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Leitfäden für die Ausbildung Im Deutschen Wetterdienst 6

Meteorologische Bodenmesstechnik (vormals: Instrumentenkunde)

Dritte, vollständig neu bearbeitete Auflage von Hans Löffler

Offenbach am Main, 2012 Selbstverlag des Deutschen Wetterdienstes

Zitationsvorschlag: Löffler, Hans: Meteorologische Bodenmesstechnik (vormals: Instrumentenkunde). Offenbach am Main: Leitfaden für die Ausbildung im Deutschen Wetterdienst Nr. 6, Selbstverlag des Deutschen Wetterdienstes, 2012.

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ISSN 0459-0236 ISBN 978-3-88148-456-5

Herausgeber und Verlag: Anschrift des Autors:

Deutscher Wetterdienst RDir a.D. Hans Löffler Frankfurter Straße 135 Aurikelweg 16 D-63067 Offenbach am 87700 Memmingen Main Mail: [email protected] Mail: [email protected] Internet: www.dwd.de VORWORT ZUR . AUFLA GE

Der vorliegende Leitfaden ist eine Neuau age der zweiten Die Nomenklatur wurde weitgehend dem heutigen Stan- Au age des Leitfadens Nr. 6 Instrumentenkunde von 1973. dard angepasst. Auf Themen, die in der heutigen Zeit nicht Die Einführung neuer Messtechniken verbunden mit neu- mehr aktuell sind, bspw. die manuell ausgeführte Auswer- en Messgeräten erforderte eine Neuausgabe. tung von Registrierstreifen, ist ganz verzichtet worden.

Der neue Leitfaden soll eine Ausbildungshilfe in Ergänzung Der Schwerpunkt bei den Geräte- und Sensorbeschreibun- zum Unterricht bei der Lauahnausbildung des gehobenen gen liegt auf den im Deutschen Wetterdienst (DWD) einge- Wetterdienstes (FH-Studium) und mit Abstrichen, insbe- setzten Geräten. Zur Erweiterung der Kenntnisse im mess- sondere in den theoretischen Teilen, auch bei der Lauahn- technischen Bereich, insbesondere auch um die Vielfalt der ausbildung im mittleren Wetterdienst sein. Gleichzeitig Messprinzipien und Arbeitsweisen der Messgeräte kennen kann er als Nachschlagewerk in der Praxis dienen. zu lernen sind darüber hinaus auch solche Geräte und Sen- soren beschrieben, die z. T. nur an (meteorologischen) Ins- Die 3. Au age des Leitfadens trägt den Titel „Meteorologi- tituten und Forschungseinrichtungen zu ¤nden sind oder sche Bodenmesstechnik“ und ist an die Entwicklung neuer aber von nationalen Wetterdiensten benachbarter Länder Messgeräte der letzten Jahre und an den heutigen Stand der genutzt werden. Dabei konnten nicht alle berücksichtigt messtechnischen Einrichtungen angepasst. Bei den Mess- werden, so dass es sich um exemplarische Vorstellungen verfahren unterscheidet man grundsätzlich zwischen in-si- solcher Geräte handeln soll. tu-Verfahren, bei denen das Messelement im zu messenden Medium ist, bzw. die Verhältnisse in der direkten Umgebung In wieweit der Wechsel von Messgeräten mit völlig neuen des Messelementes erfasst werden und den Fernerkun- Messprinzipien Auswirkungen auf die Homogenität von dungsverfahren (Remote Sensing), die mit akustischen klimatologischen Datenreihen und damit auf langfristige und/oder elektromagnetischen Wellen Informationen über klimatologische Betrachtungen zum Klimawandel haben den Zustand der Atmosphäre in größeren Entfernungen könnte, wird in einem eigenen Kapitel anhand von Beispie- sammeln. len kurz dargestellt.

Der Titel „Bodenmesstechnik“ soll darauf hinweisen, dass Gemäß Bundestagsbeschluss und Rahmenvereinbarung be- es sich um Messgeräte handelt, die an Wetterstationen im nutzen der DWD und der Geoinformationsdienst der Bun- synoptischen und klimatologischen Messnetz („Boden- deswehr (GeoInfoDBw) das gleiche meteorologische Gerät, messnetz“) eingesetzt werden. Seit dem Jahr 1996 wurde soweit dem nicht zwingende Gründe entgegenstehen. Es im Deutschen Wetterdienst die Automatisierung der Mes- werden beim GeoInfoDBw jedoch weniger Sensoren betrie- sungen in diesem Messnetz stark vorangetrieben. Da auch ben als beim DWD. einige Augenbeobachtungen eines Wetterbeobachters zur Fernerkundung gezählt werden können, ist es nur logisch, Obwohl alle bis zum Zeitpunkt der Verö¦entlichung im dass diese teilweise auch durch Fernerkundungsverfahren Einsatz be¤ndlichen Messgeräte erfasst und beschrieben ersetzt werden. Überwiegend dienen die an den Wetter- wurden, wird im Laufe der Jahre auch dieser Leitfaden nicht stationen gewonnenen Messungen der Zustandserfassung mehr ganz den neuesten Entwicklungen auf dem Gebiet der der atmosphärischen Bodenschicht (Prandtl-Schicht), also meteorologischen Messtechnik entsprechen. bis etwa 20 m Höhe über dem Boden. Für die Erfassung der Wolkenuntergrenze werden dort jedoch auch Fernerkun- Auch wenn es galt, möglichst umfassend die neueren dungsverfahren eingesetzt. Messtechniken mit ihren Geräten anzusprechen und zu beschreiben, erfordert es bei weitergehendem Bedarf des Die Möglichkeiten der elektronischen Datenerfassung und zusätzlichen Studiums der entsprechenden meteorologi- -verarbeitung und die Entwicklung neuartiger Sensoren schen Lehrbücher, die auch das Thema Messtechnik ab- führten weitgehend zur Ablösung etablierter Instrumente decken. Firmenbeschreibungen (oftmals nur in Englisch auch in der Routinemesspraxis. Aus Gründen der Homo- verfügbar) können diesen Mangel nur teilweise abdecken. genität langer Messreihen und um Vergleiche moderner Gerade bei der Beschreibung der Messprinzipien wurde, um Sensorik mit früher eingesetzten Messgeräten anstellen zu nicht den Rahmen dieses Leitfadens zu sprengen, aber auch können, werden allerdings an bestimmten Wetterstationen um Anreize für weitere Literaturrecherche zu geben, man- (z. B. ausgewählten Klimareferenzstationen und neben-/ ches nur ansatzweise erwähnt. Einschlägige Physiklehrbü- ehrenamtlich besetzten Wetterstationen) die klassischen cher zur Erweiterung der theoretischen Grundlagen werden Methoden weiterhin beibehalten. Daher wurde den klassi- dazu empfohlen. Das Literaturverzeichnis im Anhang kann schen Messgeräten auch in diesem Leitfaden der entspre- bei der Suche hilfreich sein. chende Raum eingerichtet. Hier konnten einzelne Passagen mit einiger Veränderung aus dem Leitfaden von 1973 über- nommen werden. Dabei ist der Text überarbeitet und aktu- alisiert worden. Januar 2012 INHALTSVERZEICHNIS

EINFÜHRUNG 1. Einführung in die meteorologische Messtechnik 10 2. Bedeutung und Nutzung von meteorologischen Messdaten 10

PHYSIKALISCHTECHNISCHE GRUNDLAGEN 3. Grundsätzliches zu Messmethoden 11 3.1 Allgemeine Grundlagen zur Messung physikalischer Größen 11 3.2 Physikalische Größen und ihre Einheiten im internationalen Einheitensystem 11 3.2.1 SI-Einheiten und ihre Umrechnung 12 3.2.2 Physikalische Größen und Konstanten 13 3.3 Verknüpfung physikalischer Größen – Physikalische Gleichungstypen 14 3.3.1 Größengleichungen 14 3.3.2 Einheitengleichungen 14 3.3.3 Zahlenwertgleichungen 14 4. Datenerfassung im Rahmen meteorologischer Messtechnik 15 4.1 Messtechnik Allgemein 15 4.2 Messgerät, Messeinrichtung und Normal 15 4.3 Messfühler, Messwert, Messsignal 16 4.4 Datenerfassung 17 4.4.1 COMBILOG Datenlogger 17 4.4.2 Datenlogger SYNMET-NAV 18 4.5 Messumformung 18 4.6 Messprinzip, Messverfahren 19 4.7 Messort, Messzeitpunkt 20 5. Messergebnis, Messunsicherheit, Messabweichung 20 5.1 Systematische Messabweichungen 20 5.2 Zufällige Messabweichungen 21 6. Elektrische/Elektronische Grundlagen und Begrie 21 6.1 Kapazitive Messungen 21 6.2 Piezoelektrischer Eekt 22 6.3 Photodiode 22 6.4 Oszillator 23 6.5 Hysterese eines Messgerätes 23

MESSUNG METEOROLOGISCHER

ELEMENTE 7. Luftdruckmessung 23 7.1 Allgemeines 23 7.1.1 Luftdruckmessgrößen 24 7.1.1.1 Berechnung/Bestimmung des QFE-Wertes 24 7.1.1.2 Berechnung des QFF-Wertes 24 7.1.1.3 Berechnung des QNH-Wertes 25 7.1.2 Maßeinheiten des Luftdruckes 25 7.2 Allgemeine Messprinzipien 26 7.2.1 Flüssigkeitsbarometer 26 7.2.2 Aneroidbarometer 27 7.2.3 Kapazitätsmessung 28 7.2.4 Siedebarometer (Hypsometer) 28 7.2.5 Bestimmung des Ionen¥usses 29 Piezoelektrischer Eekt 29 Alphatron, Betatron 29 7.3 Sensoren/Messgeräte 29 7.3.1 Flüssigkeitsbarometer 29 Stationsbarometer 29 Normalbarometer 31 7.3.2 Aneroidbarometer, Barograph, Höhenmesser 31 Aneroidbarometer 15ps 31 Barographen 31 Höhenmesser 33 7.3.3 Digitalbarometer 33 Barocap® PTB220 33 Barocap® PTB330 34 Präzisionsluftdruckhandmessgerät DPI 740 35 7.3.4 Primär-Drucknormal 35 Drehkolbenmanometer DHI PG7601 36 7.4 Messunsicherheiten und Fehlerquellen 36 8. Temperaturmessung 37 8.1 Allgemeines 37 8.1.1 Temperaturmessgrößen 38 8.1.2 Maßeinheiten der Temperatur 38 8.2 Allgemeine Messprinzipien 39 8.2.1 Thermische Änderungen 40 8.2.2 Elektrische Änderungen 41 8.2.3 Messung der Wärmestrahlung 44 8.2.4 Messung der Änderung der Schallgeschwindigkeit 44 8.2.5 Messung der Änderung der Materialwerte (Stokonstante) 45 8.3 Sensoren/Messgeräte 46 8.3.1 Ausdehnungsthermometer 46 8.3.1.1 Flüssigkeitsthermometer 46 8.3.1.2 Bimetall-Thermometer, Thermograph 50 8.3.2 Elektrische Thermometer 50 8.3.2.1 Widerstandsthermometer 50 Pt 100 50 8.3.2.2 Halbleiter-Thermometer 52 8.3.2.3 Thermoelemente/Thermosäulen 52 8.3.3 Kapazitive Temperatursensoren 52 8.3.4 Strahlungsthermometer 52 8.3.5 Normal-Platinwiderstandsthermometer 53 8.4 Messunsicherheiten und Fehlerquellen 53 8.4.1 Allgemeines 53 8.4.2 Trägheitsfehler von Thermometern 53 8.4.3 Strahlungsfehler von Thermometern 55 8.4.4 Weitere Fehlerquellen bei Flüssigkeitsthermometern 56 9. Luftfeuchtigkeitsmessung 56 9.1 Allgemeines 56 9.1.1 Feuchtmessgrößen 57 9.1.1.1 Messgrößen feuchter (ungesättigter) Luft 57 9.1.1.2 Messgrößen gesättigter Luft 59 9.1.2 Maßeinheiten der Luftfeuchtigkeit 60 9.2.1 Thermodynamische (psychrometrische) Methode 61 9.2.2 Hygroskopische Methode 62 9.2.3 Kondensationsmethode (Taupunktspiegel) 62 9.2.4 Elektrische Methoden 63 Kohleschicht(Karbon)-hygrometer 63 Kapazitive Polymer-Hygrometer 63 9.2.5 Spektroskopische/Infrarotmethode 63 9.2.6 Diusionsmethode 64 9.3 Sensoren/Messgeräte 64 9.3.1 Psychrometer 64 Hüttenpsychrometer 64 Aspirationspsychrometer nach Assmann 65 Schleuderpsychrometer 66 Schleuderpsychrometer PTS 30 66 Psychrometer nach Frankenberger 66 Minipsychrometer 67 9.3.2 Haarhygrometer 67 Polymeter 67 Hygrograph 68 Thermohygrograph 68 9.3.3 Kapazitive Feuchtesensoren 69 Feuchtesensor HMP45D 69 Temperatur-Feuchtesensor HMP155 70 Feuchte- und Temperaturmesswertgeber HUMICAP® HMT337 70 Feuchtesensor MP101A 71 9.3.4 Taupunktspiegel-Hygrometer 71 Thermo-Hygrometer Thygan 71 9.3.5 DWD-Normal für Feuchtesensoren 72 Feuchtegenerator 72 DewMaster 72 9.4 Messunsicherheiten und Fehlerquellen 73 10. Messung der Wolkenhöhe und Wolkenbedeckung 74 10.1 Allgemeines 74 10.1.1 Messgrößen der Wolken 74 Höhe der Wolkenuntergrenze 74 Bedeckungsgrad 74 Wolkenobergrenze 74 Art der Bewölkung (Wolkengattung) 74 10.1.2 Maßeinheiten der Wolkenuntergrenze 75 10.2 Allgemeine Messprinzipien zur Messung der Wolkenuntergrenze 75 10.2.1 Messungen der Laufzeit von Laserimpulsen 75 10.2.2 Messungen mit dem Nachtwolkenscheinwerfer/Ceilometer 76 10.3 Sensoren/Messgeräte 77 10.3.1 Laserceilometer 77 LD40 „Tropopauser“ 77 CL31 79 CHM 15k 80 Laserceilograph LD-WH M 82 10.3.2 Nachtwolkenscheinwerfer 83 10.4 Messunsicherheiten und Fehlerquellen 84 11. Niederschlagsmessung 84 11.1. Allgemeines 84 11.1.1 Messgrößen des Niederschlages 84 11.1.2 Maßeinheiten des Niederschlages 84 11.2 Allgemeine Messprinzipien 85 11.3 Sensoren/Messgeräte 85 11.3.1 Volumenmessung des Niederschlages (Niederschlagssammler) 86 Niederschlagsmesser n. Hellmann 86 Niederschlagsschreiber n. Hellmann 87 Gebirgsniederschlagsmesser 88 Totalisator 88 11.3.2 Gewichtsbestimmung des Niederschlages 89 Ombrometer HP mit Wippe und Tropfer 89 Wägesensor PLUVIO 90 PLUVIO2 92 Niederschlagsmengenmesser 93 Niederschlagssensor mit Kippwaage n. Joss-Tognini 94 Regenmesser RG13H 94 11.3.3 Optische Niederschlagserfassung – Distrometer 95 Laser-Niederschlagsmonitor (LNM) 95 Laser-Distrometer Parsivel® 97 Niederschlagswächter 98 Joss-Waldvogel-Distrometer RD-80 98 11.3.4 Erfassung des Niederschlages mittels Widerstandsmessung 99 Niederschlagsmelder 99 11.3.5 Messung abgelagerter Niederschläge, Schneehöhenmessung 100 11.3.5.1 Schneepegel 100 11.3.5.2 Ultraschallsensoren 101 Ultraschallschneehöhensensor SR50-G1 101 Schneehöhensensor SHM30 102 USH-8 Schneehöhensensor 103 Optischer Schneespektrograph 103 11.3.5.3 Vereisungssensoren 103 Vereisungssensor 0871LH1 104 Eisablagerungsgerät EAG 104 Eismonitor 105 11.3.6 Bestimmung des Wasseräquivalents 105 Schneeausstecher 106 Schneesonde WS 43 106 Tschechische Schneesonde 107 11.4. Bestimmung des Erdbodenzustandes 107 11.5 Bestimmung des Straßen- und Rollbahnzustandes 108 11.6 Messunsicherheiten und Fehlerquellen 108 12. Messung von Richtung und Geschwindigkeit des Bodenwindes 113 12.1 Allgemeines 113 12.1.1 Koordinatensysteme 113 Kartesisches Koordinatensystem 113 Polarkoordinatendarstellung 113 Druck-Koordinatensystem 113 Horizontalwind 114 12.1.2 Messgrößen des Windes 114 12.1.3 Maßeinheiten der Windgeschwindigkeit 115 12.2 Allgemeine Messprinzipien 115 12.2.1 Dynamischer Druck des Windes 115 12.2.2 Thermische (abkühlende) Wirkung des Windes 118 12.2.3 Wirkung des Windes auf die Schallwellenausbreitung 119 12.3 Sensoren/Messgeräte 120 12.3.1 Rotationsanemometer 120 Schalenanemometer mit Windfahne 120 Windgeschwindigkeitsgeber SK565 121 Windrichtungsgeber SK566 121 Windanzeige 122 Windsensor für Windrichtung und -Geschwindigkeit 123 Windschreiber n. Woel¥e 123 Schalenhandanemometer 124 Handanemometer VT 1204 124 Propelleranemometer 125 Flügelradanemometer 125 12.3.2 Ultraschallanemometer 125 Ultraschallanemometer 2D 125 Ultraschallanemometer 3D 126 Ultraschallanemometer USA-1 127 Windcap® Ultrasonic WS425 127 Turbulenzmessung mit Ultraschallanemometern 128 Messsysteme zur Bestimmung der turbulenten Flüsse von Impuls sowie fühlbarer und latenter Wärme (Wasserdampf) nach der Eddy-Kovarianz-Methode 128 12.3.3 Thermische Anemometer 128 12.3.4 Aerodynamische Anemometer 129 Prandtl-Staurohr 129 Strömungssonde 129 12.3.5 DWD-Normal für Windgeschwindigkeitenssensoren 129 12.4 Messunsicherheiten und Fehlerquellen 130 13. Messung der Sichtweite 130 13.1 Allgemeines 130 13.1.1 Messgrößen der Sichtweite 130 13.1.2 Maßeinheiten der Sichtweite 133 13.2.1 Messung der Transmission bzw. Extinktion 134 13.2.2 Messung des Streulichtes 134 13.3 Sensoren/Messgeräte 135 13.3.1 Transmissometer 135 Skopograph II (Flamingo) 135 Hintergrundleuchtdichtesensor LM21 136 Transmissometer LT31 137 13.3.2 Streulichtmesser 138 Vorwärtsstreulichtmesser DF20+ 138 Sensoren für Sichtweite und aktuelles Wetter PWD20/22 139 Sichtweitensensor FS11 140 Rückwärtsstreusensor Videograph 140 13.4 Anerkannte Sichtweitensensoren 141 13.5 Messunsicherheiten und Fehlerquellen 141 14. Die Messung der Sonnenscheindauer und der Strahlung 141 14.1 Allgemeine Grundlagen 141 14.1.1 Strahlungsgrößen 145 14.1.2 Maßeinheiten der Strahlung 146 14.2 Allgemeine Messprinzipien 146 14.2.1 Messprinzipien für die Messung der Sonnenscheindauer 146 14.2.2 Messprinzipien für die Messung kurz- und langwelliger Strahlung und Globalstrahlung 147 14.3 Sensoren / Messgeräte für die Sonnenscheindauer 147 14.3.1 Sonnenscheinautograph (n. Campbell-Stokes) 147 14.3.2 Sensoren für die Sonnenscheindauer 148 Sonnenscheindauersensor Typ SONIe3 148 Sonnenscheindauersensor CSD 3 149 14.4 Sensoren/Messgeräte für die kurzwellige Strahlung und Globalstrahlung 150 14.4.1 Pyranometer 150 Pyranometer CM21/CM22 151 Pyranometer CM11 152 Sonnenscheinpyranometer SPN1 153 Sonnenscheingeber Hänni Solar 111B 153 Messung der UV-Strahlung 153 UV-Sensor (UVS-AE-T) 154 14.4.2 Pyrheliometer 154 Pyrheliometer CHP1 154 Messung der UV-Strahlung mit externem Sensor UVA-UVB-Radiometer UV34 155 PAR Sensor 155 14.5 Sensoren/Messgeräte für die langwellige Strahlung und Globalstrahlung 155 Pyrgeometer 155 Pyrgeometer CGR3/CGR4 155 Pyrgeometer CG 4 156 Pyrgeometer PIR 156 14.6 Sensoren/Messgeräte für die kurz- und langwellige Strahlung und Globalstrahlung 157 14.6.1 Pyrradiometer 157 Netto-Radiometer CNR1 157 Netto-Radiometer NR LITE 157 Netto-Radiometer CNR4 158 14.6.2 SCAPP-Messung der Strahlung und der Sonnenscheindauer 158 14.7 Messunsicherheiten und Fehlerquellen 159 14.8 Nationales / Regionales Strahlungszentrum am MOL 160 SPECTRO 320D 160 BSRN-Station 161 14.9 Strahlungsmessungen an der Antarktisstation 161 15. Agrarmeteorologische Messungen 162 15.1 Allgemeines 162 15.2 Messgrößen in der Agrarmeteorologie 162 15.2.1 Verdunstung 162 15.2.2 Bodenfeuchte 163 15.3 Messverfahren / Messgeräte / Sensoren 163 15.3.1 Verdunstungsmessung 164 Lysimeter 164 Wägbares Großlysimeter 164 Verdunstungswanne / Verdunstungskessel 165 15.3.2 Bodenfeuchtemessung 165 Gravimetrische Bestimmung der Bodenfeuchte (Bohrstockmethode) 165 TDR-Sonde und kapazitive Messsonde 165 Tensiometer zur direkten Messung der Bodenwasserspannung 165 Einstich-Tensiometer 166 15.3.3 Messung von Lufttemperatur und Luftfeuchte im Bestand 166 15.3.4 Messung der Blattbenetzung 167 15.3.5 Messung des fühlbaren Wärmestromes 167 15.3.6 Messung des Bodenwärmestromes 168 15.3.7 FRODIT – Messgerät zur Bestimmung der Frosteindringtiefe 168 15.3.8 Messung mit Splashmetern 168 15.3.9 Bestimmung der Ober¥ächentemperatur mit Hilfe einer Thermogra¯ekamera 169 15.3.10 Messung mit der Streuwaage 170 15.4 Versuchseinrichtungen 170 16. Ersatzmessungen 171 16.1 Notmessgeräte-Koer 171 16.2 Ersatzmessungen der Temperatur, Luftfeuchte, Luftdruck und Wind 171 16.3 Ersatzmessungen des Niederschlages 171 16.4. Ersatzmessungen nach VuB3 BHB „Havarieplan“ 172 17. Vergleich konventioneller Messtechnik mit modernen Sensoren 172 17.1 Allgemeines 172 17.2 Vergleich der Messwerte von Flüssigkeitsthermometern mit digitalen Sensoren 173 17.3 Vergleich der Strahlungsmessungen 173 17.4 Vergleich von Niederschlagsmesswerten 174 18. Automatische Messsysteme 174 18.1 Allgemeine Angaben 174 18.2 AMDA – Automatische Meteorologische Daten-erfassungsanlage 175 18.3 ASDUV 177 18.4 Automatisches Wetterbeobachtungssystem MIDAS IV AWOS 179 19. Messnetze in Deutschland, Schweiz und Österreich 180 19.1 Allgemeines 180 Messnetz 2000 des DWD 180 Weitere Messnetze in Deutschland 181 19.2 Anforderungen an den Standort 181 19.3 Stationstypen des DWD und ihre instrumentelle Ausstattung 182 19.4 Messfeld des DWD und GeoInfoDBw 185 19.4.1 Anforderungen an das Messfeld 185 19.4.2 Aufstellung der Sensoren/Messgeräte 185 19.4.4 Genauigkeitsforderungen der WMO und ICAO 197 Allgemeine Umgebungsbedingungen der Sensoren: 197 Kalibrierzyklen der DWD-Sensorik 197 19.5 Übersicht über Mess- und Beobachtungsnetze 199 19.5.1 DWD-Mess- und Beobachtungsnetz einschließlich GeoInfoDBw (Anhang 7.1) 199 19.5.2 WeBoKaN – Wetterbeobachtungskamera-Netzwerk des DWD 199 19.5.3 Stationsnetz im Rahmen von KLIWA (Anhang 7.2) 200 19.5.4 Mobile Messeinheiten des DWD 200 19.5.5 Temporäre Stationsmessungen 201 19.5.6 Maritimes Messnetz DWD 202 19.5.6.1 Meteorologischer Hafendienst 203 19.5.6.2 Bordwetterwarte auf FS METEOR 203 19.5.6.3 Bordwetterwarte auf FS Polarstern 205 19.5.7 Solares UV-Messnetz in Deutschland (Anhang 7.3) 205 19.6 Übersicht über weitere Mess- und Beobachtungsnetze 206 19.6.1 Hessisches Niederschlagsmessnetz (Anhang 7.4) 206 19.6.2 Stadtmessnetz. B.rlin und Messnetz der TU Berlin (Anhang 7.5) 206 19.6.3 Messnetz des Bundesamtes für Seeschifahrt und Hydrographie – BSH (Anhang 7.6) 207 19.6.4 Messnetz der Lawinenwarnzentrale Bayern (Anhang 7.7) 207 19.6.5 Messnetz der Bayerischen Wasserwirtschaft (Anhang 7.8) 207 19.6.6 Messnetz des Schweizer Wetterdienstes – MeteoSchweiz (Anhang 7.9) 208 19.6.8 Messnetz des Österreichischen Wetterdienstes (Anhang 7.10) 209

ANHANG 1. Geschichtlicher Rückblick auf die Entwicklung meteorologischer Messgeräte 210 Zu 7. Kurzer geschichtlicher Rückblick zur Luftdruckmessung 210 Zu 8. Kurzer geschichtlicher Rückblick zur Temperaturmessung 212 Extremthermometer 213 Zu 9. Kurzer geschichtlicher Rückblick zur Luftfeuchtigkeitsmessung 214 Zu 10. Kurzer geschichtlicher Rückblick zur Messung der Wolkenhöhe 216 Zu 11. Kurzer geschichtlicher Rückblick zur Niederschlagsmessung 216 Zu 12. Kurzer geschichtlicher Rückblick zur Messung des Windes 216 Zu 14. Kurzer geschichtlicher Rückblick zur Strahlungsmessung 217 Zu 19. Kurzer geschichtlicher Rückblick auf die Entwicklung meteorologischer Messnetze 217 2. Literatur- und Quellenverzeichnis 218 Deutscher Wetterdienst, Unterlagen/Richtlinien, Berichte 218 WMO, Unterlagen/Richtlinien 219 Sonstige Unterlagen 219 Diverse Firmenunterlagen / Beschreibungen 219 3. Abbildungsverzeichnis 220 4. Datenerfassung im Rahmen meteorologischer Messtechnik 220 6. Elektrische/Elektronische Grundlagen und Begrie 220 7. Luftdruckmessung 220 8. Temperaturmessung 220 9. Feuchtemessung 220 10. Messung der Wolkenhöhe und Wolkenbedeckung 221 11. Niederschlagsmessung 221 12. Windmessung 222 13. Messung der Sichtweite 222 14. Die Messung der Sonnenscheindauer und der Strahlung 222 15. Agrarmeteorologische Messungen 223 16. Ersatzmessungen 223 17. Vergleich 223 18. Automatische Messsysteme 223 19. Messnetze 223 4. Tabellenverzeichnis 224 3. Grundsätzliches zu Messmethoden 224 4. Datenerfassung im Rahmen meteorologischer Messtechnik 224 7. Luftdruckmessung 224 8. Temperaturmessung 224 9. Feuchtemessung 225 10. Wolkenhöhenmessung 225 11. Niederschlagsmessung 225 12. Windmessung 225 13. Messung der Sichtweite 225 14. Messung der Sonnenscheindauer und der Strahlung 226 15. Agrarmeteorologische Messungen 226 16. Ersatzmessungen 226 18. Automatische Messsysteme 226 19. Messnetze 226 5. Abkürzungsverzeichnis 226 Behörden/Ämter/Dienststellen 227 6. Sicherheitsbestimmungen und Schutzvorschriften beim Umgang mit meteorologischen Geräten/Sensoren 228 6.1 Gefahren des elektrischen Stroms für den Menschen 228 6.2 Umgang mit Lasergeräten, Laserklassen 229 6.3 Einsatz von Frostschutzmitteln bei Niederschlagsmessgeräten 230 6.4 Umgang mit Quecksilber 230 7. Messnetze 231 7.1 Übersicht über das Mess- und Beobachtungsnetz des DWD am 1.1.2012 231 7.2 Stationsnetz im Rahmen von KLIWA in den Bundesländern Bayern und Baden-Württemberg 231 7.3 Solares UV-Monitoring in Deutschland 232 7.4 Hessisches Niederschlagsmessnetz des HULG 232 7.5 Stadtmessnetz Berlin und Messnetz der TU Berlin, Fachgebiet Klimatologie 232 7.6 Messnetz des Bundesamtes für Seeschifahrt und Hydrographie – BSH 232 7.7 Messnetz Lawinenwarnzentrale Bayern 232 7.8 Neues automatisches Niederschlagsmessnetz (DWD und Bayerische Wasserwirtschaft) 233 7.9 Messnetz des Schweizer Wetterdienstes – MeteoSchweiz 233 7.10 TAWES-Messnetz des Österreichischen Wetterdienstes 233 8. Danksagung 234 EINFÜHRUNG ne Informationen zur aktuellen Wettersituation zur Verfü- gung. Dabei werden hauptsächlich die folgenden Parameter verbreitet: . EINFÜHRUNG IN DIE METEOROLOGISCHE • Windrichtung und -geschwindigkeit, Wolkenhöhe, Lan- MESSTECHNIK debahnsichtweite sowie • Luftdruck, Lufttemperatur und -feuchte Die Messtechnik ist so interdisziplinär wie kaum ein anderes Fachgebiet ausgerichtet. Die Anwendungen ganz all- Klimatologie gemein und in der Meteorologie sind zahlreich. Auf dem Das Nationale Klimadatenzentrum (NKDZ) im DWD besitzt Gebiet der Messtechnik ist eine rasche Entwicklung zu eine umfassende Datenbasis für Forschung, Klimaüberwa- beobachten. Die Innovationszyklen werden immer kürzer. chung und angewandte Klimatologie. Die Daten basieren Das betri¦t vor allem die Sensorik, die Messwertaufnahme auf Beobachtung und Messung verschiedenster meteorolo- und Messwertverarbeitung, die sich seit Einführung der gischer Parameter, die an den Wetterstationen/ Wetterwar- Computer in die Messtechnik vereinfacht hat. Die Sensoren ten professionell gewonnen werden. Daneben archiviert werden immer kleiner und intelligenter und die Funktio- der DWD im NKDZ die Daten seiner automatischen Statio- nen der Messgeräte werden immer universeller. nen sowie der nebenamtlichen Klima- und Niederschlags- stationen. Die Datenbasis wird kontinuierlich um aktuelle Für gezielte Forschungsprogramme und im operationellen Werte erweitert. Aus diesen Beobachtungsdaten erzeugt der Bereich werden in zunehmendem Maße komplexe Mess- DWD kontinuierlich Produkte, die verlässliche Aussagen systeme und Messsystemträger eingesetzt. Dabei kommen zur Klimaüberwachung, insbesondere im Hinblick auf Aus- den Methoden der indirekten Sondierung vom Boden und sagen zur Klimaänderung ermöglichen. von Flugzeugen oder Satelliten aus immer größere Bedeu- tung zu. Operationeller Warndienst Mit AutoWARN hat der DWD ein Warnsystem entwickelt, Im Gegensatz zur Meteorologie ist die Metrologie die Lehre das trotz immer weiter schrumpfender Personalressourcen und Wissenschaft vom Messen, von den Maßsystemen und und zeitlich gestiegenen Anforderungen an die Qualität der deren Einheiten. Sie ist ein Teilgebiet der Physik mit der Vorhersagen und Warnungen in Raum und Zeit, alle z. Zt. Aufgabe, die wissenschaftlichen Grundlagen des Messens verfügbaren meteorologischen Informationen zusammen- zu erarbeiten, die Einheitlichkeit des Messens zu sichern führt und automatisch auereitet werden. und die richtige Anwendung der Messgeräte und Messver- fahren zu gewährleisten. Wettervorhersagen für alle Bereiche der Volkswirtschaft und der Öentlichkeit Wichtig für eine sinnvolle Vorhersage im Kürzestfrist-, Kurz- . BEDEUTUNG UND NUTZUNG frist- und Mittelfristbereich ist, dass man den sogenannten VON METEOROLOGISCHEN MESSDATEN Anfangszustand möglichst genau kennt. Dazu spielen die Messdaten aus dem meteorologischen Beobachtungsnetz Meteorologische Beobachtungen und Messungen werden im Rahmen der Datenassimilation für die verschiedenen aus verschiedensten Gründen vorgenommen. Es geht um Wetter- und Klimamodelle für die Bestimmung des Ist-Zu- die Bestimmung von Wetteranalysen in Echtzeit, um Vor- standes der Atmosphäre, sowohl für den Anfangszustand hersagen, für Unwetterwarnungen, um Klimastudien, um als auch für die Veri¤kation eine entscheidende Rolle. Al- lokale wetterabhängige Tätigkeiten z. B. im Bau, in der Flie- lerdings reichen diese verwendeten Beobachtungsdaten bei gerei, in der Landwirtschaft, in der Forschung und vieles weitem nicht aus, um den Anfangszustand genügend genau mehr. festzulegen, da sie nicht dicht genug über Deutschland und letztlich über die ganze Welt verteilt sind. Daher werden Die kontinuierliche Wetterbeobachtung ist die Erfassung z. B. zusätzlich aus Radardaten abgeleitete Verteilungen der des augenblicklichen Zustands der Atmosphäre mittels Niederschlagsraten, die eine feinere Au ösung insbeson- Augenbeobachtungen durch den Menschen und automa- dere im Hinblick auf konvektive Zellen liefern, eingesetzt tischer Messungen. Sie liefert damit an erster Stelle einen um sie in Vorhersagemodelle zu assimilieren. Die in hoher wichtigen Baustein für die Erstellung der Wetteranalyse zeitlicher und räumlicher Dichte vorliegenden Daten aus als Grundlage für Wettervorhersagen, für Klimadaten und Satellitenmessungen ergänzen und verdichten die Boden- -statistiken sowie für die Erfüllung relevanter Forschungs- daten in idealer Weise. aufgaben, die in der Zeit des Klimawandels immer mehr an Bedeutung gewinnen. Darüber hinaus haben die Messwerte eine unterschiedlich hohe Bedeutung in den verschiedensten Bereichen der Meteorologie und Klimatologie. Dies wird im Folgenden kurz dargestellt.

Flugmeteorologie (Flugwetterberatung) Zur Sicherung des Flugbetriebes bei Start und Landung in meteorologischer Hinsicht stellt der DWD der Deutschen Flugsicherung (DFS) wichtige beobachtete oder gemesse-

10 PHYSIKALISCHTECHNISCHE Größe, die Quantität an. Die Messung jeder physikalischen GRUNDLAGEN Größe erfordert den Vergleich mit einem genauen Standard, einer Maßeinheit. Sie beschreibt, wie viel mal diese Einheit in der bezeichneten Größe enthalten ist, z. B.

. GRUNDSÄTZLICHES ZU MESSMETHODEN l = 900 m, t = 30 s

3.1 Allgemeine Grundlagen zur Messung oder als abgeleitete Größe physikalischer Größen v = 25 m s -, F = 2.8 N In Physik und Technik wird versucht, die Natur nach ihren Merkmalen (Eigenschaften, Erscheinungen, Zuständen Nun kann es Größen geben, die sich wohl in der Quantität, u. ä.) zu beschreiben. Dazu werden physikalische Gesetz- nicht aber in ihrer Qualität unterscheiden. Man hat daher mäßigkeiten qualitativ und quantitativ untersucht. Um neben dem Begri¦ der physikalischen Größe noch den ein rationales Arbeiten zu ermöglichen, sind feste Bezeich- übergeordneten Begri¦ der „physikalischen Größenart“ nungen für charakteristische Merkmale de¤niert, die eine eingeführt, der nur eine qualitative Aussage beinhaltet. eindeutige Verständigung auch im mathematischen Sinne Z. B. gehören die verschiedenen Größen: Fläche 1, Fläche 2, ermöglichen. Sie werden ganz allgemein als physikalische Fläche 3 alle zu der gleichen Größenart Fläche. Größen bezeichnet. Eine physikalische Größe beschreibt qualitativ und quantitativ die Eigenschaften und Er- Die physikalische Größenart beschreibt lediglich die scheinungen eines Objektes. Qualität bestimmter messbarer Eigenschaften, Erschei- nungen, Zustände der Natur. Nach Einstein muss eine physikalische Größe messbar sein, d. h. ein Messverfahren de¤nieren. Die charakterisierenden Zur weiteren Vereinfachung werden die Größen und Grö- Merkmale können grundsätzlich in zwei verschiedene Ar- ßenarten symbolhaft durch einen Buchstaben bezeichnet. ten unterteilt werden. Sie sind entweder direkt messbar Erst mit solchen Vereinbarungen lassen sich die Naturvor- (Messgrößen) oder können aus Messgrößen berechnet wer- gänge und ihre funktionellen Zusammenhänge überschau- den (abgeleitete Größen). bar beschreiben. So lässt sich z. B. das grundlegende physi- 1. messbare Merkmale sind Eigenschaften, Erscheinun- kalische Gesetz, das 2. NEWTONsche Gesetz in einfacher gen, usw., die nicht nur qualitativ, sondern auch quan- Weise formulieren mit: titativ beschrieben werden können. Dem Merkmal „Raum“ haftet bereits in der Bezeichnung die Mess- F = m ⋅ a barkeit an, da man von einem doppelt so großen Raum sprechen kann mit m = die Größe „Masse“ 2. nicht messbare Merkmale sind Eigenschaften, Erschei- a = die Größe „Beschleunigung“ nungen, usw., mit denen sich nur qualitative Aussagen verbinden, z. B. vermittelt das Merkmal „bunt“ wohl ei- wenn man der Wirkung, die ein abgebremster Körper aus- nen bestimmten subjektiven Eindruck, der aber nicht übt, die Größe „Kraft“ zuordnet und symbolisch mit F kenn- messbar ist. Dies kommt hier bereits in der Bezeich- zeichnet. Dabei hat die Kraft, die hier als Größe auftritt, in nung zum Ausdruck, da man nicht von doppelt so bunt ihrer Bedeutung als Größenart über diese Einzelgleichung sprechen kann. hinaus allgemeine Gültigkeit. Größen stellen Merkmale mit allgemeinen Eigenschaften dar und sind somit keine Zah- Die Objekte selbst – z. B. Gegenstände, Vorgänge oder Zu- len im mathematischen Sinn. stände wie auch nicht quanti¤zierbare Merkmale, etwa Aussehen oder Geschmack – sind keine physikalischen 3.2 Physikalische Größen und ihre Einheiten im inter- Größen. nationalen Einheitensystem

In der Physik und der Technik beschäftigt man sich fast In physikalisch-meteorologischen Formeln erscheinen ausschließlich mit objektiv messbaren Vorgängen, so dass physikalische Größen. Von den meteorologischen Elemen- in diesem Rahmen nur die unter 1. genannten messbaren ten gehört nur die Temperatur zu den SI-Basiseinheiten, Merkmale von Bedeutung sind. In der Meteorologie dage- während alle anderen meterologischen Größen abgeleite- gen ist nicht alles messbar, aber dennoch von Bedeutung, te SI-Einheiten darstellen. Dabei wurde für den Luftdruck z. B. Wolkengattung und -art, Niederschlagsart und -phase. eine eigene Einheit (Pa) de¤niert. Die meteorologischen Größen Strahlung, Luftfeuchtigkeit (allgemein), Wind, Nie- Die physikalischen Gesetze bringen Beziehungen zwischen derschlag, Verdunstung, Immission müssen noch zusätz- physikalischen Größen zum Ausdruck. Jede physikalische lich entsprechend präzisiert werden. Das geschieht für die Größe (Messgröße) ist das Produkt aus Zahlenwert und Strahlung z. B. durch die Begri¦e wie Bestrahlungsstärke, Einheit (Maßeinheit) bzw. Maßzahl und Dimension Bestrahlung oder Strahlungs ussdichte, für den Nieder- wobei die Dimension Zeit, Länge, Temperatur, Geschwin- schlag durch die Niederschlagshöhe, für die Immission digkeit lediglich die Qualität einer Größe beschreibt. Erst durch die Immissionskonzentration usw. Die Vorteile einer das Produkt Zahlenwert und Einheit gibt den Wert einer solchen Vorgehensweise sind vom gleichen Charakter wie

11 die durchgängige Verwendung der Einheiten im internatio- Das SI-Einheitensystem basiert auf sieben Basiseinheiten, nalen Einheitensystem. die in allen Ländern die gleichen Kurzbezeichnungen haben. In den Bezugsgleichungen für die Einheiten darf nach System von Einheiten und Grundgrößen sind dem SI nur die Zahl 1 als Zahlenfaktor auftreten • absolute Maßsysteme (z. B. 1 W = 1 J s –1 = 1 N 1 m 1 s –1 = 1 kg m2 s –3). (CGS-System – Centimetre Gram Second) • technische Maßsysteme Abgeleitete Einheiten, die auch durch Division oder Multi- • Einheitensysteme plikation der Basiseinheiten abgeleitet werden können, be- – MKSA-System sitzen z. T. eigene Namen und Bezeichnungen (Tab. 3.1) und – SI-Einheiten werden ohne Verwendung von Zahlenfaktoren abgeleitet. So z. B. m s –2 für die Beschleunigung, m s –1 für die Geschwin- 3.2.1 SI-Einheiten und ihre Umrechnung digkeit, Joule für die Energie oder Newton und Pascal für In der Physik und damit auch in der Meteorologie muss ein Kraft und Druck. /TAB. 3.1 einheitliches Einheitensystem verwendet werden. Im Jahre 1960 einigten sich fast alle Staaten der Erde auf ein neues Weitere abgeleitete Einheiten internationales Einheitensystem (SI – Système Internatio- In Tabelle 3.2 sind weitere abgeleitete Einheiten zusammen nal d’Unités). Durch das Gesetz über Einheiten im Messwe- gestellt, die im weiteren Verlauf erwähnt werden. Alle Ein- sen vom Juli 1969 wurden ab 1.1.1978 die Vereinbarungen in heiten sind inkohärent und somit keine SI-Einheiten. der Bundesrepublik Deutschland eingeführt. Für die Über- /TAB. 3.2 wachung der Konsistenz und Eindeutigkeit des SI ist das In- ternationale Büro für Gewichte und Maße (BIPM) zuständig. Grundsätzlich können physikalische Größen auch in an- National sind die metrologischen Staatsinstitute zuständig, deren als SI-Einheiten angegeben werden. Einheiten aus für sie hat sich die Abkürzung NMI (= national metrological unterschiedlichen Einheitensystemen sollten jedoch nach institute) eingebürgert. NMI ist in Deutschland die Physi- Möglichkeit nicht gemischt verwendet werden. kalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), in der Schweiz das Bundesamt für Metrologie und Akkreditierung (METAS), in SI-Vorsätze Österreich das Bundesamt für Eich- und Vermessungswe- Häu¤g muss mit Maßeinheiten umgegangen werden, die sen (BEV) sehr viel größer oder kleiner als die SI-Einheiten sind. Dann ist es sinnvoll, Zehnerpotenzen der SI-Einheiten zu nutzen

Tab. 3.1 SI-Basiseinheiten und abgeleitete Einheiten

Basisgröße Basiseinheit Abgeleitete Einheiten Name Zeichen Einheit / Maßeinheit Umrechnung 1 μm = 10–6 m Länge Meter m 1 nm = 10–9 m Masse Kilogramm kg Dichte (kg m–3) Kraft (N) 1 N = 1 kg m s –2 1 Pa = N m–2 Druck (Pa) 1 Pa = 1 kg m–1s –2 1 hPa = 100Pa Luftdruck (hPa) 1 Pa = 1N m–2 = kg m–1 s –2 Arbeit, Energie 1 J = 1 N m = 1W s Wärmemenge (J) 1 J = 1 kg m2 s –2 1 W = 1 J s –1 = 1 N ms –1 Leistung (W) 1 W = 1 kg m2 s –3 Energieussdichte 1 W m–2 = 1 kg s –3 (W m–2) Zeit Sekunde s Geschwindigkeit (m s –1) 1 km h–1 = 0,2778 m s –1 Beschleunigung (m s –2 ) Temperatur Celsius-Temperatur, Kelvin K 0°C = 273,15 K (thermodynamische Temp.) Temperaturdierenz elektrische Stromstärke Ampere A Lichtstärke Candela cd Leuchtdichte = cd m–2 Stomenge Mol mol

12 Tab. 3.2 Weitere abgeleitete Einheiten

Name Maßeinheit Umrechnung Name Zeichen Frequenz Hertz Hz = 1 s –1 elektrische Ladung Volt V = W A –1 = m2 kg s –3 A–1 Kapazität Farad F = C V –1 = s4 A2 m–2 kg –1 elektrischer Widerstand Ohm Ω = V A–1 = m2 kg s –3 A–2 Beleuchtungsstärke Lux lx = lm m–2 = cd sr m–2 Joule pro Wärmekapazität, Entropie J K –1 = m2 kg s –2 K –1 Kelvin Joule pro Spezi¡sche Wärmekapazität, Kilogramm J kg –1 K –1 = m2 s –2 K –1 spezi¡sche Entropie Kelvin Spezi¡sche Energie Joule pro J kg –1 = m2 s –1 Kilogramm Coulomb pro Elektrische Ladungsdichte C m –3 = s A m –3 Kubikmeter

(Tab. 3.3), die als Vorsätze (Prä¤xe) bezeichnet werden und Bei den Maßeinheiten ist auf eine exakte Anwendung auf jede SI-Einheit angewendet werden können. /TAB. 3.3 zu achten. Die Jahressumme der Niederschlagshöhe mit der Einheit mm/a anzugeben wäre falsch. Diese Einheit Tab. 3.3 Vielfache oder Teile von SI-Einheiten entspricht einer Niederschlagsintensität, keiner Nieder- schlagshöhe. Der Jahresbezug muss bei der Niederschlags- Faktor Prä¡x Symbol Faktor Prä¡x Symbol höhe verbal ausgedrückt werden, also „Jahressumme der 10 12 tera T 10 –1 dezi d Niederschlagshöhe in mm“ oder „jährliche Niederschlags- 10 9 giga G 10 –2 zenti c höhe in mm“. 10 6 mega M 10 –3 milli m 3.2.2 Physikalische Größen und Konstanten 10 3 kilo k 10 –6 mikro μ Tabelle (3.4) enthält nur physikalische Größen und Kons- 10 2 hekto h 10 –9 nano n tanten, die im Zusammenhang mit der meteorologischen Messtechnik und im Rahmen dieses Leitfadens stehen. 10 1 deka da 10 –12 piko p Ausführliche Tabellen sind in jedem guten Physikbuch enthalten. Die nachfolgend verwendeten bzw. erwähnten Darüber hinaus sind in der Meteorologie noch einige nicht Konstanten entsprechen der Internationalen Temperatur- gesetzliche Einheiten in Gebrauch, z. B. die Stunde (h) und skala von 1990 (ITS-90). Auf die Angabe von Abweichungen, Minute (min). Im Bereich der Seefahrt und auch in der Flie- die sich in den meisten Fällen auf Werte nach der 3. Stelle gerei werden Längenangaben oft in Seemeilen bzw. nauti- hinter dem Komma beziehen, ist verzichtet worden, da in sche Meilen (NM) und die Geschwindigkeit in Knoten (kn) der Regel Mess- und Materialwerte höchstens mit dieser angegeben. Diese Maßeinheiten sind also keine SI-Einhei- Genauigkeit vorliegen. /TAB. 3.4 ten, wegen ihrer Bedeutung aber in Wissenschaft und Tech- nik in Spezialgebieten zugelassen.

Es kommt manchmal vor, dass in einer Rechnung eine Maßeinheit in eine andere umgerechnet werden muss, wobei auch mit anderen als in Tabelle 3.1 genannten Maßein- heiten umgegangen werden muss, z. B. soll mit der Angabe der Geschwindigkeit (z. B. 120 km h–1) der Weg, der in einer bestimmten Zeit (z. B. 4 h) zurückgelegt wird, berechnet werden, also

gleich .

Die Einheit der Zeit kann wie jede andere Zahl gekürzt werden, so dass die Maßeinheit km übrig bleibt. So lassen sich viele andere Maßeinheiten ineinander umrechnen.

13 Tab. 3.4 Physikalische Größen und Konstanten Die in der Größengleichung symbolisch durch einen Buch- staben gekennzeichnete Größe ist bei der zahlenmäßigen Größen und Symbol Wert Konstanten Auswertung der Gleichung entsprechend der De¤nition Größe = Zahlenwert ¤ Einheit Standard-Schwere- g0 9,80665 m s –2 durch das Produkt zu ersetzen und die Einheiten sind wie beschleunigung Zahlenwerte als algebraische Rechengröße zu behandeln. Stefan-Boltzmann- Ein Beispiel hierzu ist das bereits erwähnte 2. NEWTON- ␴ 5,670 10 –8 W m –2 K –4 Konstante Axiom, das „Grundgesetz der Mechanik“

–3 Wiensche Konstante ␭ maxT 2,897 10 m K F = m ⋅ a (Kraft = Masse x Beschleunigung) universelle Gaskonstante R 8,31451 J mol –1 K –1 (n. Cohen und Tayler, 1986) mit der SI-Einheit Newton 1 N = 1 kg m s –2. Gaskonstante R 287,058 J kg –1 K –1 trockener Luft L Der Vorteil von Größengleichungen liegt darin, dass man Gaskonstante von beliebige Einheiten verwenden kann und dass sie für jedes R 461,525 J kg –1 K –1 Wasserdampf W beliebige Dimensionssystem richtig sind, also ohne gleichzeitig erklären zu müssen, auf welches Einheiten- und Di- Psychrometerkonstante mensionssystem sich diese Gleichung bezieht. (Wasser) 6,53 10 –4 pK –1 (Eis) 5,75 10 –4 pK –1 Der Nachteil der Größengleichung besteht darin, dass man Lichtgeschwindigkeit c 299.792.458 m s –1 bei der Auswertung immer das Produkt Zahlenwert x Einheit im Vakuum einsetzen und für beide Faktoren die Rechnung durchführen muss. Der Rechenaufwand ist deshalb größer als der mit reinen Ob die Naturkonstanten wirklich konstant sind, ist nicht Zahlenfaktoren. Muss die Gleichung in der Praxis sehr häu¤g abschließend geklärt. Es gibt immer wieder Versuche, zeit- gelöst werden, so sind die Einheiten der Größen oft festge- liche Änderungen dieser Größen zu messen. Da aber bisher legt, so dass man sich die Rechnung für die Einheiten sparen noch keine eindeutigen Hinweise auf zeitliche Änderun- kann, wenn man eine besondere Form der Größengleichung gen der Naturkonstanten gefunden wurden, müssen mög- – die zugeschnittene Größengleichung – aufstellt. Durch liche Variationen sehr klein sein. Der in Tabelle 3.4 ange- das Setzen der Formelzeichen in Klammern oder die Division gebene Wert für die Lichtgeschwindigkeit ist erst seit dem der Größen durch die jeweils gewünschte Maßeinheit, erhält 20.10.1983 auf Grund genauer Messungen endgültig festge- man dann die sogenannte zugeschnittene Größengleichung. legt worden. Sie wird aus der Größengleichung entwickelt, indem man die einzelnen Größen mit den gewählten Einheiten erweitert 3.3 Verknüpfung physikalischer Größen – Physikalische Gleichungstypen Größe = Zahlenwert µ Einheit

Ähnliches wie für Größen gilt für Gleichungen. So ist bspw. Beispiel: die Energiehaushaltsgleichung in der Form oder die reine Zahlenwertgleichung anwendet. Strahlung = Bodenwärmestrom + Konvektionswärme- strom + Verdunstungswärmestrom 3.3.2 Einheitengleichungen Eine Einheitengleichung ist eine zahlenmäßige Beziehung keine Gleichung physikalischer Größen, sondern nur eine zwischen den Maßeinheiten physikalisch-chemischer Grö- „Wortgleichung“ mit einem gewissen Erkenntniswert, für ßen. In der Einheitengleichung treten nur Maßeinheiten quantitative Zwecke aber nicht widerspruchsfrei anwendbar. und Zahlenwerte auf und wie erwähnt, nach dem SI immer nur mit der Zahl 1 als Zahlenfaktor, z. B.: 3.3.1 Größengleichungen Größengleichungen verknüpfen verschiedene physikalische Größen und als Unterscheidungsmerkmal zwischen gleichartigen Größen deren Größenwerte (Messwerte) mit- 3.3.3 Zahlenwertgleichungen einander. Sie sind das Produkt aus Zahlenwert und Einheit, In Zahlenwertgleichungen haben die Formelzeichen aus- unabhängig von den verwendeten Einheiten. Die Größen- schließlich die Bedeutung von Zahlenwerten. Sie sind da- art muss auf beiden Seiten des Gleichheitszeichens jedoch her abhängig von der Wahl der Einheiten und nur brauch- übereinstimmen, damit die Gleichung physikalisch sinn- bar, wenn diese auch bekannt sind. Sie werden heute noch voll ist. angewandt, führen aber leicht zu Fehlern und sind ohne weitere Beschreibung nicht auswertbar. Sie folgen aus der Größengleichungen sind De¤nitionsgleichungen für abge- zugeschnittenen Größengleichung, indem die Einheiten leitete Größen. Sie sind unabhängig fortgelassen werden. Formeln in historischen Texten, „Faust- • von Maß- und Einheitensystemen und formeln“ und empirische Formeln sind meistens in der Form • von der Angabe eines Messverfahrens. von Zahlenwertgleichungen angegeben. In einigen Fällen stehen die zu benutzenden Einheiten mit in der Gleichung.

14 Die Formelzeichen bedeuten hier Zahlen. Ein Beispiel soll physikalische Messverfahren zu gewinnen. Messgrößen das verdeutlichen sind hier die meteorologischen Elemente Temperatur, Luftdruck, Luftfeuchte, Niederschlag, Wolkenuntergrenze,

Δp = –p ⋅ g ⋅ Δz und p = p ⋅R L ⋅ TV Wind, Sicht, Strahlung u. a. Dabei geht die Meteorologie vom gleichen Ansatz wie die Physik aus, hat aber spezielle ergibt Probleme, wie

(hydrostatische Grundgleichung) • kein „abgeschlossenes“ Labor • Störeinflüsse nicht ausschaltbar mit TV = 281 K • ständige Variation der Versuchsbedingungen p = 954 hPa • physikalische Gesetze für dynamische und thermodyna- –1 –1 R L = 287 J kg K mische Prozesse liegen bereits vor g = 9.81 m s –2 Besonderheit sind die vielen „Freiheitsgrade“, d. h. die Vor- Die Zahlenwerte in die Formel eingesetzt ergibt: hersagbarkeit ist schwierig aufgrund der • Gleichzeitigkeit der Vorgänge auf verschiedenen Skalen und der • Wechselwirkungen der verschiedenen Prozesse [38]. Δz = 8.617 Δp (Δz in m, Δp in hPa) Die in diesem Zusammenhang mit der meteorologischen Weitere Beispiele für Zahlenwertgleichungen sind Messtechnik auftretenden Begri¦e werden im Folgenden

• virtuelle Temperatur TV = t(1 + 0,608 • r) erläutert. • spezifische Feuchte siehe 9.1.1.1

• Henningsche Formel in Fuß h = 400(t − td) in Fuß 4.2 Messgerät, Messeinrichtung und Normal • Psychrometer-Formel siehe 9.1.1.1 Mit einem Messgerät werden der Messwert und der Zahlen- wert einer Messgröße ermittelt. Die Grundstruktur und die . D ATENERFASSUNG IM RAHMEN gemeinsamen Grundfunktionen aller Messgeräte oder Mes- METEOROLOGISCHER MESSTECHNIK seinrichtungen zeigt die nachfolgende Abbildung. /ABB. 4.1

4.1 Messtechnik Allgemein Abb. 4.1 Grundstruktur und Grundfunktionen einer Messeinrichtung

Die folgenden Ausführungen basieren überwiegend auf der DIN 1319, die grundlegende deutsche Norm der Mess- technik, die erstmals 1942 herausgegeben wurde. Der Be- gri¦ Messtechnik ist ein Sammelbegri¦ für alle messenden Verfahren zur empirischen Bestimmung (Messung) von zahlenmäßig erfassbaren Größen mit Hilfe von Messge- räten in Wissenschaft und Technik.

Messen ist der experimentelle Vorgang, durch den ein spe- Die Aufgabe eines Messgerätes ist die Umwandlung einer zieller Wert einer physikalischen Größe, der sog. Messgröße physikalischen Größe in ein elektrisches Signal, welches als Bruchteil oder Vielfaches einer Einheit ermittelt wird. durch einen Datenlogger (siehe 4.4) digitalisiert und auf- Der gemessene Wert heißt Messwert und wird als Produkt gezeichnet werden kann. Ein solches Gerät wird charakte- von Messgröße und Einheit angegeben, z. B. risiert durch folgende Eigenschaften:

• den Messbereich, der angibt, innerhalb welcher Grenzen der Sensor überhaupt messen kann, Die Messgröße ist die Einheit des Messwertes. Ist eine • die Sensibilität (= Empfindlichkeit) ist nach DIN 1319 die Messgröße lediglich durch eine Komponente bestimmt „Änderung des Wertes der Ausgangsgröße eines Messge- wird, heißt sie Skalar. Die meisten Messgrößen auf dem rätes bezogen auf die sie verursachende Änderung des Gebiet der Meteorologie sind Skalare. Eine Messgröße, bei Wertes der Eingangsgröße“, der eine Komponente durch eine zweite, in eine bestimmte • die dynamische Kenngröße, die zeitliche Verzögerung, Richtung zielende Komponente ergänzt wird, heißt Vektor, mit der der Sensor eine Änderung des Messwertes (An- z. B. die Angabe der Windgeschwindigkeit zusammen mit sprechzeit) erfasst, der Windrichtung. • die Zuverlässigkeit, d. h. die Reproduzierbarkeit, die den Unterschied zwischen den vom Sensor ausgegebenen Jede Wissenschaft hat im Laufe der Zeit seine eigene Mess- Wert bei gleichen Bedingungen zu verschiedenen Zeiten technik entwickelt. Die meteorologische Messtechnik hat angibt (charakterisiert durch die Standardabweichung), zum Ziel, Kenntnisse über die Zustandsgrößen der Atmo- • die Messunsicherheit, als ein Maß für die Abweichung ei- sphäre und in der Atmosphäre ablaufende Prozesse durch nes angezeigten Wertes vom tatsächlichen Wert,

15 • die Linearität, die Fähigkeit des Messgebers über dem ge- • Primärnormal, das die höchsten meteorologischen samten Messbereich auf Änderungen der Eingansgröße Forderungen auf einem speziellen Anwendungsgebiet mit einer proportionalen Änderung der Ausgangsgröße erfüllt. Das Primärnormal wird außer zum Vergleich mit zu reagieren, Sekundär- oder Bezugsnormalen nicht unmittelbar für • die Ansprechschwelle ist nach DIN 1319 die „kleinste Messungen benutzt. Änderung des Wertes der Eingangsgröße, die zu einer er- Auch ein Normal weist eine Messunsicherheit auf, die kennbaren Änderung des Wertes der Ausgangsgröße ei- bei der Messung berücksichtigt werden muss. Einige, im nes Messgerätes führt“. DWD zur Kalibrierung eingesetzten Normale sind unter 7.3.4/8.3.5/9.3.5 und 12.3.5 kurz dargestellt. Eine Messeinrichtung ist die Gesamtheit aller Messgeräte und zusätzlicher Einrichtungen zur Erzielung eines Mess- Vielfachmessgeräte, auch Multimeter genannt, sind in der ergebnisses. Ein digitales Messgerät besteht aus einem Ver- Regel digitale Messgeräte. Mit ihnen lassen sich mehrere stärker, einem Analog-Digital-Wandler (AD-Wandler oder verschiedene Werte messen, sogar ohne dabei die Art der ADC für Analog-to-Digital-Converter), einem Zähler und Spannung oder des Stroms bzw. die Polarität beachten zu der Digitalanzeige. Ein Analog-Digital-Umsetzer (ADU), müssen. Das Messgerät wertet die anliegende Messgröße setzt analoge Messgrößen, die zunächst verstärkt werden, selbstständig aus. Anstelle von Multimetern kommen bei in digitale Daten bzw. einen Datenstrom um, der dann wei- meteorologischen Messungen normalerweise Datenlogger terverarbeitet oder gespeichert werden kann. Für die Um- (siehe 4.4) zum Einsatz. setzung sind unterschiedliche Methoden in Gebrauch. Das Gegenstück ist der Digital-Analog-Umsetzer (DAU). Ein 4.3 Messfühler, Messwert, Messsignal Zähler wandelt die binäre Größe in eine geeignete Größe, z. B. den BCD-Code für die dezimale Digitalanzeige um. In einem Medium soll eine bestimmte Messgröße gemessen /ABB. 4.2 werden. Dazu muss der Messfühler Kontakt mit dem Medi- um haben. In vielen Fällen ¤ndet zwischen dem Fühler und Abb. 4.2 Aufbau eines digitalen Messgerätes dem Medium ein Energieaustausch (z. B. Wärmeaustausch) statt.

Der Messfühler (Sensor) wandelt eine physikalische Größe in ein für Menschen oder Computer verarbeitbares Signal um. Das Ausgangssignal hängt von der Messgröße ab. Die Messgeräte erzeugen Signale, z. B. Strom, Spannung, Fre- Zu den wesentlichen Merkmalen von Messgeräten gehören quenz oder Impulse die durch «Interfaces» in Zahlenwerte umgeformt (digitalisiert) werden. So genannte «intelligen- • der Messbereich, Bereich derjenigen Werte der Messgrö- te» Sensoren geben ihre Messwerte direkt als Zahlen oder ße, für den gefordert ist, dass die Messabweichung eines Zeichenketten aus. Die so computergerecht auereiteten Messgerätes innerhalb festgelegter Grenzen bleibt, Daten werden dann im Datenlogger (siehe 4.4) abgespei- • die Ansprechschwelle, die kleinste Änderung des Wertes chert und können anschließend vom Zentralrechner abge- der Eingangsgröße, die zu einer erkennbaren Änderung fragt werden. des Wertes der Ausgangsgröße eines Messgerätes führt, • die Empfindlichkeit, d. h. die Änderung des Wertes der Die Messsignale können Ausgangsgröße eines Messgerätes, bezogen auf die sie • analoge Signale (kontinuierlicher Wertebereich mit belie- verursachende Änderung des Wertes der Eingangsgröße bigen Zwischenwerten innerhalb des Messbereichs) oder und • digitale Signale (diskontinuierlicher Wertebereich mit nur • die Auflösung, d. h. nahe beieinanderliegende Messwerte ganz bestimmten Werten des Ausgangssignals  Quanti¤- eindeutig zu unterscheiden, zierung und Codierung) sein. Sie entscheiden zwischen analogem bzw. digitalem Bei einem Normal handelt es sich um ein Messgerät, Mess- Messen. Digitale Datenerfassungssysteme haben analoge einrichtung oder Referenzmaterial, das den Zweck hat, eine Systeme vielfach abgelöst. /ABB. 4.3 und 4.4 Einheit oder einen oder mehrere bekannte Werte einer Grö- ße darzustellen, zu bewahren oder zu reproduzieren, um Beispiele: Voltmeter, Uhr, Tachometer diese an andere Messgeräte durch Vergleich weiterzugeben. analog  Zeiger Man unterscheidet dabei mehrere Ausführungen. Man un- digital  Zahl terscheidet dabei das Hier kommt der Begri¦ DSP-Technologie (engl.: Digital Si- • Gebrauchsnormal, routinemäßig eingesetzte Normale, gnal Processing) zum Tragen, bei dem es um auf spezielle • Bezugsnormal, ein Normal von der höchsten örtlich ver- Aufgaben der digitalen Signalverarbeitung geht. Die meis- fügbaren Genauigkeit, von dem an diesem Ort vorgenom- ten Signale in unserer Umgebung liegen in analoger Form mene Messungen abgeleitet werden, nur zur gelegentli- vor, die heutzutage von zahlreichen Systemen verarbeitet chen Kalibrierung der Gebrauchsnormale eingesetzt, werden müssen, um etwa die Raumtemperatur zu über- wachen und gegebenenfalls Alarm zu geben. Wegen der schnell fortschreitenden Entwicklung der Digitaltechnik

16 Abb. 4.3 Beispiel einer analogen Anzeige Abb. 4.4 Beispiel einer digitalen Anzeige

gewinnt deshalb die digitale Signalverarbeitung immer soren (z. B. Pt 100-Temperaturfühler) vorbereitet sind. Diese mehr an Bedeutung. Ein analoges Signal kann z. B. eine von Logger werden über ihre serielle Schnittstelle für den jewei- der Zeit t abhängige Spannung U(t) sein, die aus beliebigen ligen Einsatzzweck kon¤guriert. reellen Zahlenwerten besteht. Dieses Signal ist zeit- und wertekontinuierlich. Digitale Signale sind sowohl zeitdis- Datenlogger sind üblicherweise auf einen stromsparen- kret, als auch wertediskret. Es ist die numerische Repräsen- den Betrieb ausgelegt und lassen sich daher relativ ein- tation eines analogen Signals [46]. fach mit einer eigene Energieversorgung (z. B. durch ein akkugepu¦ertes Solarpaneel betreiben, die auch die an ihn Die digitale Anzeige vermittelt häu¤g einen sehr genauen angeschlossenen Messgeräte/Sensoren versorgt. Die Da- Messwert. Wie bei analogen Messgeräten ist die Genauig- tenspeicherung erfolgt typischerweise auf Speicherkarten. keit von der Messung und der Abtastfrequenz abhängig. Dadurch wird einem möglichen Datenverlust (bei elektri- Diese Abtastfrequenz legt die Abstände der Abfrage an den schen Defekten oder leerem Akku) vorgebeugt. Sensor fest und muss sehr genau auf diesen abgestimmt sein. Zwar sind die Messfehler geringer als bei analogen Exemplarisch werden zwei Datenlogger vorgestellt, die in Messgeräten, allerdings sind die elektronischen Schal- Verbindung mit meteorologischen Sensoren verwendet tungen temperaturabhängig. Außerdem treten Messfehler werden. durch Leitungslänge und elektrische Störungen auf. Daher ist eine sensornahe Digitalisierung anzustreben. Digitale 4.4.1 COMBILOG Datenlogger Messgeräte haben den Vorteil, dass sie nicht so emp¤nd- Die Kon¤gurierung für den COMBILOG der Fa. Friedrichs lich von äußeren Ein üssen sind. Soll der Messwert einem erfolgt über eine auf WINDOWS® basierende PC-Software. Beobachter vermittelt werden, muss die Anzeige einem Sin- Dabei wird die Kanalbelegung sämtlicher Eingänge durch nesorgan, in der Regel dem Auge zugänglich sein. eine integrierte Datenbank für die gebräuchlichsten Senso- ren unterstützt. Die Kon¤guration und Anschlussbelegung 4.4 Datenerfassung wird auf dem Bildschirm dargestellt. Speichern und Aus- drucken ist ebenso möglich. /TAB. 3.1 Heutige Datenerfassungssysteme sind in ihrer Grund- funktion Datenlogger mit mehreren analogen und digita- Tab. 4.1 Spezi¯kationen COMBILOG Datenlogger 1020 (Friedrichs) len Eingangskanälen und seriellen Schnittstellen für die Einsatzbereich –30 bis +60 °C Datenaufnahme und -ausgabe. Die analogen Eingangska- näle verfügen über einen AD-Wandler (siehe 4.2), der die Genauigkeit 0,01 bis 0,3 %, bereichsabhängig; analogen Messsignale digitalisiert. Solch ein Datenerfas- Auösung 0,003 bis 0,03 %, bereichsabhängig; sungssystem kann somit sowohl analoge als auch digitale Messintervalle 0,5 s bis 60 min Sensoren synchron erfassen, die Daten zwischenspeichern und an andere Systeme übertragen. In begrenztem Umfang Messwertauösung 16 Bit AD-Wandlung lassen sich auch arithmetische Operationen (z. B. Mittel- 25 ppm K –1; 2 ppm K –1 mit Drift- Temperaturdrift wertbildung) programmieren. korrektur; Linearität 0,01 % Auf die Datenerfassung im DWD wird unter 18.2 näher eingegangen. 1 x RS232, 1 x RS485; im ASCII- oder Schnittstellen PROFIBUS- Format, Baudrate max. Für spezielle Messaufgaben (Forschung, Messkampagnen, 38.400 Bit/s Erprobung) werden handelsübliche meteorologische Da- 2 Ausführungen: 20 MHz (Standard) Taktfrequenz tenlogger verwendet, deren Messeingänge und interne oder 5 MHz (Low Power Version) Software bereits auf den Anschluss meteorologischer Sen-

17 Große Bandbreite (z. B. Spannungen Es handelt sich dabei um einen Logger, der eigene Schi¦s- Messbereiche ab ±6,25 mV). Messungen von Ther- daten in Verbindung mit Bordrechnern erfasst und für die moelementen Steuerung und Sicherheit des Schi¦es verarbeitet. 8 analoge, 6 digitale I/O Ports, zu- sätzliche Arithmetikkanäle, dadurch Tab. 4.2 Spezi¯kationen Datenlogger SYNMET_NAV (Lambrecht) Erweiterung auf insgesamt 32 Kanäle Eingänge Einsatzbereich –30 bis +70 °C, 0 bis 100 % möglich. Anschluss aller gängigen Sensoren; analoge Eingänge in 2-, 3- Abhängig von Parametern und oder 4-Leitertechnik Genauigkeit Sensoren, 12-Bit-ADC, 8 μs Wand- lungszeit 10 bis 18 V DC, je nach Kon¡guration Versorgung ab 70 mW Auösung 14-Bit-ADC Messintervalle 1 bis 60 s, Mittelwerte 1 bis 60 min

dyn. Ringspeicher für Mittel- und Abb. 4.5 COMBILOG Datenlogger 1020 (Friedrichs) Speicher Extremwerte, 512 KB RAM redundante Schnittstellen für FWD Schnittstellen und AFT-Bordrechner 12 analoge, 5 digitale, universelle Sensoreingänge, belegbar als/für Eingänge Widerstandsmessung Pt 100, Spannung, Strom, Frequenz, Impuls, Status, serielle Sensoren Versorgungs- 18 bis 32 V DC spannung

Turbulenzerkennung, Luv- und Leevergleich, True Wind Neben analogen und digitalen Eingangskanälen lassen sich sowie Fahrt über Grund stehen dafür beispielhaft. arithmetische Verknüpfungen (Summen- und Di¦erenzbildung, Maximum- und Minimum usw.), sowie Überwa- 4.5 Messumformung chungsfunktionen, Alarmfunktionen und Linearisierung von Kennlinien realisieren. Bei den erwähnten Messprinzipien zur Temperaturmes- sung wird durch die Messgröße eine Spannung bzw. Wider- 4.4.2 Datenlogger SYNMET-NAV stand so gesteuert, dass diese mit der Messgröße eindeutig Auf ca. 60 Einheiten der Marine der Bundeswehr (u. a. auf zusammenhängen. Ein derartiger Vorgang heißt Messum- der Gorch Fock, der Planet) wird der Datenlogger SYNMET- formung. NAV der Fa. Lambrecht speziell für Hochsee- und Schi¦s- einsatz ausgerüstet. Dabei ist zu unterscheiden zwischen Messgrößenumfor- mungen Abb. 4.6 Datenlogger SYNMET-NAV (Lambrecht) • bei der eine Messgröße in eine andere umgewandelt wird. Beispiel: Umformung einer Widerstands- in eine Span- nungsänderung • bei der sich der Messwert ändert, die Größenart aber bestehen bleibt. Beispiel: Verstärkung einer Spannung

Bei der elektrischen Messung nicht-elektrischer Größen folgen im Allgemeinen mehrere Messumformungen aufeinander. Zum Beispiel die Messwertumformung • der Temperatur in eine Widerstandsänderung, • der Widerstandsänderung in eine Spannungsänderung, • die Spannungsverstärkung und das Umformen der Span- nung in eine Auslenkung des Anzeigers.

Jede dieser Messumformungen geht in einem Messglied vor sich.

Messumformer werden häu¨g auch als Sensoren bezeichnet. Ein Messumformer liefert, im Unterschied zu einem Sensor, jedoch ein genormtes Signal für einen vorein- gestellten Messbereich, z. B. ein 0 bis 10 V Signal oder ein 0/4 mA bis 20 mA Signal. Des Weiteren gibt es auch Mess-

18 umformer, die eine Frequenz oder die Zeit als Ausgangssi- Der Messfühler muss durch die Messgröße beein usst gnal verwenden. Dies hat den Vorteil, dass die Information werden, so dass er irgendwelche Eigenschaftsänderungen im zeitlichen Abstand der elektrischen Pulse oder der Puls- (Volumenänderung, Gewichtsänderung, Längenänderung, rate steckt und nicht in der Signalhöhe. Deshalb sind diese Widerstandsänderung u. a.) er»hrt. Andererseits darf der Signale sicherer in der Übertragung und einfacher mittels Messfühler bzw. die Messeinrichtung das zu messende Me- digitaler Elektronik (Zählerbausteine) zu verarbeiten. Intern dium nicht beein ussen und die zu messende Größe nicht besteht ein solcher Messumformer aus zwei Komponenten, ver»lschen (Rückwirkung des Messfühlers). Diese Beein- einem Sensor und einer elektronischen Einheit, welche das ussung ist im Prinzip nie ganz vermeidbar. genormte Signal formt. Der Sensor bezeichnet einmal das Messelement und einmal den Messfühler mit Elektronik im Beispiel: ein kaltes Thermometer entzieht der zu messen- Gehäuse mit Ausgangsschnittstelle. den Flüssigkeit Wärme, und ver»lscht damit die Tempe- ratur am Messort. Man kann diesen Ein uss z. T. dadurch Die Messgröße wird vor und nach jeder Messumformung verhindern, dass man ein Thermometer mit möglichst ge- durch ein bestimmtes Messsignal dargestellt. Das Aus- ringer Wärmekapazität wählt. gangssignal ist eine Funktion des Eingangssignals, es wird durch dieses, welches sich am Eingang jedes Messglieds be- Für mikrophysikalische Objekte ist diese Forderung prinzi- ¤ndet, gesteuert. Der Weg, den ein Messsignal in der Reihe piell unerfüllbar. der Messglieder durchläuft, heißt Signal ussweg. 4.6 Messprinzip, Messverfahren Eingangssignal (vom Medium)  Änderung der Messgröße Das Messprinzip beruht auf den physikalischen Erschei- Ausgangssignal nungen des zu messenden Mediums. Es wird nach der cha-  Reaktion des Messfühlers  Messwert rakteristischen physikalischen Eigenschaft benannt, mit deren Hilfe die Messung durchgeführt wird. Das Ausgangssignal des Messfühlers ist eine physikalische Größe, z. B. eine Anzeige an einer Skala oder eine elektrische Beispiel: die Temperatur kann nach dem Messprinzip des Spannung. In manchen Fällen ist es nötig, einen Messwert- thermoelektrischen E¦ekts oder nach dem Messprinzip der wandler zu verwenden, um die Ausgangsgröße ihrerseits in Temperaturabhängigkeit eines elektrischen Widerstands eine andere, leichter zu handhabende Größe umzuwandeln gemessen werden. (nicht alle Messgeräte enthalten einen Wandler, manche dagegen gleich mehrere). Im Anschluss an den Wandler Das Messverfahren dagegen ist die spezielle Anwendung ist ein Rechensystem vorgesehen, um mit dem Messsignal des Messprinzips. Eine Messung kann bei gleichem Mess- gewisse, mathematische Operationen vorzunehmen (z. B. prinzip nach verschiedenen Messverfahren durchgeführt Multiplizieren, Radizieren). Oft wird das Messsignal jedoch werden. Hierbei können grundsätzlich drei verschiedenen lediglich verstärkt, also mit einem konstanten Faktor mul- Messverfahren unterschieden werden: tipliziert. Messsignale, die durch ein überlagertes Rauschen stark gestört sind, werden ge¤ltert, um das Rauschen zu un- • Ausschlagverfahren  der Änderung des Eingangssignals terdrücken folgt eine umgehende Änderung des Ausgangssignals (nur im Zusammenhang mit mechanischen Geräten) Die meisten Anzeigen sind die • Digitalmessverfahren • Stellung eines Zeigers an einer Skala, • Kompensationsverfahren • die direkte Ziffernanzeige oder (Kompensation der Änderung der Messgröße) • eine Aufzeichnungsvorrichtung, in der der Verlauf der Messwerte auf entsprechend gezeichnetes Papier aufge- Der Träger der Messgröße heißt Messgegenstand oder Mes- schrieben wird. sobjekt, bei Gasen und Flüssigkeiten Messmedium.

Beispiel eines Flüssigkeitsdruckthermometers:

Abb. 4.7 Beispiel eines Flüssigkeitsdruckthermometers

19 4.7 Messort, Messzeitpunkt zu suchen sind. Als Messfehler wird also die Di¦erenz zwischen dem gemessenen Wert einer bestimmten Größe und Die Stelle, an der die Messgröße aufgenommen wird, ist dem wahren Wert der Messgröße bezeichnet, deren Angabe der Messort. Er soll eine repräsentative Lage haben (siehe immer zum Messergebnis gehört. Es sind keine Fehler im 19.4). Die Anzeige des Messwertes kann weit vom Messort herkömmlichen Sinne, sondern Ungenauigkeiten, die auch entfernt erfolgen. als Messabweichung oder Messunsicherheit bezeichnet werden. Der Messzeitpunkt muss festgelegt sein. In der Meteorolo- gie ist er fast immer international vereinbart und zwar für Ferner treten Beein ussungen durch die Umwelt (z. B. Tem- durchzuführende Beobachtungen/Messungen zum peratur- und Druckschwankungen) und die Beobachter auf. Daher muss aus den unterschiedlichen Werten das Messer- • gleichen Zeitpunkt (synoptisch) oder gebnis abgeleitet werden: • gleichen Sonnenstand (klimatologisch).

y = f (x i )

. MESSERGEBNIS, MESSUNSICHERHEIT, d. h. der Wert der Messgröße y ist der korrigierte Messwert. MESSABWEICHUNG Die unzureichende Kenntnis des Wertes der Messgröße Kein Messgerät misst die Messgröße absolut genau, d. h. wird durch die Unsicherheit des Messergebnisses wider- die angezeigten Messwerte weichen grundsätzlich mehr gespiegelt. Selbst nach angefügter Korrektion hinsichtlich oder weniger vom wahren Wert ab (den man eigentlich nie der erkannten Ein üsse ist das Messergebnis infolge der kennt). Man spricht daher gemäß „Leitfaden zur Angabe der Unsicherheit immer noch nur ein Schätzwert der Mess- Unsicherheit beim Messen“ (GUM – Guide to the expression größe, die sich aus systematischen und zu»lligen Ein üs- of uncertainty in measurement) nur noch vom Wert einer sen ergibt. Messgröße. Der systematischen Messabweichung ist eine, wenn auch sehr kleine Messunsicherheit zugeordnet, weil 5.1 Systematische Messabweichungen auch Normale mit einer Messunsicherheit behaftet sind. Systematische Messabweichungen setzen sich aus den fol- Die Messunsicherheit wird de¤niert als Kennwert, der zu- genden Fehlern zusammen: sammen mit dem Messergebnis angegeben wird, d. h. dem Messergebnis durch die Messung beigeordnet wird, und Instrumentenfehler den Bereich der Werte charakterisiert, die der Messgröße Messgeräte können mangelhaft kalibriert sein, wodurch durch die Messung vernünftigerweise zugeschrieben wer- Fehler auftreten. So können sich z. B. Nullpunktfehler und den können. Amplitudenfehler im Laufe der Zeit einstellen. Sie werden durch Kalibrierscheine weitgehend eliminiert, welche von Die Messunsicherheit umfasst die zu»lligen (statistischen) den zuständigen Stellen (im DWD sind das die Service und und die systematischen Fehler. Sie kann durch die Stan- Logistik-Einheiten, im weiteren Verlauf kurz SL-Einheiten dardabweichung ausgedrückt werden. Diese wird durch genannt) erstellt bzw. nachgeprüft werden müssen. Wiederholmessungen mit einem Messgerät an einem konstanten Messobjekt oder durch Doppelbestimmungen mit Mangelnde Reinheit der Messsubstanz, z. B. des Quecksil- zwei gleichen Messgeräten bestimmt. Der wesentliche bers kann auch zu systematischen Fehlern führen. Regel- Unterschied zwischen diesen Fehlerarten ist, dass syste- mäßige Vergleiche der Geräte/Sensoren sorgen dafür, dass matische Messabweichungen rechnerisch oder experimen- geräteseitige Fehlmessungen rechtzeitig erkannt werden, tell berücksichtigt werden können, während sich zu»llige damit das fehlerbehaftete Gerät aus dem Einsatz genommen Messabweichungen nur abschätzen lassen. Die zu»llige werden kann, und von der zuständigen Stelle überprüft und Messabweichung gibt allgemein die Messunsicherheit ei- ggf. neu kalibriert bzw. ausgetauscht wird. nes Messmittels an. Fehler durch ungünstige Aufstellung der Messgeräte/ Praktisch ist jede Messung mit Unsicherheiten behaftet, Sensoren auch bei verstärktem Einsatz der Elektronik bei Aufnahme, Zu den Aufstellungsfehlern gehören vor allem die Hütten- Umwandlung und Verarbeitung der Messwerte. Der ange- fehler (siehe 8.4.3). zeigte Messwert Fehler durch schlechte Handhabung der Messgeräte/ • kann identisch mit dem Messergebnis sein, Sensoren • beinhaltet jedoch in den meisten Fällen Fehler, deren Ur- Zu den Handhabungsfehlern gehören u. a. die Korrektions- sachen in der herstellungsbedingten Unvollkommenheit und Reduktionsfehler bei Barometern. Besonders häu¤g – des Messgerätes sind dabei Ablesefehler von 5 hPa. – des Messsystems – der Messmethode Systematische Messabweichungen sind durch Unvollkom- menheit der Messgeräte/Sensoren und des Messverfahrens hervorgerufene Fehler, z. B.

20 • falsche Kalibrierung ausführlicher auf dieses Messprinzip eingegangen werden. • Einflüsse der Umwelt (Erwärmung des Maßstabes, Abnut- Diese genannten meteorologischen Größen bewirken eine zung von Gewichten) die man messen oder abschätzen Änderung der Permittivität (dielektrische Leit»higkeit), kann. Sie sind bei genauer Wiederholung des Messvor- also der Durchlässigkeit eines Materials für elektrische Fel- gangs stets gleich groß und lassen sich durch Korrekturen der oder enthaltener Ladung. Beides kann durch eine nach- oder (besser) Vermeidung beseitigen. Sie können durch folgende Schaltung ausgewertet werden. eine Verbesserung des Messverfahrens reduziert oder sogar vermeiden werden. Systematische Messabwei- Das Messprinzip ist eine Kapazitätsmessung, d. h., dass chungen sind durch das Vorzeichen plus (+) oder minus sich zwischen zwei Kondensatorplatten ein dielektrisches (–) und nach dem Betrag bekannt und können durch ent- (nicht leitendes) Material als Messfühler be¤ndet. Als Kon- sprechende Korrektur berücksichtigt werden. densatorplatten aus elektrisch leit»higem Material werden häu¤g dünne Metallfolien verwendet, die durch eine 5.2 Zufällige Messabweichungen dünne Kunststo¦schicht voneinander getrennt und gegeneinander isoliert sind. Wenn diese Anordnung aufgerollt Zu»llige Messabweichungen werden durch messtechnisch wird, kann auf verhältnismäßig kleinem Raum ein großer nicht erfassbare (und nicht beein ussbare) objektive und Flächeninhalt untergebracht werden, um so die Kapazität subjektive Ursachen hervorgerufen, z. B. eines Kondensators zu erhöhen [46].

• Ablesefehler des Beobachters, vor allem bei analoger An- Die maximale Anzahl Ladungen, die eine Kondensatorplat- zeige und durch Parallaxenfehler, te bei einer bestimmten angelegten Spannung aufnehmen • Ungeschicklichkeit beim Messen oder Ablesen, (bzw. abgeben) kann ist die Kapazität C des Kondensators. • Erschütterung des Messgerätes, Sie ist das Verhältnis der zugeführten Ladung Q zur entstan- • Temperatureinflüsse auf den Messfühler, denen Spannung U • Reibung oder toter Gang bei mechanischen Messfühlern (z. B. Aneroidbarometern). (6.1)

Zu»llige Messabweichungen haben positives oder negati- mit C = Kapazität (F) ves Vorzeichen , d. h. sie schwanken bei jeder Messung nach Q = Ladungsmenge = Amperesekunde (A∙s) = Cou- Betrag und Vorzeichen, daher kann erst durch wiederholte lomb (C) Messungen einer bestimmten Größe unter denselben Be- U = elektrische Spannung (V) dingungen festgestellt werden, dass die Anzeige statistisch um einen Mittelwert (wahren Wert) schwankt. Bei nur ein- Da die Spannung bei einem einzelnen Leiter proportional maliger Messung ist die Messabweichung zu schätzen, bei zur Ladung ist, hängt das Verhältnis weder von Q noch von mehrfachen Messungen (Messreihen) kann sie mit statisti- U, sondern nur von der Größe und Gestalt des Leiters ab. schen Methoden bestimmt werden. Unter Einwirkung einer Spannung U, die am Pluspol der Spannungsquelle liegt, werden von einer Platte Elektronen . ELEKTRISCHE/ELEKTRONISCHE GRUNDLAGEN abgezogen (freie Ladungsträger im Metall) und zur anderen UND BEGRIFFE Platte transportiert. Es wandert also elektrische Ladung von einer Platte zur anderen und der Kondensator wird elekt- In diesem Kapitel werden einige Grundlagen und Begri¦e risch aufgeladen. Damit ist eine Platte positiv (Q +) und die erläutert, die im Zusammenhang mit mehreren meteorolo- andere Platte negativ (Q –) geladen. gischen Sensoren/Geräten stehen. Tritt ein Begri¦ bei nur einem Gerät auf, ¤ndet die Erklärung dort statt. Mit einer Abb. 6.1 Schematische Darstellung eines Plattenkondensator nur kurzen Erläuterung soll das Verständnis für die Anwen- dung des elektronischen Bauteils hergestellt werden. Für eine weitergehende Erklärung und Anwendung wird auf die einschlägige Physik- und Elektronikliteratur verwiesen.

Sicherheitshinweise zum Umgang mit elektrischem Strom siehe Anhang 6.1.

6.1 Kapazitive Messungen

Fast alle kapazitiven Sensoren basieren auf dem Prinzip, dass zwei Platten einen elektrischen Kondensators bilden, von denen eine Platte durch den zu messenden E¦ekt verschoben oder verformt wird. Verschiedene Bauformen von Kondensatoren sind als Sensoren für eine Reihe physikalischer bzw. meteorologischer Größen (Luftdruck, Lufttem- peratur, Luftfeuchtigkeit) geeignet, daher soll hier etwas

21 Die abgeleitete SI-Einheit der Kapazität ist das Coulomb pro Größe der auftretenden Ladung ist von der Größe der ein- Volt, das nach dem englischen Physiker MICHAEL FARA- wirkenden Kraft (z. B. Luftdruck) abhängig und kann nach DY (1791 – 1867) genannt wird: 1 Farad (1 F) ist die Kapazität entsprechender Verstärkung zur Messung verwendet wer- eines Kondensators, der beim Anlegen einer Spannung von den. 1 Volt eine Ladungsmenge von 1 Coulomb (As) speichert. Da das Farad eine große Maßeinheit ist, werden in der Praxis Heute werden piezoelektrische Kristalle in Wandlern (z. B. häu¤g nur Bruchteile (Vorsätze, Tab.3.3) davon (z. B. 1 μF = Mikrofonen, Tonabnehmern von Plattenspielern) einge- 10 –6 F) verwendet. setzt und vielfach auch in Spezialgeräten zur Luftdruck- messung ausgenutzt. Im praktischen Wetterdienst sind sol- Die Einheit der Permittivität kann im SI-Einheitensystem che Messfühler nicht in Gebrauch, daher folgt keine weitere als Beschreibung von Sensoren.

F⋅m −1 = A2⋅s 4⋅kg−1⋅m−3 = As⋅V −1⋅m−1 = C⋅V −1⋅m−1 Ein anderes Messprinzip, zu welchem im weiteren Verlauf ein Gerät beschrieben wird, beruht auf der Änderung des ausgedrückt werden. elektrischen Widerstandes eines piezoelektrischen Leiters. Diese Drucksensoren bestehen vorzugsweise aus einem aus Bei den unterschiedlichsten Kondensatorbauarten spielt Silizium hergestellten Dehnungsstreifen (siehe 11.3.2), der der Plattenkondensator eine wichtige Rolle. Er besteht aus in eine dünne Membran eindi¦undiert wurde. Ändern sich zwei Leiterober ächen (Zweiplattenkondensator) beliebi- die Druckkräfte auf diesen Dehnungsstreifen, kommt es ger Geometrie, den Elektroden, welche durch einen dazwi- zu geringfügigen Längenänderungen, die den elektrischen schenliegenden Isolator, das Dielektrikum getrennt sind. Widerstand des Dehnungsstreifens verändern. Nachteilig Die gespeicherte Ladung ist proportional zu der Spannung bei der Verwendung von Silizium ist, dass Fremdatome des Kondensators. Die Proportionalitätskonstante ist das eindi¦undieren können und so die Messung ver»lschen wesentliche Merkmal eines Kondensators und hängt von können. folgenden Eigenschaften ab: Bei einem frequenzanalogen Drucksensor wird ein solcher • dem Plattenabstand d, je kleiner (Abstand der Platten we- Dehnungsstreifen in einen elektrischen Oszillator (siehe sentlich kleiner als ihre Ausdehnung), umso größer ist 6.4) eingebaut. Die durch Druckänderung bewirkte Wider- die Kapazität standsänderung verstimmt nun die Frequenz des Oszilla- • der wirksamen Plattenoberfläche A, je größer die Fläche tors und durch Messung der Frequenzänderung kann die einer Platte, umso größer ist die Kapazität Druckänderung bestimmt werden. • der Permittivitätszahl ␧, abhängig vom Material zwischen den Platten 6.3 Photodiode

Damit gilt für die Kapazität eines Plattenkondensators Eine Photodiode ist eine Halbleiter-Diode, die sichtbares Licht, in manchen Ausführungen auch IR (Infrarot)-, UV- (6.2) oder Röntgenstrahlen, an einem pn-Übergang (p- und n- leitendes Material stoßen aneinander) durch den inneren Die derzeit gültige Permittivitätszahl des Vakuums beträgt Fotoe¦ekt in einen elektrischen Strom umwandeln. Sie −12 –1 ␧0 = 8,8542⋅10 ±0,0003 F m werden unter anderem verwendet, um Licht in elektrische Spannung oder Strom umzusetzen oder um mit Licht über- Der Begri¦ Dielektrizitätskonstante sollte nicht mehr ver- tragene Informationen zu empfangen. wendet werden, insbesondere weil es sich hierbei um keine Konstante handelt, sondern um eine Funktion, die von Photodioden bestehen z. B. aus Silizium (für sichtbares mehreren Parametern abhängt. An ihrer Stelle tritt der Be- Licht bis ca. 1 µm Wellenlänge), Germanium (für IR bis etwa griff Permittivitätszahl oder relative Permittivität [46]. 1,8 µm Wellenlänge) oder anderen, inzwischen auch organi- schen Halbleiterdetektor-Materialien. Für einen ähnlichen Je größer die Kapazität ist, umso mehr Ladung kann ein Wellenlängenbereich wie den des Germanium sind Photo- Kondensator bei einer bestimmten Spannung speichern. dioden aus dem besser geeigneten Material InGaAs (Indium Gallium Arsenid) üblich. 6.2 Piezoelektrischer Eekt Photodioden können auch für den Bereich des mittleren In- In bestimmten Kristallen wie Quarz, Turmalin und Topas frarot (Wellenlänge 5 µm bis 20 µm) gefertigt werden (CdTe-, führt mechanischer Druck auf diese Kristalle zur Polarisa- Ge:Au-Dioden). Sie müssen dann allerdings z. B. mit üssi- tion der Moleküle. Dies wird als piezoelektrischer E¦ekt be- gem Sticksto¦ gekühlt werden, weil die Wärmebewegung zeichnet (1880 von den Brüdern P. und P.J. Curie entdeckt). bei Raumtemperatur ausreicht, um Elektronen vom Valenz- Die dabei auftretende Verformung der Kristallstruktur ver- band ins Leitungsband zu heben. Dadurch wird der Dunkel- ursacht eine Verschiebung der Ionen im Kristallgitter und strom dieser Photodioden bei Raumtemperatur so groß, erzeugt eine elektrische Spannung. Der erzeugte elektrische dass das zu messende Signal darin untergeht. Ein zweiter Strom wird über zwei an dem Kristall angebrachte Elektro- Grund ist die ansonsten statt¤ndende Überlagerung der IR- den gemessen und in ein Drucksignal umgewandelt. Die Strahlung des Sensorgehäuses selbst [46].

22 Abb. 6.2 Emp¯ndlichkeit einer Silizium-Photodiode, abhängig von MESSUNG METEOROLOGISCHER der Wellenlänge des einfallenden Lichts ELEMENTE

Standardmessungen in den meteorologischen Messnetzen erfolgen nach den durch die WMO international festgelegten Empfehlungen. National sind diese häu¤g noch umfas- sender geregelt, um insbesondere bei Klimastationen und Umweltüberwachungsstationen eine hohe und unverän- derte Datenqualität zu erreichen. Überwiegend einheitlich sind die Vorschriften zur Messhöhe, Geräteaufstellung und anderen Faktoren (siehe 19.4).

Bei der Beschreibung der Messmethoden zu den einzelnen Parametern werden zunächst alle grundsätzlich möglichen Messprinzipien dargestellt. Bei den dazugehörigen Messge- räten liegt der Schwerpunkt bei den im DWD in der Praxis eingesetzten Geräten/Sensoren. Wie bereits im Vorwort erwähnt, sollen aber z. T. auch solche Geräte erfasst werden, die an anderen Einrichtungen (Behörden, Instituten, Universitäten, Forschungseinrichtungen und meteorologi- 6.4 Oszillator schen Diensten benachbarter Staaten) verwendet werden, um auf diese Weise auch andere Möglichkeiten der tech- Ein Oszillator ist ein schwingungs¬higes System, bei nischen Umsetzung von Messprinzipien kennen zu lernen. dem ein oder mehrere physikalische (also auch elektronische) Parameter zeitlich wiederholt dieselben Werte an- Meteorologische Messgeräte werden überwiegend im Frei- nehmen, insbesondere periodische Bewegungen um einen en installiert und müssen schwierigen Witterungsverhält- Nullpunkt (Ruhelage) durchführen. nissen standhalten. Aus diesem Grunde müssen die Geräte/ Sensoren widerstands»hig und einfach austauschbar sein. Oszillatoren beruhen überwiegend auf einem zeitbestim- Die Beschreibung solcher Geräte erfolgt nun im Hinblick auf menden schwingungs»higen System, dessen Schwingun- die Messung der einzelnen meteorologischen Parameter. gen ohne weitere Maßnahmen meist gedämpft sind, d. h. mit der Zeit verschwinden. Um ungedämpfte Schwingun- gen erzeugen zu können, kommt eine Einrichtung zur Zu- . LUFTDRUCKMESSUNG führung von Energie hinzu. Ein Oszillator enthält immer frequenzbestimmende Bauteile und eine Schaltung zur 7.1 Allgemeines Anfachung von Schwingungen. Das ist entweder ein rück- gekoppelter Verstärker oder ein Bauelement mit negativem Neben der Temperatur gehört der Luftdruck zu den ältes- differenziellem Widerstand [46]. ten in der Meteorologie gemessenen Größen. Mit Luftdruck wird der von der Masse der Luft unter der Wirkung der Erd- Oszillatoren ¤ndet man überwiegend in der Elektrotechnik anziehung ausgeübte statische Druck bezeichnet. Er ist de- bzw. Elektronik und der Mechanik. Jedoch sind Systeme mit ¤niert als das Gewicht einer gedachten vertikalen Luftsäule, periodischem Verhalten auch aus anderen Bereichen wie die vom Erdboden bis an den Rand der Atmosphäre reicht, der Pneumatik, Biologie und Chemie bekannt. ausgeübt auf eine Einheits äche. Der Luftdruck ist als die Kraft pro Fläche de¤niert. 6.5 Hysterese eines Messgerätes Für den statischen Luftdruck hat der Mensch kein Emp- Die Hysterese (engl.: Hysteresis) ist das Merkmal eines ¤ndungsorgan. Eine Emp¤ndung hat der Mensch nur für Messgerätes, das darin besteht, dass der zu ein und demsel- Druckdi¦erenzen etwa bei mangelndem Druckausgleich in ben Wert der Eingangsgröße sich ergebende Wert der Aus- einem Flugzeug, wenn Druck auf den Ohren verspürt wird gangsgröße von der vorausgegangenen Aufeinanderfolge und für schnelle Luftdruckschwankungen im Frequenzbe- der Werte der Eingangsgröße abhängt. Die Umkehrspanne reich des Schalls. Unter anderem wird darauf die Föhnfüh- ist ein quantitatives Maß für die Hysterese eines Messgerä- ligkeit zurückgeführt. tes. Sie ist die Di¦erenz der Werte der Ausgangsgröße, die sich daraus ergibt, dass der Wert der Eingangsgröße einmal Wie anschließend zu sehen sein wird, ist besonders im Zu- von größeren und anschließend von kleineren Werten her sammenhang mit der Luftdruckmessung die Angabe der stetig oder langsam schrittweise eingestellt wird [44]. Höhe über dem Meeresspiegel von Bedeutung. Wenn eine Höhe angegeben wird, so ist anzugeben, um welche Höhe es sich handelt. Der Begri¦ „Mean Sea Level“ (MSL) ist de- ¤niert als „Mittleres Niveau der Ozeanober äche“, gemessen über eine volle Gezeitenperiode von 18,6 Jahren. Diese

23 Höhenangabe ist nicht eindeutig und wenig präzise – im 7.1.1 Luftdruckmessgrößen Hochgebirge kann es zu Abweichungen von mehreren De- Das Gewicht der Luftsäule über einem Beobachtungsort ist zimetern kommen – und sollte daher nicht mehr verwendet abhängig von seiner Höhe über dem Meeresspiegel. Je tiefer werden. Grundsätzlich »llt nämlich die Meeresober äche dieser Ort am Grunde des Luftmeeres liegt, umso größer ist nicht mit einer Niveau äche des Erdschwerefeldes, also auch das Gewicht der Luftsäule, welches über ihm lastet. z. B. mit einem Geoid zusammen. Die auftretenden Abwei- Dies hat zur Folge, dass man von der Stationshöhe abhängi- chungen werden als Meerestopographie bezeichnet. ge, nicht miteinander vergleichbare Luftdruckwerte erhält, die damit nicht in Bodenwetterkarten eingetragen werden Abb. 7.1 Zusammenhang zwischen ellipsoidischer Höhe, Normalhöhe können um z. B. die Verteilung von Hoch- und Tiefdruckge- und Quasigeoidhöhe (Wikipedia) bieten mit Hilfe von Isobaren darzustellen zu können. Eine Lösung ist die Umrechnung (Reduktion) des Luftdruckes auf eine Referenzhöhe, in der Meteorologie auf Meeresniveau. So geben die meisten meteorologischen Stationen einen direkt (an der Station) gemessenen und einen auf NHN reduzierten Luftdruck an, d. h., dass daraus unterschiedliche Luftdruckmessgrößen resultieren. Für die Reduktion gibt es für jede Wetterstation eigene Reduktionstabellen bzw. wird der Reduktionswert über die Software berechnet.

Bei der Reduktion des Luftdruckes auf NHN werden, abhän- gig von der Verwendung des reduzierten Luftdruckwertes unterschiedliche Methoden angewandt. Dabei geht es in jedem Fall um eine gedachte Luftsäule von einer Station bis zum NHN. Dafür benutzt man Bezeichnungen aus den in- Der Abstand zwischen Ellipsoid und Geoid wird in der geo- ternational üblichen Q-Gruppen. Diese unterschiedlichen dätischen Fachsprache als Undulation bezeichnet. Ist nun in Luftdruckwerte werden im Folgenden kurz behandelt. einem Punkt die geographisch-ellipsoidische Höhe bekannt, z. B. mittels GPS bestimmt, und ist weiter ein Geoidmodell 7.1.1.1 Berechnung/Bestimmung des QFE-Wertes gegeben, so dass die Undulation angegeben werden kann, Das QFE ist der in Platzhöhe, bezogen auf die o¾zielle Flug- dann lässt sich daraus die orthometrische Höhe berechnen. platzhöhe, die den höchsten Punkt des Start- und Lande- bahnsystems eines Flugplatzes darstellt, korrigierter bzw. Seit dem 1. Januar 2000 wird in ganz Deutschland das Hö- abgelesener Luftdruckwert. Eventuell erforderliche Korrek- hensystem auf Normalhöhen zum Nullpunkt des Amster- tionen hängen vom genutzten Messgerät ab und werden bei damer Pegels umgestellt. Das neue Normalhöhennull ist der jeweiligen Beschreibung des Gerätes angesprochen. gleichzeitig die Grundlage für das United European Level- ling Net (UELN), in dessen Rahmen die Höhensysteme der Das QFE wird berechnet, indem der korrigierte Luftdruck- europäischen Länder vereinheitlicht werden. Die Höhen wert in Barometerhöhe mittels „aktueller Atmosphäre“ auf werden in diesem System in Meter über Normalhöhen- die Flugplatzhöhe reduziert wird. Für Höhendi¦erenzen null (m ü. NHN) angegeben. Normalhöhennull (NHN) ist <20 m kann ein einmal berechneter konstanter Wert ange- die Bezugs äche für Höhen über dem Meeresspiegel im nommen werden. Deutschen Haupthöhennetz 1992. 7.1.1.2 Berechnung des QFF-Wertes NHN wurde am 1. Januar 2002 in Deutschland als neue amt- Die Reduktion des Luftdruckes kann nach der statischen liche Höhe eingeführt, da für die Höhen über Normalnull Vorstellung vom Luftdruck vereinfacht als das Hinzufügen (NN) das tatsächliche Schwerefeld der Erde nicht berück- des Gewichts einer vom Barometerge»ß bis NHN reichen- sichtigt wurde und bis 31.12.2001 die amtliche Höhe war. Sie den (gedachten) Luftsäule betrachtet werden. Ausgehend ist den physikalischen Höhen zuzuordnen. Damit ändern vom Luftdruck in Barometerhöhe bzw. Luftdruck bezogen sich sowohl die bisher westdeutschen normal-orthome- auf o¾zielle Flugplatzhöhe (QFE) wird das QFF für Anwen- trischen Höhen (neue Berechnungsmethode) als auch die dungen in der Meteorologie (Eintragung in Bodenwetter- Normalhöhen Ostdeutschlands (Bezug auf den neuen Pegel karten) berechnet. Amsterdam). Gegenwärtig werden die westdeutschen nor- malorthometrischen Höhen und die ostdeutschen Normal- Der exakte formelmäßige Zusammenhang für die Redukti- höhen in diese Höhenangabe überführt, die sich auf das on auf Meeresniveau ergibt sich aus der Di¦erenzialform Quasigeoid beziehen. Oft enthalten aktuelle topogra¤sche der hydrostatischen Grundgleichung Karten noch Höhen über den alten Bezugsflächen [46]. dp = −g⋅␳⋅dz (7.1) Negative Höhen, gemeint sind Tiefenangaben von Gewäs- sern werden auf eine Bezugs äche bezogen, die man als Karten-Null (KN) bezeichnet. Seekarten und andere nautische Informationssysteme nutzen See-Karten-Null (SKN). SKN und NN sind nicht identisch.

24 und der für die Druckabnahme mit der Höhe sich daraus In dieser Gleichung gehen einige Größen ein, die nicht ak- ergebenden Di¦erenzialform der barometrischen Höhen- tuell gemessen werden, sondern als Annahmen sich an die formel ICAO-Standardatmosphäre (ISA – ICAO Standard Atmosphe- re) orientieren. Aufgrund dieser Annahmen sind mit einer oder (7.2) Reduktion des Luftdrucks auf Meeresniveau immer mehr oder weniger große Fehler verbunden. Vor allem bei einer mit g = 9,80665 m s –2 dickeren Schicht ist die Bestimmung der mittleren virtuel- –1 –1 R L = 287,058 J kg K len Temperatur meist nicht ohne größere Fehler möglich. ␳ = 1,225 kg m –3 Daher ist erst durch Integration, d. h. durch die Aufsum- mierung unendlich dünner und unendlich vieler Schich- wobei mit dp die Korrektur des Luftdrucks in Stationshöhe ten möglich, eine exakte Reduktion durchzuführen, d. h., mit der Stationshöhe dz ist. Da bei einer gedachten Luft- die barometrische Höhenformel muss in die Integralform schicht zwischen Meeresniveau und Stationshöhe keine überführt werden. Sie lautet dann Angaben über die Luftdichte vorliegen können, müssen An- nahmen über mittlere Dichtewerte, in diesem Fall über eine (7.4) mittlere virtuelle Temperatur tv (9.16) gemacht werden. Dennoch werden die Reduktionsfehler umso größer, je Ausgehend von der aktuellen Temperatur in 2 m Höhe wird höher die Station liegt, d. h. je länger die angenommene dazu mit einer Luftsäule zwischen Station und Meeresniveau ist. Deshalb • mittleren Temperaturabnahme von 0.65K 100 m–1 bis wird ab einer Stationshöhe von 750 m NHN nicht mehr Meeresniveau, sowie mit reduziert, sondern das Geopotenzial der nächstgelegenen • mittleren Wert für die Feuchte (des Dampfdruckes), die Hauptdruck äche berechnet. der aktuellen Lufttemperatur im langjährigen Mittel entspricht, Bei geringen Höhendi¦erenzen von <20 m zwischen Ba- eine mittlere virtuelle Temperatur (Schichtmitteltempera- rometer bzw. Drucksensor und NHN kann die Reduktion tur) für die Schicht dz bestimmt. Der wirkliche Temperatur- mittels einer einmal berechneten Konstante erfolgen, da verlauf in der Atmosphäre kann dabei ganz anders sein. dann der Ein uss der aktuellen Temperatur und Feuchte vernachlässigbar gering wird. Abb. 7.2 Reduktion des Luftdrucks auf NHN 7.1.1.3 Berechnung des QNH-Wertes Das QNH ist ein nach der ISA auf NHN reduzierter Luft- druckwert mit dem QFE als Ausgangswert. Die Addition der Druckzunahme für die gedachte Luftsäule von der Station bis NHN erfolgt hier nach Werten der ISA: • Lufttemperatur 15 °C bei einem Luftdruck von 1013,25 hPa in NHN • Temperaturgradient 0,65 K 100 m–1 • Relative Feuchte 0 % (in allen Höhen)

Wegen der Reduktion mit Hilfe der Werte der ISA ent- Für die Berechnung des QFF wird eine von der WMO ver- »llt eine Temperaturabhängigkeit, d. h. dass bei gleichem bindlich festgelegte Form der barometrischen Höhenfor- Luftdruck in Platzhöhe (QFE) der Reduktionsbetrag immer mel benutzt, um Abweichungen durch unterschiedliche ba- gleich groß ist. Daher kann für die Reduktion zum QNH rometrische Höhenformeln auszuschalten. Die Berechnung eine Tabelle benutzt werden, in der das QFE Eingangswert führt die Zentrale des DWD nach folgender, in Annäherung ist. Der daraus erhaltene Wert ist das QNE, ein Druckhöhen- an die von der WMO festgelegten Gleichung durch: wert, welcher der Höhe (in m oder ft) des QFE-Wertes über 1013,25 hPa entspricht. Als QNH ergibt sich dann die Di¦e- (7.3) renz von Tabellenwert minus Platzhöhe.

7.1.2 Maßeinheiten des Luftdruckes mit e = natürliche Zahl 2,71828183 Barometer zeigen den Luftdruck in verschiedenen Einhei- a = vertikaler Temperaturgradient 0,0065 K m –1 ten an. Gebräuchlich war lange Zeit die Einheit Millibar. Bei

B n = Luftdruck in Barometerhöhe (in normgeopo- älteren Barometern ist noch die Einheit Torr (= mmHg oder tenzielle Meter) Millimeter Quecksilbersäule) zu ¤nden. Es gilt die Bezie-

C h = Beiwert zur Berücksichtigung der mittleren hung 1 mbar = 0,75 Torr. Bis Ende 1977 war diese Angabe zu- Dampfdruckänderung mit der Höhe (0,12 K hPa–1) lässig, obwohl bereits 1912 die Internationale Kommission e = Dampfdruck in Stationshöhe (hPa ) für wissenschaftliche Luftfahrt auf Antrag von VILHELM –2 g n = Normalfallbeschleunigung 9,80665 m s BJERKNES (1862–1951) empfahl, in den Verö¦entlichungen H m' = Barometerhöhe in gpm beide Maßeinheiten (mmHg/mbar) anzugeben. Die Seewar- –1 –1 R L = Gaskonstante trockener Luft 287,058 J kg K te verö¦entlichte am 1. März 1930 die erste Wetterkarte mit T = 273,15 K + t (t = Lufttemperatur °C) Millibarangaben.

25 Die Standard-Maßeinheit für den Luftdruck, auf die sich werden inzwischen nur noch Kolbenmanometer als Primär- die Generalkonferenz für Maß und Gewicht (CGPM = referenzen bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Conférence Générale des Poids et Mesures) 1971 einigte, ist (PTB) und beim DWD eingesetzt. Nicht alle genannten Mess- heute Pascal (Pa). Sie wird seit 1984 verwendet und ist nach prinzipien werden im praktischen Wetterdienstes genutzt. dem französischen Mathematiker, Physiker und Philoso- phen BLAISE PASCAL (1623–1662) benannt. Damit die Zah- 7.2.1 Flüssigkeitsbarometer lenwerte nicht zu groß werden und das Druckmaß für die Luftdruckmessung dem „alten“ Millibar (mbar) entspricht, Alle Flüssigkeitsbarometer basieren auf dem Prinzip von wird der Zusatz h (hekto) bei hPa verwendet; 1 hPa entspricht kommunizierenden Röhren nach dem Versuch von Tor- dann 1 mbar. Es gilt: 1 hPa = 100 Pascal (Pa) = 100 Newton/Qua- ricelli. Diese Barometer bestehen aus einem meist mit dratmeter (100 N m–2) = 100 kg/m s2. Quecksilber (Hg) gefülltem, senkrechtem (Glas-)Rohr, das am oberen Ende luftdicht verschlossen ist. Das untere Ende Tab. 7.1 Umrechnung von Luftdruckeinheiten taucht in ein Vorratsge»ß das ebenfalls Hg enthält. Durch ihr Eigengewicht ießt die Flüssigkeit aus dem Rohr, wobei 1mmHg 1 inchHg 1 hPa im oberen Ende über dem Quecksilber ein nahezu luftlee- 1 mmHg 1 0,039 1,3332 rer Raum die sogenannte „Torricellische Leere“ entsteht. 1 inchHg 25,425 1 33,864 Dieser Raum ist nicht ganz luftleer, da dort der Quecksil- berdampfdruck (bei Raumtemperatur ca. 10–5 atm) herrscht. 1 hPa 0,75 0,0294 1 Der Luftdruck im Vorratsge»ß wirkt dem entgegen, so dass die Flüssigkeitssäule bei einer bestimmten Höhe nicht wei- Um auch ältere Werte umrechnen zu können, enthält Tabel- ter ansteigt. Damit wird die Bestimmung der Länge einer le 7.2 die dazu erforderlichen, veralteten Maßeinheiten. Hg-Säule zu Grunde gelegt.

Tab. 7.2 Weitere (veraltete) Maßeinheiten des Luftdrucks Abb. 7.3 Prinzip der verschiedenen Flüssigkeitsbarometer Pa Bar atm Torr 1 Pa 1 10–5 0,987 •10–5 7,50062 (N m–2) 1 bar 105 1 0,98692 750,062 1 atm 101325 1,01325 1 760 1 Torr 133,322 0,00133 0,001315 1

Der Luftdruck beträgt z. B. nach der ICAO-Standard- atmosphäre im Meeresniveau 1013,25 hPa = 760 Torr oder 760 mmHg = 1 (technische) Atmosphäre (atm) = 29,92 inchHg.

7.2 Allgemeine Messprinzipien

Folgende Messprinzipien werden in den Messgeräten zur Luftdruckmessung genutzt: a) Heberbarometer, (bewegliche Skala, so dass ihr Nullpunkt auf den unteren Quecksilberspiegel eingestellt werden kann). • die Bestimmung des Gewichts oder der Länge einer Flüs- b) Gefäßbarometer, Typ Kew (feste Skala; um die Höhenänderung sigkeitssäule, die dem Luftdruck das Gleichgewicht hält des unteren Quecksilberspiegels zu kompensieren ist die Län- – Flüssigkeitsbarometer, geneinheit der Skala verkleinert.) • die Bestimmung des Gewichts eines Kolbens, der dem c) Gefäßbarometer, Typ Fortin (feste Skala, aber die Höhe des Luftdruck das Gleichgewicht hält – Kolbenmanometer unteren Quecksilberspiegels kann auf die Höhe eines festen (Druckwaage), Zeigers gebracht werden, den Nullpunkt der Skala.) • die Bestimmung der durch den Luftdruck hervorgerufe- nen Formänderung elastischer Hohlkörper oder Membra- Die Niveaudi¦erenz des Quecksilbers in einem U-förmig ne – Aneroidbarometer (mechanisch, kapazitiv) – kapazi- gebogenen Rohr (Abb. 7.3 a) kann ebenfalls als Maß für den tive und piezoelektrische Membran-Barometer, Luftdruck zu Grunde gelegt werden. • die Bestimmung des Siedepunktes einer reinen Flüssig- keit – Hypsometer, Für genaue Ergebnisse muss der abgelesene Wert rechne- • Messung der druckabhängigen Schwingungsfrequenz risch auf die Standardbedingungen korrigiert werden, da eines Körpers im Gas, piezoelektrische Detektion, aus der Ablesung der Höhe der Hg-Säule die Angabe des • die Bestimmung der Ionen ussdichte – Alphatron, Betatron, Drucks noch nicht eindeutig ist. Dabei verändert sich die Dichte des Quecksilbers ␳ = ␳(t) mit der Temperatur, wobei Von diesen Methoden können lediglich die beiden erstge- sich streng genommen Hg und Glasrohr bei einer Tempe- nannten zu einer Absolutmessung gemacht werden, nach der raturerhöhung ausdehnen. Mit Hilfe eines zusätzlich an- die anderen Methoden geeicht werden müssen. Allerdings gebrachten Thermometers wird die Temperatur des Queck-

26 silbers bestimmt und anschließend anhand von Tabellen Eine weitere Möglichkeit der Luftdruckberechnung kann (DWD VuB 3 BHB, Tab. 6-22/6-23) der abgelesene Barometer- durch die Bestimmung des Gewichtes einer Hg-Säule er- stand auf 0 °C korrigiert. Für eine Skalierung in hPa wird der folgen. Da diese Methode jedoch selten ist, wird sie nicht Korrektionsfaktor nach (7.5) bestimmt: näher beschrieben.

(7.5) 7.2.2 Aneroidbarometer

mit Ct = Temperatur-Korrektionswert in hPa Das Quecksilberbarometer ist insbesondere für Messungen ␣ = kubischen Ausdehnungskoe¾zient des an wechselnden Orten relativ unhandlich und auch für Re- Hg = 181,9⋅10−6K −1 gistrierungen ungeeignet. Deshalb werden in solchen Fäl- ␤ = linearer Ausdehnungskoe¾zient der Skala len Dosenbarometer verwendet. Das Messprinzip von Do- 1,84⋅10−5K −1 sen-(Aneroid) barometer (a neros = ohne Flüssigkeit) beruht ␩ = linearer Ausdehnungskoe¾zient, der die Aus- auf der Ausnutzung der elastischen Eigenschaften dünner dehnung der Glasrohre und des Ge»ßes erfasst Metallmembrane. Zwei runde, gewölbte Metallmembra- 1,0⋅10−5K −1 nen mit einer gewellten Ober äche sind an den Rändern t = abgelesene Temperatur am Beithermometer (°C) zusammengeschweißt und bilden einen elastischen Hohl- B = abgelesener Barometerstand (hPa ) körper (Vidiedosen), dessen Innenraum ganz oder teilwei- V = Volumen des Quecksilbers in mm 3 se evakuiert (Innendruck höchstens 5 hPa) ist. Eine ache, A = Quecksilberober äche im Ge»ß in mm 2 elastische Metallfeder sorgt dafür, dass die Dosen unter den 1,33 = Umrechnungsfaktor mmHg in hPa beträchtlichen Werten der Druckkräfte von etwa 20 kg auf einer Membran mit 5 cm Durchmesser nicht völlig zusam- Die Formel kann für Fuess Stationsbarometer mit vernach- mengedrückt werden. Metalle wie Neusilber, Cu, Ni, Zn- lässigbarer Ungenauigkeit vereinfacht werden. Bei Skalie- Legierung, eine Kupfer-Beryllium-Legierung oder verschie- rung des Barometers in hPa ist dann dene Stähle besitzen so gute elastische Eigenschaften, dass auf zusätzliche Federn, die infolge Reibung wieder Fehler

C t = –0,000163 (B + 31) t (7.6) bewirken, im Allgemeinen verzichtet werden kann.

Eine weitere Korrektion, die sich ebenfalls auf die Länge Unterschiedliche Druckkräfte auf beiden Seiten der Mem- der Quecksilbersäule auswirkt, ist wegen des Ein usses brane bewirken eine Deformation, die so lange anhält, bis der Schwerebeschleunigung erforderlich. Sie ist ortsab- die elastischen Kräfte dem äußeren Luftdruck das Gleich- hängig von der geographischen Breite und der Höhe über gewicht halten. Bei jeder Luftdruckänderung tritt eine neue NHN und muss daher auf Normalschwere (9,80665 m s–2) auf Gleichgewichtslage ein. Normbreite ␸ = 45°32'33'' und auf NHN korrigiert werden. Der Korrekturfaktor setzt sich also aus zwei Komponenten Abb. 7.4 Typen von Aneroiddosen zusammen. Die Berechnung des Korrektionswertes für die Schwerebeschleunigung wird annähernd mit folgender vereinfachten Formel durchgeführt:

(7.7)

mit Bn = Barometerstand auf 0 °C und Normalfallbe- schleunigung korrigiert

B 1 = Barometerablesung auf 0 °C korrigiert B m = langjähriger Mittelwert von B1 an der Station g ␸,h= Fallbeschleunigung an der Station –2 g n = Normalfallbeschleunigung 9,80665 m s

Zusammengefasst ist der Term = Cg der

Korrektionswert der Schwerebeschleunigung. Die Gleichung gilt für Luftdruckangaben in hPa oder mmHg, je nachdem mit welcher Einheit die Werte für B bestimmt worden sind. Der Ausschlag einer ebenen dünnen Membran ist proporti- Für jede Station ergibt sich ein Wert, der auf längere Zeit onal . Zur Linearisierung und Vergrößerung des Ausschlags konstant ist. Unter Berücksichtigung aller Ein üsse erfolgt werden die Membranen mit kreisförmigen Rillen versehen. die Luftdruckberechnung nach folgender Formel: Die Emp¤ndlichkeit des Aneroids ist eine Funktion der e¦ek- tiven Ober äche, der elastischen Eigenschaften und Stärke (7.8) des Materials. Je dünner das Material, desto emp¤ndlicher reagiert die Dose auf Druckänderungen. Die durchschnittliche mit Ci = Instrumentenkorrektion, die in der Regel erforder- Emp¤ndlichkeit von Aneroiddosen liegt bei 3 μm hPa–1. Die lich ist. Deformation wird, wenn eine Membran an einem Rahmen

27 befestigt ist, als Längenverschiebung über ein Hebelsystem, zwischen dem Sättigungsdampfdruck und der Temperatur das zu einer Vergrößerung des Ausschlags dient, zur Anzeige liefert mit guter Näherung die aus der Thermodynamik be- mittels Zeiger auf einer entsprechenden Skala gebracht. Mit kannte CLAUSIUS-CLAPEYRON-Gleichung (Rudolf Clau- elektrischen Gebern (z. B. kapazitiv) versehene Dosen können sius und Benoit Clapeyron, 1834). Sie beschreibt den Gleich- die Änderung elektronisch auf ein Anzeigesystem übertragen, gewichtszustand zwischen üssigem und gasförmigem so dass eine elektronische Datenerfassung möglich wird. Wasser und lautet:

Dosenbarometer bestehen aus einer oder mehreren Druck- (7.9) dosen. Zur Vergrößerung des Ausschlags werden mehrere Dosen hintereinander geschaltet, wodurch sich die Aus- mit L = Verdampfungswärme bei t schläge der Einzeldosen (ihr Volumen) addieren. Die Amp- e w = Sättigungsdampfdruck über Wasser litude wächst auch mit der Größe der Ober äche, der Dünne t s = Siedetemperatur (°C) und Elastizität des Materials. = spezi¤sche Volumina des Dampfes und der Flüssigkeit Vorteil von Dosenbarometern ist, dass sie klein und hand- lich und bei der Messung des Luftdrucks von der Lage am Aus der Beziehung ergibt sich, dass die Siedetemperatur mit Messort unabhängig sind. Ein Nachteil ist der mögliche abnehmendem Luftdruck abnimmt und umgekehrt propor- Ein uss von äußeren Temperaturänderungen auf die Mes- tional zum Logarithmus des Luftdrucks ist. Die Emp¤nd- sung. Durch die thermische Trägheit des Aneroids folgt die lichkeit nimmt daher mit abnehmendem Luftdruck zu. We- Gastemperatur in Aneroiden nicht perfekt der Lufttempera- gen dieser Möglichkeit, die Höhe zu bestimmen, wird das tur, so dass daraus eine Messabweichung resultiert. Gerät auch als Hypsometer bezeichnet. Bezeichnet man die Emp¤ndlichkeit mit 7.2.3 Kapazitätsmessung (7.10) Unter 6.1 wurde ausführlich die kapazitve Messung behandelt. Bei der Luftdruckmessung besteht der Drucksensor ergibt sich nach Umformung von (7.10) der Ausdruck, der aus einer mikromechanisch in Silizium eingeätzten Druck- die Abhängigkeit vom Luftdruck deutlich macht dose, deren eine Membran vom Luftdruck durchgebogen wird. Dadurch verändert sich der Plattenabstand des Mikro- kondensators und damit sein Ausgangssignal, das dann ein Maß für den Luftdruck ist. mit a = Konstante p = Luftdruck (hPa ) 7.2.4 Siedebarometer (Hypsometer) In einem Ge»ß für den Dampf wird meist destilliertes Was- Das Messprinzip nutzt die Tatsache, dass der Siedepunkt ser zum Sieden gebracht. Neben Wasser können auch ande- einer chemisch reinen Flüssigkeit eine Funktion des Luft- re Flüssigkeiten (Freon, Schwefelwassersto¦) in der Hypso- drucks ist. Eine Flüssigkeit beginnt zu sieden, sobald ihr metrie eingesetzt werden. Beheizt wird elektrisch oder mit Sättigungsdampfdruck gleich dem entgegengesetzt gerich- Spiritus. Dann wird die Siedetemperatur des Wasserdamp- teten äußeren Luftdruck ist. Diese Abhängigkeit des Siede- fes gemessen und mit deren Hilfe der Luftdruck bestimmt. punktes vom Luftdruck kann durch ihre Dampfdruckkurve (Abb. 7.5) für destilliertes Wasser dargestellt werden. Abb. 7.6 Hypsometer (schematisch)

Abb. 7.5 Sättigungsdampfdruckkurve

Thermistor

Heizung

Allein die Messung der Temperatur des Siedepunktes genügt daher zur Bestimmung des Luftdrucks. Der Zusammenhang

28 Diese Methode erfordert äußerst genaue Thermometer Geeignete polarisierte Elektronen halten im zu messenden (Einteilung 0,01 °C bis 0,02 °C), die daher nur einen sehr Luftvolumen ein elektrisches Feld aufrecht, sodass die ent- kleinen Temperaturbereich (95 °C bis 105°C) umfassen. Eine stehenden Ionen einer Kollektorelektrode zugeführt wer- Änderung des Siedepunktes um nur 0,027 K entspricht ei- den. Der Ionenstrom ist der Zahl der Ionen und damit dem ner Druckänderung von 1 hPa, d. h. dass die Genauigkeit der Luftdruck proportional. Temperaturmessung 0,0027 K betragen muss, um für Druck- werte im Bereich von 1000 hPa den Luftdruck auf 0,1 hPa ge- Der Zusammenhang zwischen Ionenzahl und Luftdruck ist nau angeben zu können. Tabelle 7.3 soll das verdeutlichen. nicht linear, da bei zunehmender Dichte Rekombinationen der Ionen zunehmen. Der Ein uss der Temperatur der Luft Tab. 7.3 Siedetemperatur des Wassers in Abhängigkeit vom Luftdruck und des Gerätes ist vernachlässigbar gering. Der Messbe- reich reicht bis 10–3 hPa, die Messgenauigkeit liegt bei 1 % Temperatur Luftdruck (hPa) des Wasserdampfes (°C) für den gesamten Messbereich.

960 98,49 Im praktischen Wetterdienst werden solche Messfühler 980 99,07 nicht verwendet, daher folgt keine weitere Beschreibung eines Gerätes. 1000 99,63 1020 100,18 7.3 Sensoren/Messgeräte 1040 100,73 7.3.1 Flüssigkeitsbarometer Bei einem Luftdruck von 1000 hPa ist der Wert ␴ =0,028. Im Laufe der Jahre wurden eine Reihe unterschiedlicher Um eine so hohe Genauigkeit zu erreichen, werden Spezial- Hg-Barometertypen in der Praxis eingesetzt. Von diesen ist thermometer mit großem Hg-Ge»ß und enger Kapillare ein- in vielen meteorologischen Diensten heute fast ausschließ- gesetzt (siehe 8.3.1.1). Vielfach ist die Temperaturskala bereits lich noch das Stationsbarometer in Gebrauch. durch eine Druckskala ersetzt. Die Temperaturmessung kann auch mit Pt 100 (siehe 8.3.2.1) erfolgen. Korrekturen bezüglich Stationsbarometer Schwerebeschleunigung und Temperatur entfallen. Das Stationsbarometer ist ein Ge»ßbarometer mit einem dreigeteilten Barometerge»ß, dessen Boden in der Mitte Siedebarometer werden vorwiegend zu Kontrollzwecken, eine Gewindeö¦nung für die Transport- oder die Betriebs- bei Expeditionen oder dort, wo der Einsatz von Quecksil- schraube besitzt. Neuere Geräte haben eine kombinier- berbarometern nicht möglich ist, genutzt. Sie wurden auch te Transport-/ Betriebsschraube. Das Ge»ßmittelteil ist in einigen Radiosonden mit einer speziellen Füll üssigkeit eine dicke Stahlscheibe mit zusätzlichen Bohrungen zum verwendet, da sie bei niedrigen Druckwerten eine höhere Durchtritt des Quecksilbers, die eine Teilmenge Quecksilber Genauigkeit gegenüber Aneroidbarometern haben. Vorteil ersetzen soll. In eine weite Mittelbohrung ragt das Queck- einiger Flüssigkeiten ist, dass ihr Siedepunkt oft unter oder silberrohr (hier sollte nicht von einer Kapillare gesprochen wenig über der Umgebungstemperatur liegt. Im praktischen werden), das mit einem Gewinde eingeschraubt ist. Meh- Wetterdienst ¤nden Hypsometer keine Anwendung mehr, rere kleinere Bohrungen sind als Durchlass für das Queck- daher wird auf eine Gerätebeschreibung verzichtet. silber und die Luft vorgesehen. Der Ge»ßdeckel ist fest mit dem Hüllrohr verschraubt. Die Oberseite des Deckels hat 7.2.5 Bestimmung des Ionenusses ein Gewinde für die Lufteinlassschraube. Es ist etwas weiter geschnitten als das der Schraube, so dass bei gelocker- Piezoelektrischer Eekt ter Schraube die Luft Zutritt hat. Diese Schraube darf nicht Die Grundlagen zu diesem E¦ekt wurden unter 6.2 erläutert. entfernt werden, da sonst das Quecksilber Staub aufnimmt. Bei einem frequenzanalogen Drucksensor wird ein Deh- Die Folge wären Dichteverminderung und dadurch Fehl- nungsstreifen (siehe 11.3.2 PLUVIO) in einen elektrischen anzeigen. In der Mitte des Ge»ßdeckels be¤ndet sich ein Oszillator eingebaut. Die durch Druckänderung bewirkte weiteres Gewinde zur Aufnahme des Barometerrohres. Alle Widerstandsänderung verstimmt nun die Frequenz des Os- Teile, die mit Quecksilber in Berührung kommen sind aus zillators (siehe 6.4) und durch Messung der Frequenzände- Stahl oder Glas, um chemische Reaktionen mit dem Queck- rung kann die Druckänderung bestimmt werden. silber zu vermeiden.

Alphatron, Betatron Das Messprinzip basiert auf der Abhängigkeit der Zahl freier Ionen vom äußeren Luftdruck. In einem geschlossenen Raum werden durch ein Radiumpräparat ␣-Strahlen (Alpha- tron) oder durch ein Tritium-Titan-Präparat ␤-Strahlen (Be- tatron) emittiert. Die dadurch erzeugte Anzahl freier Ionen ist eine Funktion der Dichte und der Zusammensetzung des Gases und damit des Gasdrucks (Luftdrucks).

29 Abb. 7.7 Stationsbarometer Ge»ß ist 50 mm2 zu 2000 mm2 (gerundete Werte) oder 1:40. Das bedeutet, dass bei einem Luftdruckanstieg von 1 mm das Quecksilber im Rohr tatsächlich nur um 39/40 = 0,975 mm steigt, während es gleichzeitig im Ge»ß um 1/40 = 0,025 mm »llt. Deshalb entspricht 1 mm der Skala nur 0,975 metrischen mm. Diese gegenläu¤ge Bewegung der beiden Quecksilber- spiegel, deren Abstand dem Luftdruck entspricht, ist also in die Skala eingearbeitet. Das gilt gleichermaßen für die Baro- meter mit einer hPa-Skala.

Im unteren Teil des Rohres be¤ndet sich eine Luftfalle, die sog. Buntesche Spitze. Diese soll Luftbläschen au¦angen, die an der Rohrinnenwand aufsteigen. Oberhalb des Queck- silbers im Hg-Rohr ist im Idealfall Vakuum. Wenn sich vom Füllen her dennoch Restluft darin be¤ndet, erzeugt sie einen Gegendruck, der eine zu niedrige Anzeige bewirkt. Diese wird bei der Kalibrierung durch eine zusätzliche Hg- Menge kompensiert. Das Barometerrohr hat nur im Ablese- bereich den vorgenannten Querschnitt von 50 mm2. In den unteren zwei Dritteln ist es schlanker und läuft schließlich zum o¦enen Ende hin konisch zu.

Tab. 7.4 Spezi¯kationen Hg-Barometer (Thies) 800 bis 1080 hPa, Messbereich Die drei Teile des Ge»ßes sind so miteinander verschraubt, 560 bis 1030 hPa dass die Strichmarken genau übereinander stehen. Etwa in ±0,3 hPa, Ablesung 0,1 hPa halber Höhe ist der Triebknopf, eine große Rändelschraube, Genauigkeit auf deren Achse im Innern des Hüllrohres ein Zahnrad sitzt, durch Nonius mit dessen Hilfe eine Zahnstange auf- und abwärts bewegt Temperatur-Messbereich –15 . . .+50 °C wird, die an ihrem oberen Ende die Visiereinrichtung, auch Nonienschieber genannt trägt. Der Nonius (Abb. 7.8) ist die Da die Länge der Hg-Säule außer vom Luftdruck auch von Messeinrichtung zum Ermitteln der Zehntel Hektopascal der Temperatur abhängig ist, hat das Quecksilberbarometer (hPa). Es ist ein aufrecht stehender Metallring dessen Unter- ein Beithermometer, welches im Hüllrohr eingebaut ist und kante, das Visier, die Nullmarke darstellt. Die 10 Teilstriche mit dessen Hilfe die Temperatur des Quecksilbers bestimmt des Nonius entsprechen 19 Teilen der Hauptskala. Diese ist wird. Anschließend wird anhand von Tabellen der abgele- Teil des Hüllrohres, geschützt durch das Glasrohr. sene Barometerstand auf 0 °C korrigiert (siehe 7.2.1).

Abb. 7.8 Nonius am Stationsbarometer Im DWD werden an den Wetterwarten und Flugwetterwar- ten Stationsbarometer mit Quecksilberfüllung nur noch zur Durchführung von Kontrollmessungen verwendet. Sie verbleiben in erster Linie an den Stationen, die als Klima- referenzstationen (siehe 19.3) festgelegt wurden. Die Ein- satzmöglichkeiten von Hg-Barometern sind wegen des Ge- wichts und den Anforderungen an Messort, Transport und der erforderlichen Korrektionen auf ortsfeste Messstellen begrenzt. Stationsbarometer sind als Relativgeräte zu betrachten und bedürfen daher häu¤ger Vergleiche mit Refe- renzgeräten. Wegen ihrer hohen Messgenauigkeit können sie aber als Referenzgeräte für andere Luftdruckmesssyste- me genutzt werden.

Sicherheitshinweise zum Umgang mit Quecksilber siehe Anhang 6.4.

Pege und Kontrolle der Funktionstüchtigkeit Da beim Stationsbarometer der Nullpunkt im Gerät nicht Hg-Barometer müssen im 10-Jahresabstand geprüft wer- eingestellt werden kann, die Quecksilberspiegel sich aber den. Äußerlich müssen sie nach Bedarf vom Staub befreit sowohl im Ge»ß als auch im Barometerrohr mit dem Luft- werden. Da an den Wetterwarten mehrere Luftdruckmess- druck ändern, muss eine „reduzierte“ Skala verwendet wer- systeme vorhanden sind, werden fehlerhafte Messungen den. Das Verhältnis des Querschnittes des Barometerrohres durch Vergleiche auch beim Hg-Barometer meist schnell (im Ablesebereich) zum Querschnitt der Hg-Ober äche im erkannt.

30 Normalbarometer Aneroidbarometer 15ps Als Normalbarometer werden in der Physik solche Geräte Das Aneroidbarometer der Fa. Müller, Meteorologische Ins- bezeichnet, bei denen alle Fehlerquellen um eine Zehner- trumente R. Fuess, Berlin wird im Notmessgeräte-Ko¦er des potenz genauer als bei Vergleichsinstrumenten bestimmt DWD (siehe 16.1) eingesetzt. Die Dosen bestehen aus hoch- werden können. Sie werden dort eingesetzt, wo die Be- wertigem Spezialwerksto¦ mit hervorragenden elastischen stimmung des Luftdrucks mit hoher Genauigkeit von Be- Eigenschaften und sind daher praktisch frei von Hysterese deutung ist. Im DWD wurde bis vor einigen Jahren ein Hg- und elastischen Nachwirkungen. Ein besonders durchge- Normalbarometer im Referat Messsysteme in Hamburg zur bildetes Bimetallsystem bewirkt unabhängig von der Höhe Kalibrierung der Transfer-Normale der SL-Referate einge- des Luftdrucks eine vollkommene Ausschaltung des Tem- setzt. Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in peraturein usses über den gesamten Messbereich, so dass Braunschweig als höchstes metrologisches Staatsinstitut diesbezügliche Stand- und Gangfehler vermieden sind. Die in Deutschland hat bereits seit den 1990-er Jahren das Hg- Ausbildung des Zeigers mit übereinanderliegenden Schnei- Normalbarometer durch ein Drehkolbenmanometer (siehe den gewährleistet eine parallaxenfreie Ablesung. 7.3.4) ersetzt. Seit einigen Jahren ¤ndet die Kalibrierung der Stationsbarometer im DWD ebenfalls mit Drehkolbenma- Abb. 7.10 Aneroidbarometer 15ps (Müller, R. Fuess) nometern statt.

7.3.2 Aneroidbarometer, Barograph, Höhenmesser

Aneroidbarometer haben gegenüber Hg-Barometern gewisse Vorteile. Sie gestatten eine schnellere Bestimmung des Luftdrucks, weil die abgelesenen Werte weder eine Temperatur- noch Schwerekorrektion erfordern. Mit Ane- roidbarometern kann direkt der Luftdruck in Stationshöhe, bei ausreichend niedrig gelegenen Stationen auch der auf Meeresniveau umgerechnete Luftdruck abgelesen werden. Präzisionsbarometer, wie sie in den Wetterdiensten meist verwendet werden, haben eine vergleichbare oder höhere Messgenauigkeit. Am Präzisionsbarometer ist auf der Rück- seite des Gerätes eine kleine Schraube, mit der die Anzeige korrigiert werden kann. Die Normalausführung besteht aus hochglänzendem Me- Abb. 7.9 Aneroid Messeinheit tallgehäuse mit einem AuÂängering. Die 360 °-Skala hat eine Doppelteilung für Ortshöhen bis 1500 m NHN, mit Werkprüfschein und Auewahrungskasten.

