Technische Universität Dresden

Fakultät für Forst-, Geo-, Hydrowissenschaften

Institut für Hydrologie und Meteorologie

Vertiefungspraktikum Hydrologie / Meteorologie im Sommersemester 1999

Betreuer: Dr. Valeri Goldberg

Nachbearbeitung des Praktikums und Auswertung der Meßergebnisse

Melpitz 16.08.-21.08.1999

Bearbeiter:

Katja Albrecht Matrikelnr.: 2476064

Bettina Ketzer Matrikelnr.: 2514503

Antje Tittebrand Matrikelnr.: 2476654

Hagen von Gostomsky Matrikelnr.: 2491679

Dresden, 22.08.2000

2

Inhalt:

TABELLEN- UND ABBILDUNGSVERZEICHNIS: 3

1. EINLEITUNG 4

VERLAUF UND DURCHFÜHRUNG 9ASSMANN-VERGLEICHSMESSUNGEN 10OBERFLÄCHENHOMOGENITÄT 12WETTER UND KOMPLIKATIONEN 12

2. DATENAUSWERTUNG 13

2.1. STRAHLUNG 132.1.1. GLOBALSTRAHLUNG 152.1.2. LANGWELLIGE GEGENSTRAHLUNG 182.1.3 STRAHLUNGSBILANZ 202.2 BEZIEHUNG ZWISCHEN GLOBALSTRAHLUNG UND STRAHLUNGSBILANZ 222.3 VERGLEICH VON GEMESSENER UND BERECHNETER OBERFLÄCHENTEMPERATUR 232.4 BESTIMMUNG VON H (+L.E), EINFLUß DER MEßKONFIGURATION AUF DIE TURBULENTENSTRÖME 252.5 ÜBEREINSTIMMUNG VON SATELLITENSIGNALEN UND OBERFLÄCHENINFORMATIONEN INABHÄNGIGKEIT VON DER KOPPELUNG ZWISCHEN OBERFLÄCHE UND ATMOSPHÄRE 30

3 LITERATURVERZEICHNIS: 31

3

Tabellen- und Abbildungsverzeichnis:

Abbildung 1: Räumliche Einordnung der Meßstation Melpitz (Erisman et. al., 1996) ...........................................4Abbildung 2: Skizze des Meßfeldes ........................................................................................................................5Abbildung 3: Meßfeld .............................................................................................................................................6Abbildung 4: Strahlungsmeßgestell.........................................................................................................................6Abbildung 5: Aufbau des Strahlungsmeßgestelles (Skizze nicht maßstabsgetreu) .................................................7Abbildung 6: Meßturm ............................................................................................................................................8Abbildung 7: USA Abbildung 8: HMP35.........................................................................................................9Abbildung 9: Assmann-Vergleichsmessung..........................................................................................................10Abbildung 10: Messungen zur Oberflächenhomogenität ......................................................................................12Abbildung 11: Eppley-Pyrgeometer Abbildung 12: Pyranometer CM21.........................................................14Abbildung 13: CNR1.............................................................................................................................................14Abbildung 14 : NR-Lite.........................................................................................................................................14Abbildung 15 : Vergleich Globalstrahlung............................................................................................................15Abbildung 16: Globalstrahlung am 17.08.99.........................................................................................................16Abbildung 17: Differenz der Globalstrahlungsmesser...........................................................................................17Abbildung 18: Regression Globalstrahlung...........................................................................................................17Abbildung 19: Vergleich langwellige Gegenstrahlung..........................................................................................18Abbildung 20: Differenz langwellige Gegenstrahlung ..........................................................................................19Abbildung 21: Regression der langwelligen Gegenstrahlung................................................................................19Abbildung 22: Vergleich Strahlungsbilanz............................................................................................................20Abbildung 23: Differenz der Strahlungsbilanz ......................................................................................................21Abbildung 24: Regression Strahlungsbilanz..........................................................................................................21Abbildung 25: Vergleich Globalstrahlung – Strahlungsbilanz ..............................................................................22Abbildung 26: Regression Globalstrahlung - Strahlungsbilanz.............................................................................22Abbildung 27: Vergleich der Oberflächentemperatur ...........................................................................................23Abbildung 28: Differenz Oberflächentemperatur..................................................................................................24Abbildung 29: Vergleich gemessene Globalstrahlung – Satellitendaten vom 17.-21.08.1999..............................30

Tabelle 1 : Strahlungsmeßgeräte ...........................................................................................................................13

4

1. EinleitungVom 16. bis 27. August 1999 wurde in Melpitz ein meteorologisches Meßpraktikum

durchgeführt.

Melpitz befindet sich in 51°32´ nördliche Breite und 12°54´ östliche Länge circa 41 km von

Leipzig entfernt in einer Höhe von 87m über Null (siehe Abbildung 1).

Abbildung 1: Räumliche Einordnung der Meßstation Melpitz (Erisman et. al., 1996)

Seit Mai 1992 finden hier durch das Institut für Troposphärenforschung und das

Umweltbundesamt meteorologische und einige chemische Messungen statt.

Das sehr ebene Relief und der großflächige homogene Bewuchs auf dem Meßfeld,

vorwiegend bestehend aus Lolium perenne (Deutsches Weidegras), Taraxacum officiniale

(Gemeiner Löwenzahn) und Leontodon autumnalis (Herbst-Löwenzahn), sind für

mikrometeorologische Experimente aufgrund eines guten „Fetch“ von Vorteil. Störende

Einflußfaktoren sind nur in Form einer circa 150m entfernten Alnus glutinosa (Erle) und einer

in circa 200m entfernten Betula pentula (Birke) gegeben.

