkt und in seiner Umgebung (CoForm-Klassifizierung) modellieren. Die in dieser Arbeitvorgestellte Anpassung der Reliefparametrisierung an eine Fernerkundungsszene ermöglichtaufgrund der Vielzahl von Referenzpunkten eine sehr differenzierte Ableitung der CoForm-Klassen. Dies ist eine wesentliche Verbesserung gegenüber den bisher verwendeten Ansät-zen zur Reliefparametrisierungen. Die hohe Anzahl der mit dieser Methode abgeleiteten Co-Form-Klassen ermöglicht eine Extrapolation über das Trainingsgebiet hinaus, die bemer-kenswert gute Ergebnisse liefert, solange in dem extrapolierten Gebiet keine wesentlich an-deren Reliefformen oder Landnutzungen vorliegen. Wenn es in dem extrapolierten GebietReliefformen gibt, die keiner Reliefform im Trainingsgebiet ähnlich ist, liefert die vorge-stellte Methode keine befriedigenden Ergebnisse.

Die Verwendung des Fuzzy-C-Mean-Algorithmus bei der Reliefanalyse zur Erstellung desReferenzmusters der Strahlungstemperatur bringt eine deutlich verbesserte Anpassung dessynthetischen Musters an die Fernerkundungsszene. Da viele der in der Geländeklimatologieablaufenden Prozesse sich räumlich nicht scharf abgrenzen lassen, ist ein Ansatz, mit demsolche Unschärfen beschrieben werden können, für Modellansätze sehr geeignet.

Die Koppelung des Referenzmusters an die Meßdaten der REKLIP-Stationen bringt eben-falls zufriedenstellende Ergebnisse. Die mit der Methode berechneten Flächendatensätzesind plausibel und korrelieren gut mit den gemessenen Werten. Ein Vorteil dieser Methodebesteht in den kurzen Rechenzeiten zur Modellierung unterschiedlicher Situationen, wenndas synthetische Muster schon vorliegt. Zur Beantwortung der in der Geländeklimatologiewichtigen Frage nach den Auswirkungen von Landnutzungsänderungen auf klimatischeGrößen ist das vorgestellte Modell deshalb ein gutes Werkzeug. Eine verbesserte Anpassungvon Modellierung und Meßergebnissen ließe sich durch ein noch dichteres Meßnetz, durchdas mehr CoForm-Klassen repräsentiert werden, erreichen. Eventuell brächten Meßstationenüber Wäldern, die für den Untersuchungsraum typisch sind, eine Verbesserung der Anpas-sungen.

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Die Abschätzung der Kaltluftproduktionsraten aus den Flächendatensätzen der Strahlungs-bilanz für ein gesamtes Einzugsgebiet oder einzelne Teilräume, liefert interessante Resultate.Sie decken sich mit den Ergebnissen anderer Autoren (siehe Kapitel 4.2), die z.T. mit deut-lich aufwendigeren, rechenzeitintensiveren Modellen arbeiten. Auch Feldmessungen bele-gen, daß die mit der vorgestellten Methode errechneten Kaltluftproduktionsraten realistischeGrößen besitzen. Ein großer Vorteil der vorgestellten Methode ist die einfache Umsetzungund die kurze Rechenzeit, so daß sie für Planungszwecke, etwa um die Auswirkungen vonLandnutzungsänderungen auf die Kaltluftproduktion abzuschätzen, sehr geeignet ist.

Bei dem verwendeten Modellansatz sind die Ergebnisse jedes einzelnen Teilschritts kontrol-lierbar, im Gegensatz zu komplexeren numerischen Modellen. Bei diesen können kleine Än-derungen in den initialisierenden Datensätzen zu großen Abweichungen der berechnetenDatensätze führen, ohne daß das Wirkungsgefüge, mit dem der einzelnen Parameter das Ge-samtergebnis beeinflußt, offensichtlich ist. Die Transparenz im Rahmen dieser Arbeit vorge-stellten Methode ermöglicht es dem Nutzer, an jedem Teilschritt die Zwischenergebnisse zubeurteilen und eventuelle Artefakte des Modellergebnisses zu erkennen. Auch ist es dadurchmöglich, an den einzelnen Teilschritten gewünschte Vereinfachungen vorzunehmen oderzusätzliche Module einzusetzen. So könnte zum Beispiel die Gegenstrahlung mit einem an-deren Modell als mit LOWTRAN gerechnet werden. Des weiteren wäre z.B. die Integrationeines Datensatzes mit unterschiedlichen Bodenwärmeströmen in Abhängigkeit von geologi-schen und/oder pedographischen Eigenschaften vergleichsweise einfach zu realisieren.

Da es bei den vorliegenden Daten nicht in jedem Fall auf den ersten Blick ersichtlich war, obeine große Abweichungen zwischen Stationsmessung und Modellergebnis durch Artefaktedes Modells verursacht wurden, oder ob es sich um Fehlmessungen an der Station handelte,wäre insgesamt eine noch verbesserte Genauigkeit bei der Messung klimatologischer Größenwünschenswert. Die Ausstattung eines zukünftigen Meßnetzes mit belüfteten Strahlungs-messern könnte beispielsweise die Anzahl der nicht durch Taufall auf den Meßgeräten ver-fälschten nächtlichen Meßwerte deutlich erhöhen.

Eine Modellierung klimatischer Größen ist auf zuverlässige Daten für die Initialisierung an-gewiesen und braucht exakte Werte für die Validierung der Ergebnisse. Dies gilt auch fürden hier beschriebenen Ansatz. Auffälligkeiten oder Artefakte bei der Modellierung könneneinfacher entdeckt werden, wenn die Daten der Vergleichsmessungen verläßlich sind. DieserTatsache wird leider zu oft nicht die notwendige Aufmerksamkeit gewidmet.

