Messgrößen in der Meteorologie

Meteorologische Messungen zum Zwecke der Wettervorhersage und Klimatologie (Klimaforschung) sind seit Jahrhunderten bekannt. Viele der gewonnenen Daten können erst durch statistische Auswertung mittel- und langfristiger Vorgänge in unserer Atmosphäre eine Übersicht brin-gen.

Das Verkehrswesen, z. B. Straßenverkehr, Luft- und Schifffahrt, ist ohne diese Daten heute nicht mehr aufrechtzuerhalten. Die wesentlichen not-wendigen Daten werden durch Messungen und durch Beobachtungen überwiegend in der bodennahen Atmosphäre ermittelt. Die wesentlichen meteorologischen Messgrößen sind hierbei:

Windgeschwindigkeit und Windrichtung Lufttemperatur, Luftdruck, Luftfeuchte Niederschlag Lufttrübung und Luftinhaltsstoffe solare und terrestrische Strahlung

Diese Messgrößen sind heute aber auch für Fragen der Luftreinhaltung, Lawinenwarnung, Sonnensimulation, Energiewirtschaft, Land-, Forst- und Wasserwirtschaft, sowie der Stadt- und Regionalplanung von Bedeu-tung. Die Bewertung und Interpretation von Immissionsmessungen sind nur mit gleichzeitig ermittelten meteorologischen Daten möglich.

Die Struktur der bodennahen Atmosphäre ist dabei für das lokale Klima von besonderer Bedeutung. Die Kenntnis der solaren Strahlung sowie der Luftfeuchte und Lufttemperatur ist notwendig, um Abschätzungen von chemischen Umwandlungen von Luftverunreinigungen durchführen zu können.

Alle meteorologischen Größen unterliegen zeitlichen Schwankungen. Die kurzfristigen Schwankungen von meteorologischen Größen werden in der Regel durch Turbulenzen in der Atmosphäre hervorgerufen. Da alle meteorologischen Größen direkt oder indirekt von der Sonnenstrahlung beeinflusst werden, ergeben sich hier charakteristische Tages- oder Jah-resverläufe. Um Aufschluss über typische Verläufe zu erhalten, sind aus den aktuellen Messwerten in der Regel Mittelwerte, z. B. über einige Mi-nuten, zu bilden.

Für einige meteorologische Größen ist der Tagesverlauf relativ einfach nachzuvollziehen. Die Temperatur folgt im Tagesverlauf normalerweise einer einfachen Welle mit einem Minimum kurz nach Sonnenaufgang und einem Maximum am frühen Nachmittag.

Die räumliche Verteilung der Messgrößen kann im überregionalen Be-reich den Klimaatlanten entnommen werden. Lokale Besonderheiten sind in der Regel durch besondere Messungen zu ermitteln.

Der Jahresgang einer meteorologischen Größe kann durch tägliche Mes-sungen ermittelt werden. Der mittlere Jahresverlauf in einer klimatischen Region wird in der Regel aus mindestens 30 Jahre umfassenden Mess-reihen gewonnen.

Meteorologische Messungen müssen zwangsläufig im Außeneinsatz vorgenommen werden. Die Sensoren und ggf. auch die nachfolgende Elektronik müssen den örtlichen klimatischen Bedingungen standhalten.

In der bodennahen Atmosphäre werden die zeitliche und räumliche Cha-rakteristik der Strahlungswerte stets durch Form und Beschaffenheit der Erdoberfläche beeinflusst. Die wesentlichen Einflussgrößen sind hier:

Bewölkung Nebel Horizonteinengung Luftverunreinigung Albedo

Auf Grund der oben beschriebenen physikalischen Effekte reicht es aber bei vielen Aufgabenstellungen nicht, nur die Globalstrahlung zu messen. Weitere Messaufgaben können die Messung der „direkten Strahlung“, der „diffusen Strahlung“ oder der Strahlungsbilanz sein.

Wie bereits vorher erwähnt, wird die Solarstrahlung, bevor sie auf der Erdoberfläche auftrifft, durch die Atmosphäre unserer Erde und ihre phy-sikalischen Eigenschaften beeinflusst. Einige wesentliche Parameter sind hier die Absorption der verschiedenen Frequenzbereiche in unterschied-licher Stärke, sowie Reflexionen durch unterschiedlichste Phänomene wie z. B. die unterschiedlichen Reflexionseigenschaften von Materialien auf der Erdoberfläche wie Wasser, Eis, Schnee, Stein, Erdboden oder Bewaldung.

Diese Phänomene machen es vor allen Dingen notwendig, für die unter-schiedlichen Messaufgaben auch spezielle, der Aufgabenstellung ange-passte Sensoren zu konzipieren. Wir haben es mit einer sehr komplexen Aufgabenstellung zu tun. Sowohl die verschiedenen Frequenzbereiche (in Schmal- oder Breitbandversionen), als auch die Eigenschaften der Atmosphäre und der Erdoberfläche müssen beachtet werden.

Um für die Entwicklung von Sensoren eine klare Vorgabe zu erhalten, muss zuvor definiert werden, welche Strahlungsgrößen gemessen wer-den sollen, und wie sie definiert sind.

