Meteorologiepraktikum 2001

Meteorologiepraktikum 2001
Betreuung/ Lehrender: Dr. Valeri Goldberg
Fakultät Forst-, Geo-, Hydrowissenschaften
Institut für Hydrologie und Meteorologie
Mitwirkende:
Ulrike
Bischoff,
Sylvia
Bochmann, Franziska Göbel, Katharina
Fricke, Dirk Lorenzen, Kathrin Maltzahn,
Stefanie Melzer, Stefan Mösner, Anke
Mühlpfort, Dunja Richter, Ralf Pahlisch,
Stephanie Peschek, Sebastian Rink, Swantje
Schrödel, Frank Spiller, Christiane Tietze,
Susanne Winkler
1. Grundlagen............................................................................................................. 2
1.1. Lage, Ausrichtung und Oberfläche des Untersuchungsgebietes ..................... 2
1.2.Großwetterlage ................................................................................................. 2
1.3. Meßgeräte........................................................................................................ 3
2. Versuche ................................................................................................................ 5
2.1.a. Albedo und Strahlungsbilanz über unterschiedlichen Oberflächen ............... 5
Hypothese............................................................................................................... 5
2.1.b. Vergleich der kurzwelligen Einstrahlung und der Strahlungsbilanz ............... 8
im Wald und im Freiland ......................................................................................... 8
2.1.c. Messung der Strahlungsflussdichte in Abhängigkeit der Geländeneigung. 10
2.2.a Vergleich - Temperatur Wald/ Freiland ........................................................ 14
2.2.b Vergleich - Dampfdruck Wald/ Freiland....................................................... 15
2.3. Windgeschwindigkeit...................................................................................... 17
2.4. Verdunstung über Gras.................................................................................. 22
3. Quellen ................................................................................................................. 24
1
1. Grundlagen
1.1. Lage, Ausrichtung und Oberfläche des Untersuchungsgebietes
Das Untersuchungsgelände befindet sich im Weißeritztal bei Tharandt, mit
Talsohlenverlauf in Nord-Süd Richtung. Die Messungen wurden direkt auf
Talsohlenniveau vorgenommen. Die Talsohle zeigt in diesem Bereich ein nur
schwaches Gefälle. In nördlicher Richtung mündet das Tal orthogonal in ein anderes
in Ost-West verlaufendes Tal.
Die Höhe der Talsohle liegt bei ca. 300 m über NN.
Breite: ca. 50°Nord
Länge: ca. 13°Ost
Die Hänge des Weißeritztals haben eine Neigung von ca. 40 Grad und sind mit Wald
bestanden. Die Weißeritz (ca. 8m breit) fließt unweit des Messstandortes.
Die Talsohle ist im Siedlungsbereich zum Teil versiegelt und durch lockere Bebauung
gekennzeichnet, daneben liegen Gartenflächen, Rasen und andere mit Vegetation
bedeckte Bereiche.
Oberflächenbeschaffenheiten in der Umgebung des Standortes:
• Allseitig Häuser, Vegetationsflächen und Verkehrsflächen, Wasserfläche der
Weißeritz.
• Keine größere freie kaltluftproduzierende Fläche in der unmittelbaren Umgebung.
Es wurden Messwerte aufgenommen über:
•Gras
•Asphalt
•Kies
•Getreideversuchsfeld
•Brachlandversuchsfeld
1.2.Großwetterlage
Große Gegensätze bestimmten den Wetterverlauf der vergangenen Tage: Wärend
am Freitag und vor allem am Samstag noch warme und zunehmend schwüle
Mittelmeerluft von Südwesten heranwehte, näherte sich von Nordwesten her eine
Kaltfront, die erheblich kühlere Atlantikluft mit sich führte. An der Grenze dieser
beiden Luftmassen entstanden am Samstag massive Gewitter, die mit Starkregen
von teils über 40 Litern pro Qudratmeter, örtlichem Hagel und imposanten
Böenwalzen über's Land zogen. Sie erreichten in den Abendstunden auch den Osten
Deutschlands, hinter ihnen fielen die Temperaturen in kürzester Zeit von um die 30
auf 14 bis 17 Grad. Am Sonntag sorgte zunehmender Hochdruckeinfluss von Westen
2
her allgemein wieder für Wetterberuhigung, nur im Osten und Südosten hielten sich
noch starke Wolkenfelder.
Am Montag ist es westlich der Elbe schon wieder zunehmend heiter bis wolkig und
bei nur noch schwachem Nordwestwind steigen die Thermometer wieder auf
angenehme 22 bis 25, im Südwesten sogar 28 Grad. Im Nordosten treibt der
zunächst noch mässige Nordwestwind tiefe Wolken bis ins Landesinnere aus denen
hie und da auch etwas Sprühregen fallen kann. Erst am Nachmittag setzt sich auch
hier langsam die Sonne durch, zugleich reisst der Nachschub an Kaltluft aus Norden
ab und aus Südwesten kann sich etwas wärmere Luft durchsetzen. So werden am
Rhein schon wieder Höchstwerte um 20 Grad erreicht, nur im Osten bleibt es noch
ziemlich frisch.
Montag, 02. Juli 2001, 12.00 Uhr von Roland Schmidt
1.3. Meßgeräte
In diesem Abschnitt werden die benötigten Meßgeräte beschrieben.
Strahlungmessung
Ein Albedometer und ein Pyrradiometer wurden für die Strahlungsmessungen
verwendet, welche die Strahlungsintensität elektrmagnetischer Strahlung messen.
Zwei parallel montierte schwarze Plättchen absorbieren Strahlung und erhitzen sich
bis zu einem Gleichgewichtswert. Der Temperaturunterschied zwischen Plättchen
und Umgebung erzeugt eine elektrische Spannung, welche mit einem Voltmeter
gemessen wird. Anhand der Eichkurve kann die Strahlungsintensität abgeleitet
werden.