Ein weiterer Punkt der angesprochen werden muß, ist die Frage der räumlichen Auflösung.Der vorgestellte Ansatz zur Erstellung von Flächendatensätzen klimatologischer Größengeht davon aus, daß es für einen bestimmten Raum ein charakteristisches Muster der nächtli-chen Ausstrahlung in wolkenfreien Nächten gibt, dessen Grundmuster weitgehend zeitinva-riant ist und zwar sowohl im Verlauf eines Jahres als auch während einer Nacht (nach einergewissen Übergangszeit nach Sonnenuntergang). Diese Annahme wird, wie in Kapitel 2dargestellt, aus der Betrachtung von zahlreichen Thermal-Luftbildern und älteren, schlechter

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aufgelösten Satelliten-Szenen (HCMM), sowie aus den Arbeiten anderer Autoren gewonnen(siehe Kapitel 1.1 und Kapitel 2). Im Rahmen dieser Arbeit hat sich gezeigt, daß ein Modelldas auf dieser Annahme basiert gute Ergebnisse liefert. Zur weiteren Validierung und gege-benenfalls Modifizierung des Modellansatzes wäre es wünschenswert mehrere räumlichhochaufgelöste Nachtaufnahmen zu vergleichen, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten imLaufe der Nacht aufgenommen wurden. Dadurch könnten leichte Abweichungen bei derAnpassung, die beispielsweise darauf beruhen, daß eine Meßstation im Laufe der Nacht ineinem Kaltluftsee „ertrinkt“ und daraufhin die Meßwerte andere Charakteristika aufweisenals im Zeitraum zuvor, berücksichtigt werden. Auch ein Vergleich der Muster der Strahlung-stemperatur, die Aufnahmen aus unterschiedlichen Monaten im Jahr zeigen, wäre interessantum den Einfluß von veränderter Landnutzung zu dokumentieren. Dies ist im Rahmen dieserArbeit nicht erfolgt, da für den Untersuchungsraum keine weiteren wolkenfreie, räumlichhoch aufgelöste Nacht-Thermalaufnahmen existieren. In Zukunft ist zu hoffen, daß neueSatelliten, wie beispielsweise der japanische ASTER, solche Aufnahmen liefern werden.

Diese Satelliten haben dann auch gegenüber der hier verwendeten Landsat-TM-Thermalaufnahme eine deutlich verbesserte räumliche Auflösung. Unter Verwendung dieserDaten könnte die Ableitung der CoForm-Klassen noch differenzierter erfolgen und somitlokale klimatologische Prozesse wie etwa Hangwinde noch besser erfaßt werden. Es ist zuerwarten, daß dadurch eine Verbesserung der Korrelation des synthetischen Verteilungsmu-sters der Ausstrahlung mit der Satellitenaufnahme erreicht wird. Mit einer verbessertenräumliche Auflösung werden auch Prozesse in einem lokalen Maßstab erfaßt, die bei dervorliegenden Auflösung nicht aufgelöst werden können. Da diese Prozesse Einfluß auf dieAusprägung der Meßwerte an den Stationen haben, ist durch eine bessere räumliche Auflö-sung eine verbesserte Korrelation des synthetischen Musters mit den Stationswerten zu er-warten.

Ein weiterer Punkt der diskutiert werden sollte, ist die Wahl der Reliefparameter. Für dasTestgebiet brachten die in dieser Arbeit vorgestellten Reliefparameter, die neben der Gelän-dehöhe vor allem die Höhenunterschiede in der Umgebung eines Geländepunktes berück-sichtigen, die besten Ergebnisse. Für ein Testgebiet mit einer anderen Topographie könneneventuell andere Umgebungsgrößen als die in dieser Arbeit verwendeten gewählten optimalsein. Des weiteren sind auch andere Reliefparameter denkbar, etwa die Erfassung der Hö-henunterschiede nur in dem Einzugsgebiet eines betrachteten Geländepunktes. Dadurchkönnten auch die Auswirkungen unterschiedlicher Landnutzungen im Einzugsgebiet stärkerberücksichtigt werden. In dieser Arbeit wurde davon abgesehen, da es bei Kaltluftabflüssendurchaus zu Staueffekten und daraus resultierendem Überströmen von den aus einem DGMabgeleiteten Einzugsgebietsgrenzen kommen kann. Eine Berücksichtigung dieser Überströ-mungen führt schnell zu sehr komplexen Algorithmen. Des weiteren können sich kleineFehler im DGM bei der Abgrenzung von Einzugsgebieten deutlich stärker auswirken, als beider in dieser Arbeit vorgestellten Methode der Aufsummierung von Höhendifferenzen in derUmgebung eines Geländepunktes.

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Für eine genaue Untersuchung des Einflusses von unterschiedlicher Landnutzungsanteile inden Einzugsgebieten ist die Zahl der REKLIP-Meßstationen zu gering. Aus diesen Gründenwurde der etwas einfachere Ansatz der Betrachtung von verschieden großen Umgebungenum jeden Geländepunkt verwendet, der jedoch recht zufriedenstellende Resultate lieferte.

Als eine der wesentlichen Erkenntnisse dieser Arbeit ist festzuhalten, daß bei einer Regiona-lisierung von klimatologischen Parametern in einem Gebiet mit differenzierter Topographieunbedingt die Reliefform und die darauf vorhandene Landnutzung zu berücksichtigen sind.Diese beiden wesentlichen Landschaftsparameter, deren Ausprägung den Energieumsatzentscheidend beeinflußt, sind, soweit möglich, in ihrer Kombination zu betrachten (CoForm–Kassen). Ansätze, die nur von einfachen linearen Beziehungen, wie z.B. zwischen Gelän-dehöhe und Strahlungstemperatur ausgehen, greifen zu kurz und entsprechen nicht mehr demStand der Forschung.

Da die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Methode in dem gewählten Untersuchungsge-biet, mit seiner der weiten Variabilität von Topographie und Landnutzungen gute Resultatelieferte, wäre es sinnvoll sie auf anderen Gebiete mit unterschiedlichen Topographien undLandnutzungen anzuwenden.