5

Das Meßfeld mit einer Länge von rund 60m und einer Breite von rund 30m ist in Abbildung 2

dargestellt. Das Kreuz charakterisiert die Position der im Rahmen des Praktikums installierten

Geräte.

Abbildung 2: Skizze des Meßfeldes

Bauten: Sammler: Masten:

1 Container IfT–SANA I Wet-Only-Sammler A Eddy-Korrelation

5,5m

2 Container UBA II Niederschlagsschreiber

(Hellmann)

B Meteorologie-Profil

12m

3 Container IfT-DOAS III Ombrometer C Chemie-Profil 12m

4 Pumpenhaus IV Aerosol-Sammler

(PM-10 Hyge-Volume)

D Strahlung 2,0m

5 Ballonhalle E Inferential-Station

des IFU

6 SODAR F Gerüstturm

6

Abbildung 3: Meßfeld

Abbildung 4: Strahlungsmeßgestell

7

Die Abbildung 3 zeigt das Meßfeld und in Abbildung 4 ist das Strahlungsmeßgestell mit

folgenden Meßgeräten zu sehen: ein Eppley-Pyrgeometer, ein CM21-Pyranometer, ein

Strahlungsbilanzmesser NR-Lite sowie einem CNR1 mit den Bestandteilen CG3

(Pyrgeometer) und CM3 (Pyranometer). Die genaue Meßkonstellation ist aus Abbildung 5 zu

entnehmen.

Abbildung 5: Aufbau des Strahlungsmeßgestelles (Skizze nicht maßstabsgetreu)

Eppley-Radiometer Pyranometer NR-Lite PyrgeometerCG3

PyranometerCM3

1,785m 1,755m 1,700m 1,790m 1,800m

1,655m 1,645m

~ 4m

1,23m 0,61m 0,18m 0,30m

8

In Abbildung 6 ist der Meßturm dargestellt.

Abbildung 6: Meßturm

An diesem befindet sich in einer Höhe von 3,40m ein Ultraschallanemometer (USA-1) (siehe

Abbildung 7) und in 40cm Entfernung ein KH20-Krypton Hygrometer gekoppelt mit einem

Thermoelement. In 2m Höhe ist ein HMP35 zur Temperatur und Luftfeuchtebestimmung

(siehe Abbildung 8) und in 2,80m ein Infrarot-Strahlungspyrometer KT15 befestigt.

Die genaue Gerätebeschreibung ist dem Beleg der zweiten Arbeitsgruppe unter Abschnitt 2.2

zu entnehmen.

9

Abbildung 7: USA Abbildung 8: HMP35

1.1 Verlauf und DurchführungNach der Anreise fand am 16.08. der Aufbau der Geräte statt. Um 15.45Uhr (MEZ) wurde der

Logger 21X und um 17.15Uhr (MEZ) der Logger CR10 in Betrieb genommen. Die Daten

wurden täglich zweimal (gegen 10Uhr und gegen 17Uhr) mit Hilfe eines Laptops ausgelesen.

Außerdem erfolgte die Überprüfung der Batteriespannungen und die Funktionstüchtigkeit der

Meßgeräte. Wenn nötig wurden die Kalotten der Strahlungsmesser mit destilliertem Wasser

gereinigt. Des weiteren wurden täglich am Standort des HMP35 Vergleichsmessungen zur

Luftfeuchte mit Hilfe eines Assmann-Psychrometers durchgeführt (siehe Abschnitt 1.2, S.10).

Die Überprüfung und eine Erstkorrektur der gewonnenen Daten wurde vor Ort am Laptop

vorgenommen.

Alle folgenden Uhrzeitangaben beziehen sich auf die Mitteleuropäische Zeit (MEZ).

10

1.2 Assmann-VergleichsmessungenIm folgenden sollen die Kontrollmessungen zur Luftfeuchtigkeit mit einem Assmannschen

Aspirationspsychrometer vom 20.08.1999 ausgewertet werden. Es wurde eine Trocken- und

eine Feuchttemperatur gemessen (siehe Tabelle 1) und die dazugehörigen Dampfdrücke mit

Hilfe der Magnusformel ermittelt.

Mit der Formel

mit: RF relative Luftfeuchte

es,feucht Sättigungsdampfdruck der Feuchttemperatur

es,trocken Sättigungsdampfdruck der Trockentemperatur

Tfeucht Feuchttemperatur

Ttrocken Trockentemperatur

γ Psychrometerkonstante (γ=0,65 hPa/K)

erfolgte anschließend die Berechnung der aktuellen relativen Luftfeuchte.