Tab. 7.5 Spezi¯kationen Aneroidbarometer 15ps (Müller, R. Fuess) Messbereiche 620 bis 800 mm Hg 820 bis 1060 hPa Skalenteilung 0,5 mm Hg bzw. 1 hPa Zeigerausschlag 360 ° Messgenauigkeit ±0,2 bis 0,5 Skalenteile

Barographen Barographen sind Aneroidbarometer mit einer Schreibein- richtung. Das Messelement besteht aus einem System von bis zu neun aufeinander gesetzten, fast luftleer gepumpten Vidiedosen, deren Formänderungen sich addieren und so den Ausschlag vergrößern.

Da Aneroidbarometer darüber hinaus ein geringes Gewicht, einen robusten Auau und eine geringe Transportemp- ¤ndlichkeit besitzen, eignen sie sich insbesondere für mobile Stationen (Schi¦e, Flugzeuge, Radiosonden). Im DWD werden Aneroidbarometer vereinzelt noch in elektrischen Sensoren für automatische Wetterstationen verwendet. Eingesetzt werden Aneroide auch in Barographen und im Notmessgeräte-Ko¦er des DWD (siehe 16.1).

31 Abb. 7.11 Schemazeichnung Barograph Die Barographen besitzen ein Druckmesswerk mit Überlas- tungsschutz für Transporte bis 2700 m Höhe über NHN.

Abb. 7.13 Barograph (Foto: Lambrecht)

Durch einen Hebel wird über ein Gestänge der Ausschlag auf einen Schreibarm übertragen und so die Registrierung An einigen Dienststellen sind große Barographen, sog. Mik- des Druckverlaufs, in der Regel von einer Woche durchge- robarographen zur noch präziseren Luftdruckaufzeichnung führt. Damit ist auch die Ablesung der Drucktendenz mög- in Gebrauch. Sie haben meist neun, manche bis zu 15 Ein- lich. Eine Trommel wird durch ein Uhrwerk angetrieben. zeldosen hintereinander geschaltet, um dadurch einen ver- größerten Ausschlag zu erreichen. Barographen können auf mehrere Messbereiche eingestellt werden, so dass das gleiche Gerät für fast beliebige Seehö- Tab.7.7 Spezi¯kationen „Großer“ Barograph (Lambrecht) hen verwendbar ist. Zu diesem Zweck ist das Verbindungs- Aneroid-Dosensatz (Neu- stück zwischen den Übertragungsachsen mit bezi¦erten Messelement silber), 9-fach,gealtert, Einstecklöchern für den Kupplungsstift versehen. temperaturkompensiert

Abb. 7.12 Barograph-Aufzeichnung (Ausschnitt) 4 einstellbare Druckmess- je 106.7 hPa, für folgende bereiche Ortshöhen (m NHN) 865 bis 1051,7 930 bis 0 785 bis 971,7 1680 bis 690 705 bis 891,7 2500 bis 1430 Genauigkeit ±0.2 hPa vom Messwert Nennregistrierzeit 7 Tage Einsatzbereich –35 bis +80 °C

Da sowohl der Dosensatz als auch das Gestänge tempera- turabhängig ist, wird zur Ausschaltung des Temperaturein- usses im Hebelwerk ein Bimetallstreifen eingeschaltet. Mit der Standkorrekturschraube kann der Dosensatz als Ganzes gehoben oder gesenkt und damit eine Nullpunk- teinstellung zur Korrektion von konstanten Messfehlern vorgenommen werden. Die Amplitudenschraube darf nicht Tab.7.6 Spezi¯kationen Barograph (Lambrecht) verändert werden. Aneroid-Dosensatz Messelement (Neusilber), 9-fach gealtert, Pege und Kontrolle der Funktionstüchtigkeit temperaturkompensiert Luftdruckmessgeräte mit Aneroiddosen sind sehr langlebig und halten bei entsprechend p eglicher Handhabung viele Messbereich 945 bis 1051,7 hPa Jahrzehnte. Die P ege beschränkt sich auf Staubbefreiung 4 einstellbare Druckmess- und Reinigung der Glasscheiben. Zur Überprüfung der An- je 106.7 hPa bereiche zeigegenauigkeit erfolgt eine Kontrollmessung mit dem Genauigkeit ±0.2 hPa vom Messwert Stationsbarometer. Dabei genügen Zeitabstände von einem Jahr. Sollten Anzeigedi¦erenzen au¦allen, muss eine Kon- Nennregistrierzeit 7 Tage trollmessung durchgeführt werden. Danach wird entschie- Einsatzbereich –10 bis +50 °C den, ob das Gerät auszutauschen ist.

32 Höhenmesser Abb. 7.15 Luftdrucksensor AIR DB 1-A (Air Cooperation, USA) Ist die Skala eines Dosenbarometers nach einer Druck-Hö- henbeziehung (z. B. ICAO-Standard-Atmosphäre) geeicht, kann das Aneroidbarometer auch als Höhenmesser (und umgekehrt) verwendet werden. Höhenmesser gehören zur Grundausstattung von Flugzeugen und werden zur Ermitt- lung der Höhe über ein bestimmtes Bezugsniveau eingesetzt. Höhenmesser sind vom Prinzip Aneroidbarometer. Sie reagieren auf Luftdruckänderungen in der Atmosphäre, weshalb eine Korrektion der Höhenanzeige während eines Fluges erforderlich ist. Dafür ist eine Nebenskala (oder Druckkorrekturskala) zur Einstellung eingebaut.

Abb. 7.14 Barometrischer Höhenmesser

Die angegeben Messgenauigkeit beträgt ±0,3 hPa (DB-1A) und ±0,5 hPa (DB-1B).

Mit Hilfe eines Kurbeltriebes wird die Bewegung der Anero- iddose in eine Drehbewegung umgewandelt und auf einen Da diese Sensoren nicht mehr hergestellt werden, wurde als Zeiger übertragen. Der Druckwert der Bezugsdruck äche Nachfolgegerät das Digitalbarometer PTB220 der Fa. Vaisala (über Grund, MSL oder 1013 hPa) kann dabei in einem Fenster eingeführt. Einige Exemplare der AIR-Reihe sind noch an eingestellt werden und ist die Basis für die Höhenanzeige. Wetterstationen vorhanden.

Neben Flugzeughöhenmessern gibt es die von Bergsteigern Barocap® PTB220 benutzten, etwas einfacher konstruierten Höhenmesser. Beim BAROCAP®-Absolutdrucksensor der Fa. Vaisala han- Sie zeigen meist das QFE an, wenn aber die momentane delt es sich um einen achen Kondensator auf Siliziumba- Höhe bekannt ist, kann durch Drehen der Skala auch das sis mit einem Vakuum als Dielektrikum. Eine Luftdruckän- QNH ermittelt werden. derung induziert eine Änderung in der Distanz der beiden Elektroden, aus der eine Veränderung der elektrischen 7.3.3 Digitalbarometer Kapazität der Zelle folgt. Diese wird durch Bestimmung der Resonanzfrequenz eines elektrischen Schwingkreises Im DWD werden seit vielen Jahren digitale Barometer der (Oszillator, siehe 6.4) bestimmt, in den das Messelement Baureihe AIR DB-1A, -1AB und -1AX der Fa. Air Coopera- eingebaut ist. Die Messung des Luftdrucks ist demnach auf tion, USA zur Luftdruckmessung mit unterschiedlichen eine Messung der Kapazität zurück zu führen. Messbereichen an Wetterstationen eingesetzt. Der Sensor AIR DB-1A ist für einen Messbereich von 1060 hPa bis 800 hPa, der Sensor DB-1B für einen Messbereich von 1100 hPa bis 600 hPa, in einem Bereich von +5 °C bis +40 °C ausgelegt.

33 Abb. 7.16 Luftdrucksensor PTB220A (Vaisala) Fehler durch Druckschwankungen, verursacht durch Wind oder eine Klimaanlage sind nicht berücksichtigt. Wie diese zu vermeiden sind, wird unter 7.4 hingewiesen.

Abb. 7.18 Kapazitiver Drucksensor

Der Geber enthält drei Zellen des Typs BAROCAP® . Er digitalisiert alle 10 ms die gemessenen Daten, kompensiert die Nicht-Linearität der verwendeten Sensoren und die Tempe- rature¦ekte, die durch einen integrierten Temperaturfühler gemessen werden, berechnet benötigte Mittelwerte aus 100 Messungen, führt eine einfache Qualitätskontrolle durch und kommuniziert über eine serielle Schnittstelle mit dem Dieser Sensor zeichnet sich durch eine wesentlich geringe- Logger. Zusätzlich erlaubt das Gerät die Wahl der Einheiten re Hysterese (Abb. 7.22) gegenüber Aneroiden aus, besitzt oder des Datenformates. eine gute Temperatur- und Langzeitstabilität mit minima- ler Temperaturdrift. Er ist mechanisch sehr robust und we- Abb. 7.17 PTB220A Innenansicht (Vaisala) sentlich genauer als ein HG-Barometer. Die Anzeige (ohne notwendige, manuelle Korrekturen) kann von verschiedenen Luftdruckmessgrößen (QFE, QNH) erfolgen.

Der DWD hat diesen Sensor für die Luftdruckmessung in AMDA an allen Wetterwarten und Wetterstationen. Auch an Stationen des SwissMetNet ist dieser Sensor eingesetzt.

Pege und Kontrolle der Funktionstüchtigkeit Der Luftdrucksensor PTB220A benötigt keine besondere P ege.

Barocap® PTB330 Der Absolutsensor PTB330 der Fa. Vaisala der neuen Genera- tion wurde als Nachfolgemodell des Sensors PTB220 entwickelt. Er enthält das gleiche Messelement, einen kapazitiven Silicon Barocap®-Sensor (Silicon ist der englische Begri¦ Tab. 7.8 Spezi¯kationen Barocap® PTB220A (Vaisala) für Silizium und soll auf die chemische Verwandtschaft zu Carbon hinweisen), der den Luftdruck mit gleich hoher Ge- Messbereich 500 bis 1100 hPa nauigkeit misst und ebenfalls eine hohe Langzeitstabilität Abtastfrequenz durch 0.1 Hz besitzt. Das Gehäuse ist für weitere Einbauten vorgesehen den Logger bestimmt und daher größer als beim PTB220. Erweiterte ±0.15 hPa Gesamtunsicherheit (k=2) Kalibrierunsicherheit ±0.07 hPa Auösung 0,01 hPa Langzeitstabilität ±0.10 hPa pro Jahr Hysterese ±0,03 hPa Ansprechzeit 0,2 s Einsatzbereich –40 bis +60 °C Versorgungsspannung 10 bis 30 V DC

34 Abb. 7.19 Barocap®-Sensor PTB330 (Vaisala), Version mit Display Tab. 7.10 Spezi¯kationen DPI 740 (Lambrecht) Messbereich 750 bis 1150 hPa Hysterese, Wiederholbarkeit ±0,02 % des Endwertes sowie Temperaturfehler Auösung 0,01 % v. Endwert Sensitivität 0,1 hPa Langzeitstabilität ±0,01 % pro Jahr Einsatzbereich –10 bis +50 °C Batteriebetrieb 3 x 1,5 V Alkaline-Zelle

Der gemessene Luftdruckwert wird direkt, oder auf NHN umgerechnet angezeigt. Ferner kann die Höhe bezogen auf Tab. 7.9 Spezi¯kationen Barocap® PTB330 (Vaisala) NHN in m oder ft angezeigt werden. Die Messrate beträgt 2 Messwerte je Sekunde. Minimum und Maximum werden Messbereich 500 bis 1100 hPa im Hintergrund gespeichert und können bei Bedarf abge- Linearität ±0.05 hPa rufen werden. Die Werte zeigen, dass das Gerät sehr genau Temperaturabhängigkeit ±0.10 hPa und mit der Güte eines Quecksilberbarometers vergleichbar ist. 24 verschiedene Maßeinheiten des Luftdrucks sind Ansprechzeit (one sensor) 2 s verfügbar. Batteriebetrieben ist das Gerät bis zu 20 Stunden Genauigkeit bei +20°C ±0.10 hPa betriebsbereit. Gesamtgenauigkeit ±0.15 hPa zw. –40 bis +60°C Abb. 7.20 Mobiles Digitalbarometer DPI 740 (Lambrecht) Kalibrierunsicherheit ±0.07 hPa Langzeitstabilität ±0.10 hPa pro Jahr Hysterese ±0.03 hPa Settling time at power-up 4 s (one sensor) Versorgungsspannung 10 bis 35 V DC Einsatzbereich –40 bis +60 °C

In modernen Radiosonden wird seit Jahren ebenfalls die kapazitive Messmethode angewandt, so z. B. das BAROCAP®- Prinzip in der Radiosonde RS-92 SGP (Fa. Vaisala), die sowohl im DWD als auch im GeoInfoDBw ge ogen wird. Hier kann der Druck kapazitiv mit einer Genauigkeit von ca. 0,1 hPa gemessen werden. Eine Vergleichsprüfung eines DPI 740 mit dem PTB220A Präzisionsluftdruckhandmessgerät DPI 740 soll täglich um 0550 UTC erfolgen. Maximal sind 0,6 hPa Neben dem fest installierten Barocap® PTB220A ist an eini- Abweichung erlaubt, darüber ist eine Wartung einzuleiten. gen Dienststellen des DWD ein mobiles Digitalbarometer DPI 740 der Fa. Lambrecht vorhanden. Es basiert auf dem 7.3.4 Primär-Drucknormal piezoresistiven Messprinzip (siehe 6.2). Der Messfühler ist ein Silizium-Resonator, dessen schwingendes Messele- Wie bereits erwähnt, ¤ndet die Kalibrierung der Stationsba- ment mit einem mikromechanischen Verfahren aus Silizi- rometer, die in erster Linie an den Klimareferenzstationen um geätzt wird. Das frequenzgebende Messprinzip ermög- des DWD verbleiben, bei den regionalen Einheiten Service licht eine Langzeitstabilität von 0,01 % pro Jahr. Es soll als und Logistik des DWD in Oberschleißheim (SLS) mit Dreh- Ersatz-/Ausweichgerät bei Ausfall der Berechnung der abge- kolbenmanometer oder mit Präzisions-Druckmessumfor- leiteten Luftdruckwerte mit speziellem Programm auf dem mern des Typs Vaisala PTB220A mit zwei Druckaufnehmern Rechner beim Beobachter dienen. in Hamburg (SLN), die wiederum monatlich mit einem Drehkolbenmanometer kalibriert werden.

Die verwendeten Drehkolbenmanometer sind Kalibrierein- richtungen, mit denen auch kapazitive Barosensoren kalibriert und daher an dieser Stelle kurz beschrieben werden.

35 Drehkolbenmanometer DHI PG7601 führt. Die Bestückung der Kolben mit Massenau agen er- Das Kalibrierlabor von SLN und SLS verfügt über ein Normal- folgt vollautomatisch während des Kalibrierablaufs. Für die gerät des Typs DHI PG7601 (Fa. DH Instruments, Fluke Com- Generierung eines Gasdruckes von etwa 1000 hPa wird eine pany, Phoenix, Arizona), welches sich auf einem Betonsockel Gesamtmasse (inklusive der Masse des Kolbens und des mit eigenem, vom restlichen Gebäude getrenntem Funda- Massenaufsatzes) von ca. 10 kg benötigt. ment be¤ndet. Es handelt sich um ein Fundamentalnormal und ist somit ein Primär-Drucknormal (Normalgerät). Tab. 7.11 Spezi¯kationen Drehkolbenmanometer DHI PG7601 (DH Instruments, Fluke Company) Das Kolbenmanometer wird zur Generierung eines de¤nier- Druckbereich 80 bis 3500 hPa ten Druckes mittels Au age-Massen verwendet. Es besteht (je nach Masse) aus einer Kolben-Zylinder-Einheit aus Wolfram-Karbid, in Unsicherheitsangabe des der sich der Kolben mit bekanntem Querschnitt be¤ndet, ±0,2 Pa + 13 ppm der mit seinem Eigengewicht senkrecht nach unten drückt Herstellers (inkl. Massen) und eine Kraft ausübt. Der Druck berechnet sich aus Kraft Auösung, modellabhängig >0,1 Pa pro Fläche.

Damit der Kolben nur durch sein Eigengewicht die Kraft Durch die Grundmasse von 800 g (500 g Kolben plus 300 g ausübt, wird der obere Bereich des Kolbens mit einer Glas- Massenaufsatz) beträgt der niedrigste generierbare Druck glocke abgedeckt und mittels Vakuumpumpe bis auf einen 80 hPa. Die Obergrenze liegt bei 3500 hPa. Restdruck <5 Pa evakuiert. Eine Temperaturkompensation der Kolben-Zylindereinheit wird automatisch durchgeführt. Das Medium ist Sticksto¦ mit einer Reinheit von 99,996 %.

Mit Hilfe eines Druckreglers sowie Unterdruckpumpe und 7.4 Messunsicherheiten und Fehlerquellen Überdruck aus einer Sticksto¦ asche wird ein Druck auf die Unterseite des Kolbens ausgeübt und dieser in die Schwebe Bei allen Barometern, auch bei den kapazitiven können gebracht. Danach wird der Kolben in Rotation versetzt, um Messfehler durch Staudrucke¦ekte auftreten, die durch Reibungskräfte auszuschalten und der Druckregler stellt Umströmen des Druckeinlasses hervorgerufen werden. seine Arbeit ein. Der Druck wird nun einzig durch den ro- Nach der Gleichung von D. BERNOULLI (1700–1782) ist tierenden Kolben bestimmt. (7.11) Um nun verschiedene Drücke, mit Messunsicherheiten von nur wenigen Pascal, realisieren zu können, wird der Kolben mit p0 = Gesamtdruck mit einem Massenaufsatz bestückt und vor der Evakuie- p 1 = statischer Druck rung mit einer berechneten zusätzlichen Masse beladen. ␳ = Dichte des Mediums (Luft) Die Evakuierung mit einer Vakuumpumpe ist erforderlich, v = Windgeschwindigkeit da ein Absolutdruck „hergestellt“ werden muss. Der Rest- druck in diesem Feinvakuum ist mindestens 20.000-mal der Gesamtdruck gleich der Summe aus hydrostatischem 2 geringer als der atmosphärische Druck. Druck p1 und dynamischem Druck ½␳ ∙ v . Er erreicht beispielsweise bei 15 m s–1 einen Wert von etwa 1,5 hPa. Der Abb. 7.21 Drehkolbenmanometer DHI PG7601 (DH Instruments, dynamische Winddruck (Staudruck), abhängig von Ge- Fluke Company) schwindigkeit und Richtung kann bei Messungen in einem Gebäude, insbesondere bei böigem Wind Werte von 2 – 3 hPa (WMO-Toleranz 0,3 hPa) annehmen und es ist un- möglich, die Werte rechnerisch zu korrigieren. Daher gilt es, den Staudruck, der durch ein strömendes Medium hervorgerufen wird, durch geeignete Maßnahmen auszuschalten. In solchen Fällen muss ein außerhalb des Gebäudes ange- brachter statischer Druckeinlass verwendet werden. Darü- ber hinaus sollen Luftdruckmessungen auf keinen Fall in klimatisierten Räumen erfolgen, da Lüftungsanlagen den statischen Luftdruck ändern. Auch in diesem Fall ist ein externer statischer Druckeinlass unbedingt zu verwenden.

In den 1980-er Jahren wurde am Instrumentenamt Hamburg von Lindner und Hülsen ein kompakter „statischer Druck- einlass“ für den Einsatz auf Schi¦en entwickelt, da dort Stau- drucke¦ekte aufgrund des Fahrtwindes besonders stark aus- geprägt sind. Diese Anordnung ist bis heute auf Schi¦en und einzelnen Flughafenstandorten im norddeutschen Raum im Die Berechnung der Masse wird dabei in Abhängigkeit von Einsatz. Vom Instrumentenamt München wurde eine alter- der Au ösung durch die geräteinterne Software durchge- native, aufwändigere Lösung für Landstationen konzipiert,

36 die bis heute an süddeutschen Flughäfen im Einsatz ist: tüchtigkeit des Hg-Barometers ist gegeben, wenn die Höhe Der Druckeinlass ist dort ebenerdig im Niveau der Runway der konvexen Kuppe der Hg-Säule 0,3 – 0,7 mm beträgt. Ist der ausgeführt, da am Erdboden die Strömungsgeschwindigkeit Meniskus acher, ist das Barometer auszutauschen, weil sich und somit der Staudruckterm gegen Null geht. Von einem in mit der Verschmutzung auch das spezi¤sche Gewicht des die Erde eingelassenen Tank, der als Wasserabscheider fun- Quecksilbers ändert. Die Kontrolle soll monatlich einmal bei giert, führt ein Druckschlauch bis zum Barometer durch die steigendem und einmal bei fallendem Luftdruck erfolgen. Wand in das Landebahnbeobachterhaus. Temperaturschwankungen im Beobachterraum verursa- In diesem Zusammenhang muss noch hervorgehoben wer- chen ebenfalls Fehler, wenn sie kurzfristig auftreten und den, dass frühere Barometer temperaturemp¤ndlich und nicht durch Korrektion berücksichtigt werden. deshalb nicht für den Außeneinsatz geeignet waren. Aus diesem Grunde wurde damals vom statischen Druckeinlass auf Der Transport von Hg-Barometern wird von der zuständigen dem Messfeld bis zum Barometer eine Druckleitung verlegt. SL-Einheit durchgeführt. Dazu ist ein spezieller Transportkas- ten vorhanden, mit dem das Barometer so transportiert wer- Moderne Digitalbarometer verwenden temperaturstabi- den muss, dass der Ge»ßteil höher liegt als der Skalenteil. le Drucksensoren und sind durch eine zusätzliche aktive Temperaturstabilisierung für den Außeneinsatz geeignet. Aneroidbarometer Sie können deshalb am Ort des statischen Druckeinlasses Fehlanzeigen von Aneroidbarometern resultieren häu¤g z. B. in einem Verteilerkasten installiert werden. Die Mess- durch Hysterese (siehe 6.5). Damit ist das elastische Nach- werte werden dann über die üblichen Messleitungen digi- hinken gemeint, das dazu führt, dass der angezeigte Wert tal zum Erfassungsrechner übertragen. Damit ist auch ein bei Druckanstieg nicht gleich dem bei Druckfall ist. starkes Argument für einen Umstieg von Hg-Barometer auf Digitalbarometer gegeben. Abb. 7.22 Hysterese

Auch der Druckgradient, besser die Druckänderung (hPa) pro Stunde kann sich als Fehlerquelle bemerkbar machen. Die größten Abweichungen treten bei starken positiven und negativen Druckänderungen auf. Da mit einem hohen Druckgradient in der Regel große Windgeschwindigkeiten einhergehen, wird ein eventuell vorhandener Trägheitsef- fekt des Barometers durch den Staudrucke¦ekt überlagert.

Stationsbarometer Neben Fehlern des Beobachters (Einstellen, Ablesen usw.) kann es noch Instrumentenfehler durch ungleiche Kalibrierung im Ablesebereich geben. Dieser Fehler (zu eng = zu hohe – zu weit = zu niedrige Anzeige) wird rechnerisch behoben; die Korrekti- onswerte können dem Prüfschein entnommen werden. Dieser Fehler wächst mit der Größe der Druckänderungen und deren Geschwindigkeit. Die Ursache dieser elastischen Fehler ist Ein absolutes Vakuum ist technisch nicht realisierbar. Gelangt in der molekularen Struktur der Metalle begründet. Durch künst- dennoch Luft in die „Torricellische Leere“. Bereits ein Luftbläs- liches Altern der Dosen, d. h. eine mehrfache zyklische Druckän- chen von nur 0,7 mm3 Volumen vermindert bei einer 760 mm (= derung vor dem Gebrauch, wird dieser Fehler praktisch beseitigt. 1013,23 hPa) langen HG-Säule die Anzeige um 0,13 hPa, ein Luft- bläschen von 3,1 mm3 schon um 0,67 hPa. Bei höherem Barome- Die Genauigkeit von Präzisions-Dosenbarometern liegt bei terstand ist der Fehler größer, bei niedrigerem geringer. Ist die 0.3 hPa. Luftansammlung größer, muss das Barometer ausgetauscht werden. Ebenso muss das Gerät bei Hg-Verlust ausgetauscht werden, da die Eichung nur für eine bestimmte Hg-Menge gültig ist. . TEMPERATURMESSUNG

Gelangt trotz aller Vorsicht Luft in das Barometerrohr, wer- 8.1 Allgemeines den die Luftblasen in der Luftfalle zurückgehalten und können das Vakuum nicht verschlechtern. Die Luftblasen Die Temperatur ist wie der Druck und das Volumen eine werden dabei im Allgemeinen vom Quecksilber so kompri- physikalische Zustandsgröße, die den messbaren Wär- miert, dass die durch sie erzeugte zu hohe Anzeige unter- mezustand eines Körpers oder Luftvolumens als Maß für halb der Ablesegenauigkeit liegt. den Wärmeinhalt eines thermodynamischen Systems beschreibt. Dieser ist nach der kinetischen Gastheorie propor- Gelangt Staub in das Quecksilber, so bewirkt er eine Vermin- tional zur mittleren kinetischen Energie (Translationsener- derung der Dichte (zu hohe Anzeige) und führt möglicherwei- gie) der ungeordneten Bewegung der Luftmoleküle. Wenn se auch zu chemischen Reaktionen. Sauberes Quecksilber ist einem Luftvolumen Energie zuführt wird, nimmt die Ge- hellsilbrig. Erkennbar ist Verschmutzung auch an der Wöl- schwindigkeit (Größenordnung etwa 103 m s–1) der Moleküle bung der Hg-Kuppe und der Meniskushöhe. Die Funktions- zu und umso höher ist auch seine Lufttemperatur.

37 Grundsätzlich unterscheidet man zwischen Kontaktther- peraturwerten zu den synoptischen Hauptterminen 0, 6, 12 mometer und berührungslos messende Thermometer. Ers- und 18 Uhr UTC gebildet: tere erfordern einen Wärmekontakt zum Messobjekt (z. B. Luft), dessen Temperatur sie erstmal annehmen müssen, (8.3) da sie zunächst nur ihre eigene Temperatur anzeigen. Dage- gen basieren berührungslose Thermometer, sog. Pyrometer Die Vergleichbarkeit von Mittelwerten wird durch diese un- auf dem physikalischen E¦ekt, dass Festkörper und Flüssig- terschiedlichen Methoden erschwert. Hinzu kommt, dass keiten abhängig von ihrer Temperatur eine elektromagne- Wetterdienste anderer europäischer Länder noch weitere tische, vorwiegend infrarote Strahlung (T <1000K) abgeben. Methoden zur Mittelbildung anwenden. So berechnen Bos- nien-Herzegowina, Kroatien, Tschechische Republik, Slo- Um die Lufttemperatur messen zu können, muss der Messkör- wakische Republik, Ungarn und Slowenien die Mittelwerte per eines Thermometers im Wärmegleichgewicht mit der Luft wie im DWD bis März 2001. Italien, Frankreich berechnen stehen, d. h. der Energietransport zwischen Messkörper und die Mittelwerte auf der Basis der Beziehung der umgebenden Luft muss ausgeglichen sein. Nur dann hat das Thermometer die gleiche Temperatur wie die Luft. Dies ist (8.4) nur zu erreichen, wenn das Thermometer strahlungsgeschützt und gut ventiliert aufgestellt ist. Strahlungsgeschützt bedeu- mit tx = tägliches Maximum tet, dass das Thermometer nicht von kurzwelliger, energierei- t n = tägliches Minimum. cher Sonnenstrahlung, nach Möglichkeit aber auch nicht von der Wärmestrahlung der Umgebung getro¦en wird und damit Die o. a. Höhenangabe für die Messung der Temperatur in 2 m seine Anzeige ver»lscht werden kann. über Grund betri¦t die Praxis im DWD. Leider gibt die WMO hierzu einen Höhenbereich von 1,25 bis 2,00 m an, was dazu 8.1.1 Temperaturmessgrößen führt, dass es Abweichungen in einigen Ländern gibt. So wird z. B. in den Niederlanden die Temperatur in 1,50 m gemessen. Die Messung der Temperatur umfasst eine ganze Reihe von Größen, die entweder direkt gemessen oder aus gemesse- 8.1.2 Maßeinheiten der Temperatur nen Werten abgeleitet bzw. berechnet werden können. Zu den direkt messbaren Größen gehören Um eine Vergleichbarkeit von Temperaturwerten zu ge- währleisten, muss es ein einheitliches Bezugssystem (Ska- • Lufttemperatur, einschl. Feuchttemperatur in 2 m über la) geben. Eine Skala muss eindeutig und reproduzierbar Grund (DWD) sein. Dazu müssen wenigstens zwei Fixpunkte festgelegt • Temperatur in 5 cm über Grund sein, die zwei bekannten Wärmezuständen eines bestimm- • Extremtemperaturen (Maximum, Minimum eines Tages) ten Materials entsprechen und diesen jeweils einen festen • Erdbodentemperaturen in verschiedenen Tiefen bis 1 m Wert zuordnen. Der Abstand zwischen diesen Fixpunkten • Wassertemperatur (des Meerwassers von See- und Küs- wird als Fundamentalabstand bezeichnet und kann belie- tenstationen, in der Regel in 1 m Tiefe) big unterteilt werden. Daraus abgeleitet/berechnet werden • Tagesmitteltemperaturen, Für die Temperaturen gibt es folgende, mit den Skalen nach • Mitteltemperaturen für verschiedene Zeiträume/Termine ihren Er¤ndern benannte Maßeinheiten, die bis heute und (noch) in Gebrauch sind: Kelvin (K), Celsius (°C) und Fah- • weitere, definierte Temperaturbegriffe wie Sommertag, renheit (°F) Frosttag usw. Kelvin-Skala

Die Tagesmitteltemperatur TL wurde vom DWD von 1931 Die Kelvinskala, nach William Thomson (1824–1907), meist bis zum 31. März 2001 aus den Temperaturablesungen T7 um als LORD KELVIN bekannt, ist aus physikalischer Sicht eine 7.00 Uhr, T14 um 14.00 Uhr und T21 um 20.30 Uhr („Mann- sinnvollere Temperaturangabe als die Celsius- oder die Fah- heimer Stunden“) wahre Ortszeit (WOZ), etwa also 7.30 Uhr, renheitskala, da sie aus thermodynamischen Überlegungen 14.30 Uhr und 21.30 Mitteleuropäischer Zeit (MEZ) nach fol- heraus resultiert, da die Wärmeenergie über die mittlere gender Formel berechnet: Bewegungsenergie der Moleküle de¤niert ist. Sie ist so aufgebaut, dass die theoretisch tiefste Temperatur, der absolute (8.1) Nullpunkt, an dem die Moleküle keine Bewegungsenergie

mehr haben, gleich 0 Kelvin (–273,15 °C) ist. Kelvin wird als SI- Seit dem 1. April 2001 werden für die Berechnung der Tages- Einheit zur Berechnung physikalischer Gleichungen oder zur mitteltemperatur alle zur vollen Stunde gemessenen Tem- Angabe von Temperaturunterschieden verwendet. peraturwerte im Zeitraum 0 bis 23 Uhr UTC herangezogen und durch 24 dividiert: Celsius-Skala Anders CELSIUS (1701–1744) gri¦ den Gedanken von Ole (8.2) Römer auf, den Schmelz- und den Siedepunkt chemisch reinen Wassers für die Graduierung der Thermometer zu ver- Fehlen durch Ausfall mehr als 3 Stundenwerte, wird die Ta- wenden. So legte Celsius den Schmelzpunkt bei 100 °C und gesmitteltemperatur alternativ aus den gemessenen Tem- den Siedepunkt bei 0 °C fest. Carl von LINNÉ (1707–1778)

38 änderte 1742 die Skala in die heute gebräuchliche Form, in- 8.2 Allgemeine Messprinzipien dem er die zwei Fixpunkte gegeneinander austauschte, so dass der Schmelzpunkt nun mit 0 °C und der Siedepunkt Unter bestimmten Voraussetzungen können physikalische mit 100 °C angegeben wird. De¤niert werden diese Werte bei Körper – Gase, Flüssigkeiten und Festkörper – Energie in Normalluftdruck 1013,25 hPa in NHN. Form von Wärmemengen untereinander austauschen. Sol- che Austauschvorgänge ziehen meist physikalische Folge- Die Skalierung der Kelvin-Skala entspricht der Celsius-Ska- prozesse nach sich, z. B. Deformation von Körpern, Tempe- la, d. h. die Fixpunkte liegen genau 100 Einheiten auseinan- raturabnahme bei Energieabgabe in Form von Wärme bzw. der. Für die Umrechnung in °C gilt daher: Temperaturanstieg bei Wärmezufuhr. Ein Körper gibt dann Wärme an einen anderen Körper ab, wenn er sich in einem t (°C) = T (K) – 273,15 Zustand höherer Temperatur be¤ndet als der andere. Haben T (K) = t (°C) + 273,15 in einem System von Körpern alle Körper die gleiche Tem- peratur, be¤nden sie sich im thermodynamischen Gleich- Fahrenheit-Skala gewicht und es ¤ndet kein Wärmeaustausch statt. Wird also Die Fixpunkte der Fahrenheit-Skala wurden von D. G. FAH- die Temperatur gemessen, kann auf Grund einer physika- RENHEIT (1686–1736) bei –17,8 °C (entspricht 0° Fahrenheit) lischen Größe eine Aussage über Energieumsätze gemacht und bei 37,8 °C (entspricht 100° Fahrenheit, Körpertempera- werden, ohne die Wärmemenge messen zu müssen. Die tur des Menschen) festgelegt. Den Bezug zur Celsius-Skala Thermodynamik liefert eine wichtige empirische Aussage stellen folgende Beziehungen her: einer Temperaturdi¦e- über die Richtung der Wärmeaustauschvorgänge und auch renz von eine De¤nition, die als Messvorschrift geeignet ist. • 1 °C entspricht 1,8 °F-Di¦erenz, • 1 °F entspricht etwa 0,556 °C-Di¦erenz. Bei der Temperaturmessung sind im Prinzip alle physika- Für die Umrechnung in Grad Fahrenheit (bei bekanntem lischen Zusammenhänge fester, üssiger und gasförmiger Grad-Celsius-Wert) gilt somit: Sto¦e geeignet, die in reproduzierbarer Weise von der Tem- peratur abhängig sind. Es werden jedoch nur solche Sto¦e t(°) = t(°C)1,8 + 32 (8.5) verwendet, deren Eigenschaften sich stark mit der Tempe- ratur ändern und leicht zu handhaben sind. Die Messungen Für die Umrechnung Grad-Fahrenheit in Grad Celsius ergibt sollten einfach durchführbar sein. Aus diesen Vorgaben er- sich: gibt sich eine Reihe von völlig unterschiedlichen Messgerä- t(°C) = 0,556 (t(°F)−32) (8.6) ten/Sensoren für die meteorologische Praxis.

In den meisten WMO-Mitgliedstaaten wird die Temperatur Die relative Änderung einer physikalischen Größe in Ab- in der Meteorologie gemäß dem SI-Einheitensystem in Kel- hängigkeit von der Änderung der Temperatur gegenüber ei- vin (K) oder Grad Celsius (°C) angegeben. Ausnahmen bilden ner Bezugstemperatur wird durch den Temperaturkoeµ- auch heute noch die USA, Großbritannien und Irland mit zient beschrieben. Temperaturkoe¾zienten gibt es für die Angaben zusätzlich in Grad Fahrenheit (°F). Länge, das Volumen (Ausdehnungskoe¾zient), den Druck, den elektrischen Widerstand, die Temperaturspannung ei- Alle drei Skalen sind durch zwei Fixpunkte festgelegt. Für ner Halbleiterdiode und andere Größen. Die Sto¦e sollten die Celsius- und die Kelvin-Skala gelten dabei dieselben Fix- dabei über einen großen Temperaturbereich den Aggregat- punkte (Tab. 8.1). Die Fixpunkte dienen auch zur Eichung der zustand nicht ändern. Die Forderung nach einem linearen Thermometer, d. h. Punkte, bei denen sich ein physikalischer Zusammenhang ist im Allgemeinen nur in einem begrenz- Vorgang immer wiederholt und unter gleichen Vorausset- ten Temperaturintervall erfüllt, für den Bereich der Meteo- zungen unschwer nachvollziehbar ist. Zu den Eichpunkten rologie aber meist gegeben. Im Wesentlichen werden in der gehören der Schmelzpunkt, Erstarrungspunkt, Sublimati- Meteorologie folgende Eigenschaften genutzt: onspunkt und Siedepunkt der verschiedenen Sto¦e. • der Ausdehnung von festen, flüssigen und gasförmigen Sto¦en Tab. 8.1 Fixpunkte der Temperaturskalen – Volumenänderung mit der Temperatur von Flüssig- keiten, die in Glasge»ße eingeschlossen sind absoluter Gefrierpunkt Siedepunkt Einheit Nullpunkt des Wasser des Wassers – miteinander verschweißter Metalle mit unterschiedlichen Ausdehnungskoe¾zienten Kelvin 0 273,15 373,15 • die thermoelektrischen Eigenschaften (thermische Leit- Celsius –273,15 ° 0 ° 100 ° »higkeit) von Sto¦en – Änderung des Widerstandes von Leitern/Halbleitern Fahrenheit –459,67 ° 32 ° 212 ° – die Thermospannung • die Emission elektromagnetischer (thermischer Strahlung), Die Temperatur ist die einzige physikalische Größe mit d. h. die strahlungsbedingte Änderung der Temperatur zwei Formelzeichen (T, t) je nach verwendeter Einheit • die Änderung der Schallgeschwindigkeit (K, °C). Beide können gleichzeitig in einer Formel vorkommen, dürfen dann aber nicht gegeneinander gekürzt werden. Die Nahezu alle in der Praxis eingesetzten Thermometer gehö- SI –Vorsätze für dezimale Vielfache und Teile dürfen von ren in die Gruppe der Berührungsthermometer, einige auch Grad Celsius nicht gebildet werden. in die Gruppe der Strahlungsthermometer. Bei der Tempera-

39 turmessung nach den ersten zwei Strichaufzählungen wird Tab. 8.2 Volumenausdehnungskoeµzient verschiedener Stoe nicht die Lufttemperatur direkt gemessen, sondern die Tem- Sto ␥ (10–6 K–1) peratur eines Messkörpers, der mit der umgebenden Luft im Wärmegleichgewicht steht. Ein Berührungsthermometer Gase Luftgemisch 3665 misst grundsätzlich „nur“ seine eigene Temperatur. Die Tem- Wassersto 3660 peratur des Sensors wird dann durch Messung einer anderen Helium 3659 Größe (Ausdehnung, elektrischer Widerstand usw.), die eine Abhängigkeit von der Temperatur zeigt, bestimmt. Flüssigkeiten Wasser 207,0 Quecksilber* 181,9 Die Temperaturanpassung dieses Messkörpers folgt dem NEWTONschen Abkühlungsgesetz (8.28), welches für Ethanol 110 alle Mechanismen der Wärmeübertragung gilt und die Feste Körper Quarzglas (SiO2) 15 Grundlage der Temperaturmessung darstellt (siehe 8.4.2). Invar 1,5-2,0 8.2.1 Thermische Änderungen Eisen 36 Aluminium 71,4 Eine wichtige und auch häu¤ge Anwendung bei der Tempe- raturmessung ist die thermische Ausdehnung von Volumen Messing 18 oder Länge von üssigen, festen und gasförmigen Sto¦en. * Quecksilber ist das einzige Metall, das unter Normalbedingungen üssig ist. Dabei wird die Änderung einer physikalischen Größe in Ab- Verwendung: Flüssigkeitsthermometer. hängigkeit von einer Temperaturänderung gemessen, d. h. es handelt sich, wie bereits erwähnt, um ein indirektes Messver- Thermische Änderung von festen Körpern fahren, bei dem eine andere Größe in hinreichend eindeutiger Das Messprinzip basiert auf der unterschiedlichen thermi- und reproduzierbarer Weise von der Temperatur abhängt. schen Ausdehnung (Formänderung) zweier verschiedener, miteinander verschweißter oder vernieteter Metalle in Ab- Der thermische Ausdehnungskoe¾zient ␥ t drückt die Ände- hängigkeit von einer Temperaturänderung. Es wird also die rung pro Temperaturänderung aus, und zwar als thermischer Deformationsänderung gemessen, die von der Kombinati- Volumenausdehnungskoe¾zient nach der Beziehung on der verwendeten Metalle abhängt, die unterschiedliche Wärmeausdehnungskoe¾zienten haben. So hat z. B. Stahl (8.7) etwa den 12-fachen Ausdehnungskoe¾zienten von Invar- und als thermische Längenausdehnungskoe¾zient nach stahl, einer besonders ausdehnungsarmen Legierung.

(8.8) Infolge der ungleichen Ausdehnung (Längenänderung) bei- t Bei isotropen Körpern ist Vt = 3 l . Im meteorologisch relevan- der Metalle (Bimetalle) bei Erwärmung krümmt oder biegt te Bereich nimmt ␥ linear mit der Temperatur zu. Da ␥ aber sich der Metallstreifen oder die Spirale. Das eine Ende ist gering temperaturabhängig ist, ist die Teilung einer Skala befestigt, das andere, freie Ende bewegt einen Zeiger, der nicht äquidistant, d. h. Thermometer, welche nach diesem auf einer Skala die jeweilige Temperatur anzeigt. Prinzip arbeiten, müssen alle 20 K bis 30 K kalibriert werden. Abb. 8.1 Prinzip des Bimetalls Thermische Änderung von Flüssigkeiten Flüssigkeiten dehnen sich wesentlich stärker aus als feste Kör- per und in alle Richtungen aus. Wegen der leichten Verschieb- barkeit der Moleküle nehmen Flüssigkeiten die Form des Ge- »ßes an, in dem sie sich be¤nden. Ist eine Flüssigkeit in eine Glaskapillare eingeschlossen, muss die Ausdehnung der Ka- pillare ebenfalls berücksichtigt werden. Gemessen wird dann die Di¦erenz der Volumenänderung von Flüssigkeit und Glas.

Bei den üblichen Flüssigkeitsthermometern ist die Volu- Der Ausschlag dS des freien Endes eines Bimetallkörpers bei menänderung des Glases wesentlich geringer als die der Temperaturänderung d∂ kann mit Hilfe der folgenden Be- Flüssigkeit, so ist z. B. ziehung bestimmt werden:

␥Hg , Quarzglas (8.9) d. h. der scheinbare kubische Ausdehnungskoe¾zient beträgt mit L = Länge des Bimetalls ␦ = mittlere Dicke ␥␦Hg ␸ = Zentriwinkel (Mittelpunktswinkel – Winkel zwischen …) Tabelle 8.2 enthält einige, in diesem Zusammenhang inter- R = f (␸) essierende Volumenausdehnungskoe¾zienten. k = ␣ 2 – ␣1 (lineare Ausdehnung)

40 Der Ausschlag dS ist damit abhängig von Gasthermometer haben in der meteorologischen Routi- • Quadrat der Streifenlänge (L) nepraxis keine Bedeutung, daher wird nur an dieser Stelle • der Streifendicke (␦) kurz darauf eingegangen. Mit einem Gasthermometer las- • Differenz der Ausdehnungskoeffizienten k (~ proportional) sen sich sehr tiefe und sehr hohe Temperaturen – bis zum • Temperaturänderung d∂ Schmelzpunkt des Ge»ßes – messen. Ein mit Helium ge- • geometrischen Form des Streifens R fülltes Gasthermometer mit linearer Skala ist am genaues- • Elastizität der Materials (c) ten. Die damit gemessene Temperatur entspricht recht genau der thermodynamischen Skala. Sie werden daher auch Tab. 8.3 Einige Zentriwinkel und ihr Ein¥uss auf den Ausschlag als Normalthermometer zur Eichung anderer Thermometer und dienen der Gewinnung von Temperaturskalen. ␸ 0 40 160 360 R/␸ 0,5 0,49 0,4 0,16 8.2.2 Elektrische Änderungen

Der Ausschlag eines Bimetallthermometers ist bei gestreckten Elektrische Änderung eines Widerstandes Bimetallen am größten, d. h. k sollte möglichst groß sein. Der Ebenso wie die Ausdehnung von festen, üssigen und gas- lineare Längenausdehnungskoe¾zient beträgt z. B. bei Messing förmigen Körpern ist auch der elektrische Widerstand eine , bei Invarstahl = 1,5 bis 2,0 ⋅10−6 (K−1), das ergibt gut reproduzierbare Funktion der Temperatur. Grundlage ist das Gesetz von 1826 von Georg Simon OHM (1789–1854)

k = ␣ 2 – ␣1 mit der SI-Einheit Ohm (Ω) für den Widerstand = 18⋅10−6 −1,5⋅10−6 (K−1) = 16,5⋅10−6 (K−1) oder (1 Ω = 1V A–1) (8.11) = 0,0165 10–3 (K–1) = 0,0165 10–3 (K–1) mit R = konstant

Verwendung: Bimetallthermometer, Thermograph, Tempe- Das nach Ohm benannte Gesetz ist kein Naturgesetz, son- raturkompensation, Thermostat dern eine empirische Beschreibung des Verhaltens (nicht aller) elektrischen Leiter. Bei vielen Materialien bleibt der Thermische Änderung von Gasen Widerstand über weite Bereiche der äußeren Bedingungen Die Ausdehnung von Gasen ist bedeutend stärker (etwa konstant. Der Widerstand von bestimmten Materialien 150 bis 200-fach) als die fester und üssiger Körper, d. h. sie hängt aber außerdem vom Strom I ab, dann ist also U nicht haben eine wesentlich größere Emp¤ndlichkeit. Außerdem proportional zu I. Der Widerstand eines Leiters ist propor- weisen nur Gasthermometer absolute Linearität von Volu- tional zu seiner Länge, umgekehrt proportional zu seinem menänderungen infolge Temperaturänderungen auf. Querschnitt und abhängig von seiner Temperatur, d. h. (8.11) ist dann Das Gesetz von BOYLE-MARIOTTE (R. Boyle, 1627–1691 und E. Mariotte, 1620–1684) bietet zwei Möglichkeiten. Es (8.12) kann entweder das Volumen bei konstatem Druck oder den Druck bei konstantem Volumen in Abhängigkeit von der mit r = Proportionalitätsfaktor (= spezi¤scher Widerstand) Temperatur bestimmt werden. Das daraus abgeleitete Messprinzip ist die elektrische Leit- Ein Gas (z. B. Helium oder Wassersto¦), das sich bezüglich »higkeit, z. B. die Änderung des elektrischen Widerstandes der Ausdehnung bei Erwärmung bei allen Temperaturen so von Metallen (Kupfer, Nickel oder Platin), am häu¤gsten verhält, nennt man ein ideales Gas. Reale Gase verhalten von Platin in Abhängigkeit von einer Temperatur. In Analo- sich in der Nähe des absoluten Nullpunktes anders, weshalb gie zu (8.8) muss es hier lauten zur Messung sehr tiefer Temperaturen andere Messmetho- den angewandt werden müssen. In guter Näherung gilt aber (8.13) für den meteorologischen Bereich der Temperaturmessung der Volumenausdehnungskoe¾zient für ideale Gase wobei der Widerstandskoe¾zient ␥ bei metallischen Lei- tern positiv ist, d. h. der Widerstand nimmt mit steigender Temperatur zu (PTC – positive temperature coe¾cient). Pla- tin hat einen zu anderen Metallen vergleichsweise kleinen, Damit ergibt sich gem. (8.9) dafür aber praktisch konstanten Widerstandskoe¾zienten von ␥ = 0,385 K–1 bei allen in der Meteorologie in Frage kom- (8.10) menden Temperaturen.

Zur Widerstandsmessung muss der Widerstand von einem konstanten Strom durch ossen werden, wobei die Strom- stärke aber gering sein muss, um die Eigenerwärmung ge- Es zeigt sich, dass reale Gase diesem Verhalten sehr nahe ring zu halten. Beim Pt 100 ist er nicht höher als 1 mA. kommen.

41 In Verbindung mit Widerstandsthermometern wird die träger vorhanden sind, die dadurch entstehen, dass durch sog. Vierleiterschaltung eingesetzt. Sie ermöglicht eine thermische Anregung einzelne Elektronen aus dem voll- von den Zuleitungen unabhängige Widerstandsmessung ständig gefüllten Valenzband in das leere Leitungsband des Temperatursensors. Je zwei Leiter sind mit Sensoran- angehoben werden. Da die Zahl der Elektron-Lochpaare mit schlussdrähten verbunden, so dass zwei getrennte Mess- zunehmender Temperatur zunimmt, nimmt entsprechend kreise entstehen. der elektrische Widerstand ab. Man spricht daher auch von Sensoren mit negativen Temperaturkoe¾zienten (NTC = Abb. 8.2 Vierleiterschaltung Negative Temperature Coe¾cient). Sie bekommen also bei höheren Temperaturen eine gewisse Leit»higkeit.

Obwohl ihr Widerstand eine etwa 10-fache Temperatur- emp¤ndlichkeit gegenüber PTC-Widerständen hat, jedoch keine lineare Kennlinie besitzt (große Toleranz der einzelnen Kennlinien), werden PTC-Thermometer den Thermis- toren in der Praxis vorgezogen. Es muss nämlich für jeden einzelnen Thermistor eine eigene Eichkurve erstellt werden, die zudem nicht über längere Zeit konstant bleibt. Da- mit ist die Austauschbarkeit von Thermistorfühlern stark eingeschränkt.

NTC-Widerstandsthermometer bestehen meist aus einer Mischung aus Magnesium- und Titanoxid oder Magnesi- um- und Nickeloxid.

Messung der Potenzialdierenz an Thermoelementen Eine andere Methode der elektrischen Temperaturmessung beruht auf thermoelektrischen E¦ekten, die in der Festkör- perphysik und ihrer Anwendung in der Praxis eine wichtige Rolle spielen. Dabei sind der SEEBECK- (1770–1831), PEL- Abb. 8.3 Widerstandsänderungen im Vergleich TIER- (1785–1845) und THOMSON- (1824–1907) E¦ekt die wichtigsten thermoelektrischen Erscheinungen [41].

Besteht zwischen den Kontaktstellen (Lötstellen) zweier verschiedenartiger Metalle eines elektrischen Stromkreises eine Temperaturdi¦erenz, so entsteht eine Thermospan- nung (Seebeck-E¦ekt). Diese temperaturabhängige Kon- taktspannung wird gemessen und berechnet mit

(8.14)

mit S = Seebeck-Koe¾zient

∂U = di¦erenzielle Thermospannung U 1– U2 ∂T = Temperaturunterschied T 1– T0

Der Betrag und das Vorzeichen der Thermospannung werden durch das Produkt aus dem Temperaturunterschied und der di¦erenziellen Thermospannung mit dem Seebeck- Koe¾zient S bestimmt, der abhängig von der Metallkombi- nation, der absoluten Temperatur und von der Reinheit der Metalle ist. Ein Messkreis wird zur Stromversorgung „I“, der zweite zur Messung des Spannungsabfalls „U“ genutzt. Liegt der Ein- Eine Umkehrung des thermoelektrischen E¦ekts ist der Peltier- gangswiderstand der Auswerteelektronik um ein Vielfaches E¦ekt. Peltier entdeckte 1834, dass die von einem elektrischen höher als der Leitungswiderstand, dann ist der ermittelte Strom durch ossene Lötstelle zweier verschiedenartiger Metal- Spannungsabfall unabhängig von den Eigenschaften der le sich je nach Stromrichtung erwärmt oder abkühlt. Dadurch Zuleitungen. konnte durch die Regelung des Stromes auf elektrischem Wege eine bestimmte Temperatur an einer Verbindungsstelle zweier Anstelle von Metallen kann der Widerstand auch mit Halb- verschiedener Metalle erzeugt werden. Berechenbar wurde der leitern (Thermistoren) bestimmt werden. Halbleiter sind Peltier-E¦ekt viel später mit Hilfe der theoretischen Physik. physikalisch dadurch gekennzeichnet, dass nur in geringem Umfang freie Elektronen (und Löcher) als Ladungs-

42 Die physikalische Ursache der Thermospannung ist die Im Allgemeinen ist die Temperaturabhängigkeit der gemes- Thermodi¦usion (Ursache des Seebeck-E¦ekts) von La- senen integralen Thermospannung nicht linear und kann dungsträgern [43]. Bei Stromlosigkeit muss der Thermo- mit einer Parabel durch den Nullpunkt angenähert werden. di¦usionsstrom durch einen Gradienten des elektroche- Im meteorologisch relevanten Temperaturbereich sind sie mischen Potenzials kompensiert werden, welcher zur aber nahezu linear. Thermospannung führt. Obwohl zum elektrochemischen Potenzial im Allgemeinen nicht nur das elektrostatische Die Größe der Thermospannung ist abhängig von Potenzial, sondern auch das nichtelektrische chemische • der Temperaturdifferenz Potenzial beiträgt, ist die am Thermoelement gemessene • der Wahl der beiden Metalle Thermospannung rein elektrostatischen Ursprungs. Die elektrischen Ladungen, welche dieses elektrische Potenzi- Tabelle 8.4 enthält einige gebräuchliche Sto¦paarungen. Die al erzeugen, be¤nden sich unter stationären Bedingungen oberen Grenztemperaturen dürfen nur kurzzeitig gemessen nicht im Innern der Leiter, sondern auf den Grenz ächen werden, da sich die Thermokraft bei hohen Temperaturen an den Kontaktstellen (Lötstellen) und auf den Leiterober- durch Korrosion verändert und die Thermoelemente neu ächen. Unter nichtstationären Bedingungen wird der geeicht werden müssen. langsame Temperaturausgleich von (im Allgemeinen schwachen) Raumladungen und Strömen im Inneren der Tab. 8.4 Dierenzielle Thermospannungen gebräuchlicher Metall- Leiter begleitet [42]. Legierungen

Metall- Einsatztempera- Der Auau eines Thermoelementes ist in Abbildung 8.4 Kombination tur °C dargestellt. Mit jedem Ende eines Konstantandrahtes ist z. B. ein Kupferdraht verbunden (Lötung, Schweißung, Quet- Cu/Konstantan* 4,25 –200 bis +350 schung oder eine andere Verbindungsart), so dass zwei Be- Fe/Konstantan 5,37 –200 bis +800 rührungsstellen entstehen. Der Stromkreis wird dann über Zuleitungen zu einer Anzeigeeinheit geschlossen. Wenn Ni-Cr/Konstantan 6,21 –200 bis +800 *Konstantan ist ein Markenname von ThyssenKrupp mit 54 Cu/45 Ni/1 Mn beide Kontaktstellen unterschiedliche Temperatur haben Auszug aus C.-G. Oertel, TU Dresden, Fachrichtung Physik, 2003 [41] ießt Strom, der von der Temperaturdi¦erenz abhängig ist. Haben beide Lötstellen die gleiche Temperatur, ießt kein Strom. Die Kombination aus Kupfer (Cu) und Konstantan eignet sich besonders gut, da sie sich gut löten lässt und eine rela- Abb. 8.4 Messprinzip Thermoelement tiv hohe Thermospannungen liefert, und zwar von

Cu ≈ 7,4 μV K -1/Konstantan ≈ 32,5 μV K-1

μV K-1

Diese Thermokraft ∂U/∂t beträgt für die Elemente Cu/Kons- tantan also ca. 40 μV K-1 im Bereich zwischen 0 °C bis 100 °C. Da Thermospannungen sehr klein sind, stellt das Verfahren hohe Ansprüche an die elektrischen Mess- und Registrier- einrichtungen. Besonders große Thermospannungen werden mit Halbleiter-Thermoelementen erzielt, die zur thermoelektrischen Energieumwandlung genutzt werden.

Abb. 8.5 Thermosäule

Mit Thermoelementen wird also immer eine Temperatur- di¦erenz gemessen, d. h. sie ist nur möglich, wenn die Tem- peratur einer der beiden Lötstelle bekannt ist (z. B. 0°C). Für die durch diese Temperaturunterschiede hervorgerufene Spannungsdi¦erenz gilt:

2 ∂U = U 1− U2 = a(T1− T0) + b(T1− T0) (8.15) mit a, b = thermoelektrische Materialkonstanten

T 0 T1 = Temperaturen der beiden Lötstellen

Die Di¦erenz der Kontaktspannungen gibt die Größenord- nung der Thermospannung an.

43 Zur Erhöhung solcher Spannungen lassen sich mehrere (bis der Temperatur und vom Emissionsgrad des Körpers abhän- zu 80) Thermoelemente zu einer sogenannten Thermosäu- gig. Die Berechnung der Temperatur erfolgt nach dem Gesetz le (Thermobatterie) hintereinander schalten. Die dabei er- 4 reichte Spannung ist gleich der Summe der Spannung der ␸ e = ␧ и ␴ и T (8.16) Einzelelemente. Zusätzlich wird damit auch eine geringere -2 Trägheit erreicht. Voraussetzung dabei ist, dass nur jede 2. mit ␸e = Strahlungs ussdichte (W m ) Verbindungsstelle einer Temperaturänderung ausgesetzt ␧ = Emissionsgrad eines realen Körper (␧ = 0 bis ≤1), werden darf (siehe Abb. 8.5). abhängig von seinen Materialeigenschaften ␴ = 5,6704 ∙10 -8 W m-2 K-4 (Stefan-Boltzmann-Konstante) Mit diesem Messprinzip können Thermoelemente auch als T = Ober ächentemperatur (K) Windmessgeräte eingesetzt werden, indem eine Lötstelle dem Wind ausgesetzt ist und dann die Temperaturände- Das Gesetz besagt: rung bestimmt wird. 1. Jeder Körper mit einer von Null verschiedenen (absoluten) Temperatur emittiert (thermische) Strahlung, Vorteile der Thermoelemente als Messfühler sind: 2. Die vom Körper emittierte Leistung ist stark, und zwar • punktförmige Messstelle zur 4. Potenz seiner (absoluten) Ober ächentemperatur • geringe Größe, daher geringe Wärmekapazität proportional, • geringe Trägheit 3. Nach Messung der Gesamtemission des Körpers, kann • keine Hilfsstromquelle erforderlich daraus die Temperatur bestimmt werden. Nachteil: • etwas aufwendige Handhabung, da es sich um eine Dif- Die emittierte Strahlung eines Körpers bei einer bestimmten ferenzmessung handelt Wellenlänge hängt, wie (8.16) zeigt, neben seiner Tempera- tur auch noch von der Bescha¦enheit seiner Ober äche ab. Kapazitive Messung Wenn ein Körper die Obergrenze, die die maximal mögliche Die Grundlagen der kapazitiven Messprinzipien wurden Emission für eine Wellenlänge beschreibt, aussendet, wird bereits unter 6.1 erläutert. Da die Kapazität und somit die er als „schwarzer Körper“ bezeichnet. Ein schwarzer Körper Spannung eines Kondensators auch abhängig vom Dielek- hat ein ␧ =1,00, alle anderen Sto¦e haben Werte von ␧ <1,00. trikum zwischen den Elektroden ist, wird bei der Tempe- Bei P anzenober ächen liegen die Werte nahe ␧ = 1,00. raturmessung ein temperaturemp¤ndliches Dielektrikum Verschiedene Sto¦e besitzen teilweise wesentlich kleinere eingesetzt. Damit ändert der Kondensator, abhängig von Werte, z. B. ist bei Quecksilber ␧ = 0,09 bis 0,12. der Lufttemperatur seine Spannung, die zur Anzeige gebracht wird. Ein Körper be¤ndet sich im thermischen Gleichgewicht mit seiner Umgebung, wenn er die gleiche Temperatur wie Alle unter 8.2.2 aufgeführten, nach elektrischen Messprin- seine Umgebung hat, dann absorbiert er genauso viel Strah- zipien arbeitende Thermometer sind: Widerstandsthermo- lung wie er emittiert. meter, Thermistoren, Thermoelemente und Thermosäulen, Thermocap®. Gegenüber mechanischen Thermometern ha- Vorteil von Strahlungsthermometern ist, dass sie völlig ohne ben elektrische Thermometer den Vorzug, dass der Tempe- Berührung mit dem Medium, notfalls auch ohne jegliches raturfühler sich in verhältnismäßig großer Entfernung vom stoÇiches Medium, d. h. im luftleeren Raum messen können. Anzeigegerät be¤nden kann und die nichtelektrische Größe Die Anwendung von Strahlungsthermometern beschränkt „Temperatur“ unmittelbar in ein für die Datenverarbeitung sich aber fast ausschließlich auf Sondermessungen, so z.B. geeignetes Signal geliefert werden kann. • Messung der Blattoberflächentemperatur (siehe 15.3.9) 8.2.3 Messung der Wärmestrahlung • im Rahmen der Fernerkundung (mit Satelliten) werden groß ächige Messungen von Ober ächentemperaturen Strahlungsthermometer (Infrarotthermometer) messen die des Bodens, des Wassers oder an Wolkenobergrenzen von der Ober äche eines Körpers emittierte elektromagne- (z. B. von Flugzeugen, Satelliten) durchgeführt. tische Strahlung (Strahlungsemission nach dem PLANCK- schen Gesetz), bis 600 °C nur im infraroten Spektralbereich 8.2.4 Messung der Änderung der Schallgeschwindigkeit (Temperaturstrahlung), im sog. „atmosphärischen Fenster“

(8 μm bis 14 μm), dort wo keine Absorptionsbanden von H2O Schallwellen breiten sich in idealen Gasen und damit in gu- oder anderen Luftbestandteilen, z. B. CO2 vorhanden sind ter Näherung auch in Luft mit einer Geschwindigkeit aus, die und außerhalb des Ein ussbereichs der re ektierenden deutlich von der Lufttemperatur, geringfügig von der Luft- Sonnenstrahlung. Die Emission der elektromagnetischen feuchte, aber kaum messbar vom Luftdruck abhängt. Ände- Strahlung ist mit einem Energie uss verbunden, der einen rungen dieser Ein ussgrößen wirken sich also auf das Mess- Energieverlust für den emittierenden Körper bedingt. ergebnis aus. Dieser physikalische Zusammenhang kann für eine Temperaturmessung der Luft bei bekannter und kons-

Die Wellenlänge und die Strahlungs ussdichte ␸e (siehe tanter chemischer Zusammensetzung genutzt werden. 14.1.2) ist nach dem STEFAN-BOLTZMANN-Gesetz (Josef Stefan, 1835–1893 u. Ludwig Boltzmann, 1844–1906) nur von

44 Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls ist über eine Schall wird im Gegensatz zu Licht und anderer elektroma- Wurzelfunktion von der absoluten Temperatur der Luft ab- gnetischer Strahlung von bewegter Luft mitgeführt. Die hängig. Mit hinreichender Genauigkeit gilt für die Schallge- Laufzeit des Schalls von einem Sender zu einem Emp»nger schwindigkeit c in Luft (Fortp anzungsgeschwindigkeit) in hängt somit von der Temperatur und von der Komponente Abhängigkeit von der Temperatur t (°C) der Windgeschwindigkeit in Richtung der Verbindungsli- nie zwischen Sender und Emp»nger ab. c = 331,5 + 0,596⋅t (m s –1) (8.17) Aus der über beide Laufrichtungen gemittelten Laufzeit Daraus folgt, dass 1 K Temperaturänderung eine Änderung können die Schallgeschwindigkeit in ruhender Luft und der Schallgeschwindigkeit um 60 cm s–1 ergibt. Mit folgen- damit die Lufttemperatur bestimmt werden. Damit sind der Formel ist die Schallgeschwindigkeit genauer zu be- Temperatur uktuationsmessungen mit hoher zeitlicher rechnen: Au ösung möglich. Die Korrelation der so bestimmten Wind- und Temperatur uktuationen ergibt den turbulen- (m s–1) mit t (°C) ten Wärme uss. Ultraschallthermometer sind somit gleich- (8.18) zeitig Wind-, Temperatur- und Wärmeussmessgeräte.

Eine andere Möglichkeit, die Schallgeschwindigkeit in Ga- Die Vorteile dieser Messmethode bestehen zum einen in ih- sen zu berechnen ist: rer trägheitsfreien Reaktion auf die aktuelle Lufttemperatur, zum anderen in der Vermeidung von Messfehlern wie z. B. (8.19) durch AuÂeizung eines Temperatursensors durch Strah- lung. Dennoch werden Ultraschallmessgeräte zur Tempe- Wegen der schwachen Abhängigkeit der Ausbreitungsge- raturmessung in der meteorologischen Messpraxis nicht schwindigkeit des Schalls von der Luftfeuchte bezieht sich eingesetzt, es wird daher kein Messgerät beschrieben. die „akustische Virtuell-Temperatur“ auf trockene Luft (0 % Feuchte) unter gleichen Druckbedingungen wie die aktuell 8.2.5 Messung der Änderung der Materialwerte gemessene. Über Land können Feuchteschwankungen ver- (Stokonstante) nachlässigt oder ausreichend parametrisiert werden. Die Abweichung der gemessenen „akustischen Virtuell-Tem- Als Materialwerte oder Sto·onstante wird der Wert einer peratur“ zur realen Lufttemperatur ist linear vom absoluten physikalischen Größe bezeichnet, der unter festgelegten Feuchtegehalt der Luft abhängig. Bedingungen hauptsächlich vom verwendeten Sto¦, kaum aber von anderen äußeren Ein üssen abhängt. Es handelt Die Formel (8.19) kann mit der virtuellen Temperatur (siehe sich also um eine sto¦eigene Größe, die jedem Sto¦ einen 9.1.1.1), d. h. Lufttemperatur und –Feuchte zusammenge- konstanten Wert bezüglich einer bestimmten Sto¦eigen- fasst, vereinfacht mit schaft zuordnet.

(8.20) Die Dichte ist unter Normalbedingungen z. B. eine Material- konstante, da sie spezi¤sch für den verwendeten Sto¦ ist. verwendet werden. Dabei wird die virtuelle Temperatur Materialkonstanten, die für Temperaturmessungen benutzt nach (9.16) berechnet mit werden können sind • spezifische Wärmekapazität

t v = t (1+ 0,608 и r) • spezifischer Widerstand • Temperaturkoeffizient mit r = Mischungsverhältnis (g kg-1). – Volumenausdehnungskoe¾zient (siehe 8.2.1) – Längenausdehnugskoe¾zient (siehe 8.2.1) Einige Werte dazu enthält Tabelle 8.5. • Permittivität (siehe 6.1 kapazitive Messung)

Tab. 8.5 Temperaturabhängige Schallgeschwindigkeiten Einige sind bereits behandelt, eine weitere Materialkons- tante wird im Folgenden dargestellt. Temperatur Schallgeschwindigkeit °C m s–1 Spezi¨sche Wärmekapazität Die spezi¤sche Wärmekapazität c ist –20 319,1 0 331,5 (8.21)

+20 343,5 mit c = spez. Wärmekapazität, d. h. die Wärmeenergie, die +30 349,3 erforderlich ist, um die Substanzmasse m = 1 kg um 1 K zu erwärmen (kJ kg-1 (°C) -1 Der Wert der SI-Einheit bei 20 °C entspricht umgerechnet ΔQ = Wärmemenge, die der Materie zugeführt oder 1235 km h-1, 767 mph, 1125 ft s-1 oder 666 Kn (Knoten). entzogen wird (J) ΔT = Temperaturänderung (K)

45 Die SI-Einheit für die Wärmemenge ist Joule (1 cal = 4,184 J). anderen werden heutzutage fast ausschließlich für Sonder- Mit der ursprünglichen De¤nition der Einheit Kalorie ist messungen eingesetzt. die spezi¤sche Wärmekapazität cw von Wasser 8.3.1 Ausdehnungsthermometer –1 –1 –1 –1 –1 –1 c w = 1 cal g (°C) = 1 kcal kg (°C) = 4,184 kJ kg (°C) 8.3.1.1 Flüssigkeitsthermometer Tab. 8.6 Spezi¯sche Wärmekapazität einiger Flüssigkeiten bei 20 °C Die gebräuchlichsten Flüssigkeitsthermometer sind Queck- silber- und Alkoholthermometer. In diesem Zusammen- Substanz c (kJ kg –1 (°C) –1 hang wird Quecksilber als Flüssigkeit betrachtet, weil es im Wasser 4,18 Temperaturbereich meteorologischer Messungen üssig Quecksilber 0,14 ist, obwohl es, wie bereits erwähnt zu den Metallen zählt. Die Eigenschaften dieser Mess üssigkeiten sind in Tabelle Ethanol 2,4 8.7 im Vergleich dargestellt. /TAB. 8.7 Aluminium 0,90 Silber 0,223 Es ist leicht erkennbar, dass beide Flüssigkeiten sowohl Vor- als auch Nachteile haben, die bei der Herstellung von Wasserdampf (bei 1 bar) 2,02 Thermometern für den jeweiligen Zweck und Messbereich abgewogen werden müssen. Mit wenigen Ausnahmen wird In Tabelle 8.6 ist die wesentlich höhere Wärmekapazität dabei dem Quecksilber der Vorzug gegeben. von Wasser als von allen anderen aufgeführten Sto¦en au¦allend. Das erklärt die sehr gute Speicherkapazität von Flüssigkeitsthermometer bestehen aus dem dünnwandigen Wasser; vorteilhaft in Solarkollektoren oder auch als Kühl- Thermometerge»ß, das die thermometrische Flüssigkeit mittel in Automotoren. Vernachlässigbar ist die geringe enthält, einer daran angeschlossenen dünnen Glasröhre Temperaturabhängigkeit der spezi¤schen Wärmekapazität (Kapillare), die in der Expansionserweiterung endet und von Wasser. Sie liegt zwischen 0 °C bis 100 °C bei etwa 1 %. der mit der Kapillare mechanisch verbundenen Tempera- Der Begri¦ Wärmekapazität bedeutet nicht, dass der betref- turskala. Infolge des Unterschiedes zwischen der thermi- fende Gegenstand eine bestimmte Wärmemenge enthält schen Ausdehnung der Flüssigkeit und der des Ge»ßes än- oder aufnehmen kann. dert sich mit der Temperatur die Länge des in der Kapillare be¤ndlichen Flüssigkeitsfadens. Am Ende des Flüssigkeits- 8.3 Sensoren/Messgeräte fadens wird die Temperatur auf der Skala abgelesen.

Die Vielzahl von Temperaturmessverfahren erlaubt eine Bei dem im DWD ausschließlich verwendeten sog. Ein- weitgehende Anpassung an das Ziel der jeweiligen Mes- schlussthermometer (Flüssigkeits-Glasthermometer nach sung. Die zwei erstgenannten Messprinzipien werden DIN 12770) be¤ndet sich die Skala auf einem von der Ka- überwiegend für meteorologische Standardmessungen, die pillare getrennten, direkt dahinter liegenden Skalenträger.

Tab. 8.7 Vergleich von Quecksilber und Alkohol (Ethanol) Quecksilber (Hg) Alkohol (Ethanol)

Hg = Hydragyrum O2H5OH 181,9 10 –6 K –1 103-143 10 –5 Ausdehnungskoe·zient ␥ bei 20 °C praktisch konstant bei 20 °C unstetig Fixpunkte –38.87 ° / 356.6 ° –114.2 ° / 78.3 ° Messbereich* –35 bis +350 °C –114 bis +78 °C

ep gering (<0.01 mmHg) groß Kohäsionskraft groß gering Trägheit ␭ = 58 s ␭ = 72 s Wärmeleitfähigkeit 0.92 J 0.001799 J spez. Wärme 0.138 J g –1 K –1 2.386 J g –1 K –1 Strahlung unemp¡ndlich emp¡ndlich Meniskus konvex konkav Füllgas meist Vakuum Vermeidung von Überdestillation lineare Skala größeres ␥ Vorteile geringe Trägheit leicht gut reektierend preisgünstig Nachteile schwer giftig nicht lineare Skala große Trägheit * Messbereich von HG-Thermometern kann mit Hg-Thallium-Füllung bis –58°C erweitert werden

46 Abb. 8.6 Aufbau Einschlussthermometer Abb. 8.7 Flüssigkeitsthermometer im DWD

Ein mit dem Ge»ß verschmolzenes Umhüllungsrohr um- Abb. 8.8 Psychrometer-Thermometer schließt bei dieser Bauart luftdicht Kapillare und Skalen- träger. Besondere Vorrichtungen sorgen dafür, dass sich der Skalenträger bei Erwärmung zwar ausdehnt, seine Lage gegenüber der Kapillare jedoch nicht ändern kann und an dieser fest anliegt. /ABB. 8.6

Mit Ausnahme des Minimumthermometers sind die an den Beobachtungsstationen eingesetzten Thermometer ausschließlich mit Quecksilber gefüllt. Da Quecksilber bei einer Temperatur von –38,87 °C erstarrt und die Anzeige bereits in der Nähe dieser Temperatur unzuverlässig wird, endet bei etwa –35 °C der nutzbare Messbereich.

Im DWD kommen Flüssigkeitsthermometer zur Messung der Temperatur fast nur noch für Ersatzmessungen oder zu festgelegten Terminen an Klimareferenzstationen zum Ein- satz. Dabei handelt es sich um die nachfolgend aufgeführ- ten Flüssigkeitsthermometer: /ABB. 8.7

• Psychrometer-Thermometer (Stationsthermometer) • Maximum-, Minimumthermometer • Thermometer 370 mm lang für Hüttenpsychrometer (trockenes und feuchtes Thermometer) nach DIN 58660 • Erdbodentiefenthermometer

Psychrometer-Thermometer Zur Anwendung der Psychrometer-Thermometer wird auf Die Psychrometer- Thermometer sind zwei baugleiche Hg- 9.3.1 verwiesen. Thermometer, die zur Messung der Lufttemperatur und Feuchttemperatur dienen. Die Skala reicht von etwa –35 °C Maximumthermometer bis +40 °C. Der geprüfte Bereich liegt zwischen –30 °C. . . +40°C . Das Maximumthermometer ist ein Hg-Thermometer zur Der Abstand der Teilstriche auf der Skala entspricht 0,2 K, die Bestimmung des Höchstwertes der Lufttemperatur inner- ungeraden 1/10 °C sind zu schätzen. Das Ende des Quecksilber- halb eines bestimmten Zeitraumes. fadens zeigt die augenblickliche Lufttemperatur oder Feucht- temperatur an.

47 Abb. 8.9 Funktionsweise Maximumthermometer Bei abnehmender Temperatur nimmt der Alkoholmeniskus die Schleppmarke aufgrund seiner Ober ächenspannung mit, während bei steigender Temperatur der Alkohol die Schleppmarke umströmen kann und diese sich deshalb nicht fortbewegt, so dass am rechten Ende der Schleppmar- ke die aufgetretene niedrigste Temperatur des betre¦enden Zeitraumes abgelesen werden kann.

Abb. 8.11 Ablesung am Minimumthermometer

Die Maximumvorrichtung besteht aus einem im Ge»ß ein- geschmolzenen Glasstift, der in das Kapillarrohr hinein- ragt und dort eine Verengung hervorruft. Bei Temperatur- zunahme wird das Quecksilber infolge Ausdehnung durch Die Skala erstreckt sich von etwa –40 °C . . .+40 °C, der geprüf- die Verengung hindurch gedrückt, kann aber bei Tempe- te Bereich liegt zwischen –30 °C . . .+30 °C. Der Abstand der raturabnahme ohne zusätzliche Kraft nicht zurück iesen. Teilstriche auf der Skala entspricht 0,5 K, die Zehntel müs- Bei abnehmender Temperatur reißt deshalb der Hg-Faden sen geschätzt werden. am Glasstift ab, bleibt in der Kapillare liegen und zeigt mit seinem oberen Ende den jeweiligen Höchstwert der Tem- Lufttemperatur 5 cm über dem Erdboden peratur an. Nach jeder Ablesung muss das in der Kapillare An Beobachtungsstationen in einer Lage über 650 m NHN be¤ndliche Quecksilber in das Hg-Ge»ß zurück geschleu- wird für den Einsatz einer Lufttemperatursonde LTS2000 dert werden. eine variable Höhenverstellung verwendet, um bei einer Schneedecke das Thermometer über die Schneedecke an- Die Skala reicht von etwa –30 °C . . .+50 °C, der geprüfte Be- zuheben. reich liegt zwischen –25 °C . . .+40°C. Der Abstand der Teil- striche auf der Skala entspricht 0,5 K, die Zehntel müssen Abb. 8.12 Sensorhalter Lufttemperatur 5 cm (Eigenbrodt) geschätzt werden. Das Maximumthermometer wird in der Hütte etwas schräg, mit dem Thermometerge»ß etwas tiefer gelagert, damit sich der Hg-Faden nicht verschiebt.

Minimumthermometer Das Minimumthermometer ist ein Alkoholthermometer, da mit Alkohol tiefere Temperaturen gemessen werden können. Es dient der Bestimmung des Tiefstwertes der Lufttempera- tur innerhalb eines bestimmten Zeitraumes. Die Ge»ßober- äche ist zur Reduzierung der Trägheit durch die gabelför- mige Gestalt vergrößert, weil Alkohol gegenüber Quecksilber eine geringere Wärmeleit»higkeit aufweist (Tab. 8.7) und dies zu einer größeren Trägheit des Thermometers führt.

Abb. 8.10 Minimumthermometer Erdbodenthermometer Die Erdbodentemperaturen werden durch Messungen im Erdboden festgestellt, im DWD in den Messtiefen 5 cm, 10 cm, 20 cm, 50 cm und 100 cm. Dazu werden • Stockthermometer für die Messtiefen 5 cm, 10 cm und 20 cm nach DIN 58655 und • Erdbodentiefenthermometer für die Messtiefen 50 cm und 100 cm nach DIN 58664 eingesetzt.

Das nach innen gewölbte Ende des farblosen und deshalb Erdbodenthermometer in 5 cm, 10 cm und 20 cm Tiefe schwer zu erkennende Ende des Alkoholfadens zeigt die Stockthermometer sind mit Quecksilber als Mess üssigkeit aktuelle Lufttemperatur an. Innerhalb des Alkoholfadens in gefüllt. Der „Stock“ ist das Verlängerungsstück zwischen der Kapillare liegt eine Schleppmarke aus ge»rbtem Glas, Ge»ß und Kapillare dessen Länge der gewählten Messtiefe deren Enden verdickt sind. entspricht. An seinem oberen Ende be¤ndet sich ein einfa-

48 Abb. 8.13 Stockthermometer mit Halterung Abb. 8.14 Erdbodentiefenthermometer

cher oder ein Doppelwulst (ältere Bauart), damit die Instal- Pege und Kontrolle der Funktionstüchtigkeit von Ther- lation in der richtigen Tiefe kontrolliert werden kann. Die mometer Skala ist zur besseren Ablesung in Richtung Nord abgewin- Die Thermometer müssen stets sauber gehalten werden, da- kelt, das Thermometerende weist nach Süden. Die Thermo- mit eine einwandfreie Ablesung möglich ist und der Ener- meter werden in einer speziellen Halterung gelagert. Durch gieaustausch der Thermometerge»ße mit der umgebenden die Unterschiede der möglichen Temperaturen in den ver- Luft ungehindert gewährleistet ist. schiedenen Tiefen haben die Erdbodenthermometer verschiedene Messbereiche mit Teilstrichen auf der Skala im Da beim Minimumthermometer die Schleppmarke in der Ka- Abstand von 0,2 K. /ABB. 8.13 pillare leicht beweglich sein muss, können durch Erschütte- rungen Fehlanzeigen hervorgerufen werden. Der Standfestig- Erdbodentiefenthermometer für Messtiefen 50 cm und keit der Thermometerhütte, dem sorgsamen Umgang beim 100 cm Ö¦nen und Schließen der Hüttentüren sowie dem ruhigen Lauf Tiefen- oder Stabthermometer sind ebenfalls mit Queck- des Aspirators ist deshalb besondere Beachtung zu schenken. silber gefüllt und in einen Kunststo¦stab eingebaut, der unten abgeschlossen ist. Dieser Stab wird zur Ablesung mit Aufgrund seiner Bauart und Funktionsweise ist das Mini- einem Handgri¦ aus einem Hüllrohr herausgezogen. Dabei mumthermometer gegenüber den Quecksilberthermome- ist darauf zu achten, ob die Metallkapsel, die das Thermo- tern etwas emp¤ndlicher. meterge»ß umschließt, Grundwasserberührung hatte. In diesem Fall darf die Messung in dieser Tiefe nicht durch- Nach längerem Gebrauch kann sich die als thermometri- geführt werden. sche Flüssigkeit verwendete Alkoholmischung zersetzen. Dies zeigt sich durch eine Ver»rbung der Flüssigkeit und Da die Di¦erenz zwischen Luft- und Bodentemperatur oft durch die Ablagerung ausge»llter Bestandteile in der Kapil- groß ist, muss das Thermometer sehr träge sein, damit sich lare. In beiden Fällen ist das Thermometer auszutauschen. die Anzeige bis zur Ablesung nicht sofort ändert. Dies wird durch eine große Quecksilbermenge in einem ungewöhn- Ein Ersatz des Thermometers ist auch in den Fällen erfor- lich großen Thermometerge»ß erreicht. Ein Polster um das derlich, in denen die Schleppmarke an dem in der Nähe Ge»ß (gegen Beschädigung) bringt weitere Isolierung. des Ge»ßes liegenden Knie der Kapillare klemmt, bei der Einstellung nicht gleichmäßig bis zum Flüssigkeitsmenis- Der Messbereich beträgt –10 °C . . .+30 °C, die Teilung der Ska- kus herabsinkt oder die Schleppmarke aus der Flüssigkeit la 0,2 K. Bei der Ablesung der Erdbodenthermometer ist auf austritt und nicht wieder zurückführbar ist. die Gefahr des Parallaxenfehlers zu achten, der gerade bei der Ablesung der sog. Stockthermometer groß sein kann. Siedethermometer Führt man den Stab in das Hüllrohr zurück, ist der Hand- Eine besondere Art von Thermometer sind Siedethermome- gri¦ erst loszulassen, wenn die Metallkapsel Bodenberüh- ter. Sie sind mit einem relativ großen Quecksilberge»ß aus- rung hat, da sonst Bruchgefahr beim Thermometer droht. gestattet, um für eine größere Genauigkeit eine größere Men- ge Quecksilber aufnehmen zu können. Da gleichzeitig die An Klimareferenz- und Bergstationen des DWD bleibt es Ober äche zugenommen hat, bleibt auch die Trägheit in an- beim Einsatz dieser mit Quecksilber gefüllten Erdbodentie- nehmbaren Grenzen. Da die Änderung der Siedetemperatur fenthermometer. An der Klimareferenzstation Potsdam (sie- mit der Änderung des Luftdrucks sehr gering ist (siehe 7.2.4), he 19.3) werden Erdbodentemperaturen bis 12 m Tiefe, dabei muss die Skala in möglichst kleine Einheiten unterteilt sein. allerdings mit Pt 100 (siehe 8.3.2.1) gemessen. /ABB. 8.14 Meist ist sie in Einheiten des Luftdrucks angegeben, um auf diese Weise die Umrechnung zu ersparen und eine mögliche Fehlerquelle auszuschalten.

49 8.3.1.2 Bimetall-Thermometer, Thermograph Die Registrierung der Temperatur erfolgt mit einem Uhr- werk vorrangig im Wochenumlauf. Der Registrierstreifen Bimetallthermometer hat eine Skalierung in °C und der Zeit in einem 2-Stundenin- Bimetalle bestehen aus zwei miteinander verbundenen Me- tervall. Bei Registriergeräten, die im Tagesumlauf betrieben tallstreifen mit unterschiedlichem Ausdehnungskoe¾zi- werden, ist die Zeitskalierung im 10 min-Intervall aufge- enten hinsichtlich der Temperatur. Das Messelement ist so druckt. Der Messbereich des Thermographen liegt zwischen angeordnet, dass es von der Außenluft ungehindert umspült –35 °C bis +45 °C , die Messunsicherheit beträgt ±0,2 K bis 0,3 K. werden kann. Solche Arten von Thermometer sind in den Wetterdiensten nur noch in wenigen Geräten zu ¤nden. Im DWD wird vorwiegend ein Thermohygrograph (siehe 9.3.2), eine Kombination aus Thermograph und Hygrograph Thermograph eingesetzt. Ein Thermograph ist ein Registriergerät zur laufenden Auf- zeichnung der Lufttemperatur für einen bestimmte Zeit. Der Pege und Kontrolle der Funktionstüchtigkeit Messfühler ist ein ringförmiges Bimetall aus zwei durch Press- Es ist zweckmäßig, die Angaben von Bimetall-Thermogra- schweißung verbundenen Metallstreifen mit unterschiedlichen phen von Zeit zu Zeit mit denen eines genauen Thermome- Wärmeausdehnungskoe¾zienten. Die Wirkungsweise von Bi- ters zu vergleichen. Abweichungen werden durch Verdre- metallthermometern wurde bei den Messprinzipien erläutert. hen der am Bimetall be¤ndlichen roten Rändelschraube Die Formänderung wird mechanisch übertragen und kommt (Standkorrektur) beseitigt. Alle übrigen Verstellmöglichkei- deshalb bei mechanischen Registriergeräten zum Einsatz. ten des Hebelsystems (z. B. die Amplitudenjustierung), die nach der Kalibrierung mit Lack (meist rot) gesichert wer- Abb. 8.15 Bimetallfühler im Thermograph den, dürfen nicht verändert werden.

8.3.2 Elektrische Thermometer

8.3.2.1 Widerstandsthermometer Als Messfühler wird am häu¤gsten Platin verwendet. Es gibt Plantinmesswiderstände in verschiedenen Ausführungen:

• als frei gespannter Platindraht von 0,015 mm bis 0,03 mm Durchmesser, der nahezu verstrahlungsfrei Tempera- turen liefert, aber für Routinemessungen wegen ihrer Emp¤ndlichkeit wenig geeignet ist, • ein Platindraht, der um einen dünnen Glimmerstreifen gewickelt ist; diese Anordnung ist betriebssicherer als Bei diesen Registriergeräten ist ein Ende des Bimetallfüh- o. a. beschriebene Methode lers mechanisch fest mit dem Gerät verbunden, am ande- • in Glas oder Keramik eingeschmolzener Platindraht, ren Ende des Fühlers wird dessen temperaturbedingte Be- dessen Länge und Dicke verschieden sind. Wegen der wegung abgegri¦en und über ein Hebelsystem auf einen schlechten Wärmeleit»higkeit von Glas ist die Trägheit Schreibarm mechanisch übertragen. Die Schreibfeder liegt dieser Fühler größer als bei den o. a. Methoden, sie liegt durch das Eigengewicht des Schreibarms mit stets gleichem fast im Bereich von Quecksilberthermometern. Zudem Druck am Registrierstreifen. Auf diese Weise entsteht auf ist das Messelement nicht mehr ganz strahlungsfrei. einem Registrierstreifen, der auf einer von einem Laufwerk angetriebenen Trommel aufgespannt ist, eine kontinuier- Pt 100 liche Aufzeichnung der Lufttemperatur. Der Schreibarm Widerstandsthermometer vom Typ Pt 100 der Fa. Th. Fried- kann durch einen Hebel von außen abgehoben werden. richs und der Fa. Ketterer werden im DWD zur Messung der Lufttemperatur (LTS2000) in 2 m Höhe, als Erdbodenther- Abb. 8.16 Thermograph (Lambrecht) mometer (ETS2000) und der Temperatur in 5 cm über Grund und der Wassertemperatur verwendet. Da der Widerstand dieser Platindraht-Thermometer bei 0 °C 100 Ω beträgt, lautet die Kurzbezeichnung Pt 100.

50 Abb. 8.17 Widerstandsthermometer Pt 100 ohne Gehäuse Im DWD werden drahtgewickelte Pt 100-Widerstände als Messelemente eingesetzt. Die fertig konfektionierten Füh- ler werden von der Fa. Ketterer bezogen.

Abb. 8.19 Messelement Pt 100 (Ketterer)

Pege und Kontrolle der Funktionstüchtigkeit Die Reinigung der Sensoren, die in der LAM630 (siehe 19.4.2) gedoppelt installiert sind, wird von den zuständigen SL-Ein- Der elektrische Widerstand eines Pt 100 wird über eine heiten des DWD vorgenommen. Speziell eingewiesenes Per- Vierleiterschaltung (siehe 8.2.2), je zwei für Stromver- sonal an den Wetterwarten kann die eventuell verschmutz- sorgung und Spannungsabgri¦ ermittelt. Kurz vor jedem ten Sensoren aus der LAM630 vorsichtig entnehmen und mit Messzeitpunkt wird ein kontinuierlicher Messstrom oder einem weichen Tuch reinigen. Beim Wiedereinbau muss da- ein Stromimpuls vorgegebener Dauer (ms) von der Daten- rauf geachtet werden, dass die Sensoren die gleiche Position erfassungsanlage durch die Leitung geschickt. In jedem Fall haben wie vor der Entnahme aus der LAM630. darf der Messstrom des Sensors den maximalen Schwellen- wert von 1,5 mA nicht überschreiten, um eine Heizwirkung Stockthermometer für Messtiefen 5 cm, 10 cm, 20 cm, zu vermeiden. 50 cm und 100 cm Zur Messung der Erdbodentemperaturen an automatischen Der Platindraht ist bi¤lar (d. h. auf- und absteigende Wick- Wetterstationen und sonstigen Stationen (außer an Klima- lungen, die sich nicht berühren) auf einen Hartglasstab referenz- und Bergstationen) werden die Routinemessun- gewickelt. Die Wicklungen werden anschließend mit einer gen der Temperatur zum größten Teil mittels Pt 100-Wi- dünnen Glasschicht überschmolzen. derstandsthermometern durchgeführt. Diese elektrischen Thermometer sind mit einer Edelstahlummantelung gekap- Abb. 8.18 Widerstandsthermometer Pt 100 (schematisch) selt und werden in den Messtiefen 5 cm, 10 cm, 20 cm, 50 cm und 100 cm im Bodenmessfeld mittels Tiefenschablone eingesetzt. Die Schablone der Bodenthermometer sollte mit der Erdbodenober äche abschließen.

Pege und Kontrolle der Funktionstüchtigkeit Die Überprüfung der Messwerte bei Verdacht von Abwei- chungen kann mit den an der Wetterwarte noch vorhandenen konventionellen Messmitteln erfolgen (Psychrometer nach Assmann, Hüttenpsychrometer oder Schleuderpsych- rometer). Sollten zur Messung der Erdbodentemperaturen noch Quecksilberthermometer vorhanden sein, können diese auch mit einbezogen werden, falls in den verschiedenen Messtiefen zweifelhafte Temperaturwerte auftreten.

Wassertemperaturen Für die Messung der Wassertemperatur werden gekapselte, wasserdichte Pt 100 verwendet. Zur Messung bis höchstens 1 m Tiefe wird das Schöpfthermometer an einem Seil in die entsprechende Tiefe gebracht und einige Minuten dort be-

51 lassen. Anschließend wird das Messgerät aus dem Wasser eine aktive Lötstelle als Messfühler fungiert, ist die andere gezogen und zügig abgelesen. Der Messbereich liegt zwi- passive Lötstelle zum Vergleich. schen –10 °C bis +40 °C. Verwendung ¤nden Thermoelemente dort, wo keine Hilfs- Abb. 8.20 Marinepütz (Friedrichs) stromquelle vorhanden ist, bzw. wo es um die Messung hoher Temperaturen (im Vergleich zur Zimmertemperatur) geht. Thermoelemente oder Thermosäulen werden u. a. in Strahlungsmessgeräten (Pyrheliometer, Pyranometer, Strah- lungsbilanzmesser, Albedometer) eingesetzt, wo es auf die Erfassung rascher Temperaturschwankungen ankommt.

Vor- und Nachteile wurden bereits bei der Erläuterung des Messprinzips diskutiert.

8.3.3 Kapazitive Temperatursensoren

Bei den sogenannten Thermocap®-Messfühlern der Fa. Vai- sala kommt ein Glaskeramik-Dielektrikum zum Einsatz. Der Messbereich liegt zwischen –52 °C bis +60 °C, die Genau- igkeit bei +20 °C beträgt ±0,3 °C.

Abb. 8.21 Kapazitiver Sensor (Vaisala) Die fest installierten Messfühler be¤nden sich bei Schi¦en meist am Einlasskanal für das Kühlwasser.

Stationen im Küstenbereich oder an Binnenseen messen die Wassertemperatur in 50 cm Tiefe. Bei einer Veränderung des Wasserstandes muss auch die Einsatztiefe angepasst werden. Auf die Einhaltung der geforderten Messtiefe ist zu achten. Die Wassertemperatur wird von Seestationen, von beauf- tragten Küsten- und Landstationen (Nord- und Ostsee sowie an Binnengewässern), an Wetterstationen vom Typ I und II und auf Schi¦en vom Vorschi¦ aus auf der Strom abgewandten Seite (z. B. FS METEOR) gemessen.

8.3.2.2 Halbleiter-Thermometer Eigenschaften des Thermocap®-Fühlers sind Der Fortschritt in der Elektronik hat dazu geführt, dass die • kurze Reaktionszeit Widerstandsthermometermessung, z. T. durch Einsatz mo- • Minimierung der Strahlungseffekte sowohl für kurz- als derner Schaltkreise (Abb. 8.2) gegenüber der früher verwen- auch langwellige Strahlung deten Wheatstone-Brücke die Halbleiter (Thermistore) als Messelemente weitgehend verdrängt hat. Das kapazitive Messprinzip wird auch in Radiosonden eingesetzt.

Die äußere Form richtet sich nach dem Verwendungszweck. 8.3.4 Strahlungsthermometer Es sind entweder dünne Stäbchen verschiedener Stärke und Länge, die als Stabthermistore bezeichnet werden, oder in Die unter den Messprinzipien bereits erwähnten Strah- Form von kleinen Kügelchen als Kugel-oder Perlthermisto- lungsthermometer haben in der meteorologischen Routi- re mit einem Durchmesser von etwa 1 mm. nepraxis wenig Bedeutung, daher soll hier nur kurz darauf eingegangen werden. Ein Beispiel für den Routineeinsatz Vorteil der NTC-Widerstände ist, dass sie nahezu trägheitslos eines Strahlungsthermometers ist beim Bayerischen Lawi- und verstrahlungsfrei sind, eine hohe Emp¤ndlichkeit besit- nenwarndienst zu ¤nden. Es ist ein berührungsloser Sensor zen und extrem klein sind. Sie werden besonders da verwen- der Fa. Sommer, Voralberg zur Erfassung der Schnee-Ober- det, wo Flüssigkeits- und Widerstandsthermometer nicht ächentemperatur mittels Infrarot-Thermoelement. gebraucht werden können, u. a. für mikrometeorologische Untersuchungen, zur Bestimmung von Ober ächentempe- Ein Strahlungsthermometer (Infrarotthermometer) besteht raturen und in Strahlungsmessgeräten (Pyrheliometer). Sie im Wesentlichen aus einem Filter, der nur in dem unter werden seit vielen Jahren auch in Radiosonden eingesetzt. dem Messprinzip erwähnten Spektralbereich (8 μm bis 14 μm) durchlässig ist und einem Bolometer, d. h. einem durch die 8.3.2.3 Thermoelemente/Thermosäulen Strahlung erwärmten, sehr emp¤ndlichen Thermometer, Den Auau eines Thermoelements zeigt Abb. 8.4. Ein Draht meist elektrischem Messfühler. Da jedes Material andere wird an beiden Enden mit einem anderen Draht aus einem Emissionseigenschaften (␧–Werte) hat, ist eine Materialkor- anderen Material durch Anlöten verbunden. Während die rektur zu berücksichtigen.

52 Ein externer Messumformer dient zur Signalwandlung. Er 8.4 Messunsicherheiten und Fehlerquellen ist in ein Strahlungsschild eingebaut. 8.4.1 Allgemeines Abb. 8.22 Ober¥ächen-Temperatursensor IR-T/C.5 (Sommer) Die Messung der „wahren“ Lufttemperatur gehört zu den schwierigen messtechnischen Aufgaben in der Meteoro- logie. Die Problematik wird dabei häu¤g erheblich unter- schätzt, da die meisten verwendeten Messelemente wie Bolometer wirken, d. h. sie erwärmen sich, wenn sie der Strahlung ausgesetzt werden und sind dann eher ein Strah- lungsmessgerät als ein Temperaturmessgerät [6].

Tab. 8.8 Ober¥ächen-Temperatursensor IR-T/C.5 (Sommer) Daneben erfordern Berührungsthermometer einen engen Wärmekontakt zum Messobjekt, so dass die Moleküle beider Messelement/-prinzip IR-Thermoelement Systeme eine ausreichend lange Zeit ihre kinetische Energie Spektralbereich 6,5 bis 14 µm austauschen können. Ist dieser unzureichend, so kommt es Messbereich –18 bis +30 °C wegen zu großer Wärmeableitung durch das Thermometer zu Messfehlern. Nichtlinearität ±2 % Messkegel 11 ° 8.4.2 Trägheitsfehler von Thermometern Ausgang 0 mA bis 20 mA Thermometer zeigen immer ihre Eigentemperatur an. Erst Stromversorgung 12 V DC nach einer gewissen Zeit stimmt diese mit der Umgebung Stromaufnahme max. 5 mA überein, d. h. Thermometer besitzen eine gewisse Trägheit, Abmessungen ø 120 mm, Länge 270 mm die bei der Temperaturmessung eine wichtige Rolle spielt. Einerseits sollte ein Thermometer, welches in einer Wetter- hütte untergebracht ist, eine gewisse Trägheit aufweisen, die Ein weiteres Beispiel für den Einsatz einer IR-Thermogra¤e dafür sorgt, dass man die Hütte ö¦nen und das Thermometer ist im Bereich der agrarmeteorologischen Messungen (sie- ablesen kann, ohne dass sich durch Annäherung der Person he 15.3.9) zu ¤nden. und kurze Einstrahlung in die Hütte der angezeigte Wert ver- ändert. Anderseits darf die Trägheit nicht zu groß sein, um 8.3.5 Normal-Platinwiderstandsthermometer ein zu langes Nachhinken der Temperatur zu vermeiden.

Zur Kalibrierung von Widerstandthermometern (Pt 100) Das Wärmegleichgewicht (thermische Gleichgewicht) zwi- werden bei SLS und SLSN des DWD Normal-Platinwider- schen Messfühler und umgebender Luft ist vorhanden, standsthermometer verwendet. Unter der Kalibrierung ei- wenn völliger Wärmeaustausch durch Wärmeleitung statt- nes Berührungsthermometers versteht man in diesem Sin- gefunden hat. Das geht in einem endlichen Zeitintervall ne die messtechnische Bestimmung des Zusammenhanges vor sich, die Temperatur hinkt der wahren Umgebungstem- zwischen der Temperatur des Sensors und der Ausgangs- peratur stets nach. Die dazu benötigte Zeit wird durch die größe des Thermometers. Messunsicherheiten aufgrund Trägheit des Thermometers ausgedrückt. mangelnder thermischer Ankopplung des Thermometers sind nicht in der Messunsicherheit der Kalibrierung des Ausgehend von der Wärmehaushaltsgleichung

Thermometers enthalten. Q S + L +V + B = 0 (8.22)

– – Die Thermometer (SPRT – Standard-Platinum Resistance mit Q S = Strahlungsbilanz (J m 2 s 1) Summe der Strahlungs- Thermometer) bestehen aus spektral reinem Platindraht, zufuhren abzüglich der re ektierenden Ein üsse der frei von mechanischen Spannungen gewickelt ist. Elek- L = Strom fühlbarer Wärme zur Messfühlerober ä- trisch zeichnen sich diese Thermometer durch einen be- che, der dem Temperaturunterschied (Lufttem- sonders großen Temperaturkoe¾zient aus. SPRTs ermögli- peratur L und Eigentemperatur des Messfühlers chen prinzipiell die genauesten Temperaturmessungen, da ) proportional ist durch ihre Kennlinie im Temperaturbereich von 13,8 K bis –2 –1 962 °C die internationale Temperaturskala ITS-90 festgelegt L = –␣ L ( – L) (W m K ) (8.23) ist. Die Kennlinie ist dadurch gut reproduzierbar, da reines Metall ohne alle Legierungsbestandteile verwendet wird. mit B = Bodenwärmestrom (hier: Körperwärmestrom der aus dem Körper an seine Ober äche ießende Zur Messung mit dem Kalibriergegenstand und/oder dem Strom) Normalthermometer müssen geeignete elektrische Mess- V = Strom latenter Wärme mittel eingesetzt werden (Ohmmeter, Widerstandsmess- ␣ L= Proportionalitätsfaktor (=Wärmeübergangszahl) brücke, Normalwiderstände), die auch rückführbar kalibriert sein müssen.

53 worin Nur für t  ∞ wird = L d. h. die Temperatur des Messfüh- lers nähert sich lediglich asymptotisch der Lufttemperatur (J m –2 s –1 K –1) (8.24) (Abb. 8.23), sie wird – streng genommen – nie 1. mit d = Durchmesser (cm) Abb. 8.23 Temperaturanzeige am Thermometer v = Luftgeschwindigkeit (m s –1)

–2 –1 –1 Der Proportionalitätsfaktor ␣L (J m s K ) hängt von der Form und der Art der Anströmung, vor allem von der Wind- geschwindigkeit (Ventilation) ab.

Die Werte in Tabelle 8.9 stellen Anhaltswerte der Wärme- übergangszahlen in Abhängigkeit von der Windgeschwin- digkeit dar.

Tab. 8.9 Wärmeübergangszahl in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit Wird nun eingesetzt, ergibt es das sog. NEWTON- sche Abkühlungsgesetz v (m s –1) 0,1 0,2 0,5 1,0 2,0 5,0 10,0

–2 –1 –1 ␣L (J m s K ) 10 15 20 30 50 70 100 (8.28)

Alle zur Ober äche ießenden Ströme werden positiv ge- Dabei ist die Abkühlungsgeschwindigkeit mit der Zeit zählt und auf die Flächeneinheit bezogen, d. h. wenn L > direkt proportional zur Temperaturdi¦erenz zwischen Kör- ist L > 0. Tritt keine andere Form des Wärmeaustausches, pertemperatur und Umgebungstemperatur. Ist der Körper z. B. durch Strahlung mit der Umgebung des Messfühlers wärmer als seine Umgebung, nähert sich seine Anfangs- auf, erhöht ein positiver Strom fühlbarer Wärme (L) die temperatur, vorwiegend durch Konvektion und Strahlung, Temperatur des Thermometers . entsprechend einer abklingenden e-Funktion der Umge- bungstemperatur, und zwar umso schneller, je größer die Hat ein Messfühler eine gute Wärmeleit»higkeit und treten Temperaturdi¦erenz ist. Der Messkörper(-fühler) passt keine Temperaturinhomogenitäten im Inneren auf, dann ist der sich also mit einer gewissen Trägheit der Lufttemperatur Wärmeverlust durch die Ober äche der Wärmestrom B gleich an.Wegen der Temperaturabnahme ist der Term negativ.

(J m –2 s –1) (8.25) Die Trägheit verursacht bei Temperaturänderungen eine Amplitudendämpfung und Phasenverschiebung. Bei einem mit c = spezi¤sche Wärmekapazität rechtwinkligen Temperatursprung dauert es Sekunden, bis F = Ober äche des Messfühlers das Thermometer sich dem tatsächlichen Wert nähert.

Da B und L für die Wärmebilanz eines unverstrahlten, tro- Die Trägheit eines Messfühlers wird durch die Trägheits- ckenen Messfühlers entgegengerichtet sind, ist dann die konstante ␣ angegeben. Das ist die Zeit, nach welcher Wärmehaushaltsgleichung für den Messfühler die Temperaturdi¦erenz zwischen Thermometer und Luft

auf das 1/e-fache ( – L) = 0.37 ( 0 – L) der an»nglichen L + B = 0 Temperaturdi¦erenz abgesunken ist oder anders ausge- drückt: bei einer plötzlichen Temperaturänderung und einer nach (8.22) und (8.23) ist (8.26) v = 5 m s–1 sollen 63% des Wertes innerhalb von 30 s bis 60 s angezeigt werden. oder ␣ ist eine Funktion von Wärmeleit»higkeit, Ausdehnungs- mit koe¾zienten, Zähigkeit und ist • proportional der spez. Wärmekapazität (c) der thermo- Hieraus ergibt sich die zeitliche Änderung der Temperatur metrischen Substanz

des Thermometers in einem Medium der Temperatur L. • umgekehrt proportional zur Oberfläche (F) und Ventila- tion des Messfühlers (v) und (8.27) • proportional zur Größe des Messfühlers (d)

Ist L = const, so erhält man durch Integration der Glei- Letzteres folgt aus der Tatsache, dass die Wärmekapazität c chung folgende Lösung: proportional dem Volumen ist, d. h. bei Vergrößerung des Messfühlers wächst c stärker als F.

mit 0 = Temperatur des Messfühlers zur Zeit t = 0

54 Beispiele für ␣ für verschiedenen Thermometer bei einer Thermometers, wie sie beim Trägheitsfehler möglich ist, Ventilation v = 2 m s–1 besteht beim Strahlungsfehler nicht.

Bimetall ␣ = 43 s (stark abhängig auch von der Dicke Ausgehend von der Wärmehaushaltsgleichung (8.22) gilt des Bimetalls) unter Voraussetzung eines Hg-Thermometer ␣ = 58 s • trockenen Messfühlers (bei v = 0) und eines Alkohol-Thermometer ␣ = 72 s • stationären Gleichgewichts B = 0 = für den allgemeinen Strahlungsfehler In der Messtechnik sind häu¤g noch weitere Begri¦e zu ¤n- den, wie

• Halbwertzeit – L = 0.5 ( 0 – L) für t = 0.7␣ die besagt, wann eine ursprüngliche Temperaturdi¦erenz auf die Hälfte abgenommen hat

• 5%-Zeit – L = 0.05 ( 0 – L) für t = 3␣ nach einer Zeit von 3␣ verringert sich die ursprüngliche Tempera-

turdi¦erenz 0 – L auf 5%. (8.29)

8.4.3 Strahlungsfehler von Thermometern Bei konstanten Strahlungsverhältnissen ändert sich nach einer gewissen Zeit nicht mehr, d. h. dann ist = const. Die Ein Messkörper steht nicht nur unter dem Ein uss von Temperatur eines bestrahlten Messfühlers weicht also

Wärmeströmen aus der Luft, sondern auch Strahlungspro- umso mehr von L ab, je größer die Strahlungsbilanz QS und zessen von Sonne, Himmel und anderen re ektierenden je kleiner die Wärmeübergangszahl ␣L ist. Die Abweichung Körpern (z. B. Häuser) der Umgebung, die meist eine andere von der Lufttemperatur L durch den Strahlungsfehler Temperatur haben spielen eine Rolle. Der Messkörper, z. B. hängt somit ab von der ein Thermometer absorbiert kurzwellige Strahlung –2 –1 • die zu einer Erwärmung des Thermometerglases und • Strahlungsbilanz QS (J m s ), –2 –1 • Erwärmung der Flüssigkeit bzw. des Metalls • Wärmeübergangszahl für Strahlung ␣L = 0,25 (W m K ), d. h. von der Ventilation v (siehe Tab. 8.9) führt und emittiert bzw. absorbiert langwellige Strahlung. Nachteilig dabei ist, dass die meisten Thermometer emp- Soll nun der Strahlungsfehler möglichst klein gehalten wer-

¤ndlich auf Strahlung und nur träge auf Wärmeleitung re- den, muss QS (mittels Strahlungsschutz) klein und v mög- agieren, da der Energieaustausch über die Strahlung nicht lichst groß genug sein, d. h. das Thermometer muss künst- nur mit der Luft, sondern mit den o. a. Faktoren hinzu- lich ventiliert werden. Beides wird mit Hilfe von modernen kommt. Thermometerhütten mehr oder weniger gut erreicht, bzw. es wird versucht, einen Kompromiss zwischen beidem zu ¤n- Speziell bei der Messung der Lufttemperatur erfolgt der den. Folgende Möglichkeiten wurden und werden genutzt: Wärmeaustausch über molekulare Wärmeleitung, Konvek- tion und Strahlung. Ein fundamentales Problem meteorolo- 1) Unterbringung in luftdurchlässigen, gut re ektierenden gischer Temperaturmessung ist es also, den entstehenden Gehäusen (Wetterhütten) Strahlungsfehler durch geeignete Schutzvorrichtungen so • Englische Hütte, auch Stevensonhütte genannt (siehe gut wie möglich zu verringern. So gut wie möglich heißt, 19.4.2), ist Schutz gegen direkte, nur kurzwellige Strah- dass ein vollkommen ausgeschalteter Strahlungsein uss lung, jedoch nicht allseitig, natürliche Belüftung v/v0 theoretisch nie, praktisch jedoch für Zwecke der Meteorolo- nur zwischen 10 % bis 20 % bei Eis/Schnee, gie mit der erforderlichen Genauigkeit erfüllbar ist. • Lamellenhütte LAM630 (siehe 19.4.2).

Unter dem Begri¦ Strahlungsfehler »llt auch die Emission Natürlich ventilierte Wetterhütten (wie die Englische Hüt- von Wärmestrahlung, bei der dem Thermometer Energie te) liefern nur ab Windgeschwindigkeiten von etwa 2 m s–1 entzogen wird, wodurch sich die Temperatur des Thermo- bis 3 m s–1 akzeptable Messwerte innerhalb der zulässigen meters unter die der Luft abkühlen kann und damit eine Messunsicherheit von 0,5 K. Daher werden zukünftig na- geringere als die tatsächliche Temperatur gemessen wird. türlich ventilierte Wetterhütten ohne Lüfterunterstützung Dieser Fall tritt in kalten Nächten ein, wenn die atmosphä- in der Basisprüfung nicht mehr zuzulassen. Mit Lüfterun- rische Gegenstrahlung geringer ist als die Wärmestrahlung terstützung sind Wetterhütten geeignet, wenn der Lüfter die das Thermometer emittiert, wenn es die gleiche Tempe- im Bereich der Messfühler eine Strömungsgeschwindigkeit ratur wie die umgebende Luft hat. Das Thermometer kühlt von mindestens 1 m s–1 erbringt. Solch ein Lüfter wirkt an sich so weit ab, bis die von der Luft aufgenommene Wärme windschwachen Strahlungstagen einem Wärmestau in der gleich diesem Strahlungsverlust ist. Wetterhütte entgegen und hält den Strahlungsfehler innerhalb der geforderten Grenzen. Bei diesem Wetterhütten- Die Möglichkeit eines akzeptablen Kompromisses zwi- typ ist es wichtig, die Funktion des Lüfters regelmäßig zu schen der Unterdrückung nicht interessierender und der überprüfen. Dank der zusätzlich vorhandenen natürlichen Erfassung interessierender Ein üsse auf die Anzeige eines Ventilation ist ein Lüfterausfall nicht so kritisch wie im Fall

55 einer dauerventilierten Wetterhütte. In der Regel sind ab • Veränderung des Kapillarvolumens durch Alterung einer Windgeschwindigkeit von ca. 2 m s–1 die Messwerte (Nachwirkungserscheinungen des Glases); Thermome- auch ohne Lüfter akzeptabel. Damit dies erfüllt ist, muss ter mit einer Hg-Füllung haben spätestens nach 10 Jah- der interne Ventilationsfaktor (= Quotient aus Strömungs- ren einen Messfehler durch Alterung des Glases. Nach geschwindigkeit am Thermometer (in der Wetterhütte) und dieser Zeit sollte das Thermometer neu geprüft werden. Windgeschwindigkeit (außerhalb der Wetterhütte) >0,5 sein. • ungleiche Kalibrierung – reversibel: thermisches Nachhinken bei raschen Die Temperatur in der englischen Hütte kann gegenüber der Δ∂/Δt Temperatur der Außenluft, besonders bei windschwachen La- – irreversibel: ca. +2 °C nach 10 bis 20 Jahren gen, durch passive Ventilation in den Mittagsstunden bis +4 • Fadenrisse können bei allen Flüssigkeitsthermometern K und in den Morgen- bzw. Abendstunden um 2,0 K zu niedrig auftreten. Hierbei entstehen Unterbrechungen des Flüs- sein kann. Und sie besitzt durch ihre große Masse eine große sigkeitsfadens durch Erschütterungen oder Gaseinschlüs- Trägheit. Bei Niederschlag kann ein Psychrometere¦ekt auftre- se im Thermometer. Dieser Fehler kann bei Quecksilber- ten. Wenn dann mit den falschen Temperaturwerten die rela- thermometern durch Schleuderbewegung oder durch tive Luftfeuchte berechnet wird, »llt sie mittags niedriger und langsame Erwärmung behoben werden. Durch die blasen- nachts höher als die wahre Luftfeuchte aus. So ist nach Langelo förmige Erweiterung am Kapillarende, kann der Messbe- (1947) bei 4 kn Wind eine Verzögerung von 5 min, bei noch gerin- reich bei der Erwärmung um das Doppelte überschritten gerem Wind von bis zu 15 min und mehr zu erwarten. werden, ohne dass das Thermometer platzt • Reibung an den Glaswänden (toter Gang) Strahlungsschutzhütten von automatischen Stationen zei- • Herausragen des Fadens aus dem zu messenden Medi- gen Unterschiede zur (Englischen) Hütte, bedingt durch um (z. B. Max-Thermometer) unterschiedliche Bestrahlung und Belüftung, sowie des • Überdestillation bei Alkoholthermometern, lässt sich unterschiedlichen Ansprechverhaltens von Quecksilber-/ durch vorsichtige Erwärmung meist beseitigen. Alkoholthermometern und dem elektrischen Messfüh- ler Pt 100. Die Messwerte sind daher nicht ohne weiteres Für genaue Messungen ist zu beachten, dass viele Thermo- vergleichbar. Während die Temperaturmessung mit dem meter (auch Platin-Widerstandsthermometer) einen Hyste- Messfühler Pt 100 (ebenfalls strahlungsgeschützt) nur eine reseeekt zeigen, d. h. der Zusammenhang zwischen Tem- äußerst kurze Reaktionszeit benötigt, ist bei den Hütten- peratur und Widerstand ist abhängig von der Vorgeschichte thermometern aufgrund der thermischen Trägheit inner- des Thermometers. Dieser E¦ekt tritt z. B. auf, wenn Platin halb der Hütte (Eigenklima), besonders bei windschwachen eng mit einem Keramikträger verbunden ist und durch die Lagen eine längere Reaktionszeit notwendig. unterschiedliche Wärmeausdehnung mechanische Span- nungen auftreten. 2) Ummantelung des Fühlers mit doppelwandigen blanken Metallzylindern, die künstlich ventiliert werden. • Assmannsches Aspirationspsychrometer (siehe 9.3.1) . LUFTFEUCHTIGKEITSMESSUNG

Abgesehen davon, dass beispielsweise die englische Hütte 9.1 Allgemeines die Strahlung im langwelligen Bereich nur schlecht re ektiert (Überhitzung an klaren Tagen, Unterkühlung in klaren Mit Luftfeuchtigkeit, kurz Luftfeuchte, wird der Anteil des Nächten) entstehen durch Strahlungsschutzvorrichtungen gasförmigen Wassers (Wasserdampf) am Gasgemisch der neue Fehlerquellen, bedingt durch Erdatmosphäre bezeichnet. Durch Verdunstung wird der • mangelhafte Ventilation (siehe oben) und Erdober äche Wasser entzogen, das der Atmosphäre in • Wärmekapazität der Hütte (Englischen Hütte 59 000 J K–1), Form von Wasserdampf zugeführt wird. Bei der Umwand- die zu einem eigenen Hüttenklima führen. lung von Wasserdampf in Wasser oder Eis wird die durch die Verdunstung zugeführte Energie in Form von Konden- Im Laufe der Jahre wurden neue Strahlungsschutzhütten, sations- bzw. Sublimationswärme (latenter Wärmestrom) z. B. LAM630 entwickelt, die diese genannten Fehler zumin- in die Atmosphäre gebracht. Verdunstung und Wärmestrom dest in dieser Größenordnung nicht haben. Sie haben zu ei- werden auch durch den Wind beein usst. nem großen Teil die konventionellen Hütten ersetzt. Die Sublimation beschreibt den direkten Übergang von Zur näheren Beschreibung der Wetterhütten/Gehäuse siehe Wasser der festen Phase (Eis oder Schnee) direkt in die gas- 19.4.2 förmige Phase, ohne dass der dazwischen liegende Aggre- gatzustand ( üssig) angenommen wird. Im Allgemeinen 8.4.4 Weitere Fehlerquellen bei Flüssigkeitsthermometern wird der Begri¦ auch für den umgekehrten Vorgang verwendet, den Übergang von Wasserdampf direkt in die Eisphase Trotz der in den DIN- und Liefervorschriften festgelegten (auch als Resublimation oder Eisverdunstung bezeichnet). Fertigungstoleranzen, treten bei Flüssigkeitsthermometern Fehler auf. Zu jedem einzelnen Thermometer gehört des- Beim Übergang von einem niedrigeren in einen höheren halb ein Kalibrierschein, nach dessen Angaben die abgele- Aggregatzustand (z. B. Wasser in Wasserdampf) wird Ener- senen Werte korrigiert werden müssen. Weitere Fehlerquel- gie benötigt, die bei der Umkehrung des Übergangs (Wasser- len können sein: dampf in Wasser) frei wird. So werden z. B. bei Verdunstung

56 von Wasser bei 0 °C etwa 2501 J kg–1, bei der Verdunstung von dar. Die Tabellen sind für einen Luftdruck von 1013,25 hPa Eis bei 0 °C etwa 2835 J kg–1 verbraucht. berechnet. Wenn der Luftdruck in Barometerhöhe von 1013,25 hPa abweicht, müssen die Werte der zentralen Tafel 3 Die Wasserdampfmenge in der Atmosphäre hat großen nach Tafel 12 und 14 berichtigt werden. Ein uss auf eine Reihe meteorologischer Prozesse und ist eine wichtige Kenngröße für zahlreiche meteorologische Sämtliche Zahlenwerte, Einheiten und die Symbolik, die Vorgänge und letztlich für die Entwicklung des Wetters ins- in dieser Beschreibung vorkommen, wurden auf die o. a. gesamt. Der Wasserdampf ist Voraussetzung für die Bildung 7. Au age abgestimmt. Auch die Hinweise zu den Tafeln von Wolken und Niederschlag. Hohe Luftfeuchtigkeit in beziehen sich auf diese Psychrometertafeln. Bodennähe kann zur Nebel- oder Reiildung führen. Was- serdampf emittiert und absorbiert Wärmestrahlung – so ist 9.1.1.1 Messgrößen feuchter (ungesättigter) Luft Wasserdampf das wichtigste natürliche Treibhausgas der Der Dampfdruck e' ist der Teildruck des Wasserdampfes Atmosphäre. Eine geringe Luftfeuchtigkeit führt zu einer (hPa) im Gasgemisch Luft, solange keine Kondensation verstärkten Verdunstung von Wasser aus dem Boden, was stattgefunden hat. Feuchte Luft kann als eine Mischung aus zur Austrocknung beiträgt. Sehr hohe Luftfeuchtigkeit hin- Gaskomponenten betrachtet werden, aus trockener Luft pL gegen reduziert die Verdunstung aus dem Boden und die (selbst ein Gasgemisch) und aus Wasserdampf. Beide Kom- Transpiration von P anzen. ponenten üben jede für sich einen Partialdruck aus, die nach dem DALTONschen Gesetz (John Dalton, 1766–1844) Wenn die maximal mögliche Menge an Wasserdampf er- in der Summe den herrschenden Luftdruck p ergeben. Für reicht ist, welche die Luft abhängig von der Temperatur feuchte Luft gilt also: aufnehmen kann, ist sie mit Wasserdampf gesättigt. Bei jeder Temperatur kann in einem bestimmten Luftvolumen p = p L + e' (9.1) nur eine bestimmte Höchstmenge Wasserdampf enthalten sein. Da der Wasserdampf bei der Kondensation seine la- d. h. auch, dass der Dampfdruck als unabhängiger Partial- tente Kondensationswärme freisetzt, wird es verständlich, druck des Gasgemisches in der Atmosphäre vorhanden ist dass tropische oder sommerliche Luftmassen wesentlich und der maximale Dampfdruck der Atmosphäre nur vom wetterwirksamer sind als polare oder winterliche. Dampfdruck des Wasser abhängig ist.

Als „trockene Luft“ bezeichnet man in der Meteorologie ein Nach der Gaszustandsgleichung ist Luftgemisch völlig ohne Wasserdampf. Dies ist nur für theoretische Überlegungen (z. B. in der ICAO-Standardatmosphä- e' = pW и RW и T (9.2) re) von Bedeutung, da der Wasserdampfanteil in der realen

Atmosphäre zeitlich und räumlich zwischen nahe Null (bei mit pW = Masse des Wasserdampfes mW/Volumen V extremer Kälte) und 4 Volumenprozent schwanken kann. = Dichte des Wasserdampfes in kg m–3 –1 –1 R W = 461,525 J kg K , Gaskonstante von Wasserdampf Die große Bedeutung des Wasserdampfgehaltes der Luft T = Temperatur des Wasserdampfes in K. macht es erforderlich, seine Menge möglichst genau zu bestimmen. Da der Wasserdampf aber nicht von den anderen Der aktuelle Dampfdruck feuchter Luft (e') in hPa lässt sich Bestandteilen der Luft zu trennen ist, muss der Anteil relativ mit der Psychrometerformel (auch Sprungsche Formel) für zum Volumen oder zum Gewicht der Luft bestimmt werden. Wasser berechnen. Sie lautet:

9.1.1 Feuchtmessgrößen (hPa) (9.3) Die Messgrößen des Wasserdampfes beziehen sich, abhän- gig von der Phase des Wasserdampfes auf ein mit e' = tatsächlicher Dampfdruck

• ungesättigtes Gasgemisch, d. h. aus trockener Luft und e w = Sättigungsdampfdruck (über Wasser) bei tw nicht kondensiertem Wasserdampf und t – t w = psychrometrische Di¦erenz • gesättigtes Gasgemisch, d. h. aus trockener Luft und kondensiertem Wasserdampf. Der Faktor f = 1,0047 für die Umrechnung des Sättigungs- dampfdruckes in reiner Phase in den Sättigungsdampf-

Die verschiedenen, anschließend beschriebenen Feuchte- druck feuchter Luft beim Standardluftdruck pn = 1013,25 hPa messgrößen können nicht alle gemessen werden. Einige gilt auch für die nachfolgenden Formeln. Der Begri¦ in „rei- können nur anhand anderer, gemessener Werte berechnet ner Phase“ bedeutet, dass kein anderes Gas außer Wasser- werden. Wieder andere Luftfeuchteparameter können so- dampf (bzw. Eisdampf) vorhanden ist. Damit werden, dem wohl gemessen als auch berechnet bzw. bestimmt werden. internationalen Trend folgend, beide Sättigungsdampfdrü- Für die indirekt bestimmbaren Größen stellen die soge- cke unterschieden. nannten Aspirations-Psychrometertafeln (DWD 7. Au age, 1998) [19], kurz Psychrometertafeln, mit den von Prof. Dr. Nach der Aspiration kann mit Hilfe der Psychrometertafeln D. SONNTAG (1990) auf der Grundlage der Internationalen zunächst der Taupunkt td über die Luft- und Feuchttempe- Temperaturskala 1990 (ITS-90) neu berechneten Gleichun- ratur (Tafel 3) und anschließend für jede Taupunkttempe- gen eine praktische Hilfe bei der Ermittlung dieser Werte ratur der zugehörige Dampfdruck (Tafel 14) bestimmt wer-

57 den. Die Korrektionswerte für den Dampfdruck bezüglich ist. Sie ist eine andere Bezeichnung für die Dichte ␳w des des Luftdruckes sind aus Tafel 12 zu entnehmen. Wasserdampfes und stellt ein direktes Maß für den Anteil Wasserdampfgehalt in einem Volumen Luft dar. Die Psychrometerformel für Eis für den aktuellen Dampfdruck –3 e' bei ti (= Temperatur des vereisten Thermometers) lautet: (g m ) (9.10)

(9.4) Da das Volumen von Druck und Temperatur abhängig ist, können Werte der absoluten Feuchte aus unterschiedlichen Bei bekannter relativer Feuchte kann der aktuelle Dampf- Höhen nicht miteinander verglichen werden. druck auch wie folgt berechnet werden:

Die relative Feuchtigkeit U (t, td) ist ein relatives Maß der (9.5) Luftfeuchte, angegeben in Prozent. Sie ist ein Maß für den Sättigungsgrad der Luft, nicht aber für ihren Feuchtegehalt. Sie bezeichnet das Verhältnis des momentanen Wasser- Das Mischungsverhältnis feuchter Luft r gibt den Anteil dampfgehalts der Atmosphäre zum maximal möglichen Wasserdampf in g kg–1 trockener Luft an, berechnet aus dem bei gleicher Temperatur und ist dann 100 %, wenn der Sät-

Dampfdruck e'(td) in hPa und dem Luftdruck p in hPa mit tigungsdampfdruck gleich dem aktuellen Dampfdruck ist, wenn also e' (td) = ew (t) ist. (9.6) Die relative Feuchte kann mit dem Haarhygrometer gemes- Bei einer anderen Berechnung, basierend auf dem Taupunkt sen werden, was jedoch relativ ungenau ist. Sie kann über td und dem Luftdruck p gilt den Dampfdruck e' bzw. ew mit Hilfe der Psychrometerta- fel (Tafel 3) bestimmt werden, wobei der Korrektionswert bezüglich des Luftdrucks (Tafel 13) berücksichtigt werden (9.7) muss. Sie kann aber auch mit folgender Formel berechnet werden

In (9.7) ist ew eingesetzt, wenn td anstelle von t eingesetzt wird. (9.11)

Das Mischungsverhältnis kann mit Hilfe der Psychrometer- Im Gegensatz zur absoluten Feuchte ist also die relative tafel aus dem Dampfdruck feuchter Luft und Luftdruck (Ta- Feuchte von der Temperatur der Luft abhängig. Sie nimmt fel 6) oder aus Taupunkttemperatur und Luftdruck (Tafel 7) bei gleichem Spread (beispielsweise t – td = 5 K) mit abneh- bestimmt werden. menden Temperaturen immer weiter ab (Tab. 9.1).

Die Spezi¨sche Feuchte (q) ist der Masseanteil des Wasser- Tab. 9.1 Relative Feuchte in Abhängigkeit von Temperatur und –1 dampfes feuchter Luft (g kg ) bei td zur Gesamtmasse feuch- Spread von 5 K ter Luft aus t td U

(9.8) 35 30 76 5 0 70 mit ␥e = Psychrometerkonstante 0,666 hPa K –1 w –30 –35 61 Diese Größe q ist als reiner Zahlenwert dimensionslos, er –60 –65 52 wird aber meist in der Einheit g kg–1 angegeben. Die spezi-

¤sche Feuchte ist nicht, wie die absolute Feuchte druckab- Der Taupunkt td oder besser die Taupunkttemperatur ist die hängig, sie lässt sich aus dem Mischungsverhältnis feuch- Temperatur, auf die ein ungesättigtes Luftquantum über ei- ter Luft r mit der Psychrometertafel (Tafel 8) bestimmen ner ebenen, chemisch reinen Wasser äche isobar abgekühlt oder einfach berechnen mit werden muss (Reifpunkt über Eis äche), um Sättigung zu erlangen. Da im Sättigungszustand die relative Luftfeuch- (9.9) tigkeit 100 % beträgt, tritt bei weiterer Abkühlung Konden- sation ein und üssiges Wasser wird ausgeschieden. Dieser Da die Zahlenwerte von q und r sich kaum voneinander un- E¦ekt ¤ndet z. B. beim Beschlagen von Fensterscheiben, bei terscheiden und wenn sie dimensionlos angegeben wer- der Taubildung und ähnlichen Phänomenen statt. den, immer kleiner 0,04 sind, kann in guter Näherung (für die Praxis) gelten: Beim Taupunkt ist der aktuelle Dampfdruck e' gleich dem

Sättigungsdampfdruck ew über Wasser (mit dem Umrech- q ≈ r nungsfaktor 1,0047 bei einem von 1013,25 hPa abweichen- dem Luftdruck) Die absolute Luftfeuchte über Wasser bzw. über Eis ist die Menge des Wasserdampfes in Gramm (oder Kilogramm), (9.12) die in einem Kubikmeter Luft (g m –3 oder kg m –3) enthalten

58 Der Taupunkt lässt sich aus der Temperatur und der relativen Die virtuelle Temperatur tv in °C oder K ist die Tempera- Luftfeuchtigkeit mit Hilfe empirischer Formeln berechnen tur, die trockene Luft haben müsste, damit sie bei gleichem oder anhand der Messwerte der Trocken- und Feuchttem- Druck die gleiche Luftdichte aufweisen würde wie feuchte peratur aus den Aspirations-Psychrometertafeln (Tafel 3) (wasserdampÂaltige) Luft. Berechnet wird sie mit bestimmen.

tv = t (1 + 0,608 и r) (9.16) Der Reifpunkt ist die Sättigungstemperatur des aktuellen Dampfdruckes in Bezug auf eine ebene Eis äche. Der Term 1 + 0,608 и r wird als virtueller Zuschlag bezeichnet und führt dazu, dass die virtuelle Temperatur immer etwas

Der Spread ist die Temperatur-Taupunktdi¦erenz (t – td) höher als die Lufttemperatur ist. Mit der virtuellen Tempe- in °C oder K. ratur kann feuchte Luft so behandelt werden als wäre sie trocken. So kann bei der Anwendung der Zustandsgleichung

Das Sättigungsde¨zit SD ist für eine gegebene Temperatur t für feuchte Luft tv anstelle von t eingesetzt werden und die die Di¦erenz von Sättigungsdampfdruck und aktuellem Gaskonstante für trockene Luft beibehalten werden. Dampfdruck oder aus der Lufttemperatur t und der Feucht- temperatur tw mit 9.1.1.2 Messgrößen gesättigter Luft Der Sättigungsdampfdruck ew / ei ist der höchstmögliche (9.13) Druck des Wasserdampfes (hPa) über einer ebenen Wasser- bzw. Eis äche und ist allein eine Funktion der Temperatur t, Ist die relative Feuchte bekannt, kann die Formel in der die wiederum den Verdunstungsprozess bestimmt. Die grund- Form legende physikalische Gleichung, die die Abhängigkeit des Sättigungsdampfdruckes von der Temperatur beschreibt, ist die bereits beim Siedebarometer erwähnte Clausius-Clapey- verwendet werden. (9.14) ronsche Gleichung (7.9).

Mit Hilfe der Psychrometertafel lässt sich das Sättigungsde- Der Sättigungsdampfdruck kann mit auf experimentellem ¤zit aus der psychrometrischen Di¦erenz (Tafel 11) oder aus Wege bestimmten empirischen Formeln abgeleitet werden. Lufttemperatur und relativer Feuchte (Tafel 10) bestimmen. Eine davon ist die nach dem deutschen Physiker und Che- miker Magnus (1802–1870) benannte MAGNUS-Formel. Sie Schließlich seien noch drei Größen erwähnt, die als Feuch- lautet (n. Sonntag, 1990) für den Bereich zwischen –45 °C bis tegrößen gelten können, wenn sie auch keine direkte Anga- +60 °C über ebenen Wasserober ächen be des Feuchtegehalts sind: die Feuchttemperatur (tw / ti ), die Äquivalenttemperatur (te ) und die virtuelle Temperatur (tv ). (hPa) (9.17) Sie treten im Zusammenhang mit Kondensationsprozessen auf und werden u. a. bei der psychrometrischen Feuchte- und für den Bereich von –65 °C bis +0,01 °C über ebenen messmethode verwendet. Eisober ächen

Die Feuchttemperatur tw / ti in °C ist die tiefstmögliche Tem- (hPa) (9.18) peratur, die sich durch Verdunstung über einer Wasser- bzw. Eis äche erreichen lässt, weil dann die darüber liegende Luft Die Magnus-Formel zeigt, dass der Sättigungsdampfdruck gesättigt ist. Die zur Verdunstung benötigte Wärme wird da- exponenziell von der Temperatur abhängt. Diese Tatsache bei der Luft entnommen. Dieser Vorgang ist identisch mit wurde bereits als Messprinzip eines Siedebarometers (sieden am feuchten Thermometer statt¤ndenden Prozessen. he 7.2.4) beschrieben. Der Sättigungsdampfdruck steigt mit Die Feuchttemperatur kann also auch als Temperatur des zunehmender Temperatur zunächst allmählich, dann aber feuchten Thermometers bezeichnet werden. Das genaue immer schneller an und verdoppelt sich nahezu pro 10 K. physikalische Prinzip ist unter 9.2.1 näher erläutert. Tabelle 9.2 verdeutlicht dies und zeigt auch die Unterschie- de zwischen dem Sättigungsdampfdruck über Wasser und

Die Äquivalenttemperatur te in °C oder K ist die diejenige Eis und die Di¦erenz zwischen beiden, die bei einem Maxi- Temperatur, die feuchte Luft annimmt, wenn der gesamte mum zwischen –10 °C bis –15 °C liegt. in ihr enthaltene Wasserdampfgehalt isobar kondensiert und die dabei frei werdende Kondensationswärme (latente Abb. 9.1 Sättigungsdampfdruckkurve Wärmegehalt) der Luft hinzugefügt würde. Sie kann aus der Lufttemperatur t und dem Mischungsverhältnis r mit einer Näherungsformel errechnet werden

te = t + 2,5 и r (9.15)

Sie lässt sich auch aus der Psychrometertafel (Tafel 9) entnehmen. Eingangsgrößen sind die Lufttemperatur und die relative Feuchte.

59 Tab. 9.2 Sättigungsdampfdruck über Wasser und Eis für verschiedene Die Berechnung kann mit Hilfe nachstehender Formeln er- Temperaturen folgen, und zwar bei Sättigung t (°C) e (hPa) e (hPa) e – e w i w i über Wasser bzw. 30 42,470 – – 20 23,392 – – über Eis (9.19)

10 12,281 – – –8 mit Z = Kompressibilitätsfaktor ~ 1 – (343-T) pn 10 –1 –1 0 6,112 6,111 0,0006 R v = Gaskonstante des Wasserdampfes 461,525 J kg K –10 2,865 2,598 0,266 oder –20 1,255 1,032 0,2235

–30 0,510 0,380 0,130

Mit Hilfe der entsprechenden Tabellen der Psychrometer- im idealen Gas (9.20) tafel kann mit t als Eingangswert nach der Aspiration der Sättigungsdampfdruck ew bzw. ei bestimmt werden. 9.1.2 Maßeinheiten der Luftfeuchtigkeit Die absolute Luftfeuchte bei Sättigung über Wasser (dvw) bzw. bei Sättigung über Eis (dvi) ist die Menge des Wasser- Bei den unter 9.1.1 behandelten Feuchtemessgrößen sind dampfes in Gramm (oder Kilogramm), die in einem Kubik- bereits die Maßeinheiten mit angegeben. Tabelle 9.3 fasst meter Luft (kg m-3) enthalten sein kann. Es ist also eine An- alle Luftfeuchtegrößen im Überblick noch einmal zusam- gabe, die den maximal möglichen Gehalt an Wasserdampf men, mit den entsprechenden Hinweisen zu ihrer Messung in einem de¤nierten Luftvolumen angibt, der von der Tem- bzw. Bestimmung. Dabei geben die Funktionen bei den peratur und geringfügig vom Luftdruck abhängig ist. An- direkt messbaren Größen gleichzeitig an, wie sie auch mit ders ausgedrückt, ist das Sättigungsmaximum die Feuchtig- Hilfe der o. a. Aspirations-Psychrometertafeln bestimmt keitsmenge, die ein Kubikmeter Luft bei einer bestimmten bzw. auch berechnet werden können. / TAB. 9.3 Temperatur maximal aufnehmen kann.