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6 Zusammenfassung

In dieser Arbeit wird eine Methode zur Erstellung von Flächendatensätzen der Oberflächen-temperatur, der Strahlungsbilanz und der Kaltluftproduktion in Strahlungsnächten entwik-kelt. Als Testgebiet dient das Oberrheintiefland von Basel bis Karlsruhe mit den umgeben-den Mittelgebirgen Jura, Vogesen und Schwarzwald. Es entspricht dem Gebiet des Regio-Klima-Projektes (REKLIP).

Der in der Arbeit verwendete Ansatz geht davon aus, daß sich in Strahlungsnächten charak-teristische Muster der Strahlungstemperatur ausprägen. Diese werden im wesentlichen durchdas Relief und die Landnutzung des Raumes geprägt. In Strahlungsnächten aufgenommeneThermalbilder zeigen diese charakteristische Verteilung der Strahlungstemperatur. DieGrundstruktur dieses Musters für ein bestimmtes Gebiet ist weitgehend unabhängig von derJahreszeit solange sich die Landnutzung nicht wesentlich ändert. Nur die absoluten Beträgeder Strahlungstemperatur sowie die Differenzen zwischen den einzelnen Klassen variieren inAbhängigkeit von den meteorologischen Randbedingungen. In dieser Arbeit wird ein syn-thetisches Muster der Strahlungstemperatur durch eine Reliefanalyse aus einem digitalenGeländemodell unter Einbeziehung der Landnutzung erstellt. Dieses synthetische Muster istan das reale Muster der Strahlungstemperaturen einer Nacht-Thermalaufnahme des SatellitenLandsat-TM angepaßt.

In die Reliefparametrisierung geht neben der Höhe ü.N.N., die Eignung des Reliefs fürKaltluftabfluß und Kaltluftzufluß an jedem Geländepunkt ein. Dies wird durch eine Auf-summierung der Höhendifferenzen zu den Nachbarpunkten in verschieden großen Umge-bungen berücksichtigt. Das Resultat der Reliefparametrisierung sind 250 abgeleitete Relief-klassen. Bei einer Verwendung von 6 unterschiedlichen Landnutzungsklassen ergeben sichdaraus 1500 CoForm Klassen, die für die Kombination einer bestimmten Geländeform(englisch Form) mit einer dazugehörigen Landnutzung (englisch Cover) stehen. Durch Ver-wendung eines Fuzzy-Algorithmus zur Clusterung der Reliefparameter wird eine Korrelationdes synthetischen Temperaturmusters mit den Werten der Satelliten-Thermalszene vonr=0.74 erreicht.

Dieses so gewonnene synthetische Muster der Strahlungstemperatur kann an reale Meßwertevon automatischen Meßstationen gekoppelt werden. Dabei wird durch eine Transformationdes synthetischen Musters mittels einer affin-linearen Abbildung die reale Situation model-liert. Die Koeffizienten der Funktion werden aus den realen Meßwerten abgeleitet. Im Unter-suchungsraum standen dafür die Daten der 36 Energiebilanzmeßstationen des Regio-Klima-Projektes zur Verfügung, die Meßdaten in einer hohen zeitlichen Auflösung liefern. DieStandorte der Meßstationen repräsentieren die verschiedenen Raumeinheiten des Untersu-chungsgebietes. Im Rahmen der Arbeit wird auch auf die Probleme der Meßwertaufnahmeeingegangen sowie ein Verfahren zur Visualisierung und Kontrolle großer Datenmengenvorgestellt.

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Die für die Erzeugung des Datensatzes der Strahlungsbilanz benötigte Verteilung der Gegen-strahlung wird mit dem Atmosphären-Korrekturmodell LOWTRAN 7 berechnet. Die zurInitialisierung des Modells notwendigen Eingabedaten stammen aus Ballonsondenaufstiegenund von den REKLIP-Meßstationen.

Aus dem Flächendatensatz der Strahlungsbilanz lassen sich der Energieumsatz und dieKaltluftproduktion der verschiedenen Einzugsgebiete abschätzen. Die für das Zartener Bek-ken bestimmten Kaltluftproduktionsraten decken sich weitgehend mit den Ergebnissen ande-rer Autoren und werden durch die Ergebnisse von Feldmessungen gestützt. Da die von derKaltluftproduktion gespeisten Kaltluftabflüsse von großer Bedeutung für den Luftaustauschin Strahlungsnächten sind, ist der vorgestellten Ansatz für Raum- und Landschaftsplaner vonRelevanz, da er es erlaubt, schnell die Auswirkungen von Landnutzungsänderungen zu mo-dellieren.

Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß die vorgestellte Methode zur Modellierung vongeländeklimatologisch relevanten Datensätze nur geringe Anforderungen an die Rechnerka-pazitäten stellt und gute Ergebnisse liefert. Da in der Geländeklimatologie die Abschätzungder Folgen eines Landnutzungswandels ein zentrales Forschungsgebiet ist, stellt die imRahmen dieser Arbeit entwickelte Methode zur Modellierung von Flächendatensätzen kli-matologischer Parameter in Strahlungsnächten einen wichtigen Beitrag dar. Sie ist aufgrundder genannten Vorteile auch für Raumplaner und kommunale und regionale Entscheidungs-träger interessant.

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7 Summary

In this paper, a method is presented to compute the spatial distribution of surface tempera-ture, net radiation and cold air production obtained on cloudless nights. The method wastested on the region of the Regio-Klima-Projekt (REKLIP) which covers the Upper RhineValley from Basle to Karlsruhe and the adjacent the mountains of the Black Forest, the Vos-gues and the Jura.

The approach for this method is based on the assumption that, on cloudless nights with lowwind speed, different characteristic patterns of radiation temperature can be obtained fordifferent areas. It is a pattern that primarily depends on the relief and the landuse within anarea. The characteristic distribution of the radiation temperature was derived from remotesensing thermal images obtained on cloudless nights with low wind speed. The basic struc-ture of these patterns for different areas do not depend on the time of the year, as long as thelanduse does not change considerably. It is only the level of temperature and the total differ-ence between levels of various regional classes that differ due to meteorological factors. Inthis paper, the characteristic radiation temperature patterns were described by a relief analy-sis based on data from a digital terrain model (DTM), while data on landuse were likewiseconsidered. Further, the pattern was adjusted to nocturnal thermal satellite images fromLANDSAT TM.