Abbildung 9: Assmann-Vergleichsmessung

( )%100

,

, ⋅−−=trockens

feuchttrockenfeuchts

e

TTeRF

γ

11

Tabelle 1: Aufgenommene Werte zur Ermittlung der relativen Luftfeuchtigkeit

UHRZEIT TTROCKEN IN °C TFEUCHT IN °C RELATIVEFEUCHTE IN %

09:05 18,8 14,5 63,0

09: 45 19,1 14,5 61,0

10:50 21,0 15,4 55,5

11:55 21,3 14,8 49,5

12:50 18,6 14,4 63,5

13:53 19,8 14,3 54,9

14:55 19,0 14,2 59,3

16:45 20,4 15,0 58,5

In Tabelle 1 ist der Zeitpunkt der Messungen der Trocken- und Feuchttemperatur des

Assmannschen Aspirationspsychrometers sowie die mittels der oben erwähnten Formel

berechneten relativen Feuchte zusammengestellt. In den untersuchten acht Stunden sind keine

signifikanten Änderungen der relativen Luftfeuchte zu erkennen. Ein typischer Tagesgang ist

nicht erkennbar, da zu wenig Werte vorhanden sind. Auch kann kein Vergleich mit Werten

des HMP35 vorgenommen werden, da dieses am 19.08.99 funktionsunfähig wurde.

12

1.3 OberflächenhomogenitätAm 17./18.08.1999 wurde die Oberflächenhomogenität des Meßfeldes mittels eines Baby-

Schenks (Strahlungsbilanzmesser) untersucht. Die aufgetretenen Abweichungen waren auf die

Bewölkungsveränderungen zurückzuführen. Eine Abhängigkeit der

Strahlungsbilanzveränderungen vom Untergrund konnte nicht festgestellt werden.

Abbildung 10: Messungen zur Oberflächenhomogenität

1.4 Wetter und KomplikationenDas Wetter in der Woche vom 16.08.-21.08.99 war geprägt durch den Wechsel zwischen

Schönwetterabschnitten mit Cirrus- und Cumulusbewölkung (z.B. am 18.08.99) und Tagen

mit Schauern und Gewitter. In der Nacht vom 18.08. zum 19.08.99 kam es verbunden mit

einem Gewitter zu starken Sturmböen mit einer Höchstgeschwindigkeit von 23m/sec (gegen

22Uhr). Aufgrund dieses Ereignisses fiel das HMP35 aus und konnte für darauffolgende

Messungen nicht mehr verwendet werden. Unregelmäßigkeiten könnten auch beim KT15

durch versehentliches Hindurchlaufen unter der Meßfläche und einer damit verbundenen

kurzzeitigen Temperaturerhöhung aufgetreten sein. Des weiteren können geringe

Abweichungen durch das Reinigen der Kalotten der Strahlungsgeräte entstanden sein.

13

2. Datenauswertung

2.1. StrahlungIm folgenden sollen die Strahlungsgeber miteinander verglichen und eine Beziehung

zwischen der Globalstrahlung und der Strahlungsbilanz aufgestellt werden.

In Tabelle 2 sind die auszuwertenden Strahlungsmeßgeräte mit den dazugehörigen

gemessenen Strahlungskomponenten dargestellt.

Tabelle 2 : Strahlungsmeßgeräte

MEßGERÄT KURZWELLIGE

STRAHLUNG

LANGWELLIGE

STRAHLUNG

STRAHLUNGS-

BILANZ

Eppley (Abbildung x

(oberer und unterer

Halbraum)

CM3 (CNR1) x

(oberer und unterer

Halbraum)

CM21 x

(oberer Halbraum)

CG3 (CNR1) x

(oberer und unterer

Halbraum)

NR-Lite x

14

Abbildung 11: Eppley-Pyrgeometer Abbildung 12: Pyranometer CM21

Abbildung 13: CNR1

Abbildung 14 : NR-Lite

15

2.1.1. Globalstrahlung

Im folgenden sollen die nach dem gleichen Meßprinzip funktionierenden Pyranometer CM21

und CM3 miteinander verglichen werden. Hierbei handelt es sich um unkorrigierte Daten, wie

an den negativen Nachtwerten erkennbar ist. Nachts ist natürlicherweise keine

Globalstrahlung vorhanden, jedoch treten gerätebedingt geringe Meßwerte auf. Dieser

Bereich soll deshalb bei der Auswertung keine Beachtung finden.

In den Abbildungen 15, 16 und 17 ist zu erkennen, daß die von CM21 und CM3 gemessenen

Globalstrahlungswerte nur geringe Unterschiede aufweisen. An den Kurven ist ein Tagesgang

ersichtlich, der aus der Sonnenstandsänderung resultiert. Gegen Mittag wurden generell die

höchsten Werte gemessen. Allerdings unterscheiden sich die ermittelten Höchstwerte

(Schwankungsbereich von 972 bis 675W/m²) und es treten Einbrüche auf, was vermutlich auf

den Einfluß der Bewölkung zurückzuführen ist.

Abbildung 15 : Vergleich Globalstrahlung

Vergleich Globalstrahlung

-100

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

161600 170040 170920 171800 180240 181120 182000 190440 191320 192200 200640 201520 210000 210840 211720

16.-21.08.1999

W/m

²

SW-O-CM3 W/m²

SW-O-CM21 W/m²

16

Abbildung 16: Globalstrahlung am 17.08.99

Als Beispiel soll der Globalstrahlungsgang vom 17.08.99 dienen (Abb.16). Der starke

Einbruch zwischen 12.30 Uhr und 13.15 Uhr ist auf ein heranziehendes Gewitter mit

Starkregen zurückzuführen. Nach dem Duchzug dieser Front war wieder heiteres Wetter zu

verzeichnen. Erst gegen 15.00 Uhr zog erneut eine Regenfront auf, was den erneuten

Rückgang der Globalstrahlung erklärt.