Die Messgeräte unterscheiden sich dadurch, daß der Pyrradiometer durch die
Kunststoffabdeckung kurz- und langwellige Strahlung adsorbiert und der
Albedometer durch die Glasabdeckung nur kurzwellige Strahlung. Somit ermittelt
man mit dem Pyrradiometer die Strahlungsbilanz R , indem die Differenz der
Messung aus dem oberen Halbraum und dem unteren Halbraum gebildet wird.
Beim Albedometer wird oberhalb die eintreffende Strahlungsintensität gemessen und
unterhalb die vom Boden reflektierte Strahlung. Die Albedo des Untergrunds
errechnet sich aus der Differrenz beider.
Während des Meßvorgangs ist darauf zu achten, daß Verschattung und
Beeinflussung durch den Messenden vermieden werden.
Windmessung
Zur Messung der Windgeschwindigkeit wurde ein Schalenkreuzanemometer genutzt.
Diese bestehen aus einem drei- oder vierzackigem Stern, welcher um eine Achse
rotiert. An jeder Zacke sitzt eine halbkugelförmige offene Schale, die bei
auftreffendem Wind durch entstehenden Unterdruck bewegt wird. Die
Rotationsgeschwindigkeit ist abhängig von der Windgeschwindigkeit. Die am
Praktikumstag verwendeten Geräte bildeten das Mittel, der in einer Minute
auftreffenden Windgeschwindigkeiten. Trägheit und Reibung sind mit einem Wert von
3
0,1 m/s vernachlässigbar. Beim Messen ist darauf zu achten, das die Geräte hoch
und abseits von Windschattenbereichen gehalten werden.
Temperaturmessung
Am Tag des Praktikums verwendeten wir ein Flüssigkeitsthermometer, welches auf
der Volumenausdehnung von Flüssigkeit bei Temperaturerhöhung basiert. Auf einer
geeichten Skala liest man den Betrag in Kelvin bzw. Grad Celcius ab.
Während der Messung ist das Thermometer frei von zusätzlicher Beschattung und
Einstrahlung zu halten. Zusätzliche Strahlung kann den Wert um + 5 K erhöhen und
somit verfälschen.
Feuchtemessung
Verwendet wurde hierbei das Aspirations-Psychrometer nach Aßmann, welches in
Brust- oder Schulterhöhe über der zu messenden Oberfläche gehalten wird. Es
besteht aus zwei baugleichen Thermometern, wobei eines der beiden Thermometer
von einem saugfähigem Gazestrumpf umhüllt ist, der ständig mit destilliertem Wasser
befeuchtet wird.
Durch einen Ventilator wird ein konstanter Luftstrom erzeugt, welcher beide
Thermometer umströmt. Dieser Luftstrom läßt Wasser aus dem Strumpf verdunsten
und entzieht der umgebenden Luft dadurch Wärme (Verdunstungskälte). Die
Temperatur am befeuchteten Thermometer sinkt, bis ein stabiles Gleichgewicht aus
Wärmeverlust und Wärmezufluß erreicht ist. Je feuchter die Luft, desto niedriger die
Verdunstungsrate und desto niedriger die sich einstellende Temperaturdifferenz
beider Thermometer. Nun ermittelt man anhand der Eichkurve des Instruments die
Luftfeuchte der Umgebungsluft.
4
2. Versuche
2.1.a. Albedo und Strahlungsbilanz über unterschiedlichen Oberflächen
Definition Albedo und Strahlungsbilanz
Die Albedo gibt an, welcher Anteil der Globalstrahlung an Oberflächen reflektiert
wird. Sie wird in % angegeben. Je höher die Albedo, desto mehr Strahlung wird
reflektiert.
Die Strahlungsbilanz ergibt sich aus der Strahlungsbilanzgleichung:
Rn= RS + RD – a (RS + RD) – RE + RA
Strahlungsbilanz = Globalstrahlung – Reflexstrahlung – terrestrische + atmosphärische Strahlung
Sie ist eine Energieflußdichte und wird in W/m² angegeben.
Hypothese
Die Messungen erfolgen über 6 unterschiedlich beschaffenen Oberflächen und
werden deshalb unterschiedliche Albedowerte aufweisen. Je dunkler bzw.
strukturierter die Oberfläche beschaffen ist, desto kleiner die Albedo.
Für den von uns untersuchten Wellenlängenbereich von 0.3 µm-3 µm (kurzwellige
(Sonnen)Strahlung) finden sich in der Literatur folgende Werte:
Gras (lang)1
Gras (kurz)1
Ackerflächen1
Wasser (kleiner Zenitwinkel = mittags)1
Boden unbedeckt (Schotterweg)1
Asphalt2
16%
26%
18-25%
3-10%
5-40%
5-20%
Da die Werte z.T. große Schwankungsbereiche aufweisen, ist eine genauere
Vorhersage über die Rangfolge der Albedowerte nicht möglich. Die Werte für
Wasser, Boden (Schotterweg) und Asphalt werden aber vermutlich deutlich unter
denen für Gras und Ackerfläche liegen.
Nach der Strahlungsbilanzgleichung:
Rn = RS + RD – a (RS + RD) – RE + RA
muß die Strahlungsbilanz unter der Annahme, daß RE und RA (langwellige Strahlung)
über allen Flächen gleich sind, größer werden, wenn die Albedowerte kleiner werden.
Legt man die Literaturwerte zu Grunde müßte die Strahlungsbilanz für Wasser,
Boden, Schotterweg und Asphalt deutlich über der für Gras und Ackerfläche liegen.