Next to absolute height above sea level, the potential of cold air drainage and supply of coldair at any point within the DTM must also be taken into account when establishing parame-ters for the relief. This potential was obtained from the total of differences in altitude be-tween the centre of a raster and its various surroundings. Based on these parameters,250 different relief classes were derived. By combining these 250 relief classes with6 landuse classes, 1500 CoForm (Cover and Form) classes were gained. Based on a fuzzy –cluster algorithm approach, the correlation between the synthetic pattern of the CoFormclasses and the surface temperature of the satellite image was r = 0.74.

The synthetic pattern of the radiation temperature was then linked with the measurementdata collected at automatic measurement stations. According to the measured data the patternwas linearly transformed. Within the test area, the data were collected at 36 REKLIP meas-urement stations, which provided measurement data in high temporal resolution. The loca-tions of the measurement stations were chosen so as to represent different relief units withinthe test area. The problems occurring with the collection of measurement data are consideredin this paper. Further, an approach for the visualisation of large amount of measurement datais presented.

In order to create a spatial pattern of net radiation, the counter radiation was computed withthe atmospheric model LOWTRAN 7. The input parameters for the model were derivedfrom balloon soundings and from the data collected at REKLIP measurement stations. Basedon the assumption that the radiation balance at night is closely related to the production ofcold air, the spatial dataset of the net radiation then shows the location of areas with high

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cold air production. The production rates of cold air estimated for the Zartener Becken, forinstance, agreed with the results described by various authors, as well as with the results ob-tained from ground measurement data.

The approach presented in this paper is relevant to urban settlement and landscape planning.The areas with high cold air production are the strongest sources of cold air drainage flowsin cloudless nights with low wind speed. These areas, therefore, are of great importance forthe thermal comfort and air hygienic situations in urban settlements. Based on this approach,the consequences of changes in landuse can be readily simulated.

The method presented is further advantageous, as it requires only small resources of com-puting power, while providing reliable and informative results.

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8 Résumé

Cette thèse présente une méthode permettant de développer des données sur la températureen surface, le bilan de rayonnement et la production de l'air froid durant les nuits claires. Larégion d'expérimentation est la vallée du Rhin de Bâle à Karlsruhe avec les montagnesmoyennes, le Jura, les Vosges et la Forêt Noire. C'est la région du Projet climatique "RE-KLIP (Regio-Klima-Projekt).

La méthode prend pour base qu'il existe différents types caractéristiques de température derayonnement dans les nuits claires. Ces types de température rayonnante sont essentiellementliés au relief et à l'occupation du sol. Des photos thermiques nocturnes montrent cette répar-tition caractéristique de la température de rayonnement. La structure de base de ces typespour une région définie est largement indépendante de la saison si l'occupation du sol nechange pas fondamentalement. Seul les montants absolus de la température du rayonnementet les différences entre les classes varient suivant les conditions marginales météorologiques.Cette thèse présente un type synthétique de la température du rayonnement par une analysedu relief d'un modèle digital concernant l'occupation du sol. Cet indicateur est adapté au typeréel des températures du rayonnement d'une photo thermique de nuit du satellite "Landsat-TM".

Pour définir les paramètres du relief outre que l'altitude sur N.N. (niveau de la mer) l'aptitudedu relief pour l'écoulement et l'affluence de l'air froid à tous les points du relief sont respec-tée. Ceci est effectué par la somme des différences d'altitudes par rapport aux points voisinsdans des différents environs. La modélisation du relief retient 250 classes. Avec 6 différentesclasses d'occupation du sol il en découle 1500 classes "CoForm", qui marquent une certainecombinaison de la forme du relief (angl. Form) avec une certaine occupation du sol (angl.Cover). En utilisant un "Algorythme Fuzzy" pour obtenir des cluster des paramètres du reliefon obtient une corrélation de l'indicateur de la température avec les données de la scènethermale du satellite de r = 0,74.

Cet indicateur de la température du rayonnement peut être lié à des données réelles des sta-tions climatiques automatiques en modulant la situation réelle grâce à une transformation dutype synthétique par reproduction linéaire. Les coefficients de cette fonction sont dérivés desdonnées réelles. Dans la région d'expérimentation les 36 stations climatologiques du projet"REKLIP" ont été disponibles, et ont livré des données en chronologie détaillée. Les postesdes stations climatologiques représentaient les différents sortes du relief dans la région d'ex-périmentation. Dans le cadre de cette thèse, les problèmes de mesurage sont discutés et leprocessus de la visualisation et du contrôle des grands masses de données est présenté.

La répartition du contre-rayonnement pour obtenir le bilan du rayonnement est calculé avecle modèle-atmosphérique "LOWTRAN 7". Les données indispensables pour initialiser lemodèle viennent des ballons-climatiques et des stations climatologiques "REKLIP".

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Les données du bilan de rayonnement sont la base de calcule du bilan énergétique et de laproduction d'air froid des différents secteurs de perception. Les acomptes de la productiond'air froid pour le "Zartener Becken" (à l'Est de Fribourg en Br.) sont presque conformesavec les résultats d'autres auteurs et sont confirmés par les mesures. Parce que les écoule-ments d'air froid alimenté par la production d'air froid, sont de grande importance pourl'échange d'air dans les nuits claires, la méthode est pertinente pour l'aménagement du terri-toire, parce qu'elle permet de modeler rapidement les conséquences des changements de l'oc-cupation du sol.

En résumé la méthode présentée dans cette thèse ne nécessite pas de gros traitements infor-matiques tout en donnant des bons résultats. Dans la domaine de la climatologie du relief,l'évaluation des conséquences des changements dans l'occupation du sol est une domainemajeur de la recherche. Cette méthode de modélisation des données des paramètres clima-tologiques durant les nuits claires est une contribution importante à la recherche. Elle estgrâce à ses avantages cités précédemment également intéressante pour l'aménagement duterritoire et pour des responsables communaux et régionaux.