Tab. 9.3 Luftfeuchtegrößen, ihre Messung bzw. Bestimmung Messgröße Symbolik Maßeinheit Funktion von Messgerät/Sensor direkt messbar

Feuchttemperatur tw/ti °C Psychrometer absolute Feuchte über kg m–3 t , p Lyman-␣-Hygrometer Wasser/Eis d Hygrometer, Hygrograph Relative Feuchte U % t, t oder t, t d w Kapazitive Hygrometer LiCl-Taupunktfühler Taupunkt t °C t, t oder t, U d w Taupunktspiegel indirekt bestimmbar

Dampfdruck feuchter Luft e' hPa pn ,td Sättigungsdampfdruck e / e hPa t über Wasser/Eis w i Absolute Feuchte bei d / d kg m–3 t, p Sättigung über Wasser/Eis vw vi Mischungsverhältnis r g kg –1 trockener Luft e', p oder t , p feuchter Luft d Spezi¡sche Feuchte q g kg –1 feuchter Luft r Spread (Temperatur- t–t °C oder K t, t Taupunktdierenz d d

Sättigungsde¡zit SD hPa t, tw oder t, U

Äquivalenttemperatur te °C oder K t, U

Virtuelle Temperatur tv °C oder K t, r

60 9.2 Allgemeine Messprinzipien Da die Verdunstung den Wasserdampfdruck erhöht, ist

tw>td. Wenn tw

– Kapazitive Polymer-Hygrometer lanz QS und der Wärmestrom B aus dem Körperinneren ver- – Lithiumchlorid-Absorptionshygrometer nachlässigbar. Vorausgesetzt der Ventilationsstrom beträgt • Di¦usionsmethode ≥2 m s –1, so vereinfacht sich (8.22) zu • Absorption elektromagnetischer Strahlung (spektroskopische Methode) L+V =(9.21) 0 – Lyman-alpha Linie im Ultravioletten (Buck, 1976) – UV-Absorption Ein feuchtes Thermometer, dessen Wärmehaushalt den

Term QS + B nicht enthält, wird als ideales Feuchtthermo- 9.2.1 Thermodynamische (psychrometrische) Methode meter bezeichnet. Beim idealen Psychrometer ist demnach die zur Verdunstung V benötigte Wärmemenge nur abhän- Die Psychrometermessung (griech. psychrós = frostig, kühl) gig vom Strom fühlbarer Wärme L aus der Luft. arbeitet nach dem Verdunstungsprinzip. In einer mit Was- serdampf nicht gesättigten Luft verdunstet üssiges Wasser. Beim realen Psychrometer muss die vollständige Wärme- Die zu dieser Verdunstung benötigte Wärmemenge wird der haushaltsgleichung (8.22) für eine feuchte Ober äche heran-

Umgebungsluft entnommen, wodurch sich diese abkühlt. gezogen werden. In der Strahlungsbilanz QS kann von der kurz- Die Verdunstung und somit die Abkühlung ist umso größer, welligen Strahlung der Sonne abgesehen werden, denn ohne je trockener die Luft und je größer die Verdunstungsmög- Strahlungsschutz ist jede Temperaturmessung unbrauchbar. lichkeit ist. Dazu werden zwei baugleiche Thermometer Es verbleibt dann die langwellige Strahlung von praktisch eingesetzt, von denen das „trockene Thermometer“ die schwarzen Körpern mit der Lufttemperatur t der Umgebung. Lufttemperatur anzeigt, während ein zweites mit einem Baumwollgewebe umwickeltes Thermometerge»ß besitzt, Im Gegensatz zur Gleichung des idealen Psychrometers ent- das zur Messung befeuchtet wird und als „feuchtes Ther- hält die Gleichung für ein reales Psychrometer den Proporti- mometer“ durch die Verdunstung Wärmeenergie abgibt, die onalitätsfaktor, also die Wärmeübergangszahl ␣L, (8.24), die die Temperatur absinken lässt. Gleichzeitig wird Wärme aus den Ein uss der Ventilation darstellt. Je stärker die Ventila- der Umgebungsluft zugeführt. tion ist, desto mehr nähert sich das reale Psychrometer dem

idealen, desto weniger fallen die Terme QS und B gegenüber Wenn sich Wärmeabgabe durch Verdunstung und fühlbarer L und V ins Gewicht. Wenn die Windgeschwindigkeit (der Wärmestrom aus der Luft das Gleichgewicht halten, bleibt Ventilationsstrom) über 2 m s –1 beträgt, kann für das reale die Temperatur des feuchten Thermometers konstant, je- Psychrometer die (vereinfachte) Gleichung (9.21) des idea- doch auf einem niedrigeren Niveau als die des trockenen len Psychrometers verwendet werden. Thermometers. Dieser Gleichgewichtsprozess kann durch Ventilation beschleunigt werden, die damit einen Ein uss Anhand der Temperaturdi¦erenz (=Psychrometerdi¦erenz) auf das Messergebnis hat. der beiden Thermometer können weitere Feuchtegrößen (siehe 9.1.1) mit Hilfe der Psychrometertafeln bestimmt Das trockene und feuchte Thermometer sind die Haupt- bzw. mit der Psychrometerformel (9.3) berechnet werden. bestandteile eines Psychrometers. Der Temperaturun- terschied zwischen beiden wird so zu einem Maß für die Die Psychrometerdi¦erenz ist normalerweise positiv, sie Luftfeuchtigkeit. Je größer diese Temperaturdi¦erenz ist, kann aber geringfügig negativ dann sein, wenn hohe Luft- umso größer ist das Sättigungsde¤zit, auch als psychro- feuchtigkeit bei Eissättigung auftritt. Dann kann die freiwer- metrische Di¦erenz bezeichnet und desto geringer ist die dende Sublimationswärme (bei 0 °C ca. 2835 J kg –1) nur an die aktuelle Luftfeuchte. In gesättigter Luft, wenn die relative Luft abgegeben werden, solange die Lufttemperatur kleiner Luftfeuchte 100 % beträgt, ist die Di¦erenz Null. Auf die- ist als die Temperatur am feuchten Thermometer (bei Eisan- ser Grundlage können der Taupunkt und auch die relative satz). Zur Verdeutlichung zeigt Tabelle 9.4 die Feuchttempe-

Feuchte bestimmt werden. ratur tw über Wasser bzw. über Eis ti in Abhängigkeit von der Lufttemperatur t und der relativen Feuchte U.

61 Tab. 9.4 Feuchttemperatur über Wasser bzw. Eis in Abhängigkeit rung eines normalen (gewalzten) Haares auf den relativen von t und U Feuchtebereich von 0 % bis 10 %, dagegen nur ca. 7 % der Änderung auf den Feuchtebereich von 90 % bis 100 %. U % 40 50 80 100 t °C Zusätzlich ist eine temperaturabhängige Längenänderung Wasser tw tw tw tw gegeben. Sie entspricht einer Änderung der relativen Feuch- 30 20,1 22,0 27,1 30,0 te von 0,3 % bei 100 % bzw. 0,1 % bei 30 %, d. h., dass bei 20 °C und 100 % relative Feuchte anzeigende Hygrometer bei 10 4,6 5,6 8,3 10,0 –10 °C nur 91 % relative Feuchte anzeigt. 0 –3,5 –2,9 –1,1 0,0 –10 –11,9 –10,6 –10,0 Das Haarhygrometer ermittelt auch bei Temperaturen, bei denen normalerweise die befeuchtete Gewebehülle des Eis t t t t i i i i Psychrometers bereits vollständig eingefroren ist, Werte 0 –3,3 –3,0 –1,1 0,0 der relativen Luftfeuchte, die dem Partialdruck des Wasser- –10 –11,8 –11,5 –10,4 –9,7 dampfes über einer ebenen Wasserober äche entsprechen. Dieses Verfahren wurde eingeführt, um die psychromet- –20 –20,8 –20,6 –20,0 –19,7 risch ermittelten Feuchtewerte unabhängig von der Phase –30 –30,3 –30,0 –29,8 des Wassers in der Gewebehülle des befeuchteten Thermo- meters mit den Werten einer Haarhygrometers vergleichen Die zunehmende Ungenauigkeit der Psychrometermessung zu können. bei immer tieferen Temperaturen wird in Tabelle 9.4 ebenfalls deutlich. Bei einer Temperatur von –30 °C über Eis er- Der beste dafür geeignete Sensor ist blondes, sorgsam prä- gibt die geringe Temperaturdi¦erenz von nur 0,2 K ein ΔU pariertes (gut entfettetes) Frauenhaar (sog. Pernix-Haar). von 20 %. Erkennbar ist auch die höhere (wärmere) Feucht- Es weist die optimalen Eigenschaften für die Anzeige der temperatur ti gegenüber tw bei einer Lufttemperatur von relativen Luftfeuchte auf. Diese Haare haben eine mecha- –10 °C bei 100 % relativer Feuchte. nische Vorbehandlung durch Walzen derart erfahren, dass ihre äußere Schicht (Keratin-Schicht) zum Teil zerquetscht Vorteile der Psychrometermessung sind hohe Messgenau- wurde. Dadurch wird ihre Trägheit geringer, aber auch ihre igkeit, hohe Langzeitstabilität und hohe Zuverlässigkeit. Ausschlagcharakteristik verändert, sodass für Pernix-Haare Wegen dieser Vorteile galt die Psychrometermessung vie- besondere Registrierstreifen benötigt werden. Es gibt seit le Jahrzehnte als Standardmethode zur Eichung anderer längerer Zeit auch künstlich hergestelltes Haar, dass diese Feuchtemessgeräte. Sie wird heute nur noch bei Ersatzmes- Eigenschaften ebenfalls aufweist. sungen, Kontrollmessungen und an Klimareferenzstatio- nen durchgeführt. 9.2.3 Kondensationsmethode (Taupunktspiegel)

9.2.2 Hygroskopische Methode Die Abkühlung feuchter Luft bis zur Erkennbarkeit der Sät- tigung bei Erreichen der Taupunkttemperatur wird bei ei- Das allgemeine Prinzip der hygroskopischen Feuchtemes- nem Taupunktspiegel-Hygrometer genutzt. Dazu wird eine sung beruht auf der Erkenntnis, dass viele Körper hygrosko- spiegelnde Metallober äche solange abgekühlt, bis sich auf pische Eigenschaften besitzen, durch Kondensation aus der dieser eine Tauschicht bildet und so eine relative Feuchte Luft Wasser aufzunehmen und dadurch ihre Länge oder ihr von 100 % erreicht wird. Dieser Beschlag wird optisch mit Gewicht zu erhöhen und bei sinkender Feuchtigkeit durch einer Leuchtdiode und einem Fototransistor erfasst. Verdunstung die Feuchte wieder abzugeben. Hygroskopi- sche Eigenschaften besitzen sowohl Zum Zeitpunkt der Betauung wird die Taupunkttemperatur • organische Sto¦e, wie Menschenhaare, tierische Haare (= Ober ächentemperatur des Spiegels) mit einem Ther- usw. als auch mometer – bspw. Pt 100 – gemessen. Der Taupunktsensor • anorganische Sto¦e, wie Salzlösungen, Kohle u. a. liefert zwei Signale, eines zur Ober ächentemperatur proportionales Widerstandssignal und eines von der Betau- Das Messprinzip eines Haarhygrometers beruht auf der ungsschichtdicke abhängiges Spannungssignal. Eigenschaft des menschlichen Haares, sich bei Feuchtig- keitsaufnahme aufzuquellen (auszudehnen) und bei Feuch- Abb. 9.2 Funktionsweise eines Taupunktspiegels tigkeitsentzug wieder zu verkürzen. Mit zunehmender relativer Feuchte wird der Wassergehalt der hygroskopischen Substanz immer größer, und ihr Volumen nimmt zu, bei lang gestreckter Form ist die Längenänderung besonders groß. Der Betrag der Längenänderung folgt unge»hr der von Joseph L. GAY-LUSSAC (1778–1850) gefundenen Abhängig- keit, d. h. es ergeben sich größere Änderungen bei niedrigen Luftfeuchten, dagegen kleinere Änderungen bei hohen Luftfeuchten. Von einer Gesamtlängenänderung von nur etwa 2,5 % entfallen allein ca. 21 % der Gesamtlängenände-

62 Findet die Sättigung bezüglich Eis statt, spricht man vom Bei diesem Messprinzip wird die unterschiedliche Strah- Frostpunkt. Die Kühlung bzw. Heizung des Taupunktspie- lungsabsorption von UV-Strahlung an den Wassersto¦ato- gels wird über eine Fotozelle gesteuert. Taupunktspiegel men des Wassermoleküls im Wasserdampf in benachbar- mit Peltierkühlung sind für einen Messbereich von –90 °C ten Spektralbanden (Wasserdampfabsorptionsbande und bis +100 °C mit einer Messunsicherheit von ±0,1 K einsetz- Wasserdamp¦enster) als Maß für den Wasserdampfgehalt bar. Sie unterliegen weder einer Drift noch einer Hysterese. ausgenutzt. Weitere Vorteile dieser Methode sind die kurzen Ansprech- zeiten, die hohe Messgenauigkeit und Langzeitstabilität. Wassersto¦ absorbiert Strahlung u. a. bei einer Wellen- länge von 0,1216 und 0,218 μm. Diese Absorptionslinie der 9.2.4 Elektrische Methoden UV-Strahlung heißt Lyman-Alpha. Die Absorption dieser Wellenlänge ist abhängig von der Konzentration der Was- Kohleschicht(Karbon)-hygrometer sersto¦atome in der Luft, die proportional zur absoluten Das Messprinzip basiert auf der Änderung der elektrischen Feuchte ist. Leit»higkeit eines hygroskopischen Elektrolyten mit Feuch- tigkeitsänderung der umgebenden Luft. Durch Feuchtig- Infrarothygrometer nutzen oft zwei unterschiedlich stark keitsaufnahme einer hygroskopischen (Kohle-)Schicht, die absorbierende Wellenlängen, z. B. 2.6 und 2.3 μm. Beides auf einen Probekörper aufgebracht ist, quillt diese Schicht sind sog. schnelle Messgeräte, weil sie die Absorptionsän- auf und verringert den Kontaktdruck der Kohleteilchen. Die derung praktisch trägheitslos messen [36]. elektrische Leit»higkeit ist dann umgekehrt proportional der absoluten Feuchte. Neben einigen wenigen Vorteilen, Zur Messung werden eine UV-Strahlungsquelle und ein UV- wie sehr geringe Trägheit, elektrisches Ausgangssignal, be- Detektor benötigt. Die Strahlungsquelle durchstrahlt eine stehen eine Reihe von Nachteilen bei dieser Art von Hygro- de¤nierte Wegstrecke und die dabei gemessene Abschwä- meter. Diese sind die sehr verschiedenen Kalibrierkurven, chung der Strahlung ist proportional zur Wasserdampf- die Altersemp¤ndlichkeit, Salze in der Kohleschicht, die dichte und damit zur absoluten Feuchte. Elektrolyse bewirken würden und die hygroskopische Hys- terese (Abb. 9.27). Ein weiteres Messprinzip basiert auf der Abschwächung einer konstanten Strahlungsintensität von UV-Licht durch Kapazitive Polymer-Hygrometer Absorption durch den Wasserdampf in der Luft im Bereich Die Grundlagen des kapazitiven Messprinzips wurden unter der Kryptonlinie. Das Kryptonhygrometer dient zur Messung 6.1 erläutert. Bei einem kapazitiven Hygrometer beein usst von Feuchte uktuationen mit hoher zeitlicher Au ösung. die Luftfeuchtigkeit die Permittivitätszahl eines hygroskopischen Isolationsmaterials, welches sich zwischen zwei Die Kalibrierung der Absorptionshygrometer ist nicht sta- Kondensatorplatten be¤ndet. Dieses Material verändert bil, die Messdaten müssen über die Psychrometermessun- seinen Wasseranteil synchron zur relativen Feuchte der gen nachträglich kalibriert werden. Eine Echtzeitauswer- Umgebungsluft, indem es Wasserdampf absorbiert, wenn tung des latenten Wärmestroms ist daher praktisch nicht die relative Feuchte der Umgebungsluft steigt und ihn wie- möglich. der abgibt, wenn die Umgebungsluft trockener wird. Ein Lyman-Alpha-Hygrometer wird u. a. am Institut für Es gibt eine Vielzahl von elektronischen Sensoren zur Be- Meteorologie und Klimaforschung der Uni Karlsruhe ein- stimmung der relativen Feuchte. Durchgesetzt haben sich gesetzt. In der meteorologischen Routinepraxis sind sol- kapazitive Polymer-Hygrometer. Dabei wird die Luftfeuchte che Hygrometer sonst nicht in Gebrauch. Sie dienen oft zur durch die Messung der Änderung der elektrischen Eigen- Messung turbulenter Feuchteschwankungen. schaften eines Kondensators bestimmt, dessen Dielektri- kum aus einer hygroskopischen Polymerschicht (Dünn- Abb. 9.3 Lyman-Alpha-Hygrometer (rechts neben Ultraschallanemometer) ¤lm-Polymere) zwischen den Kondensatorplatten besteht. Ein Polymer ist eine chemische Verbindung, die aus Ketten oder verzweigten Molekülen (Makromolekül) besteht, die aus gleichen oder gleichartigen Einheiten (den sogenannten Monomeren) bestehen. Dabei handelt es sich um ein poröses, hygroskopisches Material, das aus der Luft Was- serdampf kondensiert. Bei Feuchteaufnahme oder -abgabe verändert sich die Kapazität des Kondensators, sie wird gemessen und aus ihrem Wert kann auf die relative Feuchte geschlossen werden.

9.2.5 Spektroskopische/Infrarotmethode

Wasserdampf hat Absorptionsbanden im UV-Bereich (Lyman-Alpha-Banden) und im IR-Bereich. Beide Absorp- tionsbanden werden zur Feuchtemessung, besonders zur Messung turbulenter Feuchteschwankungen genutzt.

63 9.2.6 Diusionsmethode Das feuchte Thermometer ist am oberen Halter rechts festgeklemmt. Die untere Halterung enthält den Luftkanal mit Bei der Di¦usionsmethode werden semipermeable Membra- einem Ansaugstutzen für den Aspirator sowie ein Luftan- nen (Hartgummi, Keramik), die den Durchlass von trockener saugrohr. Das Quecksilberge»ß des feuchten Thermome- Luft und Wasserdampf regeln, bzw. für Wasserdampf nur ters ist mit einem Schlauchgewebe überzogen, welches vor geringfügig durchlässig sind, eingesetzt. Im Inneren eines der Messung befeuchtet wird. Der Aspirator soll das Feucht- U-Rohr-Di¦erenzdruckmessers, der mit Öl gefüllt ist, wird thermometer mit einer konstanten Strömungsgeschwin- Wasser oder ein Trockenmittel eingefüllt und ein Manome- digkeit von etwa 2,5 m s –1 bis 4 m s –1 belüften. ter als Druckmessgerät zeigt die Druckdi¦erenz ew – e' an. Abb. 9.5 Psychrometer Detailansicht Diese Methode ist in der Praxis nicht im Einsatz, daher ist kein Messgerät/Sensor dazu beschrieben.

9.3 Sensoren/Messgeräte

Die Anforderungen an Feuchtemessgeräte sind im Wesent- lichen folgende:

• Verwendbarkeit in einem großen Temperaturbereich • Unemp¤ndlichkeit gegen Verschmutzung • kurze Ansprechzeit • hohe Messgenauigkeit • Unabhängigkeit der Messung von Druck, Temperatur, Strömung und Gaszusammensetzung • Wartungsfreiheit

Kein Messgerät kann all diese Anforderungen gleichzeitig erfüllen. Daher hängt die Anwendung der Messgeräte/Sen- soren wesentlich vom Einsatzspektrum und vom Stations- typ (bemannt oder automatisch) ab. Wenn Gleichgewicht zwischen Wärmeabgabe durch Ver- Wie bereits erwähnt, werden nicht zu allen aufgeführten dunstung und Wärmezufuhr aus der umgebenden Luft

Messprinzipien im praktischen Wetterdienst Messgeräte herrscht (nach ca. 3 min), ist die Feuchttemperatur tw = const genutzt, daher werden im Folgenden nur die eingesetzten und die Ablesung kann erfolgen, zuerst am feuchten und Messgeräte ausführlicher dargestellt werden. anschließend am trockenen Thermometer. Beide Werte sind Eingangsgrößen in den Psychrometertafeln, aus de- 9.3.1 Psychrometer nen dann Taupunkt und relative Feuchte (Tafel 3) bestimmt werden können. Dabei ist bei negativen Temperaturen dar- Hüttenpsychrometer auf zu achten, ob der befeuchtete Mullstrumpf noch feucht Die beiden baugleichen Thermometer (siehe 8.3.1.1) des oder bereits vereist ist, damit die entsprechenden Tabellen Hüttenpsychrometers werden an einer senkrechten Halte- der Psychrometertafel herangezogen werden. Tabelle 9.5 rung in der Thermometerhütte so montiert, dass sich die zeigt deutlich die geringere relative Feuchte U, auch bei Sät- Thermometerge»ße 2 m über Grund be¤nden. Das trockene tigung über Eis und den tieferen Taupunkt über Eis, zuneh- Thermometer ist am oberen Halter links festgeklemmt und mend zu tieferen Temperaturen. ragt durch den Ring des unteren Halters.

Tab. 9.5 Vergleich der Werte td und U über Wasser und Eis Abb. 9.4 Psychrometer Gesamtansicht tw / t i -4,0 -5,0 -6,0

über Wasser über Eis

t td /U td /U td /U –6,0/79 –9,8/59 –14,8/40 –3,0 –6,4/77 –10,0/58 –14,8/40 –4,0/100 –7,2/78 –11,2/57 –4,0 –4,5/96 –7,7/76 –11,6/56 –5,0/100 –8,4/77 –5,0 – –5,6/95 –9,0/74

64 Es ist darauf zu achten, dass beim Absinken der Lufttempe- wie die doppelten Hüllrohre der Thermometerge»ße, der ratur auf den Gefrierpunkt die Anzeige vorübergehend bei Strömungskanal, die seitlichen Blenden neben den Ther- 0 °C zum Stillstand kommt. Ursache ist die freiwerdende mometern und der Aspirator sind zur Strahlungsre exion Gefrierwärme von ca. 333 J g –1 beim Übergang der üssigen verchromt. in die feste Phase am Mullstrumpf. Erst wenn sämtliches Wasser zu Eis geworden ist, sinkt die Temperatur weiter ab. Mit diesem Aspirationspsychrometer können auch im Freien Das bedeutet, dass der Aspirationsvorgang im Winterhalb- außerhalb der Wetterhütte Messungen durchgeführt werden. jahr länger (ca. ≥5 min) dauern kann als sonst. Daher eignet sich das transportable Psychrometer für den mobilen Einsatz, für Ersatzmessungen und für Vergleichs- Nach der Messung wird der Aspirator abgenommen und die Ö¦- messungen. Es ist aber beim Einsatz im Freien, insbesondere nungen des Glasansatzrohres und des Ansatzstückes durch Kor- bei voller Sonne darauf zu achten, dass der Aspirator einen ken abgedichtet. Durch das Abdichten wird die Feuchtigkeit am Ventilationsstrom von mindestens 1,7 m s –1 erzeugt. Gewebeüberzug des feuchten Thermometers erhalten. Abb. 9.6 Aspirationspsychrometer n. Assmann Pege und Kontrolle der Funktionstüchtigkeit Für den Betrieb elektrischer Aspiratoren sind für die Akkumu- latoren entsprechende Ladeeinrichtungen erforderlich. Die Prüfung der Batterie- bzw. Akkukapazität erfolgt bei laufen- dem Gerät. Der Aspirator ist betriebsbereit, solange sich der Zeiger des Kontrollinstruments im „grünen“ Bereich be¤ndet. Bewegt sich der Zeiger im Übergangsbereich von „grün“ zu „rot“, so ist im Allgemeinen noch eine Betriebsreserve von ca. 1 h vorhanden, ein Batteriewechsel oder eine Au adung wird dann erforderlich. Wandert der Zeiger während des Betriebes in das rote Feld, ist eine Au adung notwendig. Es ist weiterhin erforderlich, die Thermometer sauber zu halten und auf einen eventuellen Fadenriss zu kontrollieren. Am Feuchtthermome- ter muss gewährleistet sein, das der Baumwollstrumpf sauber ist. Andernfalls muss er gewechselt werden.

Die Dichtung am Feuchtthermometer muss regelmäßig kontrolliert werden und bei Verschleiß ausgetauscht werden. Die Dichtung verrutscht im Laufe der Zeit oft nach oben und muss wieder nach unten geschoben werden, da Zur Messung wird das Aspirationspsychrometer nach Ass- sonst die Ventilation am Feuchtthermometer gestört ist. mann entweder am Handgri¦ gegen den Wind gehalten, da Die Überprüfung der Messwerte kann mit dem Aspirati- sonst mit einer Wärmezufuhr vom Körper des Beobachters onspsychrometer nach Assmann vorgenommen werden. gerechnet werden muss oder besser noch mittels der dazuge- Allgemein kann davon ausgegangen werden, dass bei guter hörigen Halterung an einem Pfahl o. a. befestigt. Dabei muss P ege das Hüttenpsychrometer über viele Jahre exakte Da- darauf geachtet werden, dass die Thermometerge»ße in 2 ten liefert. Eine Überprüfung der Quecksilberthermometer m Höhe hängen. Dauerbefeuchtung kann bei diesem Gerät ist nach 10 Jahren erforderlich. nicht durchgeführt werden, weil zu diesem Zweck der Strah- lungsschutz am Feuchtthermometer entfernt werden muss. Aspirationspsychrometer nach Assmann Das Aspirationspsychrometer nach Richard A. ASSMANN Pege und Kontrolle der Funktionstüchtigkeit (1845–1918) arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie das Hüt- Beim Aspirationspsychrometer nach Assmann muss dar- tenpsychrometer, ist aber deshalb zuverlässiger, weil es die auf geachtet werden, dass die verchromten Blechteile nicht Voraussetzungen – Strahlungsschutz und ausreichend Venti- korrodieren, d. h. nach dem Einsatz bei Regenwetter muss lation – eines idealen Psychrometers erfüllt. Ein am Kopf des es gut abgetrocknet werden. Gerätes angeschraubter, federwerksgetriebener Aspirator erzeugt den Luftstrom mittels einer rotierenden Schlitzscheibe, Um die erforderliche Belüftungsgeschwindigkeit zu über- die die Luft nach den Seiten hinausschleudert. Den Antrieb prüfen wird der Gehäuseumlauf des Federaspirators getes- liefert eine kräftige Spiralfeder über eine starke Übersetzung tet. Der Aspirator läuft langsam an, erreicht mit der zweiten in einem Federgehäuse. Den Luftstrom saugt der Aspirator Umdrehung des Federgehäuses die Höchstgeschwindigkeit durch ein Rohrstück gleichmäßig an beiden Thermometern und wird bis zur 6. Umdrehung allmählich langsamer. Wenn mit ca. 2,5 m s –1 vorbei, sodass auch das trockene Thermome- der Aspirator geprüft werden muss, zieht man ihn bis zum ter ventiliert wird. Die Ventilationszeit beträgt wie beim Hüt- Anschlag auf und lässt ihn laufen bis der senkrechte Strich tenpsychrometer je nach Jahreszeit 3–5 min. am Ende des Pfeils (auf dem Federgehäuse) im Sichtfens- ter auf der Strichmarke steht. Jetzt wird die Schlitzscheibe Die Thermometer sind durch eine doppelwandige Umhül- bis zum Stillstand abgebremst und festgehalten. Nachdem lung mit äußerer Hochglanzverchromung weitgehend ge- das Uhrwerk wieder bis zum Anschlag nachgezogen ist, gen äußere Strahlungsein üsse geschützt. Alle Metallteile, gibt man den Start frei und betätigt gleichzeitig die Stopp-

65 uhr. Der nächste Durchgang des Pfeilendstriches durch die Psychrometer nach Frankenberger Strichmarke (eine Umdrehung des Federgehäuses aus der Im mobilen Messeinsatz des DWD (siehe 19.5.4), u. a. im Ruhelage) darf längstens nach 90 s (ideal 75 s) erfolgen. Stadtmessnetz Freiburg und in einem Messfeld der Univer- sität Bayreuth wird ein elektrisch ventiliertes Psychrometer Schleuderpsychrometer nach Frankenberger eingesetzt. Das Gerät ermöglicht die Eine weitere Art von Psychrometer sind Schleuderpsychro- Messung der trockenen und feuchten Lufttemperatur mit meter, die in erster Linie für den mobilen Einsatz, an Bord zwei Widerstandsthermometern Pt 100. Eines davon ist und auch für Notmessungen herangezogen werden können. mit einem Strumpf überzogen und wird aus einem ange- schraubten Wasserbehälter (Inhalt ca. 200 cm 3 destilliertes Die erforderliche Ventilation muss hier durch Schleudern Wasser) entgegen dem Ventilatorstrom dauerbefeuchtet. von ca. 2–3 min mit dem Arm erfolgen. Danach muss die Aus den Werten beider Temperaturen lassen sich die relati- Ablesung beider Thermometer rasch erfolgen, da sonst der ve Luftfeuchte und der Taupunkt bestimmen. /ABB. 9.8 Aspirationse¦ekt verloren geht und ein erneuter Schleuder- vorgang notwendig ist. In der schrägen Anordnung sitzen die Pt 100-Thermometer unter Schutzrohren. Das unterste Teil (braun) ist das Was- Schleuderpsychrometer PTS 30 serge»ß für das feuchte Thermometer. Das schwarze Teil- Das Schleuderpsychrometer Modell DWD wurde von der stück ist der Netzanschluss, unter der Metallhaube be¤n- Fa. Eigenbrodt, Königsmoor als eine einfache und leichte den sich der Motor und der Ventilator. /ABB. 9.9 Schleuder entwickelt und konstruiert. Das Gerät ist bei Aus- fall der anderen Sensoren im Notmessgeräte-Ko¦er des DWD Verchromte Strahlungsschutzrohre sind gegeneinander so- (siehe 16.1) vorhanden. Nach über 2-jährigen Versuchen und wie gegen den Thermometerhalter durch Kunststo¦ringe Erprobungen sowie Vergleichsmessungen an Bord verschie- wärmeisoliert. Der doppelte Strahlungsschutz wirkt gegen dener Forschungsschi¦e ist die Schleuder im Beobachtungs- Global- und Re exionsstrahlung. Ein üsse von Wind, Strah- netz des DWD und in der Bundeswehr eingesetzt. /ABB. 9.7 lung und Verdunstung werden weitgehend eliminiert.

Die für die psychrometrische Messung erforderliche Luftven- Auch in der Agrarmeteorologie des DWD (siehe 15.) wird ein tilation wird durch kreisende Schleuderbewegung erzielt, Psychrometer nach Frankenberger, meist in Beständen nahe hierbei wird eine Ventilation von ca. v = 5 m s–1 erreicht. an der Bodenober äche (Abb. 9.10) eingesetzt. /ABB. 9.10

Die nach der Messung abgelesenen Temperaturwerte des trocke- Tab. 9.6 Spezi¯kationen Psychrometer n. Frankenberger (Friedrichs) nen und feuchten Thermometers dienen zur Bestimmung der Pt 100 n. DIN 60751 Klasse B, 1/3 Toleranz Messelement relativen Feuchte mit Hilfe einer graphischen Auswertetafel. Fühler mit Kennlinie für –20 bis +40 °C

Die Vorteile der Bauart bestehen darin, dass die Thermome- Genauigkeit ±0.1 K bei 0 °C ter und die wenigen Einzelteile leicht ausgewechselt wer- >3.5 m s –1, externer Drehmotor ohne Ventilator den können und die Reparaturan»lligkeit sehr gering ist. Kollektor Der Schwerpunkt des Gri¦es liegt durch den Schrägansatz Aluminium eloxiert mit Schutzlackierung nahe an der Hand, sodass sich die beim Schleudern auftre- Gehäuse Wasserbehälter 200 cm3 Fassungsver- tende Zentrifugalkraft verringert. mögen 230 V AC/160 mA, Die Thermometer sind in zwei Strahlenschutzröhrchen Stromversorgung 24 V AC/100 mA, 12 V DC 40 mA mit einer Trennwand für die Thermometerge»ße untergebracht. Sie sind mit einer Skalenteilung von 0,5 K versehen.

Abb. 9.7 Schleuderpsychrometer PTS 30 Abb. 9.8 Psychrometer n. Abb. 9.9 Dauerbefeuchtung aus Vorratsbehälter (Eigenbrodt) Frankenberger (Friedrichs) (Friedrichs)

66 Abb. 9.10 Psychrometer n. Frankenberger über gefrorenen Boden Abb. 9.12 Haarhygrometer (Fischer) (Foto: DWD ZAMF, Braunschweig)

Ähnlich aufgebaute Haarhygrometer werden von verschie- Minipsychrometer denen Firmen hergestellt. In der Agrarmeteorologie des DWD (siehe 15.) werden sog. Minipsychrometer eingesetzt. Sie sind im Eigenbau des Polymeter DWD entstanden und bestehen aus 2 Widerstandsthermo- Ein Polymeter ist ein Kombigerät zur Ermittlung von relati- metern Pt 100, eines als trockenes, das andere als feuchtes ver Feuchte, Temperatur, Taupunkttemperatur, Sättigungs- Thermometer. Am Thermometer ist ein Mullstrumpf über dampfdruck, Sättigungsde¤zit und der absoluten Feuchte. den Glaszylinder gestülpt. Damit entspricht das Messprin- zip den sonst üblichen Psychrometern. /ABB. 9.11 Das Polymeter der Fa. Th. Friedrichs ist ein mit einem Ther- mometer kombiniertes Haar-Hygrometer zur Messung von Psychrometersensoren werden heute auf der Basis von Pt Lufttemperatur und relativer Feuchte. Aus beiden Größen 100-Thermometer auch an automatischen Stationen be- können auf einfachem Wege Sättigungsdampfdruck, aktu- trieben. So ist eine kontinuierliche Aufzeichnung der Luft- eller Dampfdruck, absolute Feuchte, Taupunkt und Sätti- feuchte möglich. gungsde¤zit (mittels Psychrometer-Tafel) ermittelt werden.

Abb. 9.11 Minipsychrometer (Eigenbau DWD) Abb. 9.13 Polymeter (Friedrichs)

9.3.2 Haarhygrometer

Hygrometer sind Geräte zur direkten Messung der Luft- feuchte. Es gibt sie in verschiedenen Ausführungen. Das älteste, heute immer noch teilweise eingesetzte klassische Messgerät ist das Haarhygrometer. Die Längenänderung der parallel gespannten Haare (Haarharfe) wird über ein feines Hebelwerk mechanisch auf eine Anzeige übertragen. Wäh- rend das eine Ende fest eingespannt ist, ist das andere Ende an einer Blattfeder befestigt, die mit dem Gehäuse verbunden ist. Die Stellung der Blattfeder und damit der AuÂän- gepunkt des Haares kann mittels Standschraube verändert Tab. 9.7 Spezi¯kationen Feuchtsensor Polymer (Friedrichs) werden. Das untere Ende des Haares ist am Ende einer als Messfühler Pernix-Element Amplitudenhebel wirkenden Schraube befestigt, die auf der Zeigerachse sitzt und die Längenänderung des Haares auf Messbereich 0 bis 100 % rel. Feuchte, –30 bis +50 °C den Zeiger überträgt. Die Ablesung der Momentanwerte ist Messgenauigkeit ±3 % rel. Feuchte an der in Prozent geteilten Skala möglich. Teilung 1 % relative Feuchte, 1 °C. Noch heute werden neben künstlichen Haaren Naturhaare Einsatzbereich –25 bis +60 °C (Frauenhaare) eingesetzt.

67 Hygrograph Pege und Kontrolle der Funktionstüchtigkeit Der Hygrograph dient zur Messung und Registrierung der rela- Wenn über längere Zeit nur niedrige relative Luftfeuchten tiven Feuchte. Als Feuchtemessfühler wird eine Haarharfe (bis auftreten, driftet die Registrierung zu höheren Werten ab. zu 50 Haare) zur Erhöhung der Stellkräfte eingesetzt. Bei al- In diesem Fall ist ein „Regenerieren“ der Haare erforderlich. len Hygrographen der verschiedenen Fabrikate wird der Aus- Der Gehäuseteil mit dem Messfühler wird mit einem nas- schlag des Messfühlers über ein verstellbares Hebelgetriebe sen, aber nicht tropfenden Tuch eingehüllt. Sind die Haare auf einen Zeiger mit Schreibfeder übertragen. Diese Schreib- stark ausgetrocknet, kann das Regenerieren bis zu 48 Stun- feder zeichnet auf einer mit Registrierpapier bespannten, den dauern. uhrwerksgetriebenen, rotierenden Trommel die Tages-, Wo- chen- oder Monatsverläufe der relativen Feuchte auf. Im DWD Je nach Verschmutzungsgrad der Luft am Einsatzort müs- werden Registrierstreifen mit Wochenumlauf verwendet. sen die Haare ein oder mehrmals im Jahr mit einem weichen Pinsel und destilliertes Wasser gereinigt werden. Falls Bei der Kalibrierung wird jeder einzelne Messfühler durch erforderlich, wird das Gehäuse des Hygrographen innen Veränderungen am Übertragungsmechanismus auf den und außen mit einem sauberen, feuchten Lappen gereinigt. vorgegebenen Registrierstreifen abgeglichen. Die Ampli- tudenschraube ist maßgebend für die Vergrößerung des Die Überprüfung der angezeigten relativen Luftfeuchte des Messfühlerausschlages. Mit der Standschraube, die als Hygrographen erfolgt durch Messung der Feuchtegrößen einzige vom Personal der Wetterstation in gewissen Fällen mit dem Hüttenpsychrometer oder mit dem Aspirations- bedient werden darf, werden Korrektionen der Anzeige bei psychrometer nach Assmann bzw. dem Schleuderpsychro- Vergleichsmessungen vorgenommen. meter PTS 30 aus dem Notmessgeräte-Ko¦er. Auftretende Abweichungen können mit der Standschraube ausgegli- Abb. 9.14 Hygrograph, schematisch (Lambrecht) chen werden.

Thermohygrograph Der Thermohygrograph ist ein Kombigerät aus Thermo- graph und Hygrograph. Er besitzt Messfühler eines Ther- mographen und Hygrographen. /ABB. 9.16

Dazu sind zwei Aufzeichnungstrommeln zur gleichzeitigen Registrierung von Lufttemperatur und relativer Luftfeuchte erforderlich, oder aber auf einem gemeinsamen Schreib- streifen (Abb. 9.17) werden die Werte registriert. /ABB. 9.17

Pege und Kontrolle der Funktionstüchtigkeit von Registriergeräten Die Registriergeräte werden in den SL-Einheiten des DWD überprüft und gewartet. Das Beobachterpersonal kann nur die Richtigkeit der Registrierung überprüfen und mit der Standschraube justieren, d. h. lediglich die Anzeige insgesamt anheben oder senken. Die Amplitude des Gerätes darf Hygrographen der verschiedenen Hersteller unterscheiden sich nicht verändert werden. hauptsächlich durch die Form und die Anbringung der Mess- fühler. Bei dem in Abb. 9.14 und 9.15 dargestellten Gerät der Fa. Messfühler und Übertragungsgestänge werden mit Hilfe ei- Lambrecht hängt die Haarharfe als Messfühler senkrecht, mit nes Pinsels (nicht feucht!) wenigstens 2 x im Jahr gereinigt. ihrem oberen Ende in einer Halterung befestigt. Die einzelnen Auch das Gehäuse wird nach Bedarf gereinigt. Die Verklei- „Saiten“ dieser Haarharfe bestehen ihrerseits aus mehreren nerung der Amplitude entsteht durch Abnutzung der Lager- Haaren. In das untere Ende wird das Übertragungsgestänge stellen im Übertragungsgestänge. Sie führen meist auch zu eingehängt. Der Schreibfederdruck kann mittels einer Rändel- einem „Stufenschrieb“. Ebenso verkleinern Korrosion und schraube am rechten Ende des Schreibarms eingestellt werden. Alterung des Bimetalls die Amplitude. Bei Korrosion des Die Haare werden durch ein Gegengewicht stra¦ gehalten. Messfühlers und bei zu großem Amplitudenfehler (>0,5 K) muss das Gerät ausgetauscht werden. Thermographen sind Abb. 9.15 Hygrograph (Lambrecht) ansonsten recht robust und müssen nur bei Bedarf gep egt werden.

68 Abb. 9.16 Thermohygrograph (Lambrecht) (Foto: B. Henning) Abb. 9.17 Registrierung eines Thermohygrograph (Ausschnitt)

9.3.3 Kapazitive Feuchtesensoren Abb. 9.19 Feuchtsensor HUMICAP® HMP45D mit Membran¯lter (Vaisala) Kapazitive Feuchtesensoren haben in den Messnetzen Haarhygrometer vollständig ersetzt. Andere Verfahren werden nur noch für ergänzende Messungen herangezogen.

Feuchtesensor HMP45D Der Feuchtesensor HUMICAP® 180 HMP45D der Fa. Vaisala, Oyi Finnland besteht aus einer Dünn¤lm-Polymerschicht (siehe 9.2.4) als kapazitives Messelement in einem Plat- tenkondensator und einem integrierten Temperaturfühler Pt 100 in Vierleiterschaltung, passiv oder 0...1 V, aktiv (optional). Beide Sensoren sind auf einem Sockel an der Son- denspitze montiert. Durch eine entsprechende Elektronik im Sensor erscheint als Ausgangssignal des Sensors eine lineare Spannung die proportional zu einem bestimmten Feuchtegehalt der Luft ist.

Abb. 9.18 Feuchtesensor HUMICAP® HMP45D ohne Sensorschutz- kappe (Vaisala)

Tab. 9.8 Spezi¯kationen Feuchtsensor HMP45D (Vaisala) Messbereich Feuchtesensor 0,8 bis 100 % ≡ 0 bis 1 V Auösung 0,1 % Sensor Pt 100 passiv Genauigkeit bei 20°C ±0,2 °C Die Sensorschutzkappe enthält ein Te on-Membran¤lter, Ausgangssignal 0 bis 1 V das Gehäusematerial ist ABS-Kunststo¦. Einschwingzeit nach Einschalten 500 ms Ansprechzeit bei 20°C 15 s Langzeitstabilität <1 % pro Jahr Einsatzbereich –40 bis +60 °C, 0 bis 100 % Stromaufnahme ≤4 mA Versorgungsspannung 7 bis 35 V DC

69 Im DWD wird dieser Sensor in der Lamellenschutzhütte Abb. 9.21 Darstellung der Genauigkeit des HMP155 (Vaisala) LAM630 gedoppelt eingesetzt.

Pege und Kontrolle der Funktionstüchtigkeit Zur Überwachung des Sensors bei au¦älligen Abweichun- gen der Feuchtedaten, können die an der Wetterwarte noch verbliebenen konventionellen Messmittel benutzt werden (Psychrometer nach Assmann, Schleuderpsychrometer oder Hüttenpsychrometer). Sollte dabei ein Abdriften der Mess- werte festgestellt werden, muss der Sensor ausgetauscht werden. Die Reinigung verschmutzter Sensoren oder deren Austausch muss von den SL-Einheiten des DWD erfolgen.

Speziell eingewiesenes Personal der Wetterwarte kann am Sensor Reinigungsarbeiten vornehmen. Evtl. muss die Schutz- kappe ausgetauscht werden. Es ist wichtig, den Aus- und Ein- Den HMP155-Feuchtesensor gibt es in zwei Ausführungen, bau des Sensors mit größter Vorsicht durchzuführen und die von der die passive Ausführung dem HMP45D entspricht. Position des Sensors in der LAM630 nicht zu verändern. Die aktive Ausführung besitzt einen Heizwiderstand, mit dem der Feuchtefühler über die Lufttemperatur beheizt Temperatur-Feuchtesensor HMP155 wird und mit einem externen Pt 100 der Taupunkt direkt be- Die Fa. Vaisala hat mit dem HUMICAP® 180R HMP155 ein stimmt wird. Dann wird die relative Feuchte auf der Grund- Nachfolgeprodukt des HMP45D entwickelt. Er wird voraus- lage der mit dem Feuchtesensor gemessenen Taupunkttem- sichtlich auf Regional ugplätzen zum Einsatz kommen. peratur, sowie des mit dem zusätzlichen Temperaturfühler Der neue Sensor verfügt über einen Feuchtefühler und zu- gemessenen Wertes berechnet. Dabei müssen die Sensoren sätzlich einen integrierten Pt 100-Temperaturfühler. Beide nahe beieinander liegen, um möglichst gleiche Umge- Sensoren sind auf einem Sensorsockel auf der Sondenspit- bungsbedingungen zu haben. ze montiert und werden durch ein Te on¤lter vor üssi- gem Wasser, Dunst und Schmutz geschützt. Die HMP155 wird ständig beheizt, sodass die Temperatur stets über der Lufttemperatur liegt und so die Bildung von Abb. 9.20 Feuchtesensor HUMICAP® HMP155, rechts mit zusätzlichem Kondensat am Sensor verhindert wird. Pt 100-Sensor (Vaisala) In der weltweit verbreiteten Radiosonde RS 92BGP von Vai- sala arbeitet ebenfalls ein Humicap®-Sensor.

Feuchte- und Temperaturmesswertgeber HUMICAP® HMT337 Dieser Feuchte- und Temperaturmesswertgeber der Fa. Vai- sala wird an den mobilen Einheiten des DWD (siehe 19.5.4) eingesetzt und ist für industrielle und meteorologische Tab. 9.9 Feuchtesensor HUMICAP® HMP155 (Vaisala) Hochfeuchteanwendungen geeignet. Er entspricht im We- sentlichen den Feuchtesensoren HMP45D bzw. HMP155 Messbereich Feuchtesensor 0 . . . 100 % = 0 . . . 1 V derselben Firma mit einem HUMICAP® als Feuchtesensor. Messbereich Temperatur- –80 . . . +60 °C Die gem. Tab 9.10 angegebene Genauigkeit ist inkl. Nichtli- sensor Pt 100 RTD 1/3 Class B IEC 751 nearität, Hysterese und Wiederholbarkeit. Genauigkeit bei + 15 . . . +25°C 0 . . . 90 % ± 1 % rel. Feuchte 90 . . . 100 % ± 1.7 % rel. Feuchte Tab. 9.10 Feuchte- und Temperaturmesswertgeber HMT337 (Vaisala) –20 . . . +40 °C ± 1 % 0 . . . 100 % Messbereich Feuchtesensor Ansprechzeit mit Ventilation –70 . . . +180 °C Pt 100 IEC 751 63 % <20 s, 90 % <35 s Temperatursensor 3 m s–1 1/3 Class B Genauigkeit bei –80 . . . +20° C ±0,226–0,0028 x Temperatur°C 0 . . . 90 % ±1 % rel. Feuchte + 20 . . . +60°C ±0,055+0,0057 x Temperatur°C Genauigkeit bei +20 °C 90 . . . 100 % ±1.7 % rel. Feuchte Stromversorgung 7 . . . 28 V DC ±0,2 °C Betriebsspannung 10 . . . 35 V DC, 24 V AC

Weitere berechnete Größen sind je nach Modell Taupunkt, absolute Feuchte, Mischungsverhältnis und Wasserdampf- druck. Der integrierte Datenspeicher hat eine Speicherka- pazität von mehr als vier Jahren.

70 Feuchtesensor MP101A Die Temperatur wird über ein Kupfer-Konstantan-Thermo- Dieser Feuchtesensor Hygromer®IN-1 wird von der Fa. RO- element in einem ventilierten Luftkanal und die Feuchte TRONIC Messgeräte, Schweiz hergestellt. Er besitzt einen Pt mit Hilfe eines Taupunktspiegels gemessen, indem feuchte 100-Sensor mit linearem Ausgangssignal. Luft über einen kleinen Spiegel geleitet wird. Beginnende Kondensation (Tau- oder Frostbildung) auf der Spiege- Abb. 9.22 Polymer-Feuchtesensor MP101A (Rotronic AG) lober äche wird dann über ein optisches System durch die Veränderung der Re exionseigenschaften des Spiegels erkannt. Beim Messvorgang wird der Spiegel durch ein Peltierelement (siehe 8.2.2) abgekühlt, bis der Taupunkt erreicht ist. In diesem Moment beschlägt der Spiegel mit Wassertröpfchen oder Eiskristallen. Die Luft strömt oben zwischen Gehäuse und Deckel (Abb. 9.23) wieder aus.

Abb. 9.23 Aufbau Thermo-Hygrometer THYGAN, schematisch (Meteolabor)

Bei diesem Sensor handelt es sich um einen Polymerfühler. Der Wassergehalt des Materials ist ein Maß für die Luftfeuch- te und wird kapazitiv gemessen. Bei einer relativen Luft- feuchte von 100 % hat der Sensor ein Ausgangssignal von 1 V.

Tab. 9.11 Spezi¯kationen Feuchtesensor MP101A (Rotronic AG) Feuchtesensor Hygromer®IN-1 Temperatursensor Pt 100 1/3 DIN Ansprechzeit (63%) 12 . . . 15 s Genauigkeit bei 23 °C ±1,5 % rel. Feuchte, 0.3 °C Über einen Regelkreis wird die Temperatur des Spiegels ge- Höchste Genauigkeit ±1 % rel. Feuchte, 0.2 °C nau an dem Punkt gehalten, an dem die Kondensation des (mit SCS Zerti¡kat) Wassers aus der feuchten Luft gerade einsetzt. Diese Tau- Langzeitstabilität <1 % rel. Feuchte / Jahr punkttemperatur ist ein Maß für den absoluten Feuchtege- halt der Luft. Liegt diese Temperatur unterhalb von 0 °C, kann Einsatzbereich –40 . . . +60 °C, 0 . . . 100 % sich prinzipiell die Tauschicht auf dem Spiegel in eine Reif- Versorgungsspannung 4,8 . . . 30 V DC schicht umwandeln. In diesem Fall spricht man von einer Frostpunkttemperatur. Beide Phänomene reduzieren die In- 9.3.4 Taupunktspiegel-Hygrometer tensität des von einer Infrarotquelle ausgesandten und vom Spiegel re ektierten Lichtstrahls. Die Art des Kondensates Taupunktspiegel gehören zu den ältesten und genauesten Feuch- – Wassertröpfchen oder Eiskristalle – wird vom System au- temessgeräten. Sie messen die Feuchte direkt und absolut. tomatisch unterschieden, registriert und bei der Berechnung der relativen Luftfeuchtigkeit entsprechend berücksichtigt. Mit Taupunktspiegeln können Taupunkttemperaturen zwischen –105 °C bis +100°C gemessen werden. Zum Teil erfas- Da der für die Luftfeuchtemessung verwendete Taupunkt- sen diese Geräte auch die Gastemperatur und den Druck, spiegel mit einem Durchmesser von nur 2 mm sehr klein ist, womit dann die Berechnung von vielen Feuchteparametern wird eine kurze Reaktionszeit auch bei niedrigen Temperatu- (U %; ppm; g/m3; g/kg u. a.) möglich wird. ren und geringem Wasserdampfgehalt der Luft erreicht.

Thermo-Hygrometer Thygan Abb. 9.24 Thermo-Hygrometer VTP 6 (Meteolabor) Im SwissMetNet (19.6.6) wird ein ventiliertes, geheiztes Thermometer kombiniert mit einem Taupunktspiegelhy- grometer THYGAN verwendet. Das Gerät ist von Meteo- Schweiz in Zusammenarbeit mit der Fa. Meteolabor für den Einsatz im Flachland sowie im Gebirge entwickelt worden. Es wird auch auf dem Erprobungsfeld des DWD auf der Was- serkuppe als Referenzgerät verwendet und ist auch auf der Zugspitze im Einsatz. Es wurde von der WMO als „Working Reference“ empfohlen.

71 Tab. 9.12 Spezi¯kationen Thermo-Hygrometer VTP 6 (Meteolabor) Dabei wird entsprechend der Formel –50 . . . +50 °C, Messbereich Temperatur/Taupunkt –65 . . . +50 °C (9.21 )

Durchmesser des Spiegels 2 mm die Feuchte aus dem Druckverhältnis pc / ps mit Korrektur- Unsicherheitsbereich Temperatur ±0.15 °C (>–20 °C) faktoren für das Realgasverhalten (f) und dem Partialdruck- und Taupunkt ±0.25 °C (<–20 °C) verhältniss es / ec berechnet. Gemessen werden die Drücke pc Relative Feuchtigkeit (berechnet) 0 . . . 100 % und ps, sowie die Temperatur Tc und Ts zur Berechnung der Partialdrücke und Taupunkttemperatur. Anzahl verwendeter Einzelmes- sungen für einen ausgegebenen 1 . . . 600 Hz Abb. 9.25 Feuchtegenerator (Thunder Scienti¯c) Messwert Messauösung Temperatur/Taupunkt jeweils 0.01 °C relative Feuchtigkeit (berechnet) 0.01 %

Resultat der Feuchtigkeitsmessung ist die relative Feuchtig- keit (berechnet) über Wasser oder als Taupunkt/Frostpunkt (umschaltbar). VTP 6 misst alle 10 min während 40 s etwa 10 Einzelwerte der Lufttemperatur und der Taupunkttempera- tur. Die Mittelwerte werden übermittelt und mit der Stan- dardabweichung wird die Qualität der Messung kontrolliert.

Für spezielle Versuche kann der Geber auch dauernd messen (umschaltbar). Störein üsse durch Nässe (Psychrome- tere¦ekt), Strahlung, Vereisung, Wind und elektromagnetische Störfelder (Sender) werden weitgehend unterdrückt.

Das Gehäuse wird, abhängig von der Gehäusetemperatur beheizt. Ferner wird die Ventilationsleistung von der Luft- feuchte abhängig gemacht, z. B. wird während einer Verei- sungssituation permanent ventiliert. Der geringe Strom- verbrauch erlaubt den Betrieb aus einer Batterie (ohne Heizungen). Automatisch gesteuerte mechanische Reini- Die Messunsicherheit bei der relative Feuchte beträgt ±1 %, gung des Taupunktspiegels erübrigt den sonst notwendigen bei der Kammertemperatur (variabel regelbar 10 °C bis 60 °C) Unterhalt am Taupunktspiegel. ±0,05 °C, Temperaturgleichförmigkeit ±0,1 °C.

Taupunkthygrometer werden zur Erfassung von Raum- Das bei SLN und SLS verwendete Modell 2500ST umfasst ca. feuchte, Raumtemperatur, Taupunkt und Ober ächentem- 44,0 Liter. peratur mittels externen Fühlers oder Infrarotmessung mit internem Speicher und Software verbreitet in der Industrie DewMaster eingesetzt. Beim DewMaster der Fa. EdgeTech handelt es sich um ein im Feld erprobtes Normal mit Taupunktspiegeltechnolo- 9.3.5 DWD-Normal für Feuchtesensoren gie. Ein-, zwei- oder dreistu¤ge Sensoren sind zur Messung verfügbar und können einfach an der Elektronik getauscht Zur Kalibrierung der Feuchtsensoren werden an den SLS werden. NIST Zerti¤kat mit jedem Messgerät. und SLN des DWD Feuchtegeneratoren, die nach dem Zwei- Druck-Verfahren arbeiten, eingesetzt. Sie stellen bei allen Abb. 9.26 Dew Master (EdgeTech) nationalen Kalibrieranstalten das nationale Feuchtenormal dar. Auch sind viele Kalibrierlaboratorien innerhalb des Deutschen Kalibrierdienstes (DKD) mit Zwei-Druck-Gene- ratoren ausgestattet. Wegen der hohen Genauigkeit sind sie zur Kalibrierung von Taupunktspiegeln geeignet.

Feuchtegenerator Die Fa. Thunder Scienti¤c stellt Generatoren zur Generie- rung der relativen Feuchte im Bereich von 10 % bis 95 %, die Taupunkttemperatur im Bereich –20 °C bis 59°C und die ab- Es ermöglicht primär die Taupunktspiegelmessung für solute Feuchte 1200 ppmv bis 130000 ppmv (parts per million Wasserdampf in Gas, Taupunkt, Absolutdruck, ppmv und by volume = Volumenmischungsverhätnis) her, die nach anderen psychrometrischen Variablen. diesem „Zwei-Druck-Verfahren“ arbeiten.

72 Tab. 9.13 Spezi¯kationen Dew Master (EdgeTech) Bis etwa –10 °C Lufttemperatur ist die psychrometrische Feuchtemessung relativ genau und anderen Methoden über- –40 to 60°C, S1 & DS1 Tau-/Frostpunkt –50 to 100°C, S2 & DS2 legen. Darunter jedoch ist die Hygrometermessung genauer. (umschaltbar) –75 to 100°C, S3 Hinzu kommt, dass bei niedrigen Temperaturen die Ver- 0 to 100%RH rel. Feuchtebereich »lschung durch Körper- und Atemwärme des Beobachters 0 to 999,999 PPMv größere Auswirkungen hat als bei höheren Temperaturen. Abkühlung 45°C, S1 & DS1 (ein-, zwei- oder 65°C, S2 & DS2 Haarhygrometer dreistu¡ge Peltier) 95°C, S3 Folgende Fehlerquellen können bei Haarhygrometern auf- Abkühlungs- treten 1.7 °C/s Maximum, unter 0°C geschwindigkeit • Temperatureinfluss • Verunreinigung ±0.2 °C, 0.15 °C, 0.1 °C • Überschwingen Messunsicherheit Tau/Frost Punkt ±0.5 % auf FSD • Trägheit führt bei schlagartigem Feuchteanstieg oder insbesondere bei Kälte zu Fehlanzeigen 0.1 °C • Nicht-Linearität und abnehmende Empfindlichkeit mit 0.01 psia Auösung zunehmender relativer Feuchte 0.1 PPMv < 1000 PPMv • Hygroskopische Hysterese, Kennlinie des Sensors 1 PPMv 1000 PPMv zeigt bei Feuchtabnahme einen anderen Verlauf als bei Sensor Auswahl: S1, S2, S3 sind ein, zwei, und dreistu¡ge Feuchtzunahme Sensoren als Durchfußsensor; DS1, DS2 sind 1 und 2-stu¡ge Sensoren als Einstecksensor (DP) Das Sensor Material ist Abb. 9.27 Hygroskopische Hysterese Chrom Glass, Epoxid und Aluminium.

Vorteile • Automatische Abgleichsfunktion (ABC), • Automatische Korrektur von Spiegelbelegungen, • Automatischer Abgleich der Optik, • Intervall kann gewählt werden, • verkürzt eventuelle Fehlmessungen durch Verschmutzung.

9.4 Messunsicherheiten und Fehlerquellen

Psychrometermessung Folgende Fehlerquellen können bei der Psychrometermes- sung auftreten • Salzablagerungen und Wassermangel am Befeuch- tungsstrumpf, Feuchtthermometer muss immer sauber gehalten werden • Wärmeübergang, In Abbildung 9.27 liegt zwischen Absorption und • Trägheit, Desorption der Messunsicherheitsbereich, d. h. die • Eispanzer (wirkt isolierend), Gleichgewichtslinie zwischen der relativen Feuchte • Dampfdruck über Eis oder Wasser, und der Materialfeuchte ist nicht eindeutig. • längerer Verbleib im hohen oder sehr niedrigen Tempera- Die Genauigkeit der Psychrometermessung nimmt mit sin- turbereich und gleichzeitigem Feuchtebereich <20 % rela- kender Temperatur ab. Bei gleicher relativer Feuchte ist die tiver Feuchte lässt die Haare reaktionsun»hig werden. Psychrometerdi¦erenz bei niedrigen Temperaturen geringer als bei hohen. Wenn also die absolute Messgenauigkeit bei Kapazitive Polymer-Hygrometer 0,1 K liegt, wird der relative Fehler für die relative Feuchte Bei der Kalibrierung von Polymerhygrometern wird eine immer größer je niedriger die Temperatur ist. Entsprechend sog. Sensorkennlinie ermittelt, die den Zusammenhang nimmt der relative Fehler des Dampfdrucks und der abso- zwischen Kapazität und Luftfeuchte ergibt. Abhängig vom luten Feuchte zu. Tabelle 9.14 zeigt die Größenordnung des verwendeten Dielektrikum lässt sich über einen Großteil relativen Fehlers für eine Temperaturdi¦erenz von nur 0,1 K. des Messbereichs eine annähernd lineare Kapazitätsände- rung mit der Luftfeuchte erzielen. Größere Messfehler tre- Tab. 9.14 Relativer Fehler bei der Psychrometermessung ten besonders bei Feuchten über 90 % auf. –30 –20 –10 0 10 20 30 t °C Das Ansprechverhalten (Sprungantwort) von Feuchtesenso- 13 5–6 3 1–2 1 <1 <1 ΔU % ren hängt sowohl von dem verwendeten Polymer wie auch der Filterkappe über dem Sensorelement ab. Bei Untersuchungen des Niederländischen Wetterdienstes (KNMI, vander Meulen

73 1988) wurde der Ein uss unterschiedlicher Filtermateria- 10.1.1 Messgrößen der Wolken lien auf das Sprungantwortverhalten von Feuchtesensoren untersucht und festgestellt, dass ungeeignete Filter zu einer Höhe der Wolkenuntergrenze Verzögerung der Sprungantwort führen können. Die Kenntnis Höhe der Wolkenuntergrenze trägt neben der Sichtweite in vielfacher Weise wesentlich zur Flugsi- Der von Vaisala neu entwickelte HMP155 mit Sensorelement cherheit bei. Sicht- oder Instrumenten ugregeln in den HUMICAP180R mit PTFE-Filter (PTFE-Polytetra uorethy- verschiedenen Lufträumen oder An- und Ab üge werden len, Handelsname Te on) reagiert erheblich langsamer als durch die Höhe der Wolkenuntergrenze und der Sichtweite der alte, nicht mehr produzierte HMP45D mit dem Sensor- bestimmt. Die Einstufung im GAFOR-Code und die Festle- element HUMICAP180. Durch die speziell aus PTFE einge- gung des Colour Code (in der militärischen Fliegerei) er- setzten Filter ensteht unter der Filterkappe ein Mikroklima, folgen neben der Sichtweite mit der sog. Hauptwolkenun- indem der Sensor dann je nach Filterart anders auf Tempe- tergrenze (ceiling). Die Entscheidungshöhe wird ebenfalls ratur- und Feuchteänderungen reagiert. Die PTFE-Sinter¤l- durch die ceiling festgelegt. Dabei haben sich die Grenzen ter scheinen daher für eine meteorologische Anwendung in den letzten Jahrzehnten mit verbesserter Technik im nicht geeignet. Dagegen reagiert die beheizte Version des Luftverkehr immer weiter nach unten verschoben, wodurch HMP155 am schnellsten auf eine Feuchteänderung. die Anforderungen an die Genauigkeit der Angabe der Wol- kenuntergrenze immer größer wurden. Für eine schnelle und korrekte Messung ist daher die Wahl geeigneter, durchlässiger Filter von besonderer Wichtigkeit, Bedeckungsgrad da diese zu einer Verkürzung des Sprungantwortverhaltens Es ist zwar möglich, den Bedeckungsgrad zu messen, aber von Feuchtesensoren führen. auch heute noch eine messtechnisch große Herausfor- derung, die dann nur bedingt brauchbare Informationen liefert, wenn mehrere Wolkenschichten erfasst werden . MESSUNG DER WOLKENHÖHE UND WOLKEN sollten. Dabei werden 180°-Himmelskameras („All-Sky-Ka- BEDECKUNG meras“) zur Bestimmung des Wolkenbedeckungsgrades eingesetzt, die durch eine spezielle Optik den gesamten oberen 10.1 Allgemeines Halbraum fotogra¤eren. Daraus wird dann mit verschiedenen Algorithmen der Wolkenbedeckungsgrad abgeleitet. Die Wolkenbeobachtung und -Messung ist aus synopti- Im Routinedienst bleibt es wohl auch in naher Zukunft bei scher wie klimatologischer Sicht von großer Bedeutung. In einer Schätzung durch den Wetterbeobachter. ihrer Aussage über den Zustand der Atmosphäre liegt die Bedeutung für die Analyse und Vorhersage. Wolken spie- Im DWD wird zur automatischen Ermittlung des Wolken- len eine bedeutende und komplexe Rolle im Klimasystem. bedeckungsgrades der AWO-Algorithmus eingesetzt. Er Sie sind Modulator im Strahlungs- und Energiehaushalt basiert auf dem ASOS-Algorithmus des amerikanischen sowie wichtiger Bestandteil des hydrologischen Zyklus. Wetterdienstes und nutzt die Wolkenhöhenmessungen Die bessere Erfassung der dreidimensionalen Verteilung der Ceilometer (siehe 10.3.1) als Input. Der Bedeckungsgrad der Bewölkung sowie der zugehörigen Wolkenparameter wird aus den in der vergangenen Stunde am Standort von ist von großem Interesse für den Wasserkreislauf. Ein Teil den Wolkenhöhenmessern detektierten Wolkenschichten der Wasservorräte der Erde be¤ndet sich in einem stetigen abgeleitet. Dadurch wird die räumliche Integration, mit der Kreislauf und Wechsel des Aggregatzustands. Von den Mee- ein Wetterbeobachter den Bedeckungsgrad ermittelt durch res- und Land ächen verdunstet das Wasser. Der dadurch eine zeitliche Integration ersetzt. entstehende Wasserdampf kondensiert in der Troposphäre durch hebungsbedingte Abkühlung zu Wolken. Die bei die- Wolkenobergrenze sem Phasenwechsel freigesetzte latente Wärmeenergie wird Alle im Einsatz be¤ndlichen Messgeräte erfassen die Obergren- bis zu 80 % vom Erdboden aus in die Atmosphäre transpor- ze nur bedingt, d. h. es gibt kein zufriedenstellendes Ergebnis. tiert. Mit dem aus den Wolken ausfallenden Niederschlag Daher muss insbesondere im Flugwetterdienst, wo die Kennt- schließt sich der für den Energiehaushalt der Erde für das nis dieser Angabe von Bedeutung ist, diese aus anderen Infor- Leben so wichtige Kreislauf des Wassers. mationen (Satellitendaten, Radardaten, Flugzeugmeldung, Ra- diosondenaufstiege, Bergstationen) abgeleitet werden. Der Ein uss der Wolken auf den solaren Strahlungs uss variiert mit dem Einfallswinkel der Strahlung, mit der Wol- Art der Bewölkung (Wolkengattung) kengattung, dem Bedeckungsgrad und der Dicke und Dichte Für sie gibt es bis heute keine Messtechnik, daher muss diese von Wolken. Wolken streuen und absorbieren die kurzwel- nach wie vor durch einen Beobachter bestimmt werden. Mit lige Sonnenstrahlung und schwächen damit die Global- Hilfe der digitalen Bildverarbeitung ist es allerdings, neben strahlung. Ein Teil der in Wolken gestreuten Strahlung wird der Erfassung des Bedeckungsgrades möglich, mit statisti- als di¦use Strahlung in den Weltenraum re ektiert. Der schen Hilfsmitteln eine automatische Wolkenklassi¤kation Rest gelangt als di¦use Transmission zur Erdober äche. Bei durchzuführen. einer geschlossenen Wolkendecke werden im Jahresmittel nur etwa 20 % bis 25 % der an ihrer Obergrenze einfallenden Globalstrahlung hindurch gelassen.

74 10.1.2 Maßeinheiten der Wolkenuntergrenze Die Theorie von RAYLEIGH (J. W. Rayleigh, 1842–1919) beschreibt die Streuung elektromagnetischer Wellen an kugel- Die Wolkenhöhen werden grundsätzlich in der Einheit förmigen Teilchen, deren Durchmesser wesentlich kleiner Meter bestimmt. Im Flugwetterdienst werden die Höhen als die Wellenlänge ␭ ist. Diese Bedingung ist bei der Streu- größtenteils noch in Fuß angegeben. Da die Längeneinheit ung von Licht an Molekülen der Luft erfüllt (bei Eis kann al- Fuß von dem angelsächsischen Yard (yd) abgeleitet ist, ist lerdings nicht unbedingt von einer Kugelform ausgegangen diese Maßeinheit in Tabelle 10.1 der Vollständigkeit halber werden). Das Gesetz von RAYLEIGH lautet (vereinfacht) mit angegeben, obwohl sie in der Praxis keine Bedeutung mehr hat. (10.1)

Tab. 10.1 Umrechnung von Längeneinheiten mit ␣ ␭ = Streukoe¾zient ␭ = Wellenlänge (μm) Meter (m) Fuß (ft) Yard (yd)

1 Meter – 3,2808 1,0936 Es besagt, dass die Streufunktion bzw. der Streukoe¾zient 1 Fuß 0,3048 – 0,3333 der 4. Potenz der Wellenlänge umgekehrt proportional ist, d. h. bei der Rayleigh-Streuung werden die kürzeren Wel- 1 Yard 0,9144 3 – lenlängen stärker gestreut. Die Streuanteile für Vorwärts- Faustformel und Rückwärtsstreuung sind gleich groß. Licht im sichtba- 1 Fuß 3/10 ren Bereich und Infrarotlicht unterscheiden sich in ihrer Frequenz und damit auch in ihren Wellenlängen. 1 m 10/3 Die Theorie von MIE (Gustav A.L. Mie, 1868–1957) beschreibt 10.2 Allgemeine Messprinzipien zur Messung der dagegen die Streuung elektromagnetischer Wellen an (kugel- Wolkenuntergrenze förmigen) Wolkenelementen (10 μm bis 100 μm), deren Durch- messer in etwa der Wellenlänge der auftre¦enden Strahlung Bei der Bestimmung der Wolkenuntergrenze unterscheidet entspricht. Nach der Theorie von Mie ist die Streuung umge- man zwischen Schätzung und Messung. Dabei kommt der kehrt proportional ␭n, wobei den durchschnittlichen Verhält- Schätzung der Wolkenuntergrenze, obwohl sie gewissen nissen in der Atmosphäre n = 1,3 entspricht, d. h. bei der Mie- subjektiven Ein üssen unterliegt, neben der Messung noch Streuung besteht im Gegensatz zur Rayleigh-Streuung nur immer eine wichtige Rolle zu, da auch moderne Messgeräte eine schwache Abhängigkeit von der Wellenlänge, dagegen nicht das gesamte Wolkenbild wiedergeben können und so eine starke von den Materialeigenschaften der streuenden der Wetterbeobachter gefordert ist. Teilchen. Außerdem ist die gestreute Strahlung hautsächlich noch vorn (Vorwärtsstreuung) gerichtet. Wird die Untergrenze als die Zone betrachtet, in der die Lichtschwächung durch Streuung und Re exion an Was- In der Praxis ist die Mie-Streuung deutlich größer. Vor allem sertröpfchen oder Eiskristallen erfolgt, so wird klar, dass nach Naturkatastrophen wie Vulkanausbrüche ist diese zu- diese Untergrenze oft nicht eindeutig bestimmt werden sätzliche Extinktion besonders stark. Bei noch größeren kann, weil sie unscharf ist und meist nicht eben (speziell Teilchen, die die Wellenlänge deutlich überschreiten, gibt bei tiefen Wolken) auftritt. Das Re exionsvermögen ist es überhaupt keine Wellenlängenabhängigkeit mehr. nämlich ein Funktion vieler Faktoren wie Tröpfchengröße und -Anzahl (Wassergehalt), Dicke der Wolke, Richtung In den Wetterdiensten werden heutzutage meist die nachfol- vom Messgerät zur Wolke und Wellenlängenabhängigkeit. gend beschriebenen, zwei unterschiedlichen Messprinzipi- Zusätzlich unterschiedlich sind die Streu- und Absorpti- en zur Messung der Höhe der Wolkenuntergrenze genutzt. onseigenschaften von Wassertropfen und Eiskristallen und daher unterschiedlich auch die optischen Eigenschaften 10.2.1 Messungen der Laufzeit von Laserimpulsen von Flüssigwasser- und Eiswolkenpartikel. Eine Reihe von meteorologischen Messgeräten basieren Die Lichtschwächung durch Streuung und Re exion betri¦t seit vielen Jahren auf der LASER-Technik (LASER- Light nicht nur die Messung der Wolkenuntergrenze, sondern in Ampli¤cation by Stimulated Emission of Radiation). Die unterschiedlicher Weise auch Sichtmessgeräte (siehe 13.3), Übersetzung bedeutet so viel wie: Lichtverstärkung durch die Strahlungsmessgeräte (siehe 14.3) und teilweise auch stimulierte Emission von Strahlung. Die besonderen Ei- optische Niederschlagssensoren (siehe 11.3.3). Da der Licht- genschaften von Laserstrahlen, die sich stark von Licht aus verlust durch Streuung im sichtbaren Bereich im Vergleich klassischen Lichtquellen unterscheiden sind mit infrarotem (IR-)Licht deutlich reduziert ist, werden die- • ein sehr enges Frequenzspektrum, d. h. Laserlicht hat se Sensoren oftmals mit IR-Sensoren ausgestattet. nur eine Farbe, ist also monochromatisch, mit hoher Energiedichte, Da in den meteorologischen Routinemessnetzen die „Parti- • Laserstrahlen sind auch über größere Entfernungen fast kel-/Aerosolverteilung“ jedoch nicht erfasst wird, müssen noch parallele, scharf gebündelte Lichtstrahlen, die sich theoretische Überlegungen von Rayleigh und Mie herange- mit optischen Linsen bündeln lassen und zogen werden. In der Atmosphäre kommen Rayleigh- und • große Kohärenzlänge (Lichtwellen eines Strahls schwin- Mie-Streuung immer gemeinsam vor. gen im gleichen Takt).

75 Es gibt unterschiedliche LASER-Arten, die hauptsächlich Aufgrund der Forderung nach der Augensicherheit des Ge- nach ihrem aktiven Material kategorisiert und benannt rätes darf die Ausgangsleistung von Laserdioden nur sehr werden. In der meteorologischen Messtechnik sind meist klein sein. Die zu detektierenden Impulse sind daher (be- • Gaslaser, meist Gasgemische bei denen ein Gas das aktive sonders von hohen Wolken) sehr schwach. So kann das Medium ist, Rauschen des Emp»ngers stärker sein als eine einzelne • Festkörperlaser, die ersten Lasertypen überhaupt, beste- Amplitude des Lichtimpulses. Es müssen daher mehrere hend aus Kristallen oder Gläsern, Impulse addiert werden, bis ein signi¤kantes Signal den • Halbleiter-Laser (Laserdiode). Rauschpegel überragt. Je mehr Impulse addiert werden, desto günstiger wird das Signal-Rausch-Verhältnis. Seit Einstein weiß man, dass es drei Wechselwirkungen zwischen der elektromagnetischen Strahlung und einem Sicherheitshinweise zum Umgang mit Laser siehe Anhang 6.2. Atom gibt, nämlich • die Absorption von Photonen, LIDAR-Systeme wurden ursprünglich zur automatischen • die spontane und Emission von Elektronen, Messung der Wolkenhöhe bzw. der Wolkenuntergrenze be- • die induzierte Emission von Elektronen [11]. scha¦t und kon¤guriert, vor allem zur Messung von Wol- ken aus Wasser und Eis. Seit vielen Jahren werden LIDAR- Das Laserprinzip beruht auf der Anregung von Atomen, in- Systeme auch in der Wissenschaft zur Erforschung von dem Elektronen auf ein höheres Niveau gehoben werden. atmosphärischen Partikeln verwendet. Die Eignung von Dafür gibt es unterschiedliche Methoden. Ceilometer zur Partikelmessung wird im Rahmen eines Pro- jektes an den Meteorologischen Observatorien des DWD auf Die optische Abstandsmessung in der meteorologischen dem Hohenpeißenberg (MOHP) und in Lindenberg (MOL) Messtechnik mittels LIDAR (Light Detection and Ranging), untersucht. Ein Ceilometer ist im Prinzip ein leistungs- ist eine Weiterentwicklung der Lasertechnik und eine dem schwaches, aber kostengünstiges LIDAR, mit einem nach Radar verwandte Methode. Dabei wird mit Hilfe kurzer oben gerichteten Lichtstrahl. Laserimpulse im nahen Infrarotbereich (NIR-Bereich) die Atmosphäre vom Boden bis in große Höhen vertikal abge- 10.2.2 Messungen mit dem Nachtwolkenscheinwerfer/ tastet. An Aerosolschichten und Wolken(-tröpfchen) wird Ceilometer mehr Licht zurückgestreut als an kleinen Luftmolekülen. Dieser re ektierte Anteil wird vom Emp»nger aufgenom- In früheren Zeiten waren Wolkenhöhenmesser starke men, Laufzeit und Intensität des rückgestreuten Lichtsig- Scheinwerfer, die einen gebündelten Lichtstrahl senkrecht nals werden analysiert. Aus der Laufzeit werden in einem nach oben abstrahlten, der an der Wolkenuntergrenze ei- Mikroprozessor die zurückgelegte Entfernung und damit nen Licht eck erzeugte, der von einer Beobachtungsstation die Wolkenuntergrenze berechnet. in einer bekannten Entfernung vom Scheinwerfer aus mit einem Pendelquadranten angepeilt wurde. Abb.10.1 LIDAR-Funktionsprinzip Abb. 10.2 Messprinzip Nachtwolkenscheinwerfer

Die Entfernung zur Wolkenuntergrenze h ergibt sich also aus

(10.2) Der an der Bodenstation gemessene Winkel zwischen der mit c = Lichtgeschwindigkeit Horizontalen und der Sichtlinie zum Licht eck diente zur t = Zeit zwischen Aussenden und Empfang eines Berechnung der Höhe der Wolkenuntergrenze. Mit dem ge- Lichtpulses messenen Winkel ␣ und der bekannten Basislänge b kann

76 die Höhe der Wolkenuntergrenze mit Hilfe der trigonomet- Abb. 10.3 Funktionsprinzip LD 40 (Vaisala) rischen Beziehung

h = b · tan ␣ (10.3) mit b = Abstand zwischen Sender und Beobachter/Emp- »nger berechnet werden. Mit der Formel kann eine Tabelle erstellt werden, aus der mit Hilfe des gemessenen Winkels die Höhe direkt abgelesen werden kann, wenn zwischen dem Standort des Beobachters und dem Nachtwolkenschein- werfer eine feste Basislänge von 200 m bis 300 m festgelegt ist. Diese Methode ist, wenn normales Licht verwendet wird nur nachts und am Tag nur bei starker Bewölkung möglich. Unter günstigen Bedingungen können bis zu drei Wolken- Wird anstelle eines einfachen Scheinwerfers Impulslicht schichten detektiert werden. Der Wolkenbedeckungsgrad oder moduliertes Licht und ein photoelektrischer Emp- wird aus der zeitlichen Integration der Einzelmessungen »nger eingesetzt, kann dieses Messprinzip auch tagsüber ermittelt. eingesetzt werden. Impulslicht wird von einem Sender abgestrahlt und der Licht eck wird von einem, in einem Das Ceilometer LD40 besteht aus folgenden Funktionsein- festgelegten Abstand stehenden Emp»nger mit einer Pho- heiten: todiode (siehe 6.3) abgetastet. Auch in diesem Fall ist die Sender (Tab. 10.2) mit Laserdiode als Lichtemitter und den trigonometrische Methode (10.3) die Grundlage der Berech- Regeleinrichtungen Referenzdetektor und Laserleistungs- nung. regler.

Vorteil dieser Methode ist der geringe Geräteaufwand mit Tab. 10.2 Spezi¯kationen Sender LD40 (Vaisala) dem Wolkenhöhen bis etwa 3000 m gemessen werden kön- InGaAs Laserdiode* Transmitter nen. Wolkenhöhenmesser wurden allerdings in der Vergan- (Laserklasse 3A) genheit immer mehr durch das LASER-Prinzip ersetzt. Hauptwellenlänge 0,865 μm ±0,002 μm 10.3 Sensoren/Messgeräte Impulsdauer 75 ns Impulswiederholungsrate 6494 Hz 10.3.1 Laserceilometer Maximale Bestrahlungsstärke 50 μW m–2 LD40 „Tropopauser“ Maximale Bestrahlung pro Laserpuls 77 μJ m–2 Der LASER – Ceilometer LD40 der Fa. Vaisala ist ein Wol- Pulsenergie 1 µJ kenhöhenmesser, der nach dem Prinzip der Messung der Laufzeit des Lichtes arbeitet (LIDAR). Bei den im DWD ein- Optik (Brennweite) Durchmesser 140 mm gesetzten Sensoren sind Sender und Emp»nger zusammen Divergenz 1,2 mrad in einem Gehäuse untergebracht, wobei die optischen Ach- Focuslänge 500 mm sen von Sender und Emp»nger parallel verlaufen, durch die * Indium Gallium Arsenid (Halbleiter-Laser) Divergenz des Lichtstrahls jedoch sich am Licht eck über- lappen, da sonst keine Impulse in den Emp»nger eingehen Um ein Driften der Wellenlänge zu verhindern, wird die würden. Dadurch, dass je eine Achse für emittiertes und Temperatur des Sendesystems konstant gehalten. empfangenes Licht zur Verfügung steht, ist eine permanente Messung möglich. Emp¬nger (Tab. 10.3) mit einer Photodiode (siehe 6.3) als Lichtsensor mit großer Emp¤ndlichkeit bereits bei schwa- Da die Laufgeschwindigkeit des Lichts bekannt ist, kann die chen Signalen. Weiter gehören zum Emp»nger die Re- Entfernung der Re exions äche (Wolkenuntergrenze) aus geleinrichtungen Test-Laser, Test-Emp»nger und einem der Laufzeit zwischen Aussendung und Empfang der Sig- schnellen A/D-Wandler (Flash-ADC) mit Datenverarbeitung. nale abgeleitet werden. Neben diesen Messdaten sind im Da die Laserdiode mit einer stabilen Wellenlänge arbeitet, Datentelegramm auch Informationen über den maxima- kann ein Schmalband¤lter mit nur 0,0081 μm Halbwertbrei- len Detektionsbereich, Messwerte zur vertikalen Sichtwei- te zur Unterdrückung des Tageslichtes genutzt werden. te und auch Informationen über die LASER-Leistung und Emp»ngeremp¤ndlichkeit enthalten.

77 Tab. 10.3 Spezi¯kationen Empfänger LD40 (Vaisala) Abb. 10.4 Signale des LD40 (Vaisala) Empfänger Si-Avalanche-Photodiode* 25 bis 43.000 ft Messbereich (5 bis 3.000 m bzw. 15.000 m) Auösung/Mess- ±25 ft bzw. 7,5 m genauigkeit Messrate und Daten- 4 pro Minute übertragungsrate Detektion bis zu 3 Wolkenschichten 230 V AC Elektronik 20 W Stromversorgung Scheiben- und Linsenheizung 2x100 W Innenheizung 2x100 W Scheibengebläse 80 W Die Spannung der Signale liegen als Funktion U = f (t) vor, *Avalanche engl. = Lawine ⇒ hohe Emp¤ndlichkeit auch bei schwachen Signalen welche dem höhenabhängigen Amplitudenverlauf A = f (H) entspricht. Funktionsbeschreibung Gesamtgerät: Der Sender startet alle 15 s einen neuen Messalgorithmus. Die sortierten Signale werden durch die 68.000 CPU (Pro- Durch die Photodiode werden 30.000 bis 65.000 re ektierte zessor) übernommen und die Funktion nach den Kriterien Signale gesammelt. Die genaue Zahl ist von der Impulsdau- Amplituden, Signalanstiege und Signalab»lle untersucht er, also von der Rückstreudauer abhängig. Bei vielen star- und daraus die verschiedenen meteorologischen Phänome- ken Rückstreusignalen (also aus kurzer Entfernung) ist der ne im Messbereich ermittelt, und zwar Speicher entsprechend schnell voll. Bei vielen schwachen • jeweilige Eindringtiefe, Signalen (also aus großer Entfernung) sind mehr Signale für • Höhe der Wolkenuntergrenzen (maximal 3), die Befüllung der 2.048 verschiedenen Speicher (möglichen • vertikale Sichtweite („VERTI“), Höhen) erforderlich und es dauert entsprechend länger. Als • maximaler Messbereich („MROD“), Nebene¦ekt wird durch die Aufsummierung das Emp»n- • fallender Niederschlag ja/nein, Nebel, Dunst gerrauschen auch durch schwache Signale überschritten. Die CPU erstellt aus den ermittelten Daten das Datentele- Jeweils nach Abschluss der Messroutine werden die Aus- gramm und sendet dieses an die Hauptschnittstelle. wertung der zurück gestreuten Signale und die Bestimmung der Wolkenhöhe durch den Mikroprozessor durchgeführt. Findet der Wolkenhöhenalgorithmus Hinweise auf Nie- derschlag, meldet er eine Zahl zwischen 1= leichter und 3 = Der maximale Höhenmessbereich (MROD) des LD40 ergibt starker Niederschlag, 0 = ohne Niederschlag. sich aus den 2.048 Inkrementen, aufgeteilt in zeitlichen Ab- ständen von 50 ns bzw. 25 ft (1 ns entspricht 1 ft bei einfachem Abb. 10.5 Laserceilometer LD40 “Tropopauser” (Foto:Vaisala) Weg = „Lichtfuß“), also 51.200 ft. Da das Rückstreusignal von höheren Wolken aber zu schwach ist, ist der Höhenmessbe- reich real auf 43.000 ft beschränkt. Jedes Wolkenhöheninkre- ment entspricht einer bestimmten Lauf- und Durchlasszeit des sich fortp anzenden Lichts. Über einen Flash-ADC wird nacheinander jedes einzelne Inkrement eines rückgestreu- ten Signalpakets digitalisiert, nach ihrer Höhe sortiert und jeweils zeitgleiche Signale (der 2.048 möglichen Höhen) durch die Elektronik aufsummiert und in einem Zwischenspeicher abgelegt. Danach erfolgt die Summenbildung gleicher Inkre- mente der im Zwischenspeicher abgelegten zu den im Haupt- speicher bereits summierten Signalamplituden. Am Ende eines Messzyklus liegen die integrierten Rückstreuamplituden (A) aller Wolkenhöheninkremente als Funktion der Wolken- Bei Niederschlag „Ja“ wird das Scheibengebläse eingeschal- höhe (H) A = f (H) vor, die dann für wissenschaftliche Zwecke tet, um diesen von den Gerätescheiben abzublasen. Ohne verfügbar sind. Niederschlag ist das Gebläse entweder jeweils 3 min ein- und 4 min ausgeschaltet oder permanent eingeschaltet (je Die vertikale Sichtweite „VERTI“, sie entspricht näherungs- nach Einstellung). weise dem, was das menschliche Auge erfassen kann. Sie wird durch Wolken, Nebel, Dunst, Regen oder Schnee be- Der Sensor für die Scheibenheizung ist ein temperaturab- grenzt und im Datentelegramm in allen Fällen mitgeteilt, hängiger Widerstand. Zwischen der oberen Scheibe und der bei denen der maximale Messbereich von 43.000 ft nicht Senderlinse ist (neben der Linsenheizung) noch ein Sensor überschritten wird. für die Scheibenrückstreuung – eine Photodiode – ange-

78 bracht. Mit ihrer Hilfe kann auf den Scheibenverschmut- Abb. 10.8 Laserceilometer CL31 (Foto: Vaisala) zungsgrad geschlossen werden.

Abb. 10.6 Sende- und Empfangsmodul LD40 (Vaisala)

1 = Heizelement Zusätzlich werden Statusinformationen gemeldet. Zuver- 2 = Temperatursensor, Netz-Ein-Anzeige PCB 1489 lässiger Betrieb ist bei jedem Wetter gewährleistet. Modu- lares Design vereinfacht Installation und Wartung. Umfas- Eine kleine Optik davor sammelt die Lichtimpulse, die von sende Selbstdiagnose mit Fehleranalyse. der Scheibe zurückgestreut werden. Während der Wolken- höhenmessung wird die Laserdiode als Lichtquelle für die Tab. 10.4 Spezi¯kationen CL31 (Vaisala) Scheibenrückstreumessung genutzt. InGaAs* Laserdiode Klasse 1M (IEC/EN 60825-1) Das doppelwandige Gehäuse ist mit einer thermostatge- steuerten Heizung ausgestattet und erlaubt den Einsatz un- Wellenlänge 0,910 μm ter verschiedensten klimatischen Bedingungen. Messbereich 0 bis 7,5 km (0 bis 25.000 ft) Pulsfrequenz 10 kHz CL31 Dieses Ceilometer der 2. Generation der Fa. Vaisala hat eine Impulsdauer 100 ns hoch entwickelte Einzellinsenoptik, die auch bei sehr ge- Auösung 5 m (10 ft) (Einheiten wählbar) ringen Höhen Messungen ermöglicht. Die Messung startet Messzyklus programierbar, 2 bis 120 s bei 0 m Höhe. Für die Überlappung sorgt eine Linse, durch die im Innenbereich der Laserstrahl nach außen tritt und Einsatzbedingungen –40 bis +60 °C, 0 bis 100 %, ≤55 m s–1 im Außenbereich der re ektierte Lichtstrahl herein kommt. Versorgungs- 100/115/230 V AC Weiterhin re ektiert ein Spiegel mit einem Loch in der Mit- spannung te die eingehenden Rückstreusignale zum Emp»ngerteil Leistungsaufnahme max. 310 W einschließlich Heizung (Abb. 10.7). * Indium Gallium Arsenid (Halbleiter-Laser)

Abb. 10.7 Sender des CL31 (Foto: Vaisala) Das Laserceilometer CL31 ist im automatischen Beobach- tungssystem MIDAS IV/AviMeT (siehe 18.4) und u. a. bei der Deutschen Marine auf 5 Korvetten im Einsatz.

Abb. 10.9 Beispiel Registrierung des CL31 (Foto: Vaisala)

Es können bis zu bis 3 Schichten erfasst werden, wobei auch dünne Wolkenschichten unter dichter Wolkendecke erfassbar sind. Die vertikaler Sichtweite und die Wolkenerfassung sind auch während Niederschlägen zuverlässig messbar.

79 Vergleich von Laserceilometer LD40 und CL31 Bei der Signalaufnahme im CHM 15k kommt ein Photonen Im Rahmen der Bewertung der Luftqualität in städtischen zählender Photodetektor zum Einsatz. Die Vorteile bei die- Gebieten wurden im Mai 2007 in Augsburg 1 LD40 und 2 sem Verfahren liegen in der sehr emp¤ndlichen Nachweis- CL31 Laserceilometer der Fa. Vaisala zur Beobachtung der technik gegenüber Analogmessverfahren und können be- vertikalen Aerosolverteilung eingesetzt. Aufgrund unter- sonders in Bereichen mit geringer Zählrate genutzt werden. schiedlicher Technik beider Geräte zeigte sich in den un- Dies betri¦t sowohl das Nutzsignal als auch „Rauschsignale“ tersten 200 m über Grund, dass das Ein-Linsen-System z. B. des Hintergrundlichtes. des CL31 besser die Verteilung des Aerosols erfasst. Weitere Unterschiede in größeren Höhen resultieren aus den unter- Abb. 10.11 Laserceilometer CHM 15k, Laseraustritt (Foto: Jenoptik) schiedlichen Wellenlängen der beiden Geräte.

CHM 15k Die Sensoren Laserceilometer LD40 von Vaisala und CHM 15k von Jenoptik haben nahezu das gleiche Funktionsprin- zip. Unterschiede sind u. a. in der Verwendung eines Fest- körperlasers beim CHM 15k mit anderer Wellenlänge und einer sehr hohen Leistungsdichte.

Abb. 10.10 Laserceilometer CHM 15k (Foto: Jenoptik)

1 Laseraustritt 2 Gehäusehaube 3 Glasscheiben

Zur Bestimmung der Wolkenuntergrenze werden die empfangene und die entfernungskorrigierte Rückstreuleis- tung betrachtet. Der Algorithmus detektiert eine Wolke, sobald die Kurve einen bestimmten Schwellenwert übersteigt. Dann beginnt eine Durchsuchung unterhalb des Schwellen- wertes zur Bestimmung der Wolkenunterkante und ober- Aus den erhaltenen Daten der Vertikalsondierung werden die halb zur Bestimmung der Extinktion der Wolke. Höhenzuordnung – bis maximal 15 000 m – der Aerosol- oder Wolkenuntergrenzen und die vertikale Sichtweite ermittelt. Abb. 10.12 Mehrere Wolkenschichten, konvertiert RGB (Jenoptik) Weiterhin werden Mischungsschichthöhe, Nebelereignisse und ein einfacher Niederschlagstyp-Index ausgegeben.

Tab. 10.5 Spezi¯kationen CHM 15k (Jenoptik) Messprinzip Optisch (LIDAR) Nd: YAG* Festkörperlaser, Laser- Lichtquelle schutzklasse 1M n. DIN EN 60825-1 Wellenlänge 1,064 μm Messbereich 15 bis 15 000 m (50 bis 50000 ft) Auösung 15 m (50 ft) Die Wolkeneindringtiefe wird als Di¦erenz zwischen dem Genauigkeit ±5 m (16 ft) Überschreiten und dem Unterschreiten des Schwellenwer- tes durch den Signalverlauf de¤niert. Beide Werte ergeben Messzeit 5 s bis 60 min, typisch 30 s die Standardabweichung der Eindringtiefe einer Wolken- (programmierbar) schicht. Bandbreite 0,0001 μm Pulsdauer 1 bis 5 ns Der maximale Detektionsbereich entspricht der maximalen Entfernung, aus der noch signi¤kante Signale gemessen Pulswiederholrate 5 bis 7 kHz werden. Er ergibt sich aus dem Signal/Rauschverhältnis in Strahldurchmesser aufgeweitet: 90 mm Abhängigkeit von der Entfernung. In Höhen außerhalb der (1/e2) Grenzschicht werden signi¤kante Signale nur noch durch Laserdivergenz 0,3 mrad Wolken erzeugt. Der maximale Detektionsbereich wird über die Endringtiefe der höchsten detektierbaren Wolken- Langzeitstabilität <10 % über 12 Monate schicht bestimmt. Einsatzbedingungen –40 bis +55 °C, 0 bis 100 % Versorgungs- Die Rayleigh-Streuung (siehe 10.2) an Luftmolekülen ist bei 230/110 V ±10 % spannung einer Wellenlänge von 1,064 μm unbedeutend. Aus dem Si- gnalverlauf stellen sich die Schichten als Signalausschläge Leistungsaufnahme 250 W, 800 W (bei max. Heizung) mit bestimmten Intensitäten dar. Die Entfernung der Aero- * Nd: YAG – Neodym-dotierter Yttrium-Aluninium-Granat-Kristall

80 solschichten wird über die Laufzeit des ausgesandten Licht- Abb. 10.15 Grenzschicht PBL, konvertiert RGB (Jenoptik) pulses bestimmt.

Die Bestimmung der vertikalen Sichtweite (VOR – Verti- cal Optical Range) erfolgt gemäß einer VDI. Ausgangspunkt sind die Extinktionswerte ␣. Die Integration über diese Werte wird bis zu einem Schwellenwert von 3 durchgeführt. Die Entfernung, bei der der Schwellenwert 3 erreicht wird, ist de¤nitionsgemäß die vertikale Sichtweite VOR

(10.4)

Sowohl Nebel als auch Arten von Niederschlag werden als Das Gehäuse des CHM15k besteht aus korrosionsfestem Mehrfachstreuung erkannt. Aufgrund eines engen Gesichts- Aluminium und ist zweischalig aufgebaut, kombiniert mit feldes der Wolkenhöhenmesser werden typischerweise nur integriertem Lüfter und automatischem Heizsystem. Die Einfachstreuprozesse als Signalausgabe betrachtet. Insbe- Außenschale hat die Aufgabe, die äußeren Ein üsse wie sondere in den unteren Höhenschichten, unterhalb von Sonnenstrahlung, Wind, Regen und Schnee auf das die 400 m Höhe werden durch starke atmosphärische Trübun- Messeinheit tragende Innengehäuse zu dämpfen. Die zwi- gen stärkere Signale gemessen als sie mit Einfachstreupro- schen Außenschale und Innengehäuse vorhandene Kamin- zessen auftreten könnten. wirkung unterstützt diesen Prozess.

Abb. 10.13 Nebel, konvertiert RGB (Jenoptik) Abb. 10.16 Cirrusbewölkung, konvertiert RGB (Jenoptik)

Ein Integral über dem Signal wird in unteren Höhenberei- Die im DWD verbreitet eingesetzten Ceilometer CHM 15k chen zur Auswertung und Unterscheidung von Nebel und können bei klarem Wetter qualitativ Aerosol- und Staubteil- Niederschlag genutzt. chen bis in einige Kilometer Höhe entdecken. Bei dichten Wolken allerdings werden die Signale stark absorbiert, so Abb. 10.14 Regen, konvertiert RGB (Jenoptik) dass dann aus dem darüber liegenden Höhenbereich kein Rückstreusignal mehr empfangen werden kann.

Ein weiteres Beispiel, aufgenommen mit dem Laserceilo- meter CHM 15k am MOHP stammt vom April 2010, als der Vulkan EyjaÍallajökull (1666 m NHN) auf Island ausbrach und die Aschewolke auch über Deutschland zog.

Abb. 10.17 Rückstreuintensität Ceilometer CHM 15k, April 2010 MOHP

Vom Boden emittierte Abgase verteilen sich abhängig von atmosphärischen Gegebenheiten bis in bestimmte Höhen der Atmosphäre. Die daraus resultierende Aerosolschicht weist eine typische Signatur im Rückstreusignal auf und die Obergrenze wird als Mischungsschichthöhe bezeichnet.

81 Zunächst ist die bodennahe Grenzschicht gut erkennbar, In der inneren Tür des CHM 15k ist ein Beutel mit Tro- in der sich durch Verkehr, Industrie und anderen Quellen ckenmittel geklebt. Die Fa. Jenoptik schreibt in ihrer War- die Abgase konzentrieren. Sie unterscheidet sich deutlich tungsanleitung als Empfehlung, den Beutel alle 2 Jahre zu durch rötlich-gelbe Farben von dem darüber liegenden wechseln. Allerdings wird davon ausgegangen, dass die Bereich der Atmosphäre. Eingekreist sind die vorbeidrif- innere Tür bei einer Wartung nicht geö¦net wird. Um den tenden Luftschichten mit stark erhöhter Konzentration an USB-Stick bei der Wartung zu wechseln, muss auch die Tür Aerosolen bzw. Partikeln des Island-Vulkans. Besonders am geö¦net werden, dies bedeutet eine wesentlich schnellere 17.04. erkennt man die vormittags von anfangs etwa 6,5 km Sättigung des Trockenmittels. Ist die Kapazität des Trocken- auf 2,5 km Höhe absinkenden Partikel. Ursache hierfür war mittels erschöpft, so wird es weich wie „Pudding“ und muss hoher Luftdruck. ausgewechselt werden. Sollte der Beutel nicht gewechselt werden, so tritt irgendwann eine Durchfeuchtung auf, der Auch Sandstürme sind mit diesem Ceilometer erfassbar. Beutel wird undicht und leckt. Die austretende Feuchtigkeit Am MOHP und am Schneefernerhaus (Teil der GAW, Global- tropft genau auf die Heizung und setzt u. U. Dämpfe frei. station Zugspitze/Hohenpeißenberg) wurden mit den dort Die Dämpfe können sich auf Elektronik und der Optik nie- aufgestellten Jenoptik-Ceilometern am 8. Juni 2010 erhöhte derschlagen und Schäden anrichten. Um ein austreten der Rückstreukoe¾zienten in der planetaren Grenzschicht und Feuchtigkeit aus den Beuteln zu verhindern, müssen diese bis in eine Höhe von 4 km gemessen. Die erhöhte Rück- rechtzeitig gewechselt werden. Der Wechselzyklus ist vor- streuung war auf die Zunahme streuender Teilchen in der läu¤g auf 1 Jahr festgelegt. Sollte die Erfahrung zeigen, dass Atmosphäre zurückzuführen. dies immer noch zu lang ist, dann ist der Zyklus ggf. nach eigenem Ermessen zu kürzen. Dies war besonders im Tagesverlauf des 10. Juni zu beobachten. Zwischen 2 km und 4 km Höhe trat vor allem in den Das Gerät sollte wegen der Heizung immer am Netz bleiben, Abendstunden eine starke Zunahme der Rückstreuung auf, da es ansonsten feucht wird. die unter den gegebenen Bedingungen plausibel mit vor- handenem Saharastaub erklärt werden konnten [24, 2010]. Wird das Gerät für längere Zeit nicht benötigt, sollte es in einem trockenem Raum gelagert werden (Temperatur Im DWD werden auf Flughäfen (FWW) und an Wetterstati- –10 °C bis +70 °C, maximale relative Feuchte 80 %). onen (Wst I und II) der LD 40 der Fa. Vaisala und seit 2007 auch der CHM 15k der Fa. Jenoptik Systeme GmbH ein- Laserceilograph LD-WH M gesetzt. Letzteres Gerät wurde 2011 zu CHM 15k-Nimbus Bei der Laser-Familie LD-WH der Fa. Vaisala (Impulsphysik) umgebaut. Dabei wurde die komplette Windowsplattform handelt es sich um kleine, handliche Laserceilographen, gegen eine neue Elektronik umgerüstet und mit einem Li- die sowohl für den stationären als auch für den mobilen nux-Betriebssystem ausgestattet. Einsatz geeignet sind. Da die geringfügig unterschiedlich ausgestatteten Geräte vom gleichen Hersteller wie der LD40 Pege und Kontrolle der Funktionstüchtigkeit stammen, gibt es viele Gemeinsamkeiten. Die P ege des Gehäuses und die schräggestellten Abdeck- glasscheiben beim LD 40 müssen wenigstens ein Mal in der Die Messung erfolgt in allen Bereichen durch Aufzählen von Woche mit Wasser (evtl. mit „Clearshield“ alle 3–4 Mona- vielen Einzelimpulsen, also so wie im Hauptbereich des te) und weichem Lappen geputzt werden, auch wenn kein stationären Lasers. Bei Betätigung des Startknopfes werden Schmutz zu sehen ist, da schon ein unsichtbarer Schmier- 4 Messroutinen ausgelöst. ¤lm die Messung stört. Öl ecken sind mit Alkohol zu entfernen. Tab. 10.6 Spezi¯kationen LD-WH M (Vaisala, Impulsphysik) InGaAs Laserdiode Lichtquelle Die Kontrolle der Funktion der Heizung kann mit der Hand Laser Klasse 1 vorgenommen werden. Ebenso die Belüftung prüfen, die Ventilation ist deutlich zu hören. Wellenlänge 0,905 μm Messbereich 25 bis 5000 ft Beim CHM 15k können die Abstände der Reinigung der Messschritte / Auösung 25 ft Abdeckscheiben größer sein, da bei üssigen Niederschlä- gen durch eine stärkere Neigung der Scheiben eine gewisse Messzyklus 4 pro min Selbstreinigung erfolgt. Bei normaler Luftverunreinigung Impulsleistung 20 W ist vom Hersteller empfohlen, im Abstand von 3 Monaten Leistung Linsenheizung 100 W die Scheiben mit einem handelsüblichen Glasreiniger und Innenheizung 50 W einem weichen fusselfreien Tuch zu reinigen. Die Reini- gungsintervalle müssen ansonsten aus der Erfahrung mit Einsatzbedingungen –40 bis +50 °C, max. 100 % anderen Sensoren nach Bedarf festgelegt werden. Wind (bei fester Montage) max. 40 m s–1

Auf der Rückseite des CHM 15k sind Lufteintrittsgitter die Nach jedem Messzyklus erfolgt eine Selbstüberprüfung, von Ablagerungen (Blätter usw.) freigehalten werden müs- Fehlermeldungen werden auf dem internen LC-Display sen. Die Funktionstüchtigkeit wird im Wesentlichen auch angezeigt. Das Gerät ist ebenfalls mit Sonnenshutter ausge- mit Hilfe von Augenbeobachtungen überprüft. stattet.

82 Im mobilen Einsatz kann auf Akku-Betrieb umgeschaltet Tab. 10.7 Spezi¯kationen LD-WH X 06 (Vaisala, Impulsphysik) werden. Mit vollen Akkus sind ca. 16 Stunden Dauerbetrieb InGaAs Laserdiode Lichtquelle gewährleistet. Die Ladezeit der Akkus beträgt ca. 24 Stun- Laser Klasse 1 den. Ist die Batteriespannung zu gering, schaltet sich das Gerät automatisch ab. Im mobilen Einsatz steht keine Hei- Wellenlänge 0,905 μm ± 0,005 μm zung zur Verfügung, daher ist es nicht für den Dauerbetrieb Impulsdauer 96 ns ausgelegt. Dagegen ist es für den stationären Einsatz mit Messbereich 25 bis 12000 ft einer Heizung ausgestattet, die den Dauerbetrieb im Freien ermöglicht. Messschritte / Auösung 25 ft Genauigkeit ± 25 ft Abb. 10.18 LD-WH X 06, Messfeld HH-Sasel Messzyklus 4 pro min Impulsleistung 20 W Leistung Linsenheizung 100 W Innenheizung 50 W Einsatzbedingungen –40 bis +55 °C, max. 100 % Wind (bei fester Montage) max. 40 m s–1 Versorgungsspannung 230 / 110 V ±10 %

Pege und Kontrolle der Funktionstüchtigkeit Sie beschränkt sich auf das Reinigen der Scheiben mit einem Glasreiniger. Ansonsten muss der entsprechende War- tungsdienst in Anspruch genommen werden. Bei längerer Lagerung müssen die Akkus alle 3 Monate geladen werden. Das Gerät wird beim DWD an einer Reihe von Flughäfen/ Flugplätzen als auch an mobilen Messstationen und bei 10.3.2 Nachtwolkenscheinwerfer Messzügen des GeoInfoDBw, die nicht mit dem normalen Laser ausgestattet sind, genutzt. Eingesetzt wird das Gerät Der Nachtwolkenscheinwerfer der Fa. Impulsphysik (Vai- auch im Bereich der Marine der Bw auf sala) ist nur noch vereinzelt zu ¤nden und wird nur noch • zwei Einsatzgruppenversorgern (EGV), für Ersatzmessungen bei einem Defekt des Laserceilome- • beim Flottenkommando Abt GeoInfoD, Glücksburg, ters benutzt. Zur Anwendung siehe 10.2 Messprinzip. 2 EA (als Verleihgerät) und • bei der Marineoperationsschule, Fachbereich Nautik Abb. 10.20 Ceilolux Nachtwolkenscheinwerfer (Impulsphysik, Vaisala) und Naturwissenschaften, Bremerhaven, zu Ausbil- dungszwecken

Abb. 10.19 Laser Ceilograph LD-WH M 03 (Marine der Bw)

Pege und Kontrolle der Funktionstüchtigkeit Die schräge Abdeckscheibe des Scheinwerfers muss regel- mäßig gereinigt werden. Dazu eignen sich normalerweise übliche Haushaltsreiniger. Der Parabolspiegel darf nicht vom Beobachter gereinigt werden. Selbst ein weiches Tuch kann die überaus emp¤ndliche Re exionsschicht beein- ussen und damit zu evtl. Leistungsminderungen führen. Tote Insekten werden mit einer speziellen Pinzette entfernt. Im Winter muss zusätzlich die Heizung überprüft werden.

83 10.4 Messunsicherheiten und Fehlerquellen Rasterwerte korrigierter täglicher Niederschlagshöhen zur Kalibrierung von Wasserhaushaltsmodellen. Die quantita- Grundsätzliche Probleme, praktisch aller Messmethoden tive Niederschlagvorhersage der Wettervorhersagemodelle zur Bestimmung der Wolkenuntergrenze sind zeigen darin z. T. noch erhebliche Schwächen. • das Reflexionsvermögen der Wolkenuntergrenze, ab- hängig von Die Land- und Forstwirtschaft und das Verkehrswesen er- – Tröpfchengröße und -Anzahl (Wassergehalt), warten exakte Aussagen zum Niederschlag. Im Straßenwe- – Dicke der Wolke, sen geht einerseits um die Organisation des Winterdienstes – Vertikale Eindringtiefe, und andererseits auch um eine automatische Anzeige zur • Richtung der Wolken zum Messgerät, Geschwindigkeitsbegrenzung. • Höhenfehler, wenn der Lichtstrahl nicht genau senkrecht ausgerichtet ist, Das im Auftrag der WMO im DWD angesiedelte Weltzentrum • Ableseungenauigkeiten / Messfehler beim Nachtwol- für Niederschlagsklimatologie (WZN) analysiert, basierend kenscheinwerfer; bei einer Messbasis von 250 m ergibt auf der weltweit größten monatlichen Niederschlagsdaten- 1°-Fehler bei 40 ° Höhenwinkel: ~ 10 m / 33 ft bank den monatlichen Niederschlag auf den Land ächen 1°-Fehler bei 80 ° Höhenwinkel: ~ 160 m / 530 ft der Erde sowie seine langfristigen Variationen und Trends.

11.1.1 Messgrößen des Niederschlages . NIEDERSCHLAGSMESSUNG Zur Charakterisierung der Niederschläge sind außer der An- 11.1. Allgemeines gabe der Niederschlagsart und -form (fest/ üssig) auch die nachstehenden Größen erforderlich Unter dem Begri¦ Niederschlag versteht man in der Mete- • Menge orologie die Ausscheidung von Wasser aus der Atmosphä- • Intensität, auch bei Starkniederschlägen (Tab 11.1) re durch Kondensation von Wasserdampf in den üssigen • Dauer (Beginn und Ende) und/oder durch Sublimation in den festen Aggregatzustand. • Dichte (= Intensität/Zeiteinheit) Er kann dann am Erdboden gemessen oder beobachtet werden. Zu den fallenden Niederschlägen gehören Sprühregen, Aufgabe der Niederschlagsmessung ist die Feststellung die- Regen, gefrierender Regen, gefrierender Sprühregen, Eisre- ser Größen. Hinzu kommt durch einige Sensoren mit einem gen, Schnee, Schneegriesel, Eisnadeln, Diamantstaub oder ja/nein-Melder die Aussage ob Niederschlag »llt oder nicht. Polarschnee, Eiskörner, Reif- und Frostgraupel. Neben den Bei allem wird aus messtechnischen Gründen nur ein klei- fallenden Niederschlägen wird noch zwischen aufgewirbel- ner Teil des Beobachtungsgebietes als Mess äche festgelegt ten (z. B. Schneetreiben), abgelagerten (z. B. Schneedecke) und daraus auf die Gesamt äche geschlossen. und abgesetzten (z. B. Reif) Niederschlägen unterschieden. Tab. 11.1 Niederschlagsintensität (Nomenklatur des DWD, VuB 3 BHB) Der Niederschlag ist eine der wichtigsten hydrometeorolo- Zier Bezeichnung Intensität gischen Größen im Wasserkreislauf. Dem Niederschlag in seinen unterschiedlichen Aggregatzuständen ( üssig, fest Regen Sprühregen oder beides) auf der Einnahmenseite stehen die Größen Ver- 0 leichter Niederschlag ≤ 0,5 mm h –1 ≤ 0,2 mm h –1 dunstung und Ab uss auf der Ausgabenseite gegenüber. mittlerer > 0,5 bis > 0,2 bis 1 Niederschlag 4.0 mm h –1 0,5 mm h –1 Die Anforderungen an die Niederschlagsmessung haben sich in den letzten Jahren erheblich geändert. Zum einen 2 starker Niederschlag > 4,1 mm h –1 > 0,5 mm h –1 werden Messungen der Niederschlagshöhe in Echtzeit (online) benötigt, wozu die herkömmlichen Geräte nicht Abhängig von der Art der Fragestellung sind mit den Mess- in der Lage sind. Zum anderen ist die genaue Bestimmung werten folgenden Berechnungen durchzuführen: des Niederschlags und dessen Vorhersage volkswirtschaft- • Einzel- und Summenwerte lich von großer Bedeutung. Extreme Wettersituationen mit • Maximalwerte, Durchschnittswerte, Mittelwerte be- Starkniederschlägen wirken sich z. B. auf die Wasserener- stimmter Zeiträumen giewirtschaft (Wasserhaushaltsberechnungen, hydrologi- • Jahres- und Jahreszeitenwerte sche Planungen, Speichersteuerung) aus. • Tages- und Monatswerte • Werte des hydrologischen Jahres (1.Nov – 31.Okt) Im Rahmen der Hochwasservorhersage und des Katastro- phenschutzes werden Starkniederschlagsstatistiken zur 11.1.2 Maßeinheiten des Niederschlages Bewertung von Extremereignissen und für Planungszwe- cke erstellt und den mit wasserwirtschaftlichen Aufgaben Die o.g. Messgrößen werden mit folgenden Maßeinheiten betrauten Bundes-, Landes- und kommunalen Behörden angegeben: und Wasserwirtschaftsverbänden zur Verfügung gestellt. • Menge des Niederschlags (1 mm = 1 l m–2), Die Messungen bilden zusammen mit den Niederschlags- • Intensität der Niederschlags (mm h–1 oder andere Zeit- vorhersagen eine wichtige Grundlage für die Ab ussermitt- einheit), lung (Hochwassernachrichtendienst). Dazu gehören auch

84 • Dauer des Niederschlags (min, h oder andere Zeitdauer), Dazu werden folgende Messprinzipien genutzt • Örtliche (räumliche) Verteilung und • Volumenmessung des Niederschlags, –1 • Häufigkeit n, Jährlichkeit Tn =1 n • Messung des Gewichtes des Niederschlags, • Erfassung von Niederschlag mittels Widerstandsmes- Die kennzeichnenden Größen eines Niederschlagsereignis- sung, ses sind Höhe (Menge) und Dauer des Niederschlags sowie • optisches Messprinzip und die Intensität R, die folgendermaßen berechnet werden • leitfähigkeitsbasierendes Messprinzip können. Die einzelnen Messprinzipien werden im Zusammenhang Für die Niederschlagsmenge mit den verschiedenen Messgeräten/Sensoren beschrieben, da sie sich in einigen Teilen voneinander unterschei- V = A · h (11.1) den. Es werden zunehmend auch Messgeräte hergestellt, die mehrere Messprinzipien in einem Gerät vereinen, um mit V = Volumen (in Liter) die Vorteile der einzelnen Messprinzipien miteinander zu A = Bezugs äche (1 m 2) kombinieren und um so die Anforderungen an die Nieder- h = Höhe des Niederschlages in mm schlagsmessung erfüllen zu können.

Da sich die Niederschlagsmenge V auf die Fläche A von 1 m2 11.3 Sensoren/Messgeräte bezieht, entspricht 1 mm Niederschlagshöhe der Nieder- schlagmenge von 1 l pro m2 . Im DWD werden verschiedene Arten von Niederschlagsmess- geräten/-sensoren mit unterschiedlichen Messprinzipien ein- Für die Intensität R gilt gesetzt. Um auch andere Messprinzipien vorzustellen, werden darüber hinaus einige Sensoren beschrieben, die an anderen R = (11.2) Einrichtungen eingesetzt sind. mit ΔV = Volumen des gesammelten Niederschlages Niederschlagsmengen (mm) und Niederschlagsintensitäten A = Au¦ang äche (mm/h) werden mit sammelnden Niederschlagsmessern Δt = Messdauer ermittelt. Niederschlagsmelder geben aus, ob momentan Niederschlag »llt (Niederschlag Ja/Nein), woraus sich die Die Niederschlagsintensität ist de¤niert als die Nieder- Niederschlagsdauer bestimmen lässt. Die Niederschlagsar- schlagsmenge der vorhergehenden 60 Sekunden. Die Men- ten werden durch laseroptische Messgeräte, sog. Distrome- ge des Niederschlags wird durch die in Millimeter gemes- ter, bestimmt. sene Wasserhöhe angegeben, die der Niederschlag auf einer waagrechten Fläche bilden würde, wenn nichts ab ießen, In Verbindung mit Niederschlagsmessgeräten treten teilwei- versickern und verdunsten würde. Die Intensität und die se verschiedene Begri¦e auf, die hier kurz erläutert werden: Niederschlagsdauer sind die Folge der Niederschlagsart • Pluviometer ist eine alte Bezeichnung für Regenmes- (z. B. Dauerregen oder Schauer). ser (lat. pluvius = regenspendend). Entsprechend ist ein Pluviograph ein registrierender Regenschreiber, Die Niederschlagsdichte ergibt sich aus der Division der • Ombrometer ist ein Begri¦, der aus dem Griechischen Monatssumme des Niederschlages durch die Anzahl der stammt und das Messgerät zur Messung der Nieder- Niederschlagstage. Hierbei können Berechnungen auch für schlagsmenge und -intensität dient, andere Zeiträume (z. B. Niederschlagsmenge in 3 Stunden) • Distrometer steht als Synonym für Distribution durchgeführt werden. Droplet Meter und bedeutet soviel Messgerät zur Mes- sung der Verteilung von Tröpfchengrößen und darüber 11.2 Allgemeine Messprinzipien hinaus die Größe und Fallgeschwindigkeit der einzelnen Niederschlagspartikel erfassen. Im Gegensatz zur Die Erwartungen an die Messprinzipien sind viel»ltig. So deutschen Schreibweise wird der Begri¦ im Englischen soll eine Au ösung von 0,01 mm Niederschlagshöhe mög- Disdrometer geschrieben. Im weiteren Verlauf wird aus lich sein, um auch Niederschläge sehr geringer Intensität Gründen der Einheitlichkeit immer von Distrometern messen zu können. Die Erfassung fester Niederschläge die Rede sein. muss gewährleistet sein. Die zeitliche Erfassung des Nie- derschlags muss auf Grund der großen zeitlichen Streuung Für die Bestimmung der Niederschlagshöhe (Menge) wer- im Minutenintervall erfolgen und als Messbereich für die den an den Messstellen gemäß WMO-Norm im Normalfall Niederschlagsintensität ist 0 bis 10 mm min–1 erforderlich. Geräte mit einer Au¦ang äche von 200 cm2 in 1 m Höhe Welche von diesen Messprinzipien und welche Messgeräte über dem Boden verwendet. Nur in besonderen Fällen wer- diese Forderungen erfüllen, wird im weiteren Verlauf dar- den auch Au¦ang ächen von 100 cm2 und – in Höhenlagen gestellt. oberhalb von 700 m NHN – 500 cm2 eingesetzt.

85 11.3.1 Volumenmessung des Niederschlages Für die zentrierte Aufstellung der Sammelkanne sorgt bei (Niederschlagssammler) älteren Geräten ein Metallring, bei neueren ist für diesen Zweck in den Boden des Unterteils eine entsprechende Ver- Niederschlagsmesser n. Hellmann tiefung eingeprägt. Die Sammelkanne ist im Unterteil vor Der Niederschlagsmesser nach Hellmann wird im DWD an Erwärmung infolge Strahlung geschützt, um die Verduns- konventionellen Niederschlagsstationen (Nst(k), an Klima- tung des Niederschlagswassers weitgehend zu vermeiden. referenzstationen (siehe 19.3) und sonst noch zur Durch- Durch die enge Ö¦nung der Kanne ist auch der Kontakt zu führung von Kontrollmessungen eingesetzt. Er erfüllt da- warmer Außenluft stark vermindert. mit eine wichtige Ergänzungsmessung für die Prüfung von digitalen Aufzeichnungen von Tageswerten und dient zu- Wird Schneefall erwartet, wird ein Schneekreuz (Abb. 11.1) dem dazu, die zeitliche Vergleichbarkeit langer Zeitreihen, in das Oberteil eingesetzt. Es soll verhindern, dass der Wind insbesondere an Klimareferenzstationen im Hinblick auf lockeren trockenen Schnee aus dem Au¦angge»ß heraus- mögliche Klimaänderungen aufrecht zu erhalten. wirbelt. Da seine, im Vergleich zur Innenwand des Oberteils sehr große Blechober äche eine vergrößerte Benetzungs- Die Einzelteile des Niederschlagsmessers nach Hellmann und damit Verdunstungs äche darstellt, muss es vor erwar- (Abb. 11.1) sind: Oberteil mit zylindrischem Au¦angge»ß teten üssigen Niederschlag entfernt werden. mit konischem Trichter, Unterteil, Sammelkanne, Halter, Schneekreuz, Deckel, Messglas. Der Deckel dient zwei verschiedenen Zwecken. Fällt wäh- rend der Terminbeobachtung Niederschlag in fester Form, Abb. 11.1 Teile des Niederschlagmessers n. Hellmann wird der zum Austausch mit auf das Messfeld gebrachte zweite Niederschlagsmesser nach dem Austausch der bis dahin im Einsatz be¤ndliche mit dem Deckel versehen, damit die in diesem Zeitraum gefallene Niederschlagsmen- gen nicht doppelt gemessen werden. Lässt man festen Nie- derschlag im Au¦angge»ß schmelzen, dient der Deckel als Verdunstungsschutz.

Der Messzylinder entspricht der Au¦ang äche von 200 cm2, besteht aus Glas oder durchsichtigem Kunststo¦. Glas ist der bessere Werksto¦, da die Innenwand des Kunststo¦- Messzylinders durch im Niederschlagswasser enthaltene Das Oberteil besteht aus einer metallenen Röhre, an deren Chemikalien angegri¦en und bald rau und trüb wird. Die obere Ö¦nung ein konischer, scharÎantiger stabiler Mes- Skaleneinteilung entspricht einer Niederschlagshöhe von singring angebracht ist. Dieser dient einer erhöhten Form- 0,1 mm. Der Messzylinder läuft am unteren Ende innen ko- stabilität und bildet eine kreisrunde Au¦ang äche von nisch in einer Spitze zusammen, um auch geringe Nieder- 200 cm2 (Durchmesser 159,6 mm). schlagmengen genau messen zu können. So bedeutet ein Wasserstand bis zur Hälfte des ersten Teilstrichs <0,1 mm. Das Oberteil wird auf das Unterteil aufgesetzt, das zu diesem Zweck oben einen etwas geringeren Durchmesser hat. Pege und Kontrolle der Funktionstüchtigkeit In seiner Mitte steht die Sammelkanne, in die der Trichter Die P ege und Wartung des Niederschlagsmessers nach des Oberteils das Niederschlagswasser einleitet. Sie hat ein Hellmann beschränkt sich auf die Reinigung der Teile und Fassungsvermögen von 1,4 l, das einer Niederschlagshöhe die Überprüfung der Dichtheit einiger Bauteile des Messge- von 70 mm entspricht. rätes.

Abb. 11.2 Niederschlagsmesser n. Hellmann (Lambrecht) Täglich sollte mit einem Blick in den Au¦angtrichter des Gerätes überprüft werden, ob durch Vogelkot, Insekten oder P anzenteile der Ab uss des Niederschlagswassers in die Sammelkanne behindert ist. Der Au¦angtrichter kann mit einem weichen Tuch oder Schwamm gereinigt werden.

Die Sammelkanne muss dicht sein. Zeit sich Undichtigkeit durch Niederschlagswasser im Unterteil des Messgerätes, muss die Sammelkanne ausgetauscht werden. Wichtig ist auch die Dichtheit des Unterteils, da bei extremen Nieder- schlagshöhen die Sammelkanne überlaufen kann. Dann ießt das Niederschlagswasser in das Unterteil des Gerätes und kann somit noch gemessen werden. Wenn das Unter- teil gegen das Licht gehalten wird, sind eventuell undichte Stellen gut sichtbar.

86 Vorsicht ist bei Frost geboten: wenn das abgetaute Nieder- Abb: 11.4 Messfühler Niederschlagsschreiber schlagswasser wieder in der Sammelkanne gefriert, kann die Naht an der Kanne platzen.

In größeren Zeitabständen muss die Einsatzhöhe von 1,0 m und die waagerechte Aufstellung des Gerätes überprüft werden. Der Präzisionsring am Oberteil darf keine Beschädigung aufweisen, da sonst die Au¦ang äche ver»lscht wird.

Niederschlagsschreiber n. Hellmann Der Niederschlagsschreiber nach Hellmann hat ebenfalls eine Au¦ang äche von 200 cm2 und dient zur Aufzeich- nung der Menge, Intensität und Zeit des gefallenen Nieder- schlags. Er ist als beheiztes Gerät im Einsatz und erlaubt damit eine ganzjährige Registrierung fallender Niederschläge. Niederschlag, der in das Au¦angteil »llt, wird über den Die Schreibtrommel ist im Tages- oder Wochenumlauf im Trichter und die Rohre in das Schwimmergehäuse geführt. Einsatz, sie kann auch als Bandschreiber für Monatsregist- Der Schreibarm zeichnet darauÂin auf dem Registrierpa- rierung ausgelegt sein. pier, das auf der Schreibtrommel au iegt, eine ansteigende Linie. Die Registrierung erlaubt ein Ablesen von Nieder- Der Niederschlag wird vom Au¦angteil, an dessen Innen- schlagshöhen in Zehntel Millimeter. wand sich der Temperaturmessfühler der Heizung be¤ndet, über den Trichter und eine zweimal gewundene Rohrleitung Hat sich eine Niederschlagshöhe von insgesamt 10,0 mm in das Schwimmergehäuse weitergeleitet. Da diese Rohrlei- aufsummiert, steht das Wasser nicht nur im Rohr und im tung leicht verstopft, haben neuere Niederschlagsschreiber Schwimmergehäuse, sondern auch im Heberrohr so hoch, einen Schlauch als Anschlussstück. Im Schwimmergehäuse dass es den Scheitelpunkt des Heberrohres erreicht. In die- be¤ndet sich ein Schwimmer (Hohlkörper aus Aluminium), sem Falle entleert sich das System nach dem Heberprin- an dessen Oberseite die Schwimmerstange befestigt ist, die zip soweit, bis der Wasserstand im Schwimmergehäuse ihrerseits oben aus dem Schwimmergehäuse herausragt. den oberen Ansatz des Rohrstutzens erreicht. Es verbleibt Oberhalb von diesem ist an der Schwimmerstange recht- im Schwimmergehäuse ein Wasserstand von ca. 3,5 cm bis winklig der Schreibarm angebracht, der zur Stabilisierung 4 cm Höhe und der Schwimmer liegt nicht unten auf. Durch an einer Führungsstange gleitet. Er kann mit Hilfe einer diese Konstruktion kann die Registrierung bei wieder ein- Klemmschraube in verschiedener Höhe der Schwimmer- setzendem Niederschlag sofort beginnen. stange montiert werden. In der Achse einer kleinen Rändel- schraube ist er leicht schräg drehbar gelagert, so dass er nur Abb. 11.5 Registrierung Niederschlagsschreiber durch sein Eigengewicht an der Schreibtrommel anliegt. Diese Schraube dient gleichzeitig der Feinjustierung.

Abb. 11.3 Niederschlagsschreiber n. Hellmann (Foto B. Henning)

Pege und Kontrolle der Funktionstüchtigkeit Bei hohen Temperaturen mit sehr geringer relativer Luft- feuchte, treten gelegentlich Verdunstungsverluste im Schwimmergehäuse auf, die daran erkennbar sind, dass die Registrierung nicht waagerecht verläuft, sondern leicht ab- »llt. Sollte dabei die Nulllinie unterschritten werden, darf dies keinesfalls mittels der Feinjustierung korrigiert werden. Es wird nur die entsprechende Fehlmenge im Messglas Etwa 6 cm über dem Boden des Schwimmergehäuses ragt abgemessen und über den Au¦angtrichter eingefüllt. Auf ein Rohrstutzen schräg nach oben. Er ist zur Aufnahme des dem Registrierstreifen wird das vermerkt, damit es später Heberrohres bestimmt, das durch eine Klemmschraube nicht als Niederschlag fehl interpretiert wird. oder eine Überwurfmutter in der gewünschten Höhe festgehalten wird. Insekten und P anzenteile verursachen manchmal Ver- stopfungen der Rohrleitungen. Sie sind mit einem langen Draht oder einer sehr schlanken Flaschenbürste zu behe-

87 ben. Wenn nötig, ist das Schwimmergehäuse zu ö¦nen. In Hälfte mit einem Eis-Wasser-Gemisch gefüllt. Die Heizung diesem Fall muss unbedingt eine Nullpunkts- und Abhebe- muss sich unter diesen Bedingungen einschalten, ansons- rungskontrolle vorgenommen werden. ten sind die Sicherungen zu prüfen. Sofern diese in Ord- nung sind und die Heizung trotzdem nicht arbeitet, muss Ist das Knie des Heberrohrs stark verschmutzt, kann bei ei- die zuständige SL-Einheit verständigt werden. Sie muss nem Wasserstand von 10,0 mm Niederschlagshöhe und nur auch verständigt werden, wenn sich der Heizstrom nicht leichtem Niederschlag (z. B. leichter Sprühregen) das Abhe- bei Temperaturen über +2 °C abschaltet. bern nicht erfolgen. Es iest ganz kontinuierlich ebenso viel Wasser durch das Heberrohr ab wie gleichzeitig in den Das Gerät wird stets innen und außen sauber gehalten. Au¦angtrichter »llt. In diesem Fall kann durch eine klei- Der Au¦angtrichter kann mit einem Lappen oder weichem ne Erschütterung (Anklopfen an das Schwimmergehäuse) Schwamm gereinigt werden. Sind längere Zeit nur geringe ein „künstliches“ Abhebern veranlasst werden. Sofort nach Niederschläge gefallen, ist es angebracht, das Gerät mit sau- Niederschlagsende wird das Heberrohr ausgebaut und mit berem Wasser einfach durchzuspülen. Dazu wird Wasser in Hilfe einer Flaschenbürste und eines Reinigungsmittels ge- den Au¦angtrichter gefüllt und mehrmals abgehebert. säubert. Nach Wiedereinbau muss das Abhebern neu justiert werden. Keinesfalls sollte dabei irgendein Reinigungsmittel verwendet werden, da durch die Ober ächenentspannung die- Undichte Stellen an der Verbindung zwischen Schwimmer- ser Mittel das Abhebern nicht mehr funktioniert. ge»ß und Heberrohr können das Abhebern behindern. In diesem Falle ist ein Austausch des Gummiringes oder des Gebirgsniederschlagsmesser Heberrohres erforderlich, falls ein festeres Anziehen der An ausgewählten Bergstationen (z. B. Brocken im Harz), dort Verschlussschraube nicht genügt. wo größere Mengen Niederschlag erwartet werden, in der Re- gel oberhalb von 700 m NHN, sind Gebirgsniederschlagsmes- Wenn die Abheberungslinie mit den Stundenlinien auf ser mit einer Au¦ang äche von 500 cm2 im Einsatz. Entgegen dem Diagrammpapier einen Winkel bildet, während die der sonstigen Vorgaben für Niederschlagsmessgeräte soll sich Aufzeichnung bei Niederschlagsfreiheit oder bei einer hier die Au¦ang äche in 2 m Höhe be¤nden, mindestens je- „Nullkontrolle“ parallel zu den Regenhöhenlinien ver- doch 50 cm über der bisherigen Rekordmarke der Schneehöhe läuft, be¤nden sich Uhrwerk oder Schwimmerge»ß nicht (auf dem Feldberg/Schwarzwald bedeutet dies, dass sich der in senkrechter Lage; ihre Achsen laufen also nicht parallel. Niederschlagsmesser in 4 m Höhe be¤ndet). Besonders hier Dieser Fehler wird behoben, indem die Flügelschraube un- sollte an den Messgeräten ein Windschutz angebracht sein. terhalb des Schwimmerge»ßes bzw. die Mutter am unteren Dieser traditionelle DWD-Gebirgsniederschlagsmesser ver- Ende der die Uhrwerkstrommel haltenden Metallstange fügt über einen Trichter als Windschutz (siehe Abb. 11.57). etwas gelöst und Schwimmerge»ß bzw. Uhrwerkstrommel durch Unterlegen dünner Holz- oder Metallstreifen in die Der Boden des Gebirgsniederschlagsmessers ist wie ein senkrechte Lage gebracht werden. Im Allgemeinen wird Trichter geformt. dies zuerst beim Schwimmergehäuse versucht, da deren Flügelschraube leichter zu betätigen ist. Abb. 11.6 Gebirgsniederschlagsmesser

Das an der Innenwand des Au¦angteils montierte elektronische Thermometer setzt bei Unterschreiten einer Tempe- ratur von +2 °C die Heizung in Betrieb bzw. schaltet sie bei Überschreiten dieses Wertes wieder ab. Beheizt werden der Trichter, die Platte unter dem Schwimmergehäuse und der Boden unter der Sammelkanne. Gegen Wärmeverlust ist zusätzlich die Innenseite des Gerätes mit einer Isolierung versehen.

Die Heizung wird mit einer Spannung von nur 24 V betrieben. Der Schaltkasten mit dem Transformator 220 V Netz/ 24 V Heizstrom be¤ndet sich außerhalb des Gerätes. Hier ist In Deutschland sind solche Niederschlagsmesser nur noch dem Beobachter lediglich das Auswechseln einer ausgefalle- selten zu ¤nden. nen Sicherung erlaubt; weitergehende Arbeiten werden den SL-Einheiten des DWD oder dem Elektriker überlassen. Sehr Totalisator wichtig ist, bei Ausfall der Heizung und negativer Lufttempe- In entlegenen bzw. unwegsamen Gebieten werden Nieder- ratur das Messwerk vollständig auszubauen, da das Schwim- schlagsammler mit der üblichen Au¦ang äche von 200 cm2 mergehäuse vereisen und durch Eisbildung im Schwimmer- aufgestellt, die nicht täglich oder wöchentlich abgelesen gehäuse der Schwimmer deformiert werden kann. werden können, die also bis zu 3 Monaten den Niederschlag sammeln können, bevor er abgelesen wird. Vor Winterbeginn muss eine Funktionsprüfung der Hei- zung statt¤nden. Dazu wird der Ablauf des Au¦angtrich- Ein Sammelge»ß mit einer geeichten Skala be¤ndet sich im ters verschlossen. Anschließend wird das Au¦angge»ß zur Inneren des Gerätes. Para¾nöl im Sammelge»ß bildet über

88 der Niederschlagsober äche einen Film und verhindert so Der Tropfer die Verdunstung. Als Gefrierschutz ist eine bestimmte Menge Über der Durchlauftülle des Au¦angtrichters ist ein Modu-

CaCl2-Lösung eingebracht. Dies geht auf Mougin (Frankreich, lator eingesetzt, der den einfallenden Niederschlag in ge- Savoyen) zurück, der bereits eine CaCl-Lösung benutzt hat. normte Tropfen mit einem Volumen von 0,1 cm3 formt, was einer Niederschlagsmenge von 0,005 mm entspricht. Die Abb. 11.7 Totalisator Tropfen werden mit Hilfe einer Lichtschranke gezählt und die dabei im Fototransistor entstehenden elektronischen Impulse werden verstärkt und dem Sensorausgang zuge- führt.

Bis zu einer Niederschlagsmenge von 0,5 mm min–1 arbeitet der Sensor praktisch linear und erlaubt Messungen bis zu ca. 2,0 mm min–1 (entspricht extrem starkem Regenschauer). Ruft man die Tropfenzahl für eine kürzere Zeiteinheit, z. B. 10 min ab, erhält man die für die Intensitäten leicht, mä- ßig und stark de¤nierten Niederschlagshöhen (Tab. 11.1). Außerdem lassen sich zusätzlich Niederschlagsbeginn und Im Gegensatz zu den normalen Niederschlagssammlern -Ende bestimmen. werden Totalisatoren wegen höherer Schneehöhen in 3 m bis 4 m Höhe aufgestellt, häu¤g auch hier mit Windschutz Die Kippwaage (Abb. 11.52), damit die Messung nicht zu stark durch den Die schon geformten Tropfen werden von einem Tropfen- Wind beein usst wird. zerstörer gebremst und gelangen in eine von zwei Wip- penschalen. Ist diese mit einer Wassermenge von 0,2 cm3 Totalisatorenmessungen gibt es seit den 20er Jahren. In gefüllt, entsprechend einer Niederschlagsmenge von 0,1 Österreich gab es bis 1929 ein Testnetz von 6 Totalisatoren, mm, kippt sie nach unten und entleert sich. Dabei löst sie nicht nur im Gipfelbereich. durch einen an der Wippe befestigten Magneten in Ver- bindung mit einem Reed-Schalter ein elektrisches Signal Totalisatoren werden in der Schweiz vor allem in schwer aus, das auereitet wird und am digitalen Ausgang (Opto- zugänglichen Gebieten im Gebirge eingesetzt und erfassen koppler) als Impuls ausgegeben. Gleichzeitig wird das Ein- dort die Niederschlagsmenge eines ganzen Jahres. Bei eini- gangssignal in eine vom gewählten Messbereich abhängige gen Totalisatoren werden halbjährliche Zwischenmessun- Analogwertänderung umgesetzt und am Analogausgang in gen durchgeführt. Gemessen wird die Niederschlagsmenge einem Stromwert zur Verfügung gestellt. Beim Erreichen von Ende September bis Ende September des darauf folgen- des Messbereichsendwertes wird der Analogausgang auto- den Jahres (hydrologisches Jahr). Nach der jährlichen Mes- matisch auf den Anfangswert gesetzt. Zugleich wird für den sung werden die Totalisatoren entleert, gereinigt und mit weiter fallenden Niederschlag die zweite Schale bereitge- einer vorgegebenen Menge Wasser, Chlorkalzium und Va- stellt, die dann ebenfalls bei einer Füllung von 0,1 mm kippt. selineöl neu befüllt. Dieser Prozess wiederholt sich solange Niederschlag »llt. Mit dieser Kippwaage können Niederschlagshöhen bis zu Die im DWD viele Jahre verwendeten Geräte gehen auf eine 14 mm min–1 gemessen werden. Konstruktion von Hellmann zurück. Heute erfolgt im DWD kein Einsatz mehr im Routinemessnetz, sondern nur im Be- Ein Reed-Relais ist ein Relais zum Schalten eines Strom- reich „Ökologie und Umweltberatung“. kreises, welches mit einem Reed-Kontakt arbeitet. Reed- Schaltkontakte sind unter Vakuum oder Schutzgas in einen 11.3.2 Gewichtsbestimmung des Niederschlages Glaskolben eingeschmolzene Kontaktzungen, die zugleich die Kontaktfeder und den Magnetanker bilden. Die Kon- Ombrometer HP mit Wippe und Tropfer taktzungen werden aus edelmetallbeschichtetem ferroma- Das Ombrometer HP ist aus Entwicklungsarbeiten in den gnetischem Material (z. B. Weicheisen) hergestellt. Die Kon- 50er Jahren auf dem Hohenpeißenberg und durch zuneh- taktbetätigung erfolgt durch ein von außen einwirkendes mende Fragen nach Kurzzeit-Niederschlagsintensitäten in Magnetfeld, das von einem in die Nähe gebrachten Dauerma- den 60er Jahren, entstanden. Ein operationell eingesetztes gneten (Reed-Kontakt) oder in einer zugehörigen Magnetspu- Gerät ist seit 1972 auf dem Messfeld des MOHP im Einsatz. le elektrisch erzeugt wird (Reed-Relais). Durch das Magnet- Weitere Geräte wurden seitdem an Wetterstationen einge- feld ziehen sich die beiden Kontaktzungen an und schließen richtet. somit die Schaltung. Sobald das Magnetfeld ab»llt oder eine bestimmte Feldstärke im Relais unterschritten wird ö¦net Der Niederschlagssensor mit Kippwaage ist zur Messung der sich der Kontakt aufgrund der Federwirkung wieder [46]. Niederschlagshöhe und der Niederschlagsintensität für automatische meteorologische Datenerfassungsanlagen ein- Reed-Relais werden häu¤g dort zum Schalten kleiner Span- gesetzt. Die Au¦ang äche mit 200 cm2 entspricht dem Nie- nungen und Ströme eingesetzt, wo es auf Zuverlässigkeit derschlagsmesser nach Hellmann und wird in 1,0 m Höhe auf und geringsten Kontakt-Übergangswiderstand ankommt einem Stahlrohr aufgestellt. Die Messwertaufnahme erfolgt (z. B. zur Signalumschaltung in Messgeräten). durch zwei übereinander angeordnete Baugruppen:

89 Ein Optokoppler ist ein Bauelement der Optoelektronik forderungen der WMO-Richtlinien 306, No 8. An mobilen und dient zur Übertragung eines elektrischen Signals zwi- Messeinheiten des DWD (siehe 19.5.4) wird ein älteres Mo- schen zwei galvanisch getrennten Stromkreisen. Er be- dell des PLUVIO OTT mit gleichem Messprinzip, aber einer steht aus einem optischen Sender, typischerweise ist dies anderen Datenausgabe eingesetzt. eine Infrarotleuchtdiode (LED – Light Emitting Diode) und einem Fototransistor als optischen Emp»nger, einem Fo- Der PLUVIO OTT dient zur automatischen Ermittlung der tothyristor oder Triac (siehe dort), welche beide in einem Niederschlagshöhe und -intensität und entspricht im We- lichtundurchlässigen Gehäuse untergebracht sind. Mit Op- sentlichen der Bauform n. Hellmann (WMO-Standard). Im tokopplern können sowohl digitale als auch analoge Signa- Gegensatz zu konventionellen Niederschlagssensoren arbei- le übertragen werden [46]. tet PLUVIO nach dem Wägeprinzip, d. h. jedes Niederschlags- ereignis, unabhängig ob Flüssig- oder Festniederschlag wird Mittels einer Thermostat gesteuerten Flächenheizung, die durch eine Gewichtsbestimmung des Au¦angbehälters er- bei +2 °C (±2,8 K) ein- und bei +8 °C (±2,2 K) ausschaltet, wird kannt, der auf einer elektronischen Waage steht. das schnelle Schmelzen fester Niederschläge bewirkt und das Gefrieren von Wasser an den Durchlässen (Modulator, Als Sensorelemente dienen hochpräzise, langzeitstabile Deh- Tropfenzerstörer) und in der Wippe verhindert. Die elektro- nungsmessstreifen, die gegen Umweltein üsse hermetisch nischen Bauelemente sind zum Schutz vor Kondenswasser abgedichtet sind. Eine spezielle Querlenkerkonstruktion in Kunststo¦ eingegossen. sorgt für eine spannungsfreie Kraftübertragung auf das Wä- gemodul. Eine mechanische Überlastsicherung verhindert Abb. 11.8 Niederschlagsmesser (Tropfer und Kippwaage) Beschädigungen der versiegelten Wägezelle durch Überlast. Schemazeichnung Dehnungsmessstreifen (DMS) sind Messeinrichtungen zur Erfassung von dehnenden Verformungen. Sie ändern schon bei geringen Verformungen ihren elektrischen Widerstand und werden als Dehnungssensoren eingesetzt. Man klebt sie mit Spezialkleber auf Bauteile, die sich unter Belastung mini- mal verformen. Diese Verformung (Dehnung) führt dann zur Veränderung des Widerstands des DMS [46].