Versuchsaufbau
1
Oke, 1987
2
Threlkeld, 1962
5
Die Messungen erfolgten über den 6 verschiedenen Oberflächen Gras, kurz; Gras,
lang; Maisfeld; Schotterweg; Asphalt auf horizontalen Bezugsflächen. Alle
Messungen fanden im Zeitraum von 13.52-15.07 Uhr statt. Bestimmt wurden die
Globalstrahlung und die Reflexstrahlung im kurzwelligen Bereich (0.3-3 µm) mithilfe
eines Pyranometers (Typ CM 11, Kipp & Zonen). Die Strahlungsbilanz wurde mit
einem Pyrradiometer (Typ NR light, Kipp & Zonen) gemessen. Für jede Oberfläche
wurden drei Messungen durchgeführt, aus den Meßergebnissen wurde der Mittelwert
gebildet. Die Albedo ergibt sich aus dem Quotienten von Reflexstrahlung und
Globalstrahlung.
Meßergebnisse
Oberfläche/
Messung
Gras (lang)
1
2
3
Mittelwert
Gras (kurz)
1
2
3
Mittelwert
Maisfeld
1
2
3
Mittelwert
Schotterweg
1
2
3
Mittelwert
Asphalt
1
2
3
Mittelwert
Wasser
1
2
3
Mittelwert
Globalstrahlung
W/m²
Reflexstrahlung
W/m²
Albedo
%
Strahlungsbilanz
W/m²
289
249
283
274
59
54
51
55
20,4
21,9
18,2
21,2
566
479
580
542
69
88
91
83
10
32
12
18
14,7
36,1
12,7
21,2
116
218
218
184
102
88
62
84
10
8
3
7
9,2
7,4
3,5
6,7
181
145
22
116
(7)
275
297
286
(0)
29
25
27
(0)
10,5
8,5
9,5
(80)
638
587
613
62
51
47
53
11
6
4
7
17,6
8,6
7,7
11,3
73
58
44
58
64
51
51
55
2
8
3
4
2,3
12,7
4,3
6,4
138
124
124
129
Auswertung
Die ermittelten Albedowerte für die unterschiedlichen Oberflächen unterscheiden
sich, wie erwartet.
6
Die Grasflächen weisen tatsächlich die höchsten Albedowerte auf. Die Werte
unterscheiden sich nur geringfügig voneinander, was wahrscheinlich auf den relativ
geringen Höhenunterschied des Grasbewuchses zurückzuführen ist. Die Angaben in
der Literatur für „Gras lang“ beziehen sich vermutlich auf Grasbestände mit größerer
Wuchshöhe als im Untersuchungsgebiet (z. B. Steppengrasfluren). Daher ist die
ermittelte Albedo-Differenz geringer, als die in der Literatur angegebene.
Die Albedo des Maisfeldes liegt deutlich unter dem prognostizierten Wert. Dies ist
vermutlich auf die geringere Bodenbedeckung durch die Maispflanzen
zurückzuführen. Die Meßwerte gleichen denen von unbedecktem Boden.
Die übrigen Ergebnisse fallen in den Schwankungsbereich der in der Literatur
angegebenen Albedowerte.
Oberfläche
Gras, lang
Gras, kurz
Maisfeld
Schotterweg
Asphalt
Wasser
Gemessene Albedo in %
20,2
21,2
6,7
9,5
11,3
6,41
Literaturwert in %
16
26
18-25
5-40
5-20
3-10
Die ermittelten Strahlungswerte (Globalstrahlung, Reflexstrahlung) sind relativ
niedrig. Im Vergleich dazu wurden an einem wolkenlosen Tag (19. 06. 2000, um die
gleiche Tageszeit) Werte von über 800 W/m² im Freiland und zwischen 18 und 46
W/m² im Bestand für die Globalstrahlung gemessen. Die Ursache dafür könnte die
starke Bewölkung und die Lage des Untersuchungsgebietes in der Talsohle gewesen
sein. Auch ein Einfluß des angrenzenden Bestandes ist nicht auszuschließen
(Verschattung).
Da
die
Messungen
zeitlich
nacheinander
erfolgten
und
sich
die
Strahlungsverhältnisse ständig änderten sind die Strahlungsbilanzwerte nicht so
ohne weiteres vergleichbar. Die Werte für die Strahlungsbilanz sind immer höher als
die Globalstrahlung. Dies deutet darauf hin, daß die atmosphärische Gegenstrahlung
zum Messungszeitpunkt größer als die Globalstrahlung war, was nur auf die
wechselnde Bewölkung zurückzuführen sein kann (zeitverzögerte Reaktion der
Oberfläche).
Die langwellige Abstrahlung ist nicht, wie in der Hypothese angenommen über allen
Oberflächen gleich, sondern variiert in Abhängigkeit von der Oberflächentemperatur.
Stärker aufgeheizte Oberflächen strahlen stärker ab. Diese Beziehung wird im
Stefan- Boltzmann-Gesetz wiedergegeben.
Die Strahlungsbilanz des Maisfeldes ist niedriger als die des kurzen Grases, weil die
Albedo des Maisfeldes kleiner, die Reflexion der kurzwelligen Strahlung geringer und
damit die Aufheizung und Abstrahlung höher ist.
Schotter erwärmt sich stärker als Gras (Taubildung, Transpiration), strahlt mehr ab,
die Strahlungsbilanz ist kleiner.
Asphalt heizt sich von allen untersuchten Oberflächen am stärksten auf und strahlt
am stärksten ab – in Folge davon ist seine Strahlungsbilanz am niedrigsten.
Demgegenüber hat Wasser eine hohe Wärmekapazität, erwärmt sich nicht so schnell
und strahlt daher weniger ab – die Strahlungsbilanz ist höher.
Da die betrachteten Objekte unterschiedliche Wärmekapazitäten aufweisen, sollten
die Messungen generell über einen längeren Zeitraum erfolgen.
7
Fehleranalyse
Die Meßbedingungen waren aufgrund der ungünstigen Bewölkungssituation nicht
optimal. Der Meßfehler beträgt +/- 5% zuzüglich 2% Fehler des Ablesegerätes. Dies
ergibt einen relativen Fehler von 7%. Auf eine statistische Fehleranalyse wird
aufgrund der geringen Zahl von Messungen verzichtet.
