Was, wo und wie misst eine Wetterstation? (Teil 3)

Im ersten Teil dieser Serie (veröffentlicht am 21.11.2022) haben wir das Bodenmessnetz des Deutschen Wetterdienstes (DWD) vorgestellt, das aus etwa 200 hauptamtlichen Wetterstationen sowie weiteren ehrenamtlich betreuten Wetter- und Niederschlagsstationen besteht. Heutzutage messen diese Wetterstationen alle vollautomatisch. Im zweiten Teil (veröffentlicht am 27.11.2022) haben wir bereits die Messverfahren von Temperatur, Luftfeuchte, Sichtweite, Luftdruck, Windrichtung und -stärke beschrieben. (Die ersten beiden Teile dieser Serie können Sie hier nachlesen: Teil 1, Teil 2)

Im heutigen Thema des Tages erklären wir die Messverfahren der noch verbleibenden Wetterparameter, die an hauptamtlichen Wetterstationen des DWD mit automatischen Sensoren erfasst werden.

Niederschlagsmenge und -dauer

Der Niederschlagsmesser dient zur Erfassung der Niederschlagsmenge. Wie eine Waage misst er das Gewicht des Niederschlags, der durch eine trichterförmige Öffnung fällt. Dabei entspricht einem Liter Niederschlag pro Quadratmeter (l/m²) 1 mm (flüssiger) Niederschlag. Es wird bei der Messung nicht zwischen der Niederschlagsart (z.B. Regen, Schnee, Hagel) unterschieden. Ein zusätzliches Messgerät, der Niederschlagswächter, erfasst zudem die Dauer des Niederschlags sowie dessen Anfangs- und Endzeit. Er verfügt über eine Infrarotlichtschranke, die hindurchfallende Niederschlagspartikel erkennen kann. Werden zwei Partikel innerhalb von 50 Sekunden erkannt, meldet der Wächter Niederschlag.

Niederschlagsart

Nun weiß man zwar, wann und wieviel Niederschlag gefallen ist, für die Art des Niederschlags ist aber ein weiteres Messgerät erforderlich, der Laser-Niederschlagsmonitor. Dabei handelt es sich um ein optisches Disdrometer, das ein horizontales Infrarotlichtband erzeugt, welches von einer Fotodiode auf der gegenüberliegenden Seite empfangen wird. Fallen Niederschlagsteilchen durch dieses Lichtband, wird das Signal geschwächt. Anhand der Schwächung kann die Größe der Niederschlagsteilchen und anhand der Dauer der Schwächung deren Fallgeschwindigkeit ermittelt werden. Das Messgerät kann also die Größe, Fallgeschwindigkeit und Anzahl der Partikel messen und besitzt zudem einen Temperaturfühler. Aus der Verteilung dieser Messgrößen kann nun auf die Art des Niederschlags geschlossen werden, wobei zwischen Sprühregen, Regen, Schnee, gefrierender (Sprüh-)regen, Schneegriesel/Eisnadeln, Graupel, Hagel, Eiskörnern und Schneeregen unterschieden wird. Diese Zuordnung ist allerdings nicht trivial und oft nicht eindeutig, sodass es in manchen Fällen auch zu fehlerhaften Interpretationen der Niederschlagsart kommen kann.

Schneehöhe

Die Schneehöhe wird mittels einer Laserentfernungsmessung bestimmt. Dazu sendet ein Laser einen kurzen Lichtimpuls aus, der an der Schneeoberfläche reflektiert wird. Da sich Licht mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet, kann aus der zeitlichen Differenz zwischen ausgesendetem Lichtimpuls und empfangenem Signal die Schneehöhe auf einem am Boden ausgelegten Schneebrett ermittelt werden. Die Messung an sich ist zwar sehr genau, allerdings handelt es sich hierbei um eine Punktmessung, sodass mögliche Schneeverwehungen nicht berücksichtigt werden können. Daher kann es bei der automatischen Schneehöhenmessung vor allem bei lockerem Schnee und Wind zu für die Umgebung nicht repräsentativen Messwerten kommen.

