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

Der Deutsche Wetterdienst betreibt etwa 200 automatisierte
hauptamtliche Wetterstationen. Wie diese Wetterstationen ihre
Wetterdaten erfassen, schauen wir uns heute genauer an.

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 unter www.dwd.de/tagesthema im Archiv der Rubrik
Wissen kompakt nachlesen.)

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 v.a. 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°-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
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 13.12.2022

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