Globalstrahlung am 17.08 99

-200

0

200

400

600

800

1000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400

Uhrzeit

Rg

in W

/m²

Rg des CM21

17

Abbildung 17: Differenz der Globalstrahlungsmesser

Die Differenz zwischen den Werten des CM21 und CM3, welche in Abb. 17 dargestellt ist,

zeigt keinen eindeutigen Trend. Sie schwankt zwischen –24,7 und 31W/m².

Abbildung 18: Regression Globalstrahlung

Abbildung 18 zeigt eine Regression zwischen den Meßgeräten CM3 und CM21. Auch an der

Trendlinie, die fast 1:1 verläuft, sowie an dem Bestimmtheitsmaß R²=0,9997 ist ablesbar, das

Regression Globalstrahlung

y = 1,0057x - 0,8501

R2 = 0,9997

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

-200 0 200 400 600 800 1000 1200

CM3 (W/m²)

CM

21 (

W/m

²)

Reihe1

Trendlinie

Differenz CM3 - CM21

-35

-25

-15

-5

5

15

25

35

1616

00

1619

50

1623

40

1703

30

1707

20

1711

10

1715

00

1718

50

1722

40

1802

30

1806

20

1810

10

1814

00

1817

50

1821

40

1901

30

1905

20

1909

10

1913

00

1916

50

1920

40

2000

30

2004

20

2008

10

2012

00

2015

50

2019

40

2023

30

2103

20

2107

10

2111

00

2114

50

2118

40

2122

30

16.-21.08.1999

Diff

eren

z in

W/m

²

Differenz

18

die Globalstrahlungswerte sich nur geringfügig unterscheiden. Aus der Gleichung y=1,0057x-

0,8501 kann abgeleitet werden, daß die Werte des CM21 durchschnittlich 0,6% höher als die

des CM3 sind.

Meßunterschiede zwischen den Geräten können anhand der technischen Daten der Geräte

erklärt werden. Zum Beispiel ist die Reaktionszeit des CM21 mit weniger als 5 Sekunden

kleiner als die des CM3 mit 18 Sekunden. Die Nichtlinearität des CM21 beträgt +/- 0,25%

gegenüber +/- 2,5% des CM3. Insgesamt kann festgestellt werden, daß das CM21 genauere

Werte als das CM3 liefert.

2.1.2. Langwellige Gegenstrahlung

Die langwellige Gegenstrahlung wurde mit dem Eppley- und dem CG3-Pyrgeometer

ermittelt. Die Abbildung 19 zeigt, daß die Werte beider Kurven in einem Bereich von 390 und

280W/m² schwanken und deren Verlauf annähernd gleich ist. Die Schwankungen sind im

wesentlichen auf Veränderungen der Bewölkungsstärke und des Wasserdampfgehaltes der

Atmosphäre zurückzuführen.

Den Abbildungen 19 und 20 ist zu entnehmen, daß die Werte des CG3, bis auf eine

Ausnahme, durchgängig höher als die des Eppley sind. Die durchschnittliche Differenz

beträgt etwa 13W/m² mit einem Schwankungsbereich von 30 bis –5,8W/m².

Abbildung 19: Vergleich langwellige Gegenstrahlung

Vergleich langwellige Gegenstrahlung

250

275

300

325

350

375

400

1616

00

1619

50

1623

40

1703

30

1707

20

1711

10

1715

00

1718

50

1722

40

1802

30

1806

20

1810

10

1814

00

1817

50

1821

40

1901

30

1905

20

1909

10

1913

00

1916

50

1920

40

2000

30

2004

20

2008

10

2012

00

2015

50

2019

40

2023

30

2103

20

2107

10

2111

00

2114

50

2118

40

2122

30

16.-21.08.1999

W/m

² LW-O-Eppley

LW-O-CG3

19

Abbildung 20: Differenz langwellige Gegenstrahlung

Diese Abweichung läßt sich zum einen mit dem unterschiedlichen Meßprinzip der Geräte

erklären (Eppley: Temperaturunterschied zwischen wärmeempfindlichen Sensor und

Gehäuse, CG3: Messung des Austausches der Strahlung zwischen horizontaler geschwärzter

Oberfläche und Himmel). Zum anderen sind die Meßgeräte räumlich circa 3m voneinander

entfernt (siehe Abbildung 5, S.7), wodurch es vermutlich zu Veränderungen im betrachteten

Oberflächenausschnitt kommt.

In Abbildung 21 ist die Regression zwischen den Pyrgeometern dargestellt. Auch hier wird

deutlich, daß der Verlauf

der Werte beider

Meßgeräte gut korrelieren

(Bestimmtheitsmaß

R²=0,9712). Allerdings

liegen, wie schon

erwähnt, die Werte des

CG3 über denen des

Eppley, wodurch es zu

einer Verschiebung

(ungleich 1) des

Anstieges kommt.

Abbildung 21: Regression der langwelligen Gegenstrahlung

Differenz CG3 - Eppley

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

1616

00

1619

50

1623

40

1703

30

1707

20

1711

10

1715

00

1718

50

1722

40

1802

30

1806

20

1810

10

1814

00

1817

50

1821

40

1901

30

1905

20

1909

10

1913

00

1916

50

1920

40

2000

30

2004

20

2008

10

2012

00

2015

50

2019

40

2023

30

2103

20

2107

10

2111

00

2114

50

2118

40

2122

30

16.-21.08.1999

Diff

eren

z in

W/m

²

Differenz

Regression LW-O

y = 0,953x + 28,939

R2 = 0,9712

250

275

300

325

350

375

400

250 275 300 325 350 375 400

Eppley in W/m²

CG

3 in

W/m

²

Reihe 1

Trendlinie

20

2.1.3 Strahlungsbilanz

Im folgenden sollen die Meßwerte des NR-Lite mit den berechneten Werten des CNR1

verglichen werden.