Abb. 11.9 Wägezelle PLUVIO (OTT MESSTECHNIK)

Über einem Präzisionsverstärker und einem hochau ö- Pege und Kontrolle der Funktionstüchtigkeit senden AD-Wandler wird ein digitales Ausgangssignal mit Die P ege des Sensors besteht darin, den Durchlass am Mo- einer Au ösung von 0.01 mm Niederschlag erzeugt. Auch dulator von Verunreinigungen (Bluten, Blätter, Insekten) erfüllt er die Anforderungen hinsichtlich Unterscheidung freizuhalten. Wenn erforderlich wird das Gehäuse von au- zwischen üssigen und festen Niederschlag. ßen gereinigt. Die Funktionskontrolle wird täglich durch eine Kontrollmessung mit dem Niederschlagsmesser n. Abb. 11.10 Niederschlagsmesser PLUVIO (OTT MESSTECHNIK) Hellmann (falls noch vorhanden) überprüft. An den Wetter- warten wird auch mit Hilfe von Augenbeobachtungen eine Funktionskontrolle durchgeführt.

Wägesensor PLUVIO Der Niederschlagssensor PLUVIO der Fa. OTT MESSTECH- NIK GmbH & Co. KG, Kempten wird an automatischen und personell besetzten Wetterstationen im Messnetz des DWD betrieben. Er ist u. a. auch im Hessischen Niederschlags- messnetz (siehe 19.6.1) und in den Messnetzen der Wasser- wirtschaft (siehe 19.6.5) zu ¤nden. Er erfüllt sämtliche An-

90 Der PLUVIO erfasst kontinuierlich im Messzyklus von 1 min Die Auswertung des Niederschlags beruht auf der Erfas- das Gewicht des Niederschlages. Zwei Gramm Gewichts- sung aller Gewichtszuwächse in einem bestimmten Zeit- zunahme entspricht einem Volumen von 2 cm3 und einem abschnitt. Gewichtszuwächse oberhalb der Intensitäts- Niederschlagszuwachs von 0,1 mm. ansprechschwelle werden mit einer Ausgabeverzögerung von 85 s bis 400 s ausgegeben, abhängig von deren Minu- Tab. 11.2 Spezi¯kationen PLUVIO (OTT MESSTECHNIK) tenintensität. Langsame Erhöhungen mit sehr geringen Zuwächsen können bis zu 40 min angesammelt werden; bei Auangäche 200 cm² Erreichen der Intensitätsansprechschwelle, die bei 0,03 mm Auangmenge 250 mm (= 5 l) bezogen auf 40 min Sammelzeit liegt, erfolgt dann eine Nie- Abfrageintervall 6 . . . 60 s derschlagsausgabe. Der erfassbare Feinstniederschlag be- trägt somit ≥ 0,045 mm h–1. Zeichnet der PLUVIO in schein- 0 . . . 250 mm Niederschlagshöhe bar trockenen Perioden Feinstniederschläge auf, so ist zu Messbereich 0,1 mm h–1 . . . 20 mm min–1 Nieder- schlagsintensität* prüfen, ob es sich hierbei um „abgesetzten Niederschlag“ (z. B. Tau, Raureif) handelt. Zudem können PLUVIO in Ne- Auösung 0,01 mm belsituationen (insbesondere bei Dunkelheit), wenn der Be- Linearität < ±0,02 mm obachter es schwer hat, fallende Niederschläge (nässender Nebel) zu erkennen, Niederschlag detektieren. –40 . . . +70 °C, Auösung 0,1 K, Messbereich Pt 100 Genauigkeit ≤±0,3 K (–30 . . . 45 °C) Der Au¦angbehälter besteht aus Polyethylen und die Behäl- Menge ±0,1 mm oder ±1 % vom terau age aus Polyproylen. Ein Pt 100-Außenfühler an der Genauigkeit –1 Messwert Intensität ±0,1 mm min , Bodenplatte (Aluminium) des PLUVIOs dient zur Tempera- (bei –25 . . . + 45°C) –1 ±6 mm h oder ± 1 % vom Messwert turkompensation des Wägemechanismus alle 6 s und zur Einsatzbedingungen –40 . . . +60 °C, 0 . . . 100 % Ermittlung der Umgebungstemperatur für die Steuerung der Versorgungs- Au¦angringheizung (separate Spannungsversorgung), die 10 . . . 14 V DC spannung bei Schneefall eine Schneehaubenbildung verhindert. Sie ist im Temperaturbereich von –8 °C bis +5 °C aktiv. Außerhalb Ringheizung 24 V DC/50 W von –8 . . . +5 °C aktiv dieses Temperaturbereichs kommt es erfahrungsgemäß * 1 mm min–1 = 20 ml min–1 (0,1 mm = 2 g) nicht zur Schneehaubenbildung. Aufgrund der mechanischen Kopplung zur Bodenplatte weichen die Temperatur- Abb. 11.11 PLUVIO OTT, abgenommener Schutzzylinder, Auangbe- werte meist von der normalen Lufttemperatur ab. hälter (oben), Querlenkerkonstruktion (Mitte und unten), Elektro- nikeinheit (OTT MESSTECHNIK) Um unerwünschte Verdunstungsverluste zu vermeiden, ist nur der eigentliche Au¦angring bis zu einer Solltempe- ratur von +5 °C beheizt. Die Heizungssteuerung verhindert durch eine niedrige und ständig überwachte Au¦angring- temperatur einen Kamine¦ekt. Die Heizung verhindert aber nicht das Einfrieren des Au¦angbehälters. Dafür wird in der Frostperiode das Frostschutzmittel POWER COOL DC 924-PXL in den Au¦angbehälter eingefüllt, das sowohl die Deformierung des Behälterbodens verhindert als auch das Abtauen des gefallenen Festniederschlags bewirkt.

Sicherheitshinweise zum Umgang mit Frostschutzmitteln siehe Anhang 6.3.

Der Niederschlagssensor ermittelt alle 6 s das Gewicht An Wetterwarten mit AMDA I werden keine Frostschutz- des Au¦angbehälters inkl. Inhalt mit einer Au ösung von mittel zugesetzt, sondern der Sammelbehälter rechtzei- 0,01 mm = Rohwert. Die Di¦erenz zwischen diesem Mess- tig entleert. Bei einer Füllhöhe des Behälters von mehr als wert und dem Gewicht des leeren Au¦angbehälters ergibt 100 mm kann es bei Gefrieren des Niederschlagswassers zur den momentanen Behälterinhalt. Ausstülpung des Behälterbodens und zu einem Kippen des Au¦angbehälters führen, sodass der Au¦angbehälter am Zu jeder vollen Minute berechnet der PLUVIO aus mehre- Rohrgehäuse anliegt. Das führt zu Fehlimpulsen und fal- ren Rohwerten einen ge¤lterten Behälterinhalt, ebenfalls schen Messwerten. mit einer Au ösung von 0,01 mm. Ein spezieller Filteral- gorithmus verhindert hierbei eine Ver»lschung der Mes- Für die Übertragung der ermittelten Messwerte in das DWD- sergebnisse, wie sie bspw. durch Windein uss verursacht Datenerfassungssystem AMDA (siehe 18.2) wird das vom werden können. Die Di¦erenz aus dem aktuellen und dem DWD spezi¤zierte Daten- und Telegrammformat eingesetzt. vorhergehenden, ge¤lterten Behälterinhalt ergibt die Nie- Jedes Datentelegramm besteht aus 2 Zeilen mit insgesamt derschlagsintensität in mm min–1. Diese Minutenwerte wer- 89 Zeichen. Darin enthalten sind u. a. den zur „akkumulierten Niederschlagshöhe“ bis zum maxi- • der Behälterinhalt, malen Wert von 999,99 mm aufaddiert. • Hinweis, wenn 70 % des Auffangbehälters erreicht sind,

91 • akkumulierte Niederschlagshöhe in mm, Für Servicezwecke (Einstellen der Betriebsparameter, Ge- • Niederschlagsintensität in mm min–1, nauigkeitstests u. a.) steht bei PLUVIO2 eine USB-Schnitt- • Umgebungstemperatur in °C, stelle zur Verfügung, die keinen separaten Anschluss der • Neustart nach Systemausfall Versorgungsspannung benötigt.

Um ein Überlaufen des Behälters zu vermeiden, muss der Be- PLUVIO2 OTT ist u. a. im neuen SwissMetNet eingesetzt. hälter regelmäßig manuell geleert werden. Zukünftig soll über Eine Entscheidung, PLUVIO2 im DWD als Ersatz für Pluvio- ein gekrümmtes Kunststo¦rohr ab einer Füllmenge von 88 % DWD einzuführen, steht noch aus. Bisher sind im DWD le- ein automatisches Abhebern statt¤nden. Es soll die manuelle diglich Testgeräte auf den Wst’en Westermerkelsdorf und Entleerung nicht ersetzen, sondern soll lediglich ein unkont- Wasserkuppe installiert. rolliertes Überlaufen verhindern, wenn eine manuelle Entlee- rung nicht möglich war. So könnten die Daten noch gerettet Pege und Kontrolle der Funktionstüchtigkeit (PLUVIO) werden. Die Erprobung ¤ndet von Seiten des DWD statt. Ab einer Füllhöhe von etwa 70 % sowie bei starker Ver- schmutzung muss der 5 l fassende Sammelbehälter entleert PLUVIO2 werden, um ein Überlaufen zu vermeiden. Besonders bei Die Fa. OTT MESSTECHNIK hat ein Nachfolgemodell des Dauerregen und drohendem Überlauf ist eine Entleerung PLUVIO entwickelt, mit gleichem Messprinzip, mit verein- auf jeden Fall vorzunehmen, sofern noch keine technische fachtem mechanischen Auau und einigen technischen Einrichtung zur Selbstentleerung vorhanden ist. Die P e- Verbesserungen. Daher ist die o. a. Beschreibung für PLU- gearbeiten müssen in einer niederschlagsfreien Zeit ausge- VIO2 weitgehend identisch und nur in einigen Punkten gibt führt werden. es Abweichungen zur neueren Version. Folgende Schritte sind beim Entleeren des Sammelbehäl- Neu ist, dass die hermetisch abgeriegelte Wägezelle direkt ters durchzuführen: unterhalb des Au¦angbehälters liegt, sodass die aufwendi- 1. Edelstahlrohrgehäuse nach oben abziehen und abstellen. gere Querlenkerkonstruktion ent»llt. Die Wägezelle misst Das Wägesystem auf Verschmutzungen prüfen. das auf ihr lastende Gesamtgewicht. Außerdem ist der Sen- 2. Am Grundkörper be¤ndet sich eine Elektronikeinheit bei sor dadurch gegen AuÂeizung durch Einstrahlung besser der durch im 6 s-Takt blinkende LEDs die Betriebsfunkti- abgeschirmt. Da gleichzeitig der Grundträger aus Edelstahl/ on signalisiert wird. Sollte dies nicht der Fall sein, liegt Aluminium besteht, ist auch eine stärkere AuÂeizung auf ein Defekt vor, der umgehend zu melden ist. der Südseite des Gehäuses weitgehend ausgeschaltet. 3. Im Temperaturbereich von –8 °C bis +5 °C dürfen keine Ablagerungen von Schnee/Eis/Reif an der oberen Ring- Tab. 11.3 Spezi¯kationen PLUVIO2 (OTT MESSTECHNIK) heizung vorhanden sein. Dies würde auf einen Defekt der Heizung h hinweisen, der umgehend zu melden ist. Auangäche, Version 200 200 cm² 4. Ist der Sammelbehälter stark verschmutzt, ist er zu reini- Auangmenge, Version 200 1500 mm m–2 gen. Den leeren Behälter wieder senkrecht auf die Behäl- Abfrageintervall (Poll) 1 bis 60 min terau age der Waage stellen. 5. Das Edelstahlrohrgehäuse über den Sammelbehälter he- 0 bis 1500 mm Nieder- ben und langsam auf den Grundkörper ablassen. Dabei ist schlagshöhe Messbereich 0 bis 10 mm min–1 Nieder- zu beachten, dass der Kabelanschluss am Edelstahlrohrge- schlagsintensität* häuse in die Position der Ausfräsung am oberen Ring des Grundkörpers angepasst wird, denn nur so ist das Edel- Auösung 0,01 mm stahlrohrgehäuse über den Grundkörper zu schieben. Menge ±0,1 mm oder ±1 % 6. Anschließend wird die Freigängigkeit des Sammelbehäl- vom Messwert, ters durch seitliches Antippen am oberen Rand des Be- Genauigkeit Intensität ±0,1 mm min–1, (bei –25 bis + 45°C) hälters nach allen vier Richtungen geprüft; sie muss in ±6 mm h–1 oder ±1 % vom jeder Richtung vorhanden sein. (diese Prüfung führt zu Messwert, keiner Ver»lschung der Niederschlagsmenge, denn vor Einsatzbedingungen der Durchführung von Wartungsarbeiten muss der Sensor –40 bis +60 °C, 0 bis 100 %, max. Windgeschwindigkeit in der AMDA auf Wartung gestellt worden sein!). Bei eini-

bei Einhaltung der Genau- gen Sensoren sorgt zusätzlich ein Schalter, der durch das 33 m s–1, igkeit Edelstahlrohrgehäuse des Sensors betätigt wird, für eine 50 m s–1 ohne Gerätedefekt Signalunterdrückung. Das bedeutet, dass beim Abziehen Versorgungsspannung 9,6 bis 28 V DC des Edelstahlrohrgehäuses die Signalabgabe unterbrochen wird und beim Zusammenbau wieder freigegeben wird.

Neu ist auch die erheblich vergrößerte Aufnahmemenge von Insektenschutzinsel 1500 mm, die es erlaubt, das Gerät für längere Zeit in unweg- Es wurde beobachtet, dass eine Reihe von Insekten im samem Gelände und in den meisten Gebieten Deutschlands Au¦angbehälter des PLUVIO ertrinkt. Auf Anraten einer über ein Jahr ohne Wartungsaufwand einzusetzen. PLUVIO2 Umweltschutzorganisation soll Insekten eine Ab ugmög- gibt es auch mit einer Au¦ang äche von 400 cm². lichkeit geboten werden. Im Sommerbetrieb wird dazu eine bereitgestellte Styrofoamscheibe der Fa. The Dow Chemical

92 Company in den Au¦angbehälter gelegt, die in den Win- Abb. 11.14 Nahansicht Wippe 1518 H (Lambrecht) termonaten herauszunehmen ist. Die Größe der Scheiben deckt die Wasserober äche im Falle von 80 % Behälterin- halt um 69 % ab und bietet Fluginsekten eine Ab ugmög- lichkeit. Die feinporige Ober ächenstruktur unterstützt ein schnelles Ablaufen von angesammeltem Niederschlag und reduziert somit die Verdunstungsverluste, im Vergleich zum PLUVIO ohne Scheibe, um 30 %. In Styrofoam ¤ndet keine Kapillaraszension statt, wodurch ebenfalls die Ver- dunstung reduziert wird. Aus Laborversuchen und Erpro- bungen der Tageswerte ergab sich, dass sich die Insekten- schutzscheibe positiv auf das Dynamikverhalten und die Tab. 11.4 Spezi¯kationen Niederschlagsmengenmesser 1518 H Verdunstungsverluste des Sensors auswirkt. (Lambrecht) Wippeninhalt 2 cm³ (2 g Wasser) Wippenvolumen Niederschlagsmengenmesser Der Niederschlagsmengenmesser 1518 H wird von der Fa. Lam- Auangäche 200 cm² WMO-Norm brecht hergestellt und entspricht den Richtlinien der WMO. Auösung 0,1 mm Das Gerät ist robust zeichnet sich durch ein einfaches Mess- Genauigkeit ±2 % mit Intensitätskompensation prinzip aus, das aus einer Wippenmesssystem-Konstruktion nach Joss-Tognini besteht, d. h. der Niederschlag läuft durch Einsatzbedingungen –35 bis +70 °C einen Trichter in eine Wippenschale. Ein weiterer Vorteil die- Gesamtheizleistung 42 V AC, 235W ses Gerätes ist die geringe Fehlalarmrate (Fehlimpulse). Versorgungs- 4 bis 30 V DC spannung Abb. 11.12 Niederschlagsmengenmesser 1518 H oen (Lambrecht)

Die Impulsabgabe kann elektronisch abgetastet, fernüber- tragen und registriert werden.

Zum Schutz der Wippenmechanik gegen groben Schmutz muss der Schmutz»nger in den Au¦angtrichter (Abb. 11.15) eingesetzt werden. Die Wippe kann ausgetauscht werden, ohne dass der Sensor neu kalibriert werden muss.

Abb. 11.15 Niederschlagsmengenmesser H3 (Lambrecht)

Zur Reduzierung der Reibungskräfte, die bei einer Wippen- kippung entstehen, bestehen bei dieser Konstruktion die Lager aus abriebfestem Delrin (Handelsname für Polyoxy- methylen -POM, ein hochmolekularer thermoplastischer Kunststo¦). Sobald die Schale gefüllt ist, kippt die Wippe und es wird ein im Niederschlagssensor eingebauter Reed- kontakt (siehe 11.3.2 Kippwaage) geschlossen.

Abb. 11.13 Auangtrichter 1518 H (Lambrecht)

Für Winterbetrieb steht eine Gesamtheizleistung von 235 W, aufgeteilt in drei Heizkreise für Au¦angtrichter 100 W, Au¦angring 100 W und für Ablaufrohr, Wippe 35 W zur Ver- fügung. Die vollelektronische Heizungsregelung wird über 2 Temperatursensoren und eine TRIAC-Schaltung gesteuert, welche die elektronischen Schaltpunkte für die Hei- zung genau ermittelt.

Bei der TRIAC- (= Triode for Alternating Current)Schaltung Durch das Kippen kann das Wasser aus der Schale ab ießen handelt es sich um ein elektronisches Bauteil mit einer Halb- und die zweite Wippenschale wird unter den Trichter be- leiterschichtstruktur, das vom Prinzip her eine Antiparallel- wegt. Hat sich auch die zweite Wippenschale gefüllt, kippt schaltung von zwei Thyristoren darstellt. Das ermöglicht es, die Wippe wieder in ihre Ausgangsposition zurück. in beide Richtungen Strom zu führen, wohingegen ein einzelner Thyristor nur in einer Richtung leiten kann und somit

93 im eingeschalteten Zustand wie eine Diode wirkt. Damit für Abb. 11.16 Niederschlagssensor 15188 H (Lambrecht) die beiden Thyristoren ein Steueranschluss ausreicht, sind in Triacs zwei Zünd- oder Hilfsthyristorenstrecken eingebaut, damit er mit positivem und negativem Steuerimpuls in den niederohmigen Zustand gekippt werden kann [43].

Das Gerät wird im DWD und u. a. an der UFS auf der Zugspit- ze eingesetzt.

Pege und Kontrolle der Funktionstüchtigkeit Der Niederschlagssensor ist praktisch wartungsfrei. Durch Verschmutzungen, z. B. Vogelkot, Staub, Blätter usw. kön- nen Messabweichungen auftreten. Er sollte daher, in Ab- Das Gehäuse ist aus eloxiertem Aluminium, das auf einem hängigkeit von den örtlichen Gegebenheiten, in regelmäßi- Sockel steht. gen Abständen überprüft und gereinigt werden. Regenmesser RG13H Zum Reinigen ist der Niederschlagssensor gut durchzuspü- Im automatischen Wetterbeobachtungssystem MIDAS IV len. Festsitzende Schmutzteilchen im Sammeltrichter und AWOS (siehe 18.4) wird zur Niederschlagsmessung der Re- Ablaufrohr können mit einem Holzspan gelöst werden. genmesser RG13H der Fa. Vaisala verwendet. Der Sensor besteht aus einer Kippwaage mit einem Fassungsvermögen Die Funktionskontrolle des Niederschlagssensors kann mit von 0,2 mm. Bei jedem Kippvorgang schließt ein Magnet den Hilfe eines künstlichen Niederschlags durchgeführt werden. Kontakt eines Reedschalters (siehe 11.3.2 Kippwaage). Dazu ist der Inhalt eines Testge»ßes mit 200 cm³ bzw. 400 cm³ (bei Wippe 4 cm³) Wasser durch eine Düse so in den Au¦ang- Tab. 11.6 Regenmesser RG13H (Vaisala) trichter zu leiten, dass die Tropfen neben dem Ab uss in den Durchmesser des Behälters 225 mm Trichter laufen. Die Düse des Einfüllbehälters sollte so bemessen sein (ca. 0,6 mm Durchmesser), dass die Wassermen- Auangäche 400 cm2 ge in 10 min bis 12 min in den Trichter ausgelaufen ist. Danach Niederschlagskapazität unbegrenzt sollten 100 ±2 Wippenkippungen gezählt worden sein. Emp¡ndlichkeit (Regen pro Pulse) 0.2 mm Niederschlagssensor mit Kippwaage n. Joss-Tognini Heizung 38 W/40 V AC Dieser Niederschlagsensor 15188 H der Fa. Lambrecht ist im SwissMetNet im Einsatz. Er ist dem Niederschlagsmen- Abb. 11.17 Regenmesser RG13 H (Vaisala) genmesser 1518 H (Lambrecht) mit Kippwaage sehr ähnlich, besitzt auch ein Wippenmesssystem-Konstruktion nach Joss-Tognini und entspricht ebenfalls den WMO-Richtlini- en. Das Wippenvolumen beträgt 2 cm3 (2 g). Die wiegenden Wippen entleeren sich selbst und registrieren alle Nieder- schläge. Ein Überlaufen ist dabei nicht möglich.

Tab. 11.5 Spezi¯kationen Niederschlagssensor 15188 H (Lambrecht) Messprinzip Kippwaage Präzisions-Edelstahlwippe n. Joss- Messelement Tognini auf Schneidenlagern Wippeninhalt 2 cm3 = 0,1 mm Messbereich 0 bis 10 mm min–1 Genauigkeit ± 2 % Temperaturen 0 bis +70 °C · messend Einsatzbereich –30 bis +70 °C mit Heizung nicht vereisend, nicht verwehend Das Gehäuse und der Aufnahmebehälter bestehen aus einer 4 °C ±2 °C im Bereich von Regeltemperatur –20 bis +4 °C Aluminiumlegierung. Der äußere Ring um das Aufnahme- ge»ß garantiert eine Au¦ang äche von 400 cm2. Eine Hei- elektr. gesteuertes Zwei-Kreis-Präzisi- zung im Inneren des Behälters sorgt bei Schneefall für das onsheizungssystem Heizleistung 170 W Schmelzen des Schnees; ein Thermostat schaltet sie auto- 100 W Ablauftrichter · 70 W Ablauf/ matisch bei +4 °C ein. Wippe Versorgungs- 18 bis 30 V DC Wippen sind streng genommen keine Mengenmessgeräte, spannung auch wenn sie von Firmen z. T. so bezeichnet werden. Es

94 handelt sich dabei um Intensitätsmessgeräte, da sie keine indirekten Radarmessungen verglichen werden. Die Regen- Akkumulation durchführen, sondern die Zeit ermitteln, menge, gemessen mit einem Radargerät, wird durch die die benötigt wird, eine bestimmte Niederschlagsmenge zu Messung der Leistung des empfangenen Signals ermittelt. sammeln. Beein usst wird sie u. a. durch • technische Eigenschaften des Radars 11.3.3 Optische Niederschlagserfassung – Distrometer • Empfindlichkeit des Empfängers und • Gewinn und Strahlbreite der Antenne. Die bisher beschriebenen Niederschlagsmesssysteme messen die Niederschlagsmenge, die während eines bestimmten In den vom Radar gelieferten Wert der Radarre ektivität Z Zeitraumes gefallen ist. Sie liefern auch Aussagen zu Beginn ießen alle von ihm erfassten Niederschlagsteilchen mit und Ende und damit zur Dauer des Niederschlages, z. T. mit der sechsten Potenz ihres Durchmessers ein. sehr hoher zeitlicher Au ösung. Um jedoch Informationen zur Größenverteilung und Geschwindigkeit von Nieder- (11.3) schlagselementen und zu deren Art zu erhalten, müssen optische Messmethoden angewandt werden, die von Distro- Nur wenn die Anzahl und der Durchmesser der Nieder- metern (engl. disdrometer) geleistet werden. Dann sind auch schlagsteilchen bekannt sind, ist eine einigermaßen gute Zu- generelle Aussagen über Niederschlagsspektren möglich. Die ordnung der Regenrate R zur Radarre ektivität Z oder umge- Erfassung der Niederschlagsmenge und deren zeitlichen Ver- kehrt nach folgender empirischer „Z/R-Beziehung“ möglich: lauf, also die Intensität des Niederschlages ist ebenfalls mit Distrometern möglich. Im Gegensatz zu den altbewährten Z = a · R b (mm6/m3) (11.4) Messmethoden wird hier jedoch kein Messge»ß benötigt. mit a, b = vom Tropfenspektrum abhängige Konstante Als Lichtquelle wird normalerweise eine Laserdiode ein- (über 70 verschiedene Werte); im DWD wird gesetzt, die ein Lichtband als Sensor äche erzeugt, mit der die Beziehung mit den Werten gerechnet die Größenverteilung und Geschwindigkeit erfasst werden R = Regenrate (Niederschlagsmenge) mm kann. Problem dabei ist, dass diese Parameter bei den verschiedenen Niederschlagsarten sehr unterschiedlichen Die Anzahl und die Größenverteilung der Niederschlags- groß sind (Tab.11.7) und darauf die Bandbreite des Lichtban- tropfen in einem Streuvolumen sind meist unbekannt und des abgestimmt werden muss. hängen von Wetterlage, Jahres- und Tageszeit sowie von orogra¤schen E¦ekten ab. Deshalb ist die Verwendung ei- Tab. 11.7 Größenverteilung und Geschwindigkeiten von Niederschlägen nes Distrometers im Zusammenhang mit einem Radar nahezu unerlässlich, um solche Ergebnisse zu erhalten. Tropfendurchmesser Geschwindigkeit Niederschlagsart mm m s–1 Laser-Niederschlagsmonitor (LNM) Sprühregen 0,1 bis 0,5 0,25 bis 2,0 Der Laser-Niederschlags-Monitor der Fa. Thies GmbH & Co. Regen 0,5 bis 5,0 2,0 bis 9,0 KG, Göttingen ist ein optisches Distrometer, welches die Größe, Geschwindigkeit und Anzahl der Partikel misst, die ihn passieren. Der Sensor dient damit der Bestimmung der Schneekristalle 1,0 bis 5,0 0,3 bis 0,7 aktuellen Niederschlagsart als Ersatz für visuelle Beobach- Schneeocken > 10,0 1,0 bis 2,0 tungen an vollautomatischen, hauptamtlichen Stationen. Schneegriesel < 1,0 0,3 bis 1,0 Berechnet werden Niederschlagsintensitäten zwischen Reifgraupel < 5,0 1,5 bis 4,0 <0,005 mm h–1 (Sprühregen) bis >250 mm h–1, -menge, -art Frostgraupel 1,0 bis 5,0 1,5 bis 5,0 (Sprühregen, Regen, gefrierender Sprühregen bzw. Regen, Schnee, Schneegriesel/Eisnadeln, Graupel, Hagel und Eis- Eiskörner < 5,0 1,0 bis 2,5 körner sowie Mischniederschläge) und die Verteilung der Eisnadeln sehr kleine Kristalle 0,5 Partikel auf das Partikelspektrum (Durchmesser und Ge- Hagel 5,0 bis 50,0 5,0 bis 30,0 schwindigkeit). Die Niederschlagsart wird aus dem statistischen Verhältnis aller Partikel bezüglich Durchmesser und Sicherheitshinweise zum Umgang mit Laser siehe Anhang 6.2. Geschwindigkeit bestimmt.

Optischen Niederschlagsmessgeräte messen mit Licht- Abb. 11.18 LNM Funktionsprinzip (Thies) schranken die Teilcheneigenschaften und umgehen damit das Problem, dass Eis- und Schneeteilchen sehr unterschiedliche Dichten haben und nicht nur über den Impuls die Teilchengeschwindigkeit bzw. Teilchengröße bestimmt werden kann. Da Distrometer eine direkte Messung des Tropfenspektrums, welches durch die Größenverteilung oder spektrale Dichteverteilung (eine Funktion von Trop- fenzahl N und Tropfendurchmesser D) N(D) in einem Volu- men beschrieben wird, vornehmen, kann das Ergebnis mit

95 Mittels einer laseroptischen Strahlquelle (Laserdiode und Niederschläge automatisch als üssig (Ausnahme: Graupel Optik) wird ein paralleles, horizontales Infrarotlichtband er- und Hagel) und unterhalb von –4 °C als fest angenommen. zeugt. Auf der Emp»ngerseite sitzt eine Photodiode (siehe 6.3) Im Temperaturbereich dazwischen können alle Formen des mit integriertem Tageslicht¤lter und einer Linse, um durch Niederschlags vorkommen. Umwandlung in ein elektrisches Signal die optische Leistung zu messen. Fällt ein Niederschlagspartikel durch das einstrah- Tab. 11.8 Spezi¯kationen Laser-Niederschlagsmonitor (Thies) lige Lichtband, wird das Empfangssignal durch Extinktion ab- Lichtquelle Laserdiode, Laser-Klasse 1M geschwächt und gemessen. Simultan wird der Maximalwert (Umax) und die Signaldauer (time interval) gemessen. Wellenlänge 0,785 μm, max 0,5 mW Messäche 45,6 cm2 (23 x 2.0 cm) Abb. 11.19 LNM Funktionsweise (Thies) 440 Klassen (22 Durchmesser, Klassi¡zierung 20 Geschwindigkeit) Partikelgröße 0,16 bis >8 mm Partikelfall- 0,2 bis 20 m s–1 geschwindigkeit Sprühregen >97 % Regen >99 % Genauigkeit* Schnee >99 % Hagel >95 % Schneegriesel >60 % Auösung 0,001 mm h–1 Sichtweite MOR 0 bis 99,999 m Niederschlag Radarreektiviät Z = –9,9 bis 99,9 dBZ Einsatzbedingungen –40 bis +70 °C, 0 bis 100 % Abb. 11.20 Laser-Niederschlagsmonitor (Thies) Versorgungs- 24 V AC/DC oder 22 bis 30 V DC spannung

* Genauigkeit der einzelnen Niederschlagspartikel bezieht sich auf einen Vergleich mit der synoptischen Beobachtung

Obwohl bei diesem Sensor »lschlicherweise oft von einem „Present-Weather-Sensoren“ (PWS) gesprochen wird, gibt es diese Messgeräte streng genommen (noch) gar nicht, da keines in der Lage ist, den gesamten wawa-Code (von 00 bis 99) zu erfassen. So ermittelt der eingesetzte LNM Nieder- schlagsart und -intensität und gibt diese als wawa-Code aus (Synop: wawa 4680, ww 4677, Metar 4678). Zur vollständi- gen Beschreibung des Wetterzustandes (wawa-Code 00 bis 99) müssen diese Angaben durch weitere Informationen er- Aus der Amplitude der Abschwächung wird der Durch- gänzt werden. Dies erfolgt durch einen wawa-Algorithmus, messer der Partikel berechnet, wobei Teilchen mit einem der in den AMDA II- und AMDA IE-Systemen implementiert Durchmesser von 0,16 mm bis >8 mm detektiert werden kön- ist. Damit ist die AMDA mit den angeschlossenen Sensoren nen. Außerdem wird aus der Dauer des Abschwächungs- quasi das „Present-Weather-Messsystem“. signals die Fallgeschwindigkeit der Partikel ermittelt. Die gemessenen Werte werden mit einem digitalen Signalpro- Grundsätzlich ist zu beachten, dass der wa wa-Code eine gan- zessor (DSP, siehe 4.3) verarbeitet und auf Plausibilität (z. B. ze Reihe von Wettererscheinungen beinhaltet, die bei gleicher Randtre¦er) überprüft. Schlüsselzahl wie im ww-Code eine ganz andere Bedeutung haben und bei der graphischen Darstellung dieser Wettererschei- Das System berechnet zusätzlich das Volumen (Wasser- nungen (z. B. in NinJo) auch andere Symbole erscheinen. äquivalent), die meteorologische Sichtweite (MOR, siehe 13.1.1) im Niederschlag und die Radarre ektivität Z (11.3). Im DWD sind zwei Versionen des Geräts eingesetzt, die sich Die optischen Komponenten gewährleisten zuverlässige, nur durch unterschiedlich starke Heizungen unterscheiden. präzise Messungen und Ergebnisse in Echtzeit. Pege und Kontrolle der Funktionstüchtigkeit Zusätzlich wird mit einem an der Unterseite des Gerätes Etwa alle 3 Monate sollten prophylaktisch die Glasscheiben montierten Temperaturfühler die Lufttemperatur als Hilfs- des Sensors mit einen handelsübliches Reinigungstuch, größe zur besseren der Erkennung der Niederschlagsarten wie es z. B. für Brillen verwendet wird gereinigt werden. verwendet. Bei Temperaturen oberhalb +9 °C werden die

96 Insektennester, Spinnennetze, Pollen ug-Ablagerungen oder Die primär ermittelten Daten sind Größe und Geschwindigkeit ähnliches müssen regelmäßig entfernt werden. jedes einzelnen Niederschlagspartikels, woraus das Größen- spektrum, die Niederschlagsmenge und -intensität, die Nie- Sollte der Laser-Niederschlagsmonitor die Fehlermeldung derschlagsart, die äquivalente Radarre ektivität Z (11.3), die „Scheiben verschmutzt“ ausgeben und der Fehler nach Reini- Sichtweite im Niederschlag und die kinetische Niederschlags- gung noch bestehen, ist umgehend die zuständige SL-Einheit energie abgeleitet werden. Die dabei ermittelten Daten werden zu informieren die auch ausschließlich die Wartung des Gerä- von einem digitalen Signalprozessor verarbeitet und gespei- tes durchführt. chert. Die Ergebnisse können an einen Datensammler oder an einen PC mit serieller Schnittstelle übertragen werden. Laser-Distrometer Parsivel® Das Laser-Distrometer Parsivel® (Parsivel = Particel Size Ve- Tab. 11.9 Spezi¯kationen Laser-Distrometer Parsivel® locity) der Fa. OTT MESSTECHNIK ist ein auf einem Laser (OTT MESSTECHNIK) basierendes optisches System zur Messung aller Arten von Laserdiode, Laser Klasse 1 Lichtquelle Niederschlägen. Es wird am MOHP, u. a. am Institut für Me- (21 CFR 1040.10 und 1040.11) teorologie und Klimaforschung der Universität Karlsruhe und am Schneefernerhaus auf der Zugspitze eingesetzt. Wellenlänge 0,650 μm Leistung der Laser- 3 mW , durch gepulsten Laser redu- Abb. 11.21 Laser-Distrometer Parsivel® (OTT MESSTECHNIK) diode ziert auf 1mW Messäche 54 cm2 Abmessungen des 180 x 30 mm Lichtbandes Messbereich Partikel- 0.2 bis 25 mm größe (üssig/fest) Partikelgeschwin- 0.2 bis 20 m s–1 digkeit Niederschlags- 0,001 (Sprühregen) bis 1200 mm h-1 intensität Die Niederschlagspartikel werden di¦erenziert und als Messintervall 15 s bis 60 min Sprühregen, Nieselregen, Regen, Graupel, Hagel, Schnee 32 Größen- und 32 Geschwindigkeits- Schneeregen oder Schneegriesel klassi¤ziert. Die Unter- Verteilung der Nie- klassen, scheidung der Niederschlagsarten Sprühregen, Regen, Ha- derschlagspartikel gel und Schnee ergibt > 97 % im Vergleich zu einem Wetter- 8 Niederschlagsarten (siehe oben) beobachter. SYNOP: wawa 4680, ww 4677, ME- Wetter-Code (WMO) TAR 4678 und NWS- Tabellen Ausgaben Zur Niederschlagsmessung wird ein laseroptischer Sensor (21 Niederschlagstypen) verwendet, dessen Sendeeinheit einen achen horizonta- Sichtweite im Nieder- 100 bis 5000 m (MOR) ±10 % len Lichtstrahl 1 m oberhalb der Erdober äche erzeugt, den schlag die Emp»ngereinheit in ein elektrisches Signal umwandelt. Das Signal ändert sich, sobald innerhalb des Messbereichs Radarreektivität Z –9,9 bis 99 dBz ±20 % ein Niederschlagspartikel durch den Strahl »llt. Der Grad Einsatzbedingungen –40 bis +70 °C , 0 bis 100 % der Lichtabschattung ist ein Maß für die Größe des Nieder- Versorgungs- 10 bis 36 V DC, 12 V, 600 mA schlagsteilchens und in Kombination mit der Signaldauer spannung wird dessen Fallgeschwindigkeit abgeleitet.

Abb. 11.22 Parsivel® OTT auf der Zugspitze (Foto: Lö¹er) Die Fa. OTT MESSTECHNIK hat mit Parsivel®2 ein Nachfol- gemodell entwickelt, dass sich vom Messprinzip nicht vom Vorgängermodell unterscheidet, aber einige technische Veränderungen aufweist. Eine wesentliche Veränderung betri¦t die Laserdiode. Sie ist mit einem homogenen Licht- strahl im Infrarotbereich mit einer Wellenlänge von 0,78 μm ausgestattet, mit der die Niederschlagselemente besser dif- ferenziert und klassi¤ziert werden können.

Als weitere Änderung besitzt Parsivel®2 zusätzlich eine Vor- wärtsstreulichtdiode, welche die meteorologische Sicht- weite (MOR) bis 2000 m auch außerhalb des Niederschlages bestimmt. Damit ist Parsivel®2 ein PWS-Distrometer, d. h. dass es die Eigenschaften eines laseroptischen Distrome- ters mit der Bestimmung der MOR verbindet.

97 Niederschlagswächter Tab. 11.10 Spezi¯kationen Niederschlagswächter (Thies) Die Niederschlagsdauer wird im DWD mit dem Nieder- Lichtquelle Infrarotleuchtdiode schlagswächter der Fa. Thies GmbH & Co. KG, Göttingen Niederschlagsstatus bestimmt. Er dient als Signalgeber zur Ermittlung von Nie- Messwert derschlagsbeginn und -Ende und Niederschlag ja/nein. (Regen, Schnee, Hagel etc.) Niederschlag = Relais OFF Beim Durchfallen von Niederschlagsteilchen durch das Ausgang ( auch bei UB = 0); Infrarot-Lichtschrankensystem wird ein Schaltsignal in der kein Niederschlag = Relais ON nachgeschalteten Elektronik ausgelöst. Gleichzeitig wird Sensoräche 25 cm2 auf der Emp»ngerseite die Verdunkelungszeit und dessen Intensität erfasst, die dann durch ein Relaiskontakt die Tropfengröße ≥0,2 mm Niederschlagsart (Sprühregen, Regen, Schnee oder Hagel) Einschaltbedingung 1 bis 15 Ereignisse innerhalb 50 s ab einer Tropfengröße ≥ 0,2 mm signalisiert. Damit keine Einschaltverzögerung keine Fehlinterpretationen durch Insekten, fallende Blätter o. ä. Ausschalt- entstehen, müssen mindestens 2 Partikel innerhalb von 25 bis 375 s 50 s mit einer bestimmten Geschwindigkeit das Licht- verzögerung schrankensystem passieren, bevor der Sensor „Nieder- Kontaktbelastung max. 230 V AC; 4 A schlag“ meldet. Wenn 25 s keine weiteren Partikel erkannt Umgebungstempe- –25 bis 55 °C werden, wird der Status „Kein Niederschlag“ ausgegeben. ratur Versorgungsspan- Abb. 11.23 Niederschlagswächter (Thies) 24 V AC/DC ±15 % nung Betriebsstrom ca. 70 mA Heizstrom max. 1 A

Pege und Kontrolle der Funktionstüchtigkeit Die Mess äche innerhalb des „Hufeisens“ muss frei von Reifanlagerungen und Spinnen sein, da sie Fehlimpulse auslösen können. Das Gerät darf keinen starken Erschütte- rungen oder Vibrationen ausgesetzt sein. Verschmutzun- gen (z. B. Staub oder Salz) sind unkritisch, d. h. gelegentli- Die Sensorö¦nung des U-förmigen Gerätes ist in die Haupt- che Reinigung mit feuchtem Tuch genügt. Fremdlicht (z. B. windrichtung für Niederschläge zu installieren, damit die Sonne) verursacht keine Störungen. Niederschlagspartikel möglichst ungehindert durch die Lichtschranke fallen können. Joss-Waldvogel-Distrometer RD-80 Dieses Distrometer ist ein von den Schweizern Jürg JOSS Abb. 11.24 Niederschlagwächter, Schemazeichnung (Thies) und Albert WALDVOGEL entwickeltes und von der Fa. DIS- TROMET LTD, Basel hergestelltes elektronisches Gerät zur automatischen und kontinuierlichen Messung der Trop- fengröße von Niederschlag. Es wird u. a. am Institut für Me- teorologie und Klimaforschung der Universität Karlsruhe und an der ETH Zürich eingesetzt.

Abb. 11.25 Joss-Waldvogel-Distrometer RD-80 (DISTROMET LTD)

Für extreme Witterungsbedingungen ist das Gerät mit einer Heizung ausgestattet, um das Zuschneien bzw. Einfrieren des Gerätes im Winter zu verhindern. Das Gerät transformiert den mechanischen Impuls eines fallenden Tropfens, abhängig von der Vertikalgeschwindig- keit in einen elektrischen Impuls, dessen Amplitude eine Funktion der Masse und damit des Tropfendurchmessers ist. Die Analyse der Impulshöhen ergibt die Größenvertei- lung der Niederschlagstropfen. Die Tropfen jeder Klasse

98 werden summiert und dargestellt oder in Niederschlag- 11.3.4 Erfassung des Niederschlages mittels Widerstands- mengen (l m–2) umgewandelt. messung

Der Zusammenhang zwischen Tropfendurchmesser D und Niederschlagsmelder Amplitude des Ausgangssignals ist Mit dem Niederschlagsmelder der Fa. Kroneis, Wien erfolgt die Erkennung des Niederschlags mittels Widerstandsmes- U = 0,94 · D 1,47 (11.5) sung. Der beheizte Sensorkopf verfügt über mehrere parallel zueinander laufende Leiterbahnen. Fällt Niederschlag mit U = Spannung (V) auf diese Leiterbahnen, verringert sich der elektrische Wi- D = Durchmesser (mm) derstand zwischen den Leiterbahnen und ein Relais wird geschaltet. Der Niederschlagsmelder verfügt über einen Das Distrometer besteht aus einem ca. 30 cm hohen Metall- Schaltausgang (Niederschlag Ja/Nein). Durch eine Behei- zylinder, dessen obere Deck äche die Messmembran dar- zung des Sensorkopfes (bis auf ca. 50° C) werden die Was- stellt, auf die der zu messende Niederschlag »llt und die sertropfen auf der Sensor äche verdampft und damit das dem Prozessor für analoge Verarbeitung und Digitalisierung Schaltsignal wieder geö¦net (= kein Niederschlag), sobald die Sensorsignale zuführt. Die Tropfen werden bezüglich die Ober äche wieder trocken ist. Da das Verdampfen der ihres Volumens in sog. Distrometerklassen eingeteilt. Aus Wassertropfen eine gewisse Zeit in Anspruch nimmt, zeigt der Information wie viele Tropfen welcher Klasse gefallen der Sensor nach dem Ende eines Niederschlagsereignisses sind, lässt sich die Niederschlagsmenge berechnen. Gleich- eine Nachlaufzeit von 3 min bis 5 min. Fallen in der Zwi- zeitig wird die Art des Niederschlags (Sprühregen, Regen, schenzeit weitere Niederschlagspartikel auf die Sensor- Schauer, Gewitter, etc.) ermittelt. ober äche, bleibt das Schaltsignal auf „Niederschlag ja“. Die untere Heizstufe ist auf ca. 20° C eingestellt und verhindert Tab. 11.11 Spezi¯kationen Joss-Waldvogel-Distrometers RD80 eine Taubildung und Falschmeldung bei Nebel. (DISTROMET LTD) Abb. 11.28 Niederschlagsmelder (Foto: Kroneis) Tropfendurchmesser 0,3 bis 5 mm Messäche 50 cm2 ±5 % des gemessenen Tropfendurch- Genauigkeit messers 127 Größenklassen, mehr od. weniger Auösung exponentiell verteilt über das gesamte Spektrum der Tropfendurchmesser 0 bis +40 °C für den Prozessor Einsatzbedingungen 0 bis +50 °C für den Sensor Versorgungs- 115/230 V AC, 5,5 VA, 50/60 Hz oder spannung 9 bis 18 V DC, 3,3 W

Abb. 11.26 Joss-Waldvogel-Distrometer RD-80, Innenansicht (DISTROMET LTD) Der Kunststo¦ring ermöglicht auch bei Hagel, Graupel oder Schnee eine Erkennung des Niederschlags.

Pege und Kontrolle der Funktionstüchtigkeit An Wetterwarten mit Personal wird einmal täglich eine Funktions- und Sichtkontrolle durchgeführt. Bei Unterbre- chung der Lichtschranke, z. B. durch schnelles zweimali- ges Durchziehen der Finger von oben nach unten, schaltet hörbar ein Relais, das nach ca. 25 s zurück schaltet. Hiermit wird ein Niederschlagsereignis simuliert. Abb. 11.27 Joss-Waldvogel-Distrometer RD-80 Gesamtgerät (DISTROMET LTD) Durch Au egen der Hand äche auf die relativ warme Gerä- teoberseite kann die Funktion der Heizung überprüft werden. Im Winter darf sich dort keine Schneehaube bilden.

Weiterhin wird eine Sichtkontrolle mit eventueller an- schließender Reinigung des Sensors durchgeführt. Beson- ders Spinnennetze und andere Fremdkörper sollen aus der Sensorö¦nung entfernt werden. Hauptsächlich an Küsten- stationen muss auch auf Salzablagerungen geachtet wer-

99 den. Während der Blütezeit von P anzen kann es zu Abla- gegebenen Niederschlagsmengen von Schnee mit denen des gerungen von Blütenstaub kommen, der zu entfernen ist. üssigen Niederschlags nicht so ohne weiteres vergleichbar.

Nach längeren Trockenperioden kann die sensible Senso- 11.3.5.1 Schneepegel rinnen äche verschmutzen. Auch durch eine benachbarte Die Messung der Neuschneedeckenhöhe, kurz „Neuschnee- Baustelle, landwirtschaftliche Bearbeitung des Ackerbo- höhe“ erfolgt zum Morgentermin (06 UTC) auf einem dens oder bei Ernteeinbringung können Verschmutzungen Schneebrett. Auch die Höhe von neu entstandenen Decken des Sensors auftreten. Die Reinigung des gesamten Sensors aus Hagel oder Graupel wird auf dem Schneebrett durchge- ist mit warmem Wasser mit einigen Tropfen Spülmittel und führt. Es ist ein weis lackiertes Holzbrett mit einer Fläche einem sauberen, weichen Schwamm oder Tuch (um Kratzer von 1 m2, das sich im Beobachterhaus be¤ndet um Verwitte- zu vermeiden) durchzuführen. Die Ober ächen des Sensors rung zu vermeiden. Im Winterhalbjahr, wenn Niederschlä- werden nach der Reinigung abgetrocknet. ge in fester Form zu erwarten sind, wird es ausgelegt. Das Schneebrett soll nicht in einer Mulde liegen, da dort feste 11.3.5 Messung abgelagerter Niederschläge, Niederschläge angeweht werden können. In der wärmeren Schneehöhenmessung Jahreszeit muss die Höhe von Graupel oder Hagelschichten, sofern diese zu den Terminen auftreten, an einer ebenen Niederschlage, die in fester Form den Erdboden erreichen, Stelle bestimmt werden. lagern sich bei negativen Lufttemperaturen und – schneller noch – bei gleichzeitig negativen Erdbodentemperaturen ab Die Messung der Schneehöhe erfolgt mit dem Schneepegel und führen zu Decken aus gefallenen festen Niederschlä- (Abb. 11.29), einem Metallmessstab mit Markierungen in gen, die als Schneedecke sowie als Decke aus Graupel oder Zentimeter-Abständen, deren Anfangspunkt an der unteren Hagel bezeichnet werden, wobei unter der Bezeichnung Kante liegt. Der Schneepegel wird lotrecht bis zur Bodenbe- Graupel gemäß DWD VuB 2, Band D Reifgraupel, Frostgrau- rührung des Schneebretts oder an mehreren Stellen des Sta- pel, Schneegriesel und Eiskörner zusammengefasst sind. tionsgeländes und in der Umgebung bis zu 100 m Entfernung Da Graupel (nicht Schneegriesel und Eiskörner) oder Hagel durch die Ablagerungen gestoßen und die Höhe in ganzen überwiegend in der warmen Jahreszeit auftreten, werden cm an der Skala abgelesen. Die Schneedeckenhöhe (kurz diese Ablagerungen selten von längerem Bestand sein. „Schneehöhe“), aber auch die Höhe der Decken aus Graupel oder Hagel ist dann das Mittel aus allen Messungen. Folgende Schneeparameter werden im Messnetz des DWD erfasst: Abb. 11.29 Schneepegel • Höhe der Gesamtschneedecke (cm) • Schneebedeckungsgrad • Wassergehalt der Schneedecke, sog. Wasseräquivalent (mm)

Die Messung der Schneehöhe wird an personalbesetzten Wetterstationen und im nebenamtlichen Messnetz noch manuell durchgeführt, während an automatischen hauptamtlichen Stationen des DWD Ultraschallsensoren (siehe 11.3.5.2) eingesetzt werden.

Für die Schneemessung gilt, dass bei Vorhandensein einer geschlossenen oder durchbrochenen Schneedecke von mindestens 1 cm Höhe die Messung der Schneedeckenhö- he zum Morgentermin, d. h. um 07.00 Uhr MEZ, erfolgt. Der Schnee ist nach der Messung vom Brett zu entfernen; „Durchbrochene“ Schneedecke heißt, dass der Erdboden an anschließend ist das Brett auf eine eventuell vorhandene einzelnen Stellen sichtbar ist und die Schneebedeckung in Decke aus Ablagerungen von festen gefallenen Nieder- der Umgebung des Messplatzes ≥50 % beträgt. schlägen zu legen. Wenn durch Windein uss eine Neu- schneedecke auf dem Brett nicht bestimmt werden kann, Schnee ecken oder Schneereste bedeutet, dass die Schnee- ist zu versuchen, die Messung an anderen geeigneten Stel- decke in diesen Fällen nur noch an einzelnen, nicht zusam- len durchzuführen. menhängenden Stellen vorhanden ist. Abgesehen davon, dass diese Rest ächen nur eine ganz untergeordnete Rolle Ursprünglich sollten im Projekt Messnetz 2000 für alle ca. in der Bilanz (Wasseräquivalent) spielen, sind dabei viel- 1850 nebenamtlichen Stationen des DWD Bretter bescha¦t mehr auch subjektive Faktoren bei der Beobachtung und werden. Aufgrund der hohen Kosten und der negativen Er- ganz spezi¤sche Standortbesonderheiten als maßgebliche fahrungen, die mit dem Schneebrett gemacht wurden, sind ver»lschende Ein üsse zu beachten. wesentlich weniger bescha¦t worden. Die glatte Ober äche führt dazu, dass der Schnee u. U. abgeweht wird (mangeln- Technisch bedingt ist die Niederschlagsmessung bei Schnee- de Schneehaftung). Die Installation ist problematisch, weil fall, der im Regenmesser aufgefangen wird, jedoch erst beim bei unebenem Untergrund ein ausreichender Bodenkontakt Tauen gemessen wird nicht ganz korrekt. Daher sind die an- nicht immer gegeben ist. Dadurch ist der Wärmeübergang

100 vom Boden auf das Brett gestört und die Ober ächentempe- dem Au egen des Schneebrettes sollte der Rasen gemäht raturen können sich unterscheiden. Zu späte Schneedecken- sein. In vier ausgehobenen Erdlöchern müssen die Füße des bildung bzw. zu frühes Abschmelzen kann die Folge sein. Schneebrettes Platz ¤nden, so dass das Brett eben auf dem Boden au iegt um guten Kontakt zum Boden zu haben. Aufgrund der o.g. ungünstigen Eigenschaften wurden auf der Suche nach anderen Materialien an der AWst Braunlage Ultraschallschneehöhensensor SR50-G1 zwei unterschiedliche, wasserdurchlässige Kunstrasenmat- Hauptanwendungsbereich des Schneehöhensensors SR50- ten erprobt. Beide Matten sind aus dem Grundmaterial Po- G1 (Sonic Ranging Sensor) der Fa. Campbell Scienti¤c Ltd. lypropylen hergestellt mit den Eigenschaften witterungs- ist die Messung einer Distanz senkrecht zu einem Ziel, in und UV-beständig sowie seewasserfest. Verglichen wurden der Meteorologie zur Schneehöhe und zum Wasserstand. ein 7–8 mm langer Kunstrasen mit Drainage und ein 40 mm Um ein möglichst gut de¤niertes „Null-Niveau“ bereitzu- langer Kunstrasen mit 5 mm großen Drainagelöchern. stellen und damit z. B. Fehlmessungen durch wachsendes Gras zu vermeiden, wird im DWD ein Standard-Schneebrett Die Auswertung erfolgte mit Hilfe des Videokamerasystems (siehe 11.3.5.1) auf die Mess äche gelegt. Die Höhe des WeBoKaN (Abb. 11.30, Bildmitte, am linken Bildrand be¤n- Ultraschallwandlers SR50-G1 über dem Schneebrett beträgt det sich der Schneehöhensensor SR50). i.d.R. etwa 2,5 m.

Abb. 11.30 Erprobung von Kunstrasen Abb. 11.31 Gegenstandsfreier Richtungsstrahl (Campbell Scienti¯c Ltd.)

Der Sensor basiert auf einem kombinierten 50 kHz Ultra- schallsignalumwandler der Ultraschallwellen mit einem Ö¦nungswinkel von ca. 22 ° sendet und die von der Schnee- ober äche re ektierten Echos im Sensor (Emp»nger) interpretiert. Die Zeitspanne zwischen Signalsendung und Empfang des Echos ist die Basis für die Berechnung des Abstands zwischen dem Sensor und der Schneeober äche. Nach Di¦erenzbildung zur Installationshöhe (Boden) wird die tatsächliche Schneehöhe bestimmt. Sie ist damit eine Aufgrund der schlechten Handhabung der Kunstrasenmat- Punktmessung über einem Schneebrett. ten bei der Installation (Erdreich vorbereiten, planes und stra¦es Verlegen, sturmsichere Befestigung) und der auf- Abb. 11.32 Ultraschneehöhensensor SR50-G1 (Campbell Scienti¯c Ltd.) wendigen P ege der umgebenden Rasen äche während der Wachstumsperiode, ergab sich als Fazit, dass Kunstra- senmatten keine Alternative zum Schneebrett darstellen und somit nicht empfehlenswert sind. Eine Lösung könnte darin bestehen, eine witterungsbeständige Kunststo¦platte mit einer Kunstrasenmatte zu bekleben. Dies muss aber noch erprobt werden.

11.3.5.2 Ultraschallsensoren Da sich innerhalb eines Tages die Schneebedeckung und die Schneemächtigkeit grundlegend ändern können und Win- terhochwasser häu¤g durch Tau uten ausgelöst werden, sind kontinuierliche, automatische Schneemessungen eine wertvolle Informationsquelle. Da die Schallgeschwindigkeit von der Lufttemperatur abhän- Die Standard-Schneebretter werden im DWD auch als Re- gig ist (siehe 8.2.4), muss der Abstandsmessung eine externe ferenzplatte für Ultraschall-Schneehöhenmessungen ein- Temperaturkompensation folgen, die zu diesem Zweck auf gesetzt und müssen daher einheitlich installiert sein. Vor die ermittelten Schallwerte angewandt wird. Sie wird mit der

101 in der DWD-Wetterhütte in 2 m Höhe gemessenen Lufttem- Zum Austausch des Trockenmittels muss der Sensorkopf peratur nach folgender Formel in der AMDA berechnet: abgeschraubt werden. Die Päckchen mit dem Trockenmittel können dann herausgenommen (gegebenenfalls Spitzzan- Distanz = Messwert (SR50-G1) (11.6) ge benutzen) und mit frischen Päckchen ausgetauscht werden. Das aufgebrauchte Trockenmittel kann in einem Ofen Der SR50-G1 berechnet die Distanz unter Anwendung der wieder auereitet werden. Schallgeschwindigkeit von 331,5 m s–1 bei 0 °C. Ohne Tem- peraturkompensation gelten die Distanzwerte also nur für Schneehöhensensor SHM30 eine Temperatur von 0 °C. Um die Schneehöhe zu berech- Die Schneehöhenmessung mit dem Schneehöhensensor nen, muss die Distanz zur Schneeober äche von der Dis- SHM30 von Jenoptik basiert auf einem optoelektronischen tanz zur Bodenober äche subtrahiert werden. Laser-Distanzsensor und ermöglicht die Detektion von Schneeober ächen millimetergenau und innerhalb von Se- Abb. 11.33 Ultraschallschneehöhensensor SR50-G1, Nahaufnahme kunden aus einer Entfernung von bis zu 15 m durch Über- (Campbell Scienti¯c Ltd.) schreiten eines Schwellenwertes der Signalstärke.

Abb. 11.34 Schneehöhensensor SHM30 (Foto: Jenoptik) Abb. 11.35 Schneehöhensensor SHM30, schneebedeckt (Jenoptik)

Der SR50-G1 ist in der Lage, kleinste Ziele sowie Ziele mit großer Schallabsorption, wie z. B. Schnee in geringer Dich- te zu erfassen. Er kann mehrere Ziele erfassen und erreicht Das optische Messverfahren ist unabhängig von Tempe- mit Hilfe eines besonderen Algorithmus eine hohe Messzu- raturschwankungen und bietet damit einen großen Vor- verlässigkeit. Der SR50-G1 gibt zusätzlich einen Datenwert teil gegenüber herkömmlichen Ultraschallsensoren. Der aus, der die Messqualität widerspiegelt. Sensor misst 20 ° bis 30 ° gegen die Senkrechte geneigt. Er unterscheidet auch zwischen Schnee und anderen natürli- Tab. 11.12 Spezi¯kationen Ultraschallschneehöhensensor SR50-G1 chen Ober ächen (Gras, Stein). (Campbell Scienti¯c Ltd.) Tab. 11.13 Spezi¯kationen Schneehöhensensor SHM30 (Jenoptik) 0,5 bis 10,0 m Messbereich (max. 1 % des Abstandes Sensor-Ziel) Laserdiode Laserklasse 2 Messdauer 0,6 s, max. 3,0 s Messintervall 10 bis 600 s (einstellbar) Messzyklus 1 min (Auto) Messdauer 0,16 bis 6 s ± 1 cm oder max. 1 % des Abstands Messgenauigkeit < ±5 mm Genauigkeit Ziel-Sensor Messbereich 0 bis 15 m Einsatzbereich –50 °C bis +50 °C Schneehöhe Betriebsspannung 12 V DC Betriebsbereich –40 bis +50 °C, 0 bis 100 % 10 bis 30 V DC Stromversorgung 15 bis 24 V DC mit Heizung Pege und Kontrolle der Funktionstüchtigkeit Die P ege der Messeinrichtung beschränkt sich auf die äu- ßerliche Reinigung des Sensors mit einem feuchten Tuch Vorteile des SHM30 (Jenoptik): und das Entfernen von Spinnengewebe. Ansonsten ist eine • Einfache Montage, da kein Geräteausleger benötigt Sichtprüfung der Sensoren und der Verkabelung auf etwai- wird. ge Schäden vorzunehmen. Bei erkennbaren Schäden ist die • Keine Verfälschung der Schneehöhe durch herabfallen- zuständige SL-Einheit zu informieren, die ausschließlich de/abtropfende Schneereste oder Wassertropfen vom für die Wartung des Sensors zuständig ist. Gehäuse, da Schrägmessung. • Schneebrett nicht notwendig (evtl. Integration eines Der Raum unterhalb des Sensors muss ganzjährig frei von Nullungsverfahrens in den Sensor). Bewuchs (ausgenommen Rasen) und Hindernissen gehal- • Detektiert zuverlässig Schneedecke Ja/Nein, ten werden. Die korrekte Lage (Mitte des Brettes senkrecht • Keine Beeinträchtigung der Schneehöhenmessung unter dem Sensor, waagerechte Lage) und die Sauberkeit während eines Niederschlagsereignisses, d. h. 100 % des Schneebretts sind zu überprüfen; die Lage darf keines- Datenverfügbarkeit auch bei starkem Schneefall. falls verändert werden.

102 USH-8 Schneehöhensensor Form- und Bewegungsinformation von Niederschlagsteil- Dieser Schneehöhensensor mit integrierter Temperatur- chen. Dabei werden die verschiedenen Vorteile der sonst kompensation in selbstbelüftetem Radiationsschild von existierenden Geräte miteinander verbunden. der Fa. Sommer, Voralberg entwickelt und gebaut, wird bei zentralen europäischen Wetterdiensten, beim Bayerischen Abb. 11.37 Optischer Schneespektrograph, ETH Zürich Lawinenwarndienst als auch im Hochgebirgseinsatz anderer Lawinenwarndienste eingesetzt.

Durch seine robuste Bauweise und Langlebigkeit ist der USH-8 geeignet, zuverlässige Messungen der Schneehöhe auch unter extremen Umweltbedingungen zu ermöglichen. Die zusätzliche Erfassung der Lufttemperatur ermöglicht eine Messung der Schneehöhe über einen großen Tempera- turbereich. Energiereiche Ultraschallimpulse ermöglichen auch bei schwierigsten Re exionsverhältnissen, wie bei Pulver- oder Neuschneedecken zuverlässige Ergebnisse. Die Messung basiert auf dem Prinzip des optischen Abscan- nens. Der Spektrograph ist auf zwei horizontalen Flächen Abb. 11.36 USH-8 Schneehöhensensor (Sommer) (mit „Gap“ markiert) sensitiv, die einen vertikalen Abstand von 1 cm haben (Abb. 11.37). Im Kameragehäuse be¤nden sich zwei eindimensionale Arrays von je 512 photosensiti- ven Elementen, die die Abschattung durch das Teilchen in jeder Fläche messen. Jedes Array scannt das Teilchen dabei zeilenweise ab und in einem Bild werden die Abschattungs- informationen abgespeichert.

Tab. 11.14 Spezi¯kationen Schneehöhensensor USH-8 (Sommer) Ein Zuordnungsalgorithmus ordnet die beiden korrespon- dierenden Abbildungen des Teilchens einander zu. Eine Ultraschall Messprinzip / Sensor (Frequenz 50 kHz; Abstrahlwinkel 12 °) Größe, die die Güte einer möglichen Zuordnung beschreibt, wird für jedes Teilchenpaar ausgerechnet und nur die bes- Messbereich 0 bis 8 m ten möglichen Zuordnungen werden dann tatsächlich aus- Schneehöhe gewählt. Die Größe errechnet sich sowohl aus Form- und Auösung 1 mm Bewegungsinformationen der Teilchenpartner. Die Form- Genauigkeit 0,1 % (FS) information ergibt sich aus einer Reihe von Pixelverglei- chen, die Bewegungsinformation daraus, inwiefern die ört- Temperaturmess- –40 bis +60 °C, Auösung 0,1 °C liche Verschiebung der beiden verglichenen Abbildungen bereich realistisch ist. Nichtlinearität ≤0,15 % 11.3.5.3 Vereisungssensoren Abstand oder Schneepegel Signal: 0/4 bis 20 mA (kon¡gurier- Gemäß ISO-12494 Standard ist die De¤nition für die Abla- Schnittstelle – Analog bar) Auösung: 12 Bit gerung von Eis ein Prozess der Eisbildung und Anhäufung max. Bürde 100 Ohm von Schnee an einem Objekt an der Erdober äche, welches den atmosphärischen Bedingungen ausgesetzt ist, zu ver- Abstand oder Schneepegel und Luft- stehen. temperatur Schnittstelle – Digital Protokoll: verschiedene ASCII-Pro- Atmosphärische Vereisungsbedingungen können in ver- tokolle schiedene Bildungsprozesse unterteilt werden: Betriebstemperatur: –40 bis +60 °C Versorgung Versorgungsspannung: 10,5 bis 15 V DC 1. Niederschlagsvereisung, entstanden aus gefrierendem Niederschlag oder nassem Schnee, Energieverbrauch 0,5 Ah / Tag (bei Messintervall 1 min) 2. Vereisung in Wolken (einschl. Nebel), max. 200 mA (Messphase, ca. 3 s) Stromaufnahme 3. Raureif (in diesem Zusammenhang nicht relevant) 5 mA (Stand by) Die Vereisung nach 1. und 2. hat die größte Dichte, verur- Der Sensor besitzt eine hohe Betriebssicherheit, geringe sacht durch allmähliche und gleichmäßige Verteilung der Energieaufnahme und kann auch mobil eingesetzt werden. Eisablagerung. Sie ist hautsächlich abhängig von Einstellen und Parametrisieren lässt sich der USH-8 per PC • Niederschlagsrate, oder Laptop mittels Standard-Terminalprogrammen. • Windgeschwindigkeit und • Lufttemperatur Optischer Schneespektrograph Ein optischer Schneespektrograph ist an der ETH Zürich Die Messung der Eisablagerung wurde in Ostdeutschland entwickelt worden. Er dient zur präzisen Messung der während 1965–1990 an insgesamt 40 Stationen, von denen

103 35 gleichzeitig betrieben wurden, durchgeführt. Seit 1991 Tab. 11.16 Spezi¯kationen Vereisungssensor 0871LH1 sind 6 Stationen des DWD in Betrieb, die alle Standardbeob- (Campbell Scienti¯c Ltd.) achtungsmasten dazu nutzen. Die Messhöhen an den ein- Messprinzip Ultraschall Resonator zelnen Standorten sind unterschiedlich (Tab. 11.15). Frequenz 40 kHz Abb. 11.38 Kontinuierliche Messung der Eisablagerung seit 1991 bis heute Ausgangssignale 1 = Eis, 0 = kein Eis Fehlerstatus 1 = Fehler, 0 = kein Fehler (ok) Signalauslösung >0.50 mm ±0.13 mm Eisdicke Einsatzbedingungen –55 bis +71 °C Leistungsaufnahme 15 W max, mit Heizung 50 W max. Versorgungs- 22 bis 29,5 V DC spannung

Ein Ultraschallsensor vibriert mit einer nominalen Reso- nanzfrequenz von 40 kHz. Als Nachweis des Auftretens Tab. 11.15 Überblick der DWD-Stationen mit Eisablagerungsmessungen von Vereisung bewirkt die zusätzliche Masse eine Abnahme dieser Resonanzfrequenz. Bei einer Frequenzabnahme, die Höhe Mess- Station Messgerät m NHN höhe m einer Eisdicke von 0.50 mm entspricht, wird das Eissignal für 60 s aktiviert und der Eisdetektor initiiert einen Entei- Arkona 42 2, 5 EAG 200, durchgehend, sungszyklus, der den Eisansatz entfernt. Wenn innerhalb accumulation Chemnitz 418 2, 5 von 50 s weiterer Eisansatz festgestellt wird, wird der Sig- and Icing pole, intermit- nal-Zeitmesser auf Null zurückgesetzt und das Eissignal Zinnwald 877 2, 5 tent, manual bleibt für weitere 60 s aktiviert. Kahler 839 10 Asten Abb. 11.40 Vereisungssensor 0871LH1 vereist Hohen- (Campbell Scienti¯c Ltd.) EAG 200, durchgehend, peißen- 977 10 accumulation berg Linden- 73 5, 50, 90 berg

Vereisungssensor 0871LH1 Der Vereisungssensor 0871LH1 der Fa. Campbell Scienti¤c Ltd. ist speziell für leichte Vereisung in Bodennähe, hervorgerufen durch gefrierenden Niederschlag konzipiert. Er wird auch als Freezing Rain-Sensor bezeichnet und ist, verglichen mit anderen Vereisungssensoren, die auch mäßige oder starke Vereisungsbedingungen erfassen, ein einfacher, kostengünstiger Sensor, der nur für die Enteisung des Sen- Sobald der Messfühler enteist ist, kühlt er innerhalb weni- sors selbst eine Heizung benötigt. ger Sekunden wieder ab und ist für erneute Eisbildung be- reit. Wenn sich wieder Eis auf dem Messfühler bildet, sinkt Abb. 11.39 Vereisungssensor 0871LH1 (Campbell Scienti¯c Ltd.) die Frequenz um 130 Hz.

Der Sensor sollte mit einer Neigung von 20 ° bis 30 ° in die Haupt- windrichtung montiert werden, um das reibungslose Ablaufen des Wassers an der Basis des Sensors zu ermöglichen.

Eisablagerungsgerät EAG Das EAG 200 ist ein automatisches Vereisungsmessgerät, welches z. Zt. im DWD an einigen Stellen eingesetzt wird. Der Sensor misst das Gewicht der Eisansammlung an einem vertikalen Stab unter Ausnutzung eines elektromechani- schen Systems.

104 Abb. 11.41 Eisablagerungsgerät EAG 200 Tab. 11.18 Spezi¯kationen Eismonitor (Combitech) Abb. 11.42 Eisablagerungsgerät EAG 200, vereist Messprinzip Druck Transducer Messbereich 0 bis 100 kg bzw. 0 bis 50 kg Auösung 1 g Genauigkeit ±50 g Stabdurchmesser 0,03 m -länge 0,5 m -Material rostfreier Stahl Einsatzbereich –40 bis +50 °C Stromversorgung 15 bis 30 V DC

Das Ausgangssignal ist analog, der Sensor ist auch an einen Datenlogger anschließbar. Der Vergleich der Ergebnisse des EAG200 mit manuell erfassten Werten zeigte die Zuverlässigkeit der Daten des EAG 11.3.6 Bestimmung des Wasseräquivalents 200. Versuche mit kontinuierlichen Langzeitmessungen zeigten auch, dass das System sogar bei kurzen Vereisungs- Das Wasseräquivalent einer Schneedecke – SWE (Schnee- perioden und nur geringen Mengen von Eisansammlung Wasser-Äquivalent) ist der Oberbegri¦ für das absolute und gut arbeitete. das spezi¤sche Wasseräquivalent einer Schneedecke. Das absolute Wasseräquivalent gibt an, welchen Wassergehalt Tab. 11.17 Spezi¯kationen EAG 200 der gesamte ausgestochene Schnee hat. Die Maßeinheit ist wie bei der Niederschlagshöhe mm, wobei 1 mm einem Messprinzip elektromechanische Skala Schmelzwasser von 1 l m–2 entspricht. Messbereich 0 bis 10 kg Auösung 1 g Das spezi¨sche Wasseräquivalent gibt an, welchen durchschnittlichen Wassergehalt der ausgestochene Schnee pro cm Genauigkeit ±50 g Schneehöhe hat. Es wird nach folgender Formel berechnet: Stabdurchmesser 0,032 m -länge 0,5 m (mm cm–1) (11.7) -Material PVC

mit Ws = spezi¤sches Wasseräquivalent Eismonitor n = abgelesener Skalenwert Der Eismonitor der Fa. Combitech AB, Östersund Schweden h = Höhe der ausgestochenen Schneedecke ist ein Sensor zur Erfassung von Eisablagerungen an einem vertikalen Stab. Er kann als Indikator zur Bewertung von Absolutes und spezi¤sches Wasseräquivalent der ausgesto- Eisansatz an Masten, Leitungen, Türmen, Skiliften etc. ge- chenen Schneedecke werden aus dem abgelesenen Skalen- nutzt werden. Er entspricht der ISO-12494 Standard. wert (n) und der Höhe (h) berechnet. Das absolute Wasser- äquivalent wird durch die Multiplikation des Skalenwertes Der Sensor arbeitet mit einem Druck-Transducer. Sobald „n“ mit „10“ ermittelt und in mm angegeben. sich an einer Seite des Stabes Eis angesetzt hat, beginnt er durch die Einwirkung des Windes, sich zu drehen. Die Schneedichte ist die Masse des gefallenen Schnees bezogen auf die Volumeneinheit in g cm–3 im Zustand der na- Abb. 11.43 Eismonitor (Combitech) türlichen Lagerung. Die Umrechnung von Schneedichte in Abb. 11.44 Eismonitor, vereist (Combitech) spezi¤sches Wasseräquivalent (und zurück) ist

1 g cm –3 = 10 mm cm–1 1mm cm –1 = 0,1 g cm–3

105 Tabelle 11.19 zeigt Beispiele für das spezi¤sche Wasseräqui- Zur Messung der Höhe der ausgestochenen Schneesäule ist valent einzelner Schneearten. an der Außenseite des Zylinders eine Skala in cm-Teilung angebracht. Die Balkenwaage besteht aus einem Metallstab, Tab. 11.19 Spezi¯sches Wasseräquivalent einzelner Schneearten der durch die WaageauÂängung mit Schneide in zwei ungleiche Arme geteilt wird. Dazu gehört eine Schaufel mit ei- spezi¡sches Wasseräquivalent Schneeart (mm cm–1) nem um ca. 30 ° abgewinkeltem Gri¦. Das Gerät besitzt eine Au ösung von 1 g, hohe Mobilität, hohe Zuverlässigkeit, ist Neuschnee 0,5 bis 1,5 einfach zu bedienen und wartungsarm. Pulverschnee 1,0 bis 2,0 Abb. 11.46 Schneesonde WS 43, Schemazeichnung körniger Schnee 1,5 bis 4,5 (Campbell Scienti¯c Ltd.) gelagerter Schnee 3,5 bis 6,0 Firnschnee 5,0 bis 8,5 Gletschereis 7,0 bis 9,0 porenfreies Eis 9,17

Die Übergänge zwischen den einzelnen Schneearten sind nicht genau de¤niert. Als Anhalt dient: • Neuschnee: frisch gefallener Schnee, der nicht länger als 3 Tage liegt • Pulverschnee: trockener Schnee, der auch unter Druck nicht zusammenklebt • Firnschnee: mind. 1 Jahr alt

Schneeausstecher Gemessen wird das Wasseräquivalent mit einem Schnee- Von den ca. 600 Stationen, an denen das Wasseräquiva- ausstecher (nur noch an Klimareferenzstationen) oder lent bestimmt werden soll, sind etwa 495 nebenamtliche einer Schneesonde bei einer Schneehöhe von ≥5 cm. Die Wetterstationen (Wst III) bzw. Niederschlagsstationen. Es Messung der genannten Größen erfolgt durch zwei Teilmes- werden täglich eine Messung, bzw. bei einigen nebenamt- sungen. Über eine de¤nierte Fläche wird die Schneedecke lichen Stationen nur 3 wöchentliche (montags, mittwochs, ausgestochen, die Höhe in cm erfasst und anschließend das freitags) Messungen durchgeführt. Zum Einsatz kommt Schmelzwasser in mm gemessen bzw. das Gewicht der aus- ausschließlich das manuelle SWE-Messverfahren mittels gestochenen Schneeprobe festgestellt und in mm Schmelz- der Schneesonde WS43. wasser umgerechnet. Abb. 11.47 Schneesonde WS 43 im Transportkasten Schneesonde WS 43 Die Schneesonde WS 43 der Fa. Campbell Scienti¤c Ltd. UK. dient zur Bestimmung des absoluten und spezi¤schen Wasseräquivalentes der Schneedecke. Dies erfolgt durch Messen der Höhe und Wiegen einer mit dem Gerät ausgestochenen Schneeprobe (Schneesäule). Das Wasseräquiva- lent ergibt sich aus Gewicht und Höhe der ausgestochenen Schneeprobe und der Ausstech äche des Gerätes.

Das Messgerät besteht aus einem Metallzylinder und einer Balkenwaage. Der Metallzylinder (aus Aluminium) ist 70 cm hoch und hat am Ende einen gezahnten Ring. Pege und Kontrolle der Funktionstüchtigkeit Abb. 11.45 Schneesonde WS 43 (Campbell Scienti¯c Ltd.) Wichtig ist, vor jeder Messung den Nullpunkt der Waage zu bestimmen. Nach jeder Messung wird die Sonde gereinigt, getrocknet und in einem trockenen Raum auewahrt. Wird die Sonde längere Zeit nicht benutzt, kommt sie in die vorgesehene Transporthülle oder Transportkasten (Abb. 11.47). Da die Schneesonde ein feinmechanisches Präzisionsge- rät ist, muss darauf geachtet werden, dass sie mechanisch nicht belastet wird. Die Funktionstüchtigkeit muss wäh- rend einer Messung anhand von Erfahrungswerten über- prüft werden, da keine Referenzmessung möglich ist. Bei vermuteten Messfehlern kann man sich durch Wiederho- lungsmessungen Gewissheit verscha¦en.

106 Tschechische Schneesonde Im Rahmen der Automatisierung des Messnetzes des DWD Die tschechische Sonde wird von Rudolf Hancvencl, 468 soll der Parameter „Erdbodenzustand“ (EBZ) durch ein voll- 11 Janov nad Nisou 479 hergestellt. Bei der Messung des automatisches Messgerät eindeutig bestimmt werden. Un- Schneewasserwertes wird der Entnahmezylinder mit dem abhängig davon, ob in naher Zukunft ein Sensor dieser Art Drehkreuz unter erheblichen Druck und wechselseitiger eingeführt wird, soll hier kurz auf die Möglichkeiten der Rotation eingebohrt. Nach Erreichen der Terrainober äche Automatisierung dieses Parameters eingegangen werden. wird die Höhe der Schneedecke abgezogen. Danach wird Hierfür wurde von der Fa. Sommer (Österreich) in Zusam- der Entnahmezylinder hinauf gezogen und optisch das Er- menarbeit mit dem Forschungszentrum Karlsruhe ein Erd- reichen der Terrainober äche und die Abnahme der ganzen bodenzustandsensor (EBZ-Sensor) entwickelt. Säule des Schnees kontrolliert. Dann kann die Säule gewogen werden, indem entweder durch AuÂängung auf dem Die Agrarmeteorologische Forschungsstelle Braunschweig Drehkreuz in vertikaler Lage oder mit der Benutzung der (ZAMF) des DWD hat als Anforderungen, die die Landwirt- AuÂängung (bei der Länge der Säule mehr als 1m) in Hori- schaft als ein Hauptnutzer an den Parameter EBZ stellt, ei- zontallage. nerseits die Frosttiefe angegeben, die von den Erdbodenther- mometern des DWD bereits gut erfasst wird. Andererseits ist Abb. 11.48 Bohrloch mit tschechischer Schneesonde auch ein etwaiger Frostzustand in den obersten Zentimetern der Bodenschicht von besonderem Interesse. Der Grund hierfür ist durch die neue sog. „Gülleverordnung“ gegeben, wonach keine Gülle ausgefahren werden darf, wenn die obersten Zentimeter Bodenschicht gefroren sind. Dieses ist aber schon erlaubt, wenn die oberste Bodenschicht angetaut ist, auch wenn der Boden darunter noch gefroren ist.

Der Zustand des Erdbodens wurde für diese Auswertung anhand der obersten Bodenschicht bis in 3 cm Tiefe beurteilt, was dem räumlichen Messbereich des EBZ-Sensors entspricht. Wichtig ist hierbei, dass der Sensor den Zustand des natürli- Mit dieser Schneesonde kann bei der Messung des Wasser- chen, unbewachsenen Bodens an der Station bewertet. äquivalents einer Schneedecke eine Schneehöhe von 1 m oder 1,5 m ausgestochen werden und damit eine größere Abb. 11.49 EBZ-Sensoren. „Matte Ost“ im Vordergrund und „Matte Schneehöhe als mit der im DWD eingesetzten Schneesonde West“ im Hintergrund (Sommer) WS 43.

Das Messgerät besteht aus folgenden Komponenten: • Entnahmezylinder, • Aufhängung, Drehkreuz, • Sondierlatte und Transporthülle.

Der Entnahmezylinder mit der Querschnitt äche 50 cm2 ist aus Glasfaserschichtsto¦ und seine Bestandteile sind die Metallkrone, die Längenskala und das Loch für die Eingabe des Drehkreuzes.

Zum Wiegen des ausgestochenen Schnees kann eine mechanische Waage oder eine Digitalwaage benutzt werden. Der Schneewasserwert wird in mm ausgerechnet, indem das Gewicht in kg (ohne Rücksicht auf die Dezimalkom- mastelle) mit 2 multipliziert wird. Der EBZ-Sensor der Fa. Sommer besteht aus einer Gitter- matte, die von Leiterbahnen mäanderförmig durchzogen Beispiel: das Netto-Schneegewicht sei 38 kg, der Schnee- ist. Durch eine Frequenzanalyse dieser Matte lassen sich wasserwert ist dann 38 x 2 = 76 mm. die kapazitiven Eigenschaften des Erdbodens ermitteln. Mit Hilfe der Frequency Domain Re ectometry (FDR) und der 11.4. Bestimmung des Erdbodenzustandes Low Frequency Impedance Analysis (LFIA) wird die komplexe Dielektrizitätszahl des Mediums in der näheren Um- Als Erdbodenzustand (EBZ) wird der Zustand der Ober äche gebung der Matte (±3 cm) ermittelt. Dabei macht man sich des natürlichen Erdbodens an der Station oder deren un- die starken Änderungen der Permittivität für die verschie- mittelbarer Umgebung bis ca. 100 m bezeichnet. Zu diesem denen EBZ zu nutze. So liegt beispielsweise die relative Per- Begri¦ zählt auch die Beschreibung von Ablagerungen auf mittivität von trockener Erde bei 3,9 F m–1, die von feuchter dem Erdboden, bestehend aus Niederschlägen, die in fester Erde aber bei 29 F m–1. Form – Eis, Staub oder Sand – gefallen sind.

107 Ermittelt werden die Parameter Kapazität, Phase und Mat- ¤lms sowie der Eis- und Schneeschicht abgeleitet werden. tentemperatur. Letztere wird mittels eines in die Matte in- Die Ober äche des Sensors DRS511 liegt 1 mm bis 3 mm tiefer tegrierten Temperatursensors gemessen. Für die Frequenz- als der Straßenbelag. messungen werden Messfrequenzen von 10 kHz bis 100 kHz verwendet, wobei lediglich an den drei Stützstellen 10 kHz, Abb. 11.50 Straßen- und Rollbahnsensor DRS511 (Vaisala) 30 kHz und 100 kHz ausgewertet wird. Dabei werden in erster Linie die Di¦erenzen der Kapazitäten und Phasen betrachtet. Das Niveau der Kapazitäten und die Mattentemperatur werden zur Ergänzung hinzugezogen.

Wenn die Kapazität gegen die Frequenz aufgetragen wird, so lassen sich aus den Di¦erenzen zwischen 10 kHz, 30 kHz und 100 kHz, sowie deren Niveaus der Wassergehalt und der Phasenzustand zunächst qualitativ ableiten. Für die Ent- scheidungs¤ndung wird ein sog. „Sieb“ verwendet, in dem für die einzelnen EBZ mögliche Bereiche für die Kapazitäts- und Phasendi¦erenzen, die Absolutwerte und die Matten- temperatur de¤niert sind. Die elektrische Leit»higkeit und die elektrochemische Po- larisation sind wichtige Faktoren bei der Bestimmung der 11.5 Bestimmung des Straßen- und Rollbahnzustandes vorhandenen Enteisungschemikalie. Zusammen mit der Temperatur- und Wasser¤lmdickenmessung bestimmt der Im Automatischen Wetterbeobachtungssystem MIDAS IV Sensor die Gefrierpunkttemperatur und das Risiko der Eis- AWOS (siehe 18.4) ist für die Bestimmung des Straßen- bzw. formation. Weil sich die Ober ächenleit»higkeit bei der Rollbahnzustandes der Messfühler DRS511 der Fa. Vaisala Bildung von monokristallinem Eis stark reduziert, kann mit integriert. Es handelt sich dabei um einen Multisensor- dieser Methode genau erfasst werden, wann diese Art von block, der nach dem thermisch passiven Prinzip arbeitet, Eisbildung auftritt. d. h. es gibt keine Einwirkungen auf die Ober äche durch externe Leistungszuführung (wie sie in beheizten oder ge- Abb. 11.51 Lage des Sensors DRS511 (Vaisala) kühlten Systemen verwendet wird).

Der Sensor ermittelt 6 Messwerte und zwar • Oberflächentemperatur, • Bodentemperatur in 6 cm Tiefe, • Oberflächenleitfähigkeit, • Oberflächenkapazität (monokristallines Eis), • Elektrochemische Polarisierung und • Optische Untersuchung der Art der Oberflächen- bedeckung.

Die Messtechnologie erlaubt die genaue Analyse des Ober- ächenzustands, der Schnee- und Eisdetektion, der Was- Die Temperaturen werden über eine Vierdrahtleitung (siehe ser¤lmdicke und der vorhandenen Enteisungschemikalie. 8.2.2) von einem Pt 100-Messfühler gemessen. Die entsprechenden Messwerte werden zur Vorausbestimmung des Ri- Tab. 11.20 Spezi¯kationen DRS511 (Vaisala) sikos auf kritische Eisbedingungen herangezogen. Temperaturbereich –40 bis +60 °C Der Sensor ist mit einer Epoxyd-Vergußmasse eingefasst. Wasser¡lm Messbereich 0 bis 8 mm Die Eigenschaften dieser Masse bezüglich thermischer Auösung* 0 bis 1.0 mm Abstrahlung und thermischer Leit»higkeit sind denen der Sensorelektroden Kohlefaser in Epoxyd Straße angepasst. Optische Fasern Optischer Sensor auf Acrylbasis Alle diese Messdaten, zusammen mit Messdaten wie Luft- temperatur, relativer Luftfeuchte, Niederschlag etc. ermög- zwei Pt 100-Elemente, Temperaturfühler lichen eine umfassende Analysierung der Ober ächenbe- 1/3 Klasse B DIN IEC 751 dingungen von Straßen- und Rollbahnen. * Die Genauigkeit von 0.1mm ist bei einem gleichmäßigen Wasser¤lm de¤niert. Die Ge- nauigkeit der durchschnittlichen Wasser¤lmdicke hängt von der Installation des Sen- 11.6 Messunsicherheiten und Fehlerquellen sors, von der Bescha¦enheit des Belags und vom Verschmutzungsgrad des Wassers ab. Obwohl die Messung des Niederschlages ein scheinbar Der DRS511 Sensor hat eine optische Messeinrichtung, um einfaches und sicheres Verfahren ist, enthält es doch eine die Art und Bescha¦enheit der Ober ächenbedeckung zu ganze Reihe von Fehlermöglichkeiten. Einige davon wer- bestimmen. Daraus kann zuverlässig die Dicke des Wasser- den durch konstruktive Maßnahmen bei der Gestaltung

108 des Messgerätes zu beseitigen versucht, was aber nicht Je stärker der Wind, desto größer der Fehler, der abhängig ist immer gelingt. Problematisch sind die großen Messfehler von den aerodynamischen Eigenschaften des Niederschlags- (20 % bis 100 %!) wegen kleiner Referenz äche, Schneehau- messers und von der Höhe, in der das Gerät aufgestellt wird. ben, Benetzungsein uss (Messung erst ab einem bestimm- Der nicht-lineare Windfehler ist auch eine Funktion der Zeit, tem Volumen) und Fehlern im Ge»ß. denn die Umgebungsverhältnisse, die klimatischen Verhält- nisse können sich im Laufe der Jahre verändern. Grundsätzlich ein großes Problem ist auch die Erfüllung einer repräsentativen Messung des Niederschlags. Hierbei Seitdem wurden eine Reihe von Methoden und Wind- stören kleinräumig Inhomogenitäten in der Umgebung, schutzvorrichtungen entwickelt, um die Sammele¾zienz wie z. B. der Bewuchs (tritt im Laufe der Jahre insbesonde- der Messgeräte zu verbessern. Zur Scha¦ung homogener re bei nebenamtlichen Stationen auf), städtebauliche Aus- Windverhältnisse über den Au¦angge»ßen müsste der dehnung und dergleichen, also zu»llige Fehler, die ihre Niederschlagsmesser in den Boden eingelassen werden, so Ursache in der räumlichen und zeitlichen Variabilität des wäre der Windfehler minimiert. Abhilfe ist aber auch durch Niederschlags haben. Windschutzeinrichtungen möglich. Die WMO hat zwei Re- ferenzsysteme de¤niert: Großräumig betrachtet spielen orographische Störein üsse a) das „pit gauge“, ein ebenerdig aufgebautes Gerät zur Mes- eine große Rolle, die fast überall auftreten können. Sie sind sung üssiger Niederschläge und insbesondere in hügeligen und gebirgigen Regionen durch b) das DFIR (Double Fence Intercomparison Reference) zur die meist höheren Windgeschwindigkeiten gravierend. Auf- Messung fester Niederschläge (kommt aus Platzgründen fange¦ekte durch Gebirgshänge sind abhängig von der Hang- oft nicht in Frage) neigung, der Richtung des Niederschlags und der Windge- schwindigkeit. Der mittlere prozentuale Messfehler ist an Eine von einigen Möglichkeiten ist der Windschutzring stark geschützten Stationen am geringsten (<10 %), steigt mit nach Woel e (Abb. 11.52), der zum Au¦angen von unverwir- abnehmenden Schutz an und erreicht bei Stationen auf frei- beltem Niederschlag bei Wind dient. Er besteht aus einem en Flächen seine größten Werte mit etwa 15 %. In allen Fällen eisernen Haltering von ca. 1 m Durchmesser, an dem 15 Fe- ist natürlich der Abstand zu den Hindernissen ausschlagge- derstahl-Blechlamellen innen fest aufgehängt sind. Sie sind bend. Niederschlagsstationen in der Nähe von Gebirgen sind so gebogen, dass sie nach oben einen o¦enen Kegelstumpf daher nicht repräsentativ und können höchstens für klein- bilden. Das gesamte System ist auf einem Standpfahl mon- klimatische Betrachtungen herangezogen werden. tiert, auf dem auch der Niederschlagsmesser sitzt.

Durch Luv- und Leee¦ekte weist z. B. der Harz sehr hohe Abb. 11.52 Windschutz n. Woel¥e (Thies) jährliche Niederschlagsmengen von ≅ 1500 mm/Jahr auf der Westseite und im Zentralharz auf, während das Trockenge- biet östlich des Harzes nur ca. 500 mm/Jahr verzeichnet. Ähnliche Verhältnisse ¤ndet man im Oberrheintal mit ca. 550 mm/Jahr und im Hoch-Schwarzwald mit über 1800 mm/Jahr, in den Vogesen sogar bis zu 2500 mm/Jahr. Ein weiterer E¦ekt von Bergen ist die Windkanalisierung

Weitere allgemein gültige (systematische) Fehlerquellen Dieser Windschutz ist passend für Ombrometer und Nie- Windeinuss derschlagsgeber. Er ist u. a. im Messfeld des MOHP, im Auf die enorme Bedeutung des Windfehlers bei der Nie- SwissMetNet (siehe 19.6.6), im Niederschlagsmessnetz des derschlagsmessung wurde schon seit Beginn der systema- Hessischen Landesamtes für Umwelt und Geologie (HLUG) tischen Niederschlagsmessungen durch JEVONS, 1861 und und am Met. Inst. der Universität Hannover zu ¤nden. KOSCHMIEDER, 1934 hingewiesen. Jeder Niederschlags- messer beein usst die Luftströmung in seiner Umgebung. Diesem Windschutz sieht der Windschutz der Fa. OTT Die Umströmung des Messgerätes führt dazu, dass sich die MESSTECHNIK für den Pluvio OTT, ein kompakter „Einfach- Strömungsgeschwindigkeit insbesondere über der Au¦ang- zaun“, sehr ähnlich (Abb. 11.53). Mit diesem System kann ö¦nung erhöht, mit dem E¦ekt, dass leichte Niederschlags- die Sammele¾zienz gegenüber einem ungeschützten Gerät partikel, die eigentlich in das Sammelge»ß fallen sollten, um etwa 30 % bis 40% für Schnee und um etwa 5% für üs- über die Au¦angö¦nung hinweg getragen werden. Dieser sige Niederschläge gesteigert werden. Sammelverlust macht sich insbesondere bei Schneefall deutlich bemerkbar. Ein WMO-Feldvergleich aus den 1990- Abb. 11.53 PLUVIO mit Windschutz (OTT MESSTECHNIK) er Jahren zeigt die schlechte Sammele¾zienz eines Hell- mann ohne Windschutz für Schnee. Bereits bei einer Wind- geschwindigkeit von 3 m/s beträgt der Sammelverlust etwa 50 % und bei 7 m/s beträgt die Sammele¾zienz nur noch 20 % der Referenz der WMO.

109 Eine andere Möglichkeit bietet der Windschutz mit dem sog. In einer theoretischen Untersuchung der Universität Leeds Nipherschen Ring (Abb. 11.54), der auch nur vereinzelt ein- wird eine ringförmige Struktur vorgeschlagen, für die der gesetzt wird. Dieser trichterförmige Windschutz »llt in die Begri¦ „De ektor“ (Strömungsleitsystem) verwendet wird. Kategorie der Strömungsleitsysteme und ist äußerst kom- Diese Ringscheibe ist so aufgebaut, dass zwischen Scheibe pakt und so e¦ektiv, dass er mit dem Referensystem DFIR und Ombrometer ein größerer Spalt vorhanden ist, so dass der WMO vergleichbare Werte liefert. Allerdings besteht bei auf dem Windschutz abgelagerte feste Niederschläge in den diesem System die Gefahr, dass sich Schnee auf der Trichter- Spalt geweht werden und somit nicht in das Ombrometer äche anhäuft und in das Ombrometer geweht wird. gelangen können. Die Verö¦entlichung enthält eine Reihe von Simulationen für verschiedene Abmessungen des De- Abb. 11.54 Canadian Nipher ektors und auch verschiedene Windgeschwindigkeiten. Die Simulationen ergaben, dass bei günstigen Abmessun- gen die Abhängigkeit der Sammele¾zienz für Windge- schwindigkeiten von 3 m/s bis 10 m/s sehr gering ist.

Diese positiven Eigenschaften haben den DWD veranlasst, einen solchen De ektor mit 2000 mm Außendurchmesser zu erproben, denn Strömungsleitsysteme von 1 m bis 2 m Eine weitere Möglichkeit eines Windschutzes zeigt ein Bild Durchmesser können die gleiche Sammele¾zienz erzielen am ZAMG in Österreich (Abb. 11.55) wie ein „Zaunsystem“ von mehreren Metern Durchmesser.

Abb. 11.55 Niederschlagsmessgeräte mit Windschutz am ZAMG Abb. 11.57 De¥ektor an der WeWa Feldberg (Foto: DWD)

An stark windexponierten Lagen ergaben sich Unterschiede Am Innenkreis dieser Scheibe be¤ndet sich ein Zylinder bis zu 20 % gegenüber Messgeräten ohne Windschutz. Bei von 150 mm Höhe, der dafür sorgt, dass die Strömung nach Windexposition von Hängen mit 40 % Neigung kann bis zu unten umgelenkt wird. Die Ober ächen des De ektors 10 % mehr Niederschlag erwartet werden. müssen möglichst glatt und die Ränder scharÎantig sein, damit keine unnötigen Verwirbelungen entstehen. Auch der traditionelle Gebirgsniederschlagsmesser des DWD (Abb. 11.56) verfügt über einen Trichter als Windschutz, der Die bessere Sammele¾zienz des De ektors macht sich vor jedoch nicht so e¾zient ist, wie der des Canadian Nipher. allem bei Schneefall und Sprühregen bemerkbar und erklärt die deutlich höheren und häu¤geren Niederschlagsdetekti- Abb. 11.56 DWD-Gebirgsniederschlagsmesser mit Windschutz onen bei Verwendung des De ektors. Im Vergleich zu einem ungeschützten PLUVIO-OTT verbessert der De ektor die Sammele¾zienz für üssige Niederschläge um ca. 21 %. Für feste Niederschläge erhöht der De ektor die Sammele¾zienz an Bergstationen um bis zu 190 %. Die Einführung eines Windschutzes wäre also eine fundamentalere Änderung der Messtechnik als die Einführung eines neuen Ombrometers und würde sich z. B. auf die Klimatologie auswirken. Vor einigen Jahren wurden in der Südschweiz über ein Jahr Niederschlagsmessungen mit drei Pluviometern vorge- Ein etwas anderer Grund ist mit der Anwendung des sog. nommen, die unterschiedlich aufgestellt wurden. Zwei Plu- Nebel»ngers n. GRUNOW (Abb. 11.58) verbunden. Er be- viometer wurden jeweils auf einem 1,50 m hohem Pfosten, steht aus einem feinen Maschendrahtnetz, das auf den eines windgeschützt, das andere ohne Windschutz aufge- Niederschlagsmesser aufgesetzt wird, die kleinsten Was- stellt. Ein drittes Pluviometer wurde im Boden versenkt. Es sertröpfchen ein»ngt und sie in den Niederschlagsmesser zeigte sich schon bei schwachen Windverhältnissen, dass leitet. Damit wird letztlich die Niederschlagsmenge erhöht. der im Boden versenkte Niederschlagsmesser die größte Diese Situation ergibt sich insbesondere an Bergstationen, Menge ergab. Dann folgte der windgeschützte, während der wenn sie in Wolken eingehüllt sind. Dann ist ein nicht ge- ohne Windschutz die geringste Menge aufwies. Diese Er- ringer Anteil an der Gesamtniederschlagmenge diesem ab- gebnisse stehen in Übereinstimmung mit den Erkenntnis- gesetzten Niederschlag zuzuordnen. sen von Koschmieder (Quelle: Meteo Schweiz).

110 Abb. 11.58 Nebelfänger n. Grunow Spritzwasser Tropfen die von der Umgebung abprallen und in den Mess- gerät fallen oder von diesem nach außen spritzen, verursachen ebenfalls Messfehler, der abhängig ist von der Nieder- schlagsintensität, der Windgeschwindigkeit, der Messhöhe und der Installationsart des Gerätes. Bodenebene Geräte haben einen höheren Spritzwasserfehler als Geräte auf einer Messhöhe von z. B. 2 m.

Säuberung des Au¦angge»ßes von Laub und anderen Ver- unreinigungen, die den Ablauf in das Messge»ß verstopfen können, wenn sie nicht regelmäßig durchgeführt wird.

Systematisch auftretende Niederschlagsverluste durch Be- netzungs-, Verdunstungs- und Überwehungse¦ekte wer- Verdunstungsfehler den rechnerisch ausgeglichen. Sie liegen in Deutschland in Je häu¤ger der Niederschlag gemessen und das Ge»ß geleert der Größenordnung von ca. 10 % im Sommer und ca. 20 % wird, desto geringer wird der durch Verdunstung verursach- im Winter. te Fehler. Dieser Fehler ist weiter abhängig vom Querschnitt, der Farbe, vom Material, vom Alter, von der Isolation und Niederschlagswächter (Thies) der Aufstellhöhe des Messgerätes. Verdunstungsverluste Bekannte Probleme sind treten auch durch nicht sauberen, lückenlosen Außenan- • Die Gehäuse werden unter anhaltender UV-Bestrahlung strich und dadurch verursachte heiße Au¦ang ächen im spröde und ver»rben sich. In etlichen Geräten sammelt Sommer auf. Bei beheizten Niederschlagsgeräten ergeben sich Wasser, das letztlich die Elektronik-Platine korro- sich zusätzlich geringere Niederschlagsmengen. diert. Die Fa. Thies hat inzwischen die Gehäuse modi- ¤ziert um die Dichtigkeit zu verbessern. Wenn das Ge- Die mathematische Ermittlung der Verdunstung des aufge- häuse die obigen Mängel aufweist, kann es eingeschickt fangenen Niederschlages kann mit unterschiedlichen Para- werden und die Fa. Thies tauscht die Gehäuse aus. metern durchgeführt werden (siehe auch 15.3.1): • Um die Dichtigkeit nach einem Ö¦nen des Gehäuses zu verbessern, sollte Silikonfett auf den Dichtring gegeben werden. • nach HAUDE werden die Tageswerte der Verdunstung Insbesondere in den Kurven im Bereich der Schrauben. aus Temperatur und relativer Feuchte • Die Gehäuseschrauben beim Zusammenschrauben • nach Wendling werden die Stundenwerte der Verduns- nicht zu fest anziehen, da sich sonst das Gehäuse ver- tung aus Temperatur, relativer Feuchte, Windgeschwin- zieht und wieder undicht werden kann. digkeit und Strahlung • nach PENMAN-MONTEITH werden die Tageswerte der Vergleich der Niederschlagstagessummen zwischen Referenzverdunstung aus Temperatur, relativer Feuch- Pluvio-OTT und Hellmann te, Windgeschwindigkeit und Strahlung • nach RICHTER werden die Tageswerte der Verdunstung Die Genauigkeitsanforderung für eine Niederschlagsta- über Wasser aus Windgeschwindigkeit, Wasserober ä- gessumme liegt nach WMO-Empfehlung (WMO-No. 8, An- chentemperatur, relativer Luftfeuchte und Lufttemperatur nex 1B kurz „CIMO-Guide“ genannt“) für Werte <2 mm bei 0,1 mm und für Werte ≥2 mm bei 5 %. Bei diesen Werten ermittelt. Da in alle Methoden die unterschiedlichsten me- handelt es sich um erweiterte Messunsicherheiten mit dem teorologischen Parameter eingehen, hängt der Verduns- Erweiterungsfaktor k=2 (zweifache Standardabweichung), tungsgrad von den jeweiligen meteorologischen Bedin- d. h. 95.4 % der Messwerte liegen in diesem Bereich. gungen ab. Der Testbetrieb auf einem Erprobungsfeld des DWD mit Öl auf der Wasserober äche im Sammelbehälter Wenn beide Messgeräte in diesem Vergleich diese WMO-An- und dadurch eliminierter Verdunstung hat gezeigt, dass forderungen erfüllen, ergibt sich daraus ein Toleranzbereich die Sammele¾zienz dadurch um etwa 7 % gesteigert wer- von 0.14 mm (<2 mm) und 7 % (≥2 mm), in dem mindestens den kann. Allerdings könnte der Betrieb mit Öl in schnee- 95.4 % der Messwerte liegen sollten. Absolute Abweichungen reichen Regionen wahrscheinlich problematisch sein. Die des Pluvio-OTT gegenüber dem Hellmann waren hauptsäch- Verdunstungsverluste können, auch abhängig vom Messge- lich durch die hohe Anzahl (85 %) der Messwerte im Bereich rät/Sensor, bis zu 10 % betragen. < 10 mm bestimmt. Hieraus ergibt sich eine zunehmende negative Abweichung bei höheren Tagessummen. Haftwasser An den Wänden des Messgerätes bleibt Wasser haften (Be- Unter der Annahme, dass beide Messgeräte in diesem Ver- netzungsfehler), das nicht gemessen wird. Der Haftwasser- gleich diese WMO-Anforderungen erfüllen, liegen über fehler ist abhängig vom Querschnitt, von der Form, der Grö- 82.1 % (von den geforderten 95.4 %) der Tagessummen des ße, dem Material, der Farbe und dem Alter des Messgerätes. Pluvio-OTT innerhalb des Toleranzbereiches. Im Durch- schnitt sammelte der Pluvio 3 % weniger Niederschlag am Tag ein als der Hellmann. Bei einer Anhebung der Mes-

111 sunsicherheit von 0.1 mm auf 0.2 mm im Messbereich Fehlerquellen der Ultraschall-Schneehöhenmessung <2 mm ergäbe sich bereits eine durchaus akzeptable Überein- Die Erfahrungen mit den Schneehöhensensoren haben stimmung von 92.1 %. Die Ergebnisse gelten nur für diesen gezeigt, dass es weiterhin erhebliche Probleme gibt (Null- Datensatz der im Zeitraum vom 15. April bis Juli 2009 an 85 punktjustierung, Temperaturabhängigkeit der Ultraschall- DWD-Stationen gewonnen wurden. Für genauere Aussagen messung, Korrosionsschäden bei Sensoren im Küsten- müssten längere Zeiträume betrachtet werden. bereich, etc.). Aus diesem Grund wird für den Einsatz der Schneehöhensensoren und das Auslegen der Schneebretter Im Vergleich zum Kippwaagenprinzip treten beim Pluvio- im DWD folgende Regelung getro¦en: OTT im Durchschnitt ca. 5 % mehr Niederschläge auf, da bei der Kippwaage die Verdunstungs- und Benetzungsverluste • alle Schneehöhensensoren werden im Zeitraum von größer sind. Während beim PLUVIO alles in wenigen Sekun- Mai bis September im DWD in Zustand „removed“ ge- den ermittelt wird, muss bei der Kippwaage die Schaufel erst setzt, d. h. es kommen keine Werte mehr von den Sen- mal gefüllt sein und in dieser Zeit kann das Wasser wieder soren und damit auch keine fehlerhaften Daten, verdunsten. Der 5 %-Fehler ist natürlich bei geringen Nieder- • Schneehöhensensoren, die an Stationen im Küstenbe- schlagsmengen tendenziell größer als bei großen Mengen. reich installiert sind, werden Anfang Mai abgebaut und Auch das lässt sich leicht mit den bei geringen Mengen grö- in der letzten Septemberwoche wieder installiert. ßeren Verdunstungsverlusten bei der Kippwaage erklären. • in der letzten Septemberwoche wird die Nullpunktjus- tierung aller Schneehöhensensoren durchgeführt, Andererseits beginnt die Abheberfunktion beim Pluvio- • am letzten Septembertag werden alle Sensoren wieder graph der Fa. OTT erst bei einer Füllmenge von 88 % und auf „aktiv“ gesetzt und durch die Routinen geschickt nicht schon bei 70 %. Der Vorgang des Abheberns dauert ca. (also als Meldung herausgegeben, qualitätsgeprüft und 5 min, in denen die Messung des weiterhin fallenden Nie- in Datenbanken abgelegt) derschlags in dieser Zeitspanne gestört ist. Die online-Daten • die Schneebretter werden in dem o. g. Zeitraum wegge- für diese Zeitspanne sind dann nicht verwertbar. Gerade bei räumt und vor Witterungsein üssen geschützt gelagert. extremen Starkniederschlägen wären diese Informationen Die Schneebretter werden zu Beginn der letzten Septem- für die Auswertung wichtig. Diese Abheberfunktion soll berwoche wieder an der vorgesehenen Stelle ausgelegt. nur in Ausnahme»llen wirksam werden, um ein unkont- rolliertes Überlaufen des Behälters bei seltenen, extremen Schneehöhensensor SR50 Starkniederschlägen zu verhindern. • Der SR50 gibt im Telegramm den Wert „-9999“ aus. Die- ser Wert gibt an, dass der Sensor den Abstand nicht er- Zum Vergleich der Ombrometermessungen wurden diese mitteln kann. Mögliche Ursache können z. B. Schnee teilweise durch Distrometermessungen (Joss-Waldvogel und von extrem niedriger Dichte (schwache Schallre exion) PARSIVEL®) am MOHP ergänzt. Ein Anwendungsgebiet war oder starker Schneefall (Störung der Schallausbreitung) die Ermittlung von Tropfengrößenverteilungen am Boden sein. Der Wert „-9999“ wird in der Datenverarbeitung und die Rekonstruktion ihrer Radarre ektivitäten für mittlere der AMDA herausge¤ltert und somit keine Schneehöhe Z/R-Beziehungen (11.4). Ebenso wichtig sind Rückschlüsse auf ermittelt. Sollte der beschriebene Fehler a auftreten, ist Verteilungsmode und zugehörige Niederschlagsprozesse. der Sensor 1–2 Tage zu beobachten, bevor man unnö- tigerweise den Sensor austauscht und mit dem neuen Fehlerquellen des Niederschlagsmengenmessers 1518H Sensor das gleiche Problem hat. (Lambrecht): • An Küstenstationen wird der Ultraschallwandler auf • kann bei hohen Niederschlagsintensitäten zu geringe Dauer durch die salzhaltige Luft beschädigt. Mengen anzeigen, da aufgrund der Trägheit der Wippe diese nicht schnell genug umschlägt und somit Nieder- Fehlerquellen Schneesonde WS 43 schlag für die Messung „verloren“ geht. • Bei fehlerhaftem Nullpunkt kann ein Messfehler von ≥5 • mindestens 1 Wippenfüllung notwendig, damit Nieder- g auftreten. schlag angezeigt werden kann • Weitere Fehler können bei der Ablesung der Messergeb- • Trichter kann verstopfen nisse entstehen. Es ist ratsam, jeden Messwert zweimal • Wippe kann blockieren abzulesen.

Fehlerquellen bei der Erkennung der Niederschlagsart mit dem LNM (Thies): • Kennlinien Durchmesser/Geschwindigkeit überschnei- den sich, z. B. Schneegriesel / Sprühregen und Graupel / feuchter Schnee. Deshalb wird als Hilfsgröße die Um- gebungstemperatur zur besseren Unterscheidung von Sprühregen und Schneegriesel sowie als Ausschluss von Schnee bei Temperatur >8 °C (Pollen o.ä.) gemessen, • Nur für flüssige Niederschläge gibt es eine feste Kennli- nie (abhängig nur noch vom Luftdruck) • Turbulenzen (Wind) verändern die Geschwindigkeit der Hydrometeore.

112 . MESSUNG VON RICHTUNG UND Abb. 12.1 Kartesisches Koordinatensystem mit Himmelsrichtungen GESCHWINDIGKEIT DES BODENWINDES und Windkomponenten (u, v, w)

12.1 Allgemeines

Die meisten Messgrößen in der Meteorologie sind Skalare. Der Wind ist eine gerichtete Größe, ein Vektor mit einem Betrag (Windgeschwindigkeit) und einer Richtung (Wind- richtung), also zwei Größen, die gemessen werden. Zur vollständigen Beschreibung des Windes als dreidimensi- onale Größe sind eigentlich drei Komponenten oder der Betrag und die (durch zwei Winkel bestimmte) Richtung erforderlich. Da aber die Vertikalkomponente mit Ausnah- me an Fronten, in Leewellen und bei starker Konvektion v = (u, v, w) in weiten Bereichen der Atmosphäre im Allgemeinen eine u, v = Horizontalkomponenten des Windes Größenordnung (cm s–1) kleiner gegenüber der horizontalen w = Vertikalkomponente des Windes Windgeschwindigkeit ist, wird unter Windgeschwindigkeit in der Regel nur die Horizontalkomponente verstanden. Zu In der Meteorologie werden überwiegend nur die Horizon- deren Bestimmung reichen daher zwei Angaben, entweder talwindkomponenten u und v gemessen. Eine Messung der die beiden Komponenten (N-S, W-E) oder Betrag und Rich- Vertikalwindkomponente mit herkömmlichen Windmess- tung. Unabhängig davon ist der Vertikalwind für das Wetter geräten ist sehr aufwendig und schwierig. Mit den heute eine entscheidende Größe. verfügbaren Methoden zur Messung des Bodenwindes mit . Ultraschallanemometern können allerdings alle drei Wind- Der Bodenwind ist die Luftbewegung bis maximal 20 m bis komponenten gleichzeitig erfasst werden. 30 m Höhe über dem Erdboden. Er wird im Wesentlichen durch die Bescha¦enheit der Erdober äche beein usst. Polarkoordinatendarstellung Größere Hindernisse (Bäume, Häuser) können hinsicht- In der Mathematik und Geodäsie versteht man unter einem lich Richtung und auch Geschwindigkeit des Bodenwindes Polarkoordinatensystem ein zweidimensionales Koordina- starke Abweichungen verursachen. Die natürliche Windun- tensystem, in dem jeder Punkt auf einer Ebene durch einen ruhe ist ein weiterer Grund, weshalb mit dem Wind keine Winkel und einen Abstand de¤niert werden kann. Im kar- laminare, sondern eine turbulente Strömung verbunden tesischen Koordinatensystem ¤nden sich derartige Bezie- ist. Die räumliche Variabilität des Windes, insbesondere hungen in Form trigonometrischer Formulierungen. der Windböen ist wahrscheinlich ähnlich groß wie die des Niederschlages. Allerdings ist das entsprechende Beobach- Abb. 12.2 Polarkoordinatendarstellung mit Richtung und Betrag tungsnetz für Windmessungen wesentlich dünner als das für den Niederschlag, was die räumliche Repräsentanz der Windmessung beein usst und sich damit erschwerend bspw. bei der Erstellung von Windwarnungen auswirkt.

Da der Wind also ein Vektor ist, lässt er sich in verschiedenen Koordinatensystemen darstellen. Sie werden kurz dargestellt, ohne näher darauf einzugehen.

12.1.1 Koordinatensysteme

Kartesisches Koordinatensystem V V j Ein kartesisches Koordinatensystem ist ein orthogonales W O u

r u = v cos j r Koordinatensystem. Wegen der Orthogonalität schneiden v = v sin j r 22 v = + vu v j = arctan u sich die beiden Richtungsachsen im 90 °-Winkel, wobei S die x-Achse nach Osten, die y-Achse nach Norden und die z-Achse zum Zenit zeigt. Die Achsen stehen senkrecht aufeinander und bilden ein Rechtssystem. Koordinatenlinien sind Geraden in konstantem Abstand voneinander, auch Der 2-dimensionale Horizontalwind = (u, v) wird in der Mete- Grids genannt. Die (x, y) – Ebene ist eine Tangentialebene orologie auch häu¤g in Polarkoordinaten dargestellt. Zur Um- an der Erdober äche, damit herrscht in einer Horizontal- rechnung zwischen kartesischen Koordinaten und Polarkoor- ebene überall die gleiche geographische Breite. Der Ortsvek- dinaten wird auf die entsprechende Literatur verwiesen. tor beschreibt die Bahnkurve (Trajektorie) im Raum. Druck-Koordinatensystem In der Meteorologie ist das Druck-Koordinatensystem üb- lich mit = (u, v, ␻).

113 Abb. 12.3 Druck – Koordinatensystem mit Himmelsrichtungen und 12.1.2 Messgrößen des Windes Windkomponenten Windgeschwindigkeit Unter Windgeschwindigkeit ist die horizontale Verlage- rungsgeschwindigkeit der Luftteilchen zu verstehen die durch Messungen ermittelt wird.

Windstärke Bei einer Schätzung des Windes spricht man von Windstär- ke. Als Windstärke wird der anhand charakteristischer Aus- wirkungen des Windes auf die Wasserober äche oder auf Gegenstände an Land geschätzte Stärkewert bezeichnet. In der international vereinbarten 13-teiligen BEAUFORT-Ska- la (0 = Windstille bis 12 = Orkan) sind diesen Stärkewerten Horizontalwind äquivalente Geschwindigkeiten zugeordnet. Für die prakti- Der 2-dimensionale Horizontalwind = (u, v), (Abb. 12.4) ist sche Anwendung zur See ist diese Skala völlig ausreichend. die Projektion des 3-dimensionalen Windes = (u, v, w) in Im Unterschied zur Windgeschwindigkeit handelt es sich bei die x-y-Ebene. der Windstärke physikalisch betrachtet um eine Klassi¤zierung des Windstaudrucks auf eine de¤nierte Ober äche. Abb. 12.4 Komponenten des 3-dimensionalen Windvektors Windunruhe / Böigkeit Richtung und Geschwindigkeit des Bodenwindes sind nie konstant, sie schwanken u. a. wegen der Rauhigkeit des Un- tergrundes ständig. Diese Schwankungen, die bei geringen Geschwindigkeiten auftreten, werden als natürliche Win- dunruhe bezeichnet. Abgesehen von markanten Richtungs- änderungen (Windsprung z. B. bei Frontdurchgangen) bewegen sich diese Richtungsänderungen zumeist um einen bestimmten Mittelwert. Bei höheren Windgeschwindigkei- ten wird im Allgemeinen der Begri¦ Böigkeit verwendet. Hier kann es zu markanten Richtungsänderungen kommen.

Windspitzen Eine Windspitze ist die Bezeichnung für die höchste momen- An ungestörten Strahlungstagen (homogen, adiabatisch, tane Windgeschwindigkeit (höchster 3 s-Mittelwert der Ge- advektionsfreie Verhältnisse) nimmt die bodennahe Wind- schwindigkeit) in einem willkürlich festgelegten Zeitraum (z. B. geschwindigkeit von Null am Erdboden logarithmisch mit Windspitze des Tages, der letzten Stunde, der letzten 10 min). der Höhe zu (Abb. 12.5). Um den Bereich der stärksten Ände- rung in Bodennähe zu vermeiden, wo einer kleinen Höhen- Mittelwind di¦erenz eine große Änderung der Windgeschwindigkeit Wegen der Windunruhe und der Böigkeit ist es für die meisten entspricht, legt die WMO fest, dass die Windgeschwindig- Anwendungen nicht sinnvoll, eine momentane Windrichtung keit 10 m über dem mittleren Geländeniveau oder 6 m über oder Windgeschwindigkeit anzugeben. Es werden stattdessen der höchsten Gebäudeerhebung gemessen werden soll. Mittelwerte gebildet. Da der Wind ein Vektor ist, wird ein vek- torielles Mittel gebildet. Die WMO legt hier einen Zeitraum von Abb. 12.5 Logarithmisches Windpro¯l 10 min zugrunde, der nur in besonderen Fällen unterschritten werden darf. Daraus ergibt sich, dass der Windvektor als Mittel- wind und Abweichung (Böen) dargestellt wird

= +

Ausnahmen von dem Grundsatz der 10 min-Mittelbildung sind bei folgenden Verhältnissen gegeben: • Richtungsänderung (Windsprung): Abrupte, anschlie- ßend ≥2 min beibehaltene Drehung der Windrichtung um ≥30 ° in den letzten zu berücksichtigenden 10 min, wobei vor und/oder nach der Änderung die mittlere Geschwin- digkeit mindestens 5,0 m s–1 (~10 kn) oder mehr betragen muss. In diesen Fällen ist die mittlere Richtung anzugeben, die sich nach der Änderung eingestellt hat. Unter dieser plötzlichen Umstellung der Richtung ist keine gleitende allmähliche Richtungsänderung zu verstehen.

114 • Geschwindigkeitsänderung (Windsprung): Deutliche, wendet. Die Seemeile kommt aus der Seefahrt und entspricht signi¤kante Änderung der Windgeschwindigkeit in den der Länge einer Bogenminute auf einem Großkreis (Meridi- letzten zu berücksichtigenden 10 min um ≥ ±5,0 m s–1. an). Diese Maßeinheit wird auch in einigen Wetter-Codes Der geänderte Wert muss mindestens 2 min anhalten. (METAR, TAF) verschlüsselt. Die Maßeinheit m s –1 wird in Wie bei der Richtung sind auch hier die Mittelwerte zu osteuropäischen Ländern und im SYNOP-Code verwendet. melden, die sich nach der Änderung ergeben haben. Ein Windsprung ist demzufolge eine Geschwindigkeits- Als Windrichtung wird in der Meteorologie immer die Him- und/oder Richtungsänderung des Bodenwindes. melsrichtung bezeichnet, aus welcher der Wind kommt in einer 360-teiligen Skala (Abb. 12.6) angegeben. Sie wird be- Wenn bei einem Windsprung nur die Geschwindigkeit stimmt nach dem Polarwinkel (Azimut) und in Grad ange- oder nur die Richtung eine markante Änderung gemäß der geben, d. h. alle Richtungsangaben in Grad sind rechtwei- Grenzwerte er»hrt, wird auch die jeweils andere Größe, die send (ist im Sinne von „richtig weisend“) auf geographisch keine oder nur eine unwesentliche Änderung erfahrt, über Nord bezogen. den verkürzten Zeitraum gemittelt. Abb. 12.6 Windrose Böe Als Böe bezeichnet man im Allgemeinen einen kräftigen Windstoß, der oft mit einer plötzlichen Windrichtungsän- derung verbunden ist. Wenn der gemessene 10 min-Mittel- wert der Windgeschwindigkeit innerhalb weniger Sekunden (höchstens 20, mindestens 3 s anhält) um mindestens 5,0 m s –1 überschritten wird, ist das de¤nitionsgemäß eine Böe. Treten die Böen innerhalb eines linienförmig angeordneten Gebietes auf, so nennt spricht man von einer Böenfront. markante Böe Eine markante Böe ist eine plötzliche positive Abweichung vom vorangegangenen 10 min-Mittelwert um mindestens 8,0 m s –1 (~16 kn), wobei die erhöhte mittlere Windge- schwindigkeit mindestens 10,5 m s –1 (~21 kn) betragen und 1 min oder mehr andauern muss. Im Flugverkehr wird in einigen Gegenden der Erde die An- gabe der Richtung in Grad auf magnetisch Nord verlangt, Die Vielzahl der Messgrößen des Windes können nicht alle um die Anzeige mit dem Magnetkompass vergleichen zu gemessen werden. Wie anschließend zu sehen ist, sind mo- können. Diese Angabe wird missweisend genannt. In ei- derne elektronische Anlagen aber in der Lage neben den reinigen Gebieten der Erde kommt es dabei zu mehr (z. B. in nen Messwerten, die anderen Größen daraus zu berechnen Canada) oder weniger großen Abweichungen zwischen der und darzustellen. Windrichtungsangabe und Kompassanzeige.

12.1.3 Maßeinheiten der Windgeschwindigkeit 12.2 Allgemeine Messprinzipien

Die Windgeschwindigkeit wird durch den in der Zeiteinheit Zur Messung der Windgeschwindigkeit werden mehrere zurück gelegten Weg angegeben. Derzeit sind 3 Maßeinhei- physikalische Eigenschaften des Windes als Messprinzipi- ten für die Windgeschwindigkeit gebräuchlich: en ausgenutzt. Diese sind im Wesentlichen Meter pro Sekunde (m s –1) Seemeile oder nautische Meile pro Stunde • der dynamische Winddruck und seine Wirkung auf (Knoten = kn = NM h –1) – Druckplatten (Druckplattenanemometer) Kilometer pro Stunde (km h –1) – Rotationskörper (Rotationsanemometer) – Manometer (areodynamische Anemometer) Umrechnungen zwischen den Maßeinheiten ergeben sich • die thermische (abkühlende) Wirkung des Windes nach Tabelle 12.1. – Hitzdrahtanemometer • die Wirkung des Windes auf die Schallwellenausbrei- Tab. 12.1 Umrechnung von Maßeinheiten des Windes tung (akustische Windmessung) – Ultraschallanemometer 1 kn 1 m s –1 1 km h –1 • das optoelektrische Prinzip (nur für die Windrichtung) 1 kn – 0,5144 1,852 1 m s –1 1,9438 – 3,60 12.2.1 Dynamischer Druck des Windes 1 km h –1 0,5399 0,277 – Der Winddruck – im Gegensatz zum (statischen) Luftdruck ein dynamischer Druck – entsteht, wenn strömendes Gas Die Maßeinheit Knoten wird überwiegend in den meteoro- (Luft) auf einen Gegenstand tri¦t. Im umgekehrten Fall logischen Diensten, in der Seefahrt und in der Fliegerei ver- wird von Luftwiderstand gesprochen, wenn an einem

115 Gegenstand, der sich durch ruhende Luft bewegt, der glei- Rotationsanemometer (Schalenanemometer) che Druck auftritt. Da davon ausgegangen wird, dass sich Die rotierenden Schalenanemometer (Schalenstern-, Scha- der Druck gleichmäßig auf der gesamten Anström äche lenkreuzanemometer) beruhen zwar auf der Staudruck- verteilt, ist der Winddruck eine rechnerische Größe. In wirkung des Windes, sie stellen aber wegen des linearen Wirklichkeit stellt sich aber eine Druckverteilung auf dem Zusammenhangs zwischen der primären Messgröße (Um- Gegenstand ein. Das Produkt aus Winddruck und Anström- drehungsfrequenz) und der Windgeschwindigkeit eine ei- äche ergibt die Strömungskraft. Sie ist so groß wie das gene Gruppe dar. Flächenintegral über die Druckverteilung auf dem Gegen- stand. Somit ist der Winddruck der Mittelwert der Druck- Auf einer senkrechten Achse eines Rotationsanemometers verteilung. Der größte auf dem Gegenstand (Anemometer) sind drei oder vier halbkugelige Schalen angebracht, die in auftretende Druck ist der Staudruck im Staupunkt, wo die einer Strömung um diese Achse rotieren. Da die Schalen in Strömung auf Null abgebremst und die kinetische Energie jedem Moment der Umdrehung des Schalensterns (-kreu- der strömenden Luft in Druck umgewandelt wird. zes) in einer anderen Stellung zur Strömung stehen, ist der zeitliche Verlauf des auf sie wirkenden Staudrucks eine Druckplattenanemometer komplizierte Funktion. Ein sehr einfaches Messgerät für Windrichtung und Wind- stärke ist die WILDsche Windfahne. Sie ¤ndet im praktischen Zunächst sei ein Anemometer mit 2 gegenüber liegenden Wetterdienst keine Anwendung mehr. Das Messgerät besteht Schalen angenommen, deren Arme senkrecht zum Wind aus einer rechteckigen Blechtafel, die durch eine Windfahne stehen. Die Bahngeschwindigkeit u des Schalenmittelpunk- immer senkrecht zum Wind gestellt wird. Je nach Windge- tes ergibt sich dann mit schwindigkeit wird die Blechtafel vom Winddruck verschieden hoch gehoben. An den Stiftmarken des Gradbogens zeigt u = 2 (12.1)π · r · v sie dann die jeweilige Windstärke an. Zwischen den Gradbo- genmarken, der Windgeschwindigkeit in m s –1 und der Beau- mit r = Abstand des Schalenmittelpunktes zur Achse fortskala bestehen folgende Beziehungen: v = Windgeschwindigkeit

Abb. 12.7 Wildsche Windfahne Da sich die konkave Schale wegen ihres größeren Wider- standsbeiwertes mit dem Wind bewegt, ist die Relativge- schwindigkeit des Windes zur Schale also v – u, die konvexe Schale bewegt sich gegen den Wind, die Relativgeschwin- digkeit ist dann v + u. Hier wirkt eine etwa 4-mal größere Kraft (Tab. 12.3) als an der konvexen Seite der jeweils anderen Schale. Der Staudruck bei beiden Schalen ist gleich dem Quadrat der Relativgeschwindigkeit proportional.

Tab. 12.3 Luftwiderstandsbeiwerte (cw-Werte)

Form cw-Wert Kreisplatte, Quadratplatte 1,11 Halbkugelschale, konvexe Seite 0,34 Halbkugelschale, konkave Seite 1,33

Tab. 12.2 Umrechnung von Gradbogenmarke in Windwerte In dem hier betrachteten stationären Zustand sind die von den beiden gegenüberliegenden Schalen ausgehenden ent- Gradbogenmarke 1 2 3 4 5 6 7 8 gegengesetzten gerichteten Drehmomente gleich. Dieses Windgeschwindigkeit 0 2 4 6 8 11 14 20 Drehmoment ist jeweils das Produkt aus dem Abstand des Beaufort Windstärke 0 2 3 4 5 6 7 9 Schalenmittelpunktes r und der vom Staudruck bewirkten Kraft auf die Schale, die dem Staudruck proportional ist.

Die Bestimmung der Windrichtung erfolgt durch Vergleich Die Bahngeschwindigkeit u der Schale und damit die Rotations- der Stellung der Windfahne, mit dem die vier Haupthim- frequenz der Achse des Schalenanemometers ist nach (12.1) melsrichtungen anzeigenden Richtkreuzes, bei welchem die Nordrichtung durch ein „N“ gekennzeichnet ist. (12.2)

Die Auslenkung der Platten hängt natürlich von ihrem Ge- und damit der Windgeschwindigkeit proportional. wicht ab. Während leichte Platten geringe Windgeschwin- digkeiten besser anzeigen, sind schwere Platten für hohe Dieses aerodynamisch unterschiedliche Verhalten der Windgeschwindigkeiten besser. Dennoch kann mit diesem Schalen führt dazu, dass das Schalenanemometer unab- Gerät die Windrichtung und -Stärke etwas genauer be- hängig von der Windrichtung rotiert. Allerdings reagiert es stimmt werden, als wenn sie nur geschätzt wird. besser auf zu- als auf abnehmende Windgeschwindigkeit.

116 Dies ergibt einen Overspeed-E¦ekt, d. h. bei böigem Wind Die beste Windfahne ist das einfache Blatt. Nur das ein- ist der gemessene Mittelwind ca. 5 % bis 10 % höher als der fache Blatt hat im Windkanal bei einer Windrichtung nur wirkliche Mittelwind. Diese Betrachtungen setzten Rei- eine Auslenkung. Andere Windfahnen haben durch aerody- bungsfreiheit voraus. In der Wirklichkeit kann die Reibung namische E¦ekte teilweise 2–3 stabile Stellungen bei einer nicht völlig ausgeschaltet werden. Sie macht sich bei hohen einzigen Windrichtung und damit keine lineare Beziehung Geschwindigkeiten praktisch nicht bemerkbar, bei Werten zwischen Windrichtungsschwankungen und Auslenkung v <0,5 m s –1 aber wird u = 0, d. h. dass sich das Schalenanemo- der Windfahne. meter bei kleinen Windgeschwindigkeiten nicht dreht. Propelleranemometer Bei rasch wechselndem v macht sich zusätzlich die Trägheit Propelleranemometer sind einfache Geräte zur gleichzeitigen bemerkbar. Sie bewirkt eine glattere Anzeige als der wirk- Bestimmung aller drei Windkomponenten und eignen sich liche Verlauf der Windgeschwindigkeit ist. Kurze Wind- damit auch für Turbulenzmessungen. Drei kleine Propeller spitzen in der Natur sind stärker als sie vom Schalenane- von wenigen Zentimetern Durchmesser, die rechtwinklig zu- mometer erfasst werden. Durch kurze Armlänge, leichte einander angeordnet sind und deren Umdrehungsgeschwin- Halbkugeln und nur drei anstelle von vier Halbkugeln, ver- digkeit proportional zur jeweiligen Windkomponente ist, die setzt um 120 °, können die Trägheitskräfte reduzieren. An- von vorne gegen die Propeller strömt. dererseits wird durch größere Halbkugeln das Drehmoment vergrößert, d. h. die Anlaufgeschwindigkeit herab gesetzt. Flügelradanemometer Die horizontale Windgeschwindigkeit wird dann aus der Im Gegensatz zu den bekannten Schalenanemometern sor- Rotationsgeschwindigkeit und der dazu proportional er- gen beim Flügelradanemometer mehrere geneigte Metallplat- zeugten Spannung berechnet und kann auf unterschiedli- ten, die konzentrisch zur Drehachse angeordnet sind, für den che Art und Weise abgegri¦en werden (siehe 12.3.1). Sie wird Übertrag des Winddrucks auf das Messelement. Ihre Drehfre- mechanisch oder elektronisch auf eine Anzeige umgesetzt quenz ist proportional zur Strömungsgeschwindigkeit. und ist damit ein Maß für die Windgeschwindigkeit. Vorteil ist die Möglichkeit der praktisch linearen Zuordnung der Vorteil dieser meist kleinen und handlichen Windmessgeräte Windgeschwindigkeit zur Schalendrehzahl. ist ihre geringe Anlaufgeschwindigkeit von ~ 0,1 m s –1 bis 0,4 m s –1 , die meist kleiner als bei Schalenanemometern ist und so- Zu diesem Messprinzip zählen Schalenanemometern mit mit kleine Geschwindigkeiten gut gemessen werden können. Windfahne, Schalenhandanemometer, Flügelradanemome- ter und Propelleranemometer. Nachteilig ist die starke Richtungsabhängigkeit, da sie zur Messung genau in die Windrichtung gehalten werden müs- Windfahnen sen, d. h. sie können deshalb nur komponentenweise die Die Sensoren für die Windrichtung (Windfahnen) sind Windgeschwindigkeit bestimmen. stabilisierte Blattwindfahnen oder Doppelwindfahnen mit 2 Leitblechen. Der Dämpfungsgrad charakterisiert das Es gibt rein mechanisch arbeitende Flügelradanemometer Schwingungsverhalten der Windfahne und ist eine wichti- und elektronische Digitalmessgeräte. Prinzipiell erfolgt der ge Kenngröße zu ihrer qualitativen Bewertung. Er wird be- Abgri¦ genauso wie bei Schalenanemometer, nach dem stimmt aus zwei aufeinanderfolgenden Schwingungsamp- Wirbelstromprinzip, dem Fliehkraftprinzip oder der Be- lituden in einer Richtung und wird mittels einer Gleichung stimmung des Windweges nach einer vorgegeben Zeit. berechnet. Das Druckmoment auf die Fahne muss größer als das Reibungsmoment sein, damit sich die Windfahne Aerodynamische Staugeräte bewegt. Das wird erreicht durch eine relativ große Fahnen- Bereits unter 7.4 wurde im Zusammenhang mit Messfeh- äche und lange Hebelarme einerseits und durch geringes lern beim Luftdruck, hervorgerufen durch den Winddruck, Gewicht und ausbalanciertes Gegengewicht an der vertika- die Gleichung von D. BERNOLLI (7.11) angesprochen. Sie sei len Achse in einem Kugellager andererseits. hier nochmal wiederholt, da sie im Gegensatz zur Luftdruck- messung für die Windmessung als Messprinzip zur Messung Abb. 12.8 verschiedene Windfahnen der Windgeschwindigkeit herangezogen werden kann.

(7.11)

mit p0 = Gesamtdruck p 1 = statischer Druck ␳ = Dichte des Mediums (Luft) v = Windgeschwindigkeit

Bei aerodynamischen Staugeräten geht es um die Ausnut- zung dieses Winddrucks. Es besteht nach Bernoulli eine

Beziehung zwischen dem Gesamtdruck p0, dem hydrostatischen Druck p1 und der Geschwindigkeit v an jeder Stelle eines stationär strömenden, reibungsfreien und inkom- pressiblen Mediums.

117 Am Staupunkt an der Sondenspitze wird der Gesamtdruck p0 und Niederschlag. Auch der relativ kleine Ausschlag bei ge- gemessen (Pitotrohr), an den seitlichen Ö¦nungen des Stau- ringen Windgeschwindigkeiten ist nachteilig. rohres wirkt dagegen der statische Druck p1 (Drucksonde). Als Messgeräte zu diesem Messprinzip gehören Strömungs- Bringt man in die Strömung einen Körper, so staut sich die sonde, Venturirohr, Pitotrohr und Prandtlsches Staurohr. Luft an dessen vordersten Punkt. Dort ist v = 0 und der dort Diese Windmesssysteme dienen meist nur zur Messung herrschende statisch gemessene Druck p1 gleich dem Ge- der Windgeschwindigkeit in Windkanälen und zur Über- samtdruck p0. An einer Stelle, welche die Strömung tangen- prüfung von Windmesssystemen. tial streift, hat v den Wert der freien Strömung und der dort gemessene statische Druck ist 12.2.2 Thermische (abkühlende) Wirkung des Windes

(12.3) Thermische Anemometer Für thermische Anemometer gilt ebenfalls das Newtonsche Die Di¦erenz der beiden Drücke ist der Staudruck, der Ge- Abkühlungsgesetz (8.28), wie es unter 8.4.2 beschrieben ist. Bei samtdruck minus statischer Druck. Für ihn gilt dann nach thermischen Anemometern wird die Tatsache genutzt, dass der

(7.13) und (12.3) Wärmeübergangskoe¾zient ␣L, auch Wärmeübergangszahl genannt, eine Funktion der Windgeschwindigkeit v ist (12.4) (12.6) d. h. der Staudruck ist zum Quadrat der Windgeschwindig- keit proportional. Wenn also p0 gemessen wird, kann aus mit a = Strahlungsein uss der Druckdi¦erenz Δp die Windgeschwindigkeit v durch b = Gerätekonstante Umformen von (12.4) direkt berechnet werden: v = Windgeschwindigkeit

(12.5) Wie (12.6) zeigt, hängt die Wärmeübergangszahl auch vom Strahlungsein uss ab, der bei der Messung unbedingt aus- Da der Staudruck auch von der Luftdichte ␳ abhängig ist, ver- geschaltet werden muss. Das wird durch die Verwendung ringert sich Δp in größeren Höhen. Zur Windbestimmung von extrem dünnen, hochglanzpolierten Drähten erreicht, muss ␳ aus dem Luftdruck und der Lufttemperatur z. B. über die 99 % der auftre¦enden Strahlung re ektieren. Wenn bei die Gaszustandsgleichung (9.2) berechnet werden. Totalre exion der Strahlung ␣ = 0 ist, vereinfacht sich die Beziehung zu Abb. 12.9 Staudruckprinzip (12.7)

Durch Messung der elektrischen Größen kann so auf die Strö- mungsgeschwindigkeit geschlossen werden. Je nach Stärke der vorbei streichenden Luft, wird der Körper mehr oder weniger abgekühlt. Dünne Drähte reduzieren nicht nur den Strahlungsein uss, damit ist auch die Wärmeübergangszahl größer und das Messgerät wird umso emp¤ndlicher.