Zu den Grundgrößen im kurzwelligen Spektralbereich gehören: Direkte Sonnenstrahlung S Diffuse Himmelsstrahlung H Globalstrahlung G (=S+H) Reflektierte Globalstrahlung R

Die Grundgrößen des langwelligen Spektralbereiches sind: Atmosphärische Gegenstrahlung A Ausstrahlung der Erdoberfläche E (inklusive reflektierter Gegenstrahlung)

Daraus ergibt sich als Grundgröße des Strahlungshaushaltes für den gesamten Spektralbereich die Differenz zwischen allen empfangenen und abgestrahlten Strahlungsflüssen: Strahlungsbilanz Q (=S+H-R+A-E)

Die wichtigsten abgeleiteten Größen sind demnach:

Kurzwellige Strahlungsbilanz (S+H)-R Albedo (Reflexionsgrad) R/(S+H) Langwellige Strahlungsbilanz A-E Abwärts gerichtete Gesamtstrahlung S+H+A Aufwärts gerichtete Gesamtstrahlung R+E

Diese Grundgrößen repräsentieren die wichtigsten strahlungsklimatolo-gischen Größen, für die entsprechende Sensoren zum Einsatz kommen.

Direkte Sonnenstrahlung

Sensor: PyrheliometerSpektralbereich: 300 nm – 3000 nm Gesichtsfeldwinkel: <5° notwendiges Zubehör: Tracker/Positioner

Diffuse Himmelsstrahlung

Sensor: PyranometerSpektralbereich: 300 nm – 3000 nm Gesichtsfeldwinkel: 180° notwendiges Zubehör: Abschatter

SchattenringSchattenballSchattenscheibeSchattenband

Globalstrahlung

Sensor: PyranometerSpektralbereich: 300 nm – 3000 nm Gesichtsfeldwinkel: 180°notwendiges Zubehör: ---

Reflektierte Globalstrahlung

Sensor: PyranometerSpektralbereich: 300 nm – 3000 nm Gesichtsfeldwinkel: 180° notwendiges Zubehör: Abdeckung für Pyrano-

meterunterseite ggf. spez. Schutzschirm

Atmosphärische Gegenstrahlung

Sensor: Pyranometer und Pyrgeometer

Spektralbereich: 300 nm – 50.000 nm Gesichtsfeldwinkel: 180° notwendiges Zubehör: ---

Ausstrahlung der Erdoberfläche

Sensor: Pyranometer und Pyrgeometer

Spektralbereich: 300 nm – 50.000 nm Gesichtsfeldwinkel: 180° notwendiges Zubehör: Abdeckung für Sensor-

unterseite ggf. spez. Schutzschirm

Strahlungsbilanz

Sensor: Nettostrahlungssensor (Pyranometer + Pyrgeometer)

Spektralbereich: 300 nm – 50.000 nm Gesichtsfeldwinkel: 180° notwendiges Zubehör: ---

All diese meteorologischen Messungen werden vor allen Dingen zum Zwecke der Wettervorhersage, der Klimaforschung, und aus den ande-ren zuvor beschriebenen Gründen durchgeführt.

Aber auch zu Zwecken der Luftreinhaltung sind heute entsprechend der VDI Richtlinie 3786 Messungen zur Beurteilung von Immissionsvorgän-gen und Überwachung der Luftgüte vorgesehen. Man spricht hier von „Umweltmesstechnik“.

Zur Umweltmesstechnik gehört auch die Messung der Globalstrahlung der Sonne, der direkten Sonnenstrahlung und der Strahlungsbilanz.

Mit Hilfe der Daten aus Globalstrahlung und direkter Sonnenstrahlung sowie bestimmter Anteile am Spektrum lassen sich Aussagen über den Gehalt der Luft an gas- oder aerosolförmigen Beimengungen, sowie über die photochemische Bildung von sekundären Luftverunreinigungen ge-winnen. Messungen der Strahlungsbilanz können zur Abschätzung des vertikalen Austausches und der Ausbreitung von Luftbeimengungen verwendet werden.

Ein weiterer Einsatz für Solarsensoren ist die Umweltsimulation. Auch hier wird unter „künstlichen Sonnen“ die Beeinflussung von Materialien ermittelt. Um hier die Messphasen zu verkürzen, werden häufig stark erhöhte Strahlungen angewandt. Dies bedeutet eine besonders überhöh-te Belastung für die Sensoren.

Sensoren, die für diese Zwecke eingesetzt werden sollen, müssen dem-nach Messbereiche erlauben, die weit über den in der Natur maximal möglichen 1,367 kW/m² (Solarkonstante) liegen. Messbereiche von 2000 bis 4000 Watt/m² sind hier durchaus vorzusehen.

Umweltmesstechnik und Umweltsimulation sind derzeit stark wachsende Einsatzgebiete für Strahlungssensoren.

Bei all diesen Messwerten ist nicht nur der augenblickliche Wert der Messgröße von Bedeutung. Als wesentlicher Faktor für die empfangene Energie und der damit zu erwartenden Wirkungen spielt natürlich die Zeit eine entscheidende Rolle.

Aus diesem Grund werden bei fast allen Messgrößen die Tagesverläufe (Tagesgänge) erfasst und für die Ermittlung z. B. der meteorologischen Aussagen ausgewertet.