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9 Literaturliste

AVISSAR, R. & MAHRER, Y. (1988): Mapping frost sensitive areas with a three-dimensional local-scale numerical model. Part I: Physical and numerical aspects. Journal of Applied Meteorolo-gie, 27, 400-413.

BALL, G.H. & D. HALL (1965): A novel method of Data Analyses and Pattern Classification, Stan-ford Research Institute; Menlo Park, California

BÄHR, H.-P. (HRSG.) (1998): Digitale Bildverarbeitung: Anwendung in Photogrammetrie, Kartogra-phie und Fernerkundung. Heidelberg , 1998.

BAUMGARTNER, A (1963): Einfluß des Geländesauf Lagerung und Bewegung der nächtlichen Kalt-luft.- In: SCHELLE, F. (1963): Frostschutz im Pflanzenbau, Bd. 1, = Die meteorologischen undbiologischen Grundlagen der Fostschadensverhütung, Offenbach a. M., S.152-194

BANZHAF, E. & GOSSMANN, H. & SAURER, H. (1993): Die Modellierung der Wärmebelastung alsBeitrag zur bioklimatischen Raumbewertung Mainfrankens. - Würzburger Geographische Ar-beiten, Festschrift Herold: 12. S.

BENICHOUT, P. (1987): Annual and interannual variability of statistical relationships between preci-pitation and topography in mountainous area. 10. conference on probability and statistics inatmospheric sciences, Oct., p. 273-278, Edmonton, Canada.

BEZDEK, J. C.(1992): Fuzzy Models for Pattern Recognition. IEEE Press, New Ycork.

CARL, T. (1994): Blueflow. Ein empirischen Modell zur Simulation der Minimumtemperaturen inStrahlungsnächten. Erlangener Geographische Arbeiten, 54, 166 S.

DUTTMANN, R. & TH. MOSIMANN (1994): Modellierung klimaökologischer Prozeßgrößen mit demgeoökologischen Informationssystem GOEKIS. Empirisch-statistische Modelle zur flächen-haften Abbildung von Klimaparametern. Geosynthesis, H. 6, 76 S..

EIMERN VAN, J & H. HÄCKEL (1984): WETTER UND KLIMAKUNDE. EIN LEHRBUCH DER

AGRARMETEOROLOGIE. STUTTGART.

ENDERS, G. (1979): Theoretische Topoklimatologie. Forschungsbericht Nationalpark Berchtesgar-den 1, Berchtesgarden.

ERNST, S. (1994): Eine REKLIP-Energiebilanzstation. PIK Reports No. 1, 3. Deutsche Klimatagung,Potsdam 11.-14.4.1994, S 70-72.

ERNST, S. (1995): Tagesperiodische Windsysteme und Belüftungsverhältnisse in Freiburg i.Br. -Planungsrelevante Aspekte eines Bergwindsystems.- Freiburger Geographische Hefte 49.

FEIGENWINTER, C. (1994): Die räumliche Variabilität des Strahlungshaushaltes im REKLIP-Messnetz an Strahlungstagen mit besonderer Betrachtung der verwendeten Pyrradiometer. Di-plomarbeit MCR Lab, Universität Basel.

FEZER F. (1975): Lokalklimatische Interpretation von Thermalbildern. - Bildmessung und Luftbild-wesen 43, 152.

FIEDLER, F. (1987): Unterschiedliche Flächennutzung als Klimafaktor. – Promet, 3/4, 12-17.

FIEDLER, F. (1992): Das Regio-Klima-Projekt. Wie regeln die natürlichen Energieumsetzungen dasKlima in einer Region? – KFK-Nachrichten Kernforschungszentrum Karlsruhe, 24, H. 3,S. 125-131.

83

FRANKEN, E. (1970): Geländeklimakartierung eines Meßtischblattes am Beispiel der Forstgefähr-dung des Bereiches Ahrensburg. = Berichte des Deutschen Wetterdienstes, 119, Offenbach a.M. 38 S.

FREMEREY, S. (1999): Kabel und Nerven. Wahrnehmung und Gedächtnis als Vorgänge der Daten-verarbeitung. = CT, 20, 94-97.

GEIGER, R. (1961): Das Klima der bodennahen Luftschicht, Braunschweig.

GERTH, W.-P. (1986): Klimatische Wechselwirkungen in der Raumplanung bei Nutzungsänderun-gen. = Berichte des Deutschen Wetterdienstes, Nr. 171, Offenbach a. M., 69 S.

GERTH, W.-P. (1987): Anwendungsorientierte Erstellung großmaßstäbiger Klimaeignungskarten fürdie Regionalplanung. = Berichte des Deutschen Wetterdienstes, Nr. 173, Offenbach a. M.,30 S.

GOSSMANN, H. (1984): Satelliten-Thermalbilder, Ein neues Hilfsmittel für die Umweltforschung?Hrsg: Bundesforschungsanstalt für Landeskunde und Raumordnung, Reihe Fernerkundung inRaumordnung und Städtebau, 16.

GOSSMANN, H. (1987): Thermalbilder und Oberflächentemperaturen, Geomethodica, 12, 117-149.

GOSSMANN, H. & SAURER, H. & SCHEER, M. (1988): Oberflächentemperaturmessungen aus Satelli-ten als Beitrag zur Erfassung der Transport- und Depositionsbedingungen von Luftschadstof-fen in Wäldern. Projekt Europäisches Forschungszentrum für Maßnahmen zur Luftreinhaltung(PEF), Forschungsbericht KfK-PEF 46, Karlsruhe 1988.

GOSSMANN, H. (1991): Die Nutzung Geographischer Informationssysteme in der Angewandten Kli-matologie. - Geo-Informations-Systeme 4: 3-7.

GOSSMANN, H. & BANZHAF, E. & KLEIN, G. (1993): Regionalisierung ökologischer Daten - alteAufgaben, neue Lösungswege. Das Freiburger Regionalisierungsmodell FREIM. - WürzburgerGeogr. Arbeiten, 87: 399-417.