Aus Abbildung 22 und 23 wird deutlich, daß die aus CM3 und CG3 berechnete

Strahlungsbilanz fast ausschließlich höhere Werte annimmt, als die durch das NR-Lite

ermittelten Daten. Bei der Betrachtung von Abbildung 23 ist ein Tagesgang der Differenz der

beiden Strahlungsbilanzen erkennbar. Tagsüber sind die Differenzen größer als nachts. Es

treten Schwankungen von –11 W/m² bis 274 W/m² auf.

Eine Ursache könnte sein, daß der NR-Lite auf höhere Temperaturen scheinbar mit

fehlerhaften Werten reagiert. Eine andere Möglichkeit ist, daß die Globalstrahlung, als größter

Einflußfaktor auf die Strahlungsbilanz, durch das Gerät insgesamt geringfügig unterbewertet

wird.

Weitere Meßfehler ergeben sich vermutlich dadurch, daß die horizontale Ausrichtung des

NR-Lite durch die instabile Befestigung am Meßgestell nicht hundertprozentig gewährleistet

war. Außerdem fließen beim CNR1 die Fehler der Einzelgeräte CM3 und CG3 bei der

berechneten Strahlungsbilanz mit ein.

Abbildung 22: Vergleich Strahlungsbilanz

Vergleich der Strahlungsbilanz

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

700

800

1616

00

1619

50

1623

40

1703

30

1707

20

1711

10

1715

00

1718

50

1722

40

1802

30

1806

20

1810

10

1814

00

1817

50

1821

40

1901

30

1905

20

1909

10

1913

00

1916

50

1920

40

2000

30

2004

20

2008

10

2012

00

2015

50

2019

40

2023

30

2103

20

2107

10

2111

00

2114

50

2118

40

2122

30

16.08.-21.08.1999

W/m

²

RN-NRLite

Rn-CNR1

21

Abbildung 23: Differenz der Strahlungsbilanz

Abbildung 24: Regression Strahlungsbilanz

Die Abbildung 24 zeigt die Regression zwischen den Strahlungsbilanzwerten. Aus der

Gleichung der Trendlinie y=1,0865x+11,051 läßt sich ableiten, daß die Werte des CNR1, wie

schon beschrieben, um etwa 9% größer als die des NR-Lite sind. Das Bestimmtheitsmaß mit

R²=0,9746 zeigt ebenfalls, daß die Wert beider Meßgeräte relativ gut korrelieren. Auffällig

ist, daß die Streuung der Werte oberhalb der Trendlinie größer ist als unterhalb. Dies ist unter

anderem mit den Extremwerten des NR-Lite in Verbindung zu sehen.

Differenz Rn-CNR1 - Rn-NR-Lite

-50

0

50

100

150

200

250

300

1616

00

1619

50

1623

40

1703

30

1707

20

1711

10

1715

00

1718

50

1722

40

1802

30

1806

20

1810

10

1814

00

1817

50

1821

40

1901

30

1905

20

1909

10

1913

00

1916

50

1920

40

2000

30

2004

20

2008

10

2012

00

2015

50

2019

40

2023

30

2103

20

2107

10

2111

00

2114

50

2118

40

2122

30

16.-21.08.1999

Diff

eren

z in

W/m

²

Differenz

Regression Rn

y = 1,0865x + 11,051

R2 = 0,9746

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

700

-200 -100 0 100 200 300 400 500 600 700

NR-Lite in W/m²

CN

R1

in W

/m²

Reihe1

Trendlinie

22

2.2 Beziehung zwischen Globalstrahlung und Strahlungsbilanz

Zu diesem Vergleich werden die Daten der voneinander unabhängigen Geräte CM21 und NR-

Lite herangezogen.

Wie bereits im vorangegangenen Abschnitt erwähnt, stellt die Globalstrahlung den größten

Einflußfaktor auf die Strahlungsbilanz dar. Dies ist auch aus Abbildung 25 ersichtlich. Der

Verlauf der Globalstrahlung prägt den der Strahlungsbilanz.

Abbildung 25: Vergleich Globalstrahlung – Strahlungsbilanz

Abbildung 26: Regression Globalstrahlung - Strahlungsbilanz

Vergleich Globalstrahlung - Strahlungsbilanz

-200

0

200

400

600

800

1000

1616

00

1619

50

1623

40

1703

30

1707

20

1711

10

1715

00

1718

50

1722

40

1802

30

1806

20

1810

10

1814

00

1817

50

1821

40

1901

30

1905

20

1909

10

1913

00

1916

50

1920

40

2000

30

2004

20

2008

10

2012

00

2015

50

2019

40

2023

30

2103

20

2107

10

2111

00

2114

50

2118

40

2122

3016.-21.08.1999

W/m

² NR-Lite

CM21

Regression Globalstrahlung - Strahlungsbilanz

y = 1,5547x + 59,738R2 = 0,9711

-200

0

200

400

600

800

1000

-200 0 200 400 600 800 1000

Rn in W/m²

Rg

in W

/m²

SW-O-CM21 W/m²

Linear (SW-O-CM21 W/m²)

23

In Abbildung 26 ist die Regression zwischen der Globalstrahlung und der Strahlungsbilanz

dargestellt. Der Anstieg der Trendlinie beträgt, wie aus der Gleichung y=1,5547x+59,738

ersichtlich, m=1,5547. Daraus kann abgeleitet werden, daß die Werte der Globalstrahlung

55% über denen der Strahlungsbilanz liegen. Diese Differenz wird durch die Reflexion sowie

die effektive Ausstrahlung der Erdoberfläche verursacht.