Sonnenscheindauer

Die stündliche Sonnenscheindauer (in Minuten) registriert das sogenannte Pyranometer. Ein Sensor tastet kontinuierlich den Himmel ab, wobei eine direkte Sonnenstrahlung den Wert von 120 W/m² überschreiten muss, um als Sonnenschein gewertet zu werden. Bei diesem Wert sind die Sonnenscheibe sowie ein Schattenwurf deutlich erkennbar. Die einfallende Strahlung wird dazu mit einer rotierenden Schlitzblende auf einen Fotodetektor geleitet.

Wolkenuntergrenze und -bedeckungsgrad

Die Wolkenuntergrenze wird mit dem sogenannten Laser-Ceilometer bestimmt. Ähnlich wie bei der Erfassung der Schneehöhe, wird auch die Wolkenuntergrenze mit der Laufzeitmessung eines Laserstrahls ermittelt. Dazu sendet das Ceilometer Laserlichtimpulse aus, die von Wolkentröpfchen zurückgestreut werden. Das zurückgestreute Licht wird auf einer als Empfänger dienenden Fotodiode als elektrisches Signal erkannt. Durch die Dauer zwischen ausgesendetem Laserimpuls und empfangenem zurückgestreuten Signal kann die Höhe der Unterseite der Wolken bestimmt werden. Da die Lichtimpulse auch von anderen Schwebstoffen in der Atmosphäre (z.B. Saharastaub) zurückgestreut werden, kann man mit dem Ceilometer auch die sogenannte Vertikalsicht ermitteln. Wolkenuntergrenze und Vertikalsicht sind v.a. für die Luftfahrt wichtig. Der Wolkenbedeckungsgrad beschreibt den Anteil des Himmels, der von Wolken bedeckt ist. Er wird in Achteln angegeben (0/8: wolkenlos, <1/8: sonnig, 1/8 bis 3/8: leicht bewölkt/heiter, 4/8 bis 6/8: wolkig, 7/8: stark bewölkt, 8/8: bedeckt). Der Bedeckungsgrad wird ebenfalls mit dem Ceilometer anhand der in der vergangenen Stunde detektierten Wolkenschichten geschätzt. Dadurch wird die räumliche Integration, mit der früher ein Wetterbeobachter den Bedeckungsgrad ermittelte, durch eine zeitliche Integration ersetzt. Allerdings ist diese Messmethode fehlerbehaftet, da das Ceilometer lediglich vertikal nach oben blickt. Etwaige stärkere Bewölkung oder Auflockerungen abseits des Blickwinkels können mit dieser Messmethode nicht erfasst werden. Auch eine automatische Auswertung von aufgenommenen Bildern von 180 Grad-Himmelskameras, liefern aktuell noch keine brauchbareren Ergebnisse.

Lufthygiene

Heutzutage haben auch der Feinstaubgehalt der Luft und sonstige Luftschadstoffe an Bedeutung zugenommen. Zu deren Erfassung werden zwei Schadstoffsammler verwendet. Beim sogenannten „Sigma-2-Sammler“ befindet sich eine Staubhaftfolie am Boden des Geräts, die den sedimentierfähigen Grobstaub (> 2,5 Mikrometer) auffängt. Zudem werden Benzol und Stickstoffdioxid (NO2) auf einer chemisch aktiven Oberfläche gesammelt. Beides erfolgt ohne Ansaugen der Luft. Zusätzlich saugt der sogenannte „Mini-Volumen-Sammler“ mit einer Pumpe Luft an, wobei nur Staubpartikel < 2,5 Mikrometer, also der besonders feine Feinstaub (PM2,5), durchgelassen und auf einem Glasfaserfilter abgeschieden wird. Die Haftfolien und Filter werden wöchentlich gewechselt und anschließend im zentralen lufthygienischen Labor des DWD in Freiburg analysiert. Durch die Schwärzung der Filter wird außerdem der Rußanteil ermittelt. So kann die wöchentliche Konzentration der genannten Stoffe überwacht werden.

Dr. rer. nat. Markus Übel (Meteorologe)
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 13.12.2022

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