GROSS, G. (1985): Numerische Simulation nächtlicher Kaltluftabflüsse und Tiefsttemperaturen ineinem Moselseitental.- Meteorol. Rdsch., Bd. 38, H 6, S. 161-171.

GROSS, G. (1987): Thermische Windsysteme im Mittelgebirge. Promet, 17, S. 36- 39.

GROSS, G. (1989): Numerical Simulation of the Nocturnal Flow Systems in the Freiburg Area forDifferent Topographies. - Beiträge zur Physik der Atmosphäre, 62, 1, S. 57-72.

HAUF, T. & WITTE, N. (1985): Fallstudie eines nächtlichen Windsystems. Meteorologische Rund-schau, 38, S. 33-42.

HEIMANN, D. ET AL.(1988): Numerische Simulation von Kaltluftabflüssen im Raum Wiesbaden.Wiesbaden. 47 S..

HESS, M (1984): A Method of Characterizing the Thermal Relations in Mountainous Areas.- In: GeoJournal, Bd. 8, H. 3

INNENMINISTERIUM BADEN-WÜRTTENBERG (Hrsg.) (1990): Städtebauliche Klimafibel. Hinweise fürdie Bauleitplanung, Folge 1, Stuttgart.

KESSLER A. (1983): Die Beeinflussung des Wärmehaushalts durch Veränderung der Bodennutzung.In.: Regionalverband südlicher Oberrhein (Hrsg.): Klima am südlichen Oberrhein. Erkenntnis-se für die Raumordnung, 29-33; Freiburg.

84

KING, E. (1973): Untersuchungen über kleinräumige Änderungen des Kaltluftabflusses und derFrostgefährdung durch Straßenbauten. Ber. DWD, Nr. 130, 17, Offenbach.

KLEIN, G. (1994): Regionalisierung von Niederschlag mit Hilfe digitaler Geländeformen. Entwick-lung eines geoökologischen Modells zur routinemäßigen Ableitung hochauflösender Nieder-schlagskarten. Freiburger Geographische Hefte Bd. 44.

KNEIZYS, F.X., SHETTLE, E.P., ABREU, L.W., CHETWYND, J.H., ANDERSON, G.P., GALLERY, W.0.,SELBY, J.B.A., CLOUGH, S.A. (1988): Users Guide to LOWTRAN 7. Air Force GeophysicsLaboratory Report, Massachusetts.

KNOCH, H.-G. (1961): Die warme Hangzone. Neue Anschauungen zur nächtlichen Kaltluftschich-tung in Tälern und Hängen. – Z. Meteor., 15, 161-171.

KONDO J, & N. OKUSA (1990): A simple Numerical Prediction Model of Nocturnal Cooling in aBasin with Various Topographic Parameters. – In: J. Appl. Meteorol. 29, H. 7, S. 609-619.

LABS, D., NECKEL, H. (1984): The solar radiation between 3300 and 12500 A, Solar Phys. 90: 203-258.

LAUGHLIN, G.P. & KALMA, J.D. (1990): Frost risk mapping for landscape planning: A methodology.Theor. Appl. Climatol., 42, 41-51.

LUTZ, A. (1986): Produktion und Abfluß von Kaltluft an Hängen unterschiedlicher Vegetation inStrahlungsnächten. Zulassungsarbeit zum Staatsexamen. Institut für Physische Geographie,Freiburg.

MATTSON, J. O. & S. NORDBECK (1981): Modelling Cold Air Patterns. – In: Land Studies in Geo-graphy , Ser. A, Phyisical Geography, 59, S. 119-129.

MAHLBERG, H & G. BÖKENS (1984): Orographische Einflüsse auf die Strömungsverhältnisse imsüdlichen Oberrheingraben. Meteorologische Rundschau, 37, S. 11-15.

MEYNEN, E., SCHMIDTHÜSEN, J. (HRSG.) (1962): Handbuch der naturräumlichen GliederungDeutschlands 1953 – 1962. Bad Godesberg.

MENZ, G. (1987): Ableitung einer großmaßstäbigen Karte der Wärmebelastung im Raum Freiburg –Basel mit Hilfe von Satellitendaten. – Ein Beitrag zur Erzeugung von Bioklimakarten auf derBasis eines Geographischen Informationsystems. Freiburger Geographische Hefte, H. 27.

NOACK, E.-M. ET AL. (1986): Quatifizierung der Einflüsse von Bebauung und Bewuchs auf das Kli-ma in der urbanen Biosphäre. Forschungsbericht des BMFT, München.

NÜBLER, W. (1979): Konfiguration und Genese der Wärmeinsel der Stadt Freiburg. Freiburger Geo-graphische Hefte Bd. 16.

PARLOW, E. (1992):- DAS REGIO-KLIMA-PROJEKT REKLIP - STRUKTUR UND ZIELE. EIPOS -SCHRIFTENREIHE ZUR WISSENSCHAFTL. WEITERBILDUNG, NR. 9, S. 103-112, TU DRESDEN

PARLOW, E. (1994): Faktoren und Modelle für das Klima am Oberrhein. Das Regio-Klima-ProjektREKLIP.Geographische Rundschau, 46, 3: 160-166.

PARLOW, E. & ROSNER, H. J. (1992): Das Klima des Oberrheingrabens. In: Mäckel, R. & Metz, B.(Hrsg.): Schwarzwald und Oberrheintiefland. Freiburger Geographische Hefte, 36: 105-116.

PARLOW, E. & P. PAUL (1995) : NATURRÄUMLICHE GLIEDERUNG. IN: FIEDLER, F. : KLIMAATLAS

OBERRHEIN MITTE-SÜD, TEXTTEIL, S. 19-29, IFG OFFENBACH.

85

PARLOW, E., U. HEINZMANN & M. WÜTHRICH (1995) : LANDNUTZUNG. IN: FIEDLER, F. :KLIMAATLAS OBERRHEIN MITTE-SÜD, TEXTTEIL UND KARTENBAND, S. 35-41, IFG OF-

FENBACH.