2.3 Vergleich von gemessener und berechneter Oberflächentemperatur

Die Oberflächentemperatur wurde mit dem Infrarot-Thermometer KT15 bestimmt. Ein Weg

zur Berechnung bildet die Ableitung aus der langwelligen Ausstrahlung mit Hilfe des Stefan-

Boltzmann-Gesetzes:

M – Strahlungsfluß in W/m², ε = 0,984, σ = 5,6696*10-8 (Stefan – Boltzmann – Konstante)

Die Daten der langwelligen Ausstrahlung stammen vom CG3- Sensor des CNR1.

Abbildung 27: Vergleich der Oberflächentemperatur

Der Verlauf beider Kurven (siehe Abbildung 27) ist, bis auf eine Ausnahme, annähernd

gleich.

EO-Temperatur

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

1616

00

1620

00

1700

00

1704

00

1708

00

1712

00

1716

00

1720

00

1800

00

1804

00

1808

00

1812

00

1816

00

1820

00

1900

00

1904

00

1908

00

1912

00

1916

00

1920

00

2000

00

2004

00

2008

00

2012

00

2016

00

2020

00

2100

00

2104

00

2108

00

2112

00

2116

00

2120

00

16.-21.08.1999

Tem

pera

tur

in °

C

T aus CG3

T aus KT15

4

σε ⋅= M

T

24

Auch aus der Abbildung 28 ist zu entnehmen, daß die Differenz der Oberflächentemperatur

aus dem KT15 und aus der Berechnung mit Hilfe der langwelligen Ausstrahlung (CG3), bis

auf eine Ausnahme sehr gering ist.

Abbildung 28: Differenz Oberflächentemperatur

Für die Berechnung der Oberflächentemperatur wurde ein Emissivitätswert von 0,984

angenommen. Das KT15 nimmt jedoch eine Emissivität von 1 an. Dieser Unterschied sowie

die räumliche Entfernung der Geräte voneinander (ca.3m) und damit ein anderer

Meßausschnitt der Erdoberfläche könnten Ursachen für die geringen Schwankungen der

Werte sein. Die extreme Abweichung am 19.08.1999 ist vermutlich ereignisbezogen.

Entweder ist die fehlerhafte Temperaturerhöhung des KT15 auf den nächtlichen Sturm

zurückzuführen oder ein Lebewesen fand sein Nachtquartier darunter.

Differenz T

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

1616

00

1619

40

1623

20

1703

00

1706

40

1710

20

1714

00

1717

40

1721

20

1801

00

1804

40

1808

20

1812

00

1815

40

1819

20

1823

00

1902

40

1906

20

1910

00

1913

40

1917

20

1921

00

2000

40

2004

20

2008

00

2011

40

2015

20

2019

00

2022

40

2102

20

2106

00

2109

40

2113

20

2117

00

2120

40

16.-21.08.1999

Tem

pera

turd

iffer

enz

in °

C

Diff_T

25

2.4 Bestimmung von H (+L.E), Einfluß der Meßkonfiguration auf die turbulentenStröme

Turbulente Wärmeströme

Der fühlbare Wärmestrom

Durch die Erwärmung und Abkühlung des Bodens führt der Temperaturunterschied zu einer

Erwärmung und Abkühlung der darüberliegenden Luft. Dieses erfolgt unter einem Aufstieg

wärmerer Luftpakete von der Erdoberfläche (als Umsatzfläche der ankommenden Strahlung

geht die Erwärmung und Abkühlung von hier aus) und einem Absinken kühlerer Luftpakete

zum Boden hin. Das führt zu einer thermischen Turbulenz. Durch das Heranführen von Luft

aus der Umgebung und die Rauhigkeit der Oberfläche spielt auch die dynamische Turbulenz

eine Rolle. Der fühlbare Wärmestrom ist der Transport von Energie zur Atmosphäre oder von

ihr weg und als vertikaler Temperaturunterschied erkennbar.

Die Berechnung erfolgte nach der Eddy-Kovarianz-Methode:

______

H = a * cp * w’T‘

( a = Luftdichte [kg/m³], cp = 1005 J/(kgK) - spezifische Wärmekapazität von Luft, (w’T‘)quer

= Kovarianz aus vertikaler Windgeschwindigkeit und Lufttemperatur [K*m/s])

a = p/(Rtr*T)

(p = Stationsdruck [Pa], Rtr = 287 J/(kgK) - spezifische Gaskonstante für trockene Luft, T =

Lufttemperatur [K])

Nach der barometrischen Höhenformel ist:

p1 = p0 exp(-z/H), wenn H = RtrTquer/g

( Tquer = Mitteltemperatur zwischen z0 und z1 [K], g = 9,81 m/s² - Erdbeschleunigung, H =

Skalenhöhe, z = 87 m - Stationshöhe über NN, p0 = Druck in Meereshöhe [hPa] (Station

Leipzig/Flughafen), p1 = Stationsdruck in der Höhe z [hPa])