Während der Staudruck ≈ v2 und die Drehzahl der Schalen- windmesser etwa proportional v ist, ist die Wärmeüber- Die Bernoulli-Gleichung ist in diesem Zusammenhang nur gangszahl etwa ≈ . Die primäre Messgröße bei thermi- näherungsweise gültig, weil die im Freien strömende Luft schen Windmessern, nämlich die Temperaturdi¦erenz eigentlich keine der obigen Eigenschaften hat, da Luft kein ideales, sondern ein kompressibles Medium ist und nicht la- zwischen Messfühler und Luft ist sogar ≈ . Daher eignen minar strömt. Die Gleichung (7.11) kann aber mit hinreichen- sich thermischen Windmesser besonders gut zur Messung der Genauigkeit auch für strömende Luft angewandt werden. kleiner Windgeschwindigkeiten (<1 m s –1). Grundsätzlich Das Staurohr hat den Vorteil, dass es bei einer, von Ludwig aber können sie in allen Geschwindigkeitsbereichen (sogar PRANDTL (1875–1953) angegebene Dimensionierung, eine im Überschall) eingesetzt werden. von Annahmen und Eichung freie Messung erlaubt. Wei- tere Vorteile sind das verzögerungsfreie Anlaufen bei jeder Thermische Anemometer werden im Westlichen zu For- Geschwindigkeit, keine beweglichen Teile und keine Nach- schungszwecken verwendet. Auch die gefühlte Temperatur, eichung erforderlich. Der entscheidende Nachteil ist die der Windchill kann damit bestimmt werden. Richtungsabhängigkeit, was sich insbesondere bei Wind- böigkeit auswirken kann. Das Gerät muss anhand einer Zu den thermischen Anemometern zählen Hitzdrahtane- Windfahne immer genau zur Windrichtung ausgerichtet mometer. sein. Weitere Nachteile ergeben sich durch die Emp¤ndlichkeit des Messfühlers gegen Verschmutzung, Vereisung

118 12.2.3 Wirkung des Windes auf die Schallwellenausbreitung unterschiedlichen Laufzeiten für Hinweg (T1) und Rückweg (T2): Akustische Anemometer (Ultraschallanemometer) Bereits unter 8.2.4 „Ultraschallthermometer /-anemome- und (12.8) ter“ wurde auf die Verwendung von Ultraschallmessgeräten eingegangen. Die Ausführungen zu den Grundlagen sind mit L = Abstand der Sonotrodenpaare entsprechend gültig. Schallwellen, die mit einer Frequenz (üblicherweise 10 cm bis 20 cm) oberhalb der menschlichen Hörschwelle von etwa 15 kHz bis c = Schallgeschwindigkeit 20 kHz (im Alter wesentlich niedriger) bis etwa 10 GHz (1010 Hz) liegen, nennt man Ultraschall. Da die Wellenlänge des Ultra- Diese einfachen Gleichungen zusammengefasst und nach v schalls in der Luft kleiner als etwa 1,5 cm ist, kann Ultraschall aufgelöst ergeben mit den Gesetzen der geometrischen Optik beschrieben werden. Ultraschallwellen werden anstelle von Schallwellen be- (12.9) nutzt, um die Lärmbelästigung gering zu halten. Die Anordnung zweier senkrecht aufeinander stehender Bei der Entwicklung von Ultraschallanemometern wurde Messstrecken ergibt den Betrag und den Winkel des Wind- ursprünglich das Phasendi¦erenzverfahren eingesetzt. Die geschwindigkeitsvektors in Form von rechtwinkligen Ge- durch den Wind veränderte Phasenlage eines von einem schwindigkeitskomponenten. Nach Messung werden diese Sender ausgehendes Ultraschallsignal wurde an mehreren in Polarkoordinaten (siehe 12.1.1) umgewandelt und als Be- Emp»ngern aufgenommen. Das Messprinzip der berüh- trag der Windgeschwindigkeit und Winkel der Windrichtung rungslosen Windgeschwindigkeits- und Richtungsmes- ausgegeben. Da jeder Sender auch gleichzeitig Emp»nger ist, sung basiert heute auf der Bestimmung der Laufzeit dieser kann die Laufzeit des Schalls auf jede der Messstrecken in (Ultra-)Schallwellen in zwei oder allen drei Raumrichtun- beide Richtungen gemessen und damit der Ein uss der Tem- gen. Die ausgesandte Schallwelle kann zeitversetzt beim peratur auf das Messergebnis beseitigt werden. Emp»nger eintre¦en, da eine Windgeschwindigkeitskom- ponente in Ausbreitungsrichtung des Schallimpulses zu ei- Um Störungen des Strömungs usses durch die Messköpfe ner Erhöhung, entgegen der Ausbreitungsrichtung dagegen und die Gerätehalterung möglichst gering zu halten, müs- zu einer Verringerung der Laufzeit des Schalls über eine fes- sen die Messstreckenlänge und die Größe der Messköpfe in te Messstrecke führt. möglichst großem Verhältnis zueinander stehen.

Da die Schallausbreitung auch temperaturabhängig ist, wird Seit einigen Jahren werden Anemometer mit um 120 ° ver- zusätzlich die Lufttemperatur gemessen. Die Abweichung setzten Messstrecken gebaut, wodurch eine geringere Stö- der (virtuellen) akustischen Temperatur tav von der Luft- rung des Strömungs usses durch das Messgerät selbst er- temperatur t bei variabler relativer Feuchte steigt bei hoher reicht wird. Dazu sind Messwertgeber erforderlich, die aus Temperatur und hoher relativer Feuchte stark an, ähnlich allen Richtungen angeströmt werden können. der virtuellen Temperatur (9.16). Bei niedriger Temperatur und Feuchte ist die Abweichung gering. Ultraschallanemometer haben gegenüber herkömmlichen Windgebern, z. B. Windfahne, Schalenstern- oder Propeller- Abb. 12.10 Messprinzip Ultraschallwindmessung, Schallwandler E, S, anemometer einige Vorteile. Diese sind

Laufzeiten t1 , t2 • robust und wetterunabhängig, daher auch für Bergstati- onen geeignet, • keine mechanische Reibung, daher auch sehr schwa- cher Wind messbar, • keine beweglichen Teile, daher praktisch verschleißfrei, • trägheitsfreie und praktisch strahlungsfreie Messungen bei der Temperaturbestimmung, • Messung von Windgeschwindigkeit und -Richtung mit nur einem Messsystem • durch die Eigenschaften der gleichzeitigen hochfre- quenten Erfassung von Wind uktuationen und Tempe- ratur in einem Gerät ist es auch ein ideales Turbulenz- messgerät, da es auch den vertikalen Wind misst, was sonst schwierig ist.

Ultraschallanemometer liefern neben den o. a. Werten dar- über hinaus gleichzeitig in demselben Messvolumen auch Bei einem Ultraschallanemometer sind ein oder mehrere die Schwankungen der Luftdichte, die im Wesentlichen von Paare von Sonotroden (Lautsprecher-Mikrofon-Kombina- Schwankungen der Temperatur und in geringerem Maße tion) in einem konstanten Abstand L montiert. Die Wind- des Wasserdampfgehaltes bestimmt werden. Ein derart geschwindigkeitskomponente v in der Richtung eines Son- vollständiger Datensatz kann sonst nur durch die Kombi- denpaares überlagert sich dem Schallsignal und führt zu nation verschiedener Sensoren gewonnen werden.

119 12.3 Sensoren/Messgeräte Abb. 12.12 Prinzip optoelektronische Windgeschwindigkeitsabtas- tung mit Lichtschranke In den Wetterdiensten ¤nden je nach Anforderungen unterschiedliche Messgeräte/Sensoren zur Messung des Bo- denwindes praktische Anwendungen. Dabei werden aber auch hier, wie in anderen meteorologischen Messberei- chen, nicht alle Messprinzipien ausgenutzt.

12.3.1 Rotationsanemometer

Schalenanemometer mit Windfahne Diese Sensoren für Windgeschwindigkeit und -richtung verschiedener Hersteller sind die im DWD z. Zt. noch am häu¤gsten verwendeten Windmesssysteme. Sie sind entweder als einzelne Geräte auf einem gemeinsamen Mast Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass diese Scha- oder als kombiniertes Gerät ausgeführt. Hinsichtlich ihrer lenanemometer nur noch die Lagerreibung besitzen. Messeigenschaften und im Funktionsprinzip sind die Ge- räte nahezu identisch. Unterschiede ergeben sich aber in Tab. 12.4 Spezi¯kationen Windgeschwindigkeitsgeber (Thies) Bezug auf den Einsatzort. Während Schalenanemometer für Messbereich 0,3 bis 50 m s –1 Flachlandstationen meist aus dünnen Leichtmetallblech bestehen, um durch geringes Gewicht und Masse die Träg- Elektrischer Ausgang 0 bis 1042 Hz (0,3 bis 50 m s –1) heit gering zu halten, besitzen Geräte für Höhenlagen über Genauigkeit <15 m s-1 ±0,3 m s –1 600 m NHN eine erheblich stabilere Konstruktion. Außer- >15 m s –1 ±2 % vom Messwert dem müssen die Anemometer im Gebirge mit einer größe- Auösung 0,05 m Windweg ren Heizleistung als im Flachland ausgestattet sein. Anlaufgeschwindigkeit 0,3 m s –1 Der Windgeschwindigkeitsgeber der Fa. Thies, Göttingen Windlast bei 35 m s1 10 N für Höhenlagen bis 600 m NHN besteht aus einem träg- Einsatzbereich –35 bis +80 °C, max. 60 m s –1 heitsarmen, kugelgelagerten, 3-armigen Schalenstern mit halbkugelförmigen Schalen aus Aluminium, die an hori- Spannungsversorgung 3,3 bis 47 V DC zontalen Armen befestigt sind. Heizung 24 V AC/DC, 20 W

Abb. 12.11 Windgeschwindigkeitsgeber (Thies) Die elektronisch geregelte Heizung verhindert, dass der Windgeber unter Vereisungsbedingungen nicht blockiert.

Abb. 12.13 Windrichtungsgeber – einfaches Blatt (Thies)

Die Drehzahl des Schalensterns treibt eine Rasterscheibe an, die berührungsfrei optoelektronisch abgetastet wird und einen besonders leichten Anlauf bewirkt. Der Mess- wert wird in ein rechteckförmiges digitales Signal zur Dreh- zahl proportionaler Frequenz umsetzt und ausgegeben. Die Windfahnenstellung wird auf einen Zylinder oder Codescheibe mit einem schwarz-weiß Muster (Gray-Code) übertragen, der optoelektronisch abgetastet wird und damit einen besonders leichten Anlauf gewährleistet und ver- schleißfreie arbeitet. Die Windrichtung (0 bis 360 °) wird in ein 8-Bit Gray-Code (Thies speziell) umgewandelt und ausgegeben. Die 8 parallelen Signale stellen die Windrichtung mit einer Au ösung von 2,5° (144 Schritte pro Umdrehung) dar. Schritt 0 = 0 ° = Nord und entspricht dem Sektor 0 ° bis 2,5 °, Schritt 143 = 357,5 ° entspricht dem Sektor 357,5 °bis 0 °.

120 Abb. 12.14 Prinzip optoelektronische Windrichtungsabtastung Windgeschwindigkeitsgeber SK565 Die Windgeber SK565 der Fa. Thies sind speziell für Mes- sungen oberhalb von 600 m NHN ausgelegt. Das Gerät wurde vom DWD (IA München) für extreme klimatische Bedingungen entwickelt und konstruiert. Dazu sind die Anemometerschalen auf beiden Seiten vernietet, die Scha- lensternhalterung wird durch die konkave Seite der Schale hindurchgeführt.

Die Sensorik muss für solche Höhenlagen mit erweitertem Messbereich bis 80 m s –1 und einer wesentlich verstärkten Heizung an den Schalen, Konus und Schaft ausgelegt sein. Dadurch wird Vereisung an den wesentlichen Funktionstei- len vermieden. Die optoelektronische Abtastung der Um- Der Gray-Code (nach dem Physiker Frank GRAY bezeichnet) drehungsfrequenz erfolgt im Bereich von 0 bis 1200 Hz. ist ein einschrittiger Binär-Code, beim Wechsel von einem Wert zum nächsten ändert sich jeweils nur ein einziges Da- Abb. 12.16 Windgeschwindigkeitsgeber SK565 (Thies) tenbit gegenüber dem vorangegangenen bzw. dem nächs- ten Wert. Der Gray Code wird zur digitalen Bestimmung von Wegstrecken z. B. für die Windrichtung einer Windfahne eingesetzt. Der Code kann mit einer beliebigen Anzahl von Stellen aufgebaut werden, nur abhängig von der gewünsch- ten Au ösungsgenauigkeit.

Tab. 12.5 Spezi¯kationen Windrichtungsgeber (Thies) Messbereich 0 bis 360 ° Elektrischer Ausgang 0 bis 400 Ohm Genauigkeit ±1,5 ° Anlaufwert 0,5 m s –1 bei 90 ° Auösung 2,5 ° Dämpfungsgrad 0,2 bis 0,3 Temperaturbereich –35 bis +80 °C Tab. 12.6 Spezi¯kationen Windgeschwindigkeitsgeber SK565 (Thies) Spannungsversorgung 12 V DC, max. 1,5 W Messbereich 0,5 bis 80 m s –1 Heizung 24 V AC/DC, max. 20 W Genauigkeit < 15 m s –1 0,3 m s –1 –1 > 15 m s 2 % vom Messwert Der Ausgang wird als serielles oder als paralleles digitales Anlaufwert 0,4 m s –1 Signal zur Verfügung gestellt. 0,1 m s –1 bei 1 Hz Abtastrate Auösung 0,067 m Windweg Im Sensor ist eine Regelschaltung eingebaut, die dafür sorgt, dass die Ausgangssignale von Temperaturschwan- Elektrischer Ausgang 0 bis 1200 Hz kungen und Alterung der Bauteile unbeein usst bleiben. Umgebungstemperatur –40 bis +80 °C 12 V DC (9 bis 18 V) Betriebsspannung Abb. 12.15 Beispiel einer Windsensorenanlage auf einer Traverse (Thies) 60 mA unbelastet Heizung 42 V AC, 255 W

Das Gerät misst die horizontale Komponente der Windge- schwindigkeit und gibt den Messwert als digitales Signal aus.

Windrichtungsgeber SK566 Der Windrichtungsgeber der Fa. Thies wurde ebenfalls vom DWD (IA München) für extreme klimatische Bedingungen entwickelt und konstruiert. Hier werden Lager, Leitblech, Konus und Schaft mit einer besonders starken Heizung vor Vereisung geschützt.

121 Abb. 12.17 Windrichtungsgeber SK566 (Thies) Der Mittelwert der Windrichtung wird vektoriell errechnet, indem dieser in X- und Y-Komponenten unterteilt wird, da die Windrichtungswerte sich auf einen Kreis (0 bis 359 °) beziehen und der „Nordsprung“ (Sprung von 359 ° auf 0 ° und umgekehrt) berücksichtigt werden muss.

Die 1 s-Momentanwerte der Windrichtung werden von polaren Koordinaten (Vektoren mit einheitlicher Länge) in kartesische X- und Y-Koordinaten umgewandelt. Die gleitenden Mittelwer- te beider Koordinaten werden aus der Anzahl der errechneten Werte gebildet und wie beim gleitenden Mittelwert der Wind- geschwindigkeit berechnet. Danach werden die Werte in das Polarkoordinatensystem transformiert. Gleitende Extremwerte werden jede Sekunde für beide Windparameter errechnet. Ext- remwerte, die kleinsten und höchsten Momentanwerte inner- Tab. 12.7 Spezi¯kationen Windrichtungsgeber SK566 (Thies) halb einer Messperiode von 2 oder 10 min, werden ständig aus beiden Messperioden errechnet und können sofort nach Ände- Messbereich 0 bis 360 °, durchdrehend rung des Darstellungsmodus angezeigt werden. 3,6 ° für 8-bit Gray-Excess-3 Code Auösung 2,5 ° für 8-bit Gray-Code Wesentliche Bestandteile von Windmessanlagen sind: Anlaufwert 0,3 m s –1 bei 90 ° Auslenkung • Windmast, • Anschlusskasten, Dämpfungsgrad 0,34 • Sensorik für Windgeschwindigkeit und Windrichtung, Parallelschnittstelle • Registriergerät, Drucker, Datenlogger, PC-Systeme zur Elektrischer Ausgang 8 bit Gray-3 Code oder Datenauereitung und Datenverarbeitung, 8 bit Gray-Code • elektronische Anzeigesysteme und Umgebungstemperatur –40 bis +80 °C • Stromversorgungseinrichtungen. 12 V DC (9 bis 18 V) Betriebsspannung 300 mA unbelastet Kombinierte Windsensoren Kombinierte Messwertgeber der Fa. Lambrecht werden im Heizung 42 V AC, ca. 230 W SwissMetNet eingesetzt. Jeder Messwertgeber besitzt je ein Messelement für die Messung von Windgeschwindigkeit Wie in Tabelle 12.7 erkennbar, wird dieser Windrichtungs- und Windrichtung für Flachlandstationen. geber in zwei Ausführungen mit unterschiedlicher Au ö- sung eingesetzt. Abb. 12.19 Kombinierte Windsensoren (Lambrecht)

Pege und Kontrolle der Funktionstüchtigkeit Die Windsensorik kann nur durch die Mitarbeiter der SL- Einheiten gep egt und gewartet werden. Das Beobachter- personal an den Wetterwarten prüft durch Vergleich mit den Augenbeobachtungen und anderer Windmessgeräte die Richtigkeit der ausgegebenen Daten.

Windanzeige Das zu den Windsensoren gehörige Winddisplay von Thies errechnet die gleitenden Mittelwerte. Die der Windge- schwindigkeit werden aus der Anzahl der Sekundenwerte in einem Speicher gebildet. Der älteste Wert der gleitenden Summe wird subtrahiert und der neue Wert addiert, an- schließend durch die Anzahl der Werte dividiert. Bei der Messung der Windgeschwindigkeit gibt es zwei unter- Abb. 12.18 Winddisplay LED (Thies) schiedliche Ausführungen, die sich wie folgt unterscheiden: • Ein mit dem Schalenstern gekoppelter Präzisionsgleich- stromgenerator wandelt die Anzahl der Umdrehungen des Schalensterns in eine Gleichspannung um, die zu externen Geräten übertragen werden kann, • Mittels eines induktiven Näherungsschalters wird die Windgeschwindigkeit in Impulse umgewandelt, deren Frequenz proportional zur Windgeschwindigkeit ist.

122 Bei der Messung der Windrichtung werden zwei Variaten Abb. 12.20 Kombinierter Windsensor auf der „Gorch Fock“ (Lambrecht) unterschieden: • Der lineare 1000 Ω Widerstand eines Potenziometers entspricht 0 ° bis 358 ° Windrichtung. Das Potenziome- ter hat in Nordrichtung 2 bis 3 Blindwickelungen. • Die Windfahne ist mit einem Präzisionsringpotenzio- meter verbunden. Das Potenziometer ist ein endlos ge- wickelter, dreifach angezapfter Widerstand, wobei die drei Abgri¦e jeweils 120 ° auseinander liegen.

Der Messwertgeber ist mit einer elektrischen Schaftheizung ausgestattet und kann in einem weiten Temperaturbereich von –35 °C bis +70 °C betrieben werden. Die Windfahnen- und Schalensternachse sind koaxial gelagert und laufen unabhängig voneinander auf Kugellagern. Einsatzgebiete des Windsensors (Windgebers) sind neben Tab. 12.8 Spezi¯kationen Kombinierte Wind-Sensoren Professional dem Segelschulschi¦ „Gorch Fock“ u. a. Küstenüberwa- Line Serie (14512) chung, O¦shore-Windkraftanlagen, Bohrinseln, Bojen und aggressive Umweltbedingungen. Windrichtung Windgeschwindigkeit

Mess- Doppelblatt- 3-armiger Windschreiber n. Woele elemente Windfahne Schalenstern Dieser ursprünglich mechanisch arbeitende Windschreiber Messbereiche 0 bis 360 ° 0 bis 35 m s –1 n. Woel e wird u. a. von der Fa. Lambrecht und Fa. Fried- richs hergestellt. Er wird bei mobilen Messeinheiten des Genauigkeit ±1 % ±2 % FS DWD (siehe 19.5.4) bei horizontalen Pro¤lmessfahrten zur Auösung 0,1 ° 0,1 m s –1 Aufzeichnung von Windweg und Windrichtung eingesetzt. 1 m s –1 bezogen Es handelt sich um einen Bandschreiber mit Handaufzug des 1 m s –1 (I-Variante) Anlaufwerte auf eine Auslenkung Uhrwerks und Wachspapierregistrierung bis zu 31 Tagen. 0,2 m s –1 (II-Variante) von 90 ° Einsatz- Abb. 12.21 Windschreiber n. Woel¥e (Lambrecht) –35 bis +70 °C beheizt, 0 bis 60 m s –1 bereich

Windsensor für Windrichtung und -Geschwindigkeit Auf dem Segelschulschi¦ „Gorch Fock“ der Bundesmari- ne ist dieser Sensor der Fa. Lambrecht aus Vollmetall im Einsatz. Spritzwasserfallen gegen Schwallwasser und die elektrische Schaftheizung sorgen für optimale Einsatz- und Messbedingungen.

Tab. 12.9 Spezi¯kationen Kombinierter Windsensor 1455 (Lambrecht) 3-armiger Schalen- Keilwindfahne mit Messele- stern mit Präzisions- Präzisions-Ringpo- mente Gleichstrom-Mess- tenziometer generator Die Messelemente sind aus Leichtmetall, die Windfahne ist abnehmbar und das Stahlblechgehäuse verschließbar, der 1 bis 120 kn Messbereiche 0 bis 360 ° Schalenstern eloxiert. (60 m s –1)

Genauigkeit ±1 % ±2 % FS Abb. 12.22 Windschreiber n. Woel¥e, geönet (Lambrecht) Auösung 0,1 ° 0,1 m s –1 Anlaufwerte 0,6 m s –1 0,6 m s –1 Einsatzbe- –35 bis +70 °C beheizt, 0 bis 60 m s –1 reich Ausgang 5,2 mA bei 120 kn, Ra = 4255 Ω Versorgungs- Heizung 24 V DC / 35 W bimetallgesteuert spannung

123 Vorteil dieses Windschreibers ist, dass er keine Hilfsenergie Handanemometer VT 1204 und Schreibtinte benötigt und nahezu wartungsfrei über Im Notmessgeräte-Ko¦er des DWD (siehe 16.1) ist u. a. die- Monate hinweg arbeiten kann. Er ist daher ideal für den ses Handanemometer der Fa. SIAP, Bologna vorhanden. Es Ganzjahresbetrieb in vielen Klimazonen und in unwegsa- dient zur Bestimmung von Windrichtung und -Geschwin- men Gebieten einsetzbar. digkeit bei Ausfall der Windmessanlage.

Tab. 12.10 Spezi¯kationen Windschreiber n. Woel¥e (Lambrecht) Abb. 12.24 Handanemometer VT 1204 (Foto B. Henning) 0 bis 60 m s –1, 0 bis 10 km Windweg Messbereich 0 bis 360 ° Anlaufwert 0,5 m s –1 Auösung < 0,1 m s –1 Genauigkeit <15 m s –1 >15 0,3 m s –1 ±2 % vom Messwert m s –1 –35 bis +60 °C nicht vereisend Einsatzbereich 0 bis 60 m s –1

Eine neuere Version hat anstelle eines Uhrwerks einen elektrischen Vorschub des Papiers.

Schalenhandanemometer Anemometer dieser Art gibt es in verschiedenen Ausfüh- Die Windfahne ist mit einer rotierenden Gradeinteilung rungen. Sie sind in zwei Gruppen einzuteilen mechanisch fest verbunden. Sobald des Messgerät mit Hilfe • Handwindmesser mit direkter Anzeige der Windge- des Dekliometers im Oberteil des Handgri¦s eingenordet schwindigkeit ist, kann die Windrichtung an der am Gehäuse angebrach- • Handwindmesser zur Bestimmung des Windweges ten Ablesemarke auf der unteren rotierenden Skala mit einer 360 °-Gradeinteilung abgelesen werden. Bei direkt anzeigenden Geräten wird durch einen auf der Schalensternachse angebrachten permanenten Magneten Tab. 12.11 Spezi¯kationen des Handanemometers VT 1204 (SIAP) in einer darunter drehbar angeordneten Metalltrommel ein 0,5 bis 30 m s –1 Messbereich Wirbelstrom erzeugt, dessen Größe von der Rotationsge- 0 bis 360 ° schwindigkeit abhängt und der die Trommel gegen die Kraft ±0,5 m s –1 einer Spiralfeder verdreht. Ein an der Trommel angebrach- Messgenauigkeit ter Zeiger gibt auf einer Skala die Windgeschwindigkeit an. ±5 ° 0,5 m s –1 Nachweisgrenze Abb. 12.23 Handanemometer 0,5 m s –1

Durch den Schalenstern wird ein Magnetanker angetrieben, dessen Drehbewegung in einen Zylinder, der den Anker umgibt, Wirbelströme induzieren. Hierdurch wird der mit dem Zylinder fest verbundene Zeiger ausgelenkt und die Windgeschwindigkeit auf der oberen in Kn und m s –1 ein- geteilten Skala abgelesen. Eine Hilfsskala ermöglicht zu- sätzlich die Ablesung in km h –1. Bei der Messung muss das Messgerät ruhig und soweit wie möglich vom Körper entfernt gehalten werden. Windwegmesser arbeiten mit einem Schalenstern dessen Drehzahl der Windgeschwindigkeit nahezu proportional Zum Einnorden muss das Messgerät genau senkrecht ge- ist. Die Zahl der Umdrehungen wird auf ein mechanisches halten werden, damit sich die Nadel des Dekliometers frei Zählwerk mit mehreren Stufen (z. B. 1 m bis 100 m, 100 m bewegen kann. Sobald durch Drehung des Messgerätes die bis 1000 m, 1000 m bis 10000 m usw.) oder ein mehrstel- Mittellinie am Tubusfenster mit der Dekliometernadel in liges Zi¦ernzählwerk mit springenden Zahlen übertragen. Deckung kommt, ist das Messgerät auf magnetisch Nord Bei einzelnen Konstruktionen ist das Zählwerk arretier- ausgerichtet. bar. Manche Instrumente ermöglichen eine Nullstellung der Anzeige vor Beginn der Messung. Zur Bestimmung der Pege und Wartung Windgeschwindigkeit ist eine Stoppuhr nötig. Der ange- Das mechanisch emp¤ndliche Messgerät darf keinesfalls zeigte Windweg (m) dividiert durch die gemessene Zeit (s) einem Sturz, Erschütterungen oder Vibrationen ausgesetzt ergibt die Windgeschwindigkeit in m s –1. werden. Es bedarf weder einer Schmierung noch einer be-

124 sonderen Wartung, sondern allenfalls einer äußerlichen Nachteilig bei Propelleranemometer ist die Richtungsab- Reinigung. Das Ölen des Messgerätes verändert die Kalibra- hängigkeit, d. h. dass bei einem bestimmten Anströmwin- tion des Anemometers. kel Messfehler auftreten, die der Kosinusbeziehung folgen und korrigiert werden müssen. Obwohl die angebrachte Propelleranemometer Windfahne das Anemometer in Windrichtung ausrichtet, Ein Beispiel für ein Propelleranemometer ist der Windge- treten Fehler insbesondere bei geringem Anströmwinkel schwindigkeitssensor 05103 der Fa. Young, der beim baye- auf. So läuft das Anemometer nicht an, wenn die Anström- rischen Lawinenwarndienstes eingesetzt wird. Es handelt richtung <±2 ° beträgt. Bei 45 ° Anströmwinkel (durch Träg- sich dabei um einen Kombinationssensor, der als Aufsatz heit kurzfristig möglich) erreicht der Fehler etwa 15 %. auf einen Mast mit einem Durchmesser von nur 34 mm erfolgen kann. Flügelradanemometer Allgemein werden Rotationsanemometer zur Messung der Das 4-Blatt Propelleranemometer erzeugt mit den Propelle- mittleren und momentanen Windgeschwindigkeit verwen- rumdrehungen eine magnetisch induzierte Wechselspan- det. Mit dem abgebildeten Gerät wird die mittlere Windge- nung mit einer Frequenz, die direkt proportional zur Windge- schwindigkeit über einen Zeitraum von 100 s gemessen. schwindigkeit ist. Pro Umdrehung werden 3 Impulse erzeugt. Durch die große Anzahl der Flügelräder hat das Anemome- Die Windrichtung erzeugt eine Analogspannung von einem ter eine geringe Trägheit und eine Anlaufgeschwindigkeit, 10 kΩ-Potenziometer mit einer Linearität von 0,25 %. die kleiner als bei Schalensternanemometern ist.

Abb. 12.25 Propelleranemometer im Einsatz auf der Zugspitze (Young) Es gibt unterschiedliche Ausführungen. Abbildung 12.26 zeigt ein Flügelradanemometer mit Windweganzeige.

Abb. 12.26 Flügelradanemometer mit Windweganzeige

Der Windrichtungssensor ist eine robuste und leichtgewich- tige Windfahne mit einer großen Genauigkeit, selbst unter Flügelradanemometer werden insbesondere bei Windka- wechselnden Windverhältnissen. Die Windrichtung wird naluntersuchungen bei kleinen Windgeschwindigkeiten (bis über ein Potenziometer erfasst, das in einem abgedichteten etwa 1 m s –1) eingesetzt, da sie in diesem Bereich ihre Stärke Gehäuse installiert ist. Durch einen Ausrichtungsring kann besitzen. Sie werden als Hand-Anemometer u. a. in der Tech- der Wind-Monitor für Wartungsarbeiten demontiert werden nik für Durch ussmessungen, im Sport als Gegenwind- bzw. und ohne Verlust der Einnordung erneut installiert werden. Rückenwindmesser benutzt. Auch im operationellen Dienst der Wetterstationen ¤nden sie bisweilen Anwendung. Tab. 12.12 Spezi¯kationen Propelleranemometer 05103 (Young) Nachteilig ist die starke Richtungsabhängigkeit. Messelement/- Propeller prinzip 12.3.2 Ultraschallanemometer Messbereich 0 bis 100 m s –1 , 0 bis 360 °, ±0,3 m s –1 bzw. 1 % des Messwertes, Grundsätzlich wird zwischen 2- und 3-dimensionalen Ul- Genauigkeit ±3 ° traschallanemometern (USA) unterschieden. Während mit Anlaufgeschwindig- 1,0 m s –1, 1,1 m s –1 2D-USA für die Bestimmung von Windgeschwindigkeit und keit bei 10 ° Auslenkung -Richtung hauptsächlich in der meteorologischen Routine- messtechnik eingesetzt werden, kann mit 3D-USA zusätz- Einsatzbereich –50 bis +50 °C lich die Vertikalkomponente des Windes bestimmt werden Frequenz, Potenziometer oder und damit sind Turbulenzmessungen für spezielle Anwen- Ausgang als 4 bis 20 mA dungsbereiche möglich Versorgung 15 V DC Ultraschallanemometer 2D Stromaufnahme max. 2 mA Im DWD werden Ultraschall-Anemometer 2D der Fa. Thies Abmessungen Propeller ø 180 mm; Länge 550 mm verwendet, die nach und nach die herkömmlichen Wind- messsysteme aus Schalenstern und Windfahne an den Wet- Durch seine hohe zeitliche Au ösung von 5 Hz bis 10 Hz terstationen/Wetterwarten ersetzen sollen. Da sie robust eignet sich das Propelleranemometer auch zu Turbulenz- und p egeleicht sind, können sie auch auf Bergstationen messungen. anstelle von Schalensternanemometern zum Einsatz kommen, wenn sie die speziellen Voraussetzungen für die ext-

125 remen klimatischen Bedingungen, insbesondere die hohen Von über 35 verschiedenen Messwerten, die digital und/ Windgeschwindigkeiten erfüllen. oder analog ausgegeben werden, sind u. a. verfügbar: • Windrichtung Das 2D-Ultraschallanemometer der Fa. Thies dient der 2-di- • skalare Windgeschwindigkeit mensionalen Erfassung der horizontalen Komponenten der • akustische virtuelle Temperatur Windgeschwindigkeit, der Windrichtung sowie der akusti- • Standardabweichung von u. a. Werten schen (virtuellen) Temperatur. Es besteht aus 4 Ultraschall- • Windrichtung und -geschwindigkeit der Böe nach wandlern, von denen sich jeweils 2 im Abstand von 200 mm WMO gegenüberstehen. Die dadurch entstehenden Messstrecken stehen senkrecht zueinander. Die Wandler fungieren so- Die rote Markierung an einem Arm (Abb. 12.27) dient zur wohl als Schallsender wie auch als Schallemp»nger. Nordausrichtung. Ein Dorn und eine Schutzkappe dienen zum Schutz des Ultraschallwandlers gegen das Niederlas- Tab. 12.13 Spezi¯kationen Ultraschallanemometer 2D (Thies) sen größerer Vögel. Sie werden bei Bedarf auf den Armträger des Ultrasonic-Anemometers in das vorhandene Gewinde Messbereich 0 bis 75 m s –1, 0 bis 360 ° geschraubt. Im DWD wird der Dorn nicht eingesetzt. Die Auösung 0,1 m s –1, 1 ° Sensorarme werden im Bedarfsfall bei kritischen Umge- Genauigkeit ±0,1 m s –1, ±1 ° bungstemperaturen automatisch beheizt. Die Möglichkeit einer Funktionsstörung durch Vereisung wird hierdurch Virtuelle Temperatur, –50 bis +70 °C minimiert. Auösung 0,1 K Genauigkeit ±0,5 K Pege und Kontrolle der Funktionstüchtigkeit Versorgungs- 8 bis 42 V DC oder Durch Niederschläge reinigen sich die Sensorarme selbst. Bei spannung 12 bis 48 V AC, 2,5 W längeren Trockenperioden kann es zu verkrusteten Schmutz- ansatz kommen, der entfernt werden muss. Diese Arbeiten Die benutzte Schallfrequenz beträgt 40 kHz. Mindestens können nur von den SL-Einheiten durchgeführt werden. Das 100 Schallimpulse pro s werden jeweils zwischen den bei- Personal an den Wetterwarten kann die Funktionstüchtig- den Kristallen hin- und her gesendet und dabei die Laufzeit keit der Heizung durch Augenbeobachtung überprüfen und des Schalls sowohl in der Hin- als auch in der Rückrichtung regelmäßig die ausgegebenen Daten kritisch prüfen. gemessen. Aus der Di¦erenz der beiden Laufzeiten kann die Windkomponente entlang der Messlinie mit hoher zeitli- Ultraschallanemometer 3D cher Au ösung von bis zu 100 Hz bestimmt werden. Dieser Windsensor der Fa. Gill Instruments LTD., UK wird bei Pro¤lmessfahrten der mobilen Messeinheiten des DWD Abb. 12.27 Ultrasonic Anemometer 2D (Thies) (siehe 19.5.5) eingesetzt. Es handelt sich um ein Dreiachsen (3D-)-Ultraschallanemometer.

Abb. 12.28 Ultraschallanemometer 3D (Gill Instruments LTD.)

Über die Steuerungselektronik werden die jeweilige Mess- strecke und deren Messrichtung angewählt. Startet die Mes- sung, läuft eine Sequenz von 4 Einzelmessungen in alle 4 Richtungen der Messstrecken mit maximal möglicher Ge- schwindigkeit ab. Die Messrichtungen (Schallausbreitungs- richtungen) verlaufen im Uhrzeigersinn rotierend, zuerst von Süd nach Nord, dann von West nach Ost, von Nord nach Süd und anschließend von Ost nach West. Aus den 4 Einzel- messungen werden gleitende Mittelwerte mit einstellbarem Zeitfenster gebildet, die für weitere Berechnungen verwendet werden. Bei maximaler Messgeschwindigkeit werden für einen Messvorgang ca. 2,5 ms bei +20 °C benötigt.

126 Tab. 12.14 Spezi¯kationen USA 3D (Gill Instruments LTD.) Die Messstrecken bilden gegenüber der Vertikalen jeweils einen Winkel von 45 °, gegeneinander sind sie um einen Messbereich 0 bis 65 m s –1 Windgeschwindigkeit Winkel von jeweils 120 ° in der Horizontalen versetzt. Die 0 bis 359 ° (kein toter Bereich) Windrichtung Anordnung der schrägen Messstrecken in omni-direktio- naler Bauform, macht dieses Ultraschallanemometer unab- Windrichtung, 0 bis 359 °, 0,1 ° hängig von der Anströmrichtung. Auösung Schallgeschwindig- Tab. 12.15 Spezi¯kationen Ultraschallanemometer USA-1 (METEK GmbH) 300 bis 370 m s –1, 0,01 m s –1 keit, Auösung Windgeschwindigkeit 0 bis 60 m s –1 Schalltemperatur, –40 bis +70 °C, 0,01 °C Messbereich Windrichtung 0 bis 360 ° Auösung Windkomponenten –50 bis 50 m s –1 u, v, w-Vektoren, Polarkoord., Ausgabe Messrate einstellbar 0,01 bis 50 Hz Schalltemperatur, -geschwindigkeit Mittelungsintervall einstellbar 1 bis 65535 Messungen Einsatzbedingungen –40 bis +70 °C, <5 bis 100 % Windgeschwindigkeit ± 0,01 m s –1 Datenausgabe 4 pro s Windrichtung ±0,4 ° Messauösung –1 9 bis 30 V DC, 250 mA max u, v, w-Komponenten ±0,01 m s Versorgung mit Heizung Temperatur ± 0,01 K bis 1 m s –1 ±10 °, ±10 cm s –1

bis 4 m s –1 ±3 °, ±15 cm s –1 Ultraschallanemometer USA-1 Genauigkeit bis 10 m s –1 ±2 °, ±30 cm s –1 Der Windmesser USA-1 der Fa. METEK GmbH, Elmshorn er- zwischen 20 bis 50 m s –1 ±2 ° bzw. ±2 % mittelt die drei orthogonalen Windkomponenten u, v und w (den sog. 3-dimensionalen Windvektor) und die Tempera- Einsatzbedingungen –40 bis +60 °C, 0 bis 60 m s –1 tur anhand der Laufzeiten von Ultraschallimpulsen. Da die Versorgungs- 9 bis 36 V DC, 2,5 W Temperatur direkt aus der Schallgeschwindigkeit berechnet spannung 24 V DC, max. 55 W mit Heizung wird, entspricht sie eher der meteorologisch verwendeten virtuellen Temperatur. Alternativ zu den horizontalen Die Elektronik ist in einem Gehäuse direkt am Sensorkopf Windkomponenten können Windgeschwindigkeit und oder in einem getrennten Gehäuse untergebracht. Der Mess- Windrichtung berechnet und ausgegeben werden. geber kann anhand der erfassten Daten verschiedene Berech- nungen wie Durchschnitt, Richtungso¦set, Formatierung etc. Abb. 12.29 USA-1 (METEK GmbH) durchführen, bevor er sie übermittelt. Aufgrund der hohen zeitlichen Au ösung von 10 Hz bis 20 Hz werden nicht nur die Mittelwerte, sondern auch die kurzzeitigen Schwankungen erfasst, aus denen dann Turbulenzgrößen abgeleitet werden. Dabei muss beachtet werden, dass die Einschränkung für die

Verwendung der mittleren Temperatur (t zu tav) für die Turbu- lenzgrößen nicht gilt, da hier nur die Abweichung vom Mit- telwert verwendet wird. Ungenauigkeiten durch mechanische Belastung des Sensorkopfes, wie sie von Schalenkreuzanemo- metern und Windfahnen bekannt sind, treten nicht auf. Au- ßerdem kann das System auch unter Vereisungsbedingungen betrieben werden, da alle Sensorkopfteile beheizbar sind.

Das USA-1 ist mit über 20 Exemplaren für Forschungszwecke im DWD im Einsatz (u. a. am MOHP, MOL auf einem 100 m- Masten, an mobilen Messeinheiten des DWD und Potsdam) und auf Bergstationen des SwissMetNet installiert. Auch in der Agrarmeteorologie des DWD (siehe 15.) werden zwei 3D- USA der Fa. METEK GmbH (Abb. 15.14) verwendet.

Das USA-1 besteht aus dem Sensorkopf mit 6 Ultraschall- Dieser Windmesser wurde aufgrund der guten Resultate bei wandlern, die durch die Geometrie des Sensorkopfes so an- der 2006 durchgeführten internationalen Vergleichskam- geordnet sind, dass sich jeweils zwei von ihnen in einem pagne gewählt. Abstand von ca. 175 mm gegenüberstehen. Jeder Schall- wandler wird abwechselnd als Sender und Emp»nger ver- Windcap® Ultrasonic WS425 wendet, so dass drei Messstrecken und damit sechs Lauf- Der Windcap® Ultrasonic WS425 der Fa. Vaisala ist Bestand- zeiten entstehen. Der eine Messkopf sendet während 5 ms teil der automatischen Wetterbeobachtungsstation MIDAS Ultraschall-Impulse mit einer Frequenz von 35 kHz aus, der IV AWOS (siehe 18.4) der gleichen Firma. Die Funktionen andere emp»ngt diese. Die Zeit, die das Signal vom Sender dieses Sensors beinhalten die Geschwindigkeits- und Rich- zum Emp»nger benötigt (ca. 0,5 m s –1) wird gemessen. tungsmessung und die Übertragung der Messwerte.

127 Abb. 12.30 Ultrasonic Windcap® WS425 (Vaisala) Turbulenzmessung mit Ultraschallanemometern In vielen Bereichen der Umweltmeteorologie benötigt man In- formationen über die turbulenten Schwankungen meteorologischer Größen (z. B. Ausbreitung und Verdünnung von Schadsto¦- wolken, Belastung von Bauwerken durch Windschwankungen). Die Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN veröf- fentlichte im Oktober 2008 eine neue Richtlinie, die grundlegenden Prinzipien der Messtechnik von Ultraschallanemometern beschreibt. Sie ¤ndet Anwendung bei der Messung des Wind- vektors mit hoher zeitlicher Au ösung und bei der Bestimmung von turbulenten Flüssen (Abschätzung der Ausbreitungssituati- on, Überwachung von Anlagen, agrar-, forst- und allgemeinen mikrometeorologischen Fragestellungen usw.).

Die hohe Messgenauigkeit der Windrichtung ohne tote Zur ihrer Messung eignet sich besonders das Ultraschallane- Winkel und Anzeigefehler resultiert aus der patentierten mometer. Es ist einerseits so robust, dass es für operationell horizontalen Anordnung der Messwertwandler als gleich- betriebene Messstationen eingesetzt werden kann und be- seitiges Dreieck (Abb. 12.31) und damit die jeweils 60 ° ver- sitzt andererseits ein für Turbulenzmessungen ausreichen- setzten Schallpfade in gleichen Abständen. des räumliches und zeitliches Auflösungsvermögen [45].

Tab. 12.16 Spezi¯kationen Windcap® Ultrasonic WS425 (Vaisala) Messsysteme zur Bestimmung der turbulenten Flüsse von Impuls sowie fühlbarer und latenter Wärme (Was- Messbereich 0 bis 65 m s –1, 0 bis 360 ° serdampf) nach der Eddy-Kovarianz-Methode Anlaufwert praktisch 0 Die am MOL im Einsatz be¤ndlichen Turbulenz-Messkom- Ansprechzeit praktisch 0 plexe bestehen aus je einem Ultraschall-Anemometer-Ther- mometer USA-1 und einem Infrarot-Hygrometer LI7500. Auösung 0,1 m s –1, 1 ° Mit diesen Sensoren werden die Fluktuationen der Kom- ±0,135 m s –1, ±2 ° oder Genauigkeit ponenten des Windvektors (u, v, w), der Temperatur (T) und 3 % vom Messwert der absoluten Feuchte der Luft (a) mit einer Abtastrate von –40 bis +50 °C ohne Heizung 10 Hz bis 20 Hz gemessen und hieraus durch Bildung der Einsatzbedingungen –55 bis +55 °C mit Heizung Korrelationsprodukte < w u >, < w v >, < w T > und < w a > die turbulenten Flüsse von Impuls sowie fühlbarer und latenter 10 bis 15 V DC, 12 mA typisch Versorgung Wärme ermittelt. Mehrere dieser Turbulenzmesskomple- (analog) 36 VDC ±10 %, 0,7 A xe sind in die Datenerfassung der mikrometeorologischen Messstationen des Energiebilanz-Messnetzes integriert. Diese Anordnung ermöglicht bi-direktionale Messungen Hier erfolgt eine Vorverarbeitung der Daten unmittelbar in entlang der Schallpfade A, B und C (Abb.12.31) zur Bestim- der Steuereinheit des USA-1, so dass keine Rohdaten auf- mung der Windgeschwindigkeitskomponenten parallel zu gezeichnet werden. Auf dem GM Falkenberg des DWD wird den Pfaden. Dadurch werden unerwünschte Nebene¦ekte, je ein Turbulenzmesssystem an der Westkante bzw. am die durch Aufstellungshöhe, Temperatur und Luftfeuchte Ostrand des Messfeldes betrieben, so dass unabhängig von verursacht werden eliminiert. der Windrichtung jeweils eine Messung die Gras äche des Messfeldes repräsentiert [DWD MOL]. Die Ausrichtung des WS425 erfolgt entlang der Arme des Sensors. Einer der drei Arme ist mit einem “N” gekenn- Im Rahmen von Messkampagnen wurden in den Jahren 1998, zeichnet, wobei dieser nicht direkt nach Norden zeigt. Die 2000, 2002 und 2003 zeitlich befristet Messungen turbulen- Laufzeit der Schallwellen wird jeweils in beide Richtungen ter Flüsse am 99 m-Mast auf dem GM Falkenberg durchge- pro Sensorpaar gemessen. führt. Die Instrumentierung des Mastes für kontinuierliche Messungen zur Erfassung der Turbulenzstruktur in der unte- Abb. 12.31 Anordnung der Schallköpfe als gleichseitiges Dreieck (Vaisala) ren atmosphärischen Grenzschicht ist vorgesehen.

12.3.3 Thermische Anemometer

Beim sog. Hitzdrahtanemometer kommt das thermische Messprinzip zur Anwendung. Zwei Widerstandsdrähte (Platindraht) mit einem Durchmesser von nur 10 μm bis 20 μm werden mittels eines elektrischen Stroms auf eine konstante Temperatur aufgeheizt und die benötigte Heiz- leistung wird gemessen. Der an den Drähten vorbei strei- chende Wind führt Wärme ab und bewirkt eine Abkühlung. Die hierbei auftretende Widerstandsänderung ist proportional der Windgeschwindigkeit.

128 Hitzdrahtanemometer werden zur Messung sehr kleiner In den vom Hakenrohr aufgenommenen Teilstrom können Windgeschwindigkeiten verwendet. An einigen Hitzdrahta- wahlweise 4 Düsen mit unterschiedlicher Bohrung einge- nemometern kann zwischen zwei Messbereichen gewählt schaltet werden. Je nach Düsenö¦nung wird die in die Mess- werden, z. B. ein Messbereich von 0,05 m s –1 bis 1,5 m s –1 und kammer gelangende Strömung mehr oder weniger gedrosselt von 2,0 m s –1 bis 3,0 m s –1. Die Stromversorgung kann durch und so kann auf diese Weise die Emp¤ndlichkeit und damit eine Batterie von nur 1,5 V erfolgen. der Messbereich in 4 Stufen zwischen 0,7 m s –2 bis 50 m s –2 ver- ändert werden. Die Genauigkeit beträgt ±2 % vom Skalenwert. 12.3.4 Aerodynamische Anemometer Abweichungen zwischen Strömungsrichtung und Längs- Prandtl-Staurohr achse des Staukopfes gehen in das Messergebnis nicht ein, Das gebräuchlichste Gerät zur Messung der Windgeschwin- wenn sie kleiner als ±15 ° sind. digkeit, welches nach dem aerodynamischen Prinzip arbeitet, ist das Prandtlsche Staurohr, eine Kombination aus Pitotrohr 12.3.5 DWD-Normal für Windgeschwindigkeitenssensoren und Drucksonde. Es besteht aus zwei ineinander geschobenen Rohren. Das innere Rohr ist vorne o¦en (Staudüse) und gegen Im DWD wird für die Kalibrierung von Windgeschwindig- das äußere abgeschlossen, welches vorne in einer Halbkugel keitssensoren die Laser-Doppler-Anemometrie angewandt. endet, bis zu deren Ober äche das o¦ene, innere Rohr reicht. Ein Laser-Doppler-Anemometer (LDA) ist ein Instrument Etwas hinter der Staudüse hat das äußere Rohr einen ringför- zur uiddynamischen Untersuchungen in Gasen und Flüs- migen Schlitz (Ringdüse). Sowohl der Druck an der Staudüse sigkeiten. Es ist eine optische Technik, die gleichzeitig In- p0 als auch der an der Ringdüse p1 werden durch Schlauchlei- formationen über 1D-, 2D-und 3D-Punkt-Messungen von tungen zu einem Mikromanometer geleitet. Wirkt nun p0 auf Geschwindigkeit und Turbulenzverteilung mit hoher räum- der einen Seite der Flüssigkeit und p1 auf der anderen Seite des licher und zeitlicher Au ösung ermöglicht. Manometers, so wird die Flüssigkeit in dem Schenkel mit dem niedrigeren Druck solange steigen, bis der durch den Niveau- Die Grundkon¤guration des LDA der Fa. Dantec Dynamics unterschied der Flüssigkeit bewirkte Druckunterschied gleich A/S besteht aus: dem Staudruck nach (12.4) ist. • Dauerstrichlaser • Sendeoptik, darunter einen Strahlteiler und eine fokus- Der Fahrtmesser in Flugzeugen basiert auf dem Staudruckprin- sierende Linse zip. Er gibt den dynamischen Druck und nicht die Geschwin- • Empfangsoptik, bestehend aus einer fokussierenden digkeit an. Die angezeigte Geschwindigkeit (IAS) stimmt mit Linse, einem Filter und einem Photodetektor der wahren Geschwindigkeit (TAS) nur dann überein, wenn die • Signalgeber und Signalprozessor. gleichen atmosphärischen Verhältnisse (p, t, ␳) herrschen, wie sie bei der Kalibrierung vorausgesetzt worden sind. Wenn die Eine Bragg-Zelle wird oft als Strahlteiler verwendet. Es han- Luftdichte ␳ z. B. wegen großer Flughöhe kleiner wird, wird bei delt sich dabei um ein Glaskristall, an dem ein schwingen- gleicher v der Staudruck Δp kleiner und der Fahrtmesser zeigt des Piezokristall befestigt ist. Die Schwingungen erzeugen eine zu geringe Geschwindigkeit an. akustische Wellen, die wie ein optisches Gitter wirken. Der Ausgang der Bragg-Zelle besteht aus zwei Teilstrahlen glei- Strömungssonde cher Intensität mit unterschiedlichen Frequenzen. Die Strömungssonde ist ein dem Prantl-Staurohr nachgebilde- tes Hakenrohr. Gegenüber Staurohren weist es aber den Vorteil Die Sonde ist in der Regel nur ein paar Millimeter lang. Die auf, dass es die Momentanwerte der Strömungsgeschwindigkeit Lichtintensität ist durch Interferenzen zwischen den Laser- direkt und ohne weiteres Zusatzgerät anzeigt. Bei der Messung strahlen moduliert. Dies führt zu parallelen Ebenen hoher wird durch die in der Spitze es doppelwandigen Hakenrohres Lichtintensität. Der Streifenabstand ist durch die Wellenlänge be¤ndliche Bohrung eine Teilströmung aufgenommen, die des Laserlichts und der Winkel zwischen den Strahlen de¤niert. nach Passieren des Innenrohres in die Messkammer gelangt. Jeder Teilchendurchgang streut das Licht proportional zur lo- Von dort wird sie anschließend durch die äußere Hakenö¦nung kalen Lichtintensität. Das gestreute Licht enthält eine Doppler- zurückgeführt und tritt dann an den seitlichen Ö¦nungen der Verschiebung, die proportional zur Geschwindigkeit ist. Sondenspitze (auf die der statische Druck wirkt) wieder aus. Das gestreute Licht wird von einer Emp»ngerlinse gesammelt Abb. 12.32 Strömungssonde (Lambrecht) und auf einen Photodetektor konzentriert. Ein eingebauter Filter führt nur die benötigte Wellenlänge zum Photodetektor, um so das Rauschen aus der Umgebungsluft zu beseitigen.

Vorteile dieser Messtechnik sind • keine Kalibrierung erforderlich, • Geschwindigkeitsbereich von 0 bis Überschall, • Messabstand von Zentimetern bis Metern, • hohe räumliche und zeitliche Auflösung. Entsprechend dem Stauklappenprinzip ist die Anzeige ab- hängig von der jeweiligen Luftdichte, die mit einer dem Ge- rät beigefügten Tabelle berücksichtigt werden muss.

129 12.4 Messunsicherheiten und Fehlerquellen Auf allgemeine Fehlerquellen der Windmessung, die durch Hindernisse auftreten können, wird unter 19.4.2 „Aufstel- Rotationsanemometern lung der Sensoren“ eingegangen. Auf Fehlerquellen bei Schalenstern- und Propelleranemome- tern wurde bereits bei der Erklärung der Messprinzipien eingegangen. Auf eine weitere Fehlerquelle, die durch gleichzeiti- . MESSUNG DER SICHTWEITE gen Niederschlag auftreten kann, hat Dentler [8] hingewiesen. Neben den aerodynamischen Drehmomenten kommen noch 13.1 Allgemeines die niederschlagserzeugenden Momente hinzu. Der Nieder- schlagsein uss lässt sich durch Aufnahme weiterer, durch die Die in der Luft fast immer vorhandenen kleinsten Teil- Impulsübertragung von den Regentropfen verursachten Dreh- chen in üssigem oder festem Zustand, deren Gehalt stark momente darstellen. Das entsprechende Drehmoment setzt schwankt, sind die Ursache für eine verschieden starke sich aus zwei Anteilen zusammen. Aus einem Drehmoment, Trübung der Luft und damit unterschiedlicher Sichtver- das durch elastische Stöße auf die äußere Ober äche der Scha- hältnisse. Sie zu messen ist ein wichtiges Problem in vielen len und einem Drehmoment, das durch inelastische Stöße auf Bereichen. In der Flugwetterberatung geht es um schlech- die innere Ober äche der Schalen vom System aufgenommen te Sichten bei Nebel als der stärksten Beeinträchtigungen werden. Um das gesamte, von Regentropfen erzeugte Dreh- des ständig wachsenden Luftverkehrs, der in hohem Maße moment zu berechnen, ist über alle vorkommenden Tropfen- von der atmosphärischen Sichtweite abhängig ist. Auch im durchmesser zu summieren. Weiter ist zu berücksichtigen, Straßen- und Schi¦sverkehr spielt die Sichtweite eine große dass sowohl die Fallgeschwindigkeit als auch der Auftre¦- Rolle. Durch den zunehmenden Verkehr und den höheren winkel, der wiederum windgeschwindigkeitsabhängig ist, das Geschwindigkeiten ist die Reaktionszeit immer kürzer ge- gesamte niederschlagserzeugende Drehmoment beein ussen worden, was sich besonders bei Nebel negativ auswirken und die Behandlung des Problems erschweren. Unter Berück- kann. Nicht umsonst wurden an bestimmten Streckenab- sichtigung des Re exionsgesetzes an Kugelober ächen ist schnitten der Autobahnen Sichtmessgeräte installiert, die auch noch die Zahl der Tropfentre¦er pro Zeiteinheit schwie- mit automatischen Warnanlagen gekoppelt sind. rig abzuschätzen. In Verbindung mit den Annahmen über die Impulsübertragung und die Tropfenspektren kann eine Maxi- Neben diesen Bereichen ist die Sichtweite auch ein Hilfs- malabschätzung des Niederschlagsfehlers erfolgen. mittel in der Analyse- und Vorhersagearbeit, da die Sicht- weite eine von mehreren Luftmassenmerkmalen darstellt. Ultraschallanemometer Auf Fehler durch Störungen des Strömungs usses wurde 13.1.1 Messgrößen der Sichtweite unter 12.2.3 bereits hingewiesen. Bei hohen Windgeschwin- digkeiten verringert sich das Verhältnis der gemessenen zur Es gibt verschiedene Sichtangaben (Abb. 13.1), die nach dem realen Windgeschwindigkeit am USA, abhängig vom An- jeweiligen Verwendungszweck angegeben werden. Folgen- strömwinkel. Dieser E¦ekt tritt durch Abschattungse¦ek- de Sichtweitenbegri¦e sind allgemein in Gebrauch: te und Turbulenzbildung auf. Die verwendete, gemessene • Meteorologische Sichtweite Querwindkomponente eines USA mit 90 ° versetzten Mess- (MOR – meteorological optical range) strecken ist besonders bei senkrechtem Anströmwinkel • Normsichtweite zu niedrig, was auch eine zu niedrige akustische virtuelle • Feuersicht Temperatur tav zur Folge hat. Abhilfe kann durch Verwen- • Landebahnsichtweite dung eines Korrekturfaktors erzielt werden, der abhängig (Pistensichtweite RVR – runway visual range) von der Windgeschwindigkeit und dem Anströmwinkel ist. • Schrägsicht (slant visibility) • Flugsicht (flight visibility) Hitzdrahtanemometern • Vertikalsicht (vertical visibility) Fehlerquellen sind • auftretender Niederschlag kann zur Verdunstungsab- Abb. 13.1 Sichtbegrie kühlung an den Heizdrähten führen, • die sehr dünnen Drähte sind leicht zu beschädigen.

Vergleich der Messgenauigkeit von Windmessgeräten

Tab. 12.17 Vergleich von Messgenauigkeiten der Windsysteme Mess- Messbereich genauigkeit Rotationsanemometer 0 bis 30 m s –1 0,1 m s –1 Thermische Anemometer 0 bis 20 m s –1 0,01 m s –1 Ultraschallanemometer 0 bis 60 m s –1 <0,01 m s –1 Windfahnen 0 bis 360 ° 1 bis 10 °

130 Die letzten vier Sichtbegri¦e sind im Allgemeinen nur für Hindernisse in der unmittelbaren Umgebung). Nur ein Teil die Luftfahrt von Bedeutung. des von einem beleuchteten oder selbst leuchtenden Gegen- stand ausgehenden Licht gelangt direkt zum Beobachter oder Es folgt zunächst eine kurze Darstellung der Sichtbegri¦e, wo- zum Messgerät. Das restliche Licht wird durch Trübungspar- bei im weiteren Verlauf nur noch diejenigen behandelt wer- tikel teilweise absorbiert, re ektiert oder gestreut. Den hier- den, die im Zusammenhang mit einem Messgerät stehen. durch eintretenden Lichtverlust längs des Ausbreitungswe- ges bezeichnet man als Schwächung (Extinktion). Allgemeines Die verschiedenen Sichtbegri¦e können je nach Sehrichtung Für die Sicht am Tage ist es wichtig, dass ein Teil des re ek- in Horizontal-, Schräg- und Vertikalsicht unterteilt werden, tierten oder gestreuten Lichtes aus einer anderen Richtung je nach Tageszeit wird noch zwischen der Sichtweite am Tag als der ursprünglichen zum Auge des Beobachters gelangt, und der Feuersichtweite bei Nacht unterschieden. so auch aus der Richtung eines (dunklen) Sichtzieles. Die Folge ist, dass der helle Hintergrund dunkler, das dunkle Nach den geltenden Theorien kann ein unbeleuchtetes Sichtziel heller wirkt. Aus diesem Grunde nähert sich für Sichtziel wahrgenommen bzw. erkannt werden, wenn das Auge bei Sichtverschlechterung die Helligkeit eines • am Tag der Kontrast zu seiner Umgebung größer ist als entfernten Sichtzieles immer mehr der des Hintergrundes, der Schwellenwert, von dem ab das Auge den Kontrast um schließlich mit dieser übereinzustimmen, während die wahrnehmen kann, allgemeine Verdunkelung aufgrund der Anpassungs»hig- • bei Dunkelheit die erzeugte Beleuchtungsstärke größer keit des Auges nicht bewusst wahrgenommen wird. ist als der Schwellenwert, von dem ab das Auge die Be- leuchtungsstärke wahrnehmen kann. Für die Messung der meteorologischen Sichtweite (VM) mit der internationale Bezeichnung „Meteorological Optical „Geeignete Sichtziele genügender Größe“ sind schwar- Range“ – MOR gilt folgende De¤nition: ze oder dunkelfarbige Gegenstände (z. B. Baumgruppen, Gebäude) vor hellem Hintergrund. Wichtig für geeignete Die meteorologische Sichtweite ist diejenige hori- Sichtziele ist also guter Kontrast gegenüber der Umgebung. zontale Entfernung von einem geeigneten Sichtziel, „Ausreichende Helligkeit“ bedeutet, dass das Tageslicht so in welcher bei horizontal homogen beleuchteter und hell ist, dass z. B. in Wohnräumen die Beleuchtung nicht getrübter Atmosphäre der Kontrastschwellenwert zur eingeschaltet werden muss. Weiterhin sollen die Sichtzie- Umgebung des Sichtzieles den Wert ␧ = 0,05 annimmt. le eine geeignete Größe besitzen, damit sie auch auf große Entfernungen erkannt werden können. Die scheinbare Grö- Bei diesem Kontrastschwellenwert kann ein geübter, nor- ße der Sichtziele soll einem Sehwinkel zwischen 0,5 ° bis malsichtiger Beobachter ein geeignetes Sichtziel seiner 5 ° entsprechen, da kleinere Objekte bei sonst gleichen Be- Form und Art nach gerade noch erkennen (das ist mehr als dingungen vom Auge schlechter wahrgenommen werden, nur wahrnehmen!). Ein ␧ = 0,05 bedeutet, dass das Sichtziel d. h. sie verschwinden bei Sichtverschlechterung früher als nur 95 % der Helligkeit des Hintergrundes hat, es ist also größere trotz gleicher Entfernung. dunkler. Dieser Zahlenwert in (13.1) eingesetzt ergibt folgenden Zusammenhang: Für die Sicht am Tage gilt nach KOSCHMIEDER bei Vorlie- gen der Voraussetzung „geeignetes Sichtziel genügender (13.2) Größe“ und „ausreichende Helligkeit“ folgender Zusam- menhang mit dem Extinktionskoe¾zienten als Maß für die Die meteorologische Sichtweite VM kann nach (13.2) also aus Schwächung der Sonnenstrahlung infolge Absorption und dem Extinktionskoe¾zienten ␴ der Luft für sichtbare Strah- Streuung in der Atmosphäre: lung berechnet werden, wobei ␴ mit einem Transmissome- ter, Vorwärtsstreulichtmesser oder Rückwärtsstreulichtmes- (13.1) ser bestimmt werden kann. Die meteorologische Sichtweite ist somit ihrer De¤nition nach eine aus dem Extinktionsko- mit V = Sichtweite am Tag (km) e¾zienten berechnete Größe. Das Trübungsmaß der Atmo- ␧ = Kontrastschwellenwert (relative Leuchtdich- sphäre ist unabhängig von der Beleuchtungsstärke. tedi¦erenz) ␴ = Extinktionskoe¾zient der Atmosphäre für Im DWD wird die meteorologische Sichtweite (MOR) an Wet- sichtbare Strahlung (m –1) terstationen und Flugwetterwarten ermittelt. Alle Geräte dort sind auf den Kontrastschwellenwert ␧ = 0,05 eingestellt. Meteorologische Sicht Als meteorologische Sichtweite bezeichnet man die größte Normsichtweite horizontale Entfernung, in der tagsüber entfernte dunkle Ein weiterer Sichtbegri¦ ist die Normsicht VN. Sie ist de¤- Gegenstände ausreichender vertikaler Erstreckung vor hel- niert als die horizontale Entfernung über die die Transmis- lem Hintergrund in ihren Umrissen gerade noch klar gese- sion 5 % beträgt und ist damit eine objektive Sichtangabe, hen und erkannt werden können. Bei Nacht soll eine unge- die ausschließlich von der Trübung der Atmosphäre (Trans- richtete Lichtquelle (Fackel, Lampe) noch erkannt werden. mission) abhängt. Grundlegende Voraussetzung für eine regelgerechte Sicht- weitenfeststellung ist die freie Rundumsicht (keine großen

131 Sie wird im GeoInfoDBw verwendet und entspricht der MOR. Landebahnsicht RVR Bei Nacht entspricht sie unge»hr der Sicht, die ein Wetterbe- Die Landebahnsichtweite RVR (runway visual range) ist eine obachter bei ausreichender Beleuchtung hätte. Deshalb wird wichtige Größe auf Flugplätzen. Nach der De¤nition der ICAO sie als Sichtgröße im Beratungsverfahren für Hubschrauber- ist die Landebahnsichtweite, gelegentlich auch als „Pisten- NachttieÇüge mit Sehhilfen (BIV-Brillen) verwendet. sichtweite“ bezeichnet, die berechnete größte horizontale Ent- fernung aus Messwerten der MOR, der Lichtstärke der Lande- Feuersicht bahnbefeuerung und der Umfeldleuchtdichte, in der ein Pilot Im Gegensatz zur meteorologischen Sichtweite und Norm- von der Mitte der Landebahn, aus einer mittleren Cockpithöhe sichtweite ist die Feuersichtweite die größte horizontale Ent- von 5 m die Landebahnbefeuerung erkennen kann. fernung, in der ein Beobachter bei Nacht nach Anpassung der Augen an die Dunkelheit normale weiße, ungerichtete Lampen Die Landebahnbefeuerung kann im Allgemeinen in verschiede- (Rundstrahler) gerade noch erkennen kann. Es ist zu beachten, nen Intensitätsstufen geschaltet werden, wobei für die RVR-Be- dass die Zeit, die das menschliche Auge zur Dunkeladaptation rechnung grundsätzlich der Maximalwert (100 %) der Lichtstär- benötigt, stark vom Alter und der Gesundheit des Beobachters ke der Landebahnfeuer herangezogen wird, unabhängig von der abhängt. Eine optimale Anpassung wird erst nach etwa 30 min jeweils aktuell geschalteten Intensitätsstufe. Die RVR entspricht erreicht. In der Praxis sollte sich der Beobachter aber etwa 5 demnach der Feuersichtweite, die unter den praktischen Bedin- min bis 10 min in der Dunkelheit aufgehalten haben. Dies gilt gungen des Flugverkehrs bei schlechten Sichtverhältnissen fast eigentlich auch für alle anderen Augenbeobachtungen. Beim immer die meteorologische Sichtweite übersteigt. Sie hängt Fehlen sonstiger oder natürlicher Lichtquellen würde das vom außer von meteorologischen und anderen Ein ussgrößen auch Auge erfasste Luftvolumen nur von diesen Lichtquellen erhellt. in sehr starkem Maße von den technischen Gegebenheiten der Normalerweise ist der Leuchtdichtekontrast zwischen dem Landebahnbefeuerung ab, u. a. von der maximalen Lichtstärke leuchtenden Sichtziel und dessen dunkler Umgebung im Allge- der installierten Feuer und der im Einzelfall eingeschalteten meinen erheblich größer als bei den am Tag herrschenden Ver- Befeuerungsstufe (Prozentsatz der maximalen Lichtstärke). hältnissen. Die Feuersicht kann daher den mehrfachen Betrag der meteorologischen Sicht erreichen. Die Randfeuer sind vertikal um etwa 3 ° gegen die Horizontale (Landebahn) nach oben geneigt und weisen um etwa densel- Für die Feuersicht bei Nacht oder in der Dämmerung ist das ben Betrag nach innen. Die Mittellinienbefeuerung ist dagegen „geeignete“ Sichtziel eine punktförmige, rund strahlende nur in der Vertikalen geneigt. Eine Vorschrift der ICAO besagt, weiße Lichtquelle. Bei Vorliegen dieser Voraussetzung gilt dass die Mittellinienbefeuerung bis etwa 350 m, die Randfeu- nach ALLARD folgender Zusammenhang mit dem Extink- er bei RVR-Werten oberhalb 600 m zu verwenden sind. In der tionskoe¾zienten: Übergangszone wird die RVR linear interpoliert. Bei der Be- stimmung der RVR wird von der ICAO der Normwert der Kon- (13.3) trastschwelle ␧ = 0,05 zugrunde gelegt, um die vergleichsweise ungünstigen Sehbedingungen des Piloten (z. B. verschmutzte mit F = Feuersicht Scheiben der Kanzel, Blendung) zu berücksichtigen. I = Intensität der Lichtquelle ␤ = Schwellenwert der Beleuchtungsstärke Flugsicht ␴ = Extinktionskoe¾zient der Atmosphäre für Die Flugsicht ist die größte Entfernung in Flugrichtung, in sichtbare Strahlung (m –1) der aus dem Cockpit während des Fluges ein Sichtziel gerade noch erkannt werden kann. Es ist praktisch eine Schät- Die Lichtstärke der weißen Glühlampen soll wie folgt in eizung der meteorologischen Sicht während des Fluges. ner bestimmten Relation zu ihrem Abstand vom Beobach- ter stehen (Tab. 13.1): Schrägsicht Die Schrägsichtweite ist die größte horizontale Entfernung Tab. 13.1 Glühlampenleistung und Abstand vom Beobachter vom Fußpunkt eines höher gelegenen Standortes (Lot vom Beobachter auf die Ebene) oder eines Luftfahrzeuges, in der Glühlampen- Lichtstärke Abstand vom Beobachter leistung (W) (candela, cd) (km) ein Sichtziel von diesem gerade noch in Umrissen erkannt werden kann. Die Schrägsichtweite wird gelegentlich schon 25 ca. 15 ca. 0,7 bis 1,5 aus Messwerten berechnet. Sie beschreibt dann die berech- 40 ca. 30 ca. 1,0 bis 2,0 nete horizontale Entfernung zwischen dem am weitesten entfernten noch sichtbaren Objekt am Boden und dem 60 ca. 50 ca. 1,5 bis 2,5 senkrecht unter einem Luftfahrzeug be¤ndlichen Punkt. 100 ca. 100 ca. 2,0 bis 3,0 200 ca. 240 ca. 3,0 bis 5,0 Vertikalsicht Die Vertikalsichtweite ist die größte Entfernung, in der vom 500 ca. 735 ca. 5,0 bis 7,0 Boden aus in vertikaler Richtung dunkle Objekte von ausreichender Größe vor dem hellen Himmel als Hintergrund Wenn an Flughäfen nicht genügend weiße Lampen zur Verfü- gerade noch erkannt werden können. Sie wird ermittelt, gung stehen, kann auch die rote Hindernisbefeuerung herange- wenn eine Wolkenuntergrenze wegen Nebels oder starken zogen werden, allerdings muss berücksichtigt werden, dass die- Niederschlags nicht bestimmt werden kann. Als Schätz- ses Licht eine größere Durchdringtiefe besitzt als weißes Licht. hilfen können höhere Bauwerke, Berge oder auf Flughafen

132 nahe gelegene höhere Sendemasten, Türme sowie landen- hältnisse, optischen Eigenschaften des Objektes und sein de oder startende Flugzeuge dienen. Hintergrund, aber auch subjektive Faktoren und physiologische Eigenschaften des Beobachterauges, wie Farbemp¤nd- Für die Vertikalsicht wird kein Sichtmessgerät im eigent- lichkeit (Zäpfchensehen, Schwarz-Weiß-Emp¤ndlichkeit, lichen Sinne verwendet, sondern ein Laser-Wolkenhöhen- Stäbchen-Sehen), Reizschwelle, Au ösungsvermögen und messer (siehe 10.3.1), mit dem diese Sichtangabe aber nur Adaptionszustand eine nicht zu unterschätzende Rolle. sehr ungenau bestimmt werden kann. Daher ist sie im DWD z. Zt. nicht zugelassen. Ein E¦ekt schränkt die Sichtweite auf der Erde in jedem Fall ein: die Krümmung der Erde, wodurch die maximale geo- BIV-Sicht metrische Sichtweite begrenzt wird (Tab.13.3). Die sog. BIV-Sicht (BIV – Bildverstärker Sicht) ist eine weitere Sichtgröße. Sie setzt die Normsicht VN voraus und un- Tab. 13.3 Maximale geometrische Sichtweiten terstützt insbesondere die Fliegerei bei Nacht ügen bei Augenhöhe (m) Sichtweite (km) nicht ausreichender Helligkeit. 2 5 Die BIV-Flugsicht ist nicht messbar, sondern wird von fol- 5 8 genden Faktoren bestimmt: 10 11 • Lichtverhältnissen (Szenenbeleuchtung), • Reflektionsverhältnissen des Geländes, 15 14 • Transparenz der Atmosphäre / Wetter, 20 16 • Streuung, Absorption, Reflexion, 50 25 • technische Auslegung der BIV-Brille, • persönliche Augenleistung, 100 36 • persönliche Erfahrung (BIV-Flugstunden, Lerneffekt) 200 50 13.1.2 Maßeinheiten der Sichtweite 400 71

Alle Sichtweiten werden in Meter (m) bestimmt. In der Flie- Seit vielen Jahren wird versucht, die Sichtbestimmung auf gerei werden in einigen Ländern noch Sichtweiten in nauti- eine sichere physikalische Grundlage zu stellen und frei von sche Meilen (NM) angegeben. Die Umrechnung kann gem. der Subjektivität durch den Beobachter zu machen, d. h. dass Tabelle 13.2 erfolgen. Einzige Ausnahme bildet die Vertikal- praktisch nach einem Ersatz für das menschliche Auge ge- sicht. Da sie anstelle der Wolkenuntergrenze (wenn diese sucht wird. Die heutigen Messgeräte sind zwar kein Ersatz nicht erkennbar ist) gemeldet wird, ist sie in der gleichen dafür, da sie von den beteiligten Parametern, welche die Sicht Maßeinheit wie die Wolkenuntergrenze angegeben, d. h. in beein ussen nur eine beschränkte Auswahl erfassen. Hinzu Meter oder Fuß (Umrechnung siehe Tab. 10.1). kommt, dass das menschliche Auge auf weit mehr Kompo- nenten anspricht, die für die Messgeräte gar nicht erfassbar Tab. 13.2 Umrechnung Kilometer – Nautische Meilen sind. Dennoch haben sich Sichtmessgeräte seit mehr als 30 Jahren im Einsatz bewährt und stellen eine wertvolle Unter- NM km stützung in vielen Bereichen dar. Der entscheidende Vorteil 1 NM – 1,852 einer Messung gegenüber einer Augenbeobachtung ist die 1 km 0,5399 – Unabhängigkeit physiologischen Unterschiede einzelner Be- obachter. Die Messung objektiviert den Vorgang und subjektive Ein üsse können weitgehend eliminiert werden. 13.2 Allgemeine Messprinzipien Die direkte Messung der Sichtweite ist bis heute nicht mög- Die Bestimmung der Sichtweite kann visuell (Schätzung) lich. Vielmehr müssen bei der instrumentellen Erfassung oder instrumentell (Messung) erfolgen. Sie ist objektiv Ersatzgrößen gemessen werden, mit deren Hilfe dann die hauptsächlich von folgenden Faktoren abhängig: Sichtweite berechnet werden kann. Die dabei möglichen Mes- • Anzahl, Größe und Verteilung der Lufttrübungspartikel, sprinzipien basieren auf den physikalischen E¦ekten von die aus Wasser (Feuchteanteil), Eiskristallen, Staub, Ruß • Transmission bzw. Extinktion, der Lichtverlust an Trü- oder chemischen Schwebsto¦en (Aerosolanteil) beste- bungsteilchen der Luft und hen können, • Streuung, die Vorwärts- bzw. die Rückwärtsstreuung an • Atmosphärische Bedingungen wie Trübungsteilchen der Luft – Bewölkungsverhältnisse – Wettererscheinungen (Dunst, Nebel, Schneefall u. a.) Bei der Bestimmung der Sichtweite nach den o. a. Messprin- – Sprunghafte Dichteänderungen in der Atmosphäre als zipien ist die Rayleigh-Streuung an Molekülen der Luft der Folge von Mischungsvorgängen oder an Temperatu- meteorologische Hauptfaktor. Auf das Problem der nicht rinversionen erfassten „Partikel-/Aerosolverteilung“ ist bereits unter 10.2 • Beleuchtungsverhältnisse hingewiesen worden. Daher gelten hier die Überlegungen • Art des Sichtzieles und seines Hintergrundes hinsichtlich der Nutzung geeigneter Lichtquellen für Sicht- Bei der visuellen Erfassung der Sichtweite spielen Lichtver- messgeräte ebenfalls.

133 Mit diesen Messprinzipien lassen sich von den unter 13.1.1 Abb. 13.2 Messprinzipien von Transmissometern genannten Sichtbegri¦en nur drei konkret bestimmen, und zwar

• die meteorologische Sicht VM (MOR), • die Normsichtweite VN und • die Landebahnsichtweite, eingeschränkt als RVR

Während in den Anfangsjahren Haupteinsatzort von Trans- missometer Flugplätze waren, kommen Sichtmessgeräte heute auch an automatischen Stationen und mit Personal besetzten Wetterwarten, auf besonderen Schi¦en und auf Messfahrzeugen zum Einsatz.

13.2.1 Messung der Transmission bzw. Extinktion

Hierbei wird der Teil des Lichtes einer Lichtquelle gemessen, der weder absorbiert noch aus dem Lichtstrahl heraus Um das Messlicht vom Tageslicht unterscheiden zu kön- gestreut wurde, nachdem er eine bestimmte Distanz durch nen, wird mit moduliertem oder Impulslicht gearbeitet. die Atmosphäre zurückgelegt hat. Es wird also die Extinkti- Geräte mit Sender und Emp»nger an den beiden Enden der on, der Lichtverlust durch Re exion, Di¦usion und Absorp- Messstrecke sind über einen längeren Zeitraum nicht kon- tion an Luftmolekülen, Wassertröpfchen und Trübungs- stant und erfordern Überwachung und eventuelle Nachka- teilchen auf einer Strecke, d. h. die Durchlässigkeit der Luft librierung. Bei den Geräten mit Sender und Emp»nger im bzw. deren Transmissionsgrad ermittelt. gleichen Gehäuse und Umlenkung der Lichtstrahlen durch einen Tripelspiegel ist durch einen inneren Vergleichsweg Dabei wird eine Messstrecke von einem Lichtstrahl mit die elektronische Stabilität der Messanlage gewährleistet. geeigneter Wellenlänge durchleuchtet. Die Dämpfung des Da die Sichtweite in Abhängigkeit von der Trübung einer Lichtes auf dieser Messstrecke ist ein Maß für die Konzent- Exponentialfunktion folgt, hängt der mit einer gewünsch- ration der die Sicht trübenden Teilchen ten Messgenauigkeit erfassbare Messbereich von der Länge der Messstrecke ab. Er beträgt etwa das 0,5 bis 40-fache der (13.4) Messstrecke und ist zu einem gewissen Grad auch vom Ge- rätetyp und der akzeptierten Messunsicherheit abhängig. mit T = Transmission

I 0 = ausgesendetes Licht Transmissometer eignen sich auf Grund ihres Messprinzips I = empfangenes Licht zur Messung einer Komponente (Transmission) der Sicht- weite an Start- und Landebahnen (RVR), aus der sich auch Die Transmission kann also nur eine Zahl zwischen 0 und 1 die Normsichtweite ableiten lässt. Zur Berechnung der RVR annehmen. Ist T = 1, dann ist keine Dämpfung vorhanden. ist allerdings noch die Umfeldleuchtdichte (Hintergrund- In der Praxis wird die Transmission meist in Prozent ange- helligkeit), gemessen mit Umfeldhelligkeits-Sensoren (Stil- geben: ben) und die maximale Intensität der Landebahnbefeuerung notwendig. Da die moderne Luftfahrt zu immer geringeren (13.5) Sichtweiten noch Landungen durchführt und die RVR bis zum 4-fachen der meteorologischen Sicht betragen kann, ist Eine geeignete Wellenlänge besitzt weißes Licht. Die WMO es erforderlich, die Messstrecken diesen Anforderungen an- emp¤ehlt für Transmissometer den Einsatz einer (weißen) zupassen. Dies führt zu Messstrecken von 15 m bis 75 m. Lichtquelle mit weitem Spektrum, da Lichtquellen mit sch- malem Spektrum (z. B. Laser oder farbige LEDs) bei einigen Transmissometer sind optische Messgeräte und eignen sich Wetterverhältnissen Messfehler verursachen. Lichtsender auch zur Bestimmung einer Staub- oder Gaskonzentration. und Lichtemp»nger sind entweder an je einem Ende der Messstrecke aufgestellt oder aber an einem Ende zu einem 13.2.2 Messung des Streulichtes Gerät vereint, während am anderen Ende der Messstrecke ein Umlenkmittel (Tripelspiegel) den Lichtstrahl zum Emp- Im Gegensatz zu Transmissometern wird mit Streulichtsen- »nger zurückwirft. Im ersten Fall durchläuft der Lichtstrahl soren die Normsichtweite zwischen 100 m bis 10 km durch die Strecke einmal, im zweiten Fall zweimal. Bestimmung der Lichtstreuung aus einem Luftvolumen ermittelt. Auch bei Streulichtmessern wird wie bei Transmis- sometern moduliertes oder Impulslicht verwendet.

Bei diesem Messverfahren wird der Teil eines ausgesandten Lichtstrahls gemessen, der durch in der Luft be¤ndliche Par- tikel aus einem de¤nierten Messvolumen heraus in einen bestimmten Raumwinkel gestreut wird. Die Größenordnung der streuenden Partikel liegt im Wellenlängenbereich des sichtba-

134 ren Lichts. So wie ein Strahlenbündel von einem Scheinwer- 13.3 Sensoren/Messgeräte fer von der Seite her umso besser zu sehen ist, je mehr Licht durch Trübungspartikel gestreut wird, so ist auch hier die 13.3.1 Transmissometer Helligkeitszunahme gleichbedeutend mit Sichtabnahme. Die Streuung ist proportional zur Dämpfung des Lichtstrahls und Abbildung 13.3 zeigt den Prinzipauau von Tansmissometern. somit ein Maß für die Sicht: je mehr Partikel sich in der Luft be¤nden, umso größer ist die Streuung. Aus dem gemessenen Abb. 13.5 Prinzipaufbau von Transmissometern Wert wird die MOR berechnet. Größere Partikel verhalten sich wie Re ektoren und Refraktoren. Bei diesen Partikeln handelt es sich meist um Niederschlagstropfen.

Man unterscheidet 3 Typen von Streulichtmessern: • Backscatter / (Rückwärts-)Streulichtmesser • Integrierende Streulichtmesser (großer Streuwinkelbereich) • Foreward Scatter / (Vorwärts-)Streulichtmessgerät

Abb. 13.3 Messprinzip von Backscatter-Streulichtmessern (S =Sender, E =Empfänger) Skopograph II (Flamingo) Der Skopograph II der Fa. Vaisala dient zur Messung der Transmission und dem Lichtverlust durch Trübungsparti- kel auf einer Messstrecke. Lichtsender und Emp»nger sind an je einem Ende der Messstrecke aufgebaut.

Die Sensoren arbeiten mit moduliertem oder Impulslicht. Bei einer Messbasis von 50 m liegt der gültige Messbereich für die MOR zwischen 35 m bis 2000 m. Daraus resultiert ein Messbereich für die RVR von 125 m bis 2000 m. Bei einer Messbasis von 75 m können Sichtweiten von 50 m bis 3000 m gemessen werden, was die Verfolgung der Sichtent- wicklung im Nebel ermöglicht. Bei einer längeren Messba- Ein Vorteil dieses Messprinzips ist, dass durch die fehlende sis von 150 m lassen sich Sichtweiten zwischen 100 m bis 50 Messbasis ein nur geringer Platzbedarf besteht. Nachteilig km relativ exakt bestimmen. wirkt sich der kleinere Abtastraum aus, der nicht repräsenta- tiv für eine größere Umgebung sein muss. Starke kleinräumi- Im Sender ist eine Xenon-Gasblitzlampe mit 600 V, die ca. 1 ge Schwankungen der Trübung können so die Messergebnis- bis 1.2 Funkenentladungen pro Sekunde erzeugt, wobei die se ver»lschen. Dennoch werden Transmissometer zukünftig Energie so bemessen ist, dass eine Schwärzung der Lampe auch auf Flugplätzen von (Vorwärts-)Streulichtmessern er- nicht statt¤ndet. Es wird ein Strahlungsmaximum im Be- setzt. Vergleichstests an mehreren deutschen Flughäfen er- reich des blau-weißen Lichtes erreicht, das dem Himmels- gaben gute Übereinstimmungen zwischen Transmissometer blau sehr nahe kommt. Zum Sender gehören darüber hin- und Vorwärtstreusensoren, insbesondere bei geringen Sicht- aus ein optisches System, Wetterschutz und Heizung. weiten. Vorwärtsstreusensoren sind messtechnisch ebenfalls in der Lage, MOR- bzw. RVR-Werte zu ermitteln. Im Emp¬nger be¤nden sich eine Photozelle und ein Ver- stärker, der sich selbst auf die ankommende Impulsspitze Abb.13.4 Messprinzip von integrierenden Streulichtmessern einregelt. Im Verstärker werden die elektrischen Signale der Photodiode verstärkt und in einem Komparator ihre Amp- litude gemessen. Sie wird mit einem Integrator und einem Gleichspannungsverstärker in einen Messstrom von 0 bis 1 mA umgesetzt. Die Regelspannung, die über 30 Impulse gemittelt wird, wird zur Anzeige oder zum RVR-Rechner gegeben.

Ein Komparator bezeichnet im Allgemeinen eine technische Funktionseinheit, welche zwei oder mehr Größen vergleicht und ein daraus gebildetes Ergebnis liefert. Der Begri¦ wird in verschiedenen Bereichen verwendet. In der Digitaltechnik wird er zum Vergleichen von digitalen Signa- In diesem Zusammenhang sind integrierende Streulicht- len eingesetzt, in der analogen Schaltungstechnik dient ein messer günstiger, da sie über einen möglichst großen, tech- Komparator (Analogtechnik) zum Vergleichen von elektri- nisch realisierbaren Winkelbereich messen. schen Spannungen [43].

135 Der Emp»nger ist exakt auf die optische Achse des Senders Messbasis mit den günstigsten Werten für das Registrierge- ausgerichtet. Das Licht des Sendeimpulses gelangt durch rät zuschaltet. Ebenso werden Test¤lter von der Steuerein- ein Wetterschutzrohr und ein Wabensystem aus 160 Röh- heit zur Prüfung der Anlage automatisch geschaltet. ren zur Photozelle, um so die Aufnahme von Streulicht zu vermeiden. Transmissometer werden hauptsächlich an Start-/Lande- bahnen auf Flugplätzen aufgestellt und sind besonders Zur Vermeidung von Tau, Reif und Beschlagen der optischen als Doppelbasisgeräte geeignet. Anzahl und Standorte Systeme von innen sind beide Geräte mit einer entspre- der Transmissometer richten sich nach der Länge der Pis- chenden Heizung und Ventilation ausgerüstet. Die schräg te und den Hindernisbegrenzungs ächen. Die Standorte gestellten Gerätefenster werden zur Reduzierung von Ver- (Abb. 19.21/19.22) sind in den „Richtlinien für den Allwet- schmutzung mit einem Luftstrom angeblasen. Gleichzeitig ter ugbetrieb“ (Anhang Literatur- und Quellenverzeichnis) gelangt dadurch kein Niederschlag auf die Scheiben. festgelegt. Für jede Landebahnrichtung wird je ein Hin- tergrundleuchtdichtesensor (LM21) auf oder neben einem Abb. 13.6 Skopograph II „Flamingo“ (Vaisala) Transmissometer montiert.

Die noch vorhandenen Skopographen II werden durch Ge- räte der neuen Generation der Fa. Vaisala FS 11 (siehe 13.3.2) ersetzt.

Pege und Kontrolle der Funktionstüchtigkeit Der Beobachter an der Flugwetterwarte stellt mit Hilfe von Augenbeobachtungen und weiterer Sensorik zur Sichtmes- sung durch Vergleich fest, ob die Datenqualität noch den Anforderungen entspricht. Die Optik der Transmissometer muss regelmäßig wöchentlich gereinigt werden. Wartungs- arbeiten werden von den SL-Einheiten des DWD in regelmä- ßigen Abständen entsprechend dem festgelegen Wartungs- plan (etwa alle 5 Wochen) durchgeführt.

Hintergrundleuchtdichtesensor LM21 Doppelbasis-Transmissometer bestehen aus einem Sender Der Hintergrundleuchtdichtesensor LM21 der Fa. Vaisala und zwei Emp»ngern, die im DWD mit einer Messbasislän- ist ein Bestandteil zur Bestimmung der RVR an Flughäfen. ge von 15 m und 75 m aufgestellt sind, was die Bestimmung Der Sensor LM21 ist nur bedingt als eigenständiges Gerät zu von RVR-Werten von 10 m bis 3000 m ermöglicht. Die opti- betrachten. Er ist ein Präzisionsphotometer mit einer dem sche Achse des Senders liegt zwischen den optischen Ach- menschlichen Auge angepassten spektralen Emp¤ndlichkeit. sen der beiden Emp»nger, die so möglichst dicht auf den Der Sensor kann an die Systeme Vaisala LT31 und FS11 ange- Sender ausgerichtet sind. Damit und mit dem konstant ho- schlossen werden, die dazu interne Schnittstellen haben. mogenen Lichtkegel des Senders werden exakte Messungen gewährleistet. Abb. 13.8 Hintergrundleuchtdichtesensor LM21 (Foto: Vaisala)

Abb. 13.7 Transmissometer mit Doppelbasis

Der Sensor ermittelt die in die Geräteoptik einfallende Lichtmenge. Hierbei wird das unter einem Ö¦nungswinkel von 6° einfallende Licht mittels einer Linse auf eine Pho- todiode fokussiert, welche zur Anpassung der spektralen Emp¤ndlichkeit mit einem entsprechenden Farbglas¤lter versehen ist.

Der durch die Photodiode erzeugte fotoelektrische Strom wird ermittelt, die gemessenen Werte in die Maßeinheit cd m –2 umgewandelt und dem integrierten Mikrocontrol- ler, einem Transmissometer oder Vorwärtsstreulichtsensor Je nach Sichtverhältnissen kann durch Umschaltung die zugeführt. Das Interface stellt Sichtweite und Hintergrund- jeweils günstigere Messbasis gewählt werden. Die Steuer- leuchtdichte zu einer Messung zusammen und sendet die- einheit enthält einen Mikroprozessor, der automatisch die se an den RVR-Rechner.

136 Tab. 13.4 Spezi¯kationen Hintergrundleuchtdichtesensor LM21 (Vaisala) Abb. 13.9 Transmissometer LT31 (Foto: Vaisala) Messbereich 2 bis 40.000 cd m –2 Messgenauigkeit 10 % Spektrale 0,4 bis 0,7 μm Emp¡ndlichkeit Gesichtsfeld 6 ° Einsatzbereich –40 bis +65 °C, 0 bis 100 % Versorgung 10 bis 38 V DC oder 8 bis 28 V AC Leistungsaufnahme 6 W, 50 W mit Heizung

Der LM21 soll in horizontaler Ebene mit der Messrichtung 45 ° zur Start-/Landebahn in der Richtung, in der auch der Luftfahrzeugführer bei Benutzung der entsprechenden Lan- debahnrichtung blickt, ausgerichtet werden. In vertikaler Ebene soll die Messrichtung auf den Horizont ausgerichtet Zum Schutz gegen windgetriebene Niederschlags- und werden. Der LM21 ermittelt und kompensiert den Dämp- Staubpartikel verfügt das Gerät über ein leistungs»higes fungsein uss durch die Verunreinigung des Gerätefensters. Gebläse. Es erzeugt einen zum Boden gerichteten Luftvor- Hierdurch wird die Messgenauigkeit zwischen zwei Reini- hang vor den Gerätescheiben. Messfehler durch Ein üsse gungsvorgängen sichergestellt und darüber hinaus das Zeit- auf die Messstrecke, wie sie bei traditionellen Gebläsekon- intervall zwischen den Reinigungsvorgängen verlängert. struktionen auftreten können, sind durch diese spezielle Ausführungsform ausgeschlossen. Die Verschmutzung der Heizelemente be¤nden sich an der Geräteoptik und Geräte- Gerätescheiben wird durch eine direkte Messung der Schei- front. Die Wetterschutzhaube ist mit einer leistungs»higen bentransparenz festgestellt und automatisch kompensiert. Heizfolie nebst Temperatursensor ausgestattet, um Schnee- und Eisansammlungen zu verhindern. Abb. 13.10 LT31 mit V-förmig angeordneten Scheiben (Foto: Vaisala)

Pege und Kontrolle der Funktionstüchtigkeit Wurde im Gerätestatus des LM21 eine Scheibenverschmut- zungswarnung angezeigt, ist die Gerätescheibe sorg»ltig mit einem weichen, fusselfreien Tuch und Isopropanol-Alkohol zu reinigen. Anschließend abwarten bis die Gerätescheibe voll- ständig abgetrocknet ist. Die entsprechenden Referenzwerte für eine saubere Scheibe müssen anschließend neu zugewiesen werden. Die Heizfolien sind sehr emp¤ndlich gegen mechanische Beschädigung. Auf keinen Fall sollte Eisansatz oder starker Wenn das LT31 mit einem integriertem Vorwärtsstreu- Schmutz entfernt werden, um die Folien nicht zu beschädigen. lichtsensor PWD22 (siehe 13.3.2) gekoppelt ist, können zu- sätzlich 7 Niederschlagsarten (Regen, gefrierender Regen, Transmissometer LT31 Sprühregen, gefrierender Niesel, Schneeregen, Schnee, Das Transmissometer LT31 der Fa. Vaisala ist ein Messgerät Hagel) unterschieden werden und 49 verschiedene Wet- für die meteorologische Sichtweite (MOR) mit einem opti- tercodes gemäß WMO-Tabelle 4680 (SYNOP) und 4678 (ME- malen Sichtweitenmessbereich von 10 m bis 10 000 m in TAR) gemeldet werden. einer Messhöhe von 2,5 m. Somit ist der geforderte Sicht- weitenbereich für RVR (CATI bis CATIIIb) sowie für die aero- Abb.13.11 LT31 mit integriertem Vorwärtsstreusensor PWD22 nautische Sichtweite gemäß ICAO vollständig abdeckt. Der (Foto: Vaisala) gesamte Messbereich kann mit einem System mit nur einer Messbasis realisiert werden.

Im LT31 ist eine weiße Leuchtdiode als Lichtquelle integriert. Das Besondere an diesem Transmissometer ist, dass es über eine automatische Kalibriereinrichtung verfügt, die sowohl die optischen als auch die elektronischen Kompo- nenten optimal nachregelt. Auch die Ausrichtung des LT31 wird fortlaufend automatisch optimiert.

137 Tab. 13.5 Spezi¯kationen LT 31 (Vaisala) trächtigung (Nebel, Regen, Schnee, Hagel) wird erreicht durch NF-Modulation des Breitspektrumlichtes innerhalb Lichtquelle Leuchtdiode (LED), weiß eines großen Analysevolumens. Auf diese Weise werden 30 m Basislänge (optimal) die Szintillationswirkungen hochfrequenter monochroma- 10 bis 10.000 m (MOR) Messbereich tischer bzw. impulsmodulierter Lichtquellen (mit dominie- 50 m Basislänge 25 bis 10.000 m (MOR) render IR- oder UV-Komponente) vermieden. 75 m Basislänge 37,5 bis 10.000 m (MOR) gemäß ICAO- und WMO Anforderungen für Der scatter coe¾cient ␴ wird, ausgehend von der Messung Genauigkeit RVR und Sichtweite der Lichtströme (Verhältnis zwischen ausgesendetem und –40 bis +60 °C, 0 bis 100 %, empfangenem Lichtstrom) ermittelt; anschließend wird die Einsatzbereich Wind max. 60 m s –1 Sichtweite (MOR) als Wert der Kontrastsicht errechnet. Die Ober ächen der DF20+-Sensorköpfe werden temperaturab- automatisch, dank integriertem optischem Kalibrierung hängig beheizt, um den Ansatz von Schnee und Eis zu ver- Vorwärtsstreusensor hindern. Die optischen Elemente (z. B. Linsen) von Sender und Emp»nger sind ebenfalls beheizt, um Kondensationen Das Gerät ist zusätzlich Bestandteil der automatischen Stati- zu verhindern. Die schräg nach unten gerichteten Sende- on MIDAS IV AWOS (siehe 18.4) auf Regional ughäfen. Es soll und Empfangsköpfe vermindern die Schmutzanlagerung auf künftig als Referenzgerät für die Rückführung der Kalibriermit- der Optik. Der Verschmutzungsgrad wird vom Sensor selbst tel (Filterscheiben etc.) anderer Sichtweitenmesser dienen. ermittelt und – in gewissen Grenzen – bei der Messung automatisch korrigiert. Kann die Verschmutzung nicht mehr kor- 13.3.2 Streulichtmesser rigiert werden, wird im Telegramm ein Alarmstatus erzeugt und die Sichtmessung als ungültig gekennzeichnet. Vorwärtsstreulichtmesser DF20+ Der DF20+ ist ein Vorwärtsstreulichtmesser der Fa. Degre- Abb. 13.13 Vorwärtsstreulichtmessgerät DF20+ (Degreane Horizon) ane Horizon, Frankreich. Er benutzt das mit 20 Hz ampli- tudenmodulierte Licht einer weißen Halogenlampe. Das Spektrum der verwendeten Lichtquelle (symmetrisches Weißlicht, polychromatisch) vermindert Fehler aufgrund von selektiver Absorption und garantiert die Leistungs»- higkeit des Gerätes insbesondere bei üssigen oder festen Niederschlägen. Das Licht wird moduliert und phasenver- ändert, um den DF20+ gegen Störstrahlungen (50 Hz, 60 Hz, 100 Hz und industrielle Stableuchten) zu schützen und die Messgenauigkeit unter sämtlichen Bedingungen kontinuierlicher Strahlung (Sonnenlicht, Tageslicht) zu garantieren. Er misst den Lichtanteil, der aus dem Streuvolumen von etwa 10 l Größe unter einem Winkel von 20 ° bis 50 ° in den Emp»nger gestreut wird. Je größer der in den Emp»n- Tab. 13.6 Spezi¯kationen DF20+ (Degreane Horizon) ger gestreute Anteil ist, desto geringer ist die Sichtweite (bei Vorwärtsstreuung, Breitspektrum- unbegrenzter Sicht würde kein Licht aus dem Messvolumen Messprinzip Lichtquelle, Modulation 20 Hz mit gestreut, also kein Licht auf den Emp»nger »llt). Phasenänderung

Abb. 13.12 Funktionsprinzip DF20+ (Degreane Horizon) weißes Halogenlampe Art der Lichtquelle 50-W-Niederspannungs-halogenlampe (12 V) Wellenlängen 0,350 bis 0,900 μm der Lichtquelle Untersuchtes ~ 10 l Luftvolumen Höhe des Luft- volumens über ~ 2100 mm bzw. 2500 mm dem Boden Streuwinkel 20 bis 50 ° Erfassungszeit 500 ms Integrations- und Der DF20+ besteht aus einem Lichtsender und einem Emp- Übertragungszeit 30 s bis 10 min einstellbar »nger, die unterschiedlich ausgerichtet sind. Das Schnitt- scatter coe·cient ␴ volumen der optischen Felder des Senders und des Emp»n- gers entspricht dem zu untersuchenden Luftvolumen. Eine Normsichtweite 5 m bis 70 km, Auösung 1m geringe Emp¤ndlichkeit gegenüber der Art der Sichtbeein-

138 Genauigkeit der weite (MOR). Sie nutzen dazu das bewährte Messprinzip Normsichtweite der Vorwärtsstreuung. Entsprechend der unterschiedlichen bis 5 km ±10 % bei 90 % der Messungen Anforderungen bietet die PWD-Serie eine praxisgerechte 5 bis 20 km ±15 % bei 90 % der Messungen Kombination aus: über 20 km ±25 % bei 90 % der Messungen • meteorologischer Sichtweitemessung, –20 bis + 55 °C, 0 bis 100 % • Charakterisierung reduzierter Sichtweite, –30 bis + 55 °C mit optionalem Hoch- • Bestimmung von 7 Niederschlagsarten, (Regen, Sprüh- Einsatzbedingungen leistungsheizsystem regen, Schnee, Schneeregen, Graupel, gefrierender Re- bis 60 m s –1 gen/Sprühregen, 230 V ± 10 % 50 Hz 120 VA • Bestimmung von Niederschlagsmenge und -intensität, Stromversorgung (280 VA optional mit Hochleistungs- • Ausgabedatenformaten nach WMO 4680 (SYNOP) und heizsystem) 4678 (METAR).

Abb. 13.14 Sichtweitensensor PWD20 (Foto: Vaisala) Der DWD erfasst die Sichtweite mit Hilfe von Streulicht- messgeräten DF20+ an Wetterbeobachtungsstellen, an denen keine Pistensichtmessanlage vorhanden und nicht vorgesehen ist. Weiterhin kommt er als Ersatz für die Trans- missometer an internationalen Flughäfen in Deutschland in Frage. Es soll dann zusätzlichen mit einem Hintergrund- leuchtdichtesensor (Abb. 13.8) zur externen Berechnung der Pistensichtweite (RVR) ausgestattet werden. Der PWD20 misst gestreutes Licht im Winkel von 45 °. Bei diesem Winkel ist das Ansprechverhalten bei verschiedenen Pege und Kontrolle der Funktionstüchtigkeit Arten von natürlichem Nebel stabil. Niederschlagstropfen Der DF20+ reagiert emp¤ndlich auf Verschmutzung der streuen das Licht anders als Nebel, so dass ihre Auswirkung Optik. Es ist daher eine visuelle Kontrolle der Sensorik auf auf die Sichtweite separat analysiert werden muss. Der PWD20 Schaden, Verschmutzung oder Vereisung durchzuführen, kann Niederschlagstropfen anhand des optischen Signals er- insbesondere nach Sturm, Eisregen etc. kennen, messen und diese Information beim Verarbeiten der Streuergebnisse verwenden. Die Signale selbst kleinster Nie- Bei einer anstehenden Reinigung darf keine Leiter bzw. derschlagstropfen können ebenfalls erfasst werden. Klapptritt an den Sensor angelegt werden und das Aufstei- gen auf Anschalt- und Verteilerkasten ist zu unterlassen, da Abb. 13.15 Sichtweitensensor PWD20, Messprinzip sonst ein Totalausfall des Gerätes auftreten kann und eine Neukalibrierung erforderlich ist.

Die optischen Elemente (Linsen und Filterglaser) von Sender und Emp»nger dürfen nur durch Mitarbeiter der SL-Einhei- ten gereinigt werden. Wichtig ist, Spinnen bzw. Spinnennetze von den Kappen zu entfernen und sie gelegentlich mit einem Schwamm mit verdünnter Seifenlauge abzuwischen. Um Spinnen vorzubeugen, sollten – insbesondere bei erhöhtem Dank der optischen Anordnung des PWD20 lassen sich ein- AuÎommen z .B. im Herbst – die Köpfe mit Insektenspray zelne Tropfen von schnellen Signaländerungen unterschei- eingesprüht werden. Dabei unbedingt den Sprühstrahl so den. Das Messvolumen beträgt nur 0,1 l, dadurch können ausrichten, dass nicht die optischen Teile (Linsen, Filter etc.) auch bei relativ starken Niederschlägen einzelne Partikel besprüht werden! Windrichtung beachten und keine Perso- gemessen werden. nen dem Sprühnebel aussetzen! Der vorgesehene Bereich im Umfeld des Sensors ist von Lichtquellen und Gegenständen Abb. 13.16 Sichtweitensensor PWD20/22, schematisch (Vaisala) (insbesondere solche mit re ektierenden Ober ächen) frei zu halten; das Gras sollte nicht zu hoch wachsen (< ca. 20 cm).

Die Überprüfung der angezeigten Sichtweite kann das Personal an den Wetterwarten durch Vergleiche mit Augenbeobachtun- gen bei stabilen und homogenen Sichtverhältnissen vornehmen. Dabei sollten nur grobe und länger anhaltende Abwei- chungen gemeldet werden. Da der DF20+ eine Punktmessung vornimmt, sollten – soweit möglich – zusätzlich Augenbeob- achtungen am Standort des DF20+ vorgenommen werden.

Sensoren für Sichtweite und aktuelles Wetter PWD20/22 Die Sichtweitensensoren PWD20/22 der Fa. Vaisala sind optische Sensoren zur Messung der meteorologischen Sicht-

139 Tab. 13.7 Spezi¯kationen Sichtweitensensor PWD20/22 (Vaisala) Tab. 13.8 Spezi¯kationen Sichtweitensensor FS11 (Vaisala) Funktionsprinzip optische Vorwärtsstreuung Funktionsprinzip optische Vorwärtsstreuung Niederschlagsintensität und -menge, Lichtquelle Leuchtdiode, naher IR-Bereich Größen Neuschneemenge Messbereich (MOR) 5 bis 75 000 m Emp¡ndlichkeit 0,05 mm h –1 oder weniger Mittelwerte 1, 3 und 10 min der Niederschlags- innerhalb von 10 min erkennung ±10 %, Messbereich 5 bis 10.000 m Messgenauigkeit ±20 %, Messbereich 10.000 bis Messbereich (MOR) 10 bis 20.000 m 75.000 m ±10 % 10 m bis 10 km Genauigkeit Genauigkeit der ±15 % 10 bis 20 km ±3 % Streumessung Versorgungs- Elektronik 12 bis 50 V DC Streuwinkel 42 ° spannung Spannungs- 100/115/230 V AC ± 10 %, Einsatzbedingungen –40 bis +60 ºC, 0 bis 100 % versorgung 50 bis 60 Hz Leistungsaufnahme 3 W / 6 W (PWD22) bei 12 V DC 300 VA max. (60 VA + 240 VA Leistungsaufnahme Schutzhaubenheizung) Beide Optikeinheiten sind abwärts gerichtet und mit Schutz- –40 bis +65 °C, optional –55 bis +65 °C hauben für die Linsen versehen. Verunreinigungen durch Einsatzbedingungen 0 bis 100 %, Niederschlag, Spritzwasser und Staub werden so verhindert. bis 60 m s –1

Der Sensor PWD20 wird auf der Bordwetterwarte der FS ME- TEOR (siehe 19.5.6.2) betrieben. Der Sensor PWD22 vereint Die Gerätescheiben sind durch die spezielle Neigung der die Ermittlung der Sichtweite mittels optischer Vorwärts- optischen Köpfe vor praktisch allen, selbst vor horizontal streumessung und die Bestimmung des aktuellen Wetters. windgetriebenen Partikeln, geschützt. Zusätzlich misst Er wird in Verbindung mit dem Transmissometer LT31 (sie- und ermittelt der Sensor mittels optischem Verfahren den he dort) eingesetzt und unterscheidet sich nur geringfügig Verschmutzungsgrad der Gerätefenster und kann auf die- vom Sensor PWD20. Sein Einsatz in Verbindung mit dem ser Grundlage Messfehler durch Fensterverunreinigungen LT31 dient in erster Linie der Kalibrierung des LT31. automatisch korrigieren. Dies stellt sicher, dass die Mess- genauigkeit im empfohlenen Zeitintervall zwischen zwei Sichtweitensensor FS11 Fensterreinigungen erhalten bleibt und sorgt gleichzeitig Der Sichtweitensensor FS11 der Fa. Vaisala ist speziell für für eine erhebliche Verlängerung dieses Intervalls. Darüber RVR-Anwendungen ausgelegt. Er wird an internationalen hinaus sorgen die umfassenden Überwachungsfunktionen Flughäfen und an Regional ughäfen als Sichtweitenmessge- und die modulare Bauform für sehr kurze Wartungszei- rät eingesetzt. Er erfüllt die FAA- und ICAO-Spezi¤kationen ten. Die optischen Köpfe sind mit einem leistungs»higen für Sichtweitemessungen und liefert genaue und eindeutig Schutzhaubenheizsystem ausgestattet, die Temperatur rückführbare Messungen. Das mechanische Konzept und die wird unabhängig gesteuert und überwacht. leistungs»hige Heizung entsprechen den FAA-Richtlinien. Dieser Gerätetyp zeichnet sich durch hohe Stabilität, bes- Der Sichtweitensensor FS11 kann zunächst die MOR bestim- sere Bedienbarkeit und höhere Messgenauigkeit gegenüber men, wird er aber mit einem Hintergrundleuchtdichtesen- dem Skopograph (siehe 13.3.1), sowie geringeren Serviceauf- sor LM21 (siehe 13.3.1) ausgestattet, ist auch die Bestimmung wand aus. der RVR ermöglich. Damit ist der Sensor für Flugwetter- und SYNOP-Sichtweitemessungen einsetzbar. Pege und Kontrolle der Funktionstüchtigkeit Falls eine Reinigung aller oder einzelner Gerätegehäuse Abb. 13.17 Sichtweitensensor FS11 (Foto: Vaisala) notwendig ist, sollte warmes Wasser, ein milder Haushalts- neutralreiniger und ein weiches Tuch verwendet werden. Die Interfaceeinheit muss bei der Verwendung von Flüssig- keiten zur Reinigung der Gerätegehäuse geschlossen bleiben, damit das Risiko eines Stromschlages ausgeschlossen werden kann.

Rückwärtsstreusensor Videograph Der Videograph ist ein Rückwärtsstreulichtmesser der Fa. Impulsphysik (Vaisala). Er wurde ursprünglich für den Ein- satz auf Leuchttürmen entwickelt, wurde dann auch an automatischen Stationen eingesetzt, ist aber dort inzwischen durch andere Messgeräte ersetzt worden.

140 Der Sender sendet einen horizontalen Lichtstrahl (Impuls- Tab. 13.9 Liste der anerkannten Sichtweitensensoren licht) in die Atmosphäre, wobei sich dieser Strahl und die Datum der Sensor Antragsteller optische Achse des Emp»ngers in einem Bereich von 5 m Anerkennung bis 30 m vor dem Gerät schneiden. Be¤nden sich re ektie- rende Partikel oder Nebeltröpfchen in diesem Bereich, kann VAISALA PWD20 VAISALA 05.11.2004 die Intensität des zurück gestreuten Lichtes im Emp»nger Mierij Meteo Mierij 04.02.2005 gemessen werden. Typ Sentry SVS1-x-2-M BIRAL VPF700 und VF500 GWU 11.02.2005 Abb. 13.18 Messprinzip des Videographen (Impulsphysik, Vaisala) BIRAL SWS-200 GWU 20.11.2009 SVS1 Sentry DC-MACD-H Lut 20.11.2009 SVS1 Sentry Lanthan Skopograph II VAISALA LT31 VAISALA FS11 VAISALA

13.5 Messunsicherheiten und Fehlerquellen

Transmissometer Der erfasste Raum, der sich auf die Messgenauigkeit aus- Die Transmission zeigen oft starke Schwankungen. Dies wirkt, ist bei Streulichtmessgeräten gegenüber Transmisso- liegt an der natürlichen Luftunruhe, die für das mensch- metern grundsätzlich kleiner, beim Videograph aber ist er liche Auge nicht sichtbar ist. Die hochemp¤ndliche Pho- größer als bei Vorwärtsstreulichtmessern. todiode kann diese Inhomogenitäten der Trübung jedoch registrieren. Abb. 13.19 Videograph (Impulsphysik, Vaisala) Weitere Fehlerquellen allgemeiner Art bei Sichtmessgerä- ten können sein: • Alterungserscheinungen der Lichtquelle und der Photo- sensoren • Beschlagen oder Verschmutzungen der Scheiben des Senders bzw. Emp»ngers • Bei Transmissometer mit Tripelspiegel kann es zu Ver- schiebungen des Messstrahls zwischen Sender und Emp»nger als Folge von thermischen Verbiegungen tragender Teile, von Bodenbewegungen durch Frost u. ä. kommen

. DIE MESSUNG DER SONNENSCHEINDAUER 13.4 Anerkannte Sichtweitensensoren UND DER STRAHLUNG

Gemäß der Allgemeinen Verwaltungsvorschrift der Bun- 14.1 Allgemeine Grundlagen desregierung, Drucksache 506/04 vom 16.6.2004, „All- gemeine Verwaltungsvorschrift zur Kennzeichnung von Der Energie uss, der in der Meteorologie durch die Ener- Luftfahrthindernissen“ obliegt es dem DWD, eine förmliche gieübertragung zwischen Sonne, Erde und Atmosphäre in Anerkennung von Sichtweitensensoren für den Einsatz an Form von elektromagnetischen Wellen gekennzeichnet ist, Luftfahrthindernissen auszusprechen. In Anlage 4 „Sicht- bezeichnet man als Strahlung. Die verschiedenen Strah- weitenmessung“ heißt es wörtlich: „Die Sichtweite ist als lungsströme in Richtung auf die Erdober äche und von meteorologische Sichtweite nach DIN 5037 Blatt 2 mittels ihr weg gehören zu den wichtigsten Größen im Strahlungs- eines vom Deutschen Wetterdienst anerkannten Gerätes zu und Wärmehaushalt der Erde als Ganzes und jedes einzel- bestimmen.“ Bei der Prüfung handelt sich um eine formale nen Ortes auf der Erde oder in der Atmosphäre. Prüfung der Herstellerangaben. Strahlungsmessungen sind erforderlich Die nachfolgende Liste enthält alle bereits anerkannten • zur Untersuchung des Energieumsatzes im System Er- Sichtweitensensoren. de-Atmosphäre und seiner zeitlichen und räumlichen Veränderung, • zur Untersuchung der Atmosphäre hinsichtlich ihrer Trübung und Bestimmung der Bestandteile wie Staub und Wasserdampf,

141 • zur Untersuchung der Verteilung und Veränderung von Die di¦use (Himmels-)Strahlung D ist die kurzwellige Einstrahlung, Ausstrahlung und Strahlungsbilanz, Streu- und Re exstrahlung aus dem oberen Halbraum, vor • zur Deckung des Bedarfs der Biologie, Medizin, Land- allem von Luft und Hydrometeoren (Wolken). Der Raum- wirtschaft, und Bautechnik und Industrie an Strah- winkel wird analog zu einem ebenen Winkel defniert: Er ist lungsmesswerten, u. a. für Photovoltaikanlagen das Verhältnis aus der Fläche des Kugelsegments, das von einem Kreiskegel aus einer Kugel des Radius r geschnitten Licht (im erweiterten Sinne Infrarot, sichtbarer Bereich, UV- wird, und dem Quadrat des Radius r. Da eine Kugel die Ober- Bereich), Röntgen- und Gammastrahlung sind unterschiedli- äche 4πr 2 besitzt, ist der zugehörige Raumwinkel 4π und che Arten von elektromagnetischen Wellen, die sich in ihrer der des Halbraums 2π. Frequenz und damit auch in ihren Wellenlängen unterscheiden. Von fundamentaler Bedeutung ist der Wellenlängenbe- Nachts und wenn die Sonne von Wolken verdeckt wird, ist reich von ca. 0,29 μm bis 100 μm. Er wird unterteilt in die I = 0 und der den Erdboden erreichende Anteil der solaren von der Sonne ausgehende kurzwellige Strahlung und die Strahlung besteht nur aus di¦user Himmelsstrahlung D. langwellige Strahlung der Erde und der Atmosphäre. Die Globalstrahlung G, die Summe aus direkter und (di¦u- Die kurzwellige (solare) Strahlung ser) gestreuter solarer Strahlung auf eine horizontale Ebene Sie stammt primär von der Sonne, macht etwa 98 % der ergibt sich aus Strahlung aus und liegt im Wellenlängenbereich von ca. 0,29 µm bis 4 µm, mit einem Energiemaximum bei 0,48 μm G = I + D im grün-blauen Bereich des sichtbaren Lichtes. = I0 · sin ␥ + D (14.2)

Bei der auf die Erde auftre¦enden kurzwelligen Strahlung die im globalen Mittel etwa 1,88 W m –2, d. h. nur noch 55 % ist zwischen direkter und indirekter Sonnenstrahlung zu der extraterrestrischen Strahlung beträgt. Bei Sonnenhö- unterscheiden. Letztere wird durch Streuung oder Re exi- hen von mehr als 50 ° besteht die Globalstrahlung zu ca. ¾ on an Luftmolekülen und Aerosolen beim Durchgang durch aus direkter Sonnenstrahlung, bei tiefen Sonnenständen die Atmosphäre hervorgerufen und erreicht die Erde aus (bis etwa 10 °) nur noch zu ca. ⅓. Ihr Tagesgang sowie ihre allen Himmelsbereichen als di¦use Strahlung. Daraus er- jahreszeitliche Veränderung erwärmen den Erdboden, der geben sich drei Arten kurzwelliger Strahlungsströme an der seinerseits entsprechend seiner Temperatur langwellig Erdober äche: ausstrahlt.

Die direkte (solare) Einstrahlung I. Die Sonne steht in Ab- Die Globalstrahlung drückt aus, wie viel Energie über die kurz- hängigkeit von der geographischen Breite und der Zeit nicht wellige Strahlung insgesamt an der Erdober äche ankommt. senkrecht, so dass sich die eintre¦ende Strahlung auf eine Daher ist sie die Eingangsgröße für die Photovoltaik. größere Fläche verteilt. Dadurch wird die Strahlungs ussdichte geringer, was sich nach dem Kosinusgesetz von Ermittelt ein Sensor die globale Strahlung G, die di¦use J. H. LAMBERT (1728–1777) wie folgt berechnen lässt: Strahlung D und den Elevationswinkel der Sonne, kann mit

(14.1) und (14.2) die direkte solare Strahlung I0 auf die Ho- I = I 0 · cos ␤ bzw. I = I0 · sin ␥ (14.1) rizontale als Di¦erenz aus Global- und di¦user Himmels- strahlung berechnet werden mit mit I = direkte solare Bestrahlungsstärke (W m –2)

I 0 = solare Bestrahlungsstärke auf eine senkrecht (14.3) zur Strahlungsrichtung stehende Fläche (W m –2) ␤ = Winkel (°) zw. der Senkrechten zur einfallenden Die kurzwellige Reexstrahlung R ist der an der Erdober- Strahlung und Emp»nger äche äche re ektierte Anteil der solaren Strahlung. Die Summe ␥ = Elevationswinkel (Winkel zwischen der Hori- der re ektierten Strahlung beträgt etwa 4 %. Sie lässt sich zontalebene und der Sonnenhöhe über dem ausdrücken durch Horizont, 90 ° bei senkrecht stehender Sonne) R = (1 – ␧ s)(I + D) (14.4) Abb. 14.1 Kosinusgesetz nach Lambert mit (1– ␧ s) = kurzwellige Re exionszahl r, der Albedo, wobei ␧ s = mittlerer kurzwellige Absorpti- onskoe¾zient ist.

Unter Albedo ist in der Meteorologie der von der Ober äche des Erdbodens re ektierte Anteil der einfallenden Sonnen- strahlung, in Prozent ausgedrückt, zu verstehen. Sie kann berechnet werden mit

(%) (14.5)

142 Mit (14.5) in (14.4) kann dann die kurzwellige Re exstrah- ultravioletten Bereich unterteilt in UV-A, UV-B und UV-C lung R wie folgt berechnet werden: (Tab. 14.1). Wegen der Absorption in der Atmosphäre (besonders in der Ozonschicht) dringt jedoch vor allen Dingen (14.6) UV-A- und wenig UV-B-Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb 0,3 μm bis zur Erdober äche vor. Die Albedo ist auch als Verhältnis von aufwärts- und abwärts- gerichteter Strahlungs ussdichte ␸ e (siehe 14.1.1) de¤niert. Der UV-B-Anteil der Globalstrahlung wird mit der Emp¤nd- Sie ist abhängig vom Sonnenstand, dem Wasserdampfgehalt, lichkeitskurve der Haut (Erythemfunktion de¤niert nach der Bewölkung und von der atmosphärischen Trübung. Ge- CIE [Commission Internationale de l’Éclairage, Wien] 1987) nerell haben helle Ober ächen eine hohe, dunkle eine nied- gewichtet, so dass aus dem UV-B-Messwert auf die Sonnen- rige Albedo wegen ihrer stärkeren Absorption. Einen beson- brandwahrscheinlichkeit geschlossen werden kann. ders hohen Wert hat Neuschnee mit bis zu 95 %. Natürliche Böden haben, abhängig von der Bescha¦enheit der Ober ä- Sehr kurzwelliges UV-C (0,1 bis 0,28 μm) gelangt nicht bis che wesentlich geringere Werte, teilweise nur etwa 5 %. zur Erdober äche, es wird in den obersten Luftschichten der Erdatmosphäre absorbiert und wirkt unterhalb etwa Das WIENsche Verschiebungsgesetz (Wilhelm Wien, 0,2 μm durch Photolyse des atomaren Luftsauersto¦s (O) 1864–1928) verknüpft die Ober ächentemperatur eines Ozon generierend mit einer Vielzahl anderer Folgereaktio- Körpers mit der Wellenlänge maximaler Strahlungsenergie nen. UV-Strahlung mit Wellenlängen unter 0,1 μm kommt ␣max . Es besagt, dass sich die Maxima der Strahlungsener- im Sonnenlicht nur mit sehr geringer Intensität vor. gie mit zunehmender Temperatur in den Bereich kleinerer Wellenlängen verschieben, d. h. das Produkt aus der Wel- Die wichtigste natürliche UV-Strahlenquelle ist die Sonne. lenlänge des Strahlungsmaximums und der absoluten Tem- Neben der Sonne senden auch andere kosmische Objekte peratur eines Hohlraumstrahlers ist konstant, also wie Pulsare, hochangeregte Gasmassen sowie die meisten Fixsterne UV-Strahlung aus. Natürliche Quellen sind wei-

␭ max ·T = kons tan t (14.7) terhin das Polarlicht und natürliche irdische UV-Quellen = 2,897 · 10–3 m K (Wiensche Konstante) sind Gewitterblitze und St.-Elms-Feuer. Gewöhnliches Fensterglas (Natron-Kalk-Glas) ist für einen großen Teil der mit T = Ober ächentemperatur (K) UV- Strahlen unterhalb von 0,32 μm (UV-B und UV-C) un- durchlässig. Für UV-A ist Fensterglas jedoch durchlässig. Es d. h. dass die Wellenlänge umgekehrt proportional zur Tem- gibt auch Spezialglas, das für längere ultraviolette Wellen peratur ist. Wird die Gleichung nach T aufgelöst, kann die durchlässig ist. Quarzglas ist für den gesamten natürlich Ober ächentemperatur, bspw.der Sonne (als Hohlraum- vorkommenden UV-Bereich transparent. Borosilikatglas strahler) berechnet werden (Jenaer Glas) lässt dagegen UV-Strahlung bis etwa 0,29 μm passieren. Strahlung unterhalb von 0,29 μm transmittiert K (14.8) z. B. durch natürliche oder synthetische Quarzkristalle und auch Quarzglas (Kieselglas). Eine wichtige Folge aus dem Wienschen Verschiebungsge- setz ist die Tatsache, dass sich die solare Strahlung auf den UV-Strahlung vermag organische Bindungen zu spalten, aber UV-, sichtbaren und nahen IR-Bereich beschränkt, während auch zu scha¦en. Es kann die Vernetzung von Monomeren die Erde und Atmosphäre fast ausschließlich im infraroten initiieren oder organische Bindungen zerstören. Viele Kunst- Bereich emittieren. sto¦e werden durch UV-Strahlung geschädigt (Trübung, Ver- sprödung, Zerfall). Obwohl die UV-Strahlung die niederener- Strahlt ein Körper über das gesamte Spektrum die maxi- getischste der ionisierenden Strahlungen ist, kann sie für mal mögliche Energie ab, nennt man ihn einen „Schwarzer den Menschen und andere Organismen ge»hrlich werden. Strahler“. Als solcher kann die Sonne angesehen werden, die Auch UV-Strahlung mit größerer Wellenlänge vermag bereits über den gesamten Wellenlängenbereich gem. dem Stefan- chemische Bindungen organischer Moleküle zu zerstören. Boltzmann-Gesetz (8.16) Wärmeenergie abstrahlt, die pro- Daher ist ein verantwortungsvoller Umgang mit Sonnenlicht portional zur 4. Potenz ihrer Ober ächentemperatur ist. (Sonnenschutz) angebracht. Auch der übermäßige Besuch von Solarien ist aus diesem Grund umstritten. Die einzige UV-Strahlung gut untersuchte positive Wirkung der UV-Strahlung besteht Im Spektrum der kurzwelligen Sonnenstrahlung ist zwi- darin, dass durch sie in der Haut die Bildung des Vitamins schen ca. 0,20 μm bis 0,38 μm die UV-Strahlung zu ¤nden, D3 ausgelöst wird. Für die Bildung der für die menschliche im Anschluss an das energiereiche (violette) Ende des sicht- Gesundheit erforderlichen Menge von Vitamin D3 reicht aber baren Lichts. Sie ist der energiereichste Teil der optischen bereits eine geringe Strahlungsmenge aus. Strahlung und macht etwa 7 % der extraterrestrischen Son- nenstrahlung aus. Wegen ihrer besonderen Bedeutung wird Der am Boden erwartete Tagesspitzenwert der sonnen- auch bei den Messprinzipien gesondert darauf eingegangen. brandwirksamen UV-Strahlung wird durch den international einheitlich festgelegten UV-Index (UVI) beschrieben. Die UV-Strahlung ist für den Menschen nicht sichtbar und Er beschreibt die sonnenbrandwirksame solare Bestrah- kann auch nicht mit anderen Sinnesorganen wahrgenom- lungsstärke, die von der Sonne während des Tages auf einer men werden. Nach DIN 5031, Teil 7 wird die Strahlung im horizontalen Fläche hervorgerufen wird und wird stets in

143 ganzen Zahlen in der Vorhersage und Warnung angegeben. Die langwellige Reexstrahlung RL bezeichnet somit den Der UVI hängt vor allem vom Sonnenstand ab; er ändert Anteil der Gegenstrahlung GS, der vom Erdboden wieder re- sich daher am stärksten mit der Jahreszeit und der geogra- ektiert wird ¤schen Breite. Er variiert auch mit der Höhe über NHN und der Wetterlage. R L = (1 – ␧) · GS (14.9)

Unmittelbar an den Bereich der UV-Strahlung schließt sich Abb. 14.2 Wellenlängenbereiche elektromagnetischer Strahlung die PAR (Photosynthetically Active Radiation), die photosynthetisch aktive Strahlung im Spektralbereich von 0,38 bis 0,70 μm. Sie deckt sich weitgehend mit dem sichtbaren Licht und ist ein wesentlicher Faktor für das Wachstum von P anzen (Chlorophyllbildung) und damit eine wichtige Größe in der Agrarmeteorologie (siehe 15.)

Solarkonstante Sie ist die Strahlungsleistung bezogen auf eine Emp»nger ä- che (W m –2) senkrecht zur einfallenden Strahlung am ¤ktiven „oberen Rand“ der Atmosphäre. Die Solarkonstante beträgt für den mittleren Abstand der Erde-Sonne im langjährigen Mittel 1367 W m –2. Die Erde emp»ngt diese Strahlungsleistung mit ihrem Querschnitt. Da sich die Erde dreht, verteilt sich Die in der Tabelle 14.1 zusammenfassend aufgeführten die Strahlungsleistung auf die Kugelober äche. Das Verhält- Strahlungsarten können durch Messung ermittelt werden. nis der Ober äche zur Querschnitts äche einer Kugel beträgt Die Strahlungsbilanz QS ist die Summe der auf eine Flä- 4 : 1, somit steht pro m2 Erdkugelober äche nur ein Viertel cheneinheit auftre¦enden kurz- und langwelligen Strah- der Solarkonstanten, d. h. ca. 342 W m –2 zur Verfügung . lung abzüglich der von dem Flächenelement ausgehenden Strahlung. Dabei ist die Globalstrahlung die bestimmende Der Begri¦ „Solarkonstante“ ist eine irreführende Bezeich- Größe in der Strahlungsbilanz. nung. Ihr Zahlenwert ändert sich durch verschiedene E¦ekte innerhalb unterschiedlicher Zeitskalen, in den Jahres- Tab. 14.1 Übersicht der messbaren Strahlungsarten zeiten – abhängig von der Entfernung Erde – Sonne – nach Bezeichnung Symbol neueren Messungen um ±3,3 % (~1310 W m –2 am 21. Juni und ~1398 W m –2 am 21. Dez.). Da sie auch in Abhängigkeit von der Solare (kurzwellige) Strahlung Sonnenaktivität schwankt, korrespondieren damit natürlich Direkte kurzwellige Strahlung I bedingte Klimaänderungen verschiedenen Ausmaßes. einschl. UV-Strahlung Diuse Himmelsstrahlung D Die langwellige Strahlung Sie be¤ndet sich im Bereich von 3,5 μm bis 100 μm ist vor Globalstrahlung G = I + D allem eine terrestrische Strahlung mit einem temperaturab- kurzwellige Reexstrahlung (Wiese) R hängigen Maximum bei etwa 10 µm, als Strahlung eines Strahlungsbilanz Q = G – R Körpers (Erde und Atmosphäre) mit ca. 300 K. Sie wird auf S Grund der Eigen(-temperatur)strahlung der atmosphäri- Terrestrische Strahlung schen Bestandteile auch als Wärmestrahlung oder thermi- Atmosphärische Gegenstrahlung GS sche Strahlung bezeichnet. Es werden dabei drei Kompo- nenten unterschieden: Ausstrahlung der Erdoberäche A

langwellige Reexstrahlung RL

Die atmosphärische Gegenstrahlung GS ist die langwellige langwellige Strahlungsbilanz QL = GS – A Strahlung der Atmosphäre (hauptsächlich durch Emission von Wolken, Wasserdampf und Kohlendioxid), die aus dem Sonnenscheindauer SD oberen Halbraum der Atmosphäre den Erdboden erreicht. Die Größe der Gegenstrahlung variiert räumlich und zeit- Als Strahlungshaushalt wird die Bilanz der ein- und ausge- lich sehr stark, was mit der WasserdampÎonzentration und henden Strahlung der Atmosphäre oder des Erdbodens be- dem Bewölkungsgrad in der Troposphäre, insbesondere mit zeichnet. Für die Atmosphäre ist die Bilanz negativ, d. h. es wird der Wolkenuntergrenze zusammenhängt. weniger kurzwellige Sonnenstrahlung absorbiert als langwellige Strahlung abgegeben. Die Erdober äche dagegen hat eine Die Ausstrahlung A der Erdober äche, die nach den Ge- positive Strahlungsbilanz. Die regionalen Unterschiede im setzen von Stefan-Boltzmann (8.16) und Kirchho¦ gegeben Strahlungshaushalt sind die Folge wechselnder Einstrahlungs- ist. Vielfach sieht man die Erdober äche im langwelligen verhältnisse und terrestrischer Parameter, die die Strahlungs- Bereich als schwarz an, da bei nichtmetallischen Körpern umsätze beein ussen. An der Erdober äche muss die Summe ␧ ≈ 1 ist. Der dadurch auftretende geringe Fehler wird meist der zu ießenden Energie gleich der Summe der ab ießenden durch die gleichzeitige Vernachlässigung der langwelligen sein, da eine Grenz äche (wie der Erdboden) keine Energie

Re exstrahlung RL kompensiert. speichern sondern Energie üsse nur umwandeln kann. Die

144 Summe aller Energie üsse an der Erdober äche muss daher Erdatmosphäre. Neben Aerosolen absorbieren einige Gasbe- Null ergeben. Die Umwandlung in Energie üsse hat als Folge standteile im Infrarotbereich, z. B. der Wasserdampf erheb- einen Wärmestrom in die Atmosphäre hinein. lich, da in mehreren Absorptionsbanden und das Kohlendi- oxyd wesentlich weniger, wodurch deren meteorologische Abb. 14.3 Spektrale Verteilung der Sonnenstrahlung Bedeutung für den sogenannten Treibhause¦ekt erklärt wird. Allerdings zeigt die thermische Gesamtwirkung von Wolken im terrestrischen Spektralbereich, gemittelt über den Globus über das ganze Jahr, dass die solare Abkühlung durch niedrige warme, optisch dicke Wolken wesentlich stärker (bis zu 99 %) ist als die Erwärmung durch optisch dünne und hohe Eiswolken mit nur etwa 16 %.

Die Absorption im UV-Bereich der solaren Strahlung durch Ozon ist Ursache für die Temperaturzunahme mit der Höhe im Bereich der Stratosphäre mit einem Maximum von ca. 0 °C an der Stratopause (ca. 50 km NHN).

Der Absorptionskoeµzient stellt ein Maß für die Abnah- Tab. 14.2 Wellenlängen bei Strahlungsmessungen in der Meteorologie me der Strahlungintensität beim Durchgang durch ein ab- sorbierendes Medium, z. B. die Atmosphäre dar. Er hängt Wellenlänge Bereich (μm) neben der Wegstrecke von der Wellenlänge und der chemischen Zusammensetzung des absorbierenden Mediums wird durch die Atmosphäre 0,100 – ab (Absorptionsbanden). Der Absorptionskoe¾zient wird UV-C absorbiert und erreicht nicht 0,280 häu¤g auch als Extinktionskoe¾zient bezeichnet, wenn die Erdoberäche die Strahlung beim Durchgang durch die Atmosphäre auch wird durch die Atmosphäre eine Schwächung infolge Streuung er»hrt. Diese Extinktion nur teilweise absorbiert; der Sonnenstrahlung wird durch das Gesetz von LAMBERT- UV-B 0,280 – 0,315 biologisch aktiv; verur- BOUGUER beschrieben. sacht Sonnenbrand auf der menschlichen Haut Durch die wellenlängenabhängige Streuung an Aerosol- durchdringt die Atmosphäre, teilchen, insbesondere Luftmolekülen (0,01 μm bis 10 μm), UV-A 0,315 – 0,380 biologisch nicht sehr aktiv deren Radius sehr klein gegenüber der Wellenlänge des 0,380 – Lichtes ist, verändert sich die Richtung der Strahlung in sichtbar von violett bis rot einer reinen und trockenen Atmosphäre nach dem Gesetz kurzwellig 0,780 von Rayleigh (siehe 10.2).

Wärmestrahlung (nahes 14.1.1 Strahlungsgrößen NIR 0,78 – 1,5 Infrarot) IR 1,5 – 3,0 Wärmestrahlung Zur Beschreibung der Strahlung werden (verwirrend) viele Strahlungsgrößen verwendet. Die hier aufgeführten und de- Wärmestrahlung, von der 3,00 – ¤nierten Größen sind im weiteren Verlauf nicht alle relevant. FIR Erde und der Atmosphäre 100,00 Die Energie- und Strahlungs üsse werden in der Meteorolo-

langwellig (Infrarot) abgestrahlt gie als Energie- und Strahlungs ussdichten dargestellt.