PERRON, G. & PERRON, L. (1994): Cartographie des précipations sur le Fossé Rhénan méridional.-In: MAHERAS, P. (éd.): A.I.C., Département de Météorologie et de Climatologie, 7: 519-527;Thessaloniki.

REKLIP (1995): Klimaatlas Oberrhein Mitte-Süd. - Hrsg: Trinationale Verlagsgemeinschaft Regio-Klima-Projekt REKLIP. Wiss. Leitung: Franz Fiedler. -Offenbach-Strasbourg-Zürich, Ver-lagsgemeinschaft IFG - Coprur - vdf.

ROSNER, H.-J (1993), Geländeklimatologische Untersuchungen im Raum Feldberg-Altglashütten(Hochschwarzwald) und Regionalisierung der Ergebnisse mit Methoden der Digitalen Bildver-arbeitung. Freiburger Geographische Hefte, H. 39, 178 S..

RICHARDS, J.A. (1986): Remote Sensing Digital Image Processing. Berlin, London, New York.

SCHÄDLER, G. (1993): Simulation von Kaltluftabflüssen auf Personal Computern. -Stuttgart Hohen-heim (=Vortrag während METTOOLS II)

Scherer,D. & Bing,G. & Heinzmann, U. & Parlow,E. & Wüterisch,M.(1994): Problems and applica-tions of a LANDSAT-TM based land use classification of the trinational region of the UpperRhine Valley (Germany, France, Switzerland).- In: Vaughan, R. (ed.): Remote Sensing FromResearch to Operational Applications in the New Europe: 3-8; Springer-Hungarica.

SCHUHMANN, A. (1990): Neue Aufgaben und Möglichkeiten der Geländeklimatologie. –In: Zeit-schrift für Meteorologie., Bd. 40, H. 3, S. 151-153

STEINICKE, W. & STREIFENEDER, M. (1992): Untersuchung und Darstellung des städtischen Mikro-klimas. - Zeitschrift f. Photogrammetrie und Fernerkundung 7: 190-195.

STOCK, P (1984): Der Beitrag von Thermalbildern bei der Erstellung von Klimakarten im Ruhrge-biet, Z. Flugwiss. Weltraumforschung. 8, 335.

STULL R. (1988): An introduction to planetary boundary layer meteorology, Dodrecht.

THAMM, H.-P. (1997): Methoden der komprimierte Visualisierung von Meßdaten, TagungsbandGeoVisc Visualisierung raumbezogener Daten: Methoden und Anwendungen, 25.09.1997,Münster.

THEKEAKERA, M.P. (1974): Extra-terrestrial Solar Spectrum, 3000-6100 A at 1 A Intervalls. Appl.Opt. 13: 518-522.

TOU, J. T. & GONZALES, R. C. (1974): Pattern Recognition Principles Reading. Addison-WesleyPublishing Company, Massachusetts.

TROLL, C. (1964): Karte der Jahreszeitenklimate der Erde, Erdkunde XVIII: 5-28.

VDI –KOMMISION REINHALTUNG DER LUFT, SCHIRMER H, KUTTLER W, LÖBEL J, WEBER K (HRSG)(1993): Lufthygiene und Klima. Ein Handbuch zur Stadt- und Regionalplanung.VDI-Verlag,Düsseldorf.

VDI (HRSG) (1999): Stadtklima und Luftreinhaltung, Berlin, Heidelberg, New York

VOGT, R., C. FEIGENWINTER, L. GAY & C. BERNHOFER (1995): Measurement of net radiation. An-nales Geophysicae, 13 (Suppl. II), 1995: C550.

WEISCHET, W. (1988): Einführung in die Allgemeine Klimatologie., Stuttgart.

86

ZIMMERMANN H. (1998): Check or meteorological station data. - In: Okimura, T., M. Moriyama, H.Zimmermann (Hrsg.): Klimaanalyse für die Stadtplanung, Proceedings of The Second Japane-se-German Meeting, Kobe, 25.-27.09.1997, Report of the Research Center for Urban Safetyand Security, Kobe University, Special Report No. 1, July 1998

87

10 Anhang

tur und tdr 06.08.1992, 0 Uhr - 4 Uhr

250

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310

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Stationsnummern

W/m

**2

tdrtur

Abb. A1: Mittelwerte der Gegenstrahlung (tdr) und der Ausstrahlung (tur) an den REKLIP-Stationen in der Nacht des 06.08.1992 von 0:00 Uhr bis 04:00 Uhr (MEZ).


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Stationsnummern

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Stationsnummern

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Stationsnummern

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Mittelwerte Strahlungsbilanz 06.08.1992, 0 Uhr -4 Uhr

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Str

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Abb. A5: Mittelwert der Strahlungsbilanz an den REKLIP-Stationen in der Nacht des 06.08.1992von 0:00 Uhr bis 04:00 Uhr (MEZ).


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Abb. A6 Mittelwert der Strahlungsbilanz an den REKLIP-Stationen in der Nacht des 07.08.1992von 0:00 Uhr bis 04:00 Uhr (MEZ).

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(W/m

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Abb. A9: Mittelwert des Bodenwärmestroms an den REKLIP-Stationen in der Nacht des06.08.1992 von 0:00 Uhr bis 04:00 Uhr (MEZ).


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(W/m

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Abb. A10: Mittelwert des Bodenwärmestromss an den REKLIP-Stationen in der Nacht des07.08.1992 von 0:00 Uhr bis 04:00 Uhr (MEZ).

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Mittelwert Lufttemperatur 06.08.1992, 0 Uhr - 4 Uhr

5

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(W/m

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Abb. A13: Mittelwert der Luftemperatur an den REKLIP-Stationen in der Nacht des 06.08.1992 von0:00 Uhr bis 04:00 Uhr (MEZ).