Die berechneten Werte wurden auf der gleichen Basis wie im Bericht der zweiten

Arbeitsgruppe korrigiert. Es erfolgte eine Rotation der Kovarianzen (w’T‘)quer für alle

Meßgeräte. Die Berechnung der Werte für die 3 Meßgeräte wurde jeweils die gleiche

Methode verwendet, wobei sich in der Luftdichte leichte Unterschiede aufgrund der

26

verschiedenen gemessenen Temperaturen ergaben. Diese Differenzen sind von geringerer

Bedeutung. Hierbei ist zu bemerken, daß bei dem KT 15 doch etwas größere Abweichungen

im Vergleich zu den beiden anderen Geräten auftraten. Das ist auch plausibel, da durch das

KT 15 die Oberflächentemperatur festgestellt wurde - im Gegensatz zu der Messung der

Lufttemperatur seitens der beiden anderen Geräte. Zur Bestimmung des fühlbaren

Wärmestromes ist die Lufttemperatur nötig und das KT 15 von vornherein weniger

zweckmäßig. Neben der Luftdichte erhält man bei allen Geräten uneinheitliche Kovarianzen,

die zwar aus der gleichen Windkomponente aber ungleichen Temperaturen resultieren. Die

sich in diesem Fall zeigenden Abweichungen sind in größerem Maße für die

unterschiedlichen Wärmeströme verantwortlich.

Die rotierten Kovarianzen

-0,25

-0,15

-0,05

0,05

0,15

0,25

0,35

0,45

16.0

8.99

12:0

0

17.0

8.99

12:0

0

18.0

8.99

12:0

0

19.0

8.99

12:0

0

20.0

8.99

12:0

0

21.0

8.99

12:0

0

22.0

8.99

12:0

0

23.0

8.99

12:0

0

Thermoelement

KT 15

USA

Die Dif fe r e n z e n d e r r o t ie r te n Ko var ian z e n

-0 ,25

-0 ,15

-0 ,05

0 ,05

0,15

0,25

0,35

0,45

16.0

8.99

12:

00

17.0

8.99

12:

00

18.0

8.99

12:

00

19.0

8.99

12:

00

20.0

8.99

12:

00

21.0

8.99

12:

00

22.0

8.99

12:

00

23.0

8.99

12:

00

USA - KT15

USA - TE

27

Ein Vergleich der Kovarianzen in dem entsprechenden Diagramm bestätigt die oben

getroffene Aussage. Mitunter weichen die Kovarianzen beträchtlich voneinander ab.

Zwischen dem 18. und 20.8. schwanken die Kovarianzen aller Geräte sehr extrem, was sich

auch in den Werten des fühlbaren Wärmestroms widerspiegelt. Beim USA wird der ansonsten

relativ regelmäßige Tagesgang weiterhin kaum unterbrochen. Das Thermoelement zeigt schon

etwas größere Variationen und das KT 15 hat mit Abstand die sichtbarsten Abweichungen

vom Idealverlauf. Besonders die Werte tagsüber zeichnen sich durch starke Schwankungen

zwischen deutlich positiven und negativen Werten aus. Ähnliche Aussagen lassen sich auch

bei einem direkten Vergleich der Kovarianzen durch Differenzen treffen. Die Differenzen

haben immer die Werte des USA zur Grundlage, von denen die entsprechenden Werte des

jeweiligen anderen Meßgerätes abgezogen werden. Zwischen USA und Thermoelement sind

geringere Abweichungen zu resümieren als zu dem KT 15. Nachts kann man ziemlich

einheitliche Werte feststellen, wogegen tagsüber (besonders beim KT 15) die Kovarianzen

deutlich variieren.

Der Tagesgang des fühlbaren Wärmestroms aller Meßgeräte wird in den beiden Nächten

zwischen 18. und 20.8. durch unerklärlich niedrige H-Werte gestört. Ein direkter Vergleich

zeigt, daß der Tagesgang des fühlbaren Wärmestroms bei den Messungen mit dem USA am

deutlichsten zu erkennen ist, wogegen Thermoelement und KT 15 z.T. beträchtliche

Schwankungen aufweisen (KT 15 am 22. und 23.8.; TE vom 18. bis 20.8.) und die

Tagesgänge weniger deutlich hervortreten. Bei den Werten des KT 15 sind besonders

tagsüber große Schwankungen zu verzeichnen, die den Tagesverlauf zersetzen. Das

Die fühlbaren Wärm eströme (rotiert)

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

400

16.0

8.99

12:

00

17.0

8.99

12:

00

18.0

8.99

12:

00

19.0

8.99

12:

00

20.0

8.99

12:

00

21.0

8.99

12:

00

22.0

8.99

12:

00

23.0

8.99

12:

00

H in

W/m

² Thermoelement

KT 15

USA

28

Thermoelement hat bereits weniger Schwankungen und eine ausgeprägtere Tageskurve. Die

Werte des USA sind tagsüber positiv und nachts negativ und am konstantesten in ihrem

Verlauf. Dabei sind aber die relativ „schmalen“ Tagesspitzen auffallend. Die Messung an

Hand des USA scheint unter diesen Bedingungen die günstigste Möglichkeit gewesen zu sein,

da die in diesem Fall gemessene virtuelle akustische Temperatur ohne die störende

Aufheizung des Thermoelementes durch direkte Bestrahlung ermittelt wurde bzw. nicht die

Oberflächentemperatur bestimmt wurde, wie es bei dem KT 15 der Fall war. Bei einem

Gegenüberstellung aller drei Meßgeräte ist die Lufttemperaturmessung (USA;

Thermoelement) die günstigste Methode und die Messung zur Bestimmung der

Oberflächentemperatur durch das KT 15 ungeeignet, um fühlbare Wärmeströme mit der

Eddy-Kovarianz-Methode zu bestimmen, da die Oberflächentemperatur zu stark

Schwankungen unterlegen ist (Aufheizung durch die Sonneneinstrahlung, Abkühlung bei

Wolkendurchzug). Die tatsächliche Lufttemperatur gibt am besten die Verhältnisse wider.