Die in die Atmosphäre eingehende Strahlung wird durch Basis für radiometrische Strahlungsgrößen ist die Strah- die gas- und partikelförmigen Sto¦e je nach Konzentration lungsenergie Qe , eine physikalisch klar de¤nierte Größe. mehr oder weniger geschwächt. Diesen Vorgang nennt man Sie stellt die Menge der emittierten, transmittierten oder Extinktion, die aus der Absorption, Streuung und Trans- absorbierten Strahlungsenergie dar. Die zeitliche Änderung mission besteht. der emittierten, transmittierten oder absorbierten Strah-

lungsenergie wird als Strahlungsuss ␾ e bezeichnet. Be- Die Absorption ist die wellenlängenabhängige Wechselwir- zieht man den Strahlungs uss auf eine beliebig orientierte kung zwischen Strahlung und Molekülen, bei welcher Strah- ebene Emp»nger äche, so ist damit die Strahlungsuss- lungsenergie in Wärmeenergie überführt wird. Den umge- dichte ␸ e (oft auch Irradianz bezeichnet) festgelegt [45]. kehrten Vorgang, die Emission thermischer Strahlung wird Sie wird von diesen Größen am häu¤gsten verwendet, von nach dem Gesetz von Stefan-Boltzmann (8.16) beschrieben. manchen Autoren auch als Strahlungs uss bezeichnet. Sie ergibt sich aus der Globalstrahlung G, di¦user Himmels- Die Absorption von Sonnenstrahlung an der Erdober äche strahlung D und re ektierter Sonnenstrahlung R. Da die ist Ursache für die unterste Heizschicht der Atmosphäre Strahlungsenergie Qe, die auf eine bestimmte Fläche AE als Energiequelle für alle atmosphärischen Bewegungsvor- auftri¦t, betrachtet wird, hängt die Strahlungs ussdichte gänge. Absorption und Streuung bewirken eine Extinktion vom Winkel der einfallenden Strahlung, also vom Kosinus (Schwächung) solarer Strahlung beim Durchgang durch die des Einfallswinkels (14.1) ab. Der zusätzliche Bezug auf den

145 Raumwinkel (in der Einheit Steriant, sr) ergibt die Strahl- Anstelle der Angaben der energetischen Einheit Bestrah- –2 dichte Le (auch Radianz genannt). Die direkte solare Be- lungsstärke Ee in W m wird die Beleuchtungsstärke Ev in strahlungsstärke Ee, die momentane Strahlungsintensität Lux (lx) angegeben. Sie ist keine strahlungsphysikalische De ist die Strahlungsenergie, die pro Zeiteinheit auf ein Flä- Größe, sondern eine von zahlreichen photometrischen chenelement AE »llt, kann wie folgt berechnet werden (subjektiven) Größen, die die Emp¤ndlichkeit des menschlichen Auges berücksichtigen, da sie sich auf den sichtba- (14.9) ren Bereich des Strahlenspektrums bezieht. Im Index e unterscheiden sich die allgemeinen strahlungsphysikalischen –2 mit De = Strahlungsintensität (W/m ) Größen von den lichttechnischen Größen; Formelzeichen ␾ e = Strahlungs uss (W) und De¤nitionen stimmen überein. Der Umrechnungsfak- 2 A E = Emp»nger äche (m ) tor zwischen beiden Einheiten – das photometrische Strah- lungsäquivalent – ändert sich mit der von der Wellenlänge Umgekehrt kann mit (14.9) die von einer strahlenden Flä- abhängigen Emp¤ndlichkeit des menschlichen Auges. che AE emittierte Strahlungsenergie berechnet werden, die dann als spezi¨sche Ausstrahlung Re bezeichnet wird. Die Die Angabe der Wellenlängen erfolgt in dieser Beschreibung Bestrahlung He ist die Summe von Bestrahlungsstärken EE, durchgehend in Mikrometer (μm). Da in der Literatur häu¤g auch Strahlungssumme genannt, die in einem bestimm- auch die Angabe Nanometer (nm) verwendet wird, wird auf ten Zeitraum (je nach Länge des gewählten Zeitintervalls die Umrechnung nach Tabelle 4.1 verwiesen. spricht man von Stunden-, Tages- oder Monatssummen) auf ein Flächenelement AE ein»llt. 14.2 Allgemeine Messprinzipien

14.1.2 Maßeinheiten der Strahlung 14.2.1 Messprinzipien für die Messung der Sonnenschein- dauer Tabelle 14.3 beinhaltet die Strahlungsgrößen mit ihren ent- prechenden Maßeinheiten. In der Meteorologie ist von Sonnenscheindauer die Rede, wenn die direkte Strahlung senkrecht zur Sonne einen be- Tab. 14.3 Zusammenstellung der Strahlungsgrößen stimmten Schwellenwert übersteigt. Bei der WMO und auch beim DWD beträgt der Wert 120 W m –2, bei MeteoSchweiz Strahlungsphysi- Symbol Maßeinheit –2 kalische Größen hingegen 200 W m . Diese Diskrepanz ist historisch bedingt und beruht auf der Tatsache, dass die langjährigen Klima- Strahlungsenergie Qe J = W · s reihen der Sonnenscheindauer mit dem historischen Wert –1 Strahlungsuss ␾e W (1 W = 1 J s ) erhalten bleiben sollen. Strahlungsussdichte ␸ W · m –2 e Wie bereits erwähnt, stellt die Messung der tatsächlichen Son- –2 –1 Strahldichte Le W · m sr nenscheindauer keine Strahlungsmessung im eigentlichen –1 –2 –2 Sinn dar. Dennoch können diese Geräte zu den Strahlungs- Bestrahlungsstärke Ee J s cm , W · m messgeräten gezählt werden, da ihr Messprinzip auch auf der Bestrahlung H J · m –2, W · s m –2 e Wärmewirkung der Strahlung beruht. Die Sonnenscheindauer

spezi¡sche –2 wird vor allem nach folgenden Prinzipien gemessen: Me W · m Ausstrahlung 1. Bündelung der einfallenden Sonnenstrahlung durch eine Photometrische Glaskugel und Erzeugung einer Brennspur auf einem Pa- Größe pierstreifen. Ermittlung der Sonnenscheindauer aus der Länge der Brennspur. Beleuchtungsstärke E lx = 1 lm ·m –2 v 2. Messung der aus einem schmalen Himmelssektor einfallenden Strahlung durch eine rotierende Schlitzblende. Die Während die Maßeinheit für die Energie Joule (J = W · s) und für direkte Sonnenstrahlung erzeugt dabei eine periodische die Leistung Watt (W=J · s –1) ist, wird die Strahlung ussdichte in Folge von Impulsen. Die Ermittlung der Sonnenscheindau- W · m –2 angegeben. Damit hat diese „scheinbar“ keinen Zeitbe- er erfolgt durch Zeitzählung, wenn die Impulshöhe einen zug. Die exakte Einheit wäre n. Foken [6] J · s –1 · m –2. vorgegebenen Wert überschreitet, bzw. durch Impulszäh- lung bei Überschreitung eines vorgegebenen Wertes bei In den De¤nitionen der Strahlungsgrößen wurde keine bekannter und konstanter Rotationsgeschwindigkeit. Rücksicht auf die spektrale Verteilung (Wellenlängenab- 3. Messung der direkten Sonnenstrahlung mit einem Pyrhe- hängigkeit) der Strahlung genommen. Werden diese Strah- liometer, welches durch Zeitzählung die Sonnenschein- lungsgrößen zusätzlich auf ein Wellenlängenintervall nor- dauer ermittelt, wenn der Schwellenwert von 120 W m –2 miert, so wird die resultierende Größe spektral bezeichnet. überschritten wird. Da ein Pyrheliometer auch ein reines Dem Formelzeichen wird dann der Index ␭ hinzugefügt. So Strahlungsmessgerät ist, ist es unter 14.4.2 beschrieben. wird z. B. die spektrale Strahldichte Le␭ in Einheiten von –2 –1 W m sr1 nm , die spektrale Strahlunsgussdichte ␸e␭ in Einheiten W m –2 nm –1 von gemessen [34].

146 14.2.2 Messprinzipien für die Messung kurz- und langwel- Es existieren auch Messgeräte, die nur die direkte und dif- liger Strahlung und Globalstrahlung fuse UV-Strahlung messen. Dabei wird zwischen Breitband- geräten, die das gesamte UV-Spektrum und Schmalbandge- Die wichtigsten Strahlungsmessgeräte beruhen auf dem räten, die nur einen engen Wellenlängenbereich im UV-A Prinzip der Umwandlung der Strahlungsenergie kurz- und oder UV-B erfassen unterschieden. langwelliger Strahlungsgrößen in Wärmeenergie. Dabei werden verschiedene Messprinzipien angewandt, die letzt- Interessiert die Strahlung, die von einem Detektor empfan- lich auf einer thermometrischen Methode oder auf ihrer gen wird, der unter einem bestimmten Winkel zur strah- photoelektrischen Wirksamkeit beruhen, d. h. auf dem lenden Ober äche steht und dabei einen Raumwinkel ein- Prinzip der strahlungsbedingten Erwärmung und somit nimmt, muss die Winkelverteilung der Strahlung bekannt Temperaturerhöhung einer Emp»nger äche. sein, um den Bruchteil der emittierten Gesamtstrahlung zu berechnen, den der Detektor emp»ngt. Die Messprinzipien sind 1. Strahlungsmessung durch Verwendung der Wärme Grundsätzlich ist die Messung der kurzwelligen Strahlung eines bestrahlten Körpers zur Phasenumwandlung einfach, da das Messgerät nur in Richtung Sonne ausgerich- (schmelzen, verdampfen) einer mit dem Körper verbun- tet werden muss. Anders ist es bei der Messung der langwel- denen, thermisch gut leitenden Substanz. ligen Strahlung, da dabei immer auch die langwellige Eigen- 2. Strahlungsmessung durch die auftretende Temperatur- strahlung des Messgerätes berücksichtigt werden muss. di¦erenz zwischen einer beschienenen, geschwärzten Thermosäule (Strahlungsemp»nger) und einer zwei- Die Messfühler von Strahlungsmessgeräten müssen sehr ge- ten Thermosäule oder eines Thermometers, welche der nau ausgerichtet sein und es muss eine Kosinuskorrektur an- Sonnenstrahlung nicht ausgesetzt ist und auf Lufttem- gebracht werden, da die Bestrahlungsstärke nicht exakt dem peratur gehalten wird. Kosinus der Sonnenhöhe folgt. Ursachen dafür sind die un- 3. Strahlungsmessung durch Vergleich der elektrischen terschiedlich starken Kalotten und Hauben und die Schicht- Heizleistung die benötigt wird, einen unbestrahlten dicke der Atmosphäre, die von der Strahlung durchdringt Vergleichskörper auf dieselbe Temperatur wie die be- wird, die wiederum von der Sonnenhöhe abhängt [6]. schienene Thermosäule zu bringen. 4. Strahlungsmessung mittels Photozellen zur Messung 14.3 Sensoren / Messgeräte für die Sonnenscheindauer der auftre¦enden Strahlungsenergie und Berechnung der Strahlungswerte. 14.3.1 Sonnenscheinautograph (n. Campbell-Stokes)

Als Strahlungsemp»nger (Messfühler) werden bei kalo- Das einfachste Gerät zur Messung der tatsächlichen Son- rischen Strahlungsmessgeräten häu¤g Thermoelemente nenscheindauer eines Tages ist der Sonnenscheinauto- bzw. Thermosäulen (siehe 8.3.2.3) zur Messung der Ober- graph (Heliograph) nach Campbell-Stokes. Eine Glaskugel ächentemperatur des Strahlungsemp»ngers eingesetzt, als Sammellinse ist von einer konzentrischen Kugelscha- der aus einer geschwärzten (im physikalischen Sinne ein le umgri¦en ist, in die Kerben zum Einschieben von Re- schwarzen Körper) Metallplatte (Empfangs äche von ak- gistrierpapierstreifen eingefräst sind. Diese Kugelschale tiven Lötstellen) von nur ca. 1 cm2 Fläche besteht und die ist genau im Brennpunkt der Kugel montiert, sodass eine einfallende Strahlungsenergie nahezu unabhängig von der Brenn- oder Bräunungsspur auf einem Registrierstreifen, Wellenlänge fast vollständig absorbiert, d. h. in Wärme- der durch die Erdrotation an der Sonne vorbei geführt wird, energie umgewandelt. Diese Empfangs äche steht über erzeugt wird. Durch die Änderung des Einfallswinkels der ein Material von de¤nierter thermischer Leit»higkeit im Sonnenstrahlung im Laufe eines Tages wandert der Brenn- thermischen Kontakt zum Metallgehäuse des Gerätes oder punkt auf einer bestimmten Linie und die Länge dieser Spur zu einer passiven Lötstellen innerhalb des Gerätes, so dass ist ein Maß für die Sonnenscheindauer. Die im Halbstun- sich im stationären Fall eine Temperaturdi¦erenz zwischen denintervall aufgedruckte Zeitskala (in WOZ) erlaubt eine Sensor äche und Gehäuse ausbildet. Durch die dabei auf- Auswertung mit einer Genauigkeit von 0,1 Stunden. tretende Temperaturdi¦erenz aufgrund der unterschiedlichen Erwärmung von Mess äche und Gehäuse entstehen Abb. 14.4 Sonnenscheinautograph n. Campbell-Stokes (schematisch) Thermospannungen (siehe 8.2.2), die direkt proportional zur empfangenen Bestrahlungsstärke sind.

In neueren Sensoren werden Photozellen zur Messung der Strahlung eingesetzt. Mit diesen wird die photoelektrische bzw. photochemische Wirksamkeit der kurzwelligen Strah- lung benutzt. Die Umrechnung der photometrischen Ein- heiten in energetische ist nur mit beschränkter Genauigkeit möglich, weil in der Photometrie die Wirkung der Strah- lungsenergie auf das menschliche Auge gemessen wird, d. h. dass nur der Teil des Spektrums berücksichtigt wird, in dem das Auge emp¤ndlich ist (siehe auch 14.1.2).

147 Im Sommer steigt die Sonne höher als im Winter, weshalb Abb. 14.7 Aufzeichnung der Sonnenscheindauer für jede Jahreszeit ein anders geformter Streifen benötigt wird (Abb. 14.6). Der Verlauf der Sonnenbahn hängt auch von der geographischen Breite des Messortes ab, daher muss die Kugelschale mit dem Registrierpapier durch Kip- pen darauf abgestellt werden.

Die Bedienung des Messgerätes besteht im Wesentlichen im täglichen Auswechseln der Registrierstreifen nach Sonnen- untergang. Auch wenn keine Brennspur zu erkennen ist, muss ein neuer Streifen für den nächsten Tag eingeschoben werden. Hierbei ist zu beachten, dass der 12-Uhr-Strich des Streifens mit der 12 Uhr Markierung der Kugelschale über- einstimmt und der der Jahreszeit entsprechende Streifen Pege und Kontrolle der Funktionstüchtigkeit • unten für Sommer vom 15.4.–31.8. (lang und gekrümmt) Die P ege des Sonnenscheinautographen beschränkt sich • Mitte für Frühjahr/Herbst vom 1.3.–14.4. und 1.9.–14.10 auf die Reinhaltung der Glaskugel. Verschmutzungen durch (gerader Streifen) Staub und Vogelkot müssen umgehend beseitigt werden. • oben für Winter vom 15.10.–28./29.2. (kurz und ge- Auch starkes Haftwasser nach Niederschlägen muss mit der krümmt) Hand oder einem elastischen Schaber vorsichtig abgewischt aufgelegt wird. werden. Bei negativen Temperaturen müssen Ablagerungen von Reif, Schnee und Eis beseitigt werden, da feuchtes Regis- Abb. 14.5 Sonnenscheinautograph n. Campbell-Stokes (Foto: Lambrecht) trierpapier den Einbrennvorgang verzögern kann.

Bei Bergstationen ist es ratsam, dem Ansatz festen Niederschla- ges durch Einreiben der Kugel mit Glysantin o. a. vorzubeugen. Hat sich trotzdem an der Kugel ein Beschlag gebildet, kann dieser erforderlichenfalls auch mit Spiritus entfernt werden.

Die Funktionstüchtigkeit ist gegeben, wenn die Glaskugel sauber ist und der richtige Registrierstreifen eingelegt ist. In den Einschüben für die verschiedenen Registrierstreifen setzt sich Asche ab, die in Verbindung mit Feuchtigkeit zu einer festen Kruste werden kann. Wenn dann beim Einschie- ben des Streifens ein größerer Widerstand bemerkt wird, müssen die Führungsnuten für die Streifen gereinigt werden. Die Schale ist an der Position für 14 Uhr mit drei Löchern versehen. Durch eines dieser Löcher wird von der Rückseite 14.3.2 Sensoren für die Sonnenscheindauer her der mit einer Kette an das Messgerät angehängte Me- tallstift soweit eingeführt, dass er auch den Papierstreifen Sonnenscheindauersensor Typ SONIe3 durchsticht und in ihm festsitzt. Hierdurch wird ein Verrü- Der DWD setzt zur Messung der Sonnenscheindauer (An- cken des Streifens durch starken Wind verhindert, außer- gabe in min) den Sensor Pyrheliometer SONIe3 (n. Lindner/ dem lässt die Einstichstelle später erkennen, ob der Streifen Hülsen) ein. Er wurde beim DWD (Hamburg) entwickelt und die vorschriftsmäßige Lage gehabt hat. wird von der Fa. Siggelkow Gerätebau GmbH, Hamburg hergestellt. Das Signal des SONIe3 wird auch zur Bestimmung –2 Abb. 14.6 Registrierstreifen des Sonnenscheinautographen der direkten solaren Bestrahlungsstärke Ee (W m ) verwendet. Damit ist SONIe3 ein vollautomatisch arbeitendes, elektronisches Sonnenscheindauer- und Sonnenenergiemessgerät.

SONIe3 tastet die direkte Bestrahlungsstärke der Sonne sowie des Himmels durch eine angetriebene, rotierende Schlitzblen- de mit einer Umdrehungsdauer von rund 6 s kontinuierlich ab. Durch den in einer halbkugelförmigen Kuppel aus glasfaserver- stärktem und wetterbeständigem Kunststo¦ mit einem Durch- messer von 32,5 mm senkrecht verlaufenden, nur 0,3 mm breiten Schlitz gelangt im Gegensatz zur direkten Sonnenstrahlung, die bei jeder Umdrehung einmal kurzfristig auf das Ende des Die Brennspur der Sonne läuft von Westen nach Osten, mitgeführten rotationssymmetrischen Lichtleiters tri¦t, nur weshalb auf ein korrektes Einführen der richtigen Streifen sehr wenig di¦use und re ektierte Strahlung in das Kuppelinne- zu achten ist. Bei den geraden Streifen ist die richtige Lage re. Im Zentrum dieser Kuppel be¤ndet sich der Lichtleiterkopf durch den Aufdruck „unten“ gekennzeichnet. eines gebogenen Lichtleiterstabes aus Plexiglas, der das Licht unabhängig vom Einfallswinkel in den Lichtleiter re ektiert.

148 Abb. 14.8 Prinzipaufbau SONIe3 (Siggelkow Gerätebau GmbH) Ausgang Analog 0 bis 12 V DC = 0 bis 1200 W m –2 Ausgang Sonne Nein = < 0,6 V, Ja = 4,5 bis 5 V Ja/Nein (Schwelle 120 W m –2) Versorgung 11 bis 28 V DC Temperaturbereich –30 bis +50 °C Heizung thermostat- 3 W, Schaltpunkt ca. 15 bis 20 °C gesteuert

Abbildung 14.10 zeigt eine Aufzeichnung der Sonnenstrah- lung und des Sonnenscheinpegels mit SONIe3. Gegenüber dem unteren Ende des Lichtleiters be¤ndet sich eine Photodiode zur Messung der eingefallenen Strahlung. Abb. 14.10 Gra¯sche Darstellung der Sonnenstrahlung und des Son- Dort wird das verstärkte Signal von einem Spitzenwertspei- nenscheinpegels (Siggelkow Gerätebau GmbH) cher übernommen und über einen Schwellenwertschalter als Ja/Nein-Aussage bezüglich der Sonnenscheindauer in Form von 0 bis 4,5 V ausgegeben, aus der die solare Bestrah- lungsstärke bestimmt wird. Die Ausgabe der Mittelwerte erfolgt standardmäßig als 10 min-Mittelwerte.

Abb. 14.9 SONIe3 auf der Zugspitze (Foto: Lö¹er)

Kuppel und Lichtleiter werden durch einen Elektromotor in Rotation um eine senkrechte Achse versetzt, wobei zusätz- lich eine Blende zur Überwachung des Nullpunktes bewegt wird. Die Kuppel wird von einer Glashaube überwölbt, die Niederschlag und Schmutz abhalten soll. Zur Vermeidung von Schnee- und Reielag ist der Sensor mit einer thermo- statgesteuerten Heizung ausgestattet. Mit einem Ö¦nungswinkel der Schlitzblende zwischen den Randstrahlen von 1,2 ° x 90 ° (Azimut x Höhe) entfallen jeg- Pege und Kontrolle der Funktionstüchtigkeit liche Aufstellungsprobleme, da die Sonne innerhalb einer Die P ege und Wartungsarbeiten beschränken sich auf die Rotation in den Schlitz scheinen kann. Daher muss im Ge- Kontrolle der Datenqualität. Im Winter sollte die Funktion gensatz zu anderen Messgeräten zur Bestimmung der Son- der Beheizung kontrolliert werden. Gelegentlich kommt es nenscheindauer dieser Sensor nicht nach der Sonne aus- vor, dass die Schutzhaube aus Glas verschmutzt und dann gerichtet werden. Er eignet sich deshalb ideal auch für den gereinigt werden muss. Einsatz auf Schi¦en, da er nicht kardanisch aufgehängt sein muss. So ist er u. a. auch auf der FS METEOR (siehe 19.5.6.2) Sonnenscheindauersensor CSD 3 im Einsatz. Ein weiterer Sonnenscheindauersensor ist der CSD 3 der Fa. Kipp & Zonen, der für den Dauereinsatz im Freien ausgelegt Tab. 14.4 Spezi¯kationen Sonnenscheindauersensor SONIe3 ist und daher auch an den mobilen Messeinheiten des DWD (Siggelkow Gerätebau GmbH) (siehe 19.5.4) verwendet wurde. optoelektronisch, Prinzip Messung der direkten Strahlung Der Sensor hat keine beweglichen Teile und ist mit 3 Pho- todioden (siehe 6.3) mit speziell entwickelten Di¦usoren Messbereich 0 bis 1200 W m –2 (Streuscheiben) ausgestattet, um eine analoge Anzeige von Genauigkeit ±5 % vom Messbereich Sonnenschein ≥120 W m –2 zu erhalten. Der Sensorausgang schaltet zwischen 1 = high und 0 = low und signalisiert dann Ansprechschwelle 10 W m –2 „sonnig“ oder „nicht sonnig“. Der aktuelle Wert der direkten Spektraler Bereich 0,4 bis 1,1 μm Strahlung steht ebenfalls zur Verfügung. Auösung 1/100 s

149 Abb. 14.11 Sensor CSD 3 (Kipp & Zonen) den beschriebenen Geräten unterscheiden. Die Einteilung (Tab. 14.6) soll bei der Vielfalt der Geräte zur Übersichtlich- keit beitragen.

Tab. 14.6 Übersicht über die Strahlungsmessgeräte und ihre Verwendung Strahlungsart Messgeräte Zusätzliche Messung +Globalstrahlung Pyranometer +Sonnenscheindauer Aktinometer Pyrheliometer* auch SONIe3

kurzwellig μm) (0,29–3,0 Albedometer Pyrgeometer Pyrgeometer-Bilanz- messer Tab. 14.5 Spezi¯kationen Sonnenscheindauersensor CSD 3 (Kipp & Zonen) IR-Strahlungsbilanz-

langwellig μm) (3,00–10,0 messer Spektralbereich 0,40 bis 1,10 μm Radiometer Signal für Sonnenschein 1 ±0,1 V bei >120 W m –2 Signal für kein Sonnenschein 0 ±0,1 V bei <120 W m –2 Pyrradiometer Genauigkeit der Sonnen- > 90 % über den ganzen Strahlungsbilanz- scheindauer Monat messer 1 mV pro W m –2 direkter +Globalstrahlung Analoges Ausgangssignal SCAPP Strahlung und langwellig kurz- +Sonnenscheindauer * Pyrheliometer sind i.A. Absolutgeräte, alle anderen sind Relativgeräte Genauigkeit der D >90 % bei klarem Himmel irektstrahlung Die Bezeichnungen der meisten, nachfolgend beschriebe- Stabilitätsabweichung <2 % pro Jahr nen meteorologischen Strahlungsmessgeräte leitet sich aus Temperaturabhängigkeit <0,1 % K –1 dem Wort Pyrometrie = Strahlungsmessung ab.

Ansprechzeit <1 ms Bei einem Gerät für die kurzwellige Strahlung enthält ein Einsatzbereich –40 bis +70 °C, 0 bis 100 % (Spezial-) Glasmaterial einen Filter, der alle anderen Wel- lenlängenbereiche heraus¤ltert, so dass nur die kurzwel- Heizung Stufe 1 (Betauung verhindern) 1 ±0,1 W bei 12 V DC lige Strahlung aus dem oberen Halbraum, durch Streuung Stufe 2 10 ±0,1 W bei 12 V DC und Re exion, auf die geschwärzte Fläche auftri¦t. (Schnee/Eis entfernen) 14.4.1 Pyranometer Stromversorgung 12 V DC Pyranometer messen die Gesamtglobalstrahlung (G = I+D) Ein weiterer Sensor für die Sonnenscheindauer ist das Son- von IR bis UV, also die Summe aus der einfallenden (kurz- nenscheinpyranometer SPN1 (siehe 14.4.1) welligen) direkten I und der re ektierten di¦usen Strahlung D im Bereich von etwa 0,3 μm bis 3,0 μm aus dem oberen 14.4 Sensoren/Messgeräte für die kurzwellige Strahlung Halbraum. Ein Pyranometer ist also ein Sensor zum Messen –2 und Globalstrahlung der Strahlungs ussdichte ␸e (W m ) der Sonne auf ebenen, horizontal ausgerichteten Empfangs ächen mit einem Die Klassi¤kation von Strahlungsmessgeräten kann hin- Sichtfeld von 180 °. Zur Messung der Global- und der di¦u- sichtlich ihrer technischen Möglichkeiten erfolgen, d. h. sen Himmelsstrahlung sind die Strahlungsemp»nger zum der Erfassung von kurzwelliger, langwelliger oder beider Himmel und im Fall der Re exstrahlung RL zum Erdboden Strahlungsarten und ob sie nur die Strahlung aus dem obe- gerichtet. ren Halbraum oder nur aus dem unteren Halbraum erfassen. Messtechnisch besteht aber die Möglichkeit, je nach Die Hauptkomponenten eines Pyranometers sind: Aufstellung der Geräte sowohl den oberen als auch den un- • das thermoelektrische Sensorelement (Thermosäule) als teren Halbraum gleichzeitig zu erfassen. geschwärzte oder auch schwarz-weiße Empfangs äche, • eine oder zwei Glashauben, die die Empfangsfläche Nachfolgend werden die Sensoren/Messgeräte für Strah- konzentrisch gegen Konvektion, Regen, Staub und lungsmessungen beschrieben, die zur Zeit der Bearbeitung Windein uss schützten, des vorliegenden Leitfadens im praktischen Betrieb einge- • das Gehäuse, das häu¤g zusätzlich durch einen ringförmi- setzt waren. Für einige Geräte gibt es bereits Nachfolgemo- gen Schirm geschützt ist und als thermische Referenz dient delle, die sich oft nur durch wenige technische Details von

150 Der Auau unterschiedlicher Pyranometer variiert, gleich Abb. 14.12 Pyranometer CM21/CM22 (Kipp & Zonen) bleibt jedoch das Messprinzip. Bei der Konstruktion dieser Geräte wird Wert darauf gelegt, dass sie das Kosinusgesetz (14.1) im Wesentlichen – mit Abweichungen eventuell bei geringen Sonnenhöhen – erfüllen. Wie bereits unter 14.1.2 erläutert, ist für eine Strahlungs ussdichte- oder Irradiati- onsmessung das Richtungsverhalten proportional zum Ko- sinus des Einfallswinkels; also maximaler Response, wenn die Strahlung senkrecht auf den Sensor »llt (senkrecht zur Fläche, Sonne im Zenit, 0 ° Einfallswinkel), null Response bei einem Einfallswinkel von 90 ° und 0,5 bei 60 °. Hieraus folgt, dass ein Pyranometer eine sogenannte „directional response“ oder „cosine response“ haben sollte, der nahe bei der idealen Kosinuscharakteristik liegt. Diese Pyranometer Um ein Erwärmen des Pyranometerkörpers durch Sonnen- entsprechen dem ISO 9060-Standard, der durch die WMO strahlung und daraus resultierende Wärmeleitung zum anerkannt ist. Die ISO 9060 unterscheidet drei (Genauig- Messfühler zu verhindern ist er mit einem Strahlungs- keits-) Klassen: schutzschirm versehen, der von innen nach außen leicht • Sekundärstandard (secondary standard) geneigt ist, um ein Ablaufen des Regenwassers zu ermögli- • Erste Klasse (first class) chen. Zur exakten Horizontausrichtung der Emp»nger ä- • Zweite Klasse (secondary class) che, die mittels verstellbaren Füßen vorgenommen werden kann, be¤ndet sich eine Libelle am Pyranometer. In dieser internationalen Norm sind die Spezi¤kationen de¤niert, die eine Vergleichbarkeit der Messwerte garan- Abb. 14.13 Pyranometer CM21 schematisch (Kipp & Zonen) tieren sollen. Es werden Ausführungen vom wissenschaftlichen Präzisionsmessgerät bis zu Sensoren für Routine- Messaufgaben klassi¤ziert. Diese Spezi¤kationen bedeuten auch, dass die geforderten Daten bisher nur durch Einsatz von thermoelektrischen Sensoren mit ihrer gleichmäßigen, unselektiven, spektralen Emp¤ndlichkeit erreicht werden (siehe 14.2.2). Instrumente, die die o. g. Spezi¤kationen nicht einhalten, sind demnach keine Pyranometer, und müssen demzufolge auch anders bezeichnet werden. Üb- lich ist hier zum Beispiel die Bezeichnung Silizium-Pyrano- meter. Bei Silizium-Pyranometer ist eine spezielle Silizium- Fotodiode das Sensorelement. Der erfasste Spektralbereich liegt etwa zwischen 0,35 bis 1,00 μm. Silizium-Fotodioden sind Halbleiter- Dioden, die sichtbares Licht, oder auch IR-, UV in elektrischen Strom umwandeln. Tab. 14.7 Spezi¯kationen Pyranometer CM21/22 (Kipp & Zonen) Pyranometer CM21/CM22 CM21 CM22 Die Pyranometer der Typenreihe CM und CMP der Fa. Kipp & Zonen entsprechen den Forderungen der ISO 9060, so- ISO Klassi¡kation Secondary standard wie den WMO Richtlinien. Als Sensorelement wird eine Spektralbereich (50% 0,305 bis 0,200 bis Thermosäule verwendet, die je nach Typ aus rotations- Punkte) 2,80 μm 3,60 μm symmetrisch angeordneten Thermoelementen besteht, die Impedanz 40 bis 100 Ω 10 bis 100 Ω elektrisch in Serie geschaltet sind. Zwei halbkugelförmige Glashauben (Schott Glas K5, 2 mm dick) schützen gegen Ansprechzeit <5 s (95 %), 12 s (99 %) Witterungsein üsse, lassen aber die Strahlung im Bereich Nichtlinearität <±0,2 % von etwa 0,3 μm bis 3 μm zur geschwärzten Mess äche (0 bis 1000 W m–2 durch. Die äußere Kalotte soll das Innere vor Verschmut- Sichtfeld 180° zung und Witterungsein üssen, die innere Kalotte vor einem Wärmeaustausch zwischen Thermosäule und äußerer Thermosäulenausgabebe- –250 bis Kalotte bei deren plötzlicher Abkühlung z. B. durch Nieder- reich +250 W m –2 schlag schützen. Um ein Beschlagen der Kalotten von innen Temperaturabhängigkeit der –20 bis –20 bis +50 °C zu verhindern, werden seitlich in den zylinderförmigen Py- Emp¡ndlichkeit +50 °C ±1 % ±0,5 % ranometerkörper Trockenmittelpatronen eingesetzt. Emp¡ndlichkeit μV pro W 7 bis 17 7 bis 14 m –2 Maximale Strahlungsauf- 4000 W m –2 nahme Einsatzbereich –40 bis +80 °C

151 Zur Messung der di¦usen Himmelstrahlung wird die di- Tab. 14.8 Spezi¯kationen Pyranometer CM11 (Kipp & Zonen) rekte Sonnenstrahlung mittels eines Schattenringes ausge- ISO Klassi¡kation Secondary Standard blendet. Er ist an zwei sich genau im Osten bzw. Westen des Pyranometers be¤ndende Streben, die gegen die Horizon- Messbereich 0 bis 1400 W m –2 tale um den Betrag der geographischen Breite des Aufstel- Spektralbereich 0,305 bis 2,80 μm lungsortes geneigt sind, montiert. Ansprechzeit 12 s (95 %), 24 s (99 %)

Abb. 14.14 Pyranometer CM21 mit Schattenring (Kipp & Zonen) Nichtlinearität < 1000 W m –2 ±0,6 % Impedanz 700 bis 1500 Ω Sichtfeld 180 ° Temperaturabhängigkeit der –10 bis +40 °C ±1 % Emp¡ndlichkeit Emp¡ndlichkeit 4 bis 6 μV pro W m –2 Maximale Strahlungsauf- 4000 W m –2 nahme Einsatzbereich –40 bis +80 °C

Abb. 14.16 Registrierung eines Pyranometers v. 27.04.2010 am MOL

Die Thermosäule muss sich genau in der Mitte des durch den Schattenring beschriebenen Kreises be¤nden. Bei präziser Aufstellung ist die gedachte Linie „Thermosäule höchster Punkt des Schattenringes“ exakt Nord-Süd ausgerichtet und die Thermosäule wird während des ganzen Ta- ges vollständig beschattet.

Da ein Teil der di¦usen Strahlung auch auf den Schatten- ring »llt, müssen die Messwerte korrigiert werden. Eine entsprechende Tabelle ist im Lieferumfang des jeweiligen Gerätes enthalten. Wegen der Änderung der Sonnenhöhe In der Meteorologie, Klimatologie und der ZAMF Braun- zwischen Winter- und Sommersonnenwende um 47 °, ist schweig werden Pyranometer eingesetzt, aber auch bei der Schattenring regelmäßig, entsprechend dem Tagbogen der Forschung zur Solarenergie und in der Bauphysik. An (nach WOZ) der Sonne nachzuführen. 115 Stationen des DWD mit Strahlungsmessungen werden die verschiedenen Typen von Pyranometern CM21, Pyranometer CM11 CM22, CM11, CM6b der Firma Kipp & Zonen und PSP, des Das Ausgangssignal (mV) dieses Pyranometers der Fa. Kipp Herstellers Eppley eingesetzt. Davon messen alle die Glo- & Zonen ist mittels Kalibrierfaktor direkt proportional der balstrahlung, 113 (9/2011) die di¦use Himmelsstrahlung Bestrahlungsstärke des angegebenen Spektralbereichs. und 9 (9/2011) die atmosphärische Wärmestrahlung. Auf der FS METEOR (siehe 19.5.6.2) wird ebenfalls ein Pyrano- Abb. 14.15 Pyranometer CM11 (Kipp & Zonen) meter CM21 und CMP21 eingesetzt. Letzteres entspricht im Wesentlichen dem CM22 (Tab. 14.7), jedoch mit einem Spektralbereich von 0,310 bis 2,80 μm. Es wird u. a. auch im SwissMetNet verwendet.

Pege und Kontrolle der Funktionstüchtigkeit Strahlungsmessgeräte sind stets sauber zu halten, da Schmutz auf der äußeren Halbkugel den Strahlungseinfall behindert. Reifansatz, der nicht von der Heizung verhindert werden konnte, muss vor Sonnenaufgang beseitigt werden und kann ein Hinweis auf eine defekte Heizung sein. Eben- so müssen Schnee und durch gefrierenden Niederschlag entstehende Eisschicht laufend entfernt werden. Darüber hinaus ist die äußere Glashaube auf Beschädigungen und Verkratzungen, z. B. durch Hagel, zu überprüfen.

152 Im Winter muss das Drahtgitter (Insektenschutz) am Luft- Das Gerät ist dank seiner Heizung (20 W) auch bei winterli- einsaugstutzen der Belüftung abgenommen werden, da es chen Wetterbedingungen einsetzbar. Zudem be¤ndet es sich sich durch Schnee oder Reif zusetzen kann. Die Belüftung unter einer ventilierten Haube, wie sie auch für das Pyrano- ist täglich zu kontrollieren. meter CM21 von Kipp & Zonen verwendet wird; dies ermög- licht ein einwandfreies Funktionieren unter fast allen Bedin- Zeigt das als Trockenmittel eingesetzte Blaugel einen Wech- gungen. Da das Instrument keine beweglichen Teile besitzt, sel der Indikator»rbung nach rosa, ist es nicht mehr »hig, kann von einer langen Lebensdauer ausgegangen werden. weiteren Wasserdampf aufzunehmen. In einem 2-monati- gen Rhythmus ist es auszutauschen. Es sollte nicht solange Was die Messung der Globalstrahlung anbelangt, ergab ein gewartet werden, bis sich unter den Glashauben Kondens- Vergleich zwischen dem SPN1 und dem CM21, das gegen- wasser gebildet hat. Ist das Blaugel funktions»hig, beschlägt wärtig im SwissMetNet eingesetzt wird, an der Station Mo- aber dennoch die Glashaube von innen, ist möglicherweise léson ausgezeichnete Resultate (Regression von 1.02 zwi- der Verbindungsschlauch zum Blaugelbehälter defekt. schen den beiden Datenserien, mit einem r2 von 1.00).

Die waagerechte Ausrichtung der Geräte ist mindestens Das Sonnenscheinpyranometer SPN1 wird im neuen me- einmal monatlich mit Hilfe der angebauten Dosenlibelle teorologischen Messnetz Swiss MetNet den Sensor Hänni zu überprüfen. Der Horizont der Strahlungsmessgeräte ist Solar 111B sukzessiv ersetzen, da die Produktion vom Hänni vierteljährlich hinsichtlich etwaiger Veränderungen durch eingestellt wurde. Geräte des Typs SPN1 sind auch am MOL Bewuchs oder Bebauung zu überprüfen. in Erprobung.

Sonnenscheinpyranometer SPN1 Sonnenscheingeber Hänni Solar 111B Der Sensor SPN1 der Fa. Delta-T Devices besteht aus 7 Sen- Dieser Sensor der Fa. Hänni ist im bisherigen SwissMetNet soren, die sich auf einer horizontalen Fläche be¤nden, auf und u. a. an der Antarktisstation des Alfred Wegener Insti- der ein Abschattungselement befestigt und so ausgerichtet tuts (AWI) eingesetzt. Die direkte Strahlung wird auf einer ist, dass immer mindestens ein Sensor abgeschattet und ein ebenen Fläche gemessen, die im rechten Winkel zur Achse anderer der Sonne ausgesetzt ist. Durch die Messung der Si- des Messgerätes steht. gnale der 7 Sensoren können die Globalstrahlung G und die di¦use Strahlung D ermittelt werden und aus der Di¦erenz Abb. 14.18 Sonnenscheingeber Hänni Solar111B der Anteil der direkten solaren Strahlung berechnet werden. Der Sensor beginnt zu messen, wenn G den Wert von 24 W m –2 übersteigt und das Verhältnis G/D größer ist als 1.57.

Dieser Sensor misst neben der globalen und di¦usen Strah- lung auch die Sonnenscheindauer. Der Sonnenscheindau- er-Ausgang zeigt an, ob die Bestrahlungsstärke der direkten Strahlung die WMO-Schwelle von 120 W/m² überschreitet. Die Strahlungsausgänge sind cosinus-korrigiert.

Abb. 14.17 Sonnenscheinpyranometer SPN1 (Delta-T Devices) Insgesamt be¤nden sich mit einem Film beschichtete 6 So- larzellen auf einem Zylinder, dessen Achse parallel zur Ro- tationsachse der Erde steht. Dadurch beträgt der Winkel ␦ für praktisch alle Positionen der Sonne immer unge»hr 90 ° und der Sinus damit 1. Ein rotierender Abschattungsstreifen verdeckt die Sonne 24 mal pro s. Durch die Rotation des Ab- schattungsstreifens entsteht ein Zyklus, während dessen die Solarzellen abwechslungsweise beschattet oder der Sonne ausgesetzt sind. Verdeckt der Abschattungsstreifen die Son- ne, liefert das Total aller Dioden ein zur di¦usen Strahlung proportionales Signal. Verdeckt er die Sonne nicht, liefert Tab. 14.9 Spezi¯kationen SPN1 (Delta-T Devices) das Total der Dioden ein zur globalen Strahlung proportionales Signal. Die Di¦erenz zwischen den beiden Werten ergibt Spektralbereich 0,40 bis 2,70 μm dann die gesuchte direkte Strahlung. (R. Philipona, A. Heimo, Messbereich direkte und diuse 0 bis 2000 W m –2 B. Hoegger, Investigations of solar radiation detectors using a Strahlung laboratory test facility for solar radiation meteorological ins- Häu¡gkeit der Werterfassung trument, Solar energy, 1993, Vol. 51, 159-163). 1 Hz durch Datenlogger bestimmt Ungenauigkeit Sonnenscheindauer ±10 % Messung der UV-Strahlung Globale und diuse Strahlung ±8 % Die solare UV-Strahlung wird mit qualitativ hochwertigen Geräten im Wellenlängenbereich von ca. 0, 29 μm bis .0,4 Einsatzbereich –20 bis +70 °C μm, d. h. sowohl im UV-A (0,315 μm bis 0,4 μm) – als auch im UV-B-Bereich (0,280 μm bis 0,315 μm) gemessen. Auf

153 Grund der geringen Zeitintervalle zwischen aufeinander wird über dem exponierten Thermometer eine durchsichtige folgenden Messungen von 6 min Dauer können auch kurz- Kalotte (Halbkugel) angebracht. Die Genauigkeit der Geräte zeitige Veränderungen der UV-Strahlung, z. B. an wechsel- ist abhängig von der Kalibrierung und liegt im besten Fall bei haft bewölkten Tagen genau erfasst werden. ca. 3 %. Der Emp»nger des Pyrheliometer muss immer senkrecht (normal) zur Einfallsrichtung der Sonnenstrahlung UV-Sensor (UVS-AE-T) ausgerichtet sein. Dazu muss das Gerät automatisch mit ei- Von dem spektralen Pyranometer UVS-AE-T der Fa. Kipp & nem Trackingsystem (Sonnenfolger) der Sonne nachgeführt Zonen, welches u. a. auf der FS METEOR (siehe 19.5.6.2) ein- werden. Abhängig von der Art der windschützenden Abde- gesetzt wird, werden von der aus dem oberen Halbraum auf ckung kann mit Quarzglas nur der kurzwellige Strahlungsan- eine horizontale Empfangsebene einfallenden Globalstrah- teil, mit Kunststo¦ die gesamte Strahlung gemessen werden. lung die Summen aus direkter und di¦user Solarstrahlung gemeinsam erfasst. Für die UV-Komponenten UV-A und Die Thermosäule CA2 dient der Messung des Strahlungs- UV-B werden unterschiedliche Filter eingesetzt, so dass die usses im Bereich von 0,3 μm bis 50 μm. Sie besitzt ein Spektralbereiche des UV getrennt erfasst werden können. abnehmbares Glasfenster, das Sichtfeld beträgt 20 ° (90 %). Es ist in ein Messinggehäuse eingebaut, da es für den unge- Abb. 14.19 UV-Sensor UVS-AE-T (Kipp & Zonen) schützten Einsatz im Freien sonst nicht geeignet ist.

Tab. 14.10 Spezi¯kationen CA2 Thermosäule Spektralbereich mit Glasfenster 0,3 bis 30 µm ohne Glasfenster 0,2 bis 50 µm. Ansprechzeit <18 sec (95 %), Nichtlinearität <3 %, Emp¡ndlichkeit 7 bis 20 µV pro W m –2

Pyrheliometer CHP1 Zur Messung der direkten Strahlung unter normalen Bedin- Die über die Messzelle aufgesetzte feste Quarz-Halbkugel gungen wird das Pyrheliometer CHP1 der Fa. Kipp & Zonen lässt nur die UV-Komponenten der Solarstrahlung zur ge- eingesetzt. Es ist mit einem integriertem 10 kΩ-Thermistor schwärzten Mess äche gelangen. Durch die unterschied- als auch einem Pt 100-Sensor ausgestattet, so dass das für liche Erwärmung von Mess äche und Gehäuse entsteht jedes Gerät individuell dokumentierte Temperaturverhalten eine Thermospannung, die direkt proportional zur Be- berücksichtigt werden kann. Das Gerät muss auf einem Tra- strahlungsstärke der jeweiligen UV-Komponente ist. Das ckingsystem (Zweiachsenverfolger) automatisch der Sonne Ausgangssignal (mV) des Sensors ist direkt proportional der nachgeführt werden. Die vordere Blendenö¦nung mit einem Bestrahlungsstärke der o. a. Spektralbereiche. Durch Einga- Quarzfenster dient zum Schutz des Gerätes und als Filter, die be der Kalibrierfaktoren – getrennt für den UV-A- und UV- die solare Strahlung nur im Wellenlängenbereich von 0,20 B-Anteil – in die Messwerterfassungsanlage METCO (siehe μm bis 4 μm durchlässt. Das CHP1 ist mit einer Regenschutz- 19.5.6.2) der FS METEOR erfolgt die Ausgabe der Bestrah- abdeckung und integrierten Justierhilfen ausgestattet. lungsstärken für beide Komponenten standardmäßig als 10 min-Mittelwerte in W m –2. Tab. 14.11 Spezi¯kationen Pyrheliometer CHP1 (Kipp & Zonen) ISO Klassi¡kation First Class 14.4.2 Pyrheliometer Spektralbereich 0,20 bis 4,00 μm Mit einem Pyrheliometer wird die direkte (kurzwellige) (50 % Punkte) Sonnenstrahlung im Spektralbereich von 0,2 μm bis 4 μm, Ansprechzeit (95%) 5 s also die Bestrahlungsstärke E (in W m –2) und die Strahldichte e Stabilitätsabweichung ±0,5 % –2 –1 Le (W · m sr ) gemessen. Mit einem vollen Ö¦nungswinkel Nichtlinearität von 5 ° wird bei einem Pyrheliometer von einer schwarzen ±0,2 % Thermosäule oder einem schwarzen Thermometer, beste- (0 bis 1000 W m –2) hend aus einem schwarz ge»rbten Metallstreifen oder ei- Impedanz 10 bis 100 Ω nem schwarzen Hohlkörper bekannter Wärmekapazität, die Temperaturabhängigkeit der ±0,5 % Strahlung absorbiert und es erwärmt sich dadurch. Dies wird Emp¡ndlichkeit zw. –20 bis +50 °C erreicht durch die Form der Kollimationsröhre, mittels Prä- zisionsblenden und durch das Detektorelement. Aus der Er- Emp¡ndlichkeit 7 bis 14 µV pro W m –2 wärmung kann dann die Strahlungs ussdichte ␸e berechnet max. Strahlungsaufnahme 4000 W m –2 werden. Die Temperatur des erwärmten Thermometers wird voller Sichtfeldwinkel 5 ° ±0,2 ° mit einem zweiten Thermometer verglichen, das vor der Sonnenstrahlung abgeschattet ist und auf Lufttemperatur Neigungswinkel 1 ° ±0,2 gehalten wird. Um eine Abkühlung des durch die Strahlung Betriebstemperatur –40 bis +80 °C erwärmten Thermometers durch den Wind zu verhindern,

154 Da das CHP1 ein enges Gesichtsfeld hat, geht das Ausgangs- Abb. 14.21 PAR-Sensor (Friedrichs) signal bei bewölktem Himmel gleich auf Null zurück.

Abb. 14.20 Pyrheliometer CHP 1 (Kipp & Zonen)

Jedes CHP 1 wird nach Fertigung kalibriert und ist geliefer- ter Standard mit einer WRR nachweisbaren Kalibrierungs- bescheinigung. Es übertri¦t auch die Anforderungen des Baseline Surface Radiation Network – BSRN (siehe 14.8).

Messung der UV-Strahlung mit externem Sensor UVA-UVB-Radiometer UV34 Der PAR-Sensor entspricht diesen Vorgaben. Der Dom ist Das UVA-UVB-Radiometer ist ein Gerät zur Messung der aus PMMA und UV-durchlässig. UV-Strahlung im Wellenlängenbereich von 0,29 μm bis 0,39 μm. Der UV-Messer ist durch den externen Sensor e- Tab. 14.13 Spezi¯kationen PAR-Sensor (Friedrichs) xibel bei der Strahlungsmessung einsetzbar. Messbereich 0 bis ca. 250 W m –2

Tab. 14.12 Spezi¯kationen UVA-UVB-Radiometer spektr. Emp¡ndlichkeit 0,38 bis 0,70 μm Lichtsensor Photodiode mit UV-Korrektur¡lter max. spektr. Empf 0,42 μm und 0,60 μm Wellenlänge Bandbreite 0,29 bis 0,39 μm Linearität <1 % 0,000 bis 1,999 m W cm –2 Absoluter Fehler <12 % zwei Messbereiche 1,999 bis 19,99 m W cm –2 Einsatztemperatur –20 °C bis +60 °C Auösung 0,001 m W cm –2 Signalausgang 0 bis 5 V oder 0/4 bis 20 mA Genauigkeit ±4 % + 2 Stellen Energieversorgung 9 bis 30 V DC Messrate 0,4 s Diusor (Streuscheibe) PTFE (Teon) Nullstellung mittels Kalibrierschraube Hold Auto-Power-O automatisch Speicher 14.5 Sensoren/Messgeräte für die langwellige Strahlung nach 10 min ohne Betätigung und Globalstrahlung Einsatzbedingungen 0 bis +50 °C, max. 80 % Pyrgeometer Betriebsversorgung 1 x 9 V Block-Batterie (PP3) Pyrgeometer (Infrarot-Pyranometer) erfassen die langwellige (Wärme-)Strahlung im fernen Infrarot (FIR) im Bereich Einsatzgebiete dieses Sensors sind: UV-Strahlensterilisa- von ca. 5 μm bis 50 μm aus dem oberen (und unteren) Halb- tion, in Laboratorien, u. a. Virologie und DNA-Forschung. raum auf eine horizontal ausgerichtete Empfangs äche. Auch in der Industrie tritt häu¤g eine zu hohe UV-Strahlung Der Sensor erzeugt eine Spannung, die in direkter Relation auf (Lichtbogen beim Schweißen), die mit diesem Sensor zur Nettostrahlung im FIR steht. Durch bestimmte Berech- gemessen werden kann. nungen kann so die nach unten gerichtete Langwellen- strahlung abgeleitet werden. PAR Sensor Die photosynthetisch aktive Strahlung kann z. B. mit einem Ein Netto-Pyrgeometer besteht aus der Kombination von PAR-(Photosynthetic Activ Radiation)Sensor der Fa. Fried- 2 Pyrgeometern, eines in Richtung Atmosphäre und eines richs gemessen werden. Die Emp¤ndlichkeit entspricht dem nach unten Richtung Erde gerichtet. Mit dieser Anordnung optimalen Wirkungsgrad von Chlorophyll. Die Messergeb- kann sowohl die abwärts gerichtete als auch die aufwärts- nisse ermöglichen eine zuverlässige Beurteilung der Ent- gerichtete langwellige Infrarotstrahlung gemessen werden wicklungsbedingungen von P anzen. Somit kann auch mit und damit die Strahlungsbilanz QS berechnet werden. Hilfe des PAR Sensors fotochemische Entwicklungsprozesse von Freiland- und Gewächshausp anzen optimiert werden. Pyrgeometer CGR3/CGR4 Je nach Montage eines Sensors CGR3/CGR4 der Fa. Kipp & Das Einsatzgebiet von PAR-Sensoren liegt hauptsächlich im Zonen misst er entweder die abwärts oder aufwärts gerich- Bereich agrarmeteorologischer Messungen (siehe 15.). tete langwellige Himmelsstrahlung im Messbereich zwi-

155 schen 4,5 µm bis 42 µm. Die erzeugte Thermospannung Da das Pyrgeometer durch die einfallende Strahlung erwärmt ist damit proportional zur Strahlung im FIR-Bereich. Diese wird, wird am Messsignal eine Korrektur bezüglich der Ge- Sensoren besitzen ein spezielles Silikonfenster. Im Innen- rätetemperatur angebracht. Die thermische Stabilität des bereich blockiert ein Blind¤lter die solare Strahlung. Domes macht Temperaturmessungen am Dom über üssig, sodass keine weiteren Korrekturen erforderlich sind. Abb. 14.22 CGR3 (Kipp & Zonen) Abb. 14.23 Pyrgeometer CGR 4 (Kipp & Zonen)

Tab. 14.14 Spezi¯kationen Pyrgeometer CGR3/CGR4 (Kipp&Zonen) CGR3 CGR4

Spektralbereich 4,5 bis 42 μm Um Schi¦sbewegungen auszugleichen, ist das Pyrgeometer Ansprechzeit <18 s auf der FS METEOR kardanisch aufgehängt. Durch Eingabe des Kalibrierfaktors in die Messwerterfassungsanlage MET- Emp¡ndlichkeit 5 bis 7 µV pro W m –2 CO (siehe 19.5.6.2) auf der FS METEOR erfolgt die Ausgabe Nichtlinearität <1 % der Bestrahlungsstärke in W m –2, standardmäßig als 10 min- Thermosäulenausgabe- Mittelwert. –250 bis +250 W m –2 bereich Abb. 14.24 Solartracker 2AP (Kipp & Zonen) –10 bis +40 °C –20 bis +50 °C Temperaturabhängigkeit <5 % <1 % Temperaturbereich –40 bis +80 °C Sichtfeld 150 ° 180 °

Pyrgeometer CG 4 Im DWD und an der Bordwetterwarte der FS METEOR (siehe 19.5.6.2) werden Pyrgeometer CG 4 der Fa. Kipp & Zonen eingesetzt. Die über die Messzelle aufgesetzte feste kristal- line Halbkugel (Dom) hat auf der Innenseite einem Blind- ¤lter, der sämtliche Solarstrahlung blockiert und so nur die langwellige Wärmestrahlung des Spektralbereichs von Pyrgeometer PIR 4,5 μm bis 42 μm zur geschwärzten Mess äche gelangen Das Messprinzip des Präzisions-Infrarot-Radiometer (PIR) lässt. Durch die unterschiedliche Erwärmung von Mess ä- der Fa. Eppley beruht auf der Messung des Austausches che und Gehäuse entsteht eine Thermospannung, die direkt der Strahlung zwischen einer horizontalen, geschwärzten proportional zur Bestrahlungsstärke ist. Ober äche als Referenzgröße und einem beobachteten Ob- jekt (z. B. Himmel). Es dient zur Messung der atmosphäri- –2) Tab. 14.15 Spezi¯kationen Pyrgeometer CG4 (Kipp&Zonen) schen Gegenstrahlung GS (W m . Die Messung erfolgt im Gegensatz zum Netto-Radiometer (siehe 14.6.1) getrennt ISO Klassi¡kation Secondary Standard zwischen eingehender (kurzwelliger) Strahlung und ausge- Spektralbereich 4,5 bis 42 μm hender terrestrischer Strahlung. Die Trennung wird durch Ansprechzeit (63 %) <8 s eine Silikon-Glaskuppeln erreicht. Im inneren Vakuum be¤ndet sich ein Interferenz¤lter mit einer Durchlässig- Thermosäulenausgabe- –250 bis +250 W m –2 keit von 3.5 µm bis 50 µm, im Wechsel zwischen maximal bereich durchlässig und undurchlässig. Temperaturabhängigkeit <±1 % zw. –20 bis +50 °C Emp¡ndlichkeit 10 μV pro W m –2 Die PIR umfasst eine kreisförmige Thermosäule mit 4 Ther- mistoren, von denen 3 (10 kΩ 25 °C) zur Messung der Glas- Temperaturbereich –40 bis +80 °C kuppel und einer zur Messung des Messkörpers eingesetzt Sichtfeld 180 ° wird. Zusätzlich ist ein Thermistor zur Strahlungskompen- sation des Detektors vorhanden.

156 Abb. 14.25 Präzisions-Infrarot-Pyrgeometer (Eppley) Die Sensoren bestehen aus zwei Blättchen, eines ist weiß und re ektiert das sichtbare Sonnenlicht, das andere ist schwarz und absorbiert die gesamte Sonnenstrahlung. Die Temperaturdi¦erenz wird mit einem Pt 100 oder einem Thermodetektor gemessen und als Maß für die Strahlungs- bilanz (W m –2) verwendet. CNR1 wird zukünftig durch das CNR4 (siehe dort) ersetzt!

Netto-Radiometer NR LITE Das Netto-Radiometer NR LITE der Fa. Kipp & Zonen ist ein Einkomponenten-Netto-Radiometer mit einem Signalaus- Tab. 14.16 Spezi¯kationen PIR(Eppley) gang für die Gesamtnettostrahlung. Die von der Erdober ä- che re ektierte und emittierte Strahlung (unterer Sensor) Spektralbereich 3,5 bis 50 μm wird automatisch von der solaren Einstrahlung und der Ansprechzeit <2 s (1/e Signal) langwelligen Gegenstrahlung (oberer Sensor) subtrahiert. Emp¡ndlichkeit 4 μV pro W m –2 Das Ergebnis ist die Nettostrahlung. Der Temperaturfühler misst die der Nettostrahlung proportionale Temperaturdif- Impedanz Ca. 700 Ω ferenz zwischen oberer und unterer Sensorober äche. Sein Temperaturabhängigkeit der ±1 % zw. -20 bis +40 °C Thermosäulen-Detektor ist mit konischen Absorbern mit Emp¡ndlichkeit schwarzer Te onbeschichtung oben und unten versehen. Linearität 0 bis 700 W m –2 ±1 % Dies sorgt für einen ausgedehnten spektralen Emp¤ndlichkeitsbereich gegenüber UV-Strahlung bis hin zur fernen In- Kosinus besser als 5 % frarotstrahlung (FIR). Der Signalausgang stellt die Di¦erenz Impedanz ca. 700 Ω zwischen Sonnen- und Himmelsstrahlung und der Ober- ächenstrahlung dar und kann, je nach Wetterlage positiv Pyranometer und Pyrgeometer werden mit schwach vorge- oder negativ sein. heizter Luft ventiliert, um Raureiildung und Nullpunkt- verschiebungen bei wolkenlosem Himmel und Windstille Abb. 14.27 Netto-Radiometer NR LITE (Kipp & Zonen) zu minimieren. Auf zwei unabhängig laufenden aktiven Solartrackern vom Typ 2AP (Abb. 14.24) sind die beschatteten Pyrgeometer, die Pyranometer zur Messung der di¦usen Sonnenstrahlung und die Instrumente zur Erfassung der direkten Sonnenstrahlung montiert.

Im DWD werden an 11 Stationen des hochwertigen Strah- lungsgrundmessnetzes mit Hilfe verschiedenen Typen von Pyrgeometern der Herstellen Epply (PIR) und Kipp & Zonen (CG4) die langwellige Strahlung gemessen.

14.6 Sensoren/Messgeräte für die kurz- und langwellige Strahlung und Globalstrahlung Tab. 14.17 Spezi¯kationen Netto-Radiometer NR LITE (Kipp & Zonen) 14.6.1 Pyrradiometer Spektralbereich 0,2 bis 100 μm

Netto-Radiometer CNR1 Reaktionszeit <20 s Pyrradiometer (E¦ektiv-Pyranometer) messen die einfal- Nennwiderstand 2,3 Ω lende kurz- und re ektierte (terrestrische) langwellige Beobachtungswinkel 180 ° Strahlung (0 bis 30 µm) auf horizontalen Au¦ang ächen in 2 m Höhe. Dazu sind jeweils ein Messgerät nach oben und Signalbereich –25 bis +25 mV eines nach unten gerichtet. Der Emp¤ndlichkeitsbereich Sensorasymmetrie ±20 % liegt etwa zwischen 0,3 μm bis 60 μm. Sensitivität (nominal) 10 mV pro W m –2 Abb. 14.26 Netto-Radiometer CNR1 (Kipp & Zonen) Stabilität <±2 % pro Jahr Nichtlinearität <1 % bis 2000 W m –2 Richtungsfehler <30W m –2 (0 bis 60 °, 1000 W m –2) Betriebstemperatur -30 bis +70 °C

Der eine Signalausgang bedeutet, dass die kurzwelligen (0,3 μm bis 3,0 μm), langwelligen (4,5 μm bis 40,0 μm), nach oben und unten gerichteten Strahlungskomponenten

157 nicht getrennt werden können. Für diesen Zweck gibt es die Abb. 14.29 Netto-Radiometer CNR 4, Unterseite (Kipp & Zonen) Zwei- oder Vierkomponenten-Nettoradiometer. Zusammen mit einem Albedometer ist die Berechnung der langwelligen Strahlungsströme möglich.

Netto-Radiometer CNR4 Das CNR 4 Netto-Radiometer der Fa. Kipp & Zonen wird an mobilen Messeinheiten des DWD (siehe 19.5.4) eingesetzt und entspricht dem WMO-Standard. Es kombiniert je zwei Pyranometern und Pyrgeometern, wobei jeweils ein Gerät nach oben und das andere nach unten gerichtet sind. Alle zusammen messen die Energiebilanz zwischen kurzwelliger und langwelliger Strahlung, sowie die Albedo, die aus der nach oben und nach unten gerichteten kurzwelligen Strahlung, durch Subtraktion berechnet werden kann. Das CNR 4 ist ausgesprochen leicht und mit einem integrierten Sonnenschirm versehen, um die Auswirkungen Abb. 14.28 Netto-Radiometer CNR 4 (Kipp & Zonen) thermischer E¦ekte auf die Messung zu reduzieren. Der meniskusförmige Dom des oberen Pyrgeometers sorgt für eine verbesserte Messung langwelliger Strahlung. Die opti- onale Ventilationseinheit CNF 4 verhindert die Anlagerung von Schmutz, Feuchtigkeit, Tau und Frost auf den Sensoren.

14.6.2 SCAPP-Messung der Strahlung und der Sonnen- scheindauer

Die abkürzende Bezeichnung SCAPP steht für SCAnning Pyrheliometer / Pyranometer. Die Entwicklung des SCAPP wurde 1992 am Meteorologischen Observatorium Hamburg (MOH) begonnen, wobei es sich um eine Weiterentwick- lung des am Instrumentenamtes Hamburg entwickelten Sonnenscheindauersensors SONIe handelt. Das Gerät wird von der Fa. Siggelkow Gerätebau, Hamburg hergestellt. Im Das CNR4 ist mit integriertem 10 K Thermistor und Pt 100 DWD sind an den meisten Wetterwarten und Wetterstatio- mit 4 Sensoren in einem Gehäuse ausgestattet. Die 4 Senso- nen und an den Stationen des GeoInfoDBw SCAPP-Senso- ren haben unterschiedliche Emp¤ndlichkeiten und werden ren eingesetzt und meist auf einem separaten 6 m hohen separat kalibriert. Alle 4 Signale sind nach außen geführt. Kippmast installiert.

Tab. 14.18 Spezi¯kationen Netto Radiometer CNR4 (Kipp&Zonen) Abb. 14.30 SCAPP Strahlungs- und Sonnenscheindauersensor SCAPP (Siggelkow Gerätebau GmbH) Pyranometer Pyrgeometer

0,310 bis 2,80 µm 4,5 bis 42 µm Spektralbereich (50 Punkte) (50 Punkte) 10 bis 20 µV –1 5 bis 15 µV –1 pro Emp¡ndlichkeit proW m –2 W m –2 <20 W m –2 (80 ° Richtungsfehler bei 1000 W m –2) obere 180 °, Sichtfeld 180 ° untere 150 ° Nichtlinearität <1 % (Vollbereich) Ansprechzeit <18 s (95 %) SCAPP misst sowohl die direkte I als auch die di¦use kurzwellige Sonnenstrahlung D mit einer Siliziumphotozelle Temperatur- –10 bis +40 °C <5 % und berechnet daraus die Globalstrahlung G und die Son- abhängigkeit nenscheindauer SD. Damit ermöglicht SCAPP mit nur ei- Einsatzbereich –40 bis +80 °C, 0 bis 100 % nem Gerät, was sonst mit herkömmlicher Sensorik nur mit Stromversorgung 8 bis 13,5 V DC, 5 W / 10 W mit Heizung mindestens zwei Messgeräten möglich ist. Es erfüllt die zugrunde gelegten WMO-Anforderungen.

Der Messeinsatz besteht aus dem Messkopf mit Antriebsein- heit, dem Netzteil, der Steuerelektronik, der Prozessorplati- ne und dem Kammergehäuse mit der Erfassungselektronik.

158 Abb. 14.31 Aufbau des Messeinsatzes SCAPP Da zur Bestimmung der di¦usen und der Globalstrahlung (Siggelkow Gerätebau GmbH) die Messwerte mit Winkelfunktionen rechnerisch auf horizontale Flächen umgerechnet werden müssen, ist bei der Installation des SCAPP die Eingabe des geogra¤schen Standortes notwendig.

Temperatur und Feuchte werden zentral im Gehäuse gemessen. Mit Hilfe der drei Rändelfüße wird der Sensor unter Beobachtung der Nivelliervorrichtung justiert.

Ein rotierender Messkopf dreht sich unter einer Glaskalot- Abb. 14.32 Nivelliervorrichtung SCAPP (Siggelkow Gerätebau GmbH) te alle 2 s einmal um 360 °. Der Messkopf verfügt über eine tortenförmige Schlitzblende. Unterhalb des Messkopfes ist eine Streuscheibe eingebaut. Das durch den Schlitz einfallende Licht wird über einen Lichtleiter (Glasstab) auf einen Siliziumdetektor geführt. Durch ein vorgesetztes Blau¤lter wird ihre Response-Funktion dem natürlichen Strahlungs- spektrum besser angepasst.

In jeder Umdrehung des Messkopfes, der den Himmelsraum permanent abscannt, werden 400 Messpunkte erfasst. Aus 18 Messpunkten um den Sonnenpeak werden die direkte I Pege und Kontrolle der Funktionstüchtigkeit und aus 382 Messpunkten die di¦use Strahlung D bestimmt. Soweit der Sensor für das Personal an den Wetterwarten Daraus werden die Globalstrahlung (14.2) und die Sonnen- ohne Schwierigkeiten zugänglich ist – der Kippmast lässt scheindauer SD aus I >120 W m –2 berechnet. Erkennt das Gerät sich problemlos kippen – beschränkt sich die Reinhaltung keinen Peak in Richtung Sonne, werden alle 400 Messwerte auf die den Messkopf nach oben abschließenden Glaskup- der di¦usen Strahlung zugeordnet. Das Vorhandensein di- pel. Diese kann durch Umweltein üsse verschmutzen. Es rekter Strahlung wird erst ab einem Sonnenwinkel von 2° be- kommt auch vor, dass Vogelkot die Glashaube verunreinigt. rücksichtigt, darunter wird nur di¦use Strahlung gemessen. Je nach Bedarf ist die Glaskuppel dann mit einem weichen feuchten Tuch, ggfs. mit Glasreiniger zu reinigen. Der Ausgabebereich der Sonnenscheindauer liegt zwischen 0 bis 60 s. Zusätzlich wird die Sonnenscheindauer kompatibel zum Eine Beobachtung der von der AMDA ausgegebenen Mess- SONI-Sensor berechnet. Dabei wird laufend ermittelt, ob das Ma- werte ist für die Überprüfung der ordnungsgemäßen Funkti- ximum der Direktstrahlung während einer 6 s -Einheit die Son- on auch möglich. Das heißt z. B., dass bei wolkenlosem Him- nenschwelle überschreitet. Ist das der Fall, wird für diese 6 s der mel nachts keine Strahlungswerte angezeigt werden dürfen. Sonnenschein gewertet. Gleichzeitig wird im Gerät die Berech- nung der Sonnenposition und der Messgrößen durchgeführt. 14.7 Messunsicherheiten und Fehlerquellen

Tab.14.19 Spezi¯kationen SCAPP (Siggelkow Gerätebau GmbH) Beim Sonnenscheinautograph ist die Genauigkeit allein durch das Messprinzip des Einbrennens begrenzt. So wird Sensor Siliziumphotozelle • eine Stunde auf einer Breite von 2 cm registriert Messbereich kurzwellige Strahlung 0,3 bis 1,1 μm) • erzeugt schon ein kurzer Sonnenstrahl einen runden Kopfumlaufzeit 2 s Brenn eck, der in seiner Ausdehnung einem Zeitraum von 6 min entspricht Schritte 400 • daher kann durch viele kurze Einbrennlöcher der Ein- pro Kopfumlauf druck eines dauernden Sonnenscheins entstehen Leistungsaufnahme 10 bis max. 30 W (inkl. Heizung) • durch das Gerät verursachte Fehler sind vernachlässigbar Versorgungs- 12 bis 36 V DC oder spannung 24 V AC (+5 % / –20 %) Der Befall der Glaskugel mit Reif oder Schnee ist schwer zu unterbinden. Bei Schauerwetter liefert der nasse Papier- Einsatzbereich –30 bis +45 °C streifen keine Brennspur, der täglich erforderliche Wechsel Temperaturschalt- des Streifens verbietet den Einsatz des Instrumentes an un- punkte bemannten Stationen. Heizung Innengehäuse +30 °C Kammergehäuse +35 °C Beim SONIe3 können folgende Probleme auftreten: • Der Antrieb, der die „Belichtungsblende“ dreht kann Von diesen vier Strahlungskomponenten werden jeweils ausfallen (Verschleißteil). Dadurch ruckelt der Blenden- die letzten 30 der 2 s-Messwerte zur Bildung des gleitenden kopf oder dreht sich nur noch ungleichmäßig oder gar 1-min-Mittelwertes herangezogen und über eine serielle nicht mehr, Schnittstelle wird von der Datenerfassung minütlich ein • Drehzahlüberprüfung: Messdauer 1 min – gezählte Umdre- Telegramm ausgegeben. hungen: >10 rpm, sonst bei < 10 rpm SONI austauschen,

159 • Die Glaskuppel des SONI sollte regelmäßig gereinigt sonst häu¤g genutzten Geräte vom Typ CM22, CM21, CM11, werden, CM6b der Fa. Kipp & Zonen und PSP des Herstellers Eppley. • Es kann vorkommen, dass die Glaskuppel des SONI von Diese Geräte werden, soweit das die Wetterbedingungen er- innen mit Kondenswasser beschlägt. lauben, regelmäßig mit den Absolutradiometern kalibriert.

SCAPP Die Kalibrierung der Feld- oder Messnetzpyranometer Die Erfahrungen beim DWD haben gezeigt, dass das SCAPP mit wird, um unabhängig vom Wetter zu sein, im Labor vor ei- einer Genauigkeit von nur ±20 % arbeitet. Die Geräte haben ner künstlichen Lichtquelle durchgeführt. Dabei dient die sich auch als nicht sehr stabil herausgestellt, was nach nur 2 Lichtquelle nicht als Referenz. Die Bestimmung der Emp- Jahren Gerätlaufzeit noch größere Abweichungen ergeben hat. ¤ndlichkeit des zu prüfenden Pyranometers wird durch den Vergleich mit dem „vor Sonne“ kalibrierten Standardpyra- Die in der Vergangenheit zur Messung der Strahlungsbilanz nometer gleichen Typs vorgenommen. Da sich das Sonnen- häu¤g eingesetzten Radiometer, die sowohl kurz- als auch spektrum und das einer künstliche Lichtquelle unterschei- langwellige Strahlung erfassten, werden zunehmend durch den, ist dies notwendig, um Fehler zu vermeiden. genauere Messgeräte ersetzt, welche die vier Strahlungsbi- lanzkomponenten direkt messen. Die daraus bestimmten SPECTRO 320D Strahlungsbilanzen sind in der Regel größer als die mit Ra- Der SPECTRO 320 ist als Einzel-Monochromator und als diometer gemessenen [6]. Doppel-Monochromator SPECTRO 320D der Fa. Instrument Systems verfügbar. Das Doppelmonochromator-Spektralra- 14.8 Nationales / Regionales Strahlungszentrum am MOL diometer des Typs SPECTRO 320D erfasst einmal pro Minu- te Spektren im Bereich von 0,29 μm bis 0,45 μm mit einer Das Meteorologische Observatorium Lindenberg (MOL) ist Scan-Zeit von jeweils 23 s. Auf Grund der geringen Messzeit als Nationales Strahlungszentrum bzw. Nationale Strah- werden kurzzeitige Änderungen der Solarstrahlung als Fol- lungszentrale im Rahmen des DWD für die Kalibrierung, ge von Bewölkungsänderungen erfasst. Die kürzeren Zeit- Standardisierung und Kontrolle der Strahlungsmessinst- schritte der Spektralmessungen gewährleisten eine bessere rumente, die im Messnetz des DWD eingesetzt werden ver- Zuverlässigkeit und zeitliche Repräsentativität der aus den antwortlich. Zur Sicherung der weltweiten Vergleichbarkeit Messungen abgeleiteten klimatologischen Parameter, beider im Strahlungsmessnetz gewonnenen Daten wird das zur spielsweise Stunden- und Tagessummen. Kalibrierung benutzte nationale Standardradiometer alle fünf Jahre bei Internationalen Pyrheliometervergleichen Abb.14.33 SPECTRO 320D (Instrument Systems) (IPC) mit der Weltstandardgruppe verglichen. Diese Verglei- che ¤nden am Weltstrahlungszentrum der WMO am Phy- sikalisch-Meteorologischen Observatorium Davos (PMOD) statt und dienen der direkten „Anbindung“ der nationalen Messungen an die World Radiometric Reference (WRR).

Neben der Aufgabe als Nationales Strahlungszentrum ist das MOL auch eine von 7 regionalen europäischen Strahlungszen- tralen im Rahmen der WMO (Regional Association – RA VI – Europa), um zusätzliche Vergleiche anderer nationaler Stan- SPECTRO 320 beruht auf einer Fast-Scanning-Technologie, dardradiometer im europäischen Bereich zu ermöglichen. Die die präzise Messungen bei hoher Signaldynamik und kur- Aufgaben und Funktionen der Strahlungszentren auf den ver- zen Messzeiten ermöglicht. Er verfügt zudem über zahlrei- schiedenen Stufen sind in Spezi¤kationen der WMO geregelt. che Ausstattungsmerkmale, die ihn zu einem universellen, vielseitig einsetzbaren Spektrometer machen. Den Spektral- Als Standardradiometer Strahlungszentrums dienen im bereich erfasst er in einem einzigen Scan in der maximalen MOL die drei Absolutradiometer PMO6-5, PMO6 81103 und Ausbaustufe mit 3 Gitter und 3 Detektoren. HF 27157. Mit diesen nimmt der DWD seit Mitte der 80-er Jahre an den IPC teil. Diese Standardradiometer, die die di- Abb. 14.34 Spektren der UV-Globalstrahlung aus Messungen mit rekte Sonnenstrahlung auf die Normal äche (Fläche, deren Spektralradiometer SPECTRO 320D Normale zur Sonne gerichtet ist) messen, dienen als Basis für die Kalibrierung der Standardpyranometer, zur Messung der Globalstrahlung. Die Übertragung der WRR von den Ab- solutradiometern auf die Standardpyranometer (Kalibrie- rung) erfolgt mittels der Schattenmethode durch Vergleich vor Sonne. Diese Methode kann nur bei wolkenlosem Him- mel durchgeführt werden.

Da es viele unterschiedliche Pyranometertypen gibt, wurde am Nationalen Strahlungszentrum ein Satz von Standard- pyranometern mittels der Schattenmethode erzeugt. Diese Gruppe besteht aus den im DWD verwendeten und auch

160 Abbildung 14.34 zeigt Spektren der UV-Globalstrahlung aus systematischen Archivierung eine große Bedeutung zu. Dazu Messungen mit einem SPECTRO 320D vom 23. Juni 2005 um werden die Globalstrahlung, die di¦use Sonnenstrahlung, die 05:00 UTC (grüne Kurve) und 11:30 UTC (blaue Kurve) am direkte Sonnenstrahlung auf die Normal äche und die Wärme- MOL. Produkte aus der spektralen Bestrahlungsstärke und strahlung der Atmosphäre gemessen. Mittelwerte und deren dem Erythemwirkungsspektrum (rote Linie) für die zwei Standardabweichung sowie Minimum und Maximum der vier Messzeiten schra¾ert dargestellt. Die Flächen unter diesen Strahlungsgrößen werden für jede Minute aus den mit einer Kurven entsprechen der erythem-wirksamen Strahlung. Frequenz von 1 Hz (jede Sekunde) erfassten Messwerten be- Der UV-Index beträgt um 05:00 UTC 0.6 und um 11:30 UTC rechnet. In Lindenberg werden alle Größen zur Erhöhung der 8.1. Das 40-fache der so bestimmten erythemwirksamen Sicherheit doppelt erfasst. Strahlung wird als UV-Index bezeichnet. Die Messung der Global- und di¦usen Sonnenstrahlung Insbesondere beim SPECTRO 320D kommen die Vorteile des erfolgt jeweils mit Pyranometern vom Typ CM22 und CM21 Scanning-Prinzips von Instrument Systems zum Tragen: Die (siehe 14.4.1). Für die Messung der direkten Sonnenstrah- Beugungsgitter der beiden Einzel-Monochromatorstufen lung werden Pyrheliometer vom Typ CH1 (siehe 14.4.2) und sind auf der gleichen Drehachse montiert, so sind Synchro- besonders präzise Absolutradiometer vom Typ AHF be- nisationsprobleme prinzipbedingt ausgeschlossen und kur- nutzt. Die Messungen mit dem AHF erfolgen jedoch nicht ze Messzeiten bei hoher Wellenlängengenauigkeit garantiert. ununterbrochen, da sich diese Geräte zu Beginn jeder hal- ben Stunde für etwa 3 min selbst kalibrieren. Tab. 14.20 Spezi¯kationen SPECTRO 320D (Instrument Systems) Die Daten stehen im Weltdaten Monitoring Zentrum (WRMC) Max. Wellenlängen- 0,19 bis 5,00 μm bereich (3 Gitter und 3 Detektoren) in Zürich in erster Linie zur Auswertung für die o. g. Aufgaben zur Verfügung. Die aktuellen Daten der BSRN-Station stehen 0,002(0,07 *HR) bis 0,010 μm; Spektralauösung als Gra¤ken für die kurzwelligen Größen (Global-, di¦use programmierbares Spaltrad und direkte Sonnenstrahlung) und die langwellige Wärme- Datenpunktintervall 0,05 nm (0,01 nm *HR) strahlung der Atmosphäre zur Verfügung. Wellenlängen- ±0,1 nm; (±0,03 nm *HR) genauigkeit 14.9 Strahlungsmessungen an der Antarktisstation

–11 –1 Si-Detektor: 5 · 10 W nm ; Das meteorologische Observatorium an der Georg-von-Neu- Signalemp¡ndlichkeit –15 –1 PMT: 5 · 10 W nm mayer-Station des Alfred-Wegener-Instituts (AWI) liefert Scan-Zeit 10 bis 100 ms nm –1 seit 1981 für die Klimaforschung relevante Daten und dient SPECTR 320 10 –6 , als Wettervorhersagezentrum für das gesamte Dronning Streulicht SPECTRO 320D 10 –9 Maud Land.

Seit März 1982 werden Strahlungsmessungen durchgeführt. Die bisher gemachten Ausführungen zur Kalibrierung be- Die Strahlungssignale werden im Minutenintervall über 10 ziehen sich auf die breitbandige kurzwellige Strahlung im min aufgezeichnet und gespeichert. Sie beinhalten Bereich vom 0.3 µm bis 3 µm. Kalibrierungen von Pyrgeo- • Globalstrahlung und reflektierte Sonnenstrahlung mit- metern, die die langwellige Strahlung im Spektralbereich tels Pyranometer CM11 (siehe 14.4.1), von > 3 µm bis 50 µm messen, werden mittels einer am • Nach unten und oben gerichtete Langwellenstrahlung PMOD kalibrierten Gruppe von vier Pyrgeometern, beste- Pyrradiometer Lange, hend aus je zwei Präzisions-Infrarot-Radiometer (PIR) und • Sonnenscheindauer mittels Haenni Solar 111B (siehe CG4 (siehe 14.5) durchgeführt. 14.4.1)

Die mit dem Bentham-Gerät DTMC300 gemessenen Spekt- Im März 1992 wurden die Strahlungsmessungen erweitert, ren sind Bestandteil des solaren UV-Monitoring-Netzes in um den Standard der BSRN zu erfüllen. Die Pyrradiome- Deutschland (siehe 19.5.7 und Anhang 7.3). ter wurden durch Pyrgeometer (PIR, Eppley, siehe 14.4.1) ersetzt, die Mittelungsperiode wurde auf 5 min-Intervalle BSRN-Station reduziert, 1998 auf 5 s-Schritte und 1 min-Intervalle. Zusätz- Das MOL betreibt seit Oktober 1994 im Rahmen des Baseline lich werden seitdem die folgenden Parameter gemessen: Surface Radiation Network (BSRN) eine Strahlungsmesssta- • diffuse Himmelsstrahlung mittels Pyranometer CM11 tion. Das BSRN gilt als das globale Referenzmessnetz zur Be- (siehe 14.4.1) , obachtung des Strahlungsfeldes der Erdober äche. Die Sta- • direkte Sonnenstrahlung mittels NIP, Eppley mounted tion ist damit eine von etwa 40 Stationen weltweit in diesem on a sun tracker, Messnetz. Das BSRN dient der hochgenauen und langjährigen • OG1 (global >0,530 μm, Pyranometer CM11, Kipp+Zonen, Messung der am Boden ankommenden Strahlungsströme, um • RG8 (global >0,695 μm, Pyranometer CM11, Kipp+Zonen, Änderungen im Strahlungsklima frühzeitig zu erkennen, Satel- • UV-Strahlung (0,30 μm bis 0,37 μm), TUVR, Eppley. litendaten zu validieren und Klimamodelle zu überprüfen. Nur mit qualitativ hochwertigen, konsistenten und langjährigen Beobachtungen können Aussagen über weltweite Änderungen der Strahlungs üsse gemacht werden. Daher kommt deren

161 Abb.14.35 Strahlungsmessgeräte der Georg-von-Neumayer-Station Zu den agrarmeteorologischen Tätigkeitsfeldern des DWD (Foto: AWI) gehört eine anwendungsorientierte Forschung, die Umwelt- beobachtung (Phänologie), das Warnmanagement (z. B. Wald- brandgefahr) sowie ein breit ge»chertes Beratungsangebot.

15.2 Messgrößen in der Agrarmeteorologie

15.2.1 Verdunstung

Der Begri¦ Verdunstung bezeichnet den sich unterhalb des Siedepunktes vollziehenden Übergang des Wassers in den gasförmigen Aggregatzustand zum Wasserdampf. Die zum Verdunsten benötigte Wärmeenergie wird dabei der Flüs- sigkeit und der Umgebung entzogen, was zur Abkühlung Pyranometer und Pyrgeometer werden mit leicht erwärm- führt (Verdunstungskälte). ter Luft ventiliert, um Reifprobleme während wolkenlosen Himmels und Windstille zu minimieren. Die Instrumente Die Verdunstung hat eine große Bedeutung für den Energie- arbeiten durchgehend ein Jahr, bevor sie beim Word Radia- und Wärmehaushalt der Erde. Die für die Verdunstung not- tion Center nach den Vorgaben der World Radiometric Refe- wendige Wärmeenergie wird an der Erdober äche der Umge- rence (WRR) kalibriert werden. bung entzogen. In der Atmosphäre wird die im Wasserdampf latent enthaltene Wärme beim Übergang von Wasserdampf in Wasser (Kondensationsvorgänge wie Wolken- und Nebel- . AGRARMETEOROLOGISCHE MESSUNGEN bildung) wieder frei. Durch die Verdunstung erfolgt somit nicht nur der Transport von Wasser in die Atmosphäre, son- 15.1 Allgemeines dern gleichzeitig wird auch Energie von der Erdober äche in höhere Atmosphärenschichten gebracht. Sie stellt somit eine Die Agrarmeteorologie ist ein Teilgebiet der Meteorologie. wichtige Größe im Wasser- und Energiehaushalt der Erde Sie ist die Lehre von den Wechselbeziehungen zwischen dar. Durch die Verdunstung sind die Umweltmedien Luft, Klima, Wetter, Luft, Boden, P anzen und Tieren. Wasser, Boden und Vegetation mehrfach gekoppelt.

Um in der Landwirtschaft optimale Erträge zu erzielen, ist Die Verdunstung wird beein usst durch: die Kenntnis der Wetterprognose oder der regelmäßig zu • den atmosphärischen Verdunstungsanspruch erwartenden Witterungsbedingungen von entscheidender • das Energieangebot Bedeutung. Ausgehend von diesen Vorhersagen lassen sich • das Wasserangebot zum Beispiel Bewässerungsmaßnahmen, Termine für Aus- • den Boden saat und Ernte sowie P anzenschutzmaßnahmen sinnvoll • die Vegetation. planen. Ebenso sind noch rechtzeitig Schutzmaßnahmen zu ergreifen, falls zum Beispiel stärkere Nachtfröste oder Drei Verdunstungsarten werden unterschieden: Hagel- oder Sturmschäden zu erwarten sind. • Evaporation • Transpiration Darüber hinaus gibt es agrarmeteorologische Messstationen, • Evapotranspiration. die Messungen durchführen, die der Erforschung des Ein usses der Erdatmosphäre auf das Wachstum von P anzen oder Evaporation das Verhalten von Tieren, zum Beispiel Schädlingen, die- Die Evaporation ist die allein nach physikalischen Gesetzen nen. Die Abhängigkeit des Ertragserfolges von der Witterung erfolgte Verdunstung der unbewachsenen Erdober äche und das Bestreben der Landwirtschaft, witterungsabhängige (Boden-, Schnee-, Eisverdunstung), des auf P anzenober- Feldarbeiten naturschonend und zum ökonomisch sinn- ächen zurückgehaltenen Niederschlages (Interzeptions- vollsten Zeitpunkt durchzuführen, sind für den DWD als in verdunstung) und von freien Wasser ächen (Gewässer- der Wetterüberwachung und -vorhersage operationell täti- verdunstung). Die Messung der Evaporation kann u. a. mit gem Dienstleister Motivation, die Landwirtschaft in ihren Hilfe von Verdunstungswannen (Abb. 15.4) erfolgen, wobei agrarmeteorologischen Belangen zu unterstützen. der abnehmende Wasserstand das Maß für die Verdunstung über der durch den Kesseldurchmesser de¤nierten Wasser- Zuverlässige agrarmeteorologische Vorhersagen des Boden- ober äche angibt. und Bestandsklimas sowie des Wasserhaushalts, des zu erwartenden Schaderregerpotenzials und der Erntequalität bil- Transpiration den neben den Hinweisen zu speziellen umweltrelevanten Dieser Begri¦ (lat. von: trans-spirare = hinaus-atmen) steht Aspekten (Sticksto¦düngung, Ammoniakverluste, Abdrift) für die Abgabe von Wasserdampf durch P anzen in die At- die Grundlage für eine standortgerechte und umweltscho- mosphäre (P anzenverdunstung). Die Transpiration ist nende Landbewirtschaftung. Sie sind somit ein wichtiger nur der Anteil der P anzenverdunstung vom Gesamtver- Beitrag zur Rentabilitätssteigerung der Betriebe. dunstungspotenzial, welches durch die Evapotranspiration (P anzen- und Bodenober ächenanteil) beschrieben wird.

162 Die Transpiration ist die physiologisch regulierte Abga- schieden. Das Wasser wird in den verschiedenen Poren durch be von Wasserdampf durch die oberirdischen Organe hygroskopische und kapillare Kräfte entgegen der Schwerkraft der P anzen an die Atmosphäre. Dabei werden 90–95 % in den oberen Bodenschichten (0 bis 2 m) festgehalten. des Wasserdampfes durch die Spaltö¦nungen (Stomata) der Blätter abgegeben und nur 5–10 % durch die Kutikula Der Wassergehalt der obersten Bodenschichten (Boden- (= wachsartige Schicht an der Ober äche der P anze). feuchte) ist in starkem Maße von der Witterung (Nieder- schlag, Verdunstung, Strahlung, Temperatur und Wind) • Die stomatäre Transpiration kann von der Pflanze ent- abhängig. Die Bodenfeuchte spielt bei allen Wachstums- sprechen den Umweltbedingungen (z. B. geringer Bo- vorgängen der P anzen eine entscheidende Rolle. Eine denfeuchte) durch Ö¦nen und Schließen der Spaltö¦- ausreichende Wasserversorgung kommt außerdem der nungen aktiv reguliert werden. Nährsto¦zufuhr der P anze zugute. Die Bodenfeuchte wird • Die Transpiration verhindert eine Überhitzung der in Gewichtsprozent (Gewicht des Bodenwassers in Prozent P anzenorgane bei Sonneneinstrahlung (Kühlwirkung) des Gewichtes der der trockenen Bodensubstanz) oder in und sichert den Sto¦transport mit Hilfe der Transpirati- Volumenprozent (vom Wasser eingenommenes Volumen onsströme. in Prozent des gesamten Bodenvolumens) angegeben.

Evapotranspiration Wassersättigung Die Evapotranspiration – aus Evaporation und Transpiration Sind neben Fein- und Mittelporen auch die Grobporen mit zusammengesetzt – ist die Gesamtverdunstung von einer na- Wasser gefüllt, ist der Zustand der Wassersättigung erreicht. türlich bewachsenen Bodenober äche. Häu¤g wird statt Ge- Dieser Zustand dauert nur kurz an (wenige Tage). Aufgrund samtverdunstung der Begri¦ reale Verdunstung verwendet. der schwachen Bindung in den Grobporen, versickert das Betrachtet man den atmosphärischen Ein usses ohne begren- Wasser relativ rasch in größere Tiefen. zende Wirkung durch die verdunstende Ober äche, so spricht man von der potenzielle Verdunstung (ETP). Sie gibt die Ver- Feldkapazität dunstung bei gegebenen meteorologischen Bedingungen und Die Feldkapazität (FK) ist der obere Grenzwert für das Was- unbegrenzt verfügbarem Wasser an. Sie stellt somit den Maxi- serspeichervermögen eines jeden Bodens. Dieser Grenzwert malwert der realen Verdunstung dar (gilt nur, wenn keine late- (gemessen in Gewichts- oder Volumenprozenten oder in raler Transport von Wärme erfolgt – Oasene¦ekt). mm Wasserhöhe) stellt sich auf einem grundwasserfernen, gut durchlässigen Standort ca. 2–3 Tage nach völliger Was- Die Messung der Evapotranspiration erfolgt mit Hilfe so- sersättigung ein, wenn das überschüssige Wasser in den genannter wägbarer Lysimeter (Abb. 15.2/15.3). Durch mi- Untergrund versickert ist. Es ist die Menge an Wasser, die krometeorologische Messverfahren (z. B. Eddykovarianz, entgegen der Schwerkraft im Boden gehalten werden kann. 3-dim. Ultraschallanemometer in Kombination mit einem Die Feldkapazität wird unter natürlichen Verhältnissen Gasanalysator) kann die Verdunstung von P anzenbestän- überwiegend im zeitigen Frühjahr erreicht, wenn der Bo- den ebenfalls direkt erfasst werden. den, bedingt durch die Winterniederschläge und geringe Verdunstungsverluste, gut mit Wasser versorgt ist. Interzeption Interzeption ist die Menge des auf der P anzendecke zu- Permanenter Welkepunkt rückgehaltenen Wassers. Sie hängt von der Niederschlags- Das Bodenwasser ist in den Bodenporen durch Kohäsions- menge und dem Blatt ächen-Index (LAI = leaf area index) und Adhäsionskräfte gebunden. Der permanente Welke- ab. Er gibt die Blatt äche in m2 pro m2 Bodenober äche an. punkt (PWK) ist erreicht, wenn die P anzen nicht mehr in der Lage sind, diese Kräfte zu überwinden. Die P anzen Abb. 15.1 Menge des vom P¥anzenbestand zurückgehaltenen Nieder- verlieren dann durch die Transpiration Wasser und können schlagswassers in Abhängigkeit von der Niederschlagsmenge und dieses nicht mehr aus dem Boden ersetzen. ⇒ Die P anzen dem Blatt¥ächenindex (LAI) (n. von Hoyningen gen. Huene 1980) beginnen irreversibel zu welken.

Nutzbare Feldkapazität Als nutzbare Feldkapazität (nFK) bezeichnet man die Was- sergehaltsdi¦erenz zwischen Feldkapazität (FK) und perma- nentem Welkepunkt (PWK). Sie gibt die Menge an Wasser (mm dm –1) an, die die P anzen dem Boden entziehen können.

15.3 Messverfahren / Messgeräte / Sensoren

Im Folgenden werden die wichtigsten, in der Agrarmeteoro- logie verwendeten Messgeräte/Sensoren kurz beschrieben. 15.2.2 Bodenfeuchte Darüber hinaus werden mit meteorologischen Messgeräten auch meteorologische Parameter erfasst und für agrarme- Der Boden besteht neben der Festsubstanz aus Hohlräumen. teorologische Untersuchungen ausgewertet. Diese dabei Diese sogenannten Poren sind mit Wasser und/oder Bodenluft verwendeten Messgeräte/Sensoren sind in Tabelle 15.1 auf- gefüllt. Es wird zwischen Fein-, Mittel- und Grobporen unter- gelistet und in den jeweiligen Kapiteln beschrieben.

163 Tab. 15.1 In der Agrarmeteorologie verwendete meteorologische Tab. 15.2 Jahressummen der aktuellen Verdunstung von verschieden Messgeräte/Sensoren Böden im Eberswalde Messgeräte/Sensoren Fundstelle Böden mm pro Jahr Erdbodenthermometer 8.3.1.1 unbewachsener Boden 178 Thermograph 8.3.1.2 Rasen 356 Thermohygrograph 9.3.2 kleine Kiefern (tiefwurzelnd) 450 Psychrometer n. Frankenberger 9.3.1 Rasen mit 20cm Grundwassertiefe 706 Minipsychrometer (Eigenbau DWD) 9.3.1 (oene Wasserschale) (524) Schalensternanemometer 12.3.1 (Niederschlag) (615) USA 3D (METEK) 12.3.2 Sonnenscheinautograph 14.3.1 Wägbares Großlysimeter Zur Bestimmung der realen Evapotranspiration stehen an SONIe3 (Siggelkow Gerätebau) 14.3.2 der ZAMF Braunschweig zwei wägbare Großlysimeter zur PAR-Sensor (Kipp & Zonen) 14.4.2 Verfügung. Diese Anlagen sind in landwirtschaftlichen Ver- suchs ächen integriert und haben jeweils eine Fläche von 3 m2. In 1,5 m Tiefe be¤nden sich keramische Saugkerzen, die 15.3.1 Verdunstungsmessung sowohl die Messung des Sickerwassers als auch des kapilla- ren Aufstiegs ermöglichen. Mithilfe zusätzlich erfasster me- Da die Messung der Verdunstung sehr schwierig ist, sind teorologischer Parameter und bestandsspezi¤scher Größen von den verschiedensten Forschern eine Vielzahl von kann der für den Wasserdampftransport maßgebliche Blatt- Messmethoden entwickelt worden. Vielfach wurde die po- widerstandkoe¾zient ermittelt werden. Dessen Kenntnis tenzielle Verdunstung mit Hilfe von empirischen Formeln ist für die zuverlässige Modellierung der Bodenfeuchte und abgeschätzt. Zu diesen gehört auch das HAUDE-Verfahren. Verdunstung eine unabdingbare Voraussetzung. Es ist ein einfaches, heute nur noch selten genutztes Ver- fahren zur Berechnung der potenziellen Evapotranspiration Abb. 15.2 wägbares Großlysimeter, Ansicht von außen (Foto: DWD, von natürlichen Ober ächen und P anzenbeständen aus ZAMF Braunschweig) dem Sättigungsde¤zit (Di¦erenz zwischen dem Sättigungs- dampfdruck und dem Dampfdruck der Luft) und einem empirischen Faktor

ETP = f · (Es – E) (15.1) mit ETP = potenzielle Evapotranspiration Es = Sättigungsdampfdruck (hPa) E = Dampfdruck (hPa) f = monatlicher variabler HAUDE-Faktor (empirischer, konstanter monatlicher P anzenfaktor)

Lysimeter Das Lysimeter ist ein Ge»ß, welches in der Erde eingelassen ist und mit einer ungestörten Bodensäule gefüllt ist. Dabei Abb. 15.3 wägbares Großlysimeter, Ansicht im Lysimeterkeller wird das Lysimeter möglichst mit gleicher Vegetation wie (Foto: DWD, ZAMF Braunschweig) die Umgebung bep anzt. Es wird täglich herausgenommen und gewogen, so dass man über die Gewichtsverluste- oder -zunahmen auf die verdunstete Wassermenge schließen kann. Manche Messgeräte dieser Art werden nicht herausgenommen, sondern stehen bereits auf einer aufwendigen Waage (diese muss bei einem Gewicht von 3 t noch auf 100 g genau sein).

Das Lysimeter ist eine sehr kostspielige Angelegenheit, zumal es bis zu 15 t wiegen kann und deshalb „schwer“ zu Wägbare Lysimeter-Anlagen dienen zur Veri¤kation (d. h. handhaben ist. Die Mindestgröße liegt bei 1 m3. Dafür ist der Überprüfung der gewählten Rechenverfahren) und Ka- dieses Messgerät zur Bestimmung der aktuellen Verduns- librierung (also Modelleichung, d. h. die Scha¦ung einer tung am verlässlichsten. Schnittstelle zwischen dem mathematischen Modell und den Feldmessungen) von Modellansätzen zur Bestimmung Tabelle 15.2 zeigt einige Verdunstungswerte am Beispiel der aktuellen Evapotranspiration inkl. Abschätzung von Be- von Eberswalde. standswiderständen.

164 Verdunstungswanne / Verdunstungskessel TDR-Sonde und kapazitive Messsonde An der UniBw München wird zur Messung der potenziellen Sowohl beim TDR-Verfahren (TDR- Time Domain Re ectro- Verdunstung eine Verdunstungswanne (Class-A-Pan) ein- metry) als auch bei der kapazitiven Methode spielt die Di- gesetzt. Sie wurde früher routinemäßig in den neuen Bun- elektrizität des Wassers (␧0 = 81) die wesentliche Rolle. Sie desländern verwendet. ist um fast zwei Größenordnungen größer als die von Luft

(␧0 = 1). Aber auch die festen Bestandteile des Bodens tra- Abb. 15.4 Verdunstungswanne (Foto: DWD, ZAMF Braunschweig) gen zur Dielektrizität des Bodens bei (mineralische Partikel

␧0 = 2 bis 5). Die Bestimmung der Bodenfeuchte erfolgt in zwei Schritten. Im ersten Schritt wird die Dieletrizitätszahl des betrachteten Bodenkörpers und erst im zweiten Schritt die Bodenfeuchte bestimmt. Daher ist bei beiden Metho- den eine Kalibrierung am jeweiligen Boden für quantitative Aussagen zum volumetrischen Wassergehalt erforderlich.

Bei der TDR-Messtechnik wird das teilweise Eindringen und Re ektieren elektromagnetischer Impulse oder Hochfre- quenzwellen in den Boden ausgewertet. Die Dielektrizitäts- zahl des Bodens wird durch die Messung der Zeit bestimmt, die ein Spannungsimpuls (10 ps bis 2 ns) zum Durchlaufen eines vom feuchten Boden umgebenen elektrischen Leiters benötigt. Aus der Dielektrizitätszahl lässt sich auf die aktuelle Bodenfeuchte schließen, d. h. sie ist eine Funktion der Bodenfeuchte. Die Geräte vieler Anbieter eignen sich für Mit einem keramischen Drucksensor erfolgt die kontinu- den stationären Einsatz und können dann kontinuierlich ierliche Registrierung. Die Verdunstungswanne hat folgen- volumetrische Bodenwassergehalte liefern. Wenn absolute de Abmessungen: Werte erforderlich sind, emp¤ehlt es sich vergleichende Pa- Durchmesser: 1206,5 mm = 47,5" rallelmessungen durchzuführen. Höhe: 254 mm = 10" Material: nichtrostender Edelstahl Abb. 15.5 TDR-SONDE (Fa. IMKO) (Foto: DWD, ZAMF Braunschweig) Gewicht: 26 kg (Fa. Thies)

Eine Fehlerquelle dieser Geräte ist der Oasene¦ekt. Durch die zu kleine Fläche wird Wärme von der Seite herantrans- portiert. Dies führt zu einem rascheren Wasserumsatz, die potenzielle Verdunstung (ETP) wird überschätzt.

15.3.2 Bodenfeuchtemessung

Gravimetrische Bestimmung der Bodenfeuchte (Bohr- stockmethode) Die Entnahme der Bodenproben erfolgt mit dem Erdboden- bohrstock nach PÜRKHAUER. Auf kurz gehaltenem Gras oder landwirtschaftlichen Flächen werden Bodenproben bis 60 cm Tiefe entnommen. Die Probenahme darf nicht Bei der kapazitiven Methode wird die Dielektrizität des Bodens bei Niederschlag erfolgen, da Regentropfen auf dem ent- aus der Lade- oder Entladezeit eines Kondensators bestimmt nommenen Boden das Ergebnis stark beein ussen. Die und damit auf den Wassergehalt geschlossen. Das Verfahren entnommene Bodensäule wird in 10 cm Abschnitten in wird bevorzugt bei transportablen Geräten eingesetzt. einzelne Metalldosen gefüllt und gleich mit einem Deckel verschlossen, um die Verdunstung während des Transpor- Tensiometer zur direkten Messung der Bodenwasser- tes zu verhindern. spannung Alle Wasserbewegungen im Boden sind direkt abhängig von Das Feuchtgewicht des Bodens wird durch Wiegen der Me- der Bodenwasserspannung (Bodensaugspannung), da sich talldosen ohne Deckel bestimmt. Die Bodenproben werden das Wasser – in Böden wie auch an der Ober äche – immer dann in einen Trockenschrank bei 105 °C mindestens 8 bis 12 von Orten höheren Potenzials zu Orten eines niedrigeren Stunden getrocknet. Beim erneuten Auswiegen der Proben Potenzials bewegt. Der Großteil der Bodenwasser üsse ¤n- wird das Trockengewicht erfasst. Aus den Werten Feucht- det bei geringen Wasserspannungen statt, die nur mit Ten- gewicht, Trockengewicht und Dosengewicht wird die Bo- siometern direkt und genau gemessen werden können. denfeuchte in Gewichtsprozent berechnet. Sind die Boden- dichten in den einzelnen Bodenschichten bekannt, kann die Bodenfeuchte auch in Volumenprozent angegeben werden.

165 Abb. 15.6 Tensiometer (Foto: DWD, ZAMF Braunschweig) Abb. 15.7 Einstich-Tensiometer, Typ T1 (UMS GmbH)

15.3.3 Messung von Lufttemperatur und Luftfeuchte im Bestand

Zur Erfassung der Temperatur- und Feuchteverhältnisse innerhalb eines P anzenbestandes werden Minipsychrome- ter (Eigenbau, DWD) eingesetzt (siehe 9.3.1 und Abb. 15.8).

Natürlich gelagerte Böden sind heterogen. Dadurch bestim- Abb. 15.8 Minipsychrometer im Einsatz in einem Maisbestand 2007 men nicht nur Niederschlag und Verdunstung die Prozes- (Foto: DWD, ZAMF Braunschweig) se, sondern auch die Textur, Korngrößenverteilung, Risse, Verdichtung, Wurzeln und Hohlräume. Tensiometer-Mes- sungen werden von dieser Heterogenität nicht ver»lscht. Das Bodenwasser und das Wasser im Tensiometer haben Kontakt über eine poröse Keramik, die wasserdurchlässig ist. Die Bodenwasserspannung überträgt sich direkt auf den Druckaufnehmer, der ein entsprechendes Signal liefert. Der atmosphärische Referenzdruck wird durch das Kabel und eine Membrane am Kabel übertragen – eine praktikable pa- tentierte Methode. Tensiometer messen also die Saugspan- nung des Wassers im Boden. Diese Kraft nimmt mit abnehmender Bodenfeuchte zu.

Einstich-Tensiometer Mit einem Einstich-Messkopf und einem Handmessgerät können an einer beliebigen Anzahl von installierten und befüllten Tensiometerschäften sogenannte Stichpunkt- messungen der Bodensaugspannung durchgeführt werden. Das Handmessgerät zeigt die Messwerte in hPa an.

Stichpunktmessungen: Mit der Hohlnadel im Messkopf wird die Membran des Tensiometerschaftes durchstochen. Im Frühjahr werden Kulturen auch unter Folien angebaut. Die Nach durchgeführter Messung wird der Messkopf einfach kleine und kompakte Bauweise der Minipsychrometer erlaubt wieder abgezogen. Die Membran (gasdichtes Septum) ver- den Einsatz auch unter verschiedenen Folien (Abb. 15.9). schließt sich nach Herausziehen der Nadel sofort wieder.

Zu den Vorteilen von Einstich-Tensiometern gehört das einfache Kontrollieren und Nachfüllen der transparenten Tensiometerschäfte. Mit nur einem Messkopf und einem Handmessgerät kann die Bodensaugspannung an beliebig vielen Messpunkten bestimmt werden.

Grenzen der Einsatzbedingungen • nicht für trockene Böden oder bei Frost geeignet • kein horizontaler Einbau • geringere Genauigkeit als herkömmliche Tensiometer

166 Abb. 15.9 oben: Minipsychrometern (Nahaufnahme) unten: Einsatz Blattbenetzungssensor von Minipsychrometern zur Erfassung der Verhältnisse unter ver- Bei dem Blattbenetzungssensor (Fa. Ho¦mann Messtech- schiedenen Folientypen (Foto: DWD, ZAMF Braunschweig) nik) handelt es sich um einen kapazitiv messenden Füh- ler, der schwach auf die relative Luftfeuchte und stark auf kondensierende Nässe reagiert. Der Sensor selbst simuliert ein Blatt und hat, wie man in der Abbildung 15.12 erkennen kann, keinen Kontakt zu einer P anze.

Abb. 15.12 Pro¯lmessungen Blattbenetzungssensoren (Homann Mess- technik) mit Minipsychrometern (Foto: DWD, ZAMF Braunschweig)

15.3.4 Messung der Blattbenetzung

Blattharfe Der elektronische Blattnässefühler des DWD (Eigenbau DWD) misst die Blattnässe direkt am Blatt (Abb. 15.10). In ein Plastikrähmchen wird ein Blatt eingespannt, das mit 15.3.5 Messung des fühlbaren Wärmestromes einem feinen Drahtnetz überzogen ist. Die Emp¤ndlichkeit kann über eine Elektronik gesteuert werden. Nach einiger Die Messung des fühlbaren Wärmestroms H erfolgt mit ei- Zeit muss das Blatt jedoch ausgetauscht werden. nem 3D Ultraschallanemometer (Abb. 12.29) der Fa. METEK. Das USA erfasst die Fluktuation der Temperatur T' und der Abb. 15.10 Blattharfe (Foto: DWD, ZAMF Braunschweig) Windkomponenten u, v und w mit einer zeitlichen Au ösung von mindestens 10 Hz. Aus der Kovarianz kann dann der fühlbare Wärmestrom wie folgt berechnet werden:

H = ␳ (15.2.) cp

mit ␳ = Luftdichte

c p = spezi¤sche Wärmekapazität der Luft bei konstantem Druck

Abb. 15.13 USA (METEK GmbH) im Einsatz über einem Maisfeld, 2010 (Foto: DWD, ZAMF Braunschweig)

Abb. 15.11 Messung der Blattbenetzung mit der Blattharfe in einem Kartoelbestand (Foto: DWD, ZAMF Braunschweig)

167 Wird parallel die Strahlungsbilanz und der Bodenwärme- und mehr verboten (siehe noch 11.4). Das Messprinzip macht strom gemessen, kann mit dem fühlbaren Wärmestrom der sich den Gefriervorgang einer vertikal in den Boden einge- latente Wärmestrom (Verdunstung) als Restglied aus der führten und von einem Plexiglasrohr umschlossenen Wasser- Energiebilanz bestimmt werden (Eddykovarianz-Energiebi- säule zunutze. Erstarrt ein Teil der Wassersäule aufgrund der lanz-Methode). Die baugleich aussehenden Schwachwind- niedrigen Bodentemperatur zu Eis, so kann das untere Ende messgeräte können nicht in so hoher zeitlicher Au ösung und damit die Tiefe des gefrorenen Säulenabschnitts mittels messen und erfassen nur die Mittelwerte der drei Wind- einer Magnet-Relaisanordnung erfasst werden. komponenten u, v und w. Die FRODIT-Messungen werden in den Wintermonaten an 15.3.6 Messung des Bodenwärmestromes der ZAMF Braunschweig mithilfe von Bohrstockmessungen veri¤ziert. Abbildung 15.15 zeigt einen derartigen Vergleich. Zur Bestimmung des Bodenwärmestromes werden soge- Generell variiert die Bodenfrosteindringtiefe je nach Bode- nannte Wärmestromplatten verwendet. Diese Platten wer- nart, Bodenfeuchte, Bewuchs, Schneedeckenhöhe und den den in die oberste Bodenschicht in einer Tiefe von 2 cm ein- meteorologischen Bedingungen. gesetzt. Soll der Energiehaushalt einer Fläche untersucht werden, ist die Kenntnis der vom Boden aufgenommenen Abb. 15.15 FRODIT/Bohrstock, Veri¯zierungsergebnis aus dem oder abgegebenen Wärmemenge von Bedeutung. Winter 2002 (Foto: DWD, ZAMF Braunschweig)

15.3.7 FRODIT – Messgerät zur Bestimmung der Frostein- dringtiefe

Die Erfassung der Frosteindringtiefe ist üblicherweise mit hohem technischem Aufwand (vertikal hochau ösende Temperaturmessung) oder mit erheblichen manuellen Aufwand (Bohrstockmessung) verbunden. Zur Reduzie- rung dieses Aufwandes wurde an der ZAMF Braunschweig das Messgerät FRODIT (elektronisches Frosteindringtiefe- Messgerät) entwickelt (Abb.15.14/15.15). 15.3.8 Messung mit Splashmetern Abb. 15.14 FRODIT Gesamtansicht (Foto: DWD, ZAMF Braunschweig) Für eine Reihe von P anzenkrankheiten spielt Spritzwas- ser („Splash“) als aufwärts gerichtete Komponente des Nie- derschlags eine wichtige Rolle, so auch für den Falschen Mehltau der Weinrebe (Rebenperonospora). Regentropfen nehmen beim Auftre¦en auf den Boden eines ehemals in- ¤zierten Bestandes Sporen aus dem alten, inzwischen sich zersetzenden Falllaub auf, transportieren diese über den Spritzwasserpfad auf gesunde P anzenteile und verursachen damit Neuinfektionen. Im Weinbau ist dabei jene Höhe, die Spritzwassertröpfchen maximal erreichen kön- nen, von Interesse.

Abb. 15.16 Splashmeter (Eigenbau, DWD) im Rebbestand (Foto: DWD, KU3GH Geisenheim)

Die Kenntnis der Bodenfrosteindringtiefe ist im Zusammen- hang mit dem Ausbringen von Dünger auf landwirtschaftlichen Flächen von Bedeutung. So ist aus ökologischen Gründen z. B. die Gülleausbringung bei Frosteindringtiefen von 15 cm

168 Zur Erfassung der vertikalen Spritzwasserverteilung wer- Abb. 15.20 Thermographiekamera (FLIR) den sog. Splashmeter eingesetzt, die aus einem ca. 1,1 m hohen Zylinder von 4 cm Durchmesser bestehen, dessen Ober äche mit Löschpapier belegt ist (Abb. 15.18).

Abb. 15.17 Splashmeter auf einer Frei¥äche (Foto: DWD, KU3GH Geisenheim )

Das Einsatzspektrum der Infrarotthermogra¤e ist breit ge- »chert und reicht von der Messung der Ober ächentem- peratur von P anzenbeständen bis hin zur Erfassung der Temperatur von Rauchpartikeln, die bei Flächenbränden erzeugt werden. Ein klassisches Anwendungsfeld ist die Er- fassung von Systemgrenzen, wie sie z. B. an der Schnittstelle zwischen beregnetem und unberegnetem Bestand oder zwischen bewachsener und unbewachsener Land äche auftreten. Die Temperaturdi¦erenz zwischen beiden Teil ächen wird zu einem wesentlichen Teil von den unterschiedlichen Verdunstungsprozessen bestimmt und ist somit ein Indi- Die unmittelbare Bodenumgebung dieses Zylinders ist ein- kator für Wasserstresssituationen. Mit Hilfe der IR-Kamera ge»rbt. Die dort aufschlagenden Regentropfen nehmen können Stresssymptome an P anzen deutlich gemacht wer- beim Zerplatzen die Färbung auf und schlagen sich als den. So kann man mit der IR-Kamera z. B. Infektionen des Farbmarkierung auf dem Löschpapier nieder (Abb. 15.18). Falschen Mehltaus (Rebenperonospora) an Rebenblättern Auf diese Weise kann die Splashtröpfchendichte als Funkti- bereits vor Sichtbarwerden der eigentlichen Symptome (Öl- on der Höhe über dem Boden bestimmt werden (Abb. 15.19). eck) erkennen. Durch die Abgabe von Wasserdampf durch die Spaltö¦nungen wird die Ober äche der P anzen gekühlt Abb. 15.18 Farbmarkierung auf Löschpapier (Verdunstungskälte). Welche Unterschiede in der Ober ä- chentemperatur möglich sind, zeigen sehr deutlich zwei Bei- spiele für Wasserstress aus dem Jahr 2003.

Unterschiede zwischen unberegnetem und beregnetem Bestand Die Abbildung 15.21 zeigt den Zustand eines Zuckerrüben- Abb. 15.19 Splashtröpfchendichte als Funktion der Höhe über Brache im bestandes im August 2003. In der linken Hälfte des Bildes Freiland für verschiedene Niederschlagstypen (Braunschweig 2003) ist der unberegnete, in der rechten Hälfte der mehrfach be- regnete Zuckerrübenbestand zu erkennen. Der obere Teil der Abbildung gibt die entsprechende Infrarotaufnahme wieder. Im mittleren Teil der Abbildung ist das Temperatur- pro¤l entlang der schwarzen Linie (oberer Teil) dargestellt.

Abb. 15.21 Aufnahme eines unberegneten / beregneten Zuckerrüben- bestandes, 09.08.2003 – Versuchs¥ächen der ZAMF Braunschweig

15.3.9 Bestimmung der Oberächentemperatur mit Hilfe einer Thermogra¨ekamera

Zum Verständnis vieler agrarmeteorologischer Prozesse ist es notwendig, die Temperaturverteilung von Ober ächen berührungslos zu erfassen. Hierzu wird eine Thermogra- ¤ekamera (IR-Kamera) eingesetzt, die im Spektralbereich 7.5 µm bis 13 µm die von Objekten ausgehende langwellige Strahlung in ein Temperatursignal umwandelt. Das grundlegende Messprinzip dazu wurde unter 8.2.3 erläutert.

169 Während im rechten beregneten Teil die Strahlungstempe- Abb. 15.23 Streuwaage (Foto: DWD, ZAMF Braunschweig) raturen im Bereich der Lufttemperatur um 27 °C nur gering- fügig pendelte, wurden im linken unberegneten Bestand Ober ächentemperaturen von 34 °C mit großer Schwan- kungsbreite gemessen. Die Bodenfeuchte wurde mit der Bohrstockmethode bestimmt. Unter dem unberegnetem Bestand lag sie am Welkepunkt (hier 20 % nFK), während die Bodenfeuchte unter dem beregneten Bestand Werte von über 60 % nFK aufwies. Die hohen Ober ächentemperatur- werte des Bestandes bei Wasserstress (Fehlen der Verduns- tungskälte) verursachten Sonnenbrandschäden an den Rü- benblättern, die zu hohen Ertragseinbußen führten.

Unterschiede zwischen bearbeitetem und unbearbei- tetem Boden Wird ein Boden landwirtschaftlich bearbeitet, so führt dies zur Unterbrechung der Bodenkapillaren und damit zur Verringerung des aufwärtsgerichteten Wassertransports. Abbildung 15.24 zeigt die Messung und Simulation der Die sich als Konsequenz einstellende Austrocknung des Feuchtedynamik einer 4 cm mächtigen Streuschicht unter Oberbodens macht sich optisch durch eine hellere Boden- realen atmosphärischen Bedingungen. Die Messdaten wur- farbe bemerkbar. Das Thermalbild vom 1.4.2003 zeigt die den vor und während eines Feuerexperimentes bei Cottbus Auswirkung auf die Erdober ächentemperatur, die einen gewonnen, welches im Jahr 2001 durchgeführt wurde. Unterschied von 10 K im bearbeiteten bzw. unbearbeiteten Parzellenteil aufweist (Abb. 15.22). Abb. 15.24 Vergleich des DWD-Streufeuchtemodells mit Feuchtemes- sungen einer Streuwaage Abb. 15.22 unbearbeiteter (links) und bearbeiteter Boden (rechts), 1.4.2003 – Versuchs¥ächen der ZAMF Braunschweig

15.4 Versuchseinrichtungen

Auch die Bodentemperaturen knapp unterhalb der Bodenober- Für die Durchführung von Feldversuchen zum Zwecke äche werden beein usst, weshalb man bei der Interpretation der Modellentwicklung und validierung verfügt die ZAMF von Bodenklimamessungen (vertikales Temperaturpro¤l, Bo- Braunschweig über eine ca. 1 ha große Fläche, auf deren Par- denwärmestrom) immer den Bearbeitungszustand berücksich- zellen praxisgerechter landwirtschaftlicher Anbau erfolgt. tigen muss. Zwischen den beiden Parzellen sorgen die Wende- ächen des Traktors für zusätzliche Inhomogenitäten. Die Auswahl der Zielkulturen richtet sich nach den jeweiligen bodenphysikalischen, bestandsklimatologischen und 15.3.10 Messung mit der Streuwaage biologischen Fragestellungen. Unter zwei der Parzellen be- ¤ndet sich jeweils ein wägbares Unterdrucklysimeter (Flä- In Deutschland entstehen nahezu alle Waldbrände aus der che 3 m2, Tiefe 1,5 m), das mit einer Au ösung von 0,1 mm Zündung des Bodenbelags. Die Simulation der Streufeuch- den vertikalen Wasser uss (Niederschlag, Verdunstung, te-Dynamik ist deshalb ein geeignetes Mittel, um den Zün- Sickerung, kapillarer Aufstieg) misst. derfolg und damit die Waldbrandgefahr abzuschätzen. Zur Bestimmung der Streufeuchte wird eine Streuwaage (Abb. 15.23) eingesetzt. Die Waage wird so weit im Boden versenkt, dass sie ebenerdig abschließt.

170 Abb. 15.25 Wägbares Unterdrucklysimeter Eine Benutzeranleitung und eine Psychrometertafel sind im Ko¦eroberteil untergebracht.

Abb. 16.1 Notmessgeräte-Koer (Foto: B. Henning)

Zu den routinemäßig erfassten Standardmessgrößen zählen Die Messgeräte sind durch einen Formschaum-Einsatz im neben den Bodenwassergehalten die Bodentemperaturen Ko¦erunterteil und durch einen Noppenschaum-Einsatz und Bodenfrosteindringtiefen, die Bestandstemperaturen im Ko¦eroberteil gegen Erschütterungen und Vibrationen und feuchten sowie Blatttemperaturen und die Blattbenet- geschützt. zung. Ein Teil der hierfür eingesetzten meteorologischen Messsensoren wurde an der ZAMF selbst entwickelt. Wäh- Zum Schutz gegen Staub und Wasser ist der Geräteko¦er, rend die Bestimmung der bodenphysikalischen Kardinal- dessen Schale aus glasfaserverstärktem Kunststo¦ besteht, werte in einem eigenen Bodenlabor vorgenommen wird, staub- und wasserdicht. Er ist daher mit einem Druckventil erfolgt im Freiland eine kontinuierliche Überwachung der ausgestattet, das sich neben dem Tragegri¦ be¤ndet. Zum Kulturen in einer der jeweiligen Fragestellung angemesse- Ö¦nen des Ko¦ers ist das Ventil gegebenenfalls durch Dre- nen Form (Erfassung der Bestandshöhe, -dichte, des Blatt- hen der Ventil-Rändelschraube gegen den Uhrzeigersinn ächenindexes und der phänologischen Entwicklung). um ca. eine halbe Umdrehung zu ö¦nen. Das Ventil sollte in der Regel geö¦net sein, um eine Beschädigung des Baro- Im Jahr 2000 wurde ein Internationaler Phänologischer meters zu vermeiden und sollte nur unter besonderen Um- Garten mit erbgleichen P anzen und Gehölzen eingerich- gebungsbedingungen geschlossen werden. tet, der einen Beitrag zur Wirkungsforschung der globalen Erwärmung liefern soll. 16.2 Ersatzmessungen der Temperatur, Luftfeuchte, Luftdruck und Wind

. ERSATZMESSUNGEN Gegenwärtig werden Ersatzmessungen für die Temperatur und Luftfeuchte entweder in der Thermometerhütte mit Ersatzmessverfahren sind notwendig, wenn einzelne Geräte dem Hüttenpsychrometer, mit dem Aspirationspsychro- bzw. Sensoren ausfallen oder ganze (automatische) Systeme meter nach Assmann oder mit dem Schleuderpsychrometer komplett versagen (z. B. durch Stromausfall oder Blitzein- (letzteres im Notmessgeräte-Ko¦er) vorgenommen. schlag). Dann werden an den Wetterwarten und Klimarefe- renzstationen des DWD die noch verbliebenen konventio- Die beiliegende Psychrometer kann für die Bestimmung nellen Messmittel bzw. der Notmessgeräteko¦er eingesetzt. weiterer Feuchtegrößen natürlich verwendet werden. Wenn möglich, sollte aber die Verwendung der unter 9.1.1 erwähn- 16.1 Notmessgeräte-Koer ten Aspirations-Psychrometertafeln (DWD 7. Au age, 1998) erfolgen, da sie detailliertere Werte beinhaltet. Für den Ausfall von einzelnen oder mehreren Messgeräten/ Sensoren ist im DWD ein Notmessgeräte-Ko¦er an allen mit Luftdruckwerte werden bei Ausfall des Sensors mit Hilfe Personal besetzten Wetterwarten des DWD vorhanden. Der des Quecksilberbarometers oder des Aneroidbarometers Ko¦er enthält Messgeräte (Tab. 16.1), die im Einzelnen in (letzteres im Notmessgeräte-Ko¦er) ersatzweise gemessen. den jeweiligen Kapiteln beschrieben sind. Die Windmessung erfolgt mit einem Handanemometer, mit Tab. 16.1 Messgeräte des Notmessgeräte-Koers dem schon immer alle Wetterwarten ersatzweise gemessen haben. Im Notmessgeräte-Ko¦er be¤ndet sich ebenfalls ein Messgerät Fundstelle solches Gerät. Handanemometer SIAP VT 1204 12.3.1 Schleuderpsychrometer PTS 30 9.3.1 16.3 Ersatzmessungen des Niederschlages Präzisions-Aneroidbarometer Fuess 15ps 7.3.2 Ersatzmessverfahren der Niederschlagsmessungen können nur für den Niederschlagsmesser nach Hellmann durch-

171 geführt werden. Andere meteorologische Größen können einen Havarieplan, aus dem weitere Verfahren bei techni- nicht ersatzweise gemessen werden. Bei einem Ausfall von schen Havarien im Rahmen des synoptischen Dienstes und Teilen des Standard-Niederschlagsmessers (Hellmann) des Flugwetterdienstes beschrieben sind. müssen Behelfsmessungen durchgeführt werden, damit die langen Reihen der Niederschlagsbeobachtungen nicht unterbrochen werden. Das gilt in erster Linie für Nieder- . VERGLEICH KONVENTIONELLER MESSTECHNIK schlagsmessstellen und Klimareferenzstationen. Dann MIT MODERNEN SENSOREN kann folgendermaßen vorgegangen werden: 17.1 Allgemeines Kanne Jedes Ge»ß passender Größe kann anstelle der Kanne ver- Leider ist es nicht immer möglich, Messungen während ei- wendet werden. Zu Verhinderung der Verdunstung werden nes langen Zeitraumes unter gleich bleibenden Bedingun- breite Ge»ße mit Papp- oder Blechdeckel abgedeckt, der legen durchzuführen, obwohl dies für die Aussagekraft von diglich die Ö¦nung für die Durchführung der Trichtertülle langen Datenreihen sehr wichtig wäre. Häu¤gste Ursachen enthält sind Stationsverlegungen, der Einsatz neuartiger, technisch verbesserter Messinstrumente oder Veränderungen der Sta- Messglas tionsumgebung. Hinzu kommt die Tatsache, dass es zuneh- Der Beobachter sollte jede Termin- und Tagesmessung in mend zu einer Umstellung auf vollautomatischen Betrieb gut verschließbaren und mit dem Messtermin gekennzeich- kommt. Die Kontinuität jahrzehntelanger Mess- und Beob- neten Flaschen auewahren um sie später nach Ersatz des achtungsreihen ganzer Regionen leidet, wenn kein Wetter- Messglases messen zu können. beobachter mehr da ist, der die Messdaten überprüfen und erforderlichenfalls korrigieren kann. Steht ein gewöhnliches, in cm3 geeichtes Messglas zur Ver- fügung, wird die Niederschlagsmenge in cm3 gemessen, Natürlich haben sowohl Augenbeobachtungen als auch durch die Fläche des Au¦angge»ßes (200 cm2) geteilt und Messungen mit Geräten/Sensoren jeweils Vor- und Nach- erhält damit die Niederschlagsmenge in cm, durch Multi- teile. Und natürlich kann und soll der technologische Fort- plikation mit 10 die Menge in mm schritt auch in der meteorologischen Messtechnik genutzt werden. Es muss nur klar sein, dass mit zunehmender Au- (16.1) tomatisierung eine neue Qualität von Datenreihen entsteht, die zumindest zum Teil nicht mehr vergleichbar sind mit Steht ein solches Messglas auch nicht zur Verfügung, kann den bisherigen Reihen und daher Aussagen über Änderun- der aufgefangene Niederschlag gewogen werden. Da 1 cm3 gen des einen oder anderen Elementes sehr genau betrach- Wasser ein Gramm wiegt, gibt das Gewicht in g die Menge in tet werden müssen, von den wenigen Klimareferenzstatio- cm3 an. Die Berechnung erfolgt dann oder (16.2) nen und Wetterwarten an Verkehrs ughäfen abgesehen.

oder Anschaulich zeigt sich die Problematik bei einer Stations-

verlegung, die mit einem Höhenunterschied verbunden ist. Da z. B. der Luftdruck oder die Temperatur im Mittel mit Auangge¬ß zunehmender Höhe abnehmen, ergibt sich bei einer Verla- Jedes andere Ge»ß mit kreisrundem Querschnitt kann be- gerung einer Station mit einem Höhenunterschied eine ab- nutzt werden. Die in cm3 oder in Gramm gemessener Nie- rupte Veränderung in der Messreihe, die nicht der tatsächli- derschlagsmenge muss wieder durch den Querschnitt des chen, natürlichen Entwicklung entspricht. Behelfsge»ßes geteilt werden, um die Niederschlagshöhe in cm (mm) zu berechnen. Sie können zu „künstlichen“ Sprüngen und Trends in den Datenreihen führen, die Aussagen zur Klimaentwicklung Beträgt der Durchmesser des Ge»ßes d (cm), so ergibt sich relativieren oder sogar ver»lschen. Nahezu jeder Sensor- für die Au¦ang äche F für den Kreisinhalt: wechsel birgt die Gefahr, dass die Messreihen durch solche Sprünge nicht mehr homogen sind. Um die Messreihen für F = r 2 π = (16.3) die Klimatologie trotzdem verwenden zu können, müssen sie homogenisiert werden. Während dieses Homogenisie- Anschließend muss die Berechnung wie zuvor durchge- rungsprozesses werden «künstliche» Veränderungen in den führt werden. Datenreihen gesucht und korrigiert. Doch ist diese, durchaus machbare Methode kein einfaches Problem. So müssen Bei allen Behelfsmessungen wird die Niederschlagshöhe genügend ähnliche Vergleichsreihen vorhanden sein, an nur in ganzen mm unter Wegfall der Zehntel angegeben. denen sich die Inhomogenitäten korrigieren lassen. Dabei muss darauf geachtet werden, dass diese Vergleichsreihen 16.4. Ersatzmessungen nach VuB3 BHB „Havarieplan“ nicht selbst Inhomogenitäten, bzw. ganz natürliche regionale Unterschiede aufweisen. Der Korrelationskoe¾zient Andere meteorologische Größen können nicht ersatzweise ist die mathematisch-statistische Größe und das Maß für gemessen werden. Sie müssen mit den schon lange üblichen die Ähnlichkeit von Messreihen. Er hat den Wert 1, wenn Verfahren ergänzt werden. Dazu enthält VuB 3 BHB (DWD) die Messreihen absolut identisch sind, er geht gegen Null,

172 wenn überhaupt kein Zusammenhang besteht. In der Praxis Probleme gibt es bei allen Stationen insofern, als fast überall in hat sich der Wert 0,7 als noch akzeptabel ergeben (Böhm, Europa und auch weltweit Ende der 1980er/Anfang der 1990er 2010). So werden historische Messwerte an heutige Mess- Jahre die Temperatur statt mit Quecksilberthermometer nun bedingungen angepasst und nicht-klimatische Ein üsse mit elektronischen Verfahren erfasst wird. Beim Wechsel vom aus den Messreihen entfernt. Quecksilberthermometer zu „modernen“ Messmethoden werden viel raschere Änderungen der Temperatur als bisher Etwas anders geht man mit sog. Proxydaten um. Dabei erfasst. Dabei „pro¤tiert“ vor allem das Maximum, bei dem handelt es sich nicht um Messwerte, sondern um indirek- nun Spitzen im Minuten-, zum Teil im Sekunden-Takt erfasst te Klimadaten aus der „vorinstrumentellen“ Zeit, die aus werden. Dies ergibt Maxima, die oftmals 2 K höher als beim Hinweisen auf Wetter und Klima gewonnen werden. Diese trägeren Quecksilberthermometer liegen. Möglicherweise ist Rückschlüsse sind nicht immer eindeutig was die räumli- ein kleiner Teil des seit 1990 erfolgten weltweiten Temperatur- che und noch weniger die zeitliche Abdeckung betri¦t. anstiegs tatsächlich durch eine Änderung der Messmethoden vorgetäuscht – was noch zu untersuchen wäre! Die Homogenität langer Zeitreihen ist eine Voraussetzung für die erfolgreiche Untersuchung von Klimaänderungen. In Mitteleuropa werden die Klimatagesmittel nach der al- Homogenitätsprüfungen sichern, dass Änderungen in den ten „Mannheimer“ Methode Beobachtungsbedingungen (wie z. B. Stationsverlegungen, Austausch von Messfühlern) bei der Bewertung der statistischen Signale berücksichtigt werden können. errechnet, wobei das Maximum keine Rolle spielt. In vielen Teilen der Erde, z. B. in Auch Vergleiche von Messergebnissen zwischen konven- den USA und in den Tropen werden jedoch die Mittel durch tionellen Geräten und modernen Sensoren sind in diesem Zusammenhang wichtig und seit einigen Jahren Bestand- teil von Routineaufgaben an einer Reihe von Wetterstatio- errechnet. nen (nicht nur Klimareferenzstationen). Auch die Wetterhütten haben je nach Güte des Farbanstrichs Hinzu kommt, dass beim Austausch von Messdaten in den durchaus Ein uss auf die Strahlungseigenschaften und damit unterschiedlichsten Messnetzen (siehe 19.6.) die unter- auf die Temperaturangaben. Zu dieser Problematik merkte Dr. schiedlichsten Messmethoden, Messprinzipien und Mess- Klaus Müller, Leiter der Gruppe „Stadtmessnetz“ des Instituts geräte angewendet werden. Einerseits ist der Austausch für Meteorologie, FU Berlin, an: „Nur ein Beispiel: Tagesmit- eine erfreuliche Entwicklung vor allem der letzten Jahre, teltemperatur am 1.1.2009: Große Hütte (Wild): –3,3 °C; kleine andererseits aber stellt sich dabei die Frage der Vergleich- Hütte (Wild): –3,0 °C; Aluminium-Hütte: –3,2 °C; natürlich barkeit der Messwerte. Auch auf diesem Gebiet hat es er- belüftete KunststoÛütte: –3,0 °C; künstlich belüftete Kunst- freuliche Fortschritte gegeben. Beispielsweise hat der DWD stoÛütte: –2,8 °C. Gerade die alte Wetterhütte zeigt nach An- mit der Bayerischen Wasserwirtschaft bereits 1999 in einem gaben des DWD unzuverlässige Lufttemperaturmessungen Kooperationsvertrag ein gemeinsames Niederschlagsmess- mit Fehlern bis zu 2,5 K. Dies ist einer der Gründe, diesen Hüt- netz mit einheitlicher Geräteausstattung vereinbart. tentyp im synoptischen Messnetz auszumustern. Für eine alte Klimareihe wäre dies eine Katastrophe, so dass auch bei uns Im Zusammenhang mit der Klimaänderungsdebatte wird (FU Berlin) der alte Wetterhüttentyp für die Messungen im Bo- überwiegend von der Temperatur (Erwärmung) gesprochen. tanischen Garten erhalten bleibt.“ Dabei ist interessant, ob der Wechsel von Messfühlern sich auf die Messergebnisse auswirkt, wobei die Faktoren Träg- An der Bundeswehr-Station Lechfeld sind von 1998 bis 2006 heit und Strahlung eine herausragende Rolle spielen. Parallelmessungen mit elektrischen (Pt 100) und Quecksil- berthermometern durchgeführt worden (Hager, Neusäß bei Die folgenden Beispiele können dieses Problem nur exem- Augsburg). Im Mittel dieser neun Jahre ergab sich für das plarisch aufzeigen, da es ganz sicher keine Einzel»lle sind, Maximum eine um 0,93 K über und für das Minimum eine die anschließend beschrieben werden. Wenn von einer Er- um 0,88 K unter den Quecksilbermessungen liegende Tem- wärmung von 0,9 K in einem Jahrhundert die Rede ist, geht peratur. Dies gilt verallgemeinert wahrscheinlich für ganz. B. u. U. ein Teil davon zu Lasten des Gerätewechsels (z. B. Wech- yern. Für andere Gebiete können die Unterschiede durchaus sel von Hg-Thermometer zu Pt 100), wenn die Unterschiede größer sein, insbesondere in Regionen mit hoher Strahlung. vor und nach dem Wechsel einige Zehntelgrad ausmachen. Daher sind hierzu weitere Untersuchungen notwendig. Im Zusammenhang mit dem Klimawandel müssen aus diesen Gründen einige Aussagen relativiert betrachtet werden. An der privaten Station Horben bei Freiburg werden seit 1998 Quecksilber- und Elektronik-Thermometer genutzt. 17.2 Vergleich der Messwerte von Flüssigkeitsthermo- Letzteres zeigt nach Auskunft des Betreibers im Mittel 0,2 K metern mit digitalen Sensoren höhere Maxima und ebenfalls 0,2 K niedrigere Minima an.

Die folgenden Abschnitte sind der Berliner Wetterkarte e.V., 17.3 Vergleich der Strahlungsmessungen Beilage 46/2009, verfasst von Prof. Dr. Wehry, mit seiner freundlichen Genehmigung entnommen und leicht ver- Auch der folgende Abschnitt ist der Berliner Wetterkarte kürzt wiedergegeben. e.V., Beilage 46/2009 entnommen.

173 Auch die Messung der Sonnenscheindauer ist stark be- . AUTOMATISCHE MESSSYSTEME tro¦en, da meist von der Brennspur-Messung (Gerät nach Campbell-Stokes) zur Messung der Strahlung gewechselt 18.1 Allgemeine Angaben wurde. Letztere kann die Sonnenscheindauer deutlich genauer erfassen, muss jedoch – um mit dem Campbell- Automatische Wetterstationen wurden ursprünglich ent- Stokes-Gerät kompatibel zu sein – entsprechend eingestellt wickelt, um Messwerte meteorologischer Parameter aus werden, was erneut zu Ungenauigkeiten führen kann. schwer zugängigen oder unbewohnten Gebieten und von unbemannten Leuchttürmen zu bekommen. Sie sollten Wie bereits unter 14.2.1 erwähnt, wird beim DWD ab 120 W m –2 ohne menschliche Aufsicht über einen längeren Zeitraum „Sonnenschein“ erfasst, bei Meteoschweiz jedoch erst ab in Betrieb sein können. Die ersten Geräte dieser Art wurden 200 W m –2, obwohl die WMO seit 2003 o¾ziell 120 W m –2 emp- bereits im zweiten Weltkrieg eingesetzt. ¤ehlt. Hier muss man allerdings bedenken, dass es für das Campbell-Stokes-Gerät unterschiedliches Brennpapier gab. Im Zusammenhang mit dem Messnetz 2000 des DWD (sie- Vermutlich haben Vergleichsmessungen in der Schweiz, wo das he 19.1) haben automatische Stationen bis hin zu automati- widerstands»higere Papier benutzt wurde, zu diesem höheren schen Messsystemen in den letzten Jahren immer mehr an Wert geführt. Bedeutung gewonnen, nicht zuletzt um Personal (-kosten) einzusparen. Andere Wetterdienste und private Wetter¤r- Die Dahlem-Messungen des Sonnenscheins können außer- men setzen fast nur noch auf die vollautomatische Erfas- dem dadurch verändert sein (eine Zunahme vortäuschen, sung der meteorologischen Parameter. dies ist jedoch bisher nicht untersucht worden), weil sie jetzt auf dem 24 m hohen Messturm des Instituts für Meteorolo- Bei den im DWD eingerichteten automatischen Stationen gie erfolgen, also eine größere freie Rundumsicht als auf der handelt es sich um Systeme mit hochwertigen Sensoren der Dachterrasse der früher genutzten Villa zu Grunde liegt. neuesten Generation, die eine wertvolle Hilfe bei der Erstel- lung von Wettermeldungen sind und eine Ergänzung beste- Auch in Potsdam, Telegrafenberg können andere Ein üsse hender Beobachtungsstationen darstellen. Dennoch darf erfolgt sein, weil bei der Gründung der Station im Jahr 1893, diese Entwicklung nicht darüber hinwegtäuschen, dass der Berg kaum bewachsen war, heute dort hohe Bäume ste- auch mit den besten Messsystemen die manuellen, von gut hen, was jedoch nach Angaben der Stationsbetreiber keine ausgebildeten Wetterbeobachtern erstellten Wettermeldun- Rolle spielt [Berliner Wetterkarte e.V., Beilage 46/2009]. gen nicht in vollem Umfang ersetzbar sind und daher eventuell Abstriche in Kauf genommen werden müssen. Was 17.4 Vergleich von Niederschlagsmesswerten hierbei vertretbar ist und was nicht hängt wesentlich vom Datennutzer ab. So kann eine mit der Automation verbun- Die Messung der Schneehöhe erfolgte bisher an mehre- dene Reduzierung des Informationsgehaltes des Datensat- ren Punkten und die Werte wurden dann gemittelt. Mit zes, insbesondere an Wochenenden und in den Nachtstun- der Automation setzt man auf Punktmessungen bei den den, für die verantwortungsvolle Flugsicherungstätigkeit Schneehöhen. So kommt es, wie etwa an der Wetterstation eines Flugwetterberaters eine Einschränkung bedeuten, die Boizenburg zu irreführenden Messwerten, weil sich über problematisch sein kann. Die Verluste durch die Automati- dem Schneebrett eine Schneewehe festgesetzt hat. Tat- on von Augenbeobachtungen an den Wetterstationen kön- sächlich waren es am 18. Januar 15 cm, der Sensor meldete nen dadurch minimiert werden, dass zumindest ein Teil 45 cm. Oder am 1. Februar lagen tatsächlich 28 cm, laut Sensor dieser Aus»lle durch andere räumlich und zeitlich detail- 44 cm [Berliner Wetterkarte e.V., Beilage 46/2009]. lierte Datenquellen, wie Radarinformationen, Satellitenbil- der, Blitzortungssysteme und ein dichtes online meldendes Weitere Beispiele zu Messwerten aus der Niederschlagsmes- Netz von nebenamtlichen Stationen ausgeglichen werden. sung ergeben sich aus den Beschreibungen unter 11.6 Mes- sunsicherheiten und Fehlerquellen. Ohne konkrete Beispiele Automatische Stationen bieten natürlich viele Vorteile. angeben zu können, ist davon auszugehen, dass es im Zu- Sie können ohne Unterbrechung, Tag und Nacht betrieben sammenhang mit anderen Messungen ebenfalls Probleme werden und arbeiten z. B. mit Solarkollektoren autonom. mit der Vergleichbarkeit gibt, insbesondere bei einem Wech- Sie können an unwegsamen Stellen eingerichtet werden sel, der mit einem völlig neuen Messprinzip verbunden ist. und somit auf Ozeanen, z. B. auf Bojen und Schi¦en und an Man denke nur an die Windmessung mit den relativ trägen Land Daten nehmen. Automatische Stationen sind in aller Schalenanemometern und den heute vielfach eingesetzten, Regel programmierbar, sodass die Datenaufnahme für be- nahezu trägheitsfreien Ultraschallanemometern. liebige Zeitabschnitte möglich ist. Außerdem kann jeder gewünschte Parameter, der von einem oder mehreren ge- Weitere Erkenntnisse werden von den Klimareferenzstatio- messenen Parametern abhängt, direkt nach der Messung nen (siehe 19.3) erwartet, an denen im Parallelbetrieb sowohl am Messort berechnet werden. Die meisten automatischen konventionelle Messtechnik als auch moderne Sensoren im Wetterstationen enthalten Datenspeicher, die bei Ausfall Einsatz über viele Jahrzehnte verglichen werden sollen. des Übertragungssystems Daten lokal vorhalten.