2.1.b. Vergleich der kurzwelligen Einstrahlung und der Strahlungsbilanz
im Wald und im Freiland
Hypothese
Es wird vorausgesagt, dass die Strahlungsbilanz im Wald niedriger ist als im
Freiland.
RN(Wald) < RN(Freiland)
Begründung
Die Strahlungsbilanz (RN) ergibt sich aus der Globalstrahlung (RG) und der
reflektierten Strahlung a(RS + RD). Die Globalstrahlung ist die Summe aus der
diffusen (RD) und direkten (RS) kurzwelligen Einstrahlung.
RN = RS + RD - a(RS + RD)
Unter der Annahme, dass das Reflexionsvermögen (Albedo) des Waldbodens gleich
dem des Freilandbodens ist (aWald = aFreiland), wird die Strahlungsbilanz um so größer
je größer die kurzwellige Einstrahlung ist. Im Bestand sind deutlich niedrigere Werte
für die kurzwellige Einstrahlung zu erwarten, aufgrund der Verschattung des Bodens
durch das Kronendach. Daraus folgt auch eine deutlich geringere Strahlungsbilanz.
Die Prozentwerte dürften für die kurzweilige Einstrahlung und für die
Strahlungsbilanz gleiche Werte annehmen.
Versuchsaufbau
Es konnten keine eigenen Meßreihen aufgenommen werden, aufgrund der
ungünstigen Wetterbedingungen. Deshalb wurde auf vorhandene Meßdaten des
Institutes für Meteorologie der TU Dresden zurückgegriffen. Es wurde die von der
Sonne ausgehende kurzwellige Strahlung (0,3µm - 3µm) und die Strahlungsbilanz für
die Wald – und die Freilandsituation gemessen. Weiterhin wurde der Prozentsatz der
Waldwerte in Bezug auf das Freiland errechnet. Aus je 7 gewählten Meßwerten a 2h
wurde ein Mittelwert über den Tag gebildet.
8
Meßwerte
Messung
Zeit
1
2
3
4
5
6
7
Freiland
Freiland
Wald
Wald
Wald/Freiland
Wald/Freiland
RG (W/qm)
RN (W/qm)
RG (W/qm)
RN (W/qm)
RG (%)
RN (%)
19.6.00 7:59
19.6.00 9:59
19.6.00 11:59
19.6.00 13:59
19.6.00 15:59
19.6.00 17:59
19.6.00 19:59
517,28
790,82
920,01
860,34
630,35
313,38
26,82
579,86
Mittel
338,43
590,74
707,61
652,23
446,38
169,91
-74,96
404,33
23,74
39,91
36,89
46,51
21,65
4,36
0,43
24,78
25,18
42,21
23,98
43,24
28,98
14,96
11,63
27,17
4,59
5,05
4,01
5,41
3,43
1,39
1,59
3,64
7,44
7,15
3,39
6,63
6,49
8,80
-15,51
3,48
Diagramm
Vergleiche der Globalstrahlung und Reflexstrahlung im Wald und Freiland
50,00
40,00
30,00
Wald RG (W/qm)
20,00
10,00
Reflexstrahlung
Wald RN - RG
(W/qm)
0,00
-10,00
1
2
3
4
5
6
7
-20,00
Abb. 1
1000,00
800,00
600,00
Freiland RG (W/qm)
400,00
Reflexstrahlung
Freiland RN - RG
(W/qm)
200,00
0,00
-200,00
1
2
3
4
5
6
7
-400,00
Abb. 2
Vergleich der Strahlungsbilanzen von Wald und Freiland
9
800,00
700,00
600,00
500,00
400,00
Freiland RN (W/qm)
300,00
Wald RN (W/qm)
200,00
100,00
0,00
1
-100,00
2
3
4
5
6
7
-200,00
Abb. 3
Auswertung
15,00
10,00
5,00
0,00
1
-5,00
2
3
4
5
6
7
Wald/Freiland RG (%)
Wald/Freiland RN (%)
-10,00
-15,00
-20,00
Abb. 4
Die kurzwellige Strahlung und die Strahlungsbilanz im Wald betrugen jeweils 4% im
Vergleich zum Freiland (siehe Abb.4).
Die Messergebnisse bestätigen die Hypothese (siehe Abb.3).
2.1.c. Messung der Strahlungsflussdichte in Abhängigkeit der Geländeneigung
Hypothese
Die Strahlungsflussdichte ist abhängig von dem Einfallswinkel der Sonne gegenüber
der Geländeneigung. Sie erreicht ihr Maximum, wenn die Hangneigung und der
Einfallswinkel der Sonne 90 Grad betragen. Die Strahlungsflussdichte ist am größten,
wenn die Fläche senkrecht zur Strahlung orientiert ist.
10
Begründung
Als Strahlungsflussdichte (Io) wird die Strahlungsenergie bezeichnet, welche pro
Sekunde und Flächeneinheit durch die Fläche hindurchgeht. Es gilt das Lambertsche
Kosinusgesetz.
I = Io*cosδ
Zenitstrahl und Sonnenstrahl schließen den Zenitwinkel ein. Die Summe aus
Sonnenhöhe und Zenitwinkel beträgt 90 Grad.
Die Strahlung auf Südhänge ist höher als die auf Nordhänge. Im Winter weisen
senkrechte Flächen eine höhere Strahlungsdichte auf als waagerechte.
Versuchsanordnung
Für die Ermittlung der Strahlungsflussdichte in Abhängigkeit von der
Geländesituation hätten folgende Messgrößen erhoben werden müssen:
Strahlungsflussdichte
auf
verschiedenen
geneigten
Hangflächen
und
Globalstrahlung.