Die Dif fe r e n z e n d e r f ü h lb a r e n W är m e s t r ö m e ( r o t ie r t )

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

400

16.0

8.99

12:

00

17.0

8.99

12:

00

18.0

8.99

12:

00

19.0

8.99

12:

00

20.0

8.99

12:

00

21.0

8.99

12:

00

22.0

8.99

12:

00

23.0

8.99

12:

00

USA - K T15

USA - TE

29

Ein Vergleich der rotiert und nicht rotiert berechneten Werte zeigt beim USA wenig deutliche

Unterschiede. Nur um den 19. und 20.8. korrigiert die Rotation die Werte auffälliger nach

oben bzw. nach unten. Damit entsprach die Messung im Wesentlichen den Anforderungen des

ebenen Untergrundes und des lotrechten Aufbaus.

Abschließend läßt sich feststellen, daß die Messungen mit dem USA recht zufriedenstellende

Ergebnisse liefern, wenn man beachtet, daß die Eddy-Kovarianz-Methode wegen der geringen

Rauhigkeit der Oberfläche bei Wiesenstandorten und der daraus folgenden schwächeren

dynamischen (v.a. vertikalen) Turbulenz weniger geeignet ist.

US A - fü h lb a r e r W är m e s t r o m

-15 0

-10 0

-5 0

0

5 0

10 0

15 0

20 0

25 0

30 0

35 0

40 0

16.0

8.99 1

2:00

17.0

8.99 1

2:00

18.0

8.99 1

2:00

19.0

8.99 1

2:00

20.0

8.99 1

2:00

21.0

8.99 1

2:00

22.0

8.99 1

2:00

23.0

8.99 1

2:00

H in

W/m

²

ro t ie r t

n ic h t ro tie r t

30

2.5 Übereinstimmung von Satellitensignalen und Oberflächeninformationen in

Abhängigkeit von der Koppelung zwischen Oberfläche und Atmosphäre

Die Globalstrahlungswerte des CM21 werden im folgenden mit Satellitendaten des NOAA-

AVHRR verglichen. Für die einzelnen Tage standen jeweils nur ein bis zwei Vergleichswerte

zur Verfügung. Zur Auswertung wurden die Satellitendaten mit einer Auflösung von 1x1km

und 3x3km, kombiniert mit dem Schwankungsbereich aller Daten, verwendet.

In den Diagrammen der Abbildung 29 sind diese Punktwerte mit dem Verlauf der

Globalstrahlung für den 17.-21.08. 1999 dargestellt.

Abbildung 29: Vergleich gemessene Globalstrahlung – Satellitendaten vom 17.-21.08.1999

Am 18., 19. und 21.08. stimmen die Werte mit Differenzen zwischen circa 50 und 134W/m²

relativ gut überein. Am 17. und 20.08. dagegen weichen die Satellitendaten und die am

Erdboden ermittelten Werte mit 335W/m² bzw. 460W/m² verhältnismäßig stark voneinander

ab.

17.08.1999

-200

0

200

400

600

800

1000

-100 400 900 1400 1900 2400

Uhrzeit

Rg

in W

/m²

Rg_Meß

Sat_1x1km

Sat_3x3km

19.08.1999

-200

0

200

400

600

800

1000

-100 400 900 1400 1900 2400

Uhrzeit

Rg

in W

/m²

Rg_Meß

Sat1x1km

Sat3x3km

20.08.1999

-200

0

200

400

600

800

1000

-100 400 900 1400 1900 2400

Uhrzeit

Rg

in W

/m² Rg_Meß

Sat1x1km_1

Sat1x1km_2

Sat3x3km_1

Sat3x3km_2

18.08.1999

-200

0

200

400

600

800

1000

-100 400 900 1400 1900 2400

Uhrzeit

Rg

in W

/m²

Rg_Meß

Sat1x1km

Sat3x3km

21.08.1999

-1000

100200300

400500600700800

-100 400 900 1400 1900 2400

Uhrzeit

Rg

in W

/m²

Rg_Meß

Sat1x1km_1

Sat3x3km_1

Sat1x1km_2

Sat3x3km_2

31

3 Literaturverzeichnis:

- Bernhofer, Chr., Miegel, K.: Grundlagen der Meteorologie und Hydrologie. Lehrmaterial

zur Vorlesung, Dresden 1997

- Erisman, Mennen, Fowler, Flechard, Spindler, Grüner, Duyzer, Ruigrok, Wyers: Towards

developement of a deposition monitoring network for air pollution of Europe, Report no.

722108015, National Institut of Puplication Health and the Environment, 1996

- Feldbuch

- Oke, T.R.: Boundary Layer Climates, 2nd ed. Routledge, London 1987

- Vorlesungsmitschriften Meteorologie 1998/99