5

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(°C

)

Abb. A14: Mittelwert der Luftemperatur an den REKLIP-Stationen in der Nacht des 07.08.1992 von0:00 MEZ bis 04:00 MEZ.

94


5

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(°C

)



5

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27,5

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1 2 3 4 5 7 8 9 10 11 12 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36


(°C

)


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Verwendete Softwarepakete

Bildverarbeitung:

• IMAGINE 8.x unter UNIX auf Sun Workstation

• ARC-Info unter UNIX auf Sun Workstation

• LOWTRAN 7

• FORTRAN-Programme

• C-Programme

• COREL DRAW unter Windows NT

• COREL PHOTO-Paint unter Windows NT

• PV-WAVE unter UNIX und Windows NT

Visualisierung:

• PV-WAVE unter UNIX und Windows NT

• GIMP unter UNIX auf Sun Workstation

• xfig unter UNIX auf Sun Workstation

• Excel unter Windows NT

Textverarbeitung

• Microsoft WORD unter Windows NT

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Tafel 1: Beschreibung der REKLIP-Meßstationen

Nr. Stationsname Betreiber geogr. Länge geogr. Breite Höhe ü.NN(m)

1 Hornenberg IMK 8° 8‘ E 48° 39‘..... 3372 Freistett IMK 7° 58‘ E 48° 40‘..... 1313 Plittersdorf IMK 8° 10‘ E 48° 53‘ N 1134 Sasbach IMK 8° 5‘ E 48° 39‘ N 1375 Freiolsheim IMK 8° 21‘ E 48° 52‘ N 4876 Hornisgrinde IMK 8° 12‘ E 48° 37‘ N 11577 Karlsdorf IMK 8° 32‘ E 48° 8‘ N 1108 Bellheim IMK 8° 16‘ E 49° 11‘ N 1299 Bergzabern IMK 8° 0‘ E 49° 7‘ N 21510 Elsenz IMK 8° 51‘ E 49° 11‘ N 21711 Linkenheim IMK 8° 24‘ E 49° 10‘ N 9912 Kraichtal IMK 8° 44‘ E 49° 10‘ N 20413 Lauterbourg MTF 8° 10‘ E 48° 58‘ N 11014 Hegeney MTF 7° 44‘ E 48° 53‘ N 18015 La Wantzenau MTF 7° 49‘ E 48° 40‘ N 12816 Pfettisheim MTF 7° 39‘ E 48° 40‘ N 15517 Selestat MTF 7° 29‘ E 48° 16‘ N 17318 Soulzeren MTF 7° 7‘ E 48° 5‘ N 76019 Colmar MTF 7° 33‘ E 48° 7‘ N 20020 Algolsheim MTF 7° 32‘ E 48° 0‘ N 19821 Burnhaupt MTF 7° 8‘ E 47° 44‘ N 30422 Fischingen GIB 7° 36‘ E 47° 39‘ N 26423 Lange Erlen GIB 7° 39‘ E 47° 35‘ N 22524 Gupf GIB 7° 35‘ E 47° 42‘ N 36025 Gempen GIB 7° 40‘ E 47° 28‘ N 71026 Oberservatorium GIB 7° 35‘ E 47° 32‘ N 32027 Muesbach GIB 7° 22‘ E 47° 34‘ N 45028 Ettenheim IPG 7° 47‘ E 48° 16‘ N 16729 Freiamt IPG 7° 52‘ E 48° 11‘ N 44030 Elzach IPG 8° 7‘ E 48° 12‘ N 45031 Ebnet IPG 7° 55‘ E 47° 59‘ N 33032 Titisee IPG 8° 10‘ E 47° 55‘ N 87033 Hartheim MIF 7° 36‘ E 47° 57‘ N 20134 Bremgarten MIF 7° 37‘ E 47° 55‘ N 21235 Geiersnest MIF 7° 51‘ E 47° 55‘ N 87036 Feldberg MIF 8° 0‘ E 47° 53‘ N 1493

97

Tafel 2: Darstellung der Umgebung der REKLIP-Meßstationen Nr. 1 - Nr. 12

Nr. 1

Hornenberg

337 m ü.NN

Nr. 2

Freistett

131 m ü.NN

Nr. 3

Plittersdorf

113 m ü.NN

Nr. 4

Sasbach

137 m ü.NN

Nr. 5

Freiolsheim

487 m ü.NN

Nr. 6

Hornisgrinde

1157 m ü.NN

Nr. 7

Karlsdorf

110 m ü.NN

Nr. 8

Bellheim

129 m ü.NN

Nr. 9

Bergzabern

215 m ü.NN

Nr. 10

Elsenz

217 m ü.NN

Nr. 11

Linkenheim

99 m ü.NN

Nr. 12

Kraichtal

204 m ü.NN

98


Nr. 13

Lauterbourg

110 m ü.NN

Nr. 14

Hegeney

118 m ü.NN

Nr. 15

Le Wantzenau

128 m ü.NN

Nr. 16

Pfettisheim

155 m ü.NN

Nr. 17

Selestat

173 m ü.NN

Nr. 18

Soulzeren

760 m ü.NN

Nr. 19

Colmar

200 m ü.NN

Nr. 20

Agolsheim

198 m ü.NN

Nr. 21

Burnhaupt

304 m ü.NN

Nr. 22

Fischingen

264 m ü.NN

Nr. 23

Lange Erlen

225 m ü.NN

Nr. 24

Gupf

360 m ü.NN

99


Nr. 25

Gempen

710 m ü.NN

Nr. 26

Observatorium

320 m ü.NN

Nr. 27

Muesbach

450m ü.NN

Nr. 28

Ettenheim

167 m ü.NN

Nr. 29

Freiamt

440 m ü.NN

Nr. 30

Elzach

450 m ü.NN

Nr. 31

Ebnet

330 m ü.NN

Nr. 32

Titisee

870 m ü.NN

Nr. 33

Hartheim

201 m ü.NN

Nr. 34

Bremgarten

212 m ü.NN

Nr. 35

Geiersnest

870 m ü.NN

Nr. 36

Feldberg

1493 m ü.NN

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