Der Versuch konnte aufgrund der ungünstigen Wetterbedingungen nicht
durchgeführt werden, deshalb ist eine genaue Beschreibung der Versuchsanordnung
nicht möglich.
11
Meßwerte
Die Sonnenhöhe für den 170. Kalendertag) und die Globalstrahlung auf verschieden
geneigten Osthängen wurden aus Goldberg (2000) entnommen.
Messung
Sonnenhöhe Zeit
in deg
1
0,00
2
1,74
3
17,00
4
36,50
5
54,00
6
65,00
7
54,00
8
36,50
9
17,00
10
1,74
11
0,00
12
0,00
Neigung
Globalstrahlung
Osthang
RG (W/qm) 90
2,00
90,00
0,00
4,00
90,00
1,91
6,00
90,00
460,60
8,00
90,00
676,13
10,00
90,00
499,87
12,00
90,00
120,00
14,00
90,00
114,24
16,00
90,00
97,45
18,00
90,00
62,18
20,00
90,00
0,00
22,00
90,00
0,00
24,00
90,00
0,00
Messung
Globalstrahlung
RG (W/qm) 60
2,00
0,00
4,00
1,67
6,00
482,57
8,00
810,39
10,00
767,33
12,00
478,84
14,00
99,40
16,00
94,07
18,00
71,98
20,00
0,00
22,00
0,00
24,00
0,00
Sonnenhöhe Neigung
Zeit
in deg
Osthang
1
0,00
60,00
2
1,74
60,00
3
17,00
60,00
4
36,50
60,00
5
54,00
60,00
6
65,00
60,00
7
54,00
60,00
8
36,50
60,00
9
17,00
60,00
10
1,74
60,00
11
0,00
60,00
12
0,00
60,00
Messung
Sonnenhöhe Neigung
Zeit
in deg
Osthang
1
0,00
30,00
2
1,74
30,00
3
17,00
30,00
4
36,50
30,00
5
54,00
30,00
6
65,00
30,00
7
54,00
30,00
8
36,50
30,00
9
17,00
30,00
10
1,74
30,00
11
0,00
30,00
12
0,00
30,00
Globalstrahlung
RG (W/qm) 30
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
12,00
14,00
16,00
18,00
20,00
22,00
24,00
0
0,98
391,91
753,62
859,79
741,53
474,16
174,94
79,16
0
0
0
12
Diagramm
1000,00
900,00
800,00
700,00
600,00
RG (W/qm) 90 Grad
500,00
RG (W/qm) 60 Grad
400,00
RG (W/qm) 30 Grad
300,00
200,00
100,00
22
19
16
13
10
7
4
1
0,00
Abb.5 Vergleich der Globalstrahlung (Osthang 90, 60, 30 Grad) im Tagesverlauf
Auswertung
Die Darstellung der Abhängigkeit zwischen Hangneigung und Strahlungsflussdichte
ist, aufgrund der unvollständigen Daten nicht möglich.
Fehlerbetrachtung der Versuche 1b,c
Im folgenden wird eine kurze Fehlerbetrachtung durchgeführt, die die Fehlergrenzen
der verwendeten Messgeräte wiedergibt und die Folgefehler mit einbezieht.
Es wird keine ausführliche statistische Fehlerrechnung vorgenommen. Der
Messfehler der Strahlungsmessgeräte wird mit 5 % zuzüglich 2 % Fehler des
Ablesegerätes angenommen.
13
2.2.a Vergleich - Temperatur Wald/ Freiland
Hypothese 1
Die Temperatur ist an einem normalen Strahlungstag im Wald geringer
Freiland.
als im
Begründung
Im Wald erfolgt im Kronenbereich die Schicht des stärksten Strahlungsumsatzes,
also der eingestrahlten überwiegend kurzwelligen Energie (Globalstrahlung) in
latente Wärme- (Verdunstungs-)energie, fühlbare Wärme und chemische Energie. D.
h. im Wald wird die Strahlung bereits im Kronenbereich absorbiert und reflektiert. Im
Freiland geschieht das erst am Boden. Die Temperatur der darüberliegenden
Schichten erhöhen sich durch die Abstrahlung des Bodens. Die wärmere Luft steigt
aufgrund der geringeren Dichte auf. Diese Vorgänge laufen im Wald bereits im
Kronenbereich ab. Die Messungen erfolgten jedoch erst unter diesem Bereich,
während die Messungen im Freiland darüber erfolgten. Die Strahlungsumsetzung auf
dem Waldboden ist wesentlich geringer als im Freiland. Daraus ist zu schlußfolgern,
daß die Temperatur im Wald geringer ist als im Freiland.
Versuchsanordnung
Die Ermittlung der Temperatur wurde bei jeweils fünf Messungen im Wald und im
Freiland mit zwei Assmann - Psychrometern durchgeführt. Die Messungen erfolgten
jeweils gleichzeitig. Nach jeder zweiten Messung wurden die Geräte getauscht, um
so mögliche Gerätefehler gering zu halten. Der Gazestrumpf des
Feuchtethermometers wurde wieder befeuchtet.
Meßgerät
Die Messungen wurden mit dem Assmanschen Aspirationspsychrometer
durchgeführt. Es besteht aus zwei ventilierten Thermometern in einem Gehäuse, das
zur Abschirmung der Bestrahlung dient. Ein Thermometer ist mit einem befeuchteten
Gazestrumpf umgeben. Daran verdunstet die vorbeigeführte Luft Wasser von der
Oberfläche und verbraucht dabei Wärme, die sie dem Thermometer entzieht. Je
trockener die Luft desto größer ist der Wärmeverlust durch Verdunstung und folglich
die Temperaturdifferenz zwischen dem trockenem und dem feuchten Thermometer.
