Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken

Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I

Themen:

Vorlesung 3

Ermittlung des Gebietsniederschlages

Niederschlagsradar

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[mm/h]

[mm/h]

[mm/h]

[mm/h]

Die einfachste Methode zum Übergang vom Stationsniederschlag (Punktniederschlag) auf den Gebietsniederschlag (Flächenniederschlag) ist die Mittelwertbildung in Form des

Arithmetischen Mittels.

hN =1

nåi =1

n

hNi

Gebietsniederschlag

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[mm/h]

Die einfache Mittelwert-bildung ist ausreichend, wenn ein dichtes Mess-stellennetz vorliegt und / oder Angaben für Zeitintervalle in der Größenordnung von Monats- bzw. Jahres-niederschlägen ermittelt werden müssen.

Für kleine Zeitintervalle ist diese Methode nicht zu empfehlen.

Ergebnis:

Arithmetisches Mittel

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Mit der Thiessen-Polygon-Methode werden Einflussflächen für jede Station gebildet.

Dabei wird postuliert, dass der Niederschlag in der Einflussfläche dem Stationsnieder-schlag entspricht.

A1 A2

A3 A4

Thiessen-Polygon-Methode

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Bei der Inverse-Distanz-Methode wird der Flächenniederschlag mit Hilfe einer orthogonalen Rasterbildung und Wichtung der nächst-gelegenen Stations-niederschläge in den vier angrenzenden Quadranten gebildet.

Dabei geht die Entfernung der Nieder-schlagsstation um-gekehrt proportional in die Wichtung ein.

d3

d1

d2 w ij =

1

d ij²

åi =1

4 1

d ij²

hNj = åi =1

4

w i hNi

Inverse-Distanz-Methode

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Isohyetenmethode

Bei dieser Methode werden aus den Angaben der Stationsnieder-schläge Linien gleicher Niederschlagshöhen ( = Isohyeten ) durch den räumlichen Abstand interpoliert.

Der Gebietsniederschlag ergibt sich aus:

Das Verfahren kann orographische Einflüsse und Reliefeffekte (bei der Interpolation) berücksichtigen.

Die Methode ist nicht frei von subjektiven Einflüssen des Bearbeiters.

Zum Einsatz gelangt das Isohyetenverfahren bei der Angabe von Jahresniederschlägen.

ÃAP =1

AE

åi =1

n

P i A i

Isohyetenmethode

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Hypsometrische Kurve

In Einzugsgebieten, bei denen die Variation der Niederschläge über die Geländehöhe größer ist als über die horizontale Ausdehnung, kann eine Auswertung der Gebietsniederschläge mit der Hypsometrischen Kurve erfolgen.

Dafür werden die Wichtungsfaktoren über höhenabhängige Flächenanteile ermittelt.

Die Methode ist ebenfalls stark abhängig von der Erfahrung des Anwenders und nur für lange Niederschlagsdauern zu verwenden [Monats- und Jahresniederschläge]

900

700

500

[m N N ]

N 3

N 1

N 2

[% ]A 1 A 3A 2

Hypsometrische Kurve

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Bildquelle: DWD

Prinzipskizze der Radarmessung

Niederschlagsradar

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DWD Radarverbund

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Pulsvolumen V

Öffnungswinkel = 1°

Pulsvolumenhöhe c*

Radarniederschlagsmessung

PE = C * U² * 1/r² * z [w]

PE = Empfangsleistung

C = Gerätekonstante

U = Rayleighapproximations- Faktor

r = Zielentfernung

Z = Reflektivitätsfaktor

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Mit Hilfe von Niederschlagsmessungen können sowohl qualitative als auch quantitative Angaben zur räumlichen Verteilung von Niederschlägen gewonnen werden.

Aus der Reflexion der rückgestrahlten Energie des Radar lässt sich ein Rückschluss auf die Niederschlagsintensität ziehen.

Z = a I b

Z = Reflektivitätsfaktor ( Radarecho )

I = Niederschlagsintensität [mm/h]

a,b = Parameterkonstanten

b ~ 1,6

a = 140 bei Nieselregen

a = 200 im Mittel

a = 500 bei Gewitter

Radarniederschlagsmessung

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Die Fehlereinflüsse bei der Radarmessung sind im wesentlichen:

die Aggregationszustände des Wassers

die Größe der Niederschlagsteilchen

Radarniederschlagsmessung

L

r r r r rrmax

Radarbin

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Eine Abweichung in der Größenordnung von 20% zu den Niederschlagsintensitäten der Regenschreiber ist eher die Regel als die Ausnahme.

Radarsensoren neigen bei Starkregen zu sehr großen Unterschätzungen der Niederschlagsmengen [Grund dafür sind Dämpfungseffekte]

Radarniederschlagsmessung

L

r r r r rrmax

Radarbin

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Bonner Niederschlagsradar

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Beispiel: Kaltfront

Bildquelle: Prof. Simmer

Beispiel für ein Radarbild einer Kaltfront mit kräftigen Regenschauern.

Die Schauer verlaufen linienförmig über das Einzugsgebiet.

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Beispiel: Kaltfront

Kaltfront Ereignis im Februar.

Die Zugbahn der Front kann im Elevationsscan gut nachvollzogen werden.

Bildquelle: Prof. Simmer

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Bildquelle: DWD

Satellitenaufnahmen (hier METEOSAT) erlauben durch Spektralaufnahmen Rückschlüsse über den Wassergehalt der Wolken und die Temperatur-verhältnisse in den Wolken.

Die geostationären Satelliten (~36.000 km Höhe) messen in drei Spektralbereichen:

Sichtbarer Spektralbereich (0,5 - 0,9 m)

Niederschlagsindex per Satellit

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Bildquelle: EUMETSAT

Wasserdampfabsorbtions-band (5,7 – 7,1 m) zur Bestimmung des Wasserdampfgehaltes in 5 – 10 km Höhe

METEOSAT Satellit

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Infraroter Spektralbereich (10,5 – 12.5 m) zur Temperaturbestimmung in den Wolken

METEOSAT Satellit