Es ist von Seiten des DWD nicht beabsichtigt, alle Stationen zu automatisieren. So sollen folgende Stationen weiterhin personell besetzt bleiben:

174 • Flugwetterwarten zur meteorologischen Sicherung der AMDA II ist ausschließlich für den vollautomatischen Luftfahrt/Flugsicherheit Betrieb an Wetterstationen im hauptamtlichen Messnetz • Observatorien zur Gewinnung kompletter, komplexer vorgesehen. Es werden somit auch nur automatisch ge- meteorologischer Datensätze wonnene Daten abgeliefert. Die Übertragung der erstellten • Nationale Klimareferenzstationen zur langfristigen Über- Datensätze/Meldungen wird entsprechend vorgegebener wachung der Auswirkungen auf die Datengewinnung. Zeiten nach der internen Datenprüfung automatisch abgesetzt bzw. für den Abruf bereitgehalten. Damit ist an diesen Stationen gewährleistet, dass weiterhin auf menschliche Erfahrung gesetzt wird, um das augen- Abb. 18.1 AMDA I/II blickliche Wetter vollständig erfassen zu können.

Neben den mit Personal besetzten Wetterwarten betreibt der DWD vollautomatische Wetterstationen – ohne Personal im Hauptamtlichen Messnetz. Sie sind mit derselben intelligen- ten Sensorik ausgerüstet und erfassen sämtliche automatisch erfassbaren meteorologischen Werte vollautomatisch. Das gilt auch für die Werte, die normalerweise an einer bemannten Wetterwarte mittels Augenbeobachtungen erfasst werden, wie Sichtweite, Wolkenhöhe und (in eng begrenztem Umfang) Wetterzustand. Zur Ermittlung des Wetterzustandes sind diese Wetterstationen zusätzlich mit einem Sichtweitenmesser, einem Laserceilometer und einem Laser-Niederschlagsmo- Folgende Parameter werden automatisch an einer AMDA I/ nitor ausgerüstet. Die Messdaten werden vom Stationsrech- II gemessen: ner gesammelt und automatisch via ISDN an die Zentrale des • Lufttemperatur DWD übertragen. Darüber hinaus betreibt der DWD ca. 1000 • Luftdruck vollautomatische Stationen im Nebenamtlichen Messnetz, • relative Luftfeuchtigkeit die mit einem geringeren Sensorumfang ausgestattet sind. • Erdbodentemperaturen • Windrichtung und –geschwindigkeit 18.2 AMDA – Automatische Meteorologische Daten- • Niederschlag und Niederschlagsdauer erfassungsanlage • Sonnenscheindauer • Wetter (z. B. Schnee, Regen, Nebel mit Laser-Nieder- Im synoptisch-klimatologischen Messnetz werden 2 Typen schlags-Monitoren, LNM) von Wetterwarten unterschieden: • und direkte, diffuse und Globalstrahlung • Wst I ausgerüstet mit AMDA I. An diesen Stationen ist durchgehend ein Wetterbeobachter vor Ort, der den Die Parameter Wetterverlauf überwacht. • Sicht • Wst IE ausgerüstet mit AMDA I. An diesen Stationen ist • Wolkenart und Höhe der Wolkenuntergrenzen von 05:00 – 21:30 gesetzlicher Zeit ein Wetterbeobach- • Bedeckungsgrad ter vor Ort, der den Wetterverlauf überwacht. Während • Wetter der Nichtbesetzungszeuten werden alle relevanten me- • und Schneehöhe teorologischen Daten nur vom Automaten erfasst (vollautomatischer Betrieb). werden an mit Personal besetzten Wetterwarten (Wst I) von Beobachtern erfasst. Zur Unterstützung v.a. in den Nacht- Im synoptisch-klimatologischen Messnetz werden 2 Typen stunden werden die Sichtweite, die Wolkenart, die Höhe von Wetterstationen unterschieden: der Wolkenuntergrenzen, der Bedeckungsgrad, die Schnee- • Wst II ausgerüstet mit AMDA II höhe und das Wetter zusätzlich durch entsprechende Sen- • Wst III ausgerüstet mit AMDA III. Diese Stationen wer- sorik ermittelt. den von ehrenamtlichen Beobachtern betreut. Abb. 18.2 AMDA I/II AMDA I ist für den vollautomatischen wie für den teilautomatischen Betrieb an Wetterwarten im hauptamtlichen Messnetz vorgesehen. Im vollautomatischen Betrieb werden automatisch generierte Datensätze/Meldungen oder daraus automatisch generierte Teile abgesetzt. Das Absetzen erfolgt nach der Generierung und internen Datenprüfung an der AMDA I ohne eine manuelle Freigabe durch einen Beobachter. Im teilautomatischen Betrieb werden alle Da- tensätze/Meldungen, die für eine Handeingabe durch den Wetterbeobachter vorgesehen sind bzw. die ausschließlich aus Handeingaben bestehen, erst nach Prüfung und Freiga- be durch den Beobachter abgesetzt.

175 AMDA I und AMDA II haben die gleiche Software, sodass Abb. 18.4 Übersicht der Anschlusseinheiten AMDA I/II ohne weiteren Aufwand (ggf. nur Installation weiterer Sen- soren) Stationen automatisiert werden können. Somit kön- nen nur tagsüber besetzte Stationen leicht zwischen teil- und vollautomatischem Modus wechseln.

AMDA III ist eine automatische Station zur Erfassung von Mess- und Beobachtungsdaten des DWD. Dieses System lässt sich nochmals in die drei verschiedenen Stationsty- pen unterteilen: S (Standardstation), Nst (Station für Nie- derschlagsmessungen) und WMst (Stationen für Windmes- sungen). Abhängig von der Aufgabe der Station ist sie mit unterschiedlicher Sensorik bestückt.

Durch die Online-Anbindung und damit hohe Verfügbarkeit aktueller Messwerte der AMDA III Stationen werden diese neben den hauptamtlichen Stationen auch für synoptische Zwecke genutzt und vollständig in das Nowcasting und das Übermittlung der Mess- und Beobachtungswerte Warnmanagement integriert. Es stehen verschiedene Datensätze zum Abruf zur Verfü- gung. Es sind zum Einen die Termindatensätze Abb. 18.3 AMDA Server • automatisch 1-minütig erzeugte und gespeicherte Da- ten (Niederschlag) • automatisch 10-minütig erzeugte Daten (Windgrößen, Son- nenscheindauer, Feuchte und Lufttemperatur: das letzte 1-min-Mittel des 10-min-Intervalles wird gespeichert) • manuell eingegebene, festen Beobachtungsterminen zugeordnete Daten, und zum Anderen die Ereignisdatensätze • automatisch erzeugt und sofort abgesendet: Schwell- wertüberschreitungen • manuell erzeugt und sofort abgesendet: gefährliche Wettererscheinungen • automatisch erzeugt und sofort abgesendet: Systemstö- rungen, Fehlerauswertungen

Die Mess- und Beobachtungswerte werden an einer AMDA III 14 Tage gespeichert. Die Vorhaltung der Werte in AMDA I/II Stationen reicht je nach Parameter von einigen Stunden bis hin zu 10 Jahren.

Weitere Datensätze werden für potenzielle lokale Nutzer, die fest mit der Station verbunden sind, bereitgestellt. Alle Sensoren und Module werden regelmäßig kontrolliert. Sofern Defekte auftreten wird ein Alarm ausgelöst. Der Ein- Die AMDA kommuniziert über einen Router und ISDN mit satz der Sensoren erfolgt gemäß nationalen und internatio- der Zentrale des DWD in O¦enbach. Die Mess- und Beobach- nalen Vorgaben. Die Rekalibrierung der Sensoren und Mo- tungswerte einer Wst I und II werden von der Messnetzzen- dule ist Bestandteil des Qualitätsmanagement Prozesses. trale in O¦enbach, genannt Informationslogistik Messnetze, An der AMDA erfolgt bereits eine erste vollautomatische kurz ILM, zweimal jede Stunde, einer Wst III S und Nst einmal Prüfung der Daten auf je Stunde und einer WMst zweimal, bei Schwellenwertüber- • Vollständigkeit, schreitungen auch häu¤ger, abgerufen. Über die ILM erfolgt • Grenzwerte, auch die Administration der Kon¤gurationen, die Alarm- • zeitliche Konsistenz sowie, überwachung und die Verteilung von Software-Updates. Von • innere Konsistenz im Datensatz. dort aus werden die Daten an die DWD-Datenbanken, an die Qualitätsprüfung, QualiMET und zur Weiterverbreitung an Die wichtigsten Funktionen der AMDA III-Rechner-Software sind interne und externe Kunden weitergeleitet. die Datenaufnahme über die Sensorschnittstellen, Datenaus- tausch mit dem Handeingabeterminal (HET), die Datenverarbei- Datenuss in der meteorologischen Datengewinnung tung wie Mittelwert- und Summenbildung, Qualitätssicherungs- In der Gra¤k (Abb. 18.5) ist der Daten uss in der meteorolo- routinen, Alarmgenerierung, Generierung von Fehlermeldungen gischen Datengewinnung von der Erfassung bzw. Beobach- mittels Fehlermanagement, lokale Speicherung über sechs Wo- tung der meteorologischen Parameter bis zur Abgabe quali- chen und die Kommunikation mit der Zentrale. tätsgeprüfter Daten an die Nutzer schematisch dargestellt.

176 Abb. 18.5 Daten¥uss in der meteorologischen Datengewinnung Das System ASDUV ist ein System zum selbsttätigen Erfas- sen, Verarbeiten, Überprüfen, Darstellen und Verbreiten meteorologischer Messwerte und Beobachtungen an allen internationalen Verkehrs ughäfen zur Sicherung des Flugbetriebes (Start und Landung) in meteorologischer Hinsicht, entsprechend den Anforderungen der ICAO. Es versorgt die Deutschen Flugsicherung (DFS), die Flugwet- terwarten und die Luftfahrtberatungszentralen (LBZ) des DWD mit den wichtigen Informationen zur aktuellen Wet- tersituation mit real-time Wetterdaten.

Das derzeitige System besteht aus drei Rechnern, die die Signale einer Anzahl von Sensoren verarbeiten. 1996 wurde das modular aufgebaute System an den internationalen Verkehrs ughäfen in Deutschland eingeführt. Es besteht aus drei Komponenten:

• Sensoren Signalvorverarbeitung (Multi-Purpose-Card) Rechner 1 im Landebahnhaus auf dem Flugfeld Parameter: Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Wol- Der DWD betreibt z. Zt. ca. 1200 AMDA-Systeme, von denen kenhöhe, Landebahnsichtweite sowie Luftdruck, Luft- rund 1000 an nebenamtlichen Stationen eingerichtet sind. temperatur und -feuchte • Kommunikation (Rechner 2): Modes III Datenübernahme vom Rechner 1 Modes bezeichnet den gemeinsamen Nachfolger von AMDA Anzeige der Messwerte, Generierung von Meldungen I/II und AMDA III. Die Software der AMDA I/II-Systeme wird (METAR/SPECI) angepasst, um die Anforderungen von AMDA III erfüllen zu Verteilung der Sensorwerte an die DFS und die Flugbera- können. Die Software-Entwicklung und Software-Wartung tung des DWD wird langfristig wieder im DWD erfolgen. Im Rahmen des • Graphik (Rechner 3): Projektes werden die historisch bedingten unterschiedli- Im Landebahnhaus und in der Beratungszentrale vor- chen Vorschriften für die Verschlüsselung und Verarbei- handen tung der Augenbeobachtungen im haupt- und nebenamtli- Darstellung von Zeitreihen der gemessenen Daten in chen Messnetz vereinheitlicht. Die Zusammenführung zu Diagrammen einem einheitlichen Bodenmessnetz vereinfacht die Struk- turen und Verfahren und erhöht damit deren E¾zienz. Zur Erhöhung der Ausfallsicherheit ist der Rechner 2 mit dem Rechner3 austauschbar. Der DWD erhält vermehrt Anfragen Dritter zum Betrieb einer Messstation analog dem nebenamtlichen Messnetz. Nachdem die meteorologischen Werte durch entsprechen- Speziell für Waldbrandvorhersagen werden automatische de messtechnische Geräte aufgenommen und über die Inf- Niederschlagsstationen (AMDA III/N) nachgefragt. Mit Mo- rastruktur zum Landebahnbeobachterhaus übertragen wur- des III soll ein einfaches und kostengünstiges System ent- den, müssen die Informationen dort gebündelt, verarbeitet stehen, das langfristig auch für ö¦entliche Wetterstationen und ausgewertet werden. Dies geschieht im dreistu¤gen verfügbar ist. ASDUV-N Datenverarbeitungssystem. Die ankommenden Informationen werden zunächst auf Plausibilität geprüft 18.3 ASDUV und der Datentransfer zwischen dem Sensor und dem Sys- tem abgewickelt. Diese Aufgabe wird in einem 19" Schrank- Der DWD ist vom Gesetzgeber beauftragt, die zur Sicherung system von einem Industriecomputer, dem sogenannten des Flugverkehrs an den Verkehrs ughäfen erforderlichen Rechner1 übernommen. Nachdem die meteorologischen meteorologischen Daten bereitzustellen. Die Datengewin- Informationen die erste Stufe durchlaufen haben, werden nung erfolgt u. a. durch spezielle Sensoren für Sichtweite, sie an einen Personalcomputer (PC) mit besonders robus- Umfeldleuchtdichte, Windrichtung und -geschwindigkeit ten und langlebigen Hardwarekomponenten weitergeleitet sowie für die Wolkenuntergrenze. An einer Start- / Lande- (Rechner 2). Er erzeugt alle Datentelegramme für die DFS bahn sind bis zu acht unterschiedliche Messstandorte eta- und für alle weiteren direkt angebundenen Kunden vor Ort. bliert. Um die Sensoren an die Verarbeitungseinheiten an- Darüber hinaus wird auf diesem Rechner vom Beobach- binden zu können, steht dem DWD ein eigenes Kabelnetz tungspersonal das SPECI sowie das METAR zur internatio- mit der entsprechenden Nachrichtentechnik zur Verfü- nalen Verbreitung generiert. gung. Zur Verarbeitung der anfallenden Messdaten wird das System ASDUV (Automatisches System zur Datenerfassung und -Verbreitung) auf allen internationalen Verkehrs ug- häfen in Deutschland eingesetzt.

177 Abb. 18.6 Systemübersicht ASDUV-N Tab. 18.1 Eingesetzte Sensorik mit ASDUV Fund- Parameter Sensoren stelle Lamellen-Strahlungsschutzhütte 19.4.2 LAM630 Wetterhütte Englische Wetterhütte 19.4.2 (Stevensonsche Wetterhütte) Feuchte HMP45 9.3.3 Quecksilberbarometer, 7.3.1 Luftdruck AIR DB-1A und DB-1B, PTB 220 7.3.3 DF 20 Vorwärtsstreulichtsensor 13.3.2 Skopograph II („Flamingo“) 13.3.1 Transmissometer Sichtweite FS11 Vorwärtsstreulichtsensor 13.3.2 (auf Flughäfen) Videograph nur noch in EDDM, 13.3.2 Im Landebahnbeobachterhaus be¤ndet sich ein weiterer EDVV, EDDG PC, welcher von der Hardwareausstattung mit dem Rech- Sichtweite Fumosens VI nur noch 4 in ner 2 identisch ist. Dieser PC (Rechner 3) bereitet die me- – (veraltet) EDDM teorologischen Informationen gra¤sch in Form von über- sichtlichen und skalierbaren Diagrammen auf. Ein weiterer Umfeld- LM21 13.3.1 Rechner 3 be¤ndet sich in der für den jeweiligen Flughafen leuchtdichte StilbusII zuständigen LBZ, damit die Beratung von Kunden stets mit aktuellen und validen Informationen erfolgen kann. In der Windrichtung Wind_Graycode 12.3.1 LBZ wird eine Kurzzeitprognose, ein sogenannter Trend er- Windge- Schalensternanemometer 12.3.1 zeugt und an das Beobachtungspersonal im Landebahnbe- schwindigkeit obachterhaus zurückgegeben. Wolkenunter- LD 40 10.3.1 grenze Die eingesetzten Sensoren (Tab. 18.1) unterscheiden sich LD-WHX 05 10.3.1 häu¤g von den Sensoren des synoptischen Messnetzes, da im Luftverkehr spezielle Grenzwerte und Genauigkeitsklas- Abb. 18.7 ASDUV – Sensorverteilung sen gelten. Im Unterschied zum Messnetz verfügt das Flug- hafensystem über eine direkte Kundenschnittstelle zum Kontrollturm der DFS. Die Flughafengelände, insbesondere Rollwege, Vorfelder, Start- und Landebahnen und Umlauf- straßen, dürfen nur von Personal betreten und befahren werden, das speziellen Sicherheitsüberprüfungen unterzogen wurde und eine ughafenspezi¤sche Fahrerlaubnis besitzt. Mit dem Kontrollturm der DFS muss ständig Funkkontakt gehalten werden. Hierfür sind Funkschulungen und die ge- ländetechnische Einweisungen eine Voraussetzung. Der störungsfreie Betrieb dieser Systeme ist für den Flugver- kehr von größter Sicherheitsrelevanz. Ausfallzeiten haben bei ungünstigen Wetterverhältnissen eine Einschränkung des Flugverkehrs, im Extremfall die Schließung des Flug- hafens zur Folge. Aus diesem Grund sind alle relevanten Sensoren und Module gedoppelt. Um Störungen und Aus- fallzeiten zu minimieren, werden die Sensoren und Module alle 6 Wochen überprüft und gewartet.

Seit 2006 läuft die Planung für ein Ersatzsystem ASDUV-E (= Ersatz). Das künftige System soll netzwerk»hig sein, damit beispielsweise Kon¤gurationsänderungen zentral durchge- führt werden können. Jede LBZ des DWD wird künftig einen direkten Zugri¦ („real time“) auf die Daten aller internationalen Flughäfen in Deutschland bekommen.

178 Im Juni 2010 wurde der Vertrag zur Herstellung der Systeme Abb. 18.8 Anzeigesystem MIDAS IV AWOS (Vaisala) vom Auftragnehmer (Televent, Niederlassung Niederlande) unterzeichnet. Damit begann die Feinspezi¤kationsphase und die Herstellung eines Pilotsystems, welches Ende 2011 am Flughafen Hamburg Fuhlsbüttel in Betrieb gehen soll. Alle weiteren Flughäfen werden mit dem gleichen, nur grö- ßenangepassten System ausgestattet [MAZ, Juli 2010]. Die Einführung ist für die Jahre 2011/2012 geplant.

18.4 Automatisches Wetterbeobachtungssystem MIDAS IV AWOS

An einer Reihe von Regional ughäfen in Deutschland ist das System MIDAS IV AWOS – Meteorological Data Acce- leration System (AWOS – Automated Weather Observing System) im Einsatz, heute mit dem Namen AviMet® der Fa. Vaisala. Diese Systeme sind von den Flughafenbetrei- bern bescha¦t, die Wettermeldungen (METAR) werden im DWD-Messnetz verbreitet. Zudem überprüft der DWD alle 6 MIDAS IV AWOS ist modular aufgebaut und kann so bei gestie- Monate die Funktionsweise der Sensoren/Geräte nach fest- genen Anforderungen jederzeit erweitert werden. So kann die gelegten Prü eit»den. Bereits im Jahr 1999 wurde der in- Grundversion, ausgelegt für einen Regional ugplatz auf die Be- ternationale Flughafen von Dubai als erster Flughafen mit dürfnisse eines internationalen Flughafens angepasst werden, MIDAS IV AWOS ausgerüstet. einschließlich der Forderungen der ICAO bis zu CATIIIb.

Tabelle 18.2 enthält alle, für die Ausstattung von AviMet® Abb. 18.9 Verteilung der Displays auf den Flughäfen (Vaisala) vorgesehenen Sensoren. Nicht alle Regional ughäfen sind mit allen Sensoren ausgestattet. Die Beschreibungen der Sensoren sind in den jeweiligen Abschnitten, die in der Ta- belle 18.1 angegeben sind, zu ¤nden.

Tab. 18.2 Messsensoren der MIDAS IV AWOS Parameter Sensoren Fundstelle Luftdruck PTB 220 7.3.3 Temperatur Pt 100 8.3.2.1 extern bzw. integriert Feuchte HMP45 9.3.3 Die Software von MIDAS IV AWOS, auf LINUX oder Windows ba- 2 Laser-Ceilometer CL31 10.3.1 sierend kann sämtliche ICAO und WMO Dienste unterstützen, Niederschlag RG13 H 11.3.2 wie • METAR, SPECI und TAF, SYNOP Straßen- und Rollbahnboden DRS511 11.5 • SIGMET, AIRMET, GAMET und -tiefensensor • AD WRNG, WS WENIG 2 Windsensor WS425 12.3.2 • SNOWTAM 3 Sichtweitenmessgeräte LT31 13.3.1 • CLIMAT Hintergrundleuchtdichte LM21 13.3.1 die über mehrere Kommunikationsmittel verbreitet wer- Vorwärtsstreulichtsensor PWD22 13.3.2 den können. Meldungen über AFTN und GTS sind ebenfalls möglich. Dabei werden die Messergebnisse praktisch aller Sensoren übermittelt, bzw. auf ATC-Displays digital ange- Alle Sensoren/Messgeräte entsprechen den relevanten An- zeigt bzw. graphisch dargestellt. forderungen der ICAO und der WMO zur Messung an Flug- plätzen. Darüber hinaus kann das System individuell auch den Zustand der Start- und Landebahn, besondere Wetter- erscheinungen wie Low-Level-Windshear, Microbursts und Blitze erfassen.

179 Abb. 18.10 MIDAS IV AWOS Graphik (Vaisala) sicherzustellen. Alle Staaten haben sich verp ichtet, die Ver- fügbarkeit meteorologischer Daten im Rahmen der globalen Zusammenarbeit im System der Welt-Wetter-Wacht (WWW) der WMO zu garantieren, wobei die nationalen Netze der amtlichen Wetterstationen hierfür das Rückgrat bilden.

Die meteorologische Datenerfassung ist eine internationale Aufgabe, zu der alle Wetterdienste beitragen. Durch die in allen Ländern eingerichteten Stationsnetze, einheitlicher Mess- und Beobachtungsmethoden und einheitlicher Daten- formate, wird ein weltweiter Datenaustausch und die zeitge- rechte globale Verfügbarkeit der Wetterdaten gewährleistet.

In Deutschland ist die gesetzliche Aufgabe der meteorologischen Datengewinnung als Grundlage für nationale wetterdienstliche Aktivitäten und für Beiträge im internationalen Kontext dem Einige Flugplätze mit Regionalverkehr sind z. T. mit einem DWD im Geschäftsbereich des Bundesministeriums für Verkehr, System der Firmen Combitech, Televent etc. ausgestattet. Bau- und Stadtentwicklung übertragen worden. Die Datenge- winnung und die Netzdichte werden neben den Forderungen der WMO durch spezielle Anforderungen bestimmt. . MESSNETZE IN DEUTSCHLAND, SCHWEIZ UND ÖSTERREICH Die Datengewinnungsnetze des DWD umfassen mit Fachper- sonal besetzte Wetterwarten mit unterschiedlichen Mess- 19.1 Allgemeines und Beobachtungsprogrammen und teilweise speziellen Da- tengewinnungsaufträgen (Radioaktivitätsüberwachung der Ein Stationsnetz ist die Menge aller Standorte, an denen Atmosphäre, ugwetterdienstliche Mess- und Beobachtun- bestimmte Parameter gemessen und/oder beobachtet wer- gen, Radiosondenmessungen bis 30 km Höhe), vollautoma- den. Die Stationsdichte ist eine Funktion des beobachteten tisch betriebene Wetterstationen, weiterhin nebenamtliche, Elementes. Wegen der hohen Variabilität des Niederschlags teilweise automatisierte Wetter- und Niederschlagsstationen ist die Stationsdichte für den Niederschlag am größten. Je sowie Windmessstationen mit ehrenamtlichen Beobachtern nach Ausstattung und Betriebsart gibt es unterschiedliche bzw. Betreuern und ein Netz von überwiegend ehrenamtli- Messnetzkategorien. chen phänologischen Beobachtern. Die mit den stationären und mobilen Stationen gewonnenen In-Situ-Messungen Grundsätzlich unterschiedet man im DWD zwischen werden durch die Daten moderner Fernerkundungssysteme • Synoptischem Messnetz (Wetterradarsysteme, Blitzortungssysteme, vertikal messen- • Klimamessnetz de Windpro¤ler-Radarsysteme) ergänzt. • Niederschlagsmessnetz Im Laufe der Zeit hat sich die Messdichte und Instrumen- Weitere Messnetze sind das tierung geändert. Die Anzahl der Stationen hat in den 90er- • Windmessnetz Jahren ihr Maximum erreicht. Zugenommen hat seitdem • Strahlungsmessnetz auch die Menge der erhobenen Daten, da mit der Einfüh- • Aerologisches Messnetz rung von Automaten die Anzahl der Stationen mit zeitlich • Radioaktivitätsmessnetz hoch aufgelösten Daten deutlich angestiegen ist. An weite- • der Radarverbund ren Stationen erfolgen neben dem Niederschlag zusätzliche Beobachtungen wie z. B. für Temperatur, Feuchte, Wind, Daraus resultieren unterschiedliche Arten von Beobach- Luftdruck, Wolken, Sichtweite, Sonnenscheindauer und tungsstationen, die in Tabelle 19.1 zusammengefasst sind. andere Wetterelemente. Alle Stationen einer Art werden zu einem der o. g. Netze zusammengefasst. Es gibt auch einzelne Stationen, die mit Messnetz 2000 des DWD verschiedenen Aufgaben betraut sind und dann in mehre- Der DWD hat mit dem Messnetz 2000 die Optimierung auf der ren Messnetzen gleichzeitig eingebunden sind. Grundlage der fachlichen Anforderungen der Geschäftsberei- che des DWD und des GeoInfoDBw an das Boden- und aerolo- Basierend auf den international von der WMO als zuständi- gische Messnetz bezüglich der Qualität, sowie der räumlichen ge UN-Organisation verbindlich vereinbarten, einheitlichen und zeitlichen Dichte der Daten und unter wirtschaftlichen Verfahren werden systematische Wetterbeobachtungen in Gesichtspunkten durchgeführt. Die Ziele des Projektes waren, einem Netz von festgelegten Stationen zu vorgegebenen Zei- im Rahmen der erstellten Netzkon¤guration die einzelnen ten durchgeführt. Diese internationalen Standards betre¦en Stationsstandorte hinsichtlich der Messbedingungen neu u. a. Auswahl der Standorte, Messbedingungen, Messinst- zu bewerten, einheitliche Mess- und Beobachtungsbedin- rumente und deren Genauigkeit, Datenformate, Qualität, gungen zu scha¦en, die Stationen mit neuer automatischer Melde- und Datenübertragungsverfahren um die Homoge- Messtechnik auszurüsten und die Voraussetzungen für einen nität und möglichst die Qualität der Wetterdaten weltweit wirtschaftlicheren Messnetzbetrieb durch weitere Automati-

180 on und einheitliche automatische Prozesse von Datengewin- Diensten ausgetauscht werden, was in den letzten Jahren nung, -Verarbeitung und -Prüfung zu erhalten. verstärkt stattfand. Dabei ist es wichtig, dass die o. a. er- wähnten Behörden/Ämter/Institute sicherstellen, dass diese Der (ehrenamtliche) Beobachter bleibt ein wesentlicher Be- Daten unter ähnlichen Bedingungen und mit gleichhoher standteil des Netzes. Er stellt Niederschlags-Vergleichsmes- Qualität, wie das beim DWD gewährleistet ist, erfasst werden. sungen mit dem Hellmann-Sammler an, er beobachtet den kontinuierlichen Wetterverlauf und gibt Daten zum Termin Gerade beim Niederschlag ist eine grenzüberschreitende Zu- sowie Sondermeldungen ein, wie auch schon früher. Zudem sammenarbeit erforderlich. So wird der Rhein, bevor er in führt er zu einem gewissen Grade die P ege der Station durch den Bodensee ießt, durch Flüsse gespeist, die in der Schweiz und informiert über Störungen. Neu ist, dass er nicht mehr und Österreich liegen. Diese Quellregion hat ein sehr gro- Papierbögen ausfüllt, sondern die Daten direkt in ein Hand- ßes Einzugsgebiet. Hochwasserprognosen sind also nur in terminal eingibt, was eine wesentliche Vereinfachung in der Kenntnis der dort aufgetretenen Niederschläge möglich. Verarbeitung bedeutet, da die Daten sofort auf dem elektronischen Datenträger sind. Durch die online Anbindung der Sta- Heute gibt es in vielen Ländern verschiedene meteorologi- tionen im nebenamtlichen Messnetz stehen die Daten dieser sche Mess- und Beobachtungsnetze, die aus Stationen be- Stationen jetzt viel früher zur Verfügung und können daher stehen, deren Standorte nach Repräsentanz und Kontinu- auch für synoptische Zwecke genutzt werden. ität ausgewählt und die möglichst langfristig beibehalten werden sollen. Dabei wird zwischen Bodenbeobachtungs- Längst sind nicht mehr nur die meteorologischen Daten ge- stationen zur Datengewinnung an der Erdober äche und fragt, die am Boden erfasst werden können. Durch den tech- aerologischen Stationen unterschieden, die meteorologi- nischen Fortschritt sind neue Datengewinnungsverfahren sche Daten bis ca. 30 km Höhe aus der freien Atmosphä- hinzugekommen, die der DWD anwendet und so einen Bei- re liefern, die für die Betrachtung der dreidimensionalen trag zur Wettervorhersage, der Klimaforschung und dem Struktur des Wetters unerlässlich sind. Mobile Messstatio- internationalen Datenaustausch liefert. nen (z. B. Schi¦e, driftende Bojen, Flugzeuge) ergänzen die stationären Messungen. Mit dem Auau eines weltumspannenden Systems von geo- stationären und polarumlaufenden Wettersatelliten hat die Seit einigen Jahren haben auch private Wetterdienste mit meteorologische Datengewinnung in den letzten Jahrzehn- dem Auau eigener Messstationen begonnen. ten erheb-lich an Quantität, aber auch an Qualität und Homo- genität der Daten hinzugewonnen, insbesondere durch die 19.2 Anforderungen an den Standort Verfügbarkeit von Daten aus datenarmen Regionen (Ozeane, Polar- und Wüstenregionen) und durch neue Messprogram- Um die Messungen an verschiedenen Standorten miteinander me zur Überwachung von Umweltparametern (z. B. Ozon). vergleichen zu können, wurden von der WMO exakte Richtli- nien de¤niert, welche Messvorgaben für die unterschiedlichen Alle Daten gelangen zum Rechenzentrum in O¦enbach, das Parameter beinhalten. Diese Vorgaben sollen einerseits die Ver- mit den Rechenzentren anderer Länder in Verbindung steht. gleichbarkeit der Messungen gewährleisten, anderseits sollen Für die Datenkommunikation hat der DWD eine bundesweite sie aber auch die Messgenauigkeit sicherstellen. Kommunikationsinfrastruktur, bestehend aus Weitverkehrs- netz (WAN) und lokalen Netzen (LAN’s) aufgebaut. Wesentliches Auswahlkriterium für einen Standort ist seine Repräsentanz für die Umgebung (siehe 19.4.3). Ferner ist Weitere Messnetze in Deutschland darauf zu achten, dass der Standort frei liegt, d. h. möglichst In Deutschland betreiben einige Ämter, Behörden und In- wenig Sichtbeeinträchtigung nach allen Richtungen auf- stitute eigene Niederschlagsmessnetze, eine Reihe von ih- weist. Mindestens bis zu einer Entfernung von 10 km soll nen auch Messnetze mit einer Auswahl verschiedener Para- die Sichtschätzung mit Hilfe von Sichtzielen möglich sein. meter. Hierzu gehören insbesondere Allgemein gelten folgende Anforderungen an den Standort • Umweltbundesamt, (nicht für Küsten-, Mittel- oder Hochgebirgsstationen): • Wasserwirtschaftsämter, Landeswirtschaftsämter, • Stadtmessnetze, • Die Station soll nicht auf Kuppen, an Hängen, in Senken • Lawinenwarndienst und oder in unmittelbarer Nähe von Steilhängen liegen • Institute von Universitäten. • Die Umgebung muss frei von Hindernissen sein, die die Messungen und Beobachtungen behindern (lockere, Einige ausgewählte Messnetze werden zusätzlich zu den ache Bebauung bzw. Bewuchs in der Nähe ist als Wind- vom DWD betriebenen Messnetzen vorgestellt. Sie sollen schutz für die Niederschlagsmessung erwünscht) exemplarisch zeigen, dass die Messnetzdichte in Deutsch- • Der Höhenunterschied soll im Umkreis von 200 m nicht land, insbesondere beim Niederschlag sehr hoch ist. Dar- größer als 30 m sein über hinaus werden auch einige ausgewählte Messnetze • Die freie Exposition der Station gegenüber den mete- benachbarter Länder vorgestellt, um die unterschiedliche orologischen Ein ussgrößen muss dadurch gewähr- Bestückung mit Messgeräten/Sensoren aufzuzeigen. leistet werden, dass alle die Strahlung und den Wind abschirmenden Hindernisse in Abhängigkeit von ihrer Die angestrebte Verdichtung des DWD-Messnetzes setzt na- Höhe und Breite einen Mindestabstand vom Messfeld türlich voraus, dass die Daten zwischen den verschiedenen haben müssen.

181 • Die Station soll nicht in der Nähe von Feuchte-, Wär- Flugwetter- FWW z.Zt. 17 Stationen AMDA I me- und Staubquellen liegen (z. B. Treibhäuser, Bewäs- warte serungs- bzw. Beregnungsanlagen) Strahlungs- AMDA Nst S • Möglichst geringe Versiegelung des Erdbodens in der messstation III/S unmittelbaren Nähe ehrenamtliche Beob- • Der Platz für den Beobachter soll die ungehinderte Beob- AMDA Nst (A) achter, mit Nieder- achtung des Himmels und der Umgebung ermöglichen III/N schlagssensor • Die Station soll nicht in unmittelbarer Nähe elektroma- Nieder- gnetischer und elektrischer Quellen bzw. Felder (z. B. schlags- ehrenamtliche Beob- station achter, mit konven- Sender, Hochspannungsleitungen) liegen Nst (k) • Die Umgebungsbedingungen (Bebauung, Bewuchs, Be- tionellem Nieder- scha¦enheit des Erdbodens) sollen für einen längeren schlagsmesser Zeitraum (Richtwert 10 Jahre) unverändert bleiben. Windmess- mit autom. Sensoren AMDA WMst stelle (online) III/W Der Beobachter ist aufgefordert, die sich verändernde Um- Phänologi- gebung der Station in Bezug auf Bebauung und Baumwuchs sche Beob- Phän zu beachten. Bei gravierenden Änderungen, die sich auf die achtungs- Qualität der erhobenen Daten auswirken, sind über die zu- stelle ständigen Stellen, beim DWD über eine Regionale Messnetz Aerologische Gruppe (RMG) entsprechende Maßnahmen einzuleiten. Aufstiegs- Ae stelle 19.3 Stationstypen des DWD und ihre instrumentelle Sturmwarn- z.T. in Wst I/Wst II Ausstattung SWN station integriert Der DWD hat sich zum Ziel gesetzt, meteorologische Daten an Bodenstationen in höherer zeitlicher und räumlicher Eine Wetterwarte (Wst I bzw. Wst IE) ist eine Station (Land- Au ösung bereitzustellen und die Qualität der Daten zu er- , Küsten- oder Bergstation) des hauptamtlichen Messnet- höhen, um die neuen Anforderungen der Nutzer und Kun- zes des DWD, mit Personal des DWD bzw. des GeoInfoDBw den zu erfüllen. besetzt oder automatisch arbeitend, ausgerüstet mit AMDA I. An diesen Stationen ist während der Besetztzeit ein Wet- Die folgende Übersicht stellt alle Arten von Stationstypen terbeobachter vor Ort, der den Wetterverlauf überwacht und dar, die der DWD betreibt bzw. betreut. Im synoptisch-kli- Handeingaben (Augenbeobachtungen) eingibt. Während der matologischen Messnetz werden je 2 Typen von Wetterwar- Nichtbesetztzeiten werden alle relevanten meteorologischen ten und Wetterstationen unterschieden. Daten vom Automaten erfasst (vollautomatischer Betrieb).

Tab. 19.1 Übersicht der Stationstypen des DWD Der DWD erfasst an einer Wetterwarte (Wst I) rund um die Uhr zahlreiche meteorologische Werte mittels moderner Bezeich- Aus- Stationstyp Bemerkungen nung stattung Sensoren (siehe AMDA I/II). Daneben sind an konventioneller Messtechnik das Stationsbarometer und der Nieder- hauptamtl., mit schlagsmesser nach Hellmann vorhanden. Im Einzelnen DWD-Personal durch- Wst I AMDA I sind dies unter anderem die Messwerte gehende Beobach- tungen; mittels Messsensorik Wetterwarte bemannt, planmäßig • Lufttemperatur, Temperatur im und am Boden, von 05:00 bis 21:30 • Luftdruck, Wst IE GZ besetzt, sonst AMDA I • Luftfeuchtigkeit, vollautomatischer • Windrichtung und –Geschwindigkeit, Betrieb • Niederschlag, Schneehöhe, hauptamtl., unbe- • Sichtweite, Wst II mannt vollautomati- AMDA II • Höhe der Wolkenuntergrenze und –Bedeckung, scher Betrieb • Strahlungsgrößen, Sonnenscheindauer, Wetterstation ehrenamtliche Beob- • Radioaktivität in der Luft und im Niederschlag (nur an AMDA Wst III achter (in Einzelfällen bestimmten Wetterwarten), III/S unbemannt • Wassertemperatur an Küstenstationen der Nord- und Ostsee und AMDA I + • Wetterzustand. konven- Klimarefe- Wst I REF z.Zt. 12 Stationen tionelle renzstation Mess- mittels Augenbeobachtung technik • Sichtweite, • Wolkenart, Höhen der Wolkenuntergrenze und Bede- ckungsgrad,

182 • Wetterzustand (z. B. Schnee, Regen, Nebel, usw) und international verbreitet. Zusätzlich werden die üblichen Wetterverlauf, synoptisch-klimatologischen Meldungen wie bei den Wet- • Niederschlag, Schneehöhe terwarten und ausgewählten Wetterstationen erstellt. • Erdbodenzustand. Flugwetterwarten weisen einige Besonderheiten auf. So Be¤ndet sich eine Wetterwarte in einer Höhenlage von mehr sind hier alle Messinstrumente und Messerfassungssyste- als 750 m NHN, wird sie als Bergwetterwarte bezeichnet. me doppelt vorhanden, damit bei Ausfall der Flugbetrieb unterbrechungsfrei weitergeht. Weitere Besonderheiten Die Parameter werden als synoptisch/klimatologische Be- sind, dass mehrere Windmessanlagen an Start- und Lan- obachtungs- und Messdaten halbstündlich als Bodenwet- debahn stehen und je nach Länge der Landebahn mehre- termeldung verschlüsselt und im SYNOP-Code verbreitet. re Sichtmessgeräte an der Piste stehen. Eine Vorstellung Wetterbeobachtungen auf deutschen Seeschi¦en werden vom Umfang der Ausstattung eines Flughafens gibt die zum Teil im Auftrag des DWD durch die Schi¦sbesatzungen nachfolgende Liste der Sensorik [24, 2011] am Flughafen vorgenommen. Frankfurt/M. Dort be¤nden sich • 24 Sichtweitensensoren Der Auau einer Station des Typs Wst III ist in Abbildung • 4 Laserceilographen 19.1 skizziert. • 7 Windmasten mit 14 Windrichtungs- und 14 Windge- schwindigkeitssensoren. Abb. 19.1 Aufbau Stationstyp Wst III des DWD Der DWD hat alle für den Start- und Landevorgang wichtigen Wetterelemente im Bereich der Piste bzw. der zugehörigen An ugsektoren, ggf. an mehreren Punkten entlang der Piste zu bestimmen. Der Standort der Wetterbeobachtung ist dabei so zu wählen, dass eine repräsentative meteorologische Beurteilung des Flugplatzes und insbesondere des Systems der Präzisionspisten gewährleistet ist.

Die für den Start- und Landevorgang wichtigen Wetterele- mente sind in der Richtlinie für den Allwetter ugbetrieb besonders hervorgehoben: • horizontale Bodensichtweite (meteorologische Sicht), • Pistensichtweite (RVR), Die Wst III-Station ist dadurch de¤niert, dass sie • Wolkenuntergrenze, • Lufttemperatur, • Bodenwind und • relative Luftfeuchtigkeit, • Luftdruck. • Erdbodentemperaturen, • Sonnenscheindauer, An Wetterwarten, Flugwetterwarten und Wetterstationen wer- • Niederschlag und den grundsätzlich gleiche Sensoren und Geräte eingesetzt. • Wind. oder eine Teilmenge dieser Größen erfasst. Klimareferenzstation Eine Klimareferenzstation ist eine mit Personal besetzte Stati- An einer Stationen Nst (A) wird nur der Niederschlag und on des hauptamtlichen Messnetzes des DWD, die jahrzehnte- WMst nur der Wind erfasst. Entsprechend ist Nst (A) mit lange und ununterbrochene Klimabeobachtungen vorweisen AMDA III/N und WMst mit AMDA III/W ausgestattet kann. Der DWD betreibt z. Zt. (9/2011) 12 Klimareferenzstatio- nen, die über einen langen Zeitraum (möglichst in den kom- Flugwetterwarten menden 100 Jahren) mit einheitlicher, überwiegend kon- Der DWD ist für die meteorologische Beratung und Ver- ventioneller Messtechnik die Klimaveränderung erfassen sorgung an den 16 internationalen Verkehrs ughäfen in sollen. Wegen der bei Klimaänderungen über längere Zeiträu- Deutschland zuständig. Neben den Wetterwarten betreibt me kleinen Änderungen meteorologischer Messgrößen sind der DWD an diesen Standorten sogenannte Flugwetterwar- nicht nur sehr genaue Messungen, sondern auch sehr stabile ten (FWW), an denen neben der normalen Wetterbeobach- Messbedingungen über einen langen Zeitraum hinweg unab- tung zusätzliche Beobachtungen und Messungen durch- lässig. Diese Anforderungen erfüllen Klimareferenzstationen. geführt werden, die für die Sicherung des Flugverkehrs Zu ihnen gehören Wetterwarten, Flugwetterwarten und Berg- unerlässlich sind. Sie ist eine mit Personal besetzte Station wetterwarten, die repräsentativ für ihr landschaftliches und des hauptamtlichen Messnetzes des DWD und rund um die klimatologisches Umfeld sind. Die nachfolgenden Standorte Uhr für die Bereitstellung meteorologischer Daten zustän- hat der DWD als Klimareferenzstation ausgewählt: dig. Das Personal erstellt regelmäßig halbstündliche METAR- Beobachtungen, bei Erreichen, Durchschreiten oder Über- Helgoland, Hamburg-Fuhlsbüttel (Flughafen), Schles- schreiten von Grenzwerten auch Sonderwettermeldungen wig, Potsdam, Görlitz, Lindenberg, Brocken, Aachen, (SPECI). Nach einer Ergänzung mit einer Zustandsentwick- Fichtelberg, Frankfurt am Main (Flughafen), Konstanz, lung (TREND) wird die Meldung als Landewettervorhersage Hohenpeißenberg.

183 Dabei kommt in der Klimatologie den Säkularreihen eine Luft- und Wassertemperatur, Niederschlag, Globalstrahlung, besondere Bedeutung zu. Das sind Messreihen, die über UV-Einstrahlung, Wellenhöhe und -Periode sowie Sichtweite ein Jahrhundert (ein Säkulum) hinweg verlaufen. Teilweise stündlich FM13-SHIP-Wettermeldungen, die weltweit zur Ver- wird mit dem Begri¦ auch eine lange Zeitreihe verknüpft, fügung stehen. die unter weitgehend konstanten Messungs- und Auswer- tungsbedingungen erstellt wurde und daher frei von Inho- Abb. 19.2 BMU-Forschungsplattform FINO 1 mogenitäten sein sollte. So wird an der Station Potsdam neben der normalen Klimamessreihe, die nach wechselnden Beobachtungs- und Auswertungsverfahren erstellt wurde, eine gesonderte Säkularmessreihe archiviert, in der die Mess- und Auswertungsverfahren soweit irgend möglich konstant gehalten wurden.

Die Messungen an Klimareferenzstationen dienen auch dem Vergleich zwischen herkömmlicher, konventioneller Messtechnik und den neuartigen, für die Automation im DWD eingesetzten Sensoren. Das ist wichtig, um die Qualität der klimatologischen Beobachtungsreihen des DWD sicherzustellen und die Auswirkungen neuer Messtechniken auf In den vergangenen Jahren brachte FINO 1 (Nordsee, nörd- die Datenreihen genau zu untersuchen und veri¤zieren zu lich von Borkum) zudem unerwartete und bis dahin nicht können, um Fehlinterpretationen der Klimareihen zu vermei- für wahrscheinlich gehaltene Erkenntnisse über Wellenhö- den. Dazu werden vor allem im Hinblick auf klimatologische hen in der Deutschen Bucht bei Orkanlagen. Zwei Sturm- Fragestellungen für jeden neu eingeführten, klimatologisch tiefs mit Windböen bis Orkanstärke lösten einen Seegang relevanten Sensor mindestens zehnjährige Vergleichsmes- mit Wellen von bis zu 18 m aus. sungen mit konventioneller Sensorik durchgeführt. Im Juli 2009 wurde die Forschungsplattform FINO 3 (www. An all diesen Stationen werden ganzjährig, rund um die Uhr, ¤no3.de) auf See montiert. Damit sind neben FINO 1 jetzt die für die Klimaüberwachung zentralen meteorologischen 2 weitere Forschungsplattformen, FINO 2 in der Ostsee Größen (siehe Wetterwarte) zu den früheren Klimaterminen (nördlich von Rügen) und FINO 3 ca. 80 km westlich Sylt in 07 Uhr, 14 Uhr und 21 Uhr gemessen und beobachtet. Die der Nordsee errichtet. FINO 3 arbeitet nach Zuschaltung der Wetterbeobachtung durch Menschen ist eine Leistung, auf Generatoren autark, so dass wissenschaftliche Experimente die trotz modernster Technik und Automatisierung nicht in Betrieb genommen werden können. verzichtet werden kann. Für die Messung der meteorologischen Größen wird auf Ergänzend zu den meteorologischen Messungen wird an der Plattform ein Windmessmast mit einer Höhe von 80 m diesen Stationen auch der PM2.5-Feinstaub im ländlichen installiert. Damit wird die maximale Messhöhe 100 m über Hintergrund als Wochenmittel erfasst und im Internet ver- Seekartennull (SKN) betragen (siehe 7.1). ö¦entlicht. Im Gegensatz zu den Immissionsmessnetzen der Länder werden keine Grenzwerte, sondern die ländli- An der Umweltforschungsstation (UFS) auf der Zugspitze chen Hintergrundkonzentrationen des gesundheitsschäd- in 2650 m NHN erfasst der DWD unter fachlicher Leitung lichen PM2.5-Feinstaubes überwacht. des Observatoriums Hohenpeißenberg und mit Personal der Wetterstation Zugspitze u. a. folgende Parameter: Mit dem System „Klimareferenzstation“ übernimmt der DWD eine Vorreiterrolle. Ziel ist der Auau eines europa- Lufttemperatur, Relative Feuchte, Luftdruck, Wind- weiten Netzes von Klimareferenzstationen. richtung und -geschwindigkeit, Vertikalgeschwindig- keit, Sichtweite, Niederschlag, Globalstrahlung, direkte Das nebenamtliche meteorologische Mess- und Beob- Strahlung, Sonnenscheindauer, Wolkenhöhe und Tra- achtungsnetz des DWD besteht z. Zt. (Stand: 9/2011) aus jektorien. ca. 1798 ehrenamtlichen Beobachtern, von denen ca. 840 online-Stationen sind. Von Letzteren sind ca. 20 Stationen Abb. 19.3 UFS Zugspitze (Foto: H. Lö¹er) reine Automaten, an den Übrigen werden von ehrenamtlichen Beobachtern zusätzlich zu den Sensormessungen auch Augenbeobachtungen durchgeführt. Eine ausführli- che Übersicht über alle DWD-Stationen enthält Anhang 7.1 Standardmessnetz DWD.

Auf der Forschungsplattform FINO 1 (www.¤no-o¦shore.de/) werden seit 2003 mit hoch au ösenden Messsystemen wertvolle hydrographische und meteorologische Daten erhoben und gespeichert. Der DWD erstellt aus den Parametern Luft- druck, Luftfeuchte, Windgeschwindigkeit, Windrichtung,

184 Die UFS bildet den hochalpinen Teil der Globalstation • Das Messfeld soll sich ohne Stufen- oder Muldenbil- Zugspitze/Hohenpeißenberg von insgesamt 26 Globalsta- dung in das Stationsgelände einfugen, es muss mit Aus- tionen im GAW-Programm und ist auch Standort des GAW nahme des Messplatzes für die Erdbodentemperatur Trainings- und Ausbildungszentrum (GAWTEC). und den Erdbodenzustand mit kurz gehaltenem Rasen bedeckt sein, Zwischen den Wetterdiensten der Schweiz, Österreichs • Eine gute Durchlüftung des Messfeldes bei gleichzei- und Deutschlands wurde eine Kooperation vereinbart, tigem Schutz vor zu starken Winden für die Nieder- um Messdaten der deutschen Globalstation durch Daten schlagsmessung (keine geschlossene Hecke > 50 cm zweier weiterer Alpenstationen zu ergänzen: Jungfraujoch Höhe um das Messfeld) muss gewährleistet sein, (Schweiz, 3580 m NHN) und Sonnblick/Österreich (3106 m • Hindernisse müssen soweit von der Hütte entfernt sein, NHN). Dieser sogenannte „DACH“-Verbund soll einen kon- dass mit Ausnahme der Sonnenauf- und –untergangszei- sistenten Datensatz von globaler Relevanz erzeugen, mit ten (hier Beschattung bis ca. 1 Stunde zulässig) das Messfeld dem Informationen über Trends von Luftbeimengungen überwiegend von der Sonne beschienen werden kann; nur und Klimaveränderungen in Mitteleuropa abgeleitet wer- einzelne kurzzeitige Schattenbildungen im Tagesverlauf den können. (ca. 10 min bis 30 min) sind in Ausnahme in stark struktu- riertem Gelände zulässig, d. h. die Hinderniswinkel müssen Abb. 19.4 Standorte der GAW-Alpenstationen im Süden – auch im Winter – unterhalb des höchsten Son- nenstandes liegen, in Abhängigkeit von der geographischen Breite also zwischen 12 ° bis 19 °, • Massive Hindernisse (z. B. Gebäude, Mauern, Container) sollen mindestens 10 m vom Messfeld entfernt sein, um die Re exion und/oder die Abgabe von Wärmestrahlung zu verhindern, • Das Messfeld soll vom Beobachter ständig einsehbar sein.

Auf Flugplätzen muss eine ausreichende Entfernung der Mess- felder von Roll- oder Stand ächen für Flugzeuge und Hub- schrauber (als Richtwert gilt ≥50 m) eingehalten werden.

19.4 Messfeld des DWD und GeoInfoDBw Die Fläche des Messfeldes selbst soll eben und mit Rasen bewachsen sein. Der Weg zur Hütte und zu anderen Mess- Eine hauptamtliche Wetterwarte oder eine Wetterstation geräten darf höchstens mit Gehwegplatten belegt werden. muss in ihrer Lage und ihrer Ausstattung sehr genau interna- Der Erdboden soll in seiner natürlichen, gewachsenen Zu- tional vereinbarten Vorschriften genügen. Nur so liefert sie sammensetzung erhalten bleiben, bei erforderlichen Pla- standardisierte Messwerte, die weltweit vergleichbar sind. nierungen muss die gleiche Bodenart verwendet werden, die Messfelder sind ebenerdig anzulegen. Wird eine Station eingerichtet, sind die Stationshöhe und die Barometerhöhe amtlich zu vermessen. Die Stationshö- 19.4.2 Aufstellung der Sensoren/Messgeräte he ist die mittlere Höhe der Messfeld äche über NHN im unmittelbaren Bereich der Thermometerhütte. Die Angabe Die Beschreibung zur Aufstellung der Sensoren/Messgeräten erfolgt in ganzen Metern. Wenn die Thermometerhütte auf bezieht sich in erster Linie auf die an Wetterwarten/-statio- Bauwerken (z. B. an Bergstation) installiert ist, gilt als Stati- nen des DWD hauptsächlich eingesetzten Sensoren/Messge- onshöhe die mittlere Höhe des Untergrundes, auf dem das räte. Sie sind auf einem normierten Messfeld untergebracht. Bauwerk steht. Die nachfolgend drei erstgenannten Geräte werden normalerweise im Beobachterraum aufgestellt, da sie auch keine Mit Barometerhöhe wird die Höhe des operationell arbei- direkte Berührung mit der Außenluft haben müssen. tenden Drucksensors in m über NHN bezeichnet Die Quecksilberbarometer werden meist im Beobachter- 19.4.1 Anforderungen an das Messfeld raum aufgehängt. Es gibt keinen vorgeschriebenen Standort, es sind aber einige Bedingungen einzuhalten, um die Mes- Das Freigelände, in dem die meisten Geräte aufgestellt wer- sungen exakt durchführen zu können. So sollte das Messgerät den, trägt die Bezeichnung „Messfeld“. Es hat die Ideal- in den unteren Etagen eines mehretagigen Gebäudes instal- masse 25 m x 25 m, wobei die Fläche für die Aufstellung der liert werden, da in diesen Räumen der Ein uss des dynami- Geräte selbst 15 m x 15 m beträgt. schen Windrucks am geringsten ist. Im Messraum des Baro- meters sind starke Temperaturschwankungen zu vermeiden. Allgemein gelten folgende Anforderungen an die Beschaf- Das Barometer muss vor direkter Wärmestrahlung geschützt fenheit des Messfeldes: werden, deshalb darf es nicht in der Nähe eines Fensters oder • Der Erdboden soll in seiner natürlichen, gewachsenen einer Heizung angebracht werden. Starke Erschütterungen Zusammensetzung erhalten bleiben, bei erforderlichen und Stöße dürfen im Messraum des Barometers nicht vor- Planierungen muss die gleiche Bodenart verwendet kommen. Die Skala sollte sich etwa in Augenhöhe be¤nden, werden, die Messfelder sind ebenerdig anzulegen, um Parallaxenfehler weitgehend zu vermeiden. Um die ge-

185 naue Einstellung des Nonius und der Quecksilberkuppe zu Wie bereits ausführlich dargestellt, müssen Thermome- ermöglichen ist in der Wand hinter dem Barometer eine mit ter zur Messung der Lufttemperatur strahlungsgeschützt Mattglas abgeschirmte Lampe anzubringen. aufgestellt sein, gleichzeitig aber guten Kontakt mit der Au- ßenluft haben. Wegen der durch den Wind verursachten Druckschwan- kungen und unregelmäßiger Sonneneinstrahlung, muss Für diese Forderungen stehen drei Typen von Wetterhütten auch die AuÂängung des Präzisionsaneroidbarometers zur Verfügung, die in den unterschiedlichen Messnetzen in Fenster-, Tür- oder Heizungsnähe vermieden werden. Es eingesetzt sind. Es sind dies wird dann an einer AuÂängeöse an die Wand gehängt, wo- • Typ 1: natürlich ventilierte Wetterhütten bei der Standort unter Beachtung dieser Bedingungen be- • Typ 2: natürlich ventilierte Wetterhütten mit Lüfterun- liebig ist. Im Notmessgeräteko¦er der Wetterwarte verbleit terstützung das Messgerät in der Schaumgummipolsterung. • Typ 3: künstlich ventilierte Wetterhütten.

Der Luftdrucksensor ist im Gehäuse des AMDA-Servers un- Alle drei Typen sind im Einsatz. Bei Typ 2 muss der inter- tergebracht. Das Quecksilberbarometer und der Luftdruck- ne Ventilationsfaktor >0,5 sein. Dieser ist der Quotient aus sensor sind auf gleicher Höhe anzubringen. Damit wird ver- der Strömungsgeschwindigkeit am Thermometer (in der hindert, dass zusätzliche Korrekturwerte angebracht werden Wetterhütte) und der Windgeschwindigkeit außerhalb der müssen, wenn Kontrollmessungen durchgeführt werden. Wetterhütte. Typ 3 ist die am besten geeignete Wetterhütte, wenn der Lüfter im Bereich der Messfühler eine Strömungs- Alle weiteren Geräte/Sensoren werden gemäß einer vor- geschwindigkeit von 2 m s –1 bis 5 m s –1 erreicht. Da dieser gegebenen Standard-Messfeldskizze (Abb. 19.5) auf dem Wetterhüttentyp nur mit funktionierendem Lüfter ein- Messfeld installiert. wandfreie Messergebnisse liefert, muss die Funktion des Lüfters regelmäßig überprüft und der Luft¤lter gelegentlich gereinigt werden. Abb. 19.5 Standard-Messfeldskizze DWD

186 Abb. 19.6 Klimahütte (englische Hütte) Der Standort ist im Standard-Messfeld einer Klimareferenz- station des DWD festgelegt.

Abb. 19.8 Standard-Messfeldskizze (Maßangaben in cm) Klima- referenzstation DWD (aus VuB 3 THB)

Es bedeuten: 3: Standort Wind (FK-Mast) Für den Begri¦ „Thermometerhütte“ werden auch noch Begrif- 4: Strahlung CM fe wie „Wetterhütte“ oder „Klimahütte“ verwendet. Die Thermo- 5: Sonne/Strahlung (SCAPP) (ggf. bei 15) 6: Blitz (optional) (ggf. mit 7 tauschen) meterhütte wurde erst in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhun- 7: Laser-Ceilometer (ggf. mit 6 tauschen) derts in den meteorologischen Messnetzen eingeführt. Die seit 8: Laser-Niederschlagsmonitor (optional) Pollerleuchte, weitere Gehwegplatten und Pollerleuchten nach Bedarf etwa 1850 Standard und weltweit im Einsatz be¤ndliche Ther- 9: Hagelsensor (optional) konv. Thermometer mometerhütte aus Holz ist die „Englische Hütte“, die zu den na- 10: Schneehöhensensor (optional 1 = –100 cm, 2 = –50 cm, 3 = –20 cm türlich ventilierten Wetterhütten (Typ 1) gehört. Sie erfüllt die 11: Niederschlag, Hellmann 4 = –10 cm, 5 = –5 cm, 6 = +5 cm 12: Schneebrett Erdbodentemperatursensoren Forderungen hinsichtlich Strahlungsschutz und Kontakt zur 13: Englische Thermometerhütte, konv. Instr 7 = < –100 . . . –5 cm > ET Außenluft mehr oder weniger zufriedenstellend. 14: Niederschlagssensor 8 = Lufttemperatur 5 cm 15: Lufttemperatur/-feuchte 2 m (ggf. mit 5) ET: Erdbodentemperatur (Pt100) 16: Erdbodentemperatur + EMin konv. AK-E: Anschlusskasten-Erdbodentemperatur Abb. 19.7 Englische Hütte mit konventioneller Instrumentierung 17: Erdbodentemperatur + Lufttemperatur (5 cm) 18: Niederschlag, Hellmann 19: Niederschlagsschreiber 20: Erdbodenzustand (Vereisung) 21: Erdbodentemperatur (0 cm) + E-Zustand 22: Videograph

Bei dieser Wetterhütte bestehen Jalousien aus doppelt aus- gelegten, winddurchlässigen Lamellenwänden, die außen weiß angestrichen sind, d. h. an der Außen- und Innensei- te, um den Eintritt von Strahlung weiter zu reduzieren, um die Temperaturdaten nicht durch die Sonneneinstrahlung zu ver»lschen. Dunkle Wetterhütten würden eine zu hohe Temperatur aufzeichnen und der systematische Fehler wäre zudem in Abhängigkeit von der Witterungsentwicklung unterschiedlich hoch. Dennoch besitzt auch die weiß ange- strichene Hütte Fehler, die unter 8.4.3 behandelt sind. Und Für die Aufstellung der Englischen Hütte an Klimarefe- letztlich sind hohe Kosten und ein großer Wartungsauf- renzstationen zur Messung der Lufttemperatur und Luft- wand damit verbunden. Die Hütte be¤ndet sich auf einem feuchte gelten zusätzlich folgende Anforderungen: Gestell, das mit 4 Zementfüßen im Erdboden verankert ist.

• Türö¦nung in Richtung Nord, so dass die Messinstrumente Es ist darauf zu achten, dass Bäume und Büsche trotz bei Ö¦nen der Hüttentür vor der Sonne geschützt sind, Wachstums die Messwerte nicht beeinträchtigen. Das gilt • Die Gefäße der Psychrometer-Thermometer in der Hütte auch für benachbarte Grundstücke und für Bauten, die neu müssen exakt 2,0 m über Grund installiert werden errichtet werden sollen. • Der dreistufige Tritt mit Handlauf, der dem Beobachter ein sicheres Ablesen der Messwerte ermöglicht, darf In dieser Hütte sind die Psychrometer-Thermometer (Hüt- nicht am Hüttengestell anliegen tenpsychrometer), Maximum- und Minimumthermometer

187 untergebracht. Auch Thermograph und Hygrograph bzw. das Im Gegensatz zur alten englischen Hütte ist die LAM630 mit na- Kombigerät Thermohygrograph sind hier untergebracht. türlicher Ventilation und Unterstützung eines eingebauten 12V DC Lüfters besser durchlüftet und hat einen auf <1 K reduzier- Auf Bergstationen ist eine speziell konstruierte Holzhütte ten Strahlungsfehler. Durch die geringe Masse hat sie auch eine im Einsatz. geringe Trägheit. Geringere Kosten und ein geringer Wartungs- aufwand sind die weiteren Vorteile dieser Hütte. Eine weitere Wetterschutzhütte ist die Gießener Wetterhütte. Sie ist etwa nur halb so breit wie die Stevensonsche Wetter- Abb. 19.11 Lamellenschutzhütte LAM630 (Schnittzeichnung) hütte und verfügt außerdem nur über einfache Jalousien.

Abb. 19.9 Gießener Wetterhütte (geönet)

Alternativ zu den konventionellen Wetterhütten werden durch die fortschreitende Automatisierung der meteorologischen Datengewinnung, heute moderne Wetterschutz- Die Form der Schutzhütte entspricht der heute weit ver- hütten aus Plastik für automatische bzw. digitale Stationen breiteten Lamellenhütte. Hierbei sind sieben Teller aus verwendet. Diese (Strahlungsschutz-) Hütten sind wesent- ABS-Kunststo¦ übereinander angeordnet. Die unteren vier lich kleiner und bestehen aus runden Lamellenwänden. Teller bilden den Messraum, der durch den fünften Teller Sie sind zwangsbelüftet, d. h. zusätzlich mit einem strom- mit eingebautem Lüfter abgeschlossen wird. Der sechste betriebenen Lüfter ausgestattet, um einen möglichen Wär- und siebte Teller dienen als Strahlungsschutz, wobei der mestau zu verhindern und eine gute Durchlüftung zu ge- Durchmesser des oberen Tellers um 50 mm größer aus»llt, währleisten und damit die geringeren Maße des Gehäuses so dass durch die Überlappung ein zusätzlicher Strahlungs- nicht durch Materialerwärmung zu einer Ver»lschung der und Benetzungsschutz gescha¦en wird. Die Lüfterdrehzahl Lufttemperatur führen. kann von der AMDA ausgelesen werden.

Eine Wetterschutzhütte dieser Art ist die LAM630, die vom Abb. 19.12 LAM630 vereist (Foto: Eigenbrodt) DWD entwickelt und erprobt wurde und von der Fa. Eigen- brodt hergestellt wird. In ihr be¤nden sich der Tempera- tursensor Pt 100 und der Feuchtesensor HMP45D gedoppelt, um eine hohe Datenverfügbarkeit, Plausibilität und Qualität der Daten zu gewährleisten. Sie löst die „Englische Hütte“ im DWD ab. Klimareferenz- und Bergstationen des DWD behalten jedoch zusätzlich die „Englische Hütte“.

Abb. 19.10 Wetterschutzhütte LAM630 (Eigenbrodt)

Der Standort dieser Hütte ist im Standard-Messfeld des DWD festgelegt.

An einigen Regional ughäfen ist für den Pt 100-Tempera- turfühler noch die Kugelhütte nach Prof. Baumbach der Fa. Friedrichs im Einsatz. Durch besondere Anordnung und aerodynamische Formgebung der Kalotten wird eine Belüftung erreicht, die etwa 70 % der umgebenden Windgeschwindig- keit entspricht. Sie besitzt eine sehr geringe Wärmekapazität,

188 Kalotten sind von innen geschwärzt; mit eingebautem Mess- feuchte ist und somit mittels der Lufttemperatur in eine Tau- fühler Pt 100 (n. DIN 60751 B 1/3 Toleranz). punkttemperatur umgerechnet werden muss. Diese Lufttem- peratur für die Umrechnung muss möglichst nahe am Ort Abb. 19.13 Kugelhütte n. Baumbach (Friedrichs) des Polymer-Feuchtesensors gemessen werden. Die meisten Feuchtefühler auf Polymerbasis verfügen deshalb über einen Temperatursensor direkt am Feuchtemesselement, dessen Temperaturmesswert dafür herangezogen werden kann. Ei- nige Feuchtefühler berechnen bereits intern die Taupunkt- temperatur und stellen somit eine gute Lösung dar. Bei dieser Vorgehensweise sind keine besonderen Anforderungen an die Wetterhütte des Feuchtefühlers zu stellen. Diese Forde- rung wird mit der Wetterschutzhütte LAM630 erfüllt.

Eine weitere Art von Wetterschutzhütte wird von der Fa. Kroneis hergestellt und in einigen Messnetzen verwendet. Sie erfüllt die WMO-Norm und die ÖNORM durch die Zwangsbelüftung mit Ventilator.

Abb. 19.14 Wetterschutzhütte Typ 430 (Foto: Kroneis)

Das Material besteht aus Aluminium eloxiert, mit Schutz- lackierung. Diese Wetterhütte weist insbesondere an windschwachen Strahlungstagen Abweichungen von bis zu +2 K auf, da die natürliche Ventilation dieser Wetterhütte unzureichend ist. Da dieser Wert die Toleranzgrenze für die Lufttemperatur (0,5 K) erheblich übersteigt, soll diese Hütte ausgetauscht werden.

Mit Inkrafttreten einer neuen Richtlinie Flugwetterdiens- te (BMVBS) und einem begleitendem Handbuch des DWD werden nur noch künstlich ventilierte Wetterhütten als Strahlungsschutz durch den DWD zugelassen. Alle natür- Der Temperatursensor be¤ndet sich im unteren Teil von 3 lich ventilierten Wetterhütten erfüllen bei Strahlungswet- konzentrischen Rohren, die den Sensor gegenüber Strah- ter und niedrigen Windgeschwindigkeiten nicht die WMO/ lung isolieren. Im oberen Teil be¤ndet sich ein bürsten- ICAO-Anforderungen und sind daher zukünftig auf Flug- loser DC-Ventilator, der für die Durchlüftung der beiden plätzen nicht mehr zugelassen. innersten Rohre sorgt. Die Strömungsgeschwindigkeit ist größer als 2 m s –1. Das äußere Rohr ist aus weiß lackiertem Gemäß Artikel 10 der Verordnung (EG) Nr. 552/2004 des Eu- Messing und der Hut aus weiß lackiertem Aluminium. Die ropäischen Parlaments und des Rates vom 10. März 2004 beiden inneren Rohre sind aus Kunststo¦. (Interoperabilitäts-Verordnung) müssen alle Systeme und Komponenten am Flugplatz die grundlegenden Anforde- Die Wetterhütte kann auch mit einem Taupunktsensor oder rungen erfüllen. Danach verliert die Kugelhütte (n. Baum- mit einem elektronischen Temperatur-Feuchte-Sensor aus- bach) endgültig die Betriebsgenehmigung des DWD für gestattet werden. Verwendung ¤nden NTC-Temperatursen- die Messung der Lufttemperatur und ggf. Luftfeuchte an soren mit ±0,1 K Genauigkeit bezüglich Linearität und Aus- Flugplätzen, an denen der DWD für die Flugwetterbetriebs- tauschbarkeit dienste verantwortlich ist. Jeder Wechsel zu einer anderen Art von Strahlungsschutz- Gemäß oben erwähnter Richtlinie soll, wie bereits erwähnt, hütte birgt die Gefahr, dass die Messwerte danach nicht an den Flughäfen nicht die relative Luftfeuchte, sondern die mehr so ohne weiteres vergleichbar mit davor gemesse- Taupunkttemperatur gemessen werden. In der Regel werden nen Werten sind. Auch die gleichzeitige Verwendung un- für diese Messung Polymer-Feuchtesensoren eingesetzt, terschiedlicher Wetterhütten in der Praxis macht die Ver- deren interne Messgröße proportional zur relativen Luft- gleichbarkeit der Messwerte problematisch.

189 Das Erdbodenmessfeld, dessen Standort im Standard- Für das Minimumthermometer am Erdboden dient als messfeld des DWD festgelegt ist, soll möglichst ganztags Geräteträger ein Metallstab, auf dem die Halterung für das unbeschattet sein, dient neben der Messung von Tempera- Thermometer stufenlos verschoben werden kann. Der Stab turen im Erdboden sowie in 5 cm über Grund auch der Er- hat eine Länge von 50 cm, an Stationen ≥500 m NHN wegen mittlung des Erdbodenzustandes, wie z. B. „trocken, feucht, der zu erwartenden größeren Schneehöhen eine Länge von nass und gefroren“. 1m. Er wird senkrecht in das Erdbodenmessfeld gesteckt und die Halterung so eingestellt, dass das Thermometer Das Messfeld hat standardmäßig eine Größe von 2,5 x 4,0 m. sich waagerecht 5 cm über dem unbewachsenen Boden bzw. Hier stecken die Sonden mit elektrischen Thermometern im der Schneedecke be¤ndet. Der Abstand zu den Erdboden- Boden. Sie messen die Lufttemperatur in 5 cm über dem Boden, thermometern soll 50 cm betragen. dazu die Temperatur im Erdboden in 5, 10, 20, 50 und 100 cm Tiefe. Der Untergrund soll aus natürlich gewachsenem (nicht Die Erdbodenthermometer sind auf dem Messfeld für aufgeschüttetem) Boden bestehen, weil die verschiedenen Erdbodentemperaturen installiert. Bei den Stockthermo- Bodenarten (z. B. Lehm oder Sand) sich nicht nur in ihrem Auf- metern muss beachtet werden, dass nach dem Einsetzten nahmevermögen für Wasser, sondern auch in ihrer Wärmeleit- in den Erdboden die Skala nach Norden weist und die Ther- »higkeit unterscheiden. Die Fläche ist von Bewuchs freizuhal- mometerenden nach Süden zeigen. ten, muss aber ansonsten unbearbeitet bleiben; abgelagerte Niederschläge dürfen nicht entfernt werden. Standardmäßig sind Niederschlagssensoren so aufzu- stellen, dass sich die Au¦ang äche des Sensors waagrecht Abb. 19.15 Erdbodenmessfeld mit 5 cm Temperatursensor und Erdbo- in 1 m Höhe über Grund be¤ndet. Je nach Windgeschwin- dentemperatur (Foto: DWD) digkeit wird ein gewisser Anteil der Niederschlagsteilchen über die Au¦ang äche hinweg getrieben. Deshalb ist eine Aufstellung in völlig freiem Gelände sowie unmittelbar im Lee eines Hindernisses zu vermeiden. Zur Aufstellung gut geeignet sind z. B. Gärten, in denen Hecken o.ä. Windschutz vorhanden ist.

Abb. 19.16 Aufstellung von Niederschlagsmessgeräten

Für die konventionelle Messung werden die Erdbodenthermo- meter von Ost nach West fortschreitend so in den Boden eingebracht, dass sich die Ge»ße in 5 cm, 10 cm, 20 cm, 50 cm und 100 cm Tiefe be¤nden. Die Quecksilberge»ße bzw. die Senso- ren dürfen nicht in das Grundwasser hineinreichen. Bei der Aufstellung ist gemäß WMO zu beachten: Damit die Sonneneinstrahlung die Kapillare der Stockther- • bei der Auswahl des Messplatzes muss darauf geachtet mometer höchstens unter einem spitzen Winkel tri¦t, zeigt werden, dass Hindernisse wenigstens viermal so weit das Kapselende dieser Glasthermometer (5 cm, 10 cm und entfernt sind wie ihre Höhe ist. Ist das nicht zu realisie- 20 cm Tiefe), die untereinander einen Abstand von 10 cm ren, muss der Höhenwinkel zum Hindernis ≤45 °sein. und zum Flächenrand von 1 m haben, nach Süden. Dabei sollte darauf geachtet werden, dass Bäume und Sträucher im Laufe der Zeit größer werden, Für die Thermometer der Tiefen 50 cm und 100 cm, evtl. • der Standort darf weder im Luv noch Lee von Gebäuden auch 200 cm (Stabthermometer), die zu den Glasthermo- oder Bäumen sein, metern und untereinander einen Abstand von 50 cm und • der Abstand des Niederschlagsmessers von Gegenstän- zum Flächenrand von 1 m haben, werden die Löcher mit den, die niedriger sind als der Sensor soll mindestens dem Erdbohrer vorbereitet und Hüllrohre eingesetzt. In doppelt so groß wie deren Höhe sein, diese steckt man dann die entsprechenden Stäbe mit den • Standorte auf Hügeln und in Gelände mit starken Nei- Thermometern, deren Kapsel Kontakt mit dem Erdboden gungen (besonders in vorherrschender Windrichtung) haben muss. Es ist darauf zu achten, dass das Rohr mit der sind zu meiden, Abdeckkappe des Stabes abschließt. • die Aufstellung auf Dächern oder Terrassen ist nicht gestattet. Auf die Erprobung eines Sensors zur Erfassung des Erdbo- denzustands im Messnetz des DWD wurde unter 11.4 aus- Der Niederschlagsmesser n. Hellmann soll in einem Ab- führlich eingegangen. Es zeigte, dass derzeit verfügbare Ge- stand zu Hindernissen oder anderen Sensoren aufgestellt räte noch nicht die Anforderungen des DWD erfüllen. werden, der mindestens der 2-fachen, im Idealfall der 4-fa-

190 chen Hindernis-/Sensorhöhe entspricht. Die Aufstellung die der Sonne zugewandte Seite wesentlich stärker auf als erfolgt auf einer ebenen mit Gras bewachsenen Fläche, ggf. die Schattenseite (und auch die Geräteunterseite). Indem auch auf einer Kies äche. Schneeverwehungen von Dä- die Messzelle nach Norden ausgerichtet ist, wirkt die ein- chern oder Bäumen dürfen auf keinen Fall das Messgerät gebaute Temperaturkompensation besser, da auf der Schat- erreichen. Der Niederschlagsmesser wird an einem Gerä- tenseite geringere Temperaturgradienten auftreten und die teträger befestigt. Im Normalfall ragt der Geräteträger (Me- Temperaturen an der Nordseite des Gerätes besser mit den tallpfosten) 90 cm aus dem Boden, die Au¦ang äche des an der Unterseite gemessenen Temperaturen korrelieren. Messgerätes be¤ndet sich in exakt 1,0 m Höhe. Die Erfassung der Schneehöhe ist ein wichtiger Parameter Im DWD wurde festgelegt, dass wegen zu erwartender größe- zur Beurteilung der Schneedecke. Deren Ausbildung unter- ren Schneehöhen die Höhe der Au¦ang äche liegt nicht nur starken räumlichen und zeitlichen Schwan- bei einer Stationshöhe von >501 bis 800 m NHN in 1,5 m, kungen. Die Entwicklung der Schneedecke steht auch unter bei einer Stationshöhe von >800 m NHN in 2,0 m dem Ein uss von Lufttemperatur, Wind, Strahlung und der über Grund sein sollen. Geländebescha¦enheit, sowie der räumlichen Verteilung der Niederschläge. All diese Faktoren machen es schwierig, Für den Niederschlagsschreiber (nur an Wst I REF), gelten eine geeignete Messstelle, die repräsentativ für die Umge- dieselben Hindernisfreiheiten wie beim Niederschlags- bung ist, zu ¤nden. Das zu erfassende Messfeld sollte mög- messer. Er wird auf eine stabile Unterlage (meist acher lichst ach, windgeschützt und lawinensicher sein. Steile Betonsockel) gesetzt, damit der senkrechte Stand gewähr- Hänge, Mulden, Geländekanten oder große Felsen in un- leistet ist. Er wird auf einem horizontalen Betonsockel, der mittelbarer Nähe zur Messstelle sollten vermieden werden. nur wenige cm aus dem Boden herausragt installiert, sodass Eine starke Neigung des Schneefeldes birgt die Gefahr, dass sich die Au¦ang äche in 1,2 m über dem Boden be¤ndet. die Schneedecke ins Rutschen kommen kann und damit das Messergebnis ver»lscht wird. Niederschlagssensor PLUVIO OTT, Niederschlagsmonitor (LNM) und Niederschlagsdauersensor siehe Standardmess- Wie bei der Bestimmung der Schneehöhe, muss auch bei feld des DWD. der Messung mit der Schneesonde der Messplatz reprä- sentativ sein. Es muss eine ebene Fläche ausgesucht wer- Abb. 19.17 Niederschlagsmelder (Niederschlagsdauersensor) auf den. Be¤nden sich in der Schneedecke vereiste Schichten, Mast (Kroneis) werden diese mit der Verzahnung der Sonde mit leichtem Druck und Drehbewegungen durchschnitten.

Ultraschallschneehöhensensor (SR50 von Campbell) siehe Standardmessfeld des DWD. Um ein möglichst gut de¤- niertes „Null-Niveau“ bereitzustellen und damit z. B. Fehl- messungen durch wachsendes Gras zu vermeiden, wird im DWD ein Standard-Schneebrett aus weißem Holz mit 1m x 1m (Kantenlänge von mindestens 0.4 x Installationshöhe bei 2.5 m Installationshöhe) senkrecht unter der Sensorö¦- nung auf die Mess äche gelegt. Die einmal festgelegte Lage des Schneebretts darf keinesfalls verändert werden!

Die Sensoren für Windrichtung und Windgeschwindig- keit sollen möglichst auf einem frei stehenden, hindernis- freiem Gelände an einem senkrechten Mast idealerweise in 10 m bis 12 m Höhe über Grund aufgestellt werden. Hinder- nisfrei heißt laut Festlegung, der Abstand zwischen Wind- messung und den nächsten Hindernissen soll mindestens die 10-fache Hindernishöhe betragen. Dies ist die meist am schwersten zu erfüllende Forderung bei der Geräteaufstel- Der PLUVIO OTT muss für einen fehlerfreien Betrieb un- lung. Bei vorhandenen Hindernissen wie Gebäude oder bedingt erschütterungsfrei und senkrecht aufgestellt sein. Vegetation müssen die Windsensoren 6 m bis 10 m über Dazu ist er auf einem fertig installierten DWD-Geräteträger dessen durchschnittlicher Höhe angebracht werden. Je auf das Standrohr aufgesetzt. Aufgrund neuer Erkenntnisse nach Lage der Wetterstation oder Wetterwarte können die zum Temperaturverhalten des PLUVIO sind alle Geräte im Sensoren auch in Ausnahme»llen in 12 m bzw. 15 m Höhe Messnetz auf dem Geräteträger so gedreht, dass die Mess- betrieben werden. Das richtet sich nach der orographischen zelle nach Norden ausgerichtet ist. Hintergrund für diese und baulichen Umgebung der jeweiligen Station. Der Ab- Maßnahme sind gelegentlich beobachtete Fehlausgaben stand von Hindernissen wird berechnet unter Beachtung bei starken Temperaturänderungen. Die Messzelle ist zwar der Maße des Hindernisses. Hier ist die Höhe H und Breite temperaturkompensiert, allerdings wird dafür eine Tempe- B des Hindernisses entscheidend. Die Berechnung des Ab- raturmessung zugrunde gelegt, die an der Geräteunterseite standes A erfolgt dann nach: gewonnen wird. Bei starker Sonneneinstrahlung heizt sich

191 a) Bei hohen und schmalen Hindernissen ist A= 0.5 H + 10 B Klappmasten sind üblicherweise aus CFK (Kohlensto¦- b) Bei Bauwerken mit H ≈B ist A= 5(H+B) Faserverbund-Bauweise) hergestellt und verfügen über ein c) Bei achen lang gestreckten Hindernissen Gelenk in ca. 1 m Höhe, über das sie von der Senkrechten (H < B) ist A= 0,5 B+ 10 H in die Waagerechte befördert werden können. Am unteren d) Wird der Aufstellungsplatz kreisförmig von Hindernis- Ende des Mastes be¤ndet sich ein Gegengewicht. Wird nun sen umgeben, wird B durch den Kreisumfang 2πr er- der Sicherungsbolzen am Fuß des Mastes entfernt, kann der setzt. Dann ist A= 2πr + 10 H Mast von Hand gekippt werden und hält sich dann selbst- ständig in der Horizontalen. Diese Klappmasten werden Abb. 19.18 Störbereich an einem Hindernis (WMO 1981) n. Foken [6] üblicherweise auch für Strahlungssensoren eingesetzt.

Der CFK-Windmast wird unter Berücksichtigung der 4 Windzonen in den Typen A, B, C gefertigt (Standardversion, Bergversion) und in 4 Ausführungen hergestellt (Tab. 19.2).

Tab. 19.2 Die 4 Windzonen mit der Gebietseinteilung Windzone Gebiet Masttyp Standard Zone IV Inseln der Deutschen Bucht Typ C Abbildung 19.18 zeigt, bis zu welcher Höhe und Entfernung Standard Zone III Nord- und Ostsee-Küstengebiet der gestörte Bereich durch ein Hindernis sein kann. Bei Typ B zwingend notwendigem, zu geringem Abstand vom Hin- Standard Zone II Norddeutsche Tiefebene dernis ist in Ausnahme»llen auch eine Überhöhung der Typ A Messhöhe möglich. Nach Foken [6] kann folgende Bezie- hung herangezogen werden Übriges Gebiet (H über NHN): Standard Standorte mit Geländehöhe H ≤ 600 m Typ A Standorte mit Geländehöhe H > 600 m (19.1) Zone I Berg: Mittelgebirge H > 600 bis 1000 m Typ A mit h'= Überhöhung der Messhöhe (10 m + h') Mittelgebirge H > 1000 bis 1500 m Typ B H = Hindernishöhe Mittelgebirge H > 1500 m Typ C A = Abstand vom Hindernis D = geringerer Abstand vom Hindernis Die Windfahne ist dabei auf die geographische Nordrich- Für die im DWD eingesetzten CFK-Windmasten ist bei der tung zu justieren. Am günstigsten ist die Verwendung eines nach DIN 4131 standortabhängigen Windgeschwindigkeit kippbaren Mastes, damit Wartungsarbeiten am Boden aus- eine maximale Auslenkung des Mastkopfes von ±15 cm geführt werden können. zulässig. Der Abstand der Windsensoren soll etwa 1,5 m betragen. Beide Geräte sind vertikal so gegeneinander zu ver- Die Aufstellung der Windsensoren ist im Standard-Mess- setzen, dass sich die Unterkante des oberen Gerätes (Wind- feld des DWD festgelegt. Die grundsätzlichen Regeln der geschwindigkeitsgeber) 0,1 m bis 0,5 m über der Oberkante Aufstellung von Windmesssystemen im Freien müssen da- des unteren Gerätes (Windrichtungsgeber) be¤ndet. Der bei beachtet werden. Einsatz des entsprechenden Masttyps ist nach örtlichen Be- dingungen festzulegen und hängt ab vom Aufstellungsort Auch beim Ultrasonic Anemometer (2D-Ultraschall- und den klimatologischen Verhältnissen. Teilbare Masten Anemometer) gelten grundsätzlich die gleichen Regeln werden normalerweise nur dort eingesetzt, wo die räumli- zur Aufstellung im Standard-Messfeld des DWD und zur chen Aufstellungsbedingungen den Transport eines unteil- Berechnung des Abstandes zu Hindernissen. Auch dieses baren Mastes nicht zulassen. Anemometer muss nach Norden ausgerichtet werden. Da- bei muss die Ortsmissweisung und evtl. störende Magnet- Abb. 19.19 Hubelement mit Spindel (Foto: DWD) felder vor Ort beachtet werden. Um Fehlmessungen durch unerwünschte Schallre exionen an schallre ektierenden Flächen zu vermeiden, muss das Ultrasonic Anemometer ein Abstand von 1 m von Gegenständen in der Messebene eingehalten werden. Um all diesen Forderungen nachzu- kommen, ist der Windmast zum Teil abgesetzt vom Mess- feld aufgestellt. Im Unterschied zu den Wetterstationen/ Wetterwarten des DWD, werden auf zivilen Flugplätzen Wind- und Sichtmessanlage in der Regel ohnehin nicht im Klimagarten, sondern in unmittelbarer Nähe der Start-Lan- debahn aufgestellt (Abb.19.21 und 19.22). Das gilt auch für Flugplätze der Bundeswehr.

192 Es werden auch Klappmasten mit Spindel eingesetzt. Dazu Die Abbildungen 19.21 und 19.22 zeigen die meteorologi- sind eine spezielle Spindel und eine Bohrmaschine (als An- sche Ausrüstung und Aufstellung an Regional ughäfen. trieb für die Spindel) zum Umklappen erforderlich. Das Ge- lenk be¤ndet sich direkt in Bodenhöhe. Diese Masten wer- Abb. 19.21 Meteorologische Ausrüstung eines Regional¥ughafens den üblicherweise für Windsensorik eingesetzt. mit einer Piste bis 2400 m Länge (Quelle: DWD)

Abb. 19.20 Klappmast mit Spindel und Aufzug (Foto: DWD)

Auch Klappmasten mit „Aufzug“ (Abb. 19.20) werden eingesetzt. An diesem Aufzug kann ein Sensor (z. B. SONI) hoch- gezogen werden, ohne dass der komplette Mast gekippt Abb. 19.22 Meteorologische Ausrüstung eines Regional¥ughafens werden muss. mit einer Piste von 2400 m Länge oder mehr (Quelle: DWD)

Der Standort des Laserceilometers (Wolkenhöhensensor) ist im Standard-Messfeld des DWD festgelegt. Der Nacht- wolkenscheinwerfer, sofern noch vorhanden, steht meist außerhalb des Standardmessfeldes, da die relativ große Messbasis eingehalten werden muss. Es muss darauf geachtet werden, dass er waagerecht steht.

Für die Sichtweitensensoren ist die Länge der hindernisfrei- en Messstrecke abhängig vom Sensortyp. Die Abstrahlrichtung darf nicht gegen die Sonne oder in die Hauptwindrichtung weisen. Damit keine störenden Lichtre exe in das Streuvolumen bzw. den Emp»nger gelangen können, ist das Umfeld des Sen- sors DF20 gemäß den Installationsvorgaben von Lichtquellen bzw. re ektierenden Gegenständen frei zu halten.

Die Transmissometer Skopograph II Flamingo werden Die Geräte zur Messung der Sonnenscheindauer und an den Flugplätzen jeweils meist gedoppelt parallel an den Strahlungsmessgeräte müssen zu jeder Jahreszeit be- Aufsetzpunkten der Landebahnen aufgestellt. Ein weiteres schattungsfrei von Sonnenaufgang bis Sonnenuntergang Messsystem ist in der Mitte der Landebahn installiert. So von der direkten Sonneneinstrahlung getro¦en werden sind pro Landebahn allgemein drei Transmissometer nötig können und der täglichen P ege und Wartung zugänglich um die Landebahnsicht (RVR) zuverlässig zu messen. sein. In den Sonnenauf- und Untergangssektoren muss die Horizontfreiheit ≥3 ° gewährleistet sein. Hindernisse müs- Sofern noch vorhanden, ist der Videograph erschütte- sen im Südsektor eine geringere Höhe als die tiefste Son- rungsfrei, mit der Optik des Sensors nach Norden ausge- nenstandskurve haben (ausgenommen schlanke Objekte richtet aufgestellt. Bis etwa 50 m vor seinem Aufstellplatz mit einer Breite von ≤1 °, z. B. Antennen. dürfen keine Hindernisse in der Messstrecke sein.

193 Für Strahlungsmessgeräte dürfen Hindernisse auch im Abb. 19.23 SCAPP auf 6m-Mast (P¥eiderer) Nordsektor nicht über einen Winkel von ≥5 ° hinausragen, sie dürfen dem Sensor nicht zu nahe sein und es darf keine Re exstrahlung an den Sensor gelangen. Wenn möglich, sind die Sensoren an einem Mast in 2 m Höhe (maximal 6 m) anzubringen.

Die Aufstellung des Sonnenscheinautographs richtet sich nach der Horizontfreiheit. Während der maximal möglichen Sonnenscheindauer am Messort darf das Messgerät keine Beschattung haben. Am Südhorizont dürfen daher keine Erhebungen vorhanden sein die einen Horizontwinkel >11 ° haben. Im Bereich zwischen Nordost bis Südost darf ein Hö- henwinkel von 3 ° nicht überschritten werden. Im Nordsektor spielt die Hindernishöhe für den Sonnenscheinautograph keine Rolle. Er wird auf eine stabile Unterlage montiert, die nicht in sich arbeitet. Die Grundplatte muss waagerecht eingestellt werden. Die Kugelschale, welche die Registrierstrei- fen aufnimmt, wird mittels einer Skala an der Halterung auf die geographische Breite des Ortes eingestellt.

Der Standort des Sonnenscheinautographen an Klimarefe- renzstationen ist im Standardmessfeld für Klimareferenz- Der Aufstellungsort des Sonnenscheinsensors SONIe3 ist stationen festgelegt (Abb. 19.8). im Standard-Messfeld festgelegt. Er muss frei von Abschat- tungen sein und eine gute Horizontsicht bieten. Der Sensor Zuletzt erfolgt das Einstellen auf die exakte Südrichtung. bedarf keiner Einnordung oder Nivellierung. Dies geschieht unter Verwendung der WOZ (wahre Orts- zeit), die durch Addition der Zeitgleichung zur MOZ (mitt- Erprobungsmessfelder lere Ortszeit) bestimmt wird. Hat man den Zeitpunkt des Aufgrund von Nutzeranforderungen und im Rahmen einer tatsachlichen Sonnenhöchststandes (12.00 WOZ) nach ge- kontinuierlichen Markterkundung führt das Referat TI 23 setzlicher Zeit errechnet, muss zu diesem die Brennspur, (Messsysteme) des DWD Sensorerprobungen mit wechselnden die die Sonne erzeugt, genau auf der 12-Uhr-Marke des Re- Schwerpunkten durch. Dazu stehen Erprobungsmessfelder in gistrierstreifens stehen. unterschiedlichen klimatischen Bereichen zur Verfügung. Un- ter anderem sind Erprobungsmessfelder vorhanden in Ham- Strahlungsmessgeräte, die nur die Strahlung aus dem burg-Sasel, Wewa Fehmarn (Abb. 19.24), Wewa Wasserkuppe oberen Halbraum empfangen (Pyranometer, Pyrgeometer, (Abb. 19.24), Kahler Asten, Falkenberg und Hohenpeißenberg SCAPP(Scanning Pyrheliometer/Pyranometer)), können auch auf Dächern installiert werden, wenn die anderen Bedingungen Abb. 19.24 Erprobungsmessfeld WeWa Fehmarn, WeWa Wasser- erfüllt sind, da keine Messhöhe vorgeschrieben ist. kuppe, mit neuer Sensorik für Automatische Stationen (Foto: DWD)

Strahlungsbilanzmesser sowie Geräte, die die Strahlung nur aus dem unteren Halbraum empfangen, werden in 2 m Höhe über einer ebenen Gras äche installiert. Die zuvor formulierten Bedingungen gelten auch hier.

Der Standort des Pyranometers und der Strahlungssenso- ren ist im Standardmessfeld des DWD festgelegt. Meist werden die Sensoren auf Plattformen oder Sockeln montiert.

SCAPP wird normalerweise auf einen 6 m hohen Kippmast der Fa. P eiderer aufgestellt. Es handelt sich dabei um ein zur Spitze hin verjüngendes Kunststo¦rohr mit einem Drehpunkt in einer Höhe von ca. 1,5 m. Wichtig ist die Ho- rizontfreiheit und horizontale Ausrichtung von SCAPP mit einer Toleranz von ±1 °. Einzelne Ein ussgrößen, wie Wind- –1 ein uss (bis 13 m s – ), Strahlungsein uss und Reproduzier- barkeit nach Kippen liegen innerhalb der Toleranz und sind daher vernachlässigbar. Den größten Ein uss hat dabei die Verbiegung des Mastes durch einseitiges AuÂeizen der Mastober äche an Strahlungstagen. Zur Aufstellung SCAPP siehe Standard-Messfeldskizze DWD (Abb. 19.5).

194 19.4.3 Repräsentanz von meteorologischen Messungen Neben der räumlichen wird in der Meteorologie auch nach der zeitlichen Repräsentanz gefragt. Die Der Repräsentanzbegri¦ beschreibt, inwieweit Messungen/ • räumlicher Repräsentanz ist der horizontale Gültigkeits- Beobachtungen an einem Punkt (an einer Station) inner- bereich oder Umkreis der Werte innerhalb festgesetzter Ab- halb angenommener Schwankungsbreiten für das umlie- weichungsgrenzen zu ein und demselben Zeitpunkt, gende Gebiet vergleichbar sind. Die nachfolgenden Aus- • zeitlicher Repräsentanz beinhaltet die Gültigkeitsdau- führungen sollen zeigen, wie wichtig bei der Auswahl des er der Werte bestimmter meteorologischer Daten inner- Standortes und der Aufstellung der Messgeräte/Sensoren halb vorgegebener Grenzen bzw. Schwankungsbreite die Beachtung der Vorgaben ist. an ein und demselben Ort. Die Kenntnis der zeitlichen Repräsentanz erlaubt die Beurteilung der Aussagekraft Neben der Qualität und Vergleichbarkeit spielt bei meteo- auch kürzerer Datenreihen. rologischen Messungen die Repräsentanz für die entsprechende Umgebung eine wichtige Rolle. Eine Messung sollte Die Repräsentanz ist nicht direkt abhängig von der Mess- aus meteorologischer Sicht die Umgebung des Standortes genauigkeit, sondern von der zeitlichen und/oder räumli- möglichst gut charakterisieren. Dies soll das folgende Bei- chen Variabilität. spiel verdeutlichen: Es muss betont werden, dass die Repräsentanz für die ver- Wird die Lufttemperatur unmittelbar in der Nähe eines schiedenen meteorologischen Größen unterschiedlich sein Gewässers gemessen, wird sie deutlich von diesem beein- kann. Ein optimales Stationsnetz kann es daher nicht geben, usst, da Wasser als Wärmespeicher wirkt. Die Messung ist es muss stets ein Kompromiss gefunden werden. Im Folgen- prinzipiell nicht falsch, die gemessene Lufttemperatur ist den sollen nur die Repräsentanzprobleme erörtert werden, korrekt, jedoch nicht repräsentativ für die Umgebung. die in direktem Zusammenhang mit Messungen stehen.

In einem Land mit ausgeprägter Topographie wie z. B. der Die gemessenen und beobachteten Größen an einem Punkt Schweiz werden mehr Stationen benötigt als in einem aus- enthalten Anteile durch die großräumigen atmosphäri- gedehnten Steppengebiet. Da es aber zu aufwändig und schen Zustände (Makroklima, synoptische Situation), deren kostspielig ist, in jedem Tal eine eigene meteorologische regionale Ein üsse (Mesoklima, synoptische Besonderhei- Bodenstation zu betreiben, werden verschiedene Strategien ten) und durch lokale Ein üsse (Mikroklima) gegeben sind. verfolgt, um möglichst gute Eingangsdaten für die Wetter- Bei Wetterlagen, die durch Advektion und höhere Windge- vorhersage zu erhalten. schwindigkeiten geprägt werden, sind die räumlichen Un- terschiede zahlreicher meteorologischer Größen gering. Bei der Auswahl repräsentativer Stationen des Boden- messnetzes werden die Stationen unter anderem auch als Die Repräsentanz ist abhängig von charakteristisch für eine bestimmte Gegend, Lage etc. aus- • der Oberflächenstruktur, ob Meer oder Land, Ebene oder gewählt. Dabei spielt die Höhe eine wichtige Rolle, da das Orographie Wetter ein dreidimensionaler Vorgang ist. Je „weiter weg • dem Messniveau, ob freie Atmosphäre oder planetari- von der Ober äche“ eine meteorologische Information sche Grenzschicht stammt, desto repräsentativer ist sie für ein größeres Ge- • Messparameter, ob Luftfeuchte, Luftdruck, Lufttempe- biet. Gezielt wird deshalb die dritte Dimension ausgebaut: ratur, Wind, Sicht, oder Wolkenuntergrenze zusätzliche Windpro¤ler, insbesondere für hoch aufgelöste meteorologische Modelle (7 km, 4 km und 2 km), Ausnüt- Es existieren mehrere Verfahren, die die Repräsentanz der zen der GPS Netzwerke, um Pro¤le der atmosphärischen Messungen und Beobachtungen quantitativ bestimmen, Feuchte zu erhalten, Ableiten von Windinformationen aus z. B. durch eine Korrelationsanalyse. Aus diesen folgt, dass dem Niederschlagsradar. die Repräsentanz einer Station je nach betrachteter meteorologischer Größe unterschiedlich zu bewerten ist. So »llt Für eine synoptisch-klimatologische Station ist es erforder- z. B. das Repräsentationsgebiet für die Niederschlagshöhe lich, dass die Beobachtungen hinsichtlich der auftretenden in der Regel kleiner aus als für die Lufttemperatur. Wetterelemente, hier insbesondere Bodenwind, Tempera- tur und Luftfeuchte repräsentativ für ein größeres Gebiet sind, d. h. dass die Daten zum Beispiel bei Gutachten, aber auch bei der Beratung der Luftfahrt für möglichst viele Orte in der Umgebung herangezogen werden können. Ein solches Gebiet hat im Mittelgebirgs- oder Alpenraum eine andere (geringere) räumliche Ausdehnung als z. B. in der Norddeutschen Tiefebene.

195 Repräsentanz des synoptischen Beobachtungsnetzes Abb. 19.25 Druckgradient und Genauigkeit der Luftdruckmessung Bei der Analyse von Bodenwetterkarten können sich Reprä- sentanzprobleme ergeben, die unterschiedliche Ursachen haben können. Zunächst müssen heraus fallende Meldun- gen gewissenhaft überprüft werden. Dann folgen mögliche Ursachen durch

• Beobachtung/Messung und offizielle Beobachtungszeit Der Beginn der Beobachtung kann bis zu einer viertel Stunde vor der o¾ziellen Beobachtungszeit liegen. In dieser Zeitspanne kann sich die Lufttemperatur schon um 1–2 K geändert haben. Bis eine Stationseintragungskarte vor Ort verfügbar ist, verstreicht eine geraume Zeit (bis zu 2 Stunden). Bis sie dann noch analysiert ist, ist sie meist nicht mehr reprä- sentativ für das Gebiet. Hier emp¤ehlt sich durch die PC-Unterstützung (NinJo) auf die selbst de¤nierte Ein- tragungskarte zurückzugreifen. • geringe Dichte des synoptischen Stationsnetzes Eine Wetteranalyse muss nach den Angaben einer mehr oder weniger verhältnismäßig kleinen Anzahl von Stationen durchgeführt werden und ist damit mit einer gewissen Unsicherheit behaftet. Insbesondere in den Nachtstunden und an Wochenenden sind die bemannten Stationsmeldungen sehr ausgedünnt. Beson- ders kleinräumige Erscheinungen wie Nebel, Gewitter, Schauer werden nur lückenhaft erfasst. • Lokale Einflüsse Bodenbescha¦enheit und -bedeckung und Gelände- form spielen eine große Rolle bei der Ausprägung der einzelnen Parameter • Einflüsse der Tageszeit • Einflüsse der Wetterlage

Die Repräsentanz kann sich auch in einer synoptischen Bo- denkarte widerspiegeln. Dabei kann sie sich auch mit der Wetterlage ändern, z. B. werden bei Starkwindlagen durch Da der Niederschlag eine besonders hohe räumliche und Stau- und Soge¦ekte Luftdruckfehler erzeugt. Wie wichtig zeitliche Variabilität aufweist, sind damit eine hohe Dichte z. B. eine genaue Luftdruckmessung ist, soll anhand eines an Niederschlagsstationen und langer Beobachtungszeit- Beispiels einer Eintragung in einer Bodenwetterkarte ge- raum notwendig. Mit Hilfe der beschriebenen Niederschlags- zeigt werden: messgeräte können lediglich Punktmessungen durchgeführt werden. Die räumliche Repräsentanz der Messungen hängt Annahme: Genauigkeit der Luftdruckmessung ±0,1 hPa von der Art des Niederschlages (und damit von der Wetterla- Vorgabe: QFF 1015,0 hPa, Maßstab der Karte 1:5 Mio ge) sowie von der Geländeform, Bebauung und dem Bewuchs (1 mm = 5 km) des Geländes ab. So kann eine Punktmessung bei einer typi- schen sommerlichen Schauerwetterlage für eine Fläche von bis zu 20 km2 ≅ 4.5 km x 4.5 km, bei einem winterlichem Dauer- regen oder Schneefall durchaus für eine Fläche von mehr als 200 km2 ≅ 15 km x 15 km repräsentativ sein.

In Anlehnung an die Richtlinien der WMO hat Météo-France (Note technique n° 35, Classi¤cation d’un site, 1999) strikte Güteklassen (1– 5) für die Messgrößen Temperatur/Feuchte, Niederschlag, Strahlung und Wind festgelegt. Abbildung 19.26 zeigt die Bedingungen, die erfüllt sein müssen, damit eine Nie- derschlagsmessung in die «Klasse 1» »llt. Das Instrument muss auf einer Fläche stehen und darf nicht in der Nähe eines Han- ges positioniert sein, dessen Neigung 19 ° übersteigt. Zusätzlich muss die Distanz zu einem Hindernis mindestens 4x die Höhe (gemessen über der Messhöhe) betragen. Als Hindernisse gelten alle Objekte deren Winkelbreite mehr als 10 ° beträgt.

196 Abb. 19.26 Vorgaben für eine Niederschlagsmessung der Klasse 1 Die folgenden Daten sind einer Verö¦entlichung des Fede- (aus Note technique n° 35, Classi¯cation d’un site, 1999) ral Meteorological Handbook No1 [31] entnommen.

Erforderliche Genauigkeit bei der Messung der Runway Vi- sual Range (RVR)

Tab. 19.3 Genauigkeitsforderung zur Messung der RVR Runway Visual Range (feet) Accuracy <1300 ± 30 feet Die Vorgaben für eine Niederschlagsmessung der „Klasse 3“ 1300 bis 2600 ± 80 feet sind im Vergleich dazu deutlich weniger restriktiv. Der Geber >2,600 ± 10 % kann an einem Hang positioniert werden, sofern die Neigung geringer als 30 ° ist. Ebenfalls beträgt die minimale Distanz zu einem Hindernis nur noch die Höhe des Hindernisses selbst. Erforderliche Genauigkeit des automatischen Sichtsensors Eine Messung der „Klasse 5“ würde z. B. bedeuten, dass der (Tab. 19.4 ) Niederschlag unter einem Hindernis gemessen würde (Baum, Hausdach). Dementsprechend sind Messungen der höheren Tab. 19.4 Genauigkeitsforderung zur Messung der Sichtweite Klassen mit einem Fehler behaftet (im Vergleich zur repräsen- Sichtweite Percentage of Data Within or tativen Umgebung). Gemäß Météo-France betragen diese Fehler des Standard- Exceeding Given Range für die „Klassen 5“ mehr als 40 % für die Windmessung, 50 % sensors oder mehr für die Niederschlagsmessung und eine Abweichung von bis zu 5 K für die Temperatur. Dies zeigt, welche Bedeutung At least 80% No more than No more than Within 18% Exceed 2% Exceed eine sorg»ltige und gut geplante Standortwahl hat. 0 bis 1 ¼ ±¼ ±½ ±1 Abb. 19.27 Niederschlagsmessung der Klasse 3 1 ½ bis 1 ¾ ±¼, –½ ±½, –¾ ±1 (aus Note technique n° 35, Classi¯cation d’un site, 1999) 2 bis 2 ½ ±½ ± 1 ±1 3 +½, –1 ±1 ±1 4 bis 10 ±1 RV* ±2 RV* ±2 RV*

*RV = gemeldeter Wert, alle anderen Werte in Meilen.

Die folgenden Angaben zu den Genauigkeitsforderungen sind der „Durchführung meteorologischer Dienste an Ver- kehrs ughäfen und Verkehrslandeplätzen für Regionalluft- 19.4.4 Genauigkeitsforderungen der WMO und ICAO verkehre mit Flugplatzkontrolldienst sowie an unkontrollierten Flugplätzen mit Luftraum „F“ (Ausgabe DWD Januar Wie genau gemessen werden soll, dazu macht die WMO 2007)“ entnommen. genaue Angaben. Die folgenden Ausführungen stellen nur Beispiele dar. Die im Folgenden aufgelisteten Systemfehler setzen sich zusammen aus den Messunsicherheiten der Sensoren so- Die Genauigkeitsanforderung für eine Niederschlagstages- wie aus den Fehlern bei der Digitalisierung und Berechnung summe liegt nach WMO-Empfehlung (s. WMO-No. 8, Annex im Datenerfassungssystem. 1B kurz „CIMO-Guide“ genannt“) für Werte <2 mm bei 0,1 mm und für Allgemeine Umgebungsbedingungen der Sensoren: Werte ≥2 mm bei 5 %. Einsatztemperaturbereich: –35 °C bis +45 °C Einsatzfeuchtebereich: rel. Feuchte von 10 % bis kon- Bei diesen Werten handelt es sich um erweiterte Messunsi- densierend cherheiten mit dem Erweiterungsfaktor k=2 (2-fache Stan- Strahlung: max. 1 kW m –2 dardabweichung), d. h. 95.4 % der Messwerte liegen in diesem Bereich. Wenn beide Messgeräte in diesem Vergleich (Siehe Tabelle Seite 198) diese WMO-Anforderungen erfüllen, ergibt sich daraus ge- mäß GAUSSscher Fehlerfortp anzung Kalibrierzyklen der DWD-Sensorik Die Einhaltung der WMO-Forderungen an die Sensorik er- (0.1 2 + 0.1 2) ½ , bzw. (5 % 2 + 5 % 2) ½ fordern regelmäßige Kalibrierungen der Sensoren. Nachfol- gende Tabelle 19.6 enthält die Kalibrierzyklen in Monaten, ein Toleranzbereich von 0,14 mm (<2 mm) und 7 % (≥2 mm), wie sie im DWD festgelegt sind. in dem mindestens 95.4 % der Messwerte liegen sollten.

197 Tab. 19.5 Messgrößen und abgeleitete Größen, Toleranzen, Algorithmen; Basisprüfung der Sensoren und der Messanlage Genauigkeit Messbereich Messunsicherheit Abtastrate Systemfehler der Berechnung Windrichtung 1 bis 360 ° ±5 ° ≥2 s –1 ±1 ° ≤±10 ° 1 kt im Bereich entspricht Windgeschwindigkeit 1 kt bis 100 kt von 1 kt bis 10 kt, ≥2 s –1 ±0,5 kt der Mess- 10 % über 10 kt unsicherheit Unkontr. Flugplätze MOR Meteorolo- mit Luftraum „F“: gische Sichtweite 100 m bis 10.000 m

Verkehrsughäfen oder ≤20 % des -landeplätze für Regional- Messwertes Trans- ≥6 min –1, entspricht MOR Meteorolo- luftverkehrer m. Flugplatz- missometer unter 90%-Zeit: der Mess- gische Sichtweite kontrolldienst 2000 m: ≤10 % ≤30 s unsicherheit Zugrunde gelegter 100 m bis 2000 m bei BS I, II des Messwertes Kontrastschwellen- 50 m bis 2000 m bei BS I, wert 0,05 II, IIIa 10 m bis 2000 m bei BS I, II, IIIa, IIIb, IIIc ≥1 min –1, ≤10 % des Mess- 90%-Zeit: Umfeldleuchtdichte 4 bis 50 000 cd m –2, wertes ≥30 s, ≤6 min 300 m bis 2000 m bei BS I und II, ≤±1 Stufe Pistensichtweite 200 m bis 2000 m bei BS I, (s. a. Stufung (RVR) II, IIIa, der RVR) 50 m bis 2000 m bei BS I, II, IIIa, IIIb, ≥2 min –1 Messwert- zwischen- 25 ft oder 10% des Wolkenhöhe 50 ft bis 10-000 ft speicherung: Messwertes Registrierung der Einzel- werte Lufttemperatur –40 °C bis +45 °C ±0,5 K ≥6 min –1 ±0,05 K ≤ ±0,5 K Taupunkttemperatur –30 °C bis +45 °C ±0,5 K ≥6/min ±0,1 K ≤ ± 0,5 K Langjähriger Mittelwert in Luftdruck ±0,25 hPa ≥6 min –1 ±0,05 hPa ≤ ±0,3 hPa Ortshöhe ±50 hPa

198 Tab. 19.6 Kalibrierzyklen der DWD-Sensorik 19.5 Übersicht über Mess- und Beobachtungsnetze Sensoren Monate 19.5.1 DWD-Mess- und Beobachtungsnetz Temperatur einschließlich GeoInfoDBw (Anhang 7.1) Assmann-Thermometer 24 Um eine Vorstellung vom Umfang der Messnetze zu haben, Schleuder-Thermometer 36 sei mit Anhang 7.1 zunächst das hauptamtliche Netz darge- Thermohygrograph 252 stellt (Stand: 09/2011), auch wenn sich im Laufe der Zeit die Minimum-Thermometer (Alkohol) 60 eine oder andere Zahl ändert. Pt100-Fühler Erdboden-Pt100-Fühler In der folgenden Übersicht (Tab. 19.5) sind alle hoch aufge- Erdboden-(Winkel)Thermometer 50mm lösten Messnetzkarten (im PDF-Format) aufgelistet, die alle Erdboden-(Winkel)Thermometer 100mm Stationen zeigen, von denen im DWD Daten vorliegen. Das Erdboden-(Winkel)Thermometer 200mm bedeutet auch, dass nicht alle eingetragenen Stationen der- Erdboden-Tiefenthermometer 500mm 120 zeit noch in Betrieb sind. Erdboden-Tiefenthermometer 1000mm Maximum-Thermometer Tab. 19.7 Übersicht der als Download vorhandenen Messnetzgra¯ken Thermometer 280 für Psychrometer des DWD Thermometer 370 für Psychrometer Messnetz- Wasserthermometer Zugehörige Kollektiv-Beschreibung Übersicht Feuchte Stationen mit aerologischen Beobach- Messnetz AE Feuchtefühler ROTRONIC MP101A tungen Feuchtefühler ROTRONIC MP300 18 Stationen mit täglichen Daten der Feuchtefühler VAISALA HMP45D Messnetz EB Erdbodentemperatur Druck Messnetz FF Stationen mit stündlichen Winddaten Druckmessumformer AIR-DB-1A 18 Druckmessumformer VAISALA PTB220A Messnetz KL Stationen mit stündlichen Klimadaten Stationen mit automatischen Messungen Druckmessumformer AIR-DB sonstige 12 Messnetz MI (10-Minuten-Auösung) Aneroid-Barometer FUESS Barograph FUESS 78a Stationen mit phänologischen Beobach- 36 Messnetz PE Barograph FUESS 79 tungen Barograph LAMBRECHT 290 Stationen mit täglichen Niederschlags- Messnetz RR Hg-Barometer LAMBRECHT 610 daten 60 Hg-Barometer THIES 3.1550.xx.xxx Stationen mit stündlichen Daten der Messnetz SO Niederschlag Sonnenscheindauer Ombrometer PLUVIO-OTT 48 Stationen mit stündlichen, automatischen Messungen (teilweise ergänzt mit Augen- Messnetz SY Wind beobachtungen, Einführung der Automaten Schalenstern-Anemometer (IAM/THIES) SK-565 nur Augenbeobachtungen vor) 12 Windrichtungsgeber (IAM/THIES) SK-566 Stationen mit stündlichen Daten der Messnetz_TU Schalenstern-Anemometer THIES 4.3303 Temperatur und der relativen Feuchte Windrichtungsgeber THIES 4.3121 Ultraschall-Anemometer GILL 24 Ultraschall-Anemometer THIES 19.5.2 WeBoKaN – Wetterbeobachtungskamera-Netzwerk Woele Windschreiber des DWD Strahlung Der DWD betreibt verschiedene meteorologische Mess- Sonnenenergiesensor SONIe2 24 netze. Damit wird der Zustand der Atmosphäre mit un- Sonnenenergiesensor SONIe3 terschiedlichen Verfahren erfasst. Nach wie vor ist neben Pyranometer diesen physikalischen Parametern wie Temperatur, Feuchte Pyrgeometer und Wassergehalt auch das optische Bild von großer Bedeu- 30 Pyrheliometer tung für den Vorhersagedienst, lässt sich aber nur schwer Strahlungssensor SCAPP mit automatischen Sensoren erfassen. Notmessgerätekoer 36

199 Abb. 19.28 Wetter-Beobachtungs-Kamera (Foto: DWD) Abb. 19.30 Standorte der Wetter-Beobachtungs-Kameras (DWD)

Das Wetter-Beobachtungs-Kamera-Netzwerk, kurz WeBo- Über das eigentliche WeBoKaN hinaus gibt es eine Vielzahl von KaN hat mehrere Ziele, unter anderem die vollautomati- Kamerastandorten, die über das Internet aufgerufen werden sche Bereitstellung von digitalen Bildern und Filmen aus können und insbesondere dem in der Flugwetterberatung täti- verschiedenen Richtungen sowie die Ansicht der Produkte gen Berater eine wertvolle Ergänzung bieten können. mit einem handelsüblichen Internet-Browser. Die Produkte sind also überall verfügbar. 19.5.3 Stationsnetz im Rahmen von KLIWA (Anhang 7.2)

Abb. 19.29 System Wetter-Beobachtungs-Kamera (DWD) Das Forschungsprogramm KLIWA (Auswirkungen des Kli- mawandels auf Wasserstraßen und Schi¦fahrt) wird von vier Ressortforschungseinrichtungen des Bundesminis- teriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) gemeinsam durchgeführt. Beteiligt sind der DWD, das Bun- desamt für Seeschi¦fahrt und Hydrographie (BSH), die Bun- desanstalt für Gewässerkunde (BfG) und die Bundesanstalt für Wasserbau (BAW).

Die Abteilung Hydrometeorologie im DWD steht darin in Abstimmung mit den Kooperationspartnern, der Landes- anstalt für Umweltschutz. B.den-Württemberg und dem Bayerischen Landesamt für Wasserwirtschaft und seit 01.01.2007 das Land Rheinland-Pfalz in Verbindung.

Aus dem Untersuchungsraum von Baden-Württemberg und Bayern liegen Messreihen der Lufttemperatur von insgesamt 354 Stationen vor, welche die regionale Tem- peraturverteilung repräsentativ erfassen. Grundlage für Das System besteht im Wesentlichen aus je einer schwenk- die Berechnung von Niederschlagsreihen bilden Nieder- baren und einer festen Kamera, einigen Sensoren und ei- schlagsbeobachtungen von 1815 Messstellen des Nieder- nem Server, der für die Steuerung und die Erstellung der schlags allein für Baden-Württemberg und Bayern. Produkte verantwortlich ist. Die Daten werden über ISDN- Leitungen nach O¦enbach übertragen und von dort aus zur 19.5.4 Mobile Messeinheiten des DWD Verfügung gestellt. Eine Mobile Messeinheit (MME) des DWD ist ein Spezial- Über die kleine Standortkarte (Abb. 19.30) können die fahrzeug, das mit meteorologischen Instrumenten und Standorte anzeigt werden. speziellen Mess- und Auswerteeinrichtungen ausgestattet ist. Die mobilen Messeinheiten des DWD (z. Zt. 3 Einheiten) werden hauptsächlich zur Untersuchung der meteorologischen Feinstruktur der bodennahen Atmosphäre im Rah- men von Planungsgutachten eingesetzt. Wenn notwendig werden komplette Wetterstationen aufgestellt um damit Messungen über längere Zeit durchführen zu können. So werden die letzten Datenlücken geschlossen.

200 Abb. 19.31 Mobile Messeinheit des DWD Über parallel durchgeführte Druckmessungen kann ein Gelände- Höhenpro¤l zugeordnet werden. Als Sondermes- sung ist die Ermittlung der Fahrbahntemperatur mit Hilfe einer Infrarotkamera möglich.

Die Messungen werden an den mobilen Messeinheiten mit Akku-Betrieb (mit zusätzlicher Solarzelle für die Au adung) durchgeführt, d. h. dass die Sensoren an diese Stromversor- gung angepasst sein müssen. Hieraus ergeben sich einige Unterschiede zur Stationssensorik. Tabelle 19.8 beinhaltet alle eingesetzten Sensoren.

Tab.19.8 Sensorübersicht an mobilen Messeinheiten des DWD Fund- Parameter Sensoren stelle Lufttemperatur LTS2000 Pt 100 8.3.2.1 Mobile Messungen dienen dazu, das lokale Klima vor Ort Luftfeuchte- und Temperatur HMT337 9.3.3 möglichst genau zu kennen. Auf dieser soliden Basis kön- Luftfeuchte HMP 45D 9.3.3 nen verlässliche Entscheidungen getro¦en werden. Lokale Messungen sind oftmals unverzichtbar, z. B. Psychrometer n. Luftfeuchte Frankenberger 9.3.1 • im Rahmen von Umweltverträglichkeitsprüfungen (12 V) • bei Untersuchungen zum lokalen Klima, z. B. zum Stadt- Wind USA 3D 12.3.2 klima PLUVIO-OTT Niederschlag 11.3.2 • bei der Beurteilung des Klimas in Kurorten und Heilbädern (älteres Modell) • zur Erstellung von Bebauungsplänen • bei der Planung von konventionellen Kraftwerken, Strahlung CNR4 14.6.1 Windkraftanlagen und anderen Industrieanlagen • bei der Planung von Verkehrswegen (Autobahnen, Alle Sensoren sind an den COMBILOG Datenlogger 1020 der Fa. Ortsumgehungen, Bahnstrecken, usw.) Friedrichs (siehe 4.4.1) angeschlossen. Die Daten können über • bei der Planung von Deponien und bei der Sanierung ein zusätzliches GPRS-Modem (online) abgerufen werden. von Tagebau ächen • bei der Beurteilung von Frostgefährdungen (z. B. im 19.5.5 Temporäre Stationsmessungen Weinbau) • bei der Erhaltung von Frischluftschneisen, die das Kli- Temporäre Stationen zeichnen kontinuierlich Messdaten ma in Städten und Gemeinden verbessern auf und speichern sie auf Datenloggern ab. Art, Umfang und • und vieles andere mehr … Zeitraum des Messprogramms bestimmen die Kunden.

Zur Erfassung von horizontalen Temperatur- und Feuchte- Abb.19.33 Temporäre Stationsmessungen pro¤len werden Pro¤lmessfahrten durchgeführt, bei denen während der Fahrt über bestimmte Strecken permanent Lufttemperatur und Luftfeuchte gemessen werden. Dazu wird das Psychrometer nach Frankenberger (siehe 9.3.1) wegen seiner schnellen Ansprechzeit genutzt.

Abb. 19.32 Pro¯lmessfahrten

201 Der DWD kann mit den ca. 50 temporären Stationen eine die beim AWI und beim DWD eingesetzt wird. Als Hardware Vielzahl von Parametern erfassen, z. B. kommt ein Datenlogger CR1000 der Fa. Campbell Scienti¤c • Wind zum Einsatz. Die Software des Datenloggers basiert auf der • Lufttemperatur Software der bisherigen DWD im S-AWS sowie auf vom AWI • Strahlung (kurz- und langwellige Komponenten) verwendeter Software. • Schwachwind • Niederschlag Tab. 19.9 Sensorenübersicht an SCAWS • Sonnenscheindauer Fund- Parameter Sensoren stelle Die Daten werden mit einer leistungs»higen Software auf- bereitet, statistisch ausgewertet und graphisch bzw. tabella- Luftdruck PTB220 7.3.3 risch dargestellt. Luft- u. Wassertemp.LTS2000 Pt 100 8.3.2.1 Luftfeuchte MP101 9.3.3 19.5.6 Maritimes Messnetz DWD Wind USA 2D 12.3.2 Die Datengewinnung in der Meteorologie beschränkt sich Strahlung Pyranometer CMP21 14.4.1 nicht nur auf Messungen am Boden. Bis auf Schneehöhe Pyrgeometer CGR4 14.5 und Erdbodentemperaturen werden entsprechende Grö- ßen auch auf See gemessen und beobachtet. Neben aufwendigen Messeinrichtungen auf Forschungsschi¦en und Pro Sekunde wird ein kompletter Datensatz zur Nutzung Fischereischutzbooten gibt es auch einfachere Messverfah- vor Ort erzeugt. Zusätzlich wird jede Stunde eine Wetter- ren auf einer Vielzahl von Handelsschi¦en. meldung (FM-13 SHIP) erzeugt und über Satellit abgesetzt.

Im Rahmen seiner Verp ichtungen im internationalen ma- Die Beobachtungen werden unter den meteorologischen ritimen Datenmanagement betreibt der DWD am Standort Diensten ausgetauscht und über das GTS verbreitet. Mehr Hamburg das Global Collecting Centre (GCC). In enger Zu- und mehr Länder setzen dabei automatische Wetterstatio- sammenarbeit mit dem GCC in Edinburgh werden hier die nen ein, die von einfach ausgestatteten bis hin zu komple- an Bord von Schi¦en bei ihren Reisen auf allen Weltmee- xen Stationstypen variieren, abhängig von den Anforderun- ren erhobenen Wetterbeobachtungen zusammengeführt, gen der Länder. Die gewonnenen Daten werden nicht nur in einer Qualitätskontrolle unterzogen und verschiedenen Wetterdiensten genutzt, sondern auch für Forschungszwe- Daten- und Überwachungszentren verfügbar gemacht. Der cke und andere Nutzer zur Verfügung gestellt. DWD archiviert diese Beobachtungen im Globalen Zentrum für Schi¦swettermeldungen (GZS), in dem auch Bojen- und Für manuelle Messungen an Bord der „VOS“ sollen zukünf- Plattformdaten gespeichert werden. tig elektronische Handmessgeräte sowie digitale Barometer als Ersatz für die Schleuderpsychrometer, Barometer und Im Gegensatz zum engmaschigen Netz von Wetterstatio- Barographen eingesetzt werden. nen auf den Kontinenten, die in regelmäßigen Abständen Wettermeldungen erzeugen, gibt es aus dem Bereich der Abb. 19.34 Die festen Stationen des maritimen Messnetzes des DWD Ozeane, die zwei Drittel der Erdober äche bedecken, nur relativ wenige meteorologische Informationen. Um diese Datenlücke zu füllen wird von der WMO das Programm VOS (Voluntary Observing Ship) durchgeführt. Damit soll die Handelsschi¦fahrt motiviert werden, freiwillig Wetter- beobachtungen während der Schi¦sreisen durchzuführen. Mehrere Tausend Schi¦e sind bereits registriert, die an dem Programm teilnehmen.

Der DWD nimmt an diesem Programm ebenfalls teil und hat dafür inzwischen etwa 850 Schi¦e gewonnen. Weiter- hin betreibt der DWD ein autonomes maritimes Netzwerk (S-AWS – Shipborne Automatic Weather Station) mit etwa 17 Stationen (die meisten in der Nordsee und im Nordatla- Die MILOS wird im Maritimen Messnetz eingesetzt. Ver- nik), das erste dieser Art, auch in Kooperation mit führen- schiedene Typen der MILOS sind den Forschungseinrichtungen und nationale meteorologi- • FS Schiffe (Forschungsschi¦e) sche Dienste (NMS). Da es solche Systeme auf dem Markt • UFS Unbemannte Feuerschi¦e GW/Ems und G-Bight noch nicht gibt, wurde es vom DWD in Kooperation mit • LT Leuchttürme (Kiel und Alte Weser) Forschungseinrichtungen entwickelt. Das Ergebnis dieser • NSB – Nordsee-Bojen (II, III und Fehmarn Belt) Kooperation ist das SCAWS (Scaleable Automatic Weather Station), die derzeit modernste S-AWS. Sie kann völlig un- abhängig, abgesehen von der Stromversorgung arbeiten und basiert auf langzeitgetesteten Hardware und Software,

202 Das maritime Messnetz des DWD umfasst ergänzende ma- 19.5.6.2 Bordwetterwarte auf FS METEOR ritimmeteorologische Stationen (Stand 1/2012): Die Bordwetterwarte auf dem Forschungsschi¦ METEOR II – • 2 Bordwetterwarten (Forschungsschi¦e Polarstern und eine Dienststelle des DWD – ist eine feste Einrichtung auf Meteor mit DWD-Personal) diesem Schi¦. Sie be¤ndet sich im 2. Auaudeck auf Back- • 17 automatische Bordwetterstationen auf Handels- und bordseite („grünes Deck“). Auf Forschungsreisen ist sie per- Behördenschi¦en manent mit einem • 844 Wettermeldestellen auf Handelsschi¦en Abb. 19.36 FS METEOR Hinzu kommen noch 3 Forschungsplattformen (siehe 19.3) und zusätzliche Stationen des maritimen Messnetzes des Bundesamtes für Seeschi¦fahrt und Hydrologie (BSH) in der Ostsee (siehe 19.6.3).

19.5.6.1 Meteorologischer Hafendienst Zur Betreuung der deutschen Handelsschi¦e und deren Besatzungen, die auf freiwilliger Basis und unentgeltlich Wetterbeobachtungen für den DWD durchführen ist ein meteorologischer Hafendienst an den Standorten Ham- burg, Bremerhaven und Rostock eingerichtet. Die Mitarbei- ter des Hafendienstes sind in das weltweite Netzwerk des Wetterfunktechniker und bei Bedarf zusätzlich mit einem VOS integriert und installieren auf jedem teilnehmenden quali¤zierten Meteorologen des DWD besetzt. Beide sind Schi¦ eine Standardausrüstung von geeichten meteorologi- kompetent in Fragen der maritimen Meteorologie und der schen Instrumenten, bestehend aus Barometer, Barograph, Interpretation meteorologischer Daten. Schleuderpsychrometer und Wasserschöpfer. Die Wetter- meldungen werden unverzüglich über Satellit an die natio- Abb. 19.37 Arbeitsplatz des Bordmeteorologen (links) und nalen Wetterdienste weitergeleitet. Pro Tag erhält der DWD des Wetterfunktechnikers (rechts) auf FS METEOR ca. 250.000 Wettermeldungen von deutschen Schi¦en.

Abb. 19.35 Instrumente des Hafendienstes

Das meteorologische Messsystem auf FS METEOR dient der Er- fassung meteorologischer Parameter, die von einem zentralen Meteorologierechner in der Bordwetterwarte erfasst und an Ergänzt werden die von den Beobachtern erstellten sog. verschiedenen Stellen des Schi¦es (z. B. Brücke, Maschinen- „Augenbeobachtungen“ durch automatische Messsysteme kontrollraum) als Datensatz oder zur Anzeige weitergeleitet (sog. Automatische Bordwetterstationen), die auf einigen werden. Die Lage der Messwertgeber kann auf der Übersichts- Handels- und Forschungsschi¦en eingesetzt werden und skizze des Mastes eingesehen werden (Abb. 19.38). stündlich die Messwerte per Satellit absetzen. Wetterbeob- achtungen von Schi¦en beziehen sich in der Regel auf die Folgende Messwerte werden auf der METEOR bereitgestellt: bodennahe Luftschicht (Höhe der Brücke). Für eine umfassende Beschreibung des Wettergeschehens sind jedoch die Tab. 19.10 Messwerte auf FS METEOR physikalischen Abläufe in der unteren Atmosphäre über Messgeräte/ Fund- Parameter den Meeren bis zu einer Höhe von 10 km bis 15 km für die Sensoren stelle Meteorologie von großer Bedeutung. Der DWD beteiligt sich seit den 80er Jahren an dem internationalen ASAP-Pro- Luftdruck PTB220 7.3.3 gramm (Automated Shipboard Aerological Programme) zur Pt 100 (1/3 DIN Luft- und Wassertemperatur 8.3.2 Gewinnung von Messdaten aus der Atmosphäre. mit Kennlinie) Relative Feuchte Taupunkt HMP45 DL 9.3.3 Der DWD honoriert die freiwillige Zusammenarbeit in Form als Rechengröße von Sachprämien, die in Abhängigkeit von der Anzahl der durchgeführten Beobachtungen und dem Zeitraum der frei- Regenmessegerät (n. Prof. Dr. L. willigen Zusammenarbeit vergeben werden. Niederschlag 9.3.3 Hasse) Nieder- schlagsmelder

203 USA 2D bedingt durch die Fahrt des Schi¦es, entsprechend verkürzt Relative Windrichtung Einblattwindfahne 12.3.2 oder verlängert werden. und -Geschwindigkeit Schalensternane- 12.3.1 mometer Anmerkung: Wahrer Wind (Rechengröße In den nationalen Wetterdiensten ist es üblich, Messgrö- aus relativem Wind) ßen von der Höhe der Messwertgeber auf eine von der WMO vorgegebene Standardhöhe zu reduzieren (z. B. gemessene Horizontalsichtweite PWD20 13.3.2 Luftdruckwerte auf Meereshöhe. Dies erfolgt mit den an Strahlung Bord gewonnenen Grundgrößen ausschließlich beim Luft- langwellige Strahlung Pyranometer druck (Digitalbarometer 10,6 m über Wasser). Globalstrahlung CM21/CMP21 14.4.1 2 UV-Komponenten der Pyrgeometer CG 4 14.5 Die Teilnahme am internationalen Wetterbeobachtungs- Globalstrahlung (UV-A, ext- UVS-AE-T 14.4.1 dienst ist eine weitere wichtige Aufgabe der Bordwetterwar- rem wirksamer UV-B-Anteil) SONIe2/3 14.3.2 te. Mit der ABWSt (Automatische Bordwetterstation) und Sonnenscheindauer, einem angeschlossenem Verarbeitungsprogramm werden -intensität stündlich rund um die Uhr verschlüsselte automatische Messwerte wie Position, Sichtweite, Windrichtung und -Ge- Da sich bei einem fahrenden Schi¦ Schi¦sgeschwindigkeit schwindigkeit, Lufttemperatur, Taupunkt, Luftdruck, Was- und wahrer Wind vektoriell addieren, kann in diesem Fall sertemperatur bereitgestellt. Sie werden tagsüber zu den nur der relative Wind gemessen werden. Unter Berücksich- sogenannten synoptischen Haupt- und Zwischenterminen tigung von wahrer Schi¦sgeschwindigkeit und wahrem durch das Personal der Bordwetterwarte mit visuellen Be- Schi¦skurs kann aus dem relativen Wind der wahre Wind obachtungen vervollständigt. Diese Augenbeobachtungen errechnet werden. enthalten Angaben über:

Um Schi¦sbewegungen auszugleichen, müssen einige Mess- • Bedeckungsgrad des Himmels geräte (u. a. Pyranometer, UV-Sensor (UVS-AE-T) kardanisch • Art und Höhe der Wolken aufgehängt sein. • Signifikante meteorologische Erscheinungen wie B. z. Niederschlag, Nebel usw Abb. 19.38 Lage der Sensoren auf FS METEOR • Höhe, Richtung und Periode von Seegang und Dünung • ggf. Eisbedeckung oder Angaben zu Eisbergen und Eis- bergstücken

Messwerterfassungsanlage (METCO III) Die meteorologischen Daten werden vom Messwerterfas- sungssystem (METCO III) der Bordwetterwarte über eine serielle Schnittstelle in das Datenverteilungssystem (DVS) übertragen und auf verschiedenen Monitoren und Anzeige- instrumenten im Schi¦ ausgegeben. Zusätzlich werden die meteorologischen Daten innerhalb der METCO III für jede Reise archiviert.

Der in der Bordwetterwarte zum Einsatz kommende Me- Lage der Sensoren teorologie-Computer (METCO) a: basiert langwellige Wä aufrmestrahl einemung der At 19"mosphäre In- b: UV-A und UV-B-Anteile der Globalstrahlung dustrie-PC mit PentiumIV-CPU c:und Globalst ra 15"hlun g TFT-Monitor mit d: Windrichtung und -geschwindigkeit Betriebssystem Windows XP-prof,e: Nie derschla unterg Verwendung von f: Horizontalsichtweite industrietauglichen Peripheriebaugruppen.g: relative Feuchte Das Verarbei- h: Lufttemperatur tungsprogramm der erfassten Dateni: Einlassönung wird zummit Bar ometerder Program- A+B: Empfangsantennen für geostationäre und miersprache Pascal realisiert. polumlaufende Satelliten

Die Abtastung der genannten Messwertgeber erfolgt einmal Im Zusammenhang mit der Niederschlagsmessung auf See pro Sekunde, die der Windwerte dagegen alle 0,5 s. Daraus ist zu beachten, dass das Messergebnis durch bestimmte werden die Grundgrößen sowie die Folgegrößen (z. B. wahre Faktoren beeinträchtig werden kann. Bei Starkwind oder Windgeschwindigkeit und Taupunkttemperatur) berechnet. Sturm zum Beispiel können Gischt bzw. Spritzwasser über sämtliche Auauten des Schi¦es verdriftet werden und Die Erfassung aller Messdaten im PC erfolgt je nach Art des somit den Messort trotz seiner relativ großen Höhe errei- Parameters auf eine der folgenden Arten: chen. Das System unterscheidet nicht zwischen Gischt und • Messung analoger Eingangssignale 0 bis 20 mA. Die tatsächlichem Niederschlag. Des Weiteren sollte bei der Sensoren sind hierbei an Messumformer angeschlos- Interpretation von Niederschlagssummen berücksichtigt sen, durch die der Messbereich festgelegt ist. Die Erfas- werden, dass die Daten auf einer mobilen Station gemessen sung im PC erfolgt mit einer AD-Wandler-Baugruppe werden. So kann die Dauer eines Niederschlagsereignisses,

204 • Erfassung von Messdaten vom Datenerfassungsmodul Abb. 19.41 Bordwetterwarte auf FS Polarstern (2 Abbildungen) COMBILOG der Fa. Friedrichs (siehe 4.4). Die Übertra- gung der Messdaten erfolgt über eine RS485-Schnitt- stelle. Der Messbereich wird durch die Kon¤guration der COMBILOGs festgelegt • Direkt im PC wird über eine RS232-Schnittstelle nur das Sensorsignal des Luftdrucksensors und der Sichtweite erfasst

Abb. 19.39 Visualisierung der erfassten und verarbeiteten Daten, erkennbar die Unterteilung in Anzeigen nach Back- und Steuerbord- sensoren.