Meßwerte
Meßzeit: 14.35 Uhr - 15.00 Uhr
Messnummer
1
2
3
4
5
Mittel
Temperatur im Wald (°C)
23
22,4
22,4
22,4
22,2
22,36
Temperatur im Freiland (°C)
24,5
23,8
25,5
24,8
24,6
24,58
14
Auswertung
Die Messungen bestätigen die aufgestellte Hypothese. Das Mittel der Temperatur im Wald
liegt um ca. 2° C unter dem Freilandwert. Die schwankenden Werte (besonders im Freiland)
könnte an den wechselnden Strahlungsverhältnissen während der Messungen liegen. Fehler
an den Messgeräten sind nicht auszuschließen. Durch das Wechseln der Geräte zwischen
Wald und Freiland wurden diese zu minimieren versucht.
2.2.b Vergleich - Dampfdruck Wald/ Freiland
Hypothese
Der Dampfdruck im Wald ist höher als im Freiland.
Versuchsanordnung
Die Messung erfolgt im gleichen Gang wie die vorhergehende. Jeweils beide Thermometer
der zwei Geräte messen gleichzeitig. Dabei verdunstet die am Feuchtethermometer
vorbeigeführte Luft Wasser von der Oberfläche. Dabei wird Wärme verbraucht, die sie dem
Thermometer entzieht.
Begründung
Im Wald herrscht gegenüber dem Freiland eine größere Luftfeuchte, durch die Transpiration
der Baumschichten im Wald. Weiterhin ist die Verdunstung Im Wald geringer als im Freiland.
Verdunstungsmindernd wirken die geringere Temperatur im Wald gegenüber dem Freiland
und die geringere Strahlung.
Meßungen
Meßzeit 14:35-15:00
Sättigungsdampfdruck: es = 6,1078 exp (17,2694 * T / (237,3 + T), [hPa]
Dampfdruck:
e = es (Tf) – γ * (T – TF), [hPa]
Messnummer
1
2
3
4
5
Temperatur im Wald (°C)
23
22,4
22,4
22,4
22,2
Mittel
22,36
Feuchtetemperatur im Wald (°C) 17,8
17,2
17,4
19,2
19
18,2
Temperatur im Freiland (°C)
24,5
23,8
25,5
24,8
24,6
24,58
Feuchtetemperatur im Freiland
(°C)
20
19,8
21,4
18
18,8
19,6
Diagramm
30
Temperatur im Wald (°C)
25
Feuchtetemperatur im Wald
(°C)
20
15
Temperatur im Freiland
(°C)
10
5
Feuchtetemperatur im
Freiland (°C)
0
1.M.
2.M.
3.M.
4.M.
5.M.
Mittel
15
Berechnung
Messnummer
Sättigungs-dampfdruck
Wald (hPa)
1
22,4
2
20,1
3
20,3
4
20,4
5
20,1
Mittel
20,7
Dampfdruck
Wald (hPa)
SättigungsDampfdruck Freiland
(hPa)
12,7
12,1
12,4
15,1
14,9
13,4
23,2
22,2
24,4
37,5
23,1
26,1
Dampfdruck
Freiland (hPa)
15,3
15,3
17,1
19,1
13,4
14,64
Diagramm
40
SättigungsdampfdruckWald (hPa)
35
30
DampfdruckWald (hPa)
25
20
SättigungsDampfdruckFreiland
(hPa)
DampfdruckFreiland
(hPa)
15
10
5
0
1.M.
2. M.
3. M.
4.M.
5.M.
Mittel
Auswertung
Die Hypothese wird durch die Messwerte nicht bestätigt.
Fehlerquellen können auf der einen Seite ungenaue bzw. fehlerhafte Temperaturmesswerte
sein, welche die Grundlage zur Errechnung des Dampfdruckes sind. Auf der anderen Seite
könnte die Ortswahl Fehlergrundlage sein, da die Messung im Wald eher am Rand stattfand,
wo der mikroklimatische Einfluss der Bäume nicht so ausgeprägt ist.
Berechnung
Relative Feuchte [%]:
r = e/ es * 100
Messung
1
2
3
4
5
Mittel
Relative
Feuchte Wald
[%]
60
60
61
74
74
65,8
Relative
Feuchte
Wald [%]
66
69
70
51
58
62,8
16
2.3. Windgeschwindigkeit
Hypothese 1
Die Windgeschwindigkeit im Wald ist geringer als über dem Wald.
Begründung
Die Windgeschwindigkeit wird im Bestand durch die Belaubung, die Stämme und den
Saum gebremst.
Versuchsanordnung
Es wurden an jeweils zwei Tagen, 06.11. und 07.11.1995, halbstündlich über den
Tag verteilt, Messungen am Turm der Ankerstation Tharandter Wald durchgeführt.
Dabei wurde die Windgeschwindigkeit unterhalb der Baumkrone bei 17,5 m und
oberhalb des Bestandes bei 42 m durchgeführt.
Meßwerte
Windgeschwindigkeit im Bestand (m/s)
Windgeschwindigkeit über dem Bestand (m/s)
06.11.95
0,82
6,08
07.11.95
0,82
5,48
Mittel
0,82
5,78
Diagramm
Windgeschwindigkeit
7
6
v in m/s
5
4
3
2
1
0
im Bestand
über dem Bestand
Durchschnittliche Windgeschwindigkeit am 06./07.11.95
17
Auswertung
Die Hypothese kann aufgrund der Messungen als bestätigt angesehen werden. Die
Windgeschwindigkeit im Bestand beträt 14% der Windgeschwindigkeit über dem
Bestand. Das heißt 86% werden durch die Struktur des Waldes gebremst.
Die Windgeschwindigkeit nimmt um ca. 0,3 m/s je 100 m zu. Da es sich bei den
Messungen nur um einen Höhenunterschied von rund 25 m handelt, hat diese keinen
relevanten Einfluss auf die Erhöhung der Windgeschwindigkeit.
Um eine repräsentative Messung zu erhalten, müssten die Messreihen jedoch
umfangreicher sein.
Hypothese 2
Die tageszeitlich oder durch Wetterlagen bedingten Schwankungen der
Windgeschwindigkeit sind über dem Bestand stärker als im Bestand zu spüren.
Begründung
Die Windgeschwindigkeit unterliegt im Bestand nur geringen Schwankungen, da der
Wind durch die Belaubung, die Stämme und den Saum gebremst wird. So bleibt die
geringe Windgeschwindigkeit relativ konstant.
Versuchsanordnung
Es wurden an jeweils zwei Tagen, 06.11. und 07.11.1995, halbstündlich über den
Tag verteilt, Messungen am Turm der Ankerstation Tharandter Wald durchgeführt.
Dabei wurde die Windgeschwindigkeit einmal unterhalb der Baumkrone bei 17,5 m
und oberhalb des Bestandes bei 42 m durchgeführt.
Messwerte
Siehe Tabellen
18
Diagramm
Schwankungen der Windgeschwindigkeit am
07.11.1995
im Bestand (17,5m
Höhe)
über dem Bestand
(42mHöhe)
00
:2
9:
00
04
:2
9:
00
08
:2
9:
00
12
:2
9:
00
16
:2
9:
00
20
:2
9:
00
v in m/s
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Tageszeit in h
Auswertung
Die Messungen bestätigen die Hypothese. Tageszeitlich bzw. durch Wetterlagen
bedingte Änderungen der Windgeschwindigkeit wirken sich im Wald weit weniger aus
als darüber. Die Amplitude im Wald reichte an diesem Tag von v=0,56 m/s bis v=1,17
m/s. Der Wert blieb also relativ konstant. Hingegen lagen die Messwerte über dem
Bestand zwischen v=1,14 m/s und v=8,07 m/s.
Leider können keine repräsentativen Aussagen darüber gemacht werden, welchen
tageszeitlich bedingten Schwankungen die Windgeschwindigkeit unterliegt, da nicht
genügend repräsentative Messdaten vorhanden waren.
Es lässt sich zwar eine Abnahme des Windes am Abend, in der Nacht und in den
frühen Morgenstunden erkennen, jedoch wird der starke Abfall der Windgeschwindigkeit aus der zu dem Zeitpunkt vorherrschenden Wetterlage resultieren.
Messwerte Tabellen:
19
Windgeschwindigkeiten am Turm Ankerstation Tharandter Wald am 06.11.95
Tageszeit
Windgeschwindigkeit in m/s
Windgeschwindigkeit in m/s
im Bestand (17,5m Höhe)
über dem Bestand (42mHöhe)
00:29:00
0,662903038
5,236468886
00:59:00
0,686225758
5,152821997
01:29:00
0,700199709
5,202026049
01:59:00
0,676434152
5,128219971
02:29:00
0,660639656
4,916642547
02:59:00
0,688095517
5,044573082
03:29:00
0,685635314
5,384081042
03:59:00
0,671956584
5,812156295
04:29:00
0,643861075
5,497250362
04:59:00
0,626442836
5,142981187
05:29:00
0,664182344
4,705065123
05:59:00
0,702709117
4,99536903
06:29:00
0,725392178
5,526772793
06:59:00
0,73562663
5,079015919
07:29:00
0,737102748
5,679305355
07:59:00
0,729968157
5,482489146
08:29:00
0,700740957
4,916642547
08:59:00
0,729033287
4,946164978
09:29:00
0,743843698
5,10853835
09:59:00
0,796639644
5,758031838
10:29:00
0,755603482
5,128219971
10:59:00
0,730460209
5,566136035
11:29:00
0,815829231
6,747033285
11:59:00
0,806726489
6,648625181
12:29:00
0,878958039
6,338639653
12:59:00
0,824882778
6,683068017
13:29:00
0,802199707
5,935166425
13:59:00
0,862868312
6,633863965
14:29:00
0,907496367
7,20463097
14:59:00
0,912416772
7,962373372
15:29:00
0,845646894
7,209551375
15:59:00
0,866903043
7,042257598
16:29:00
0,856767001
7,165267728
16:59:00
0,813369029
6,397684515
17:29:00
0,881418242
7,465412446
17:59:00
0,871528217
7,386685962
18:29:00
0,890422592
6,820839363
18:59:00
0,859620845
6,668306802
19:29:00
0,908480471
6,131982634
19:59:00
0,89367004
6,171345876
20:29:00
0,925209856
6,245151954
20:59:00
0,992619392
6,555137482
21:29:00
0,990651223
7,052098408
21:59:00
1,030014464
6,973371925
22:29:00
1,102344443
6,737192475
22:59:00
1,130882771
7,052098408
23:29:00
1,09004343
6,717510854
23:59:00
1,046743849
6,648625181
Tagesmittel
0,817946
6,0833935
20
Windgeschwindigkeiten am Turm Ankerstation Tharandter Wald am 07.11.95
Tageszeit
Windgeschwindigkeit in m/s
Windgeschwindigkeit in m/s
im Bestand (17,5m Höhe)
über dem Bestand (42mHöhe)
00:29:00
1,010332843
6,284515195
00:59:00
1,08020262
7,002894356
01:29:00
1,089059327
7,120984081
01:59:00
0,953748184
6,953690304
02:29:00
0,98622285
7,317800289
02:59:00
1,057568726
7,780318379
03:29:00
1,119565862
8,070622287
03:59:00
1,165817641
8,011577424
04:29:00
1,160405202
7,972214182
04:59:00
1,034442836
7,578581766
05:29:00
0,966049197
6,761794501
05:59:00
1,122518097
7,381765557
06:29:00
1,088567294
7,396526773
06:59:00
0,955716353
7,047178003
07:29:00
0,970477569
6,938929088
07:59:00
0,781337199
5,649782923
08:29:00
0,85460203
6,15658466
08:59:00
0,797525318
5,556295224
09:29:00
0,718700443
5,000289436
09:59:00
0,809629529
5,925325615
10:29:00
0,695082493
4,852677279
10:59:00
0,709351666
4,660781476
11:29:00
0,742761222
4,454124457
11:59:00
0,703250364
4,27698987
12:29:00
0,705316935
4,690303907
12:59:00
0,694541245
4,439363242
13:29:00
0,666691752
4,15397974
13:59:00
0,729328518
4,650940666
14:29:00
0,828966723
4,832995658
14:59:00
0,869707672
4,547612156
15:29:00
0,932098393
4,660781476
15:59:00
0,85263386
4,424602026
16:29:00
0,85760348
4,360636758
16:59:00
0,800034735
4,606657019
17:29:00
0,805250353
4,39015919
17:59:00
0,847811865
3,941910395
18:29:00
0,715698993
3,57829233
18:59:00
0,58531809
2,998668656
19:29:00
0,568372215
1,983588971
19:59:00
0,569326772
2,316700464
20:29:00
0,592885674
2,38853841
20:59:00
0,57208712
2,21829236
21:29:00
0,56
1,75577427
21:59:00
0,558
1,555513718
22:29:00
0,557655572
1,720347293
22:59:00
0,557985239
1,86894359
23:29:00
0,557247178
1,296208379
23:59:00
0,557547323
1,144167888
Tagesmittel
0,81613
5,4862518
21
2.4. Verdunstung über Gras
Hypothese
Ausgehend von vorhandenen Messergebnissen ist an einem Strahlungstag über
einer Wiese mit einer Verdunstung von 150 bis 200 W/m² zu rechnen.