Ein Teil dieser Messdaten wird während der Reise nach in- ternationalem Standard im Rahmen des GOS (Global Obser- Der Meteorologe der Polarstern ist dafür verantwortlich, ving System) der WMO in den weltweiten Datenaustausch den Kapitän des Schi¦es sowie die Helikopterpiloten und des GTS vom ABWST-Rechner 3-stündlich automatisch zu die Wissenschaftler in allen wetterbezogenen Fragen zu be- einer INMARSAT-C-Anlage transferiert und eingespeist. Die raten. Er wird unterstützt vom Wettertechniker, der den Sa- Daten sind Eingangsgrößen für numerische Wettervorher- tellitenbildempfang und die einkommenden Daten regelt. sagemodelle. Sie sind von besonderem Wert in entlegenen Die gewonnenen Daten lassen sich in folgende drei Bereiche Seegebieten. einteilen: • Synoptische Beobachtungen, 19.5.6.3 Bordwetterwarte auf FS Polarstern • Radiosondenaufstiege, FS Polarstern ist sowohl für meteorologische Forschung • Kontinuierliche Oberflächenmessungen (PODAS/DSHIP) als auch für meteorologische Dienstleistungen gut ausgestattet. Die Bordwetterwarte ist ständig mit einem Das Schi¦ ist mit einem am Bug ausfahrbaren Mast (TMS) Wettertechniker/-beobachter des DWD besetzt, der alle drei ausgerüstet, an dem Geräte zur Messung atmosphärischer Stunden synoptische Turbulenz angebracht sind. Dieses Messsystem wurde mehrfach während Sommer-Campagnen in der zentralen Abb. 19.40 FS Polarstern Arktis eingesetzt, um Luftströmungen über Eisrücken und Eisrinnen zu untersuchen.

Alle Daten werden im MISAWI – dem Meteorologischen Informationssystem des Alfred-Wegener-Institus (AWI) archiviert, welches interaktiven Zugri¦ bietet. Außerdem sind alle Daten über das Publishing Network for Geoscien- ti¤c & Environmental Data PANGAEA erreichbar.

19.5.7 Solares UV-Messnetz in Deutschland (Anhang 7.3)

Nicht zuletzt wegen der Vorgänge in der Ozonschicht der At- mosphäre ist die solare UV-Strahlung ein wichtiger Umwelt- Beobachtungen macht und die täglichen Radiosondenaufstie- parameter geworden, der weltweit ständig überwacht wird. ge durchführt. Die Messdaten aller meteorologischen Messge- räte werden kontinuierlich vom DSHIP-System erfasst.

205 Das Bundesamt für Strahlenschutz (BfS) betreibt zusammen 19.6.1 Hessisches Niederschlagsmessnetz (Anhang 7.4) mit dem Umweltbundesamt (UBA), dem DWD und weiteren assoziierten Institutionen ein bundesweites UV-Messnetz zur Niederschlagsverteilung und -intensität sind notwendig für die Bestimmung des UV-Index. Aktuelle Messwerte und Prognosen Berechnung mit Niederschlag-Ab uss-Modellen, Ermittlung können im Sommerhalbjahr täglich abgerufen werden. Weitere der Grundwasserneubildung für die Wasserversorgung, Hoch- Informationen zum UV-Index stehen hier zur Verfügung. wasservorsorgemaßnahmen, Hochwasservorhersagen und Be- rechnungen in der Stadthydrologie (Kanalnetzberechnungen, Im Rahmen des UV-Messnetzes wird an verschiedenen Orten Regenrückhaltebecken in Kanalnetzen). Daher kommt der Mes- in der Bundesrepublik Deutschland die einfallende UV-Strah- sung der Niederschläge eine große Bedeutung zu. lung, aufgelöst in kleine Wellenlängenbereiche, kontinuierlich gemessen Anhang Messnetze). Aus diesen UV-Spektren Um Auskünfte über Dauer und Intensität der Niederschläge wird die biologische Wirksamkeit berechnet, die in Form des zu erhalten, werden kontinuierliche Messungen mit automa- UV-Indexes verö¦entlicht wird. Im Jahr 1993 haben BfS und tisierten Niederschlagsmessstationen mit Datenfernübertra- UBA den Betrieb an den 4 Stationen des UV-Messnetzes in gung (Ombrometer) und vereinzelt noch mit Niederschlags- Zingst (Ostseeküste), Langen (Rheingraben bei Frankfurt), schreibern durchgeführt. Parallel dazu werden Tageswerte mit Schauinsland (Südschwarzwald) und Neuherberg (Stadtrand einfachen Niederschlagsmessern nach Hellmann ermittelt. von München) aufgenommen. In den Folgejahren wurde das Messnetz zusammen mit dem DWD und weiteren asso- Derzeit werden ca. 45 Ombrometer (PLUVIO) mit Datenfern- ziierten Institutionen zu einem bundesweiten UV-Messnetz übertragung und ca. 60 Messgeräte an ca. 75 Messstellen im ausgebaut. Assoziierte Institutionen sind die Bundesanstalt Rahmen des landeseigenen, hydrologisch ausgerichteten für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin in Dortmund (BAuA), Messnetzes betrieben. Zuständig für Bau und Betrieb der die Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) mit der Sta- Messstationen sind die Regierungspräsidien. Die aktuellen tion in Westerland/Sylt, das MOL Lindenberg des DWD, das Messwerte sowie die Stammdaten der Ombrometer sind in Bayerische Landesamt für Umwelt mit der Messstation in der Internetpräsentation zu ¤nden. Bei der Messnetzmo- Kulmbach (LfU Bayern) und die Niedersächsische Gewerbe- dernisierung und -optimierung wurden die Messstandorte aufsicht mit den Messstationen in Rinteln und auf der Insel des Landes Hessen und des DWD auf der Grundlage einer Norderney. Bei der Auswahl der Messstationen wurden ins- Rahmenvereinbarung zwischen dem DWD und Hessen auf- besondere die in Deutschland vorhandenen Unterschiede einander abgestimmt. In diesem Zusammenhang wurden hinsichtlich der geographischen Breite, der Höhenlagen, des die Niederschlagsschreiber zum größten Teil abgebaut. Klimas und der Lufttrübung berücksichtigt. 19.6.2 Stadtmessnetz. B.rlin und Messnetz der TU Berlin In Neuherberg be¤ndet sich die Messnetzzentrale, die zu- (Anhang 7.5) sätzlich zum UV-Monitoring in einem eigenen UV-Kali- brierlabor die Qualitätssicherung durchführt und die ge- Das Stadtmessnetz. B.rlin umfasst 9 Stationen. Gemessen sundheitliche Bewertung und Speicherung der gesamten werden im allgemeinen Lufttemperatur, Luftfeuchte, Nie- Messdaten übernimmt. derschlag, Erdober ächen- und Erdbodentemperatur. An einigen Stationen zusätzlich Windrichtung und Windge- Für die tägliche Berichterstattung ruft die Messzentrale je- schwindigkeit, Sonnenschein- und Niederschlagsdauer, weils um die Mittagszeit aktuelle UV-Daten von allen Stati- sowie Luftdruck und Strahlungsgrößen. onen ab und stellt sie in Form von UV-Indizes der Ö¦entlichkeit im Internet zur Verfügung. Von April bis September Der Messtakt beträgt 1 Minute, sodass pro Tag ca. 100.000 Mess- werden darüber hinaus täglich für die 10 wichtigsten Vor- werte an die Zentrale im Institut für Meteorologie auf dem hersagegebiete in Deutschland 3-Tages-UV-Vorhersagen er- Fichtenberg gemeldet werden. In Berlin-Dahlem ergänzen die stellt und im Internet verö¦entlicht. Komplette Datensätze Augenbeobachtungen „rund-um-die-Uhr“ das Datenangebot. werden am Ende eines jeden Tages abgerufen, auf Plausi- bilität geprüft, gesundheitlich bewertet, für die weitere Öf- Das Fachgebiet Klimatologie der TU Berlin betreibt seit Ende fentlichkeitsarbeit auereitet und anschließend im Zent- der 1980er Jahre ein weiteres Stadtklima-Messnetz in Ber- ralrechner gespeichert. Aktuelle Informationen werden in lin. Es besteht aus automatischen Wetterstationen, mit de- Form von Pressemitteilungen weitergegeben. nen Lufttemperatur und Luftfeuchte sowie an ausgewählten Standorten weitere meteorologische Größen mit einer zeitli- 19.6 Übersicht über weitere Mess- und Beobachtungsnetze chen Au ösung von 5 min aufgezeichnet werden.

Die nachfolgenden Darstellungen der Messnetze (Anhang Mess- Schwarze Punkte repräsentieren Stationen, die langjäh- netze) sollen exemplarisch zeigen, wer und wo noch neben dem rige Daten erhoben haben, deren Betrieb aber inzwischen Messnetz des DWD in Deutschland misst. Obwohl es in den eingestellt wurde. Beispiel der Messstation Berlin Rothen- letzten Jahren zu einer erfreulichen Zusammenarbeit bzw. Aus- burgstraße (Geographische Breite: 52° 27' 26", Geographische tausch gekommen ist, stehen noch nicht alle Daten jedem jeder- Länge: 13° 18' 57"). Die Messgrößen sind: Temperatur 2 m zeit zur Verfügung. Zusätzlich sind zur Information die Mess- ü. G., Bodentemperatur, Windrichtung und Windgeschwin- netze der Nachbarstaaten Schweiz und Österreich dargestellt. digkeit, Strahlungsbilanz, Globalstrahlung, relative Feuchte Hierzu sind in den entsprechenden Kapiteln einzelne Geräte/ 2 m ü.G. und Niederschlag. Sensoren beschrieben, die nicht im DWD eingeführt sind.

206 19.6.3 Messnetz des Bundesamtes für Seeschifahrt und 19.6.4 Messnetz der Lawinenwarnzentrale Bayern Hydrographie – BSH (Anhang 7.6) (Anhang 7.7)

Das Bundesamt für Seeschi¦fahrt und Hydrographie (BSH) in Der Lawinenwarndienst hat verschiedene automatische Hamburg betreibt ein eigenes Marines Umweltmessnetz – MAR- Messstellen im Einsatz und auch die Bayerische Wasser- NET – in Nord- und Ostsee. Tabelle 19.9 gibt die Sensorbestü- wirtschaft errichtet an ausgewählten Niederschlagsmess- ckung (Soll-Zustand) der einzelnen Stationen wieder. Aufgrund stellen zusätzliche automatische Schneemesssensorik. technischer und logistischer Probleme kann es vorkommen, dass einzelne Variablen aktuell nicht gemessen werden. Abb. 19.42 Messstation des bayerischen Lawinenwarndienstes

Tab. 19.11 Sensorbestückung der Stationen im Messnetz BSH Stationen in der Nordsee Temperatur, Salzgehalt, Sauersto, Pegel, Nordsee- Lufttemperatur, Windrichtung, Windge- boje II schwindigkeit, Luftdruck Temperatur, Salzgehalt, Sauersto, Lufttem- Nordsee- peratur, Windrichtung, Windgeschwindigkeit, boje III Pegel, Luftdruck, Bruttogammastrahlung Temperatur, Salzgehalt, Sauersto, Pegel, Deutsche Bruttogammastrahlung, Phosphat, Silikat, Bucht Nitrit / Nitrat Die automatischen Messstationen im bayerischen Lawi- Temperatur, Salzgehalt, Sauersto, Lufttem- nenwarndienst (Abb. 19.43) sind jeweils den örtlichen Gege- Ems peratur, Windrichtung, Windgeschwindigkeit, Pegel, Luftdruck, Bruttogammastrahlung benheiten angepasst und deshalb unterschiedlich von der Fa. Sommer, Voralberg ausgestattet. Temperatur, Salzgehalt, Sauersto, Pegel, Lufttemperatur, Windrichtung, Windge- FINO Des Weiteren wird ein Schneetemperatur-Pro¤lsensor einge- schwindigkeit, Luftdruck, Strömungsrich- setzt (Abb. 19.44), aufgebaut auf Balken mit 3 Temperatursen- tung, Strömungsgeschwindigkeit soren in PVDF-Standrohr (10 cm, 40 cm, 60 cm) und 1 Boden- Stationen in der Ostsee temperatursensor und ein Windmessgerät (ohne Abb.). Temperatur, Salzgehalt, Lufttemperatur, Kiel Bruttogammastrahlung Abb. 19.43 Schneetemperatur Pro¯lsensor (Sommer) Temperatur, Salzgehalt, Sauersto, Lufttem- Fehmarn peratur, Windrichtung, Windgeschwindigkeit, Belt Bruttogammastrahlung, Phosphat, Silikat, Nitrit / Nitrat Temperatur, Salzgehalt, Sauersto, Lufttem- Darßer peratur, Windrichtung, Windgeschwindigkeit, Schwelle Luftdruck, Bruttogammastrahlung, Strö- mungsrichtung, Strömungsgeschwindigkeit Temperatur, Salzgehalt, Sauersto, Lufttem- Arkona peratur, Windrichtung, Windgeschwindigkeit, 19.6.5 Messnetz der Bayerischen Wasserwirtschaft Becken Luftdruck, Bruttogammastrahlung, Strö- (Anhang 7.8) mungsrichtung, Strömungsgeschwindigkeit Temperatur, Salzgehalt, Sauersto, Lufttem- Im Jahr 1999 wurde eine Kooperationsvereinbarung mit dem Oder Bank peratur, Windrichtung, Windgeschwindigkeit, DWD zur Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Hydrometeo- Luftdruck rologie und zum Auau eines gemeinsamen Niederschlags- messnetzes geschlossen. In den Folgejahren wurden die au- Diese Stationen werden vom Institut für Ostseeforschung tomatisierten Niederschlagsmessstellen mit einheitlichem Warnemünde (IOW) für das BSH betreut. Gerätestandard (Messnetz 2000) errichtet, das Auauziel ist weitgehend erreicht und die Messdaten werden im operati- Die meteorologischen Variablen sind an den verschiedenen onellen Betrieb im Stundentakt abgerufen. Stationen unterschiedlich: Höhenangabe der Station, Tempe- ratursensoren in unterschiedlicher Tiefen: z. B. in 4 m, 6 m, Folgende Schneeparameter werden wie im Messnetz des 10 m, 15 m, 20 m, 25 m, 30 m, 35 m, Leit»higkeitssensoren in DWD auch im Messnetz der Bayerischen Wasserwirtschaft verschiedenen Tiefen: z. B. 6 m, 35 m, Sauersto¦sensoren in durch manuelle Beobachtermessungen erfasst: verschiedenen Tiefen: z. B.: 6 m, 35 m, Radioaktivität: 6 m Tie- • Höhe der Gesamtschneedecke (cm) fe, Nährsto¦e: 6 m Tiefe. Z.T werden auch aktuelle stündliche, • Schneebedeckungsgrad meteorologische Messwerte (Rohdaten) gemeldet • Wassergehalt der Schneedecke, sog. Wasseräquivalent (mm)

207 Alle neuen automatischen Niederschlagsstationen der Im Projekt SwissMetNet wird versucht, die neue Messsta- Bayerischen Wasserwirtschaft wurden mit Schneesonden tion aus klimatologischen Gründen wenn immer möglich ausgestattet und bei Schneebedeckung werden die Schnee- am selben Standort wie die alte Station aufzubauen. Dort, parameter täglich gemessen (Bestimmung des Wasseräqui- wo genügend Platz vorhanden ist, kann die neue Station valents erst ab 5 cm Schneehöhe). neben der alten aufgebaut werden. Die reine Bauzeit für die neue Station beträgt ca. 1,5 Monate. Die alte Station läuft so Derzeit verfügbare hochau ösende Niederschlagsmessstatio- lange weiter, bis die neue Station nach einer technischen nen in Bayern (Anhang Messnetze). Aktuell (9/2011) ist der DWD und meteorologischen Abnahme in den operationellen Be- mit ca. 216 und die Bayerische Wasserwirtschaft mit ca. 110 Sta- trieb übergegangen ist. Falls es sich um eine lange klimato- tionen mit automatisch registrierenden Niederschlagsmessge- logische Messreihe handelt, wird die alte Station noch bis räten (Pluviometer) ausgestattet. Die Standorte der Messstellen zu 3 Jahre parallel betrieben, damit eine Homogenisierung wurden so ausgewählt, dass sie Bayern relativ gleichmäßig dieser Messreihe gewährleistet ist. abdecken, sich zur Aneichung des Wetterradarverbundes des DWD eignen und auch zur Speichersteuerung vorhandener Ende 2008 wurde die erste Bauphase abgeschlossen und sämt- Speicher genutzt werden können. liche ANETZ-Stationen erneuert. Zur Zeit laufen parallel dazu die Vorbereitungen für Bauphase II, in welcher ab dem Jahr Daneben stehen weitere hoch aufgelöste Niederschlagsdaten 2009 die ENET und die KLIMA-Stationen abgelöst werden. aus dem Nahbereich der benachbarten Länder (z. B. Landesan- stalt für Landwirtschaft, Zentralanstalt für Meteorologie und Das Swiss NBCN Geodynamik in Österreich) und die Registrierungen von ca. Das Swiss National Basic Climatological Network (Swiss 300 bayerischen Tagesniederschlagsstationen des DWD zur NBCN) fasst die klimatologisch wichtigsten Stationen in- Verfügung und werden auch dem LfU für wasserwirtschaftli- nerhalb des Messnetzes der MeteoSchweiz zusammen (Be- che Auswertungen zur Verfügung gestellt (ca. 370 Stationen). gert et al. 2007). Es besteht derzeit aus 29 Klimastationen, an denen verschiedene Messgrössen registriert werden, 19.6.6 Messnetz des Schweizer Wetterdienstes – Meteo- und 46 Niederschlagsstationen. Die Messreihen von Tem- Schweiz (Anhang 7.9) peratur, Niederschlag und Sonnenscheindauer der Swiss NBCN-Stationen reichen teilweise bis Mitte 19. Jh. zurück Das Bundesamt für Meteorologie und Klimatologie der Schweiz und werden im Rahmen des Vorhabens DigiHom, vollstän- – MeteoSchweiz – hat den gesetzlichen Auftrag, kontinuierli- dig digitalisiert und homogenisiert. che und ächendeckende Messungen von meteorologischen Größen in der Schweiz durchzuführen. MeteoSchweiz gehört Die Auswahl der Bodenmessstationen des Swiss NBCN wur- zum Eidgenössischen Departement des Innern (EDI). Als na- de unter anderem nach folgenden Kriterien getro¦en: tionaler Wetter- und Klimadienst unterhält MeteoSchweiz seit • zeitlich lange Datenreihen verschiedener Klimamess- 1864 ein klimatologisches Messnetz. Die gesammelten Daten größen werden archiviert und stehen für verschiedenste Anwendun- • räumlich sinnvolle Verteilung der Standorte gen zur Verfügung. Langjährige Datenreihen werden zur Be- • Einbettung in internationale Messnetze schreibung und Analyse des vergangenen Klimas verwendet und sind ein wichtiges Hilfsmittel zur Beantwortung von Fra- Folgende Stationstypen sind derzeit im Swiss NBCN vertreten gen zur Klimaveränderung und deren Auswirkung. 1981 wurde • Klimastationen: 29 Stationen, an welchen die fünf das automatischen Messnetzes (ANETZ) mit 60 Messstationen Messgrößen Temperatur (mittlere, minimale, maxi- in der Schweiz in Betrieb genommen. male), Niederschlag und Sonnenscheindauer zur Ver- fügung stehen (Abb. 3). Lange Datenreihen aller fünf Momentan werden noch mehrere Bodenmessnetze parallel Parameter sind vorwiegend an Stationen unterhalb von betrieben: das ANETZ (72 Stationen mit hoher Verfügbarkeit 1000 m ü. NN. vorhanden. Höher gelegene Stationen für den Grundbedarf), das ENET (Ergänzungsnetz von 44 bieten in den meisten Fällen nur lange Reihen der mitt- Stationen vor allem für die Wind- und Lawinenwarnung), leren Temperatur und des Niederschlags. das KLIMA konv. (konventionelles Klimanetz von 25 Stati- • Niederschlagsstationen: 46 Stationen, die nur Nieder- onen mit 3 Handablesungen sowie 3 Augenbeobachtungen schlag messen und die Klimastationen des Swiss NBCN pro Tag) und das AERO Netz (spezielle Augenbeobachtun- aufgrund der großen räumlichen Variabilität dieses Pa- gen an 17 Stationen insbesondere für die Aviatik). rameters ergänzen. Die Auswahl der ergänzenden Nie- derschlagsstationen wurden auf objektiver Basis mit- Die bestehenden Messnetze sind baulich und technolo- tels einer Clusteranalyse bestimmt (Begert, 2008). gisch veraltet. Der heterogene Auau der verschiedenen Netze macht zudem den Unterhalt zeit- und kosteninten- In das Swiss NBCN eingebettet sind Messstationen folgen- siv. Ein modernes, standardisiertes Bodenmessnetz ist der internationaler Klima-Referenzmessnetze: unabdingbar für aktuelle und zukünftige meteorologische und klimatologische Fragestellungen, wie beispielsweise GSN: Das GCOS Surface Network dient der globalen Klim- regionalisierte oder saisonale Prognosen und das langfris- abeobachtung und beinhaltet 980 Stationen aus allen Tei- tige Klimamonitoring. Aus diesem Grund wurde im Jahre len der Welt. Es wurde 1997 vom Global Climate Observing 2005 mit dem Bau des neuen meteorologischen Messnetzes System (GCOS) Programm der WMO de¤niert. SwissMetNet (SMN) begonnen. RBCN: Das Regional Basic Climatological Network umfasst

208 weltweit rund 2600 Bodenmessstationen in sechs WMO Regionen und dient der kontinentalen Klimabeobachtung. 8 Stationen des Swiss NBCN sind Teil des RBCN. Per De¤nition sind alle GSN Stationen auch RBCN Stationen.

Neben dem SwissMetNet gibt es noch eine Reihe von Part- ner-Messnetzen in der Schweiz. Dazu gehört ein Nieder- schlagsmessnetz des Amtes für Abfall, Wasser, Energie und Luft (AWEL).

Kamerastandorte des SwissMetNet Das Kameranetz besteht momentan (MeteoSchweiz, 2010) aus 27 Standorten und steht weiterhin nur internen Zwe- cken zur Verfügung. Da für den Augenbeobachtungsstand- ort Yverdon als Ersatz für Neuchâtel kein Beobachter gefunden wurde, aber Informationen zu den Wetterverhältnissen über dem Neuenburgersee weiterhin von Interesse sind, wurde in Yverdon eine Kamera installiert.

19.6.8 Messnetz des Österreichischen Wetterdienstes (Anhang 7.10)

Eine der zentralen Aufgaben der Zentralanstalt für Meteo- rologie und Geodynamik (ZAMG), des nationalen und geo- physikalischen Dienstes von Österreich ist es das, Klima in Österreich zu beobachten und zu erforschen. Dazu wurde im Laufe der Jahre ein Netz von 250 teilautomatischen Wetterstationen (TAWES) über Österreich gelegt. Mit fremd betriebenen Wetterstationen (z. B. Flughäfen, Ö3 und Aus- trocontrol) sind es sogar 263. Zusätzlich sind noch 130 phä- nologische Stationen in diesem Netz integriert.

Meteorologische Parameter wie Luftdruck, Temperatur, Luft- feuchte, Wind, Niederschlag, Strahlung usw. werden vom Bo- densee bis zum Neusiedlersee, aber auch vom Flachland bis hinauf in die Berge (Sonnblick Observatorium, 3106 m NN) aufgenommen und kontrolliert. Dieser Datenschatz ist die Grund- lage für jede Klimaforschung und ist speziell für das Verständ- nis des laufenden Klimawandels von großer Bedeutung.

209 ANHANG Zu 7. Kurzer geschichtlicher Rückblick zur Luftdruck- messung

. GESCHICHTLICHER RÜCKBLICK AUF DIE ENT Da die Luftdruckänderungen im Gegensatz zu anderen Wet- WICKLUNG METEOROLOGISCHER MESSGERÄTE terelementen wie Wind, Temperatur, Feuchtigkeit etc. nicht wirklich spürbar sind, wurden Luftdruckmessgeräte erst re- Zur Zeit der Naturphilosophie von Aristoteles (384–322 v. lativ spät – ab dem 17. Jahrhundert – entwickelt. Chr.), ein Schüler Platons wurden Erklärungen für physikalische Erscheinungen nicht aus Experimenten, sondern 1631 Pierre VERNIER: Er¤nder des Nonius, jedoch nach aus Annahmen über die Welt und aus dem Allgemeinwis- dem Portugiesen Pedro Nunez (1492–1577) benannt. sen der Gelehrten abgeleitet. Seine Begri¦sbildung dient Ein verschiebbarer Hilfsmaßstab an Messgeräten noch heute der Wissenschaft. Das entsprechende Weltbild (z. B. am Barometer), dessen Länge neun Einheiten der Griechen hielt sich fast 2000 Jahre. Auch hier gab es des Messgerätes beträgt und der seinerseits in zehn noch keine Experimente, die die Vorstellungen der alten Teile unterteilt ist. Der Nonius ermöglicht damit das Griechen hätten widerlegen können. Erst Galileo Galilei exakte Ablesen von Zehnteleinheiten. (1564–1642) machte mit seinen klassischen Experimenten 1640 1. Versuch einer Luftdruckmessung durch Berti, zur Bewegung deutlich, wie wichtig experimentelle Beob- ein Schüler Galileis, mit einem selbst hergestellten achtungsmethoden in der Physik sind. Wasserbarometer 1643 Evangelista TORRICELLI (1608–1647) war ebenfalls ein Mit Beginn des Zeitalters der Renaissance erfolgte nicht nur Schüler Galileis. VIVIANI führt auf Veranlassung Tor- die Wiedergeburt antiken Wissens, sondern eine regelrech- ricellis das berühmte Experiment aus. Eine zunächst te wissenschaftliche Revolution mit einer Flut von neuen vollständig mit Quecksilber gefüllte, unten mit dem Erkenntnissen. Im 17. Jahrhundert wurden grundlegende Finger verschlossene Glasröhre von 80 bis 100 cm Naturgesetze der Physik erkannt, aber auch so wichtige In- Länge, wird in eine mit Quecksilber gefüllte Wanne strumente wie Teleskop, Mikroskop, Barometer und Ther- gestellt und geö¦net. Ein Teil des Quecksilbers strömt mometer erfunden. Dies wiederum gab den Anstoß zu einer aus und oben in der Röhre entsteht ein Vakuum. Die rapiden Entwicklung der experimentellen Wissenschaften. Hg-Höhe ist abhängig vom äußeren Luftdruck. Die Meteorologie als exakte Wissenschaft war geboren. Da es aber zu jener Zeit die Meteorologie als selbstständige Dis- Abb. 7.1 Erstes Barometer n. Torricelli ziplin noch nicht gab, waren an der Entwicklung meteorologischer Instrumente und der Erforschung der Gesetze der Atmosphäre hauptsächlich Physiker, Astronomen, Natur- forscher, aber auch Mathematiker und Ärzte beteiligt.

Ende des 19. Jahrhunderts existierten grundlegende Geset- ze von Maxwell, Joule, Carnot und Andere zur Beschreibung der Thermodynamik und anderen Gebieten der Physik, wie Mechanik, Licht, Schall, Elektrizität und Magnetismus mit denen sich Mach und Hertz vorrangig beschäftigten. Diese Gebiete werden üblicherweise als die klassische Physik bezeichnet.

Einen weiter gehenden, kurzer geschichtlicher Rückblick bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts folgt nun für jedes Kapitel des Leitfadens eine kurze Beschreibung der Messung meteorologischer Elemente, die sich im Wesentlichen auf die Erfassung der „klassischen“ meteorologischen Messgrößen 1648 René DESCARTES (1596–1650) vermutete, dass der Luft- und der Entwicklung meteorologischer Messmethoden von druck abnehmen müsse, je höher man in die Atmosphä- Luftdruck, Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Niederschlag, Wind, re steige. Auf Anregung von Blaise Pascal (1623–1662) Wolkenuntergrenze und Strahlung beschränkt. Sie enthält nur wurde das von dessen Schwager am Puy de Dome ge- die wichtigsten Daten in Stichworten, chronologisch geordnet prüft. Es zeigte sich, dass die Luft auf dem 1500m hohen und erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Berg deutlich messbar weniger Druck auf das Quecksil- berbarometer ausübte, als in der Ebene. 1650 Otto von GUERICKE (1602–1686): Er¤nder der Luftpumpe 1653 GUERICKE: Konstruktion eines Demonstrationsba- rometers mit Luftdruckanzeige durch ein „Wetter- männchen“ 1660 GUERICKE: Sturmvorhersage (2 Std. vorher) am 6.12.1660 bei festgestelltem Fallen des Luftdrucks 1663 GUERICKE: Nachweis des Luftdruckes mit den „Magdeburger Halbkugeln“

210 1665 Robert HOOKE (1635–1703): Konstruktion des Radbaro- 1675 Sir Samuel MORLAND: Konstruktion eines Waage- meters. Die Bewegung des Hg-Flüssigkeitsspiegels wur- barometers bei dem das Gewicht der Quecksilber- de mit Hilfe eines Schwimmkörpers, der über einen säule quasi an einem Waagebalken hängt. Bindfaden mit einer Rolle verbunden war, auf einen 1688 MORLAND: Diagonalbarometer mit starker Neigung Zeiger übertragen. Dadurch konnten relativ kleine Luft- des oberen Teiles des Quecksilberrohres zur Erhö- druckänderungen sichtbar gemacht werden. Einteilung hung der Emp¤ndlichkeit. der Skala in 0,5 engl. inch und Zuordnung zu verschiedenen Wetterzuständen, z.B. 29,5 inch = „veränderlich“. Abb 7.5 Diagonalbarometer n. Morland (1688)

Abb 7.2 Radbarometer n. Hooke (1665)

1693 HALLEY: Entdeckung der Temperaturabhängigkeit der Hg-Säulenlänge beim Barometer. (Erste Korrek- 1667 HOOKE: Konstruktion eines Schi¦sbarometers. Mes- tion durch AMONTONS 1704). sung kleiner Druckdi¦erenzen durch die Abweichung 1694 Robert BOYLE (16237–1691): Konstruktion eines eines Alkoholthermometers gegenüber einem (vom transportablen Siphon-Barometers. Luftdruck abhängigen) Luftthermometer. 1702 G.W.LEIBNIZ: Forderung nach einem Druckmessin- strument, bestehend aus einer evakuierten Leder- Abb 7.3 Schisbarometer n. Hooke bzw. Metalldose, die durch Stützfedern auseinander gehalten wird. 1724 Daniel Gabriel FAHRENHEIT (1686–1736): (Quanti- tative) Nutzung der Abhängigkeit des Siedepunktes vom äußeren Luftdruck (erstes Hypsometer, mit Ta- bellen von MAYER, 1751) Hersteller physikalischer und meteorologischer Instrumente. 1740 CASSINI/LEMMONIER: Beseitigung einer wesentlichen Fehlerquelle beim Quecksilberbarometer durch vorheriges Kochen des Quecksilbers. (Physi- kalische Begründung durch DE LUC 1772) 1770 DE LUC: Konstruktion eines für den Transport geeigneten Heberbarometers 1787 SAUSSURE: Erste Messungen mit selbst konstruierten Hypsometern auf dem Mont Blanc. 1668 HOOKE: Wesentliche Verbesserung des emp¤ndli- 1806 ENGLEFIELD: Forderung nach einer reduzierten Skala. chen Zwei üssigkeits-Barometers von DESCARTES 1820 Daniell: Entdeckung der Kapillardepression bei Hg- mit Quecksilber und Wasser (Ablesung bei D.) Messgeräten 1844 Lucien VIDIE (1805–1866): Verwirklichung des ers- Abb 7.4 Zwei¥üssigkeits-Barometer n. Hooke ten Aneroidbarometers (Vidie-Dose) nach Plänen von LEIBNIZ aus dem Jahre 1702 1849 BOURDON: dünnwandige, kreisförmig geboge- ne Röhre, bei der sich die beiden Enden bei Luft- druckänderungen aufeinander zu 1876 RÉDIER: Konstruktion eines Barographen 1884 Inbetriebnahme eines Normalbarometers an der Deutschen Seewarte in Hamburg 1880 Siedebarometer 1904 HERGESELL/KLEINSCHMIDT: Temperaturein uss auf Aneroide 1952 neues Normalbarometer beim Instrumentenamt des DWD in Hamburg

211 Zu 8. Kurzer geschichtlicher Rückblick zur Temperatur- 1657 FERDINAND II. v. TOSCANA, Accademia del Cimen- messung to: Älteste meteorologische Lufttemperaturmessung mit hermetisch verschlossenen Florentiner Thermo- 230 v.Chr. Philon von Byzanz: erstes (Wasser-) Thermos- metern, so dass die Luftdruckabhängigkeit beseitigt kop: Wasser dehnt sich bei Sonneneinstrahlung war. Allerdings konnte von einer Vergleichbarkeit in einem Glasrohr aus und zieht sich bei Abküh- der nicht genormten Thermometer noch keine Rede lung zusammen. sein, da die Fixpunkte der Skala nach der „höchsten 1593–97 Galileo GALlLEI (1564–1642): Er¤ndung des Ther- Temperatur in sommerlichem Sonnenschein“ (ca. mometers, „Thermoskop“, genannt. Es bestand 55 °C) bzw. nach den „tiefsten Wintertemperaturen“ aus einem Glasröhrchen, dessen geschlossenes (ca. –20 °C) orientiert wurden. Ende sich in einer kugelförmigen Ausbuchtung 1658 Erste Temperaturmessung in Frankreich erweiterte, während das o¦ene Ende in ein Ge»ß 1659 BOULLIAU: Erstmalige Verwendung von Quecksil- mit Wasser getaucht war. Der Wasserspiegel in ber in einem Thermometer dem Rohr zeigte bei Expansion beziehungsweise 1660 GUERICKE: Alkoholthermometer mit Anzeigeein- Kontraktion der Luft in der Kugel einen Anstieg richtung durch eine kleine Figur (sog. Engelthermo- beziehungsweise Abfall der Temperatur an. Die- meter), indem die Bewegungen des Alkoholspiegels ses Gerät hatte noch keine Skala und einen er- über Schwimmer, Faden und Umlenkrolle auf diese heblichen Fehler wegen seiner Luftdruckabhän- Figur übertragen wurden. gigkeit. Es sollte daher besser Thermobaroskop genannt werden. Galilei formulierte Gesetze des Abb. 8.3 Thermometer von Otto von Guericke freien Falls, Entdecker der Jupitermonde. Er hielt Vorlesungen und machte Versuche in Padua.

Abb. 8.1 Erstes Thermometer von Galileo Galilei (1597)

1665 Christian HUYGENS (1629–1695): Vorschlag von Ge- frier- und Siedepunkt des Wassers als Fixpunkte der Thermometerskala, Wellentheorie des Lichtes 1670 Edme MARIOTTE (1620–1684): Älteste Beobachtung 1604 Cornelius DREBBEL (1572–1634): Versuch eines von Bodentemperaturen im 28 m tiefen Keller der Quecksilber-Thermoskops unabhängig von Galilei Pariser Sternwarte 1611 GALILEI: Konstruktion eines ersten Flüssigkeits- 1672 Otto von GUERICKE stellte ein Thermoskop (sog. En- thermometers mit Weingeistfüllung gelthermometer) mit luftleer gefüllter Kupferkugel 1612 SANTORIO: „Fieberthermometer“ (in Padua) her, mit angesetztem U-förmigen, am freien Ende of- 1631 REY: Verwendung von Wasser als thermometrischer fenes Rohr, das zur Hälfte mit Wasser oder Weingeist Flüssigkeit an Stelle von Luft im damals viel benutz- gefüllt wurde. Bei Temperaturerhöhung dehnt sich ten Thermoskop von Galilei. Diese Verbesserung die Luft in der Kugel aus, wodurch der Flüssigkeits- war natürlich nur unter Inkaufnahme einer wesent- spiegel im o¦enen Schenkel des U-Rohres steigt und lich geringeren Emp¤ndlichkeit möglich. umgekehrt. Auf dem Flüssigkeitsspiegel be¤ndet 1641 FERDINAND II. v. TOSCANA(1641–57): Einführung der sich ein Schwimmer, dessen Bewegungen über eine Weingeistfüllung für die Vorläufer der „Florentiner Ther- Schnurrolle auf einer Engel¤gur übertragen werden. mometer“ die mit einer Skala versehen waren. Die Skala 1709 Gabriel Daniel FAHRENHEIT (1686–1736): Eine we- bestand i. a. aus 50 oder 100 willkürlichen Skalenteilen. sentliche Verbesserung stellt die Herstellung gut untereinander vergleichbarer Alkohol-Thermome- Abb. 8.2 Thermometer nach Ferdinand II. v. Toscana ter mit Weingeist dar 1714 FAHRENHEIT: Einführung der Fahrenheit-Skala zur Messung der Temperatur. Er wollte, dass alle messbaren Temperaturwerte positiv sind. Als untersten Fixpunkt wählte er die tiefste Temperatur (–17,8 °C), die er mit einer Salmiak-Schnee-Mischung herstellen konnte (später 32 °F). Der Normaltemperatur des Menschen wies er den Wert 96 °F , weil diese Zahl durch viele kleinere Zahlen ohne Rest teilbar ist. Das Intervall zwischen Eis- und Siedpunkt des Wassers teilte er in 180 gleiche Teile ein. Erste Konstruktion

212 eines Quecksilberthermometers. Abb. 8.5 Das größte Thermometer in Deutschland am Turm des 1721 FAHRENHEIT entdeckte, dass Wasser erheblich un- Deutschen Museums in München ter seinen Frostpunkt abgekühlt werden konnte, ohne zu gefrieren. 1724 FAHRENHEIT: Eichung seiner Quecksilberthermo- meter mit Hilfe von drei Fixpunkten und zwar –90 °F (später 0 °F) entsprechend einer Mischung aus Schnee und Salz, 0°F (später 32 °F) entsprechend einer Wasser- Eismischung und +90 °F (später 96 °F) entsprechend der Temperatur des menschlichen Körpers 1724 HALES: Erste Messung mit Erdbodenthermometern. 1730 R.A.F. de REAUMUR (1683-1757): Eichung eines Al- koholthermometers mit Hilfe eines Fixpunktes, des Gefrierpunkt des Wassers: 0 °R) und der linear an- genommenen Volumenausdehnung von Alkohol – 1831 MAGNUS (1802–1870): Konstruktion eines Gasther- bezogen auf das Volumen beim Fixpunkt. mometers 1736 Anders 1834 Jean Charles Athanase PELTIER (1785–1845) entdeck- 1770 internationale Einführung der 80-teiligen Reaumur- te, dass die Lötstellen zweier verschiedener Metalle Skala für Quecksilberthermometer. Sie blieb bis zum bei Stromdurch uss eine unterschiedliche Tempe- Ende des 19. Jahrhunderts die maßgebende Skala. ratur aufweisen 1742 Anders CELSIUS (1701–1744): Neue Thermometer- 1841 ARAGO (1786–1853): Darstellung der Bedeutung des skala mit Centigradeinteilung d.h. 100-Grad-Eintei- Strahlungsschutzes im Freiballon lung zwischen Gefrier- und Siedepunkt des Wassers. 1845 SCHINZ/BOURDON: Benutzung eines gasgefüllten, Anfangs wählte Celsius 100° als Gefrierpunkt, um ringförmigen Ge»ßes zur Messung der Temperatur negative Temperaturen zu vermeiden. (Bourdon-Thermometer) 1742 Carl von Linné (1707–1778): Landsmann von Celsius 1854 WELSH: Konstruktion der ersten „Englischen Hütte“ als kehrte die Skala 1742 um und so ist sie noch heute in Strahlungsschutz für meteorologische Instrumente Gebrauch. 1864 Thomas STEVENSON (1818–1887): Vorschlag zur Auf- stellung einer Hütte für die Temperaturmessung (eng- Abb. 8.4 Erstes Quecksilberthermometer n. A. Celsius (1742) lischen Hütte), Verbesserung durch Jalousiewände 1870 Russische Hütte mit Jalousiewänden und Zinkbe- hälter im Innern als zusätzlichem Schutz für das Thermometer, das vor der Ablesung einige Minuten mit Hilfe eines Ventilators zu belüften war. 1874 JOLLY: Konstruktion eines Gasthermometers zur Überprüfung von Flüssigkeitsthermometern. Die Temperaturmessung wird dabei auf eine Druckmes- sung bei konstante Volumen zurückgeführt. 1877 FUESS: Angaben einer Patentbefestigung der Skala 1881 FRERES: Konstruktion eines Thermographen 1892 William THOMPSON (1824–1907), schottischer Der Name „Celsiusgrad“ ergab sich zu»llig, da auch Physiker, bekannt als LORD KELVIN: Vorschlag für „Centigrad“ dieselbe Abkürzung (°C) hat. Erst seit eine Temperaturskala mit absolutem Nullpunkt bei Celsius ist eine einwandfreie, wissenschaftlich – 273°C, Skaleneinteilung nach Celsiusgraden. Skala fundierte Temperaturmessung möglich. Dennoch auf Grund von vorarbeiten von Amonton (1663–1705), entwickelten sich im Laufe der Zeit noch etwa 60 Charles (1746–1823) und Guy-Lussac (1778–1850) verschiedene Thermometerskalen ab 19. Jh. Tem- 1924 Internationale Festlegung einer thermodynami- peraturmessung in Strahlungsschutzhütten an der schen Skala Nordseite von Gebäuden. (Der Strahlungsfehler 1948 Internationale Temperaturskala dieser Messungen erweist sich nur im gemäßigten, ozeanischen Klima als noch tragbar) Extremthermometer 1817 Brequet: Bimetall-Thermometer 1698–1740 BERNOULLI: Idee zu einem Luftthermometer mit 1821 Thomas Johann SEEBECK: Entdeckung des thermo- Anzeige des Minimumwertes. 1740 wurde ein ähn- elektrischen E¦ektes liches Instrument von KRAFFT konstruiert. Es be- 1829 LIBRI: Erster Thermometervergleich – zwischen der stand aus einem normalen Luftthermometer nach 50-teiligen Skala eines Florentiner Thermometers und Galilei, wobei entlang des Glasrohres eine Anzahl der Reaumur-Skala (50 ° or = 44°R; 13,5 ° or = 0 °R). von kleinen Ausbuchtungen angebracht war, in de- 1830 Das größte Thermometer in Deutschland am Deut- nen entsprechend der Höhe des Wasserstandes ein schen Museum in München wenig Wasser zurückgehalten wurde. Der höchste angezeigte Wasserstand entsprach dann der tiefsten Temperatur im Beobachtungszeitraum.

213 Abb 8.6 Erstes Minimumthermometer nach A. Krat (1740) 1912 HILL: Katathermometer (Schwülebestimmung) Zu 9. Kurzer geschichtlicher Rückblick zur Luftfeuch- tigkeitsmessung

1400 Holz absorbiert Feuchtigkeit ("hygroskopisch“) und ändert bei Feuchtigkeitsaufnahme seine Eigenschaften (z.B. Volumen, Länge, Gewicht, Farbe) ca. 1450 NICOLAUS v. CUSA, ein deutscher Kardinal konstruiert das erste Hygrometer. Ex- perimente zur Luftfeuchtigkeitsbestimmung durch Wägung von befeuchteten und wieder ge- trockneten Wollballen. 1757 Charles CAVENDISH: Er¤ndung eines praktikab- 1483 LEONARDO da VINCI: Benutzung von Baumwol- len Extremthermometer. In einem Quecksilber- le als hygroskopische Substanz. thermometer (Abb. 8.7 links) befand sich in der 1626 SANTORIO: Konstruktion eines Darmsaiten-Hy- Kapillare oberhalb des Quecksilbers Alkohol. Bei grometers Temperaturanstieg oss etwas Alkohol in einen 1640–60 FERDINAND II. v. TOSCANA: Er¤ndung eines speziellen Behälter an der Spitze des Glasrohres, Kondensations-Hygrometers. Ein Gestell trug so dass nach späterem Temperaturfall die Länge einen konischen Behälter mit der Spitze nach des leeren Rohres zwischen den beiden Alkohol- unten. Der Behälter wurde von innen mit Eis spiegeln gerade die Di¦erenz zwischen aktueller gekühlt, so dass die Luftfeuchtigkeit an seiner und maximaler Temperatur anzeigte. äußeren Ober äche kondensierte. Dieses „Kon- denswasser“ wurde in einem Messglas aufge- Abb. 8.7 Maximum- und Minimumthermometer von Cavendish (1757) fangen. Dieses Hygrometer ist damit ein Vorläu- fer heutiger Absolutinstrumente

Abb. 9.1 Hygrometer der Academia del Cimonte n. Ferdinand II. von Toscana (1660)

Das Minimumthermometer funktionierte ähnlich. Es bestand jedoch aus einem Alkoholthermometer mit doppelt umgebogenem Rohr und einem Quecksil- berfaden oberhalb des Alkohols. Bei Abkühlung oss etwas Quecksilber in die Ausbuchtung der ersten Biegung des Rohres über. Bei späterem Temperatur- 1670 R. HOOKE: Torsionshygrometer aus einem Bündel anstieg war die Höhendi¦erenz zwischen dem (unte- von Hafergrannen ren) Quecksilberfadenende in dem linken Schenkel 1688 D’ALENCÉ: Ausnutzung der Quelleigenschaften von und dem Quecksilberspiegel in der Ausbuchtung ein Holz als Hygrometer Maß für die Minimumtemperatur (Abb. 3.2.6). 1782 SIX: Konstruktion des „Thermometrographen“ – Abb. 9.2 Hygrometer von Dalencé (1688) heute Six-Thermometer genannt. Dies stellt praktisch eine Zusammenfassung der Instrumente von Cavendish in der U-Form dar, wobei die Anzeige der Extremwerte durch Eisenstifte erreicht wird, die von dem jeweiligen Ende des U-förmigen Quecksil- berfadens mitgenommen werden. 1794 RUTHERFORD: Durch Teilung des Six-Extremther- mometers entstand wieder ein Maximum- und ein Minimumthermometer Das Minimumthermometer erhielt jedoch wie unser heutige: eine reine Alkohol- füllung mit einem Glasstift, der von dem Alkoholfa- denmeniskus bei Abkühlung mitgenommen wurde 1851 NEGRETTI/ZAMBRA: Er¤ndung des heute noch verwendeten Maximumthermometers

214 1755 LE ROY: Erste Versuche zur Bestimmung des Tau- 1816 WILSON: Patent auf ein Ge»ßhygroskop, dessen Ge- punktes. Ein mit Wasser gefülltes Glas wurde ab- »ß aus einer Rattenblase gebildet wurde gekühlt und die Wassertemperatur beim Auftreten 1820 John Frederic DANIELL (1790–1845), brit. Chemiker: eines Beschlages auf dem Glas gemessen. Konstruktion eines Kondensationshygrometers. Ein 1768 Johann Heinrich LAMBERT (1728–1777): Katzen- Spiegel wird durch eine Kältemischung solange ab- darm-„Hygrometer“. Bis zur Mitte des 18. Jahrhun- gekühlt, bis ein Beschlag auf dem Spiegel die Kon- derts fehlte eine genaue Vorstellung über die Natur densation des Wasserdampfes der Luft anzeigt. Die der Luftfeuchtigkeit und folglich über das, was die Temperatur in diesem Moment ist die Taupunkt- Hygrometer wirklich maßen, d.h. über die Feuchte- temperatur messgrößen. Erst DE SAUSSURES Studien über die Luftfeuchtigkeit ermöglichten hier einen entschei- Abb. 9.5 Taupunkthygrometer n. Daniell denden Durchbruch

Abb. 9.3 Hygrometer nach Johann Lambert (1768)

1822 Josef Louis GUY-LUSSAC (1778–1850): erste Dampf- druckformel 1825 AUGUST: Verwendung der Abkühlung bei der Ver- 1769 LAMBERT: Hygrometrie-Studien, Strahlungslehre dunstung zur Messung der Luftfeuchtigkeit mit 1773 de LUCE: Hygrometer aus einem Hg-Thermo- einem „Psychrometer“ erstmals mit der Beziehung meter mit Elfenbeinge»ß, das bei Feuchteän- t–t'. Erste Psychrometerformel. Prägt den Namen derung eine Volumenänderung er»hrt, die in Psychrometer (von psychro = feucht/kalt) der Kapillare angezeigt Wird. Später nahm er als 1831 BELLI: Künstliche Ventilation für Psychrometer vor- Messfühler Fischbein. geschlagen 1775–83 Horace Benedict de SAUSSURE (1740–1799): Ver- 1834 B. CLAPEYRON (1799–1864), französischer Physiker suche mit verschiedenen Feuchtemessfühlern, stellt die Gleichung für die Temperaturabhängigkeit des entdeckte das (blonde) Menschenhaar dafür. Be- Gleichgewichtsdruckes bei Phasengleichgewicht auf nutzung einer Feuchteskala mit 100 Einheiten 1850 Rudolf. J. CLAUSIUS (1822–1888), deutscher Physiker und den Extremwerten für den „Punkt höchst- begründet die Gleichung von Clapeyron möglicher Feuchtigkeit“ und den Punkt „extre- 1844 H.G.MAGNUS (1802–1870), deutscher Physiker und mer Trockenheit“. Untersuchungen zum Ein- Chemiker entwickelte die empirische Formel zur uss der Temperatur auf die Feuchtemessung. Berechnung des Sättigungsdampfdruckes 1852 WELSH: Erkennt die Notwendigkeit aspirierter Ther- Abb. 9.4 Erstes Haarhygrometer v. de Saussure (1783) mometer und Psychrometer für aerologische Mes- sungen und führt entsprechende Versuche durch. 1877 KOPPE: Konstruktion eines justierbaren Haarhygro- meters 1878 SCHWACKHÖFER: Vorschlag eines Absolutinst- ruments zur Dampfdruckmessung. Messung der Druckabnahme in einem abgeschlossenen Luftvo- lumen – während dessen der Luft die Feuchtigkeit mit Hilfe eines Absorptionsmittels entzogen wird 1888 SPRUNG: Entwicklung der Sprungschen Formel 1890 Richard ASSMANN (1845–1918): Konstruktion des (belüfteten) Aspirationspsychrometers 1897 SCHUBERT: Konstruktion des Schleuderpsychrome- ters 1892 ASSMANN: Hüttenpsychrometer mit Federmotor belüftet 1925 Der Schweizer R. Billwiller erfand den Nipherschen 1792 HUTTON/LESLIE: Er¤ndung des Thermohygrome- Windschutz (Metallring). ters – Vergleich der Temperaturen eines trockenen 1929 SETH u.a., Kohle¤lmhygrometer und eines nassen Thermometers. 1944 FRANKENBERGER: erstmals gewalztes Menschen- haar-Hygrometer

215 Zu 10. Kurzer geschichtlicher Rückblick zur Messung 1722 HORSLEY: Bau und Beschreibung eines viel benutz- der Wolkenhöhe ten Regenmessers 1725 Padua: älteste Niederschlagsreihe 1640 VARENIUS: Bestimmung von Wolkenhöhen in Ver- 1811 HOWARD: Untersuchungen zum Windein uss auf bindung mit Bergen bekannter Höhe. Niederschlagsmessungen 1672 RICCIOLI: Geometrische Bestimmung von Wolken- 1877 WILD: Windschutzkreuz in Niederschlagsmessern höhen 1879 NIPHER: Konstruktion eines wirksamen Schutz- 1826 PEYTIER: Benutzung eines Theodoliten zur Bestim- trichters zur Verringerung des Windein usses mung der Wolkenuntergrenze 1884 RUNG: Konstruktion eines Niederschlagsschreibers 1872 Ernst ABBE,deutscher Physiker: Messung von Wol- nach dem Waageprinzip kenuntergrenzen mit Hilfe von künstlichen Licht- 1886 Prof. Gustav HELLMANN (1854–1939) Konstruktion quellen eines Regenmessers 1882 EKHOLM/HAGSTRÖM: Erste genaue Messungen mit 1925 R. BILLWILLER: Metallring als Nipherschen Windschutz Basislinie und zwei Theodoliten 1888 PICKERING: Konstruktion eines Apparates zur Be- stimmung des nächtlichen Bewölkungsganges Zu 12. Kurzer geschichtlicher Rückblick zur Messung 1958 TOWNES entdeckte das Laserprinzip (erhielt 1964 des Windes den Nobelpreis mit zwei russ. Physikern) 1960 Theodor H. MAIMAN, Amerikaner, bestrahlte einen 4. Jh. V.Chr. Griechische Windrose Rubinstab mit einer Blitzlampe, gepulster Laser 1961 MAIMAN, Helium-Neon-Laser Abb. 12.1 Griechische Windrose (4. Jh.v.Chr.) 1962 Halbleiter-Laser

Zu 11. Kurzer geschichtlicher Rückblick zur Nieder- schlagsmessung

Die Niederschlagsmessung dürfte die älteste meteorologische Messung sein. Bekannt sind aus der Literatur Regen- messungen von KAUTILYA in Athasatra, Indien aus dem Jahre 400 v.Chr. Ab 1533 sind auch Niederschlagsmessun- gen aus Chile bekannt. Die ersten genaueren Messungen, zumindest aus dem europäischen Bereich sind erst für das Jahr 1677 in Lancashire, England belegt. Aus dem 17. Jh. ist bekannt, dass in China und Korea Messungen ähnlich wie heute angestellt wurden. 2. Jh. V. Chr. Nutzung von Drachen zur Windbestim- mung in China und Japan 3000–2000 Jahre v. Chr.: 1. Jh. V. Chr. Der griechische Astronom Andronikos Niederschlagsmessungen in China, In- erbaut in Athen den „Turm der Winde“, dien und Palästina an dessen Spitze eine bronzene Fahne 4. Jh. v. Chr. Regelmäßige Niederschlagsmessungen die Windrichtung anzeigt. in Indien Jh. V. Chr. Windfahnen in Ägypten und Griechen- 1. Jh. v. Chr. Bestimmung der Niederschlagshöhe in land mit 12 Namen für verschiedene Palästina mit Hilfe spezieller Behälter Windrichtungen 11. bis 17. Jh. Umfangreiches Niederschlagsmessnetz um 800 ALCUIN: Benutzung einer 12-teiligen in China/Korea mit regelmäßigen Mes- Windrose sungen in Au¦angge»ßen von genau 1375 Erste 8-teilige Windrose auf der Catalanischen See- bekannter Größe karte 1634 Robert HOOK, Messung über das Gewicht 1450 ALBERTI: Beschreibung eines Pendelanemometers 1639 CASTELLI: Konstruktion eines ersten „modernen“ 1483 Leonardo da VINCI: Entwurf einer durchgehenden Regenmessers aus einem Glaszylinder Windfahne 1661 Christoph WREN (1632–1723), erster registrierender 1578 DANTI: Erste wissenschaftliche Windrichtungsmes- Regenmesser mit Uhrwerk betriebenen, bei dem klei- sungen mit einem „Anemoskop“ (Bannerähnliche ne Kästchen den Stundenniederschlag aufnahmen Windfahne auf einer sehr langen Achse, die eine 1670 HOOKE: Einführung der Begri¦e Ombrometer und Anzeige auch im Haus gestattete). Ombrograph – erste Niederschlagsregistrierungen 17. Jh. Royal Society London und Mannheimer Gesell- 1677 TOWNLEY: Nutzung des Wippenprinzips zur Inten- schaft; Verwendung einer Skala mit 4 Intensitäts- sitätsmessung stufen nach sichtbaren, indirekten Auswirkungen 1697 längste Niederschlagsmessreihe der Welt aus Kew des Windes. bei London bis heute ununterbrochen fortgeführt. 1667 Robert HOOKE/CROUNE: Konstruktion des Pendela- 1716 MAIRAN: Messung des Wasserwertes von Schnee nemometers

216 Abb. 12.2 Pendelanemometer n. Hooke Zu 14. Kurzer geschichtlicher Rückblick zur Strahlungs- messung

1775 SAUSSURE: Heliothermometer (Intensität der Son- nenstrahlung) 1800 HERSCHEL: Entdeckung der Infrarotstrahlung 1801 Johann Wilhelm RITTER: deutscher Physiker, machte die Beobachtung, dass Strahlen jenseits des violetten Lichtes unglaublich e¦ektiv im Schwärzen von Sil- berchloridpapier war. Bis ins 19.Jahrhundert wurde UV-Strahlung als chemische Strahlung betrachtet. 1820 DANIELL: Strahlungsmessungen mit besonnten und beschatteten Thermometern mit spiegelnden und geschwärzten Kugeln; 17. u. 18. Jh. Benutzung kleiner Windmühlen als „Anemome- 1835 BELLANI: Kugelpyranometer ter“ mit Schalenkreuz als Nachfolgemodelle der 1838 POUILLET: Pyrheliometer Gebetsmühlen im Orient – besonders in Tibet. 1853 CAMPBELL/STOKES: Sonnenscheinautograph Um 1700 D’ONS-EN-BRAY: Anzeige der Windgeschwindig- 1866 Samuel Pierpont LANGLEY (1834–1887): amerikanischer keit durch ein Hämmerchen, das alle 400 Umdre- –1887 Astrophysiker und Flugpionier untersuchte den Infraro- hungen eine Marke auf ein Papier drückte. tanteil der Solarstrahlung im Sonnenspektrum. Langley 1723 HUET: Vorschlag eines Staurohres zur Windgeschwin- entwickelte unter anderem ein Bolometer; d.h. einen Strah- digkeitsmessung, Verwirklichung durch LIND 1775. lungssensor für schwache elektromagnetische Strahlung. 1732 PITOT: Konstruktion eines Windstaurohres SCHOBER: 1879 STEFAN, Josef ¤ndet empirisch den Zusammenhang Erste Beschreibung eines Flügelradanemometers der abgestrahlten Leistung einer Ober äche zu sei- 1769 Erstmalige Erwähnung einer 12-teiligen Windstär- ner Temperatur keskala in England 1884 BOLTZMANN, Ludwig begründet diesen von Stefan 1790 WOLTMANN: Konstruktion des ersten brauchbaren gefundenen Zusammenhang theoretisch Schalenanemometers 1893 ÅNGSTRÖM: Kompensationspyrheliometer 1797 ENGELHARDT/PARROT: Windfahne aus zwei gegen- 1902 Gustav KAISER: österreichischer Arzt macht einen einander geneigten Blechen Selbstversuch mit UV-Glühlampe an einer nicht 1806 Admiral Sir Francis BEAUFORT (1774–1857) in engli- heilen wollenden Wunde. Eine schwer erkrankte tu- schen Diensten erstellte eine detaillierte Beschrei- berkulöse Patientin soll mittels des „blauen Lichtes“ bung einer Windstärkeskala in 4 Wochen geheilt worden sein. 1822–46 ROBINSON: Konstruktion eines geeichten Scha- 1923 MICHELSON: Herstellung eines Strahlungsbilanz- lenkreuzanemometers messers, bestehend aus zwei schwarzen Metallble- 1839 OSLER: Konstruktion eines registrierenden Anemo- chen, von denen das eine nach oben und das andere meters nach unten gerichtet ist. 1841 WHEWELL: Konstruktion eines Windrichtungs- 1938 Carl Friedrich v. WEIZÄCKER (1912–2007) entdeckte schreibers und beschrieb die durch Massende¤zit bei der Ver- 1861 WILD: Angabe einer Windstärketafel bei Pendela- schmelzung von leichten und schweren Atomkernen nemometern. Etwa zur gleichen Zeit erfand T.R. in der Sonne freigesetzte Strahlung. Hans Albert BETHE Robinson das Schalenkreuzanemometer. Trotz der (1906-2005) entdeckte unabhängig von v. Weizäcker die Kenntnis weit genauerer Messmethoden zur Wind- dabei freigesetzte Strahlung zur gleichen Zeit. bestimmung setzte sich die WILD’sche Windfahne mit ihrem Pendelanemometer international durch – der Grund lag in ihrer Einfachheit und Robustheit Zu 19. Kurzer geschichtlicher Rückblick auf die Ent- 1874 Internationale Einführung der BEAUFORT Skala für wicklung meteorologischer Messnetze Schi¦smeldungen 1883 STANLEY: Konstruktion eines Komponenteninteg- 4. Jh. V. Chr.: Meteorologica (systematische Darstellung der rators zur Bestimmung der Richtungskomponenten Meteorologie) von Aristoteles. des Windes mittels eines Rotationsanemometers 1890 DINES: Konstruktion eines funktionstüchtigen Mit der Er¤ndung des Thermometer im Jahr 1592 und der wei- Staudüsenanemographen teren Entwicklung von meteorologischen Instrumenten im 17. 1943 BARROTH legt nach Messungen die Seemeile mit und 18. Jh., darunter des ersten Barometers im Jahr 1643 gewan- 1852,276 ± 0,014 m fest. nen die Forscher ein tieferes Wissen über die Vorgänge in der Atmosphäre und sie erkannten allmählich, dass das Wetter von großräumigen atmosphärischen Prozessen beein usst wird. Um sie genauer untersuchen zu können, mussten ausgedehnte Beobachtungsnetze aufgebaut werden. 1654 richtete der toska- nische Adelige Großherzog Ferdinand II. ein solches Netz von Wetterstationen ein, das bis 1670 in Betrieb war.

217 Auch in Deutschland gab es mehrere Anläufe. 1780 begann Wetterkarten verö¦entlicht. Auslöser war ein Sturm am 14. die P»lzische Meteorologische Gesellschaft, die sich zeitge- November 1854, bei dem im Krimkrieg die Flotte der Franzo- mäß Societas Meteorologica Palatina nannte, mit dem Auau sen, Engländer und Türken vor Sewastopol zerstört wurde. eines Beobachtungsnetzes, das zum Vorbild aller modernen Netze wurde. Unter der Schirmherrschaft des Kurfürsten Karl 1873 war der Gründungskongress der „Internationalen Theodor von der Pfalz und Bayern wurden ab 1781 bis 1795 an Meteorologischen Organisation“. Dieser beschließt einen 39 Wetterstationen, u.a. ab 1781 an der Wetterstation auf dem internationalen Standard für meteorologische Kartensym- Hohenpeißenberg nach einheitlichen Verfahren, mit den bole. Ende des 19. Jh. wurde der systematischer Auau von gleichen Instrumenten und zu festgelegten Zeiten (07, 14 Stationsnetzen in Deutschland betrieben. und 21 Uhr Ortszeit), den „Mannheimer Stunden“ Wetterda- ten erhoben. Diese Zeiten werden noch heute für klimatolo- Solch ein weltumspannendes Beobachtungsnetz war der erste gische Betrachtungen herangezogen. Die Stationen verteilten Schritt zur modernen Meteorologie. Ein möglichst aktuelles Bild sich rund um den Globus von Nordamerika über Grönland, der großräumigen Wetterlage kann es aber erst liefern, wenn es Nord- und Mitteleuropa bis nach Russland. die Daten der einzelnen Stationen zuverlässig und schnell in eine Zentrale Auswertestelle übermitteln kann. Damals muss- 1823 wurde im Rahmen der Schweizerischen Naturforschen- ten die Meteorologen ihre Depeschen noch per Schi¦ und mit den Gesellschaft (SNG) ein Beobachtungsnetzes mit 12 Statio- kurfürstlichen Postreitern nach Mannheim schicken, wo sie nen gebildet. Dem Beobachtungsnetz war kein Erfolg beschert, erst nach Wochen oder Monaten eingingen. So erlaubten sie es wurde auf privater und kantonaler Ebene weitergeführt. zwar den Auau eines ersten globalen Klimaarchivs, von einer aktuellen Wetterkarte oder gar einer zuverlässigen Wettervor- 1855 wird in Frankreich der nationale Wetterdienst ge- hersage konnten die Meteorologen damals nur träumen. Erst gründet, der erstmals die Daten internationaler Wettersta- die Er¤ndung des Morsetelegrafen im Jahr 1832 ermöglichte die tionen zusammenträgt und von 1863 an täglich synoptische erste zeitnahe Datenübermittlung auch über große Strecken.

. LITERATUR UND QUELLENVERZEICHNIS

(1) Friesinger, H.H. The History of Meteorology to 1800, Science Hist. Publ., N.Y. (1977) (2) Khrgian, A. Kh. Meteorology – a hystorical survey – Isr. Progr. F. Scient. Transl., Jerusalem (1970) (3) Linke, F., Baur, F. Meteorologisches Taschenbuch, Akadem. Verl. Ges., Leipzig (1962) (4) Mc-Intyre, D.P. Meteorological Challenges: A History Ottawa (1972) (5) Schneider-Carius, K Wetterkunde, Wetterforschung, Verl. K. Alber Freiburg/München (1955) (6) Foken, Thomas, Angewandte Meteorologie (2. Au . 2006), Springer Verlag (7) Klose, Brigitte Meteorologie (2008), Springer Verlag (8) Dentler, Frank-Ulrich Niederschlagsein uss auf Messungen des turbulenten Windfeldes über der See mit Schalenkreuzanemometer (1977) (9) Häckel, Hans, Meteorologie (6. Au age, 2008), Ulmer Verlag (10) Wehry, Werner Beiträge zur Berliner Wetterkarte 46/09 vom 08.07.2009 (11) Hering et.al. Physik für Ingenieure, 10.Au age (2007), Springer Verlag (12) Möller, Fritz Einführung in die Meteorologie, Bd. 1 , B.I.-Hochschultaschenbücher (13) Böhm, Reinhard Heiße Luft nach Kopenhagen (2010), Edition VA bENE (14) Meyers kleines Lexikon Meteorologie Bibliographisches Institut & F.A. Brockhaus (1987)

Deutscher Wetterdienst, Unterlagen/Richtlinien, Berichte (15) Vorschriften und Betriebsunterlagen DWD Nr. 3 (VuB 3) Beobachterhandbuch (BHB) (2009–01) Technikhandbuch (THB) 4. (August 2008) (16) Vorschriften und Betriebsunterlagen DWD Nr. 8 (VuB 8) (17) Vorschriften und Betriebsunterlagen DWD Nr. 11 (VuB 11) (18) Empfehlungen für die Technische Wartung der Sensorik im Bodenmessnetz des DWD (Sept 2009) (19) Psychrometer-Tafeln des Deutschen Wetterdienstes 7. Au age (1998) (20) Richtlinie für Automatische Klimastationen des DWD (Feb 2001) (21) Richtlinie für Flugwetterwarten des DWD (22) Durchführung meteorologischer Dienste an Verkehrs ughäfen und Verkehrslandeplätzen für Regionalluftverkehr mit Flugplatzkontrolldienst sowie an unkontrollierten Flugplätzen mit Luftraum "F", (Januar 2007) (23) Empfehlungen für die Technische Wartung der Sensorik im Bodenmessnetz des DWD (2007) (24) MAZ Mitarbeiterzeitung des DWD (25) DWD-Bericht: Bordwetterwarte FS METEOR (26) Richtlinien für den Allwetter ugbetrieb (27) WIKI-System des DWD diverse Gerätebeschreibungen (28) www.dwd.de diverse Artikel, Berichte

218 WMO, Unterlagen/Richtlinien (29) WMO-No. 488, Third edition, 2007 Guide to the Global Observing System (30) WMO-No 8, Seventh edition, 2008 Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observation (31) Federal Meteorological Handbook No.1 SENSOR STANDARDS APPENDIX C, Sept 2005 (32) WMO/TD-No. 1504 2009 INSTRUMENTS AND OBSERVING METHODS REPORT No. 99 (33) ICAO Doc 9328 AN/908 Manual of Runway Visual Range Observing and Reporting Practices Third Edition – 2005

Sonstige Unterlagen (34) Promet Heft 3/4 Jahrgang 36 M. Wendisch, A. Ehrlich: Bodengebundene und ugzeuggetragene passive Fernerkundung von Wolken mit Hilfe von solaren Strahlungsmessungen (35) Henning, Bernd Skripte für die Ausbildung am BTZ des DWD (36) LöÇer, Hans Kompendien des Ausbildungs- und Schulungszentrums (ASZ) des GeoInfoDBw (37) Institut für Meteorologie und Klimatologie, Uni Hannover, Leitfaden zum meteorologischen Instrumenten-Praktikum (März 2002) (38) Kottmeier, Christoph Institut für Meteorologie und Klimaforschung Universität Karlsruhe Meteorologische Messmethoden (April 2002) (39) BTU Cottbus Begleitmaterial zum meteorologischen Instrumentenpraktikum (2009) (40) Meteorologisches Institut Universität München Meteorologisches Instrumentenpraktikum (2004) (41) C.-G. Oertel TU Dresden, Fachrichtung Physik (02/2003) (42) Pelster, Rolf, Universität Saarland Thermospannungen –viel genutzt und fast immer falsch erklärt! (2005) (43) Jäckle, J., Universität Konstanz Über die Ursache der Thermospannung (1998) (44) DIN 1319 Begri¦e zur Messtechnik (45) VDI 3786 Blatt 12 (46) Wikipedia 2010 verschiedene Artikel

Diverse Firmenunterlagen / Beschreibungen Wilh.Lambrecht GmbH Combitech AB, DR. ALFRED MÜLLER Friedländer Weg 65–67 Ljungadalsgatan 2 Meteorologische Instrumente KG, D-37085 Göttingen Växjö, SE-351 80, Schweden Königs Wusterhausen Kroneis GmbH G.K.W.Eigenbrodt GmbH & Co. KG EdgeTech Moisture & Humidity Messtechnik für Umwelt-Meteorologie Baurat-Wiese-Strasse 68 19 Brigham Street Unit 8 Iglaseegasse 30–32 D-21255 Königsmoor Marlborough, MA 01752 A-1190 Wien Dantec Dynamics A/S Vaisala Oyj Campbell Scienti¡c Ltd. Tonsbakken 16–18 Vanha Nurmijärventie 21 Fahrenheitstraße 13 P.O. Box 121 FI-01670 Vantaa, Finnland D-28359 Bremen DK-2740 Skovlunde JENOPTIK AG Adolf Thies GmbH & Co. KG Kipp & Zonen Carl-Zeiss-Strasse 1 Hauptstrasse 76 Delftechpark 36 D-07739 Jena D-37083 Göttingen 2628 XH Delft, The Netherlands Generalvertretung für Deutschland Theodor Friedrichs & Co. und Schweiz OTT Hydromet GmbH Meteorologische Geräte und R. Gengenbach Messtechnik Ludwigstrasse 16 Systeme GmbH, Heinrich-Otto-Str. 3 D-87437 Kempten Borgfelde 6 D-73262 Reichenbach/Fils D-22869 Schenefeld SIGGELKOW GERÄTEBAU GmbH Rotronic Messgeräte GmbH Fluke Corporation Eschelsweg 4 Einsteinstrasse 17–23 6920 Seaway Boulevard D-22767 Hamburg D-76275 Ettlingen Everett, WA, 98203, USA Gill Instruments LTD. METEK Thunder Scienti¡c Corporation Saltmarsh Park Meteorologische Messtechnik GmbH, 623 Wyoming Blvd. SE, Albuquerque, Lymington Firtz-Straßmann-Strasse 4 New Mexico 87123-3198, USA Hampshire, UK D-25337 Elmshorn Sommer Mess-Systemtechnik K. Fischer GmbH Straßenhäuser 27 Venusberger Str. 24 A-6842 Koblach, Voralberg D-09430 Drehbach

219 . ABBILDUNGSVERZEICHNIS

4. Datenerfassung im Rahmen meteorologischer 8. Temperaturmessung Messtechnik Abb. 8.1 Prinzip des Bimetalls Abb. 4.1 Grundstruktur und Grundfunktionen einer Abb. 8.2 Vierleiterschaltung Messeinrichtung Abb. 8.3 Widerstandsänderungen im Vergleich Abb. 4.2 Auau eines digitalen Messgerätes Abb. 8.4 Messprinzip Thermoelement Abb. 4.3 Beispiel einer analogen Anzeige Abb. 8.5 Thermosäule Abb. 4.4 Beispiel einer digitalen Anzeige Abb. 8.6 Auau Einschlussthermometer Abb. 4.5 COMBILOG Datenlogger 1020 (Friedrichs) Abb. 8.7 Flüssigkeitsthermometer im DWD Abb. 4.6 Datenlogger SYNMET-NAV (Lambrecht) Abb. 8.8 Psychrometer-Thermometer Abb. 4.7 Beispiel eines Flüssigkeitsdruckthermome- Abb. 8.9 Funktionsweise Maximumthermometer ters Abb. 8.10 Minimumthermometer Abb. 8.11 Ablesung am Minimumthermometer 6. Elektrische/Elektronische Grundlagen und Begrie Abb. 8.12 Sensorhalter Lufttemperatur 5 cm (Eigenbrodt) Abb. 6.1 Schematische Darstellung eines Plattenkon- Abb. 8.13 Stockthermometer mit Halterung densator Abb. 8.14 Erdbodentiefenthermometer Abb. 6.2 Emp¤ndlichkeit einer Silizium-Photodiode, Abb. 8.15 Bimetallfühler beim Thermograph abhängig von der Wellenlänge des einfallen- Abb. 8.16 Thermograph (Lambrecht) den Lichts Abb. 8.17 Widerstandsthermometer Pt 100 ohne Gehäuse Abb. 8.18 Widerstandsthermometer Pt 100 (schematisch) Abb. 8.19 Messelement Pt 100 (Ketterer) 7. Luftdruckmessung Abb. 8.20 Marinepütz (Friedrichs) Abb. 8.21 Kapazitiver Sensor (Vaisala) Abb. 7.1 Zusammenhang zwischen ellipsoidischer Abb. 8.22 Ober ächen-Temperatursensor IR-T/C.5 Höhe, Normalhöhe und Quasigeoidhöhe (Sommer) (Wikipedia) Abb. 8.23 Temperaturanzeige am Thermometer Abb. 7.2 Reduktion des Luftdrucks auf NHN Abb. 7.3 Prinzip der verschiedenen Flüssigkeitsbaro- meter 9. Feuchtemessung Abb. 7.4 Typen von Aneroiddosen Abb. 7.5 Sättigungsdampfdruckkurve Abb. 9.1 Sättigungsdampfdruckkurve Abb. 7.6 Hypsometer (schematisch) Abb. 9.2 Funktionsweise eines Taupunktspiegels Abb. 7.7 Stationsbarometer Abb. 9.3 Lyman-Alpha-Hygrometer (rechts neben Abb. 7.8 Nonius am Stationsbarometer Ultraschallanemometer) Abb. 7.9 Aneroid Messeinheit Abb. 9.4 Psychrometer Gesamtansicht Abb. 7.10 Aneroidbarometer 15ps (Müller, R. Fuess) Abb. 9.5 Psychrometer Detailansicht Abb. 7.11 Schemazeichnung Barograph Abb. 9.6 Aspirationspsychrometer n. Assmann Abb. 7.12 Barograph-Aufzeichnung (Ausschnitt) Abb. 9.7 Schleuderpsychrometer PTS 30 (Eigenbrodt) Abb. 7.13 Barograph (Foto: Lambrecht) Abb. 9.8 Psychrometer n. Frankenberger (Friedrichs) Abb. 7.14 Barometrischer Höhenmesser Abb. 9.9 Dauerbefeuchtung aus Vorratsbehälter Abb. 7.15 Luftdrucksensor AIR DB 1-A (Friedrichs) (Air Cooperation, USA) Abb. 9.10 Psychrometer n. Frankenberger über gefrore- Abb. 7.16 Luftdrucksensor PTB220A (Vaisala) nem Boden (Foto: DWD ZAMF, Braunschweig) Abb. 7.17 PTB220A Innenansicht (Vaisala) Abb. 9.11 Minipsychrometer (Eigenbau DWD) Abb. 7.18 Kapazitiver Drucksensor Abb. 9.12 Haarhygrometer (Fischer) Abb. 7.19 Barocap®-Sensor PTB330 (Vaisala), Abb. 9.13 Polymeter (Friedrichs) Version mit Display Abb. 9.14 Hygrograph, schematisch (Lambrecht) Abb. 7.20 Mobiles Digitalbarometer DPI 740 Abb. 9.15 Hygrograph (Lambrecht) (Lambrecht) Abb. 9.16 Thermohygrograph (Lambrecht) Abb. 7.21 Drehkolbenmanometer DHI PG7601 (Foto: B. Henning) (DH Instruments, Fluke Company) Abb. 9.17 Registrierung eines Thermohygrograph Abb. 7.22 Hysterese (Ausschnitt) Abb. 9.18 Feuchtesensor HUMICAP® HMP45D ohne Sensorschutzkappe (Vaisala) Abb. 9.19 Feuchtsensor HUMICAP® HMP45D mit Membran¤lter (Vaisala) Abb. 9.20 Feuchtesensor HUMICAP® HMP155, rechts mit zusätzlicher Pt 100-Sonde (Vaisala)

220 Abb. 9.21 Darstellung der Genauigkeit des HMP155 Abb. 11.15 Niederschlagsmengenmesser 1518 H3 (Vaisala) (Lambrecht) Abb. 9.22 Polymer-Feuchtesensor MP101A (Rotronic AG) Abb. 11.16 Niederschlagssensor 15188 H (Lambrecht) Abb. 9.23 Auau Thermo-Hygrometers THYGAN, Abb. 11.17 Regenmesser RG13H (Vaisala) schematisch (Meteolabor) Abb. 11.18 LNM Funktionsprinzip (Thies) Abb. 9.24 Thermo-Hygrometer VTP 6 (Meteolabor) Abb. 11.19 LNM Funktionsweise (Thies) Abb. 9.25 Feuchtegenerator (Thunder Scienti¤c) Abb. 11.20 Laser-Niederschlagsmonitor (Thies) Abb. 9.26 Dew Master (EdgeTech) Abb. 11.21 Laser-Distrometer Parsivel® Abb. 9.27 Hygroskopische Hysterese (OTT MESSTECHNIK) Abb. 11.22 Parsivel® OTT auf der Zugspitze (Foto: H. LöÇer) 10. Messung der Wolkenhöhe und Wolkenbedeckung Abb. 11.23 Niederschlagswächter (Thies) Abb. 11.24 Niederschlagswächter Abb. 10.1 LIDAR-Funktionsprinzip Schemazeichnung (Thies) Abb. 10.2 Messprinzip Nachtwolkenscheinwerfer Abb. 11.25 Joss-Waldvogel-Distrometer RD-80 Abb. 10.3 Funktionsprinzip LD 40 (Distrometer LTD) Abb. 10.4 Signale des LD40 (Vaisala) Abb. 11.26 Joss-Waldvogel-Distrometer RD-80, Innen- Abb. 10.5 Laserceilometer LD40 „Tropopauser“ (Vaisala) ansicht (Distrometer LTD) Abb. 10.6 Sende- und Empfangsmodul LD40 (Vaisala) Abb. 11.27 Joss-Waldvogel-Distrometer RD-80, Abb. 10.7 Sender des CL31 (Vailsala) Gesamtansicht Abb. 10.8 Laserceilometer CL31 (Foto: Vaisala) Abb. 11.28 Niederschlagsmelder (Kroneis) Abb. 10.9 Beispiel einer Registrierung des CL31 Abb. 11.29 Schneepegel (Foto: Vaisala) Abb. 11.30 Erprobung von Kunstrasen Abb. 10.10 Laserceilometer CHM 15k (Foto: Jenoptik) Abb. 11.31 Gegenstandsfreier Richtungsstrahl Abb. 10.11 Laserceilometer CHM 15k, Laseraustritt (Campbell Scienti¤c Ltd.) (Foto: Jenoptik) Abb. 11.32 Ultraschneehöhensensor SR50-G1 Abb. 10.12 Mehrere Wolkenschichten, konvertiert RGB (Campbell Scienti¤c Ltd.) (Jenoptik) Abb. 11.33 Ultraschallschneehöhensensor SR50-G1, Abb. 10.13 Nebel, konvertiert RGB (Jenoptik) Nahaufnahme (Campbell Scienti¤c Ltd.) Abb. 10.14 Regen, konvertiert RGB (Jenoptik) Abb. 11.34 Schneehöhensensor SHM30 (Foto: Jenoptik) Abb. 10.15 Grenzschicht PBL, konvertiert RGB (Jenoptik) Abb. 11.35 Schneehöhensensor SHM30, schneebedeckt Abb. 10.16 Cirrusbewölkung, konvertiert RGB (Jenoptik) (Jenoptik) Abb. 10.17 Rückstreuintensität des Ceilometers Abb. 11.36 USH-8 Schneehöhensensor (Sommer) CHM 15k, April 2010 MOP HP Abb. 11.37 Optischer Schneespektrograph, ETH Zürich Abb. 10.18 LD-WH X 06 auf Messfeld HH-Sasel Abb. 11.38 Kontinuierliche Messung der Eisablagerung Abb. 10.19 Laser Ceilograph LD-WH M 03 (Marine der BW) seit 1991 bis heute Abb. 10.20 Ceilolux Nachtwolkenscheinwerfer Abb. 11.39 Vereisungssensor 0871LH1 (Impulsphysik, Vaisala) (Campbell Scienti¤c Ltd.) Abb. 11.40 Vereisungssensor 0871LH1, vereist (Campbell Scienti¤c Ltd.) 11. Niederschlagsmessung Abb. 11.41 Eisablagerungsgerät EAG 200 Abb. 11.42 Eisablagerungsgerät EAG 200, vereist Abb. 11.1 Teile des Niederschlagmessers n. Hellmann Abb. 11.43 Eismonitor (Combitech) Abb. 11.2. Niederschlagsmesser n. Hellmann (Lambrecht) Abb. 11.44 Eismonitor, vereist ( Combitech) Abb. 11.3 Niederschlagsschreiber n. Hellmann Abb. 11.45 Schneesonde WS-43 (Campbell Scienti¤c Ltd.) (Foto: B. Henning) Abb. 11.46 Schneesonde WS-43 Schemazeichnung Abb. 11.4 Messfühler Niederschlagsschreiber (Campbell Scienti¤c Ltd.) Abb. 11.5 Registrierung eines Niederschlagsschreibers Abb. 11.47 Schneesonde im Transportkasten Abb. 11.6 Gebirgsniederschlagsmesser Abb. 11.48 Bohrloch mit tschechischer Schneesonde Abb. 11.7 Totalisator Abb. 11.49 EBZ-Sensoren. „Matte Ost“ im Vordergrund Abb. 11.8 Elektrischer Niederschlagsmesser und „Matte West“ im Hintergrund (Sommer) (Tropfer und Kippwaage) Abb. 11.50 Straßen- und Rollbahnsensor DRS511 (Vaisala) Abb. 11.9 Wägezelle PLUVIO (OTT MESSTECHNIK) Abb. 11.51 Lage des Sensors DRS511 (Vaisala) Abb. 11.10 Niederschlagsmesser PLUVIO Abb. 11.52 Windschutz n. Woel e (Thies) (OTT MESSTECHNIK) Abb. 11.53 Pluvio mit Windschutz (OTT MESSTECHNIK) Abb. 11.11 PLUVIO OTT, abgenommener Schutzzylinder, Abb. 11.54 Canadian Nipher Au¦angbehälter (oben), Querlenkerkonstruk- Abb. 11.55 Niederschlagsmessgeräte mit Windschutz tion (Mitte und unten), Elektronikeinheit am ZAMG Abb. 11.12 Niederschlagsmengenmesser 1518 H3, o¦en Abb. 11.56 DWD-Gebirgsniederschlagsmesser mit (Lambrecht) Windschutz Abb. 11.13 Au¦angtrichter 1518 H (Lambrecht) Abb. 11.57 De ektor an der WeWa Feldberg (Foto: DWD) Abb. 11.14 Nahansicht Wippe 1518 H3 (Lambrecht) Abb. 11.58 Nebel»nger n. Grunow

221 12. Windmessung 13. Messung der Sichtweite

Abb. 12.1 Kartesisches Koordinatensystem mit Himmels- Abb. 13.1 Sichtbegri¦e richtungen und Windkomponenten (u, v, w) Abb. 13.2 Messprinzipien von Transmissometern Abb. 12.2 Polarkoordinatendarstellung mit Richtung Abb. 13.3 Messprinzip von Backscatter-Streulichtmes- und Betrag sern (S = Sender, E = Emp»nger) Abb. 12.3 Druck-Koordinatensystem mit Himmels- Abb. 13.4 Messprinzip von integrierenden Streulicht- richtungen und Windkomponenten messern Abb. 12.4 Komponenten des 3-dimensionalen Wind- Abb. 13.5 Prinzipauau von Transmissometern vektors Abb. 13.6 Skopograph II „Flamingo“ (Vaisala) Abb. 12.5 Logarithmisches Windpro¤l Abb. 13.7 Transmissometer mit Doppelbasis Abb. 12.6 Windrose Abb. 13.8 Hintergrundleuchtdichtesensor LM21 Abb. 12.7 Wildsche Windfahne (Foto: Vaisala) Abb. 12.8 verschiedene Windfahnen Abb. 13.9 Transmissometer LT31 (Foto: Vaisala) Abb. 12.9 Staudruckprinzip Abb. 13.10 LT31 mit V-förmig angeordneten Scheiben Abb. 12.10 Messprinzip Ultraschallwindmessung, (Foto: Vaisala)

Schallwandler E, S, Laufzeiten t1 , t2 Abb. 13.11 LT31 mit integriertem Vorwärtsstreusensor Abb. 12.11 Windgeschwindigkeitsgeber (Thies) PWD22 (Foto: Vaisala) Abb. 12.12 Prinzip optoelektronische Windgeschwin- Abb. 13.12 Funktionsprinzip DF20+ (Degreane Horizon) digkeitsabtastung mit Lichtschranke Abb. 13.13 Vorwärtsstreulichtmessgerät DF20+ Abb. 12.13 Windrichtungsgeber – einfaches Blatt (Thies) (Degreane Horizon) Abb. 12.14 Prinzip optoelektronische Windrichtungs- Abb. 13.14 Sichtweitensensor PWD20 (Foto: Vaisala) abtastung Abb. 13.15 Sichtweitensensor PWD20 Messprinzip Abb. 12.15 Beispiel einer Windsensorenanlage auf Abb. 13.16 Sichtweitensensor PWD10/20 schematisch einer Traverse (Thies) (Vaisala) Abb. 12.16 Windgeschwindigkeitsgeber SK565 (Thies) Abb. 13.17 Sichtweitensensor FS11 (Foto: Vaisala) Abb. 12.17 Windrichtungsgeber SK566 (Thies) Abb. 13.18 Messprinzip des Videographen Abb. 12.18 Windanzeige LED (Thies) (Impulsphysik, Vaisala) Abb. 12.19 Kombinierte Windsensoren (Lambrecht) Abb. 13.19 Videograph (Impulsphysik, Vaisala) Abb. 12.20 Kombinierter Windsensor auf der „Gorch Fock“ (Lambrecht) Abb. 12.21 Windschreiber n. Woel e (Lambrecht) 14. Die Messung der Sonnenscheindauer und der Abb. 12.22 Windschreiber n. Woel e, geö¦net Strahlung (Lambrecht) Abb. 12.23 Handanemometer Abb. 14.1 Kosinusgesetz nach Lambert Abb. 12.24 Handanemometer VT 1204 (Foto: B. Henning) Abb. 14.2 Wellenlängenbereiche elektromagnetischer Abb. 12.25 Propelleranemometer im Einsatz auf der Strahlung Zugspitze (Young) Abb. 14.3 Spektrale Verteilung der Sonnenstrahlung Abb. 12.26 Flügelradanemometer mit Windweganzeige Abb. 14.4 Pyranometer CM21 mit Schattenring Abb. 12.27 Ultrasonic Anemometer 2D (Thies) (Kipp & Zonen) Abb. 12.28 Ultraschallanemometer 3D Abb. 14.5 Sonnenscheinautograph n. Campbell-Sto- (Gill Instruments LTD.) kes (Foto: Lambrecht) Abb. 12.29 USA-1 (METEK GmbH) Abb. 14.6 Registrierstreifen des Sonnenscheinauto- Abb. 12.30 Ultrasonsic Windcap® WS425 (Vaisala) graphen Abb. 12.31 Anordnung der Schallköpfe als gleichseiti- Abb. 14.7 Aufzeichnung der Sonnenscheindauer ges Dreieck (Vaisala) Abb. 14.8 Prinzipauau SONIe3 Abb. 12.32 Strömungssonde (Lambrecht) (Siggelkow Gerätebau GmbH) Abb. 14.9 SONIe3 auf der Zugspitze (Foto: LöÇer) Abb. 14.10 Gra¤sche Darstellung der Sonnenstrahlung und des Sonnenscheinpegels (Siggelkow Gerätebau GmbH) Abb. 14.11 Sensor CSD 3 (Kipp & Zonen) Abb. 14.12 Pyranometer CM21 (Kipp & Zonen) Abb. 14.13 Pyranometer CM21 schematisch (Kipp & Zonen) Abb. 14.14 Pyranometer CM21 (Kipp & Zonen) mit Schattenring CM21 (Kipp & Zonen) Abb. 14.15 Pyranometer CM11 (Kipp&Zonen) Abb. 14.16 Registrierung eines Pyranometers v. 27.04.2010 am MOL Abb. 14.17 Sonnenscheinpyranometer SPN1 (Delta-T Devices)

222 Abb. 14.18 Sonnenscheingeber Hänni Solar111B Abb. 15.14 FRODIT Gesamtansicht Abb. 14.19 UV-Sensor (UVS-AE-T) (Kipp & Zonen) (Foto: DWD, ZAMF Braunschweig) Abb. 14.20 Pyrheliometer CHP 1 (Kipp & Zonen) Abb. 15.15 FRODIT/Bohrstock, Frosteindringtiefe, Win- Abb. 14.21 PAR-Sensor (Friedrichs) ter 2001/2002 Abb. 14.22 CGR3 (Kipp & Zonen) (Foto: DWD, ZAMF Braunschweig) Abb. 14.23 Pyrgeometer CGR 4 (Kipp & Zonen) Abb. 15.16 Splashmeter (Eigenbau, DWD) im Rebbe- Abb. 14.24 Solartracker 2AP (Kipp & Zonen) stand (Foto: DWD, KU3GH Geisenheim) Abb. 14.25 Präzisions-Infrarot-Pyrgeometer (Eppley) Abb. 15.17 Splashmeter auf einer Frei äche Abb. 14.26 Netto-Radiometer CNR1 (Kipp&Zonen) (Foto: DWD, KU3GH Geisenheim) Abb. 14.27 Netto Radiometer NR LITE (Kipp & Zonen) Abb. 15.18 Farbmarkierung auf Löschpapier Abb. 14.28 Netto-Radiometer CNR 4 (Kipp & Zonen) Abb. 15.19 Splashtröpfchendichte als Funktion der Abb. 14.29 Netto-Radiometer CNR 4, Unterseite Höhe über Brache im Freiland für verschie- (Kipp & Zonen) dene Niederschlagstypen (Braunschweig Abb. 14.30 Strahlungs- und Sonnenscheindauersensor 2003) SCAPP (Siggelkow Gerätebau GmbH) Abb. 15.20 Thermographiekamera (FLIR) Abb. 14.31 Auau des Messeinsatzes ScaPP Abb. 15.21 Aufnahme eines unberegneten / beregneten (Siggelkow Gerätebau GmbH) Zuckerrübenbestandes, 9.8.2003 – Ver- Abb. 14.32 Nivelliervorrichtung SCAPP suchs ächen der ZAMF Braunschweig (Siggelkow Gerätebau GmbH) Abb. 15.22 unbearbeiteter (links) und bearbeiteter Abb. 14.33 SPECTRO 320D (Instrument Systems) Boden (rechts), 1.4.2003 – Versuchs ächen Abb. 14.34 Spektren der UV-Globalstrahlung aus der ZAMF Braunschweig Messungen mit Spektralradiometer Abb. 15.23 Streuwaage (Foto: DWD, ZAMF Braunschweig) SPECTRO 320D Abb. 15.24 Vergleich des DWD-Streufeuchtemodells Abb. 14.35 Strahlungsmessgeräte der Georg-von-Neu- mit Feuchtemessungen einer Streuwaage mayer-Station (Foto: AWI) Abb. 15.25 Wägbares Unterdrucklysimeter

15. Agrarmeteorologische Messungen 16. Ersatzmessungen

Abb. 15.1 Menge des vom P anzenbestand zu- Abb. 16.1 Notmessgeräte-Ko¦er (Foto: B. Henning) rückgehaltenen Niederschlagswassers in Abhängigkeit von der Niederschlagsmenge und dem Blatt ächenindex (LAI) (n. von 17. Vergleich Hoyningen gen. Huene 1980) Abb. 15.2 Wägbares Großlysimeter, Ansicht von außen – (Foto: DWD, ZAMF Braunschweig) Abb. 15.3 Wägbares Großlysimeter, Ansicht im Lysi- meterkeller (Foto: DWD, ZAMF Braunschweig) 18. Automatische Messsysteme Abb. 15.4 Verdunstungswanne (Foto: DWD, ZAMF Braunschweig) Abb. 18.1 AMDA I/II Abb. 15.5 TDR-SONDE (Fa. IMKO) Abb. 18.2 AMDA I/II (Foto: DWD, ZAMF Braunschweig) Abb. 18.3 AMDA Server Abb. 15.6 Tensiometer (Foto: DWD, ZAMF Braunschweig) Abb. 18.4 Übersicht der Anschlusseinheiten AMDA I/II Abb. 15.7 Einstich-Tensiometer, Typ T1 (UMS GmbH) Abb. 18.5 Daten uss in der meteorologischen Daten- Abb. 15.8 Minipsychrometer im Einsatz in einem gewinnung Maisbestand 2007, (Foto: DWD, ZAMF Abb. 18.6 Systemübersicht ASDUV-N Braunschweig) Abb. 18.7 ASDUV-Sensorverteilung Abb. 15.9 oben: Minipsychrometern (Nahaufnahme) Abb. 18.8 Anzeigesystem MIDAS IV AWOS (Vaisala) unten: Einsatz von Minipsychrometern zur Erfas- Abb. 18.9 Verteilung der Displays auf den Flughäfen sung der Verhältnisse unter verschiedenen (Vaisala) Folientypen (Foto: DWD, ZAMF Braunschweig) Abb. 18.10 MIDAS IV AWOS Graphik (Vaisala) Abb. 15.10 Blattharfe (Foto: DWD, ZAMF Braunschweig) Abb. 15.11 Messung der Blattbenetzung mit der Blatt- harfe in einem Karto¦elbestand (Foto: DWD, 19. Messnetze ZAMF Braunschweig) Abb. 15.12 Pro¤lmessungen Blattbenetzungssensoren Abb. 19.1 Auau Stationstyp Wst III des DWD (Ho¦mann Messtechnik) mit Minipsychro- Abb. 19.2 BMU-Forschungsplattform FINO 1 metern (Foto: DWD, ZAMF Braunschweig) Abb. 19.3 UFS Zugspitze (Foto: H. LöÇer) Abb. 15.13 USA (METEK GmbH) im Einsatz über einem Abb. 19.4 Standorte der GAW-Alpenstationen Maisfeld, 2010 (Foto: DWD, ZAMF Braun- Abb. 19.5 Standard-Messfeldskizze DWD schweig) Abb. 19.6 Klimahütte (englische Hütte)

223 Abb. 19.7 Englische Hütte mit konventioneller Instru- Abb. 19.26 Vorgaben für eine Niederschlagsmessung mentierung der Klasse 1 (aus Note technique n° 35, Clas- Abb. 19.8 Standard-Messfeldskizze (Maßangaben in cm) si¤cation d’un site, 1999) Klimareferenzstation DWD (aus VuB 3 THB) Abb. 19.27 Niederschlagsmessung der Klasse 3 Abb. 19.9 Gießener Wetterhütte (geö¦net) (aus Note technique n° 35, Classi¤cation Abb. 19.10 Wetterschutzhütte LAM630 (Eigenbrodt) d’un site, 1999) Abb. 19.11 Lamellenschutzhütte LAM630 Abb. 19.28 Wetter-Beobachtungs-Kamera (Foto: DWD) (Schnittzeichnung) Abb. 19.29 System Wetter-Beobachtungs-Kamera (DWD) Abb. 19.12 LAM630 vereist (Foto: Eigenbrodt) Abb. 19.30 Standorte der Wetter-Beobachtungs-Kameras Abb. 19.13 Kugelhütte n. Baumbach (Friedrichs) (DWD) Abb. 19.14 Wetterhütte Typ 430 (Foto: Kroneis) Abb. 19.31 Mobile Messeinheit des DWD Abb. 19.15 Erdbodenmessfeld mit 5 cm Temperatursen- Abb. 19.32 Pro¤lmessfahrten sor (Foto: DWD) Abb. 19.33 Temporäre Stationsmessungen Abb. 19.16 Aufstellung von Niederschlagsmessgeräten Abb. 19.34 Die festen Stationen des maritimen Mess- Abb. 19.17 Niederschlagsmelder auf Mast (Kroneis) netzes des DWD Abb. 19.18 Störbereich an einem Hindernis (WMO 1981) Abb. 19.35 Instrumente des Hafendienstes n. Foken, 2006 Abb. 19.36 FS METEOR Abb. 19.19 Hubelement mit Spindel (Foto: DWD) Abb. 19.37 Arbeitsplatz des Bordmeteorologen (links) Abb. 19.20 Klappmast mit Spindel und Aufzug (Foto: DWD) und des Wetterfunktechnikers (rechts) auf FS Abb. 19.21 Meteorologische Ausrüstung eines Regional- METEOR ughafens mit einer Piste bis 2400 m Länge Abb. 19.38 Lage der Sensoren auf FS METEOR (Quelle: DWD) Abb. 19.39 Visualisierung der erfassten und verarbeiteten Abb. 19.22 Meteorologische Ausrüstung eines Regio- Daten, erkennbar die Unterteilung in Anzei- nal ughafens mit einer Piste von 2400 m gen nach Back- und Steuerbordsensoren. Länge oder mehr (Quelle: DWD) Abb. 19.40 FS Polarstern Abb. 19.23 SCAPP auf 6m-Mast (P eiderer) Abb. 19.41 Bordwetterwarte auf FS Polarstern Abb. 19.24 Erprobungsmessfeld WeWa Fehmarn, 2 Abbildungen (Foto: DWD), WeWa Wasserkuppe, mit neuer Abb. 19.42 Messstation des bayerischen Lawinenwarn- Sensorik für Automatische Stationen dienstes (Foto: DWD) 2 Abbildungen Abb. 19.25 Druckgradient und Genauigkeit der Luft- druckmessung 3 Abbildungen

. TABELLENVERZEICHNIS

3. Grundsätzliches zu Messmethoden Tab. 7.5 Spezi¤kationen Aneroidbarometer 15ps (Müller, R Fuess) Tab. 3.1 SI-Basiseinheiten und abgeleitete Einheiten Tab. 7.6 Spezi¤kationen Barograph (Lambrecht) Tab. 3.2 Weitere abgeleitete Einheiten Tab. 7.7 Spezi¤kationen „Großer“ Barograph (Lambrecht) Tab. 3.3 Vielfache oder Teile von SI-Einheiten Tab. 7.8 Spezi¤kationen Barocap® PTB220A (Vaisala) Tab. 3.4 Physikalische Größen und Konstanten Tab. 7.9 Spezi¤kationen Barocap® PTB330 (Vaisala) Tab. 7.10 Spezi¤kationen DPI 740 (Lambrecht) Tab. 7.11 Spezi¤kationen Drehkolbenmanometer 4. Datenerfassung im Rahmen DHI PG7601 (DH Instruments, Fluke Company) meteorologischer Messtechnik

Tab. 4.1 Spezi¤kationen COMBILOG Datenlogger 1020 8. Temperaturmessung (Friedrichs) Tab. 4.2 Spezi¤kationen Datenlogger SYNMET_NAV Tab. 8.1 Fixpunkte der Temperaturskalen (Lambrecht) Tab. 8.2 Volumenausdehnungskoe¾zient verschiedener Sto¦e Tab. 8.3 Einige Zentriwinkel und ihr Ein uss auf den 7. Luftdruckmessung Ausschlag Tab. 8.4 Di¦erenzielle Thermospannungen gebräuchli- Tab. 7.1 Umrechnung von Luftdruckeinheiten cher Metall-Legierungen Tab. 7.2 Weitere (veraltete) Maßeinheiten des Luftdrucks Tab. 8.5 Temperaturabhängige Schallgeschwindigkeiten Tab. 7.3 Siedetemperatur des Wasser in Abhängigkeit Tab. 8.6 Spezi¤sche Wärmekapazität einiger Flüssigkei- vom Luftdruck ten bei 20 °C Tab. 7.4 Spezi¤kationen Hg-Barometer (Thies) Tab. 8.7 Vergleich von Quecksilber und Alkohol (Ethanol)

224 Tab. 8.8 Ober ächen-Temperatursensor IR-T/C.5 (Sommer) Tab. 11.10 Spezi¤kationen Niederschlagswächter (Thies) Tab. 8.9 Wärmeübergangszahlen in Abhängigkeit von Tab. 11.11 Spezi¤kationen Joss-Waldvogel Distrometers der Windgeschwindigkeit RD80 (DISTROMET LTD) Tab. 11.12 Spezi¤kationen Ultraschallschneehöhensensor SR50-G1 (Campbell Scienti¤c Ltd.) 9. Feuchtemessung Tab. 11.13 Spezi¤kationen Schneehöhensensor SHM30 (Jenoptik) Tab. 9.1 Relative Feuchte in Abhängigkeit von Temperatur Tab. 11.14 Spezi¤kationen Schneehöhensensor USH-8 und Spread von 5 K (Sommer) Tab. 9.2 Sättigungsdampfdruck über Wasser und Eis für Tab. 11.15 Überblick der DWD-Stationen mit Eisablage- verschiedene Temperaturen rungsmessungen Tab. 9.3 Luftfeuchtegrößen, ihre Messung bzw. Bestim- Tab. 11.16 Spezi¤kationen Vereisungssensor 0871LH1 mung (Campbell Scienti¤c Ltd.) Tab. 9.4 Feuchttemperatur über Wasser bzw. Eis in Ab- Tab. 11.17 Spezi¤kationen EAG 200 hängigkeit von t und U Tab. 11.18 Spezi¤kationen Eismonitor (Combitech)

Tab. 9.5 Vergleich der Werte td und U über Wasser und Eis Tab. 11.19 Spezi¤sches Wasseräquivalent einzelner Tab. 9.6 Spezi¤kationen Psychrometer n. Frankenberger Schneearten (Friedrichs) Tab. 11.20 Spezi¤kationen DRS511 (Vaisala) Tab. 9.7 Spezi¤kationen Feuchtsensor Polymer (Friedrichs) Tab. 9.8 Spezi¤kationen Feuchtsensor HMP 45D (Vaisala) 12. Windmessung Tab. 9.9 Feuchtesensor HUMICAP® HMP155 (Vaisala) Tab. 9.10 Feuchte- und Temperaturmesswertgeber Tab. 12.1 Umrechnung von Maßeinheiten des Windes HMT337 (Vaisala) Tab. 12.2 Umrechnung von Gradbogenmarke in Windwerte Tab. 9.11 Spezi¤kationen Feuchtesensor MP101A Tab. 12.3 Luftwiderstandsbeiwerte (cw-Werte) (Rotronic AG) Tab. 12.4 Spezi¤kationen Windgeschwindigkeitsgeber Tab. 9.12 Spezi¤kationen Thermo-Hygrometer VTP 6 (Thies) (Meteolabor) Tab. 12.5 Spezi¤kationen Windrichtungsgeber (Thies) Tab. 9.13 Spezi¤kationen Dew Master (EdgeTech) Tab. 12.6 Spezi¤kationen Windgeschwindigkeitsgeber Tab. 9.14 Relativer Fehler bei der Psychrometermessung SK565 (Thies) Tab. 12.7 Spezi¤kationen Windrichtungsgeber SK566 (Thies) 10. Wolkenhöhenmessung Tab. 12.8 Spezi¤kationen Kombinierte Wind-Sensoren Professional Line Serie (14512) Tab. 10.1 Umrechnung von Längeneinheiten Tab. 12.9 Spezi¤kationen Kombinierter Windsensor 1455 Tab. 10.2 Spezi¤kationen Sender LD40 (Vaisala) (Lambrecht) Tab. 10.3 Spezi¤kationen Emp»nger LD40 (Vaisala) Tab. 12.10 Spezi¤kationen Windschreiber n. Woel e Tab. 10.4 Spezi¤kationen CL31 (Vaisala) (Lambrecht) Tab. 10.5 Spezi¤kationen CHM 15k (Jenoptik) Tab. 12.11 Spezi¤kationen des Handanemometers VT 1204 Tab. 10.6 Spezi¤kationen LD-WH M (Vaisala, Impulsphysik) (SIAP) Tab. 10.7 Spezi¤kationen LD-WH X 06 (Vaisala, Impuls- Tab. 12.12 Spezi¤kationen Propelleranemometer 05103 physik) (Young) Tab. 12.13 Spezi¤kationen Ultraschallanemometer 2D (Thies) 11. Niederschlagsmessung Tab. 12.14 Spezi¤kationen USA 3D (Gill Instruments LTD.) Tab. 12.15 Spezi¤kationen Ultraschall-Anemometer USA-1 Tab. 11.1 Niederschlagsintensität (Nomenklatur des (Metek GmbH) DWD, VuB 3 BHB) Tab. 12.16 Spezi¤kationen Ultrasonic Windsensor WS425 Tab. 11.2 Spezi¤kationen PLUVIO (OTT MESSTECHNIK) (Vaisala) Tab. 11.3 Spezi¤kationen PLUVIO2 (OTT MESSTECHNIK) Tab. 12.17 Vergleich von Messgenauigkeiten der Windsys- Tab. 11.4 Spezi¤kationen Niederschlagsmengenmesser teme 1518 H (Lambrecht) Tab. 11.5 Spezi¤kationen Niederschlagssensor 15188 H (Lambrecht) 13. Messung der Sichtweite Tab. 11.6 Regenmesser RG13H (Vaisala) Tab. 11.7 Größenverteilung und Geschwindigkeiten von Tab. 13.1 Glühlampenleistung und Abstand vom Beob- Niederschlägen achter Tab. 11.8 Spezi¤kationen Laser-Niederschlagsmonitor Tab. 13.2 Umrechnung Kilometer – Nautische Meilen (Thies) Tab. 13.3 Maximale geometrische Sichtweiten Tab. 11.9 Spezi¤kationen Laser-Distrometer Parsivel® Tab. 13.4 Spezi¤kationen Hintergrundleuchtdichtesen- (OTT MESSTECHNIK) sor LM21 (Vaisala)

225 Tab. 13.5 Spezi¤kationen LT 31 (Vaisala) 15. Agrarmeteorologische Messungen Tab. 13.6 Spezi¤kationen Degreane DF20+ (Degreane Horizon) Tab. 15.1 In der Agrarmeteorologie verwendete meteoro- Tab. 13.7 Spezi¤kationen Sichtweitensensor PWD20/22 logische Messgeräte/Sensoren (Vaisala) Tab. 15.2 Jahressummen der aktuellen Verdunstung von Tab. 13.8 Spezi¤kationen Sichtweitensensor FS11 (Vaisala) verschieden Böden im Eberswalde Tab. 13.9 Liste der anerkannten Sichtweitensensoren

16. Ersatzmessungen 14. Messung der Sonnenscheindauer und der Strahlung Tab. 16.1 Messgeräte des Notmessgeräte-Ko¦ers Tab. 14.1 Übersicht der messbaren Strahlungsarten Tab. 14.2 Wellenlängen bei Strahlungsmessungen in der Meteorologie 18. Automatische Messsysteme Tab. 14.3 Zusammenstellung von Strahlungsgrößen Tab. 14.4 Spezi¤kationen Sonnenscheindauersensor Tab. 18.1 Eingesetzte Sensorik mit ASDUV SONIe3 (Siggelkow Gerätebau GmbH) Tab. 18.2 Messsensoren der MIDAS IV AWOS Tab. 14.5 Spezi¤kationen Sonnenscheindauersensor CSD 3 (Kipp & Zonen) Tab. 14.6 Übersicht über die Strahlungsmessgeräte und 19. Messnetze ihre Verwendung Tab. 14.7 Spezi¤kationen Pyranometer CM21 Tab. 19.1 Übersicht der Stationstypen des DWD (Kipp&Zonen) Tab. 19.2 Die 4 Windzonen mit der Gebietseinteilung Tab. 14.8 Spezi¤kationen Pyranometer CM11 Tab. 19.3 Genauigkeitsforderungen zur Messung der RVR (Kipp & Zonen) Tab. 19.4 Genauigkeitsforderungen zur Messung der Tab. 14.9 Spezi¤kationen SPN1 (Delta-T Devices) Sichtweite Tab. 14.10 Spezi¤kationen CA2 Thermosäule Tab. 19.5 Messgrößen und abgeleitete Größen, Toleranzen, Tab. 14.11 Spezi¤kationen Pyrheliometer CHP1 Algorithmen; Basisprüfung der Sensoren und der (Kipp & Zonen) Messanlage Tab. 14.12 Spezi¤kationen UVA-UVB-Radiometer Tab. 19.6 Kalibrierzyklen der DWD-Sensorik Tab. 14.13 Spezi¤kationen PAR-Sensor (Friedrichs) Tab. 19.7 Übersicht und Download der vorhandenen Tab. 14.14 Spezi¤kationen Pyrgeometer CGR3/CGR4 Messnetzgra¤ken des DWD (Kipp&Zonen) Tab. 19.8 Sensorübersicht an mobilen Messeinheiten des Tab. 14.15 Spezi¤kationen Pyrgeometer CG4 DWD (Kipp&Zonen) Tab. 19.9 Sensorenübersicht an SCAWS Tab. 14.16 Spezi¤kationen PIR (Eppley) Tab. 19.10 Messwerte auf FS METEOR Tab. 14.17 Spezi¤kationen Netto-Radiometer NR LITE Tab. 19.11 Sensorbestückung der Stationen im Messnetz (Kipp & Zonen) BSH Tab. 14.18 Spezi¤kationen Netto Radiometer CNR4 (Kipp&Zonen) Tab. 14.19 Spezi¤kationen SCAPP (Siggelkow Gerätebau GmbH) Tab. 14.20 Spezi¤kationen SPECTRO 320 D (Instrument Systems)

. ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS

AMDAR Aircraft Meteorological Data Relay CGPM Conference Generale des Pids et Mesures AMDA Automatische Meteorologische Datenerfas- (Generalkonferenz für Maße und Gewicht) sungsanlage CPU Control Processing Unit AUTOKLIM Automatische Klimastation CGS Centimetre Gram Second-System (Einheiten- ASDUV(E) Automatisches System zur Datenerfassung system) und -verbreitung ABWSt Automatische Bordwetterstation DFIR Double Fence Intercomparison Reference ANS Automatische Niederschlagsmessstelle (Referenzsystem zur Niederschlagsmessung) ASAP Automated Shipboard Aerological Programme DIN Deutsches Institut für Normung e.V. Berlin DDP Deskriptives Daten-Protokoll BSRN Baseline Surface Radiation Network DFS Deutsche Flugsicherung DKD Deutscher Kalibrierdienst

226 ESAU Einheitliches Satzformat für Automaten PWK permanenter Welkepunkt (Agrarmeteorologie) (Datenformat) PWS Present Weather Sensor ETP potenzielle Verdunstung RMG Regionale Messnetz Gruppe (DWD) FAA Federal Aviation Administration RVR Runway Visual Range FTP File Transfer Protocol FS Feuerschi¦ S-AWS Shipborne Automatic Weather Station SCAPP SCAnning Pyrheliometer / Pyranometer GAW Global Atmosphere Watch SCAWS Scaleable Automatic Weather Station GAWTEC GAW Trainings- und Ausbildungszentrum SMN SwissMetNet GCC Global Collecting Centre SNMP Simple Network Management Protocol GOS Global Observing System ( WWW/WMO) SWE Schnee-Wasser-Äquivalent GPCC Global Precipitation Climatology Centre GPS Global Positioning System TAWES Teilautomatische Wetterstation (in Österreich) GTS Global Telecommunication System TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Pro- (WWW/WMO) tocol GUM GZS Globales Zentrum für Schi¦swettermeldun- UDA Universeller Datensatz AMDA gen (DWD Hamburg) UELN United European Levelling Net UFS Unbemanntes Feuerschi¦ Hg Hydragyrum (Quecksilber) VAC Wechselspannung IA Instrumentenamt (frühere Bezeichnung der VDC Gleichspannung DWD-Service- und Logistik Einheiten) VDI Verein Deutscher Ingenieure ICAO International Civil Aviation Organisation VOS Volutary Observing Ships IPC International Pyrheliometer Comparison VOR Vertical Optical Range ISA ICAO Standard Atmosphere VuB BHB Vorschriften und Betriebsunterlagen Be- ISDN Integrated Services Digital Network triebshandbuch (DWD) ITS International Temperature Scale VuB THB Vorschriften und Betriebsunterlagen Tech- nikhandbuch (DWD) KLIWA Klimaveränderung und Konsequenzen für die Wasserwirtschaft. WeBoKaN Wetterbeobachtungskamera-Netzwerk (DWD)

LASER Light Ampli¤cation by Stimulated Emission WWW World Weather Watch (WMO) of Radiation WRR World Radiometric Reference LAM Lamellenhütte WRC Word Radiation Center LT Leuchttürme WRMC World Radiation Monitoring Center WZN Weltzentrum für Niederschlagsklimatologie MARNET Marines Umweltmessnetz (im DWD) MAZ Mitarbeiterzeitung des DWD MCH MeteoSchweiz METCO Meteorologie-Computer Behörden/Ämter/Dienststellen MISAWI Meteorologisches Informationssystem des AWI MILOS ASZ Ausbildungs- und Schulungszentrum MME Mobile Messeinheit (des DWD) (des GeoInfoDBw) MOZ Mittlere Ortszeit AWI Alfred-Wegener-Institut (Bremerhaven) MOR Meteorological Optical Range AWEL Amt für Abfall, Wasser, Energie und Luft (Schweiz) NBCN National Basic Climatological Network (MeteoSchweiz) BAuA Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeits- NMS National Meteorological Service medizin in Dortmund NOAA National Oceanic and Atmospheric Administ- BEV Bundesamt für Eich - und Vermessungswesen ration (USA) (Österreich) NKDZ Nationales Klimadatenzentrum (DWD) BfS Bundesamt für Strahlenschutz BMVBS Bundesministerium für Verkehr, Bau und ÖNORM Österreich-Norm Stadtentwicklung BSH Bundesamt für Seeschi¦fahrt und Hydrogra- PAR Photosynthetically Active Radiation phie (Hamburg) PBL Prandtl Boundary Layer BTZ Bildungs- und Tagungszentrum (des DWD) PIR Precision Infrared Pyrgeometer Bw Bundeswehr PTFE Polytetra uorethylen (Handelsname Te on)

227 CAU Christian-Albrechts-Universität zu Kiel ÖMG Österreichische Gesellschaft für Meteorologie (mit der Station in Westerland/Sylt) PMOD Physikalisch-Meteorologisches Observatorium DFS Deutsche Flugsicherung Davos DWD Deutscher Wetterdienst PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt (Braunschweig) ECMWF European Centre for Medium Range Weather Forecasts SLS Service und Logistikstützpunkt (DWD) EDI Eidgenössische Departement des Inneren SL-Einheiten Zusammenfassung (für diesen Leitfaden) der EDUCE European UV Data Evaluation and Climatology regionalen Service und Logistik-Einheiten ETHZ Eidgenössische Technische Hochschule Zürich des DWD von EUMETSAT European Meteorological Satellite Organization SLO-Service und Logistik Potsdam mit EZMW Europäisches Zentrum für mittelfristige Wet- SSP Leipzig tervorhersagen SLS-Service und Logistik Oberschleißheim mit SSP Stuttgart GeoInfoDBw Geoinformationsdienst der Bundeswehr SLW-Service und Logistik O¦enbach SLN-Service und Logistik Hamburg-Sasel mit HLUG Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie SSP Essen SSP-Service Stützpunkt der Abteilung Service ICAO International Civil Aviation Organization und Logistik IOW Institut für Ostseeforschung Warnemünde UBA Umweltbundesamt LBZ Luftfahrtberatungszentrale (DWD) UFS Umweltforschungsstation (Zugspitze) LfU Landesamt für Umwelt (Bayern) LUBW Landesanstalt für Umwelt, Messungen und WMO World Meteorological Organization Naturschutz Baden- Württemberg WOZ Wahre Ortszeit (http://www2.lubw.baden-wuerttemberg.de) ZAMF Zentrum für agrarmeteorologische Forschung MeteoSchweiz Bundesanstalt für Meteorologie und (Braunschweig, DWD) Klimatologie ZAMG Zentralanstalt für Meteorologie und Geody- METAS Bundesamt für Metrologie und Akkreditie- namik (Wien) rung (Schweiz) MOL-RAO Meteorologisches Observatorium Lindenberg – Richard-Aßmann-Observatorium MOHP Meteorologisches Observatorium Hohenpei- ßenberg

. SICHERHEITSBESTIMMUNGEN UND SCHUTZVORSCHRIFTEN BEIM UMGANG MIT METEOROLOGISCHEN GERÄTEN/SENSOREN

Die nachfolgenden Hinweise zu Sicherheitsbestimmungen kann sich ein Unfall ereignen, wenn große Stromstärken und Schutzvorschriften beziehen sich ausschließlich auf wirksam werden. den Umgang mit meteorologischen Geräten/Sensoren. Da- bei geht es in erster Linie nicht um einen direkten Kontakt Die Stromeinwirkung ist auch von der Stromart – Gleich- mit Sto¦en, sondern vielmehr um die Vermeidung des Kon- oder Wechselstrom (Frequenz des Wechselstromes)– und taktes mit sicherheitsrelevanten Sto¦en. von dem elektrischen Widerstand (R) des Körpers, gemessen in Ohm abhängig. Der Widerstand ist sehr unterschiedlich, Der Umgang mit folgenden Sto¦en ist dabei gemeint je nach Berührungs äche, dem Strom durch verschiede- • elektrische/elektronische Geräte, ne Glieder, der Bescha¦enheit der Haut und Kleidung, dem • Laserstrahlung, Übergangswiderstand (trockene, feuchte Haut). Im Körper ist • Frostschutzmittel die Leit»higkeit sehr verschieden, bspw. Im Blut, in Gewebe- • Quecksilber, üssigkeit oder Knochen. Der widerstand des menschlichen Körpers wird im Mittel mit 1300 Ω angenommen. 6.1 Gefahren des elektrischen Stroms für den Menschen Wenn ein Fehlerstrom parallel zu Menschen über einen sehr Die Ge»hrdung des Menschen durch den elektrischen Strom kleinen Widerstand zur Erde abgeleitet wird, ießt nur ein hängt nicht – wie oft angenommen – von der Höhe der elek- Teilstrom durch den Menschen. Darauf beruhen eine Reihe trischen Spannung (Volt) ab, sondern von der Stromstärke von Schutzmaßnahmen. Ist der Mensch der alleinige Ablei- (Ampere) ab. Schon bei geringer Spannung von einigen Volt ter der vollen Stromstärke, dann besteht meist Lebensgefahr.

228 Vier physiologische Einwirkungsbereiche sind nach Un- Anwender und Anlagenbauer müssen direkte, indirekte tersuchungen von Dr. Koeppen anzunehmen: (unbeabsichtigt gerichtet re ektierte) und Streustrahlung (unbeabsichtigt di¦us re ektierte) hinsichtlich dieser Grenzwerte berücksichtigen. Stromstärke (mA) bei Physiologische Reaktion Wechsel- Gleichstrom des Menschen Klassi¨zierung nach EN 60825-1 strom 50Hz Entsprechend der Ge»hrlichkeit für den Menschen sind die bis 5 mA LASER in Geräteklassen eingeteilt. Die Klassi¤zierung nach EN nur geringe Einwirkung 60825-1 erfolgt vom Hersteller. Die alte Klassi¤zierung nach DIN 5 bis 15 mA Loslassen noch möglich, Krampf- VDE 0837 darf für neue Laser nicht mehr verwendet werden. bis 80 bis 25 gefühl 15 bis 25 mA s elbstständiges Loslassen des Kontakts Klas- Wellen- Leistung Beschreibung nicht mehr möglich se länge 25 bis 80 400 bis Die zugängliche Laserstrahlung ist noch ertragbare Stromstärke, Blut- 1 < 25 µW drucksteigerung, Herz-unregelmäßig- 700 nm ungefährlich. (CD-Player) keit, Herzstillstände mit Wiederein- 80 bis 300 25 bis 80 Die zugängliche Laserstrahlung ist sätzen der Herztätigkeit 302,5 bis ungefährlich, solange keine optischen 50 bis 80 1M < 25 µW Instrumente, wie Lupen oder Fern- Bewusstlosigkeit 4000 nm gläser verwendet werden. Herkammerimmern, tot, bei kürze- Die zugängliche Laserstrahlung liegt rer Einwirkung als 0,3 ms meist noch 300 bis 3 A 80 bis 3 A nur im sichtbaren Spektralbereich kein Herzkammerimmern (400 nm bis 700 nm). Sie ist bei 400 bis kurz-zeitiger Bestrahlungsdauer (bis Meist Lungenblähung und Bewusst- 2 ≤ 1 mW > 3 A > 3 A losigkeit, jedoch mit steigender 700 nm 0,25 s) auch für das Auge ungefähr- Stromstärke stärkere Verbrennungen lich. Eine längere Bestrahlung wird durch den natürlichen Lidschluss- reex verhindert.

400 bis Wie Klasse 2, solange keine optischen 2M ≤ 1 mW Instrumente, wie Lupen oder Fern- 700 nm gläser, verwendet werden.

1 bis 302,5 bis Die zugängliche Laserstrahlung ist 3R 5 mW 106 nm gefährlich für das Auge. Die zugängliche Laserstrahlung ist gefährlich für das Auge und in 5 bis 302,5 bis besonderen Fällen auch für die Haut. Diuses Streulicht ist in der Regel 3B 6 500 mW 10 nm ungefährlich. (Laser von CD-/DVD- Brennern; Laserstrahlung allerdings nicht direkt zugänglich)

Die zugängliche Laserstrahlung ist sehr gefährlich für das Auge und gefährlich für die Haut. Auch dius 302,5 bis gestreute Strahlung kann gefährlich 4 > 500mW Physikalische Einwirkungen des elektrischen Stromes 106 nm sein. Beim Einsatz dieser Laserstrah- • Wärmeentwicklung, lung besteht Brand- oder Explosions- gefahr. (Materialbearbeitung, innere und äußere Verbrennungen Forschungslaser) • Größere Stromstärken Zerstörung des Eiweißes und damit kann der Körper giftige Verbrennungsprodukte nicht mehr abbauen; Tod Erst bei Benutzung eines Lasers der Klasse 3R, 3B oder 4 (nach durch Vergiftung nach einigen Tagen Unfallverhütungsvorschrift „Laserstrahlung“ BGV B2) muss ein Laserschutzbeauftragter schriftlich bestellt werden. Maßnahmen bei Un¬llen mit elektrischen Strom Sofortiges Abschalten des elektrischen Stromes im Unfall- Sicherheit: bereich. Das Ceilometer LD40, CL31 und CHM15k ist ein augensiche- res Laserprodukt der Klasse 1M. Klasse 1M bedeutet: Direkter 6.2 Umgang mit Lasergeräten, Laserklassen Blick in den Strahl mit optischen Hilfsmitteln kann ge»hrlich sein. Eine korrekte Installation des LD40 mit senkrech- Laser können aufgrund ihrer Strahlungseigenschaften und ter oder nahezu senkrechter Messrichtung verhindert aller- aufgrund ihrer extrem konzentrierten elektromagnetischen dings ein unabsichtliches Betrachten des Laserstrahls. Leistung biologische Schäden verursachen. Daher sind La- ser je nach Laser-Klasse mit genormten Warnhinweisen zu Einzuhaltende Vorsichtsmaßnahmen: versehen. Dabei werden Bereiche der Wellenlängen und • Kein Blick in den Strahl mit vergrößernden optischen Einwirkzeiten unterschieden, die zu charakteristischen Hilfsmitteln Verletzungen und Verletzungs-Schwellwerten der Leis- • Kein öffentlicher Zutritt zum Ceilometer tungs- oder Energiedichte führen.

229 • Vor dem Entfernen des Sendermoduls aus seiner Position in der Angaben zur Toxikologie: Optik muss das Gerät vollständig vom Netz getrennt werden Bezeichnung: Kühlmittelkonzentrat EXSC 50 • Prüf- und Instandsetzungsarbeiten nur durch qualifi- Toxiologische Angaben: LD 50>2000 MG/KG/BW. Leicht au- ziertes und eingewiesenes Personal genreizend. Allgemeines: Es sind keine speziellen Gesundheitswarnun- Arbeiten am Gerät sollten mit äußerster Vorsicht durch- gen bekannt. geführt werden. Verschlucken: Toxische Wirkungen sind bei kleinen un- • Vor der Inbetriebnahme ist die korrekte Spannungsein- absichtlich verschluckten Mengen nicht zu stellung und elektrische Erdung des Geräts zu überprü- erwarten. fen. Das Gerät darf nicht in einer explosionsge»hrdeten Umgebung betrieben werden. Dadurch entfallen Lagervorschriften und gesetzlich vorge- • Den Warnhinweisen aller am Gerät angebrachten si- schriebene Belehrungen beim Verkauf. Darüber hinaus sind cherheitsrelevanten AuÎleber ist Folge zu leisten (La- die Produkte für Lebensmittelbetriebe, Solaranlagen und serstrahl, Elektrische Spannung): Wärmepumpen, Kühlanlagen und Kompressoren geeignet. • Frostschutzkonzentrat: • 10 Jahre Korrosionsschutz gemäß unseren Garantiebe- stimmungen • keine krebserregenden oder erbgutschädigenden In- haltssto¦e • enthält kein Silikat, Phosphat, Amin, Nitrit, Benzotrio- zol, Molydän • ist gemäß EU-Richtlinie 677/548/ECC nicht als gefähr- lich eingestuft • in den öffentlichen Kanal einleitbar 6.3 Einsatz von Frostschutzmitteln bei Niederschlags- messgeräten Sicherheitshinweis: Beim Arbeiten mit Frostschutzmittel müssen die Schutzbrille und Sicherheitshandschuhe getra- POWER COOL DC 924-PXL der Fa. Thermochema GmbH, gen werden! Kontaktlinsen dürfen nicht verwendet werden. A-4460 Losenstein DWD, Abteilung Messnetze und Daten Alle nachfolgend beschriebene Maßnahmen sind im Freien durchzuführen! Beurteilung der Ge¬hrdung und Belastung bei der Ver- • Zu Beginn der Frostperiode ist der Auffangbehälter voll- wendung von DC 924-PXL (Chemischer Name: Monop- ständig zu entleeren. ropylenglykol). • Es wird eine Frostschutzlösung im Verhältnis 1 l Frost- schutzmittel zu 0,1 l Wasser nach folgendem Prinzip her- Angaben zur Kontaminierung gestellt: zunächst bis zu 6 cm Füllstand, entsprechend 1 l, Das POWERCOOL Frostschutz-Konzentrat wird in 5 Liter Frostschutzmittel in den Au¦angbehälter geben. Plastikbehälter angeliefert und auewahrt. Sollte das Mit- • Danach ist Wasser bis zu einem Gesamtfüllstand von tel unbeabsichtigt verschüttet werden sein, besteht Rutsch- 7 cm nachzufüllen (entsprechend 0,1 l Wasser). gefahr und es wird empfohlen Granulat auszustreuen. • Frostschutz nur als wässrige Lösung einfüllen! Niemals in unverdünnter Form verwenden! Kontaminierte Feststo¦e sind in geeignete Entsorgungsbe- hälter zu entsorgen, wässriger Müll ist biologisch abbaubar. Die Frostschutzlösung darf in verdünntem Zustand in die Das Ö¦nen und die Befüllung des PLUVIO-OTT-Au¦angbe- ö¦entliche Kanalisation entsorgt werden. Hierzu ist der In- hälters ¤ndet je nach Standort in der Regel zweimal pro Jahr halt eines Au¦angbehälters mit mindestens 20 l Wasser zu jeweils im Freien statt. vermischen.

Bei der Befüllung des PLUVIO-OTT-Au¦angbehälters muss 6.4 Umgang mit Quecksilber eine Schutzbrille getragen werden, um Augenkontakt zu vermeiden. Falls dennoch ein Augenkontakt vorliegt, ist Herkömmliche Thermometer und Barometer besitzen als das Sinnesorgan sofort mit klarem Wasser mindestens Mess üssigkeit Quecksilber, das normalerweise in eine Ka- 15 Minuten lang auszuspülen. Es ist ein Arzt aufzusuchen, pillare eingeschlossen ist, von dem keine Ge»hrdung aus- wenn Schmerzen, Blinzeln, Tränen oder Rötung andauern. Die geht. Wenn jedoch die Kapillare zu Bruch geht und Quecksil- Gefahr des Verschluckens von POWERCOOL ist unwahrschein- ber auslaufen kann, bildet sich bereits bei Zimmertemperatur lich, falls es dennoch dazu kommt ist ein Arzt aufzusuchen. Quecksilberdampf, der geruchlos, aber sehr giftig ist.

Grundsätzlich sollen nach dem Gebrauch des POWERCOOL Die dabei auftretenden Wirkungen, verursacht durch Ein- die Hände mit milder Seife gewaschen werden. Um mögli- atmen, können viel»ltig sein. Übelkeit, Magenschmerzen, che Gefahren vorzubeugen, stehen die jeweiligen Leiter der Kopfschmerzen, Haarausfall und Zahnlockerungen sind hauptamtlichen Wetterstationen in der P icht, die mit der mögliche Erscheinungen. Aufgabe betreuten Mitarbeiter einmal im Jahr auf die in der Betriebsanweisung aufgelisteten Punkte hinzuweisen. Die maximale Arbeitsplatzkonzentration (MAK) beträgt 0,01 ppm oder 0,1 mg m –3.

230 . MESSNETZE Die o. a. Übersicht entspricht dem derzeitigen Messnetz des DWD. Die Planung des zukünftigen Messnetzes beinhaltet 7.1 Übersicht über das Mess- und Beobachtungsnetz erhebliche Veränderungen bei den Wetterwarten/Wettersta- des DWD am 1.1.2012 tionen hin zu mehr automatischen Stationen ohne Personal.

Das Hauptamtliche Netz besteht aus: Standortkarte • 181 hauptamtliche Wetterwarten und Wetterstationen Die Karte (nicht maßstabsgetreu) zeigt das hauptamtliche 41 davon 24-stündig mit Personal besetzte Wetterwar- Wetterstationsnetz und die Niederlassungen des DWD. ten, darunter 16 Flugwetterwarten an internationalen Hinzu kommen rund 2000 nebenamtliche Stationen in Verkehrs ughäfen ganz Deutschland. Damit verfügt der DWD über eines der 29 davon zeitweise mit Personal besetzte Wetterwarten größten und dichtesten Messnetze weltweit. 111 davon vollautomatische hauptamtliche Wetterstati- onen incl. fünf maritime Wetterstationen

Einige Wetterwarten und Wetterstationen haben zusätz- liche Sonderfunktionen: • 9 mit aerologische Aufstiegen 4 davon vollautomatisch (Autolauncher) 2 davon mit Ozonmessaufstiegen • 117 Stationen mit Strahlungsmessungen 117 davon mit Globalstrahlung 115 davon di¦use Himmelsstrahlung 9 davon atmosphärische Wärmestrahlung • 48 Stationen mit Radioaktivitätsmessungen • 17 Wetterradarstandorte, davon 1 Qualitätssicherungsradar

Daneben unterhält der Geoinformationsdienst der Bun- deswehr: • 35 Bodenwetterstationen, die in einem gemeinsamen Netz integriert sind.

Das nebenamtliche Mess- und Beobachtungsnetz des DWD mit ehrenamtlichen Beobachtern besteht aus: • 1795 ehrenamtlich betreuten Wetterstationen, davon melden 842 Stationen online

Der DWD betreibt außerdem ein Phänologisches Beob- achtungsnetz, bestehend aus: • 1293 phänologischen Beobachtungsstellen 1288 davon phänologische Basismeldestellen 396 davon Sofortmeldestellen 38 davon Rebenmeldestellen 7.2 Stationsnetz im Rahmen von KLIWA in den Bundes- ländern Bayern und Baden-Württemberg Mit diesen Netzen verfügt der DWD einschließlich der 35 Stationen des Geoinformationsdienstes der Bundes- wehr auf dem Land unter anderem über insgesamt: • 514 Stationen mit Temperatur- und Feuchtemessung • 214 Stationen mit Messung des Luftdruckes • 1909 Stationen mit Niederschlagsmessung • 295 Stationen mit Windmessung (68 davon sind in das Sturmwarnnetz integriert) • 303 Stationen mit Messung der Sonnenscheindauer (An weit über 500 Stationen werden mindestens 2 Parameter gemessen.)

Das Maritime Messnetz umfasst ergänzende maritim- meteorologische Stationen: • 2 Bordwetterwarten (Forschungsschiffe Polarstern und Meteor mit DWD-Personal) Quelle: DWD Jahresbericht 2008 • 17 automatische Bordwetterstationen auf Handels- und Behördenschi¦en • 844 Wettermeldestellen auf Handelsschiffen

231 7.3 Solares UV-Monitoring in Deutschland 7.5 Stadtmessnetz Berlin und Messnetz der TU Berlin, Fachgebiet Klimatologie

Messnetz der TU Berlin, Fachgebiet Klimatologie

München: Bundesamt für Strahlenschutz (BfS) Zingst/Langen/Schauinsland: Umweltbundesamt (UBA) Lindenberg: Deutscher Wetterdienst (DWD) Westerland Sylt: Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) Dortmund: Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (BAuA) Kulmbach: Bayerisches Landesamt für Umwelt (LfU) Messnetz Stadt Berlin Rinteln/Norderney: Staatliches Gewerbeaufsichtsamt Hildesheim (GAA-Hi)

7.4 Hessisches Niederschlagsmessnetz des HULG 7.6 Messnetz des Bundesamtes für Seeschifahrt und Hydrographie – BSH

Messnetzstation in Betrieb Messnetzstation außer Betrieb

7.7 Messnetz Lawinenwarnzentrale Bayern

232 7.8 Neues automatisches Niederschlagsmessnetz 7.10 TAWES-Messnetz des Österreichischen Wetter- (DWD und Bayerische Wasserwirtschaft) dienstes

TAWES – Teilautomatisches-Wetter-Erfassungs-System 7.9 Messnetz des Schweizer Wetterdienstes – MeteoSchweiz

233 . DANKSAGUNG

Nach mehr als einem Jahr ist der vorliegende Leitfaden fertig Herr Dr. Lanzinger, DWD, dem ich etliche technische Details gestellt. Eine Unterlage für die Ausbildung als Schwerpunkt verdanke und der im Rahmen der Korrekturlese noch viele war immer in meinem Blickfeld. Nachdem der alte Leitfa- wertvolle Hinweise und Ergänzungen gab. Ich danke ebenso den von 1973 kaum noch Anknüpfungspunkte bot, musste Herrn Enskat, DWD, der mir einen ganzen Nachmittag zur ich mich nach anderen Unterlagen umsehen. Dabei konnte Verfügung stand, ebenso Herrn Pech vom SL-Süd für die zu- ich auf das WIKI-System Messtechnik des DWD zurückgrei- gesandten Unterlagen. Herr Doerschel, DWD, der mir den fen, in dem ich wertvolle Gerätebeschreibungen und Abbil- Beitrag zu den Drehkolbenmanometern lieferte. Herr Buch- dungen fand. Für diese Möglichkeit bedanke ich mich ganz wald, DWD, der mir die ersten Hinweise und Unterlagen zur herzlich. Darüber hinaus erhielt ich von fast allen Firmen, Agrarmeteorologie übermittelte. Bernd Henning, DWD, der die meteorologische Messgeräte in ihrer Produktpalette an- mir seine Unterrichtsunterlagen zur Messtechnik zur Verfü- bieten, sehr schnell und unbürokratisch Unterstützung in gung stellte und die letzte Version des Leitfadens Korrektur Form von Gerätebeschreibungen/Abbildungen und sonsti- las. Klaus Hager, ehemals GeoInfoDBw, der meine ersten gen Unterlagen. Entwürfe kritisch durchlas und mir Unterlagen aus seinem Archiv zur Verfügung stellte. Markus Zygmuntowski, ASZ Daneben möchte ich aber aus dem Bereich des DWD die Da- GeoInfoDBw, der das fast fertige Werk begutachtete und mir men und Herren und aus dem GeoInfoDBw viele (ehemalige) Ratschläge zu wesentlichen Punkten gab. Herr Schädel, der Kolleginnen/Kollegen erwähnen, die mich in unterschied- mir die erforderlichen Informationen und Unterlagen zur lichster Weise bei der Erstellung des neuen Leitfadens un- Marine der BW zukommen lies. terstützten. Ohne festgelegte Rangfolge und Wertigkeit der Unterstützung möchte ich sie namentlich nennen und mich Mein Dank gilt auch Frau P. Kaufmann der Fa. pksatz, Kron- noch mal recht herzlich bedanken, und zwar bei berg, die das Layout erstellte und dabei mit viel Geduld und hilfreichen Hinweisen viele Abbildungen erneut in den Frau Dr. Frühauf, DWD, die mir den fast kompletten Text Text einarbeitete. zum Kapitel 15. Agrarmeteorologie lieferte und mir damit die Arbeit abnahm, mich in die Materie intensiver einar- Abschließend möchte ich auch meiner Frau Ingeborg dan- beiten zu müssen. Frau Walendie, DWD und Andrea Mit- ken, die immer sehr geduldig gewartet hat, bis ich mich scherling, Augsburg, die mir einige Skizzen anfertigten. vom PC loslösen konnte um dann der Familie zur Verfü- gung zu stehen. Herr Zankl, DWD, der mir während der gesamten Zeit als An- sprechpartner zur Verfügung stand, mich dabei immer wieder unterstützte, auch als Lektor wertvolle Ratschläge gab und in seinem Auftrag Herr Freese eine Version Korrektur las.

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