Versuchsanordnung
In einer Höhe von 50cm und 100cm wurden gleichzeitig die Temperaturen und
Feuchttemperaturen gemessen. Als Messgeräte kamen zwei AssmannPsychrometer zum Einsatz. Gleichzeitig wurde die Globalstrahlung ermittelt. Zur
Minimierung der Gerätefehler würden die Psychrometer bei der zweiten Messung
ausgetauscht.
Meßwerte
1. Messung 2. Messung Mittel
T [°C ] / T f [°C ]
(in 0,3m Höhe)
23,3/18,8
24,6/19,8
24,0/19,3
T [°C ] / T f [°C ]
(in 1.5m Höhe)
24,0/18,0
24,2/19,7
24,1/18,9
326,25
123,25
224,75
Rn [W / m 2 ]
Berechnung
Sättigungsdampfdruck esf [hPa] : esf = 6,1078 237 ,3+Tf
Dampfdruck e [hPa] :
17 , 2694*Tf
e = esf − y (T − T f )
( y = 0,667hPa / K )
Bodenwärmestrom G [W / m²] :
G = 0,1* Rn
β:
β = 0,67 * ∆ T / ∆ e
Evapotranspiration L.E. [W / m²] : L.E. = ( Rn − G ) /(1 + β )
esf [hPa] (in 0,3m Höhe)
Messung 1 Messung 2 Mittel
9,9
11,1
10,5
esf [hPa] (in 1,5m Höhe) 9,0
e [hPa] (in 0,3m Höhe)
e [hPa] (in 1,5m Höhe)
G [W / m²]
∆T [ K ] / ∆e [hPa]
β
L.E. [W / m²]
6,9
4,98
32,63
0,7 / 1,92
0,24
236,5
11,0
10,0
7,9
8,0
12,33
0,4 / 0,1
2,68
30,1
7,4
6,5
22,48
0,1 / 0,9
0,07
82,22
Auswertung
Die Ergebnisse liegen nur bei sehr großzügiger Betrachtung im Rahmen der
hypothetisch aufgestellten Erwartungen. Die ermittelten Rn-Werte variierten sehr
stark. Vermutlich lagen Messfehler vor. Weiterhin spielte die Wahl des
22
Versuchsgeländes eine Rolle. Eine sonst für den Versuch übliche weite
Wiesenfläche war nicht vorhanden.
23
3. Quellen
Bernhofer, Ch.; Goldberg, V.; Zimmermann, L.(2000): Forstmeteorologie,
Arbeitsblätter zur Vorlesung, Institut für Hydrologie und Meteorologie, TU
Dresden 2000
Bernhofer, Christian (1997): Grundlagen der Meteorologie und Hydrologie,
Lehrmaterial zur Vorlesung, Institut für Hydrologie und Meteorologie, TU Dresden
1997
Flemming, Günther (1982): Wald, Wetter, Klima, 1. Aufl. VEB Deutscher
Landwirtschaftsverlag, Berlin 1982
Flemming, Günther (1994): Einführung in die angewandte Meteorologie,
Akademie-Verlag, Berlin 1994
Flemming, Günther(1990): Klima – Umwelt – Mensch, 2. Aufl. Fischer Verlag,
Jena 1990
Geiger, Rudolph (1961): Das Klima der bodennahen Luftschichten – ein
Lehrbuch für Mikroklimatologie, Reihe: Die Wissenschaft Bd. 78, 4. Aufl. Friedr.
Vieweg & Sohn
Braunschweig 1961
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Hupfer, Peter; Kuttler, Wilhelm (1998): Witterung und Klima – Eine Einführung in
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Jungfer, Eckhardt; Lambert, Karl-Heinz (1985): Einführung in die Klimatologie, 1.
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Lauer, Wilhelm (1999): Klimatologie, Reihe: Das Geographische Seminar, 3.
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Malberg, Horst (1997): Meteorologie und Klimatologie – Eine Einführung,3. Aufl.
Springer Verlag, Berlin 1997
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Schönwiese, Christian-Dietrich (1994): Klimatologie, Ulmer Verlag, Stuttgart
1994
Warnecke, Günter (1997): Meteorologie und Umwelt – Eine Einführung, 2. Aufl.
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