Hydrologie

Abb. 4-7 | Niederschlagssummenlinie eines Niederschlagsschreibers mit Umlauf 1 Tag.

Abb. 4-8 | Niederschlagsmessung mit Tropfenzähler und Wippe (links) und Gerät mit Wägeprinzip (rechts, Ott Pluvio).

Digital aufzeichnende Geräte:Diese registrieren den Niederschlag elektronisch. Dadurch entfällt das aufwendige manuelle Digitalisieren. Daneben ist eine direkte Fernübertragung, z.B. für die Hochwasservorhersage, möglich. Es kommen verschiedene Messprinzipien zur Anwendung. In Abb. 4-8 sind Messgeräte mit Tropfenzähler und Wippe und ein Gerät mit Wägeprinzip dargestellt. Letzteres wird in Deutschland im Messnetz des DWD (Deutscher Wetterdienst) verwendet. Auffangfläche und Aufstellhöhe dieser Geräte betragen gleichfalls 200 cm 2bzw. 1 m über Bodenniveau. Es werden zeitliche Auflösungen von bis zu Δt = 1 min in einem Messzeitraum von einem Monat erreicht. Längere Messzeiträume sind aufgrund möglicher Störungen und Datenverluste nicht zu empfehlen, da diese häufig erst beim Auslesen der Daten erkannt werden.

Merksatz: In der punktuellen Niederschlagsmessung tritt ein systematischer Fehler auf. Der tatsächliche Niederschlag wird grundsätzlich unterschätzt.

Messfehler in der Punktmessung:Die Ursachen für die Unterschätzung der tatsächlich gefallenen Niederschlagsmenge sind Verluste durch Windeinfluss sowie Verdunstung von Benetzungswasser und Wasser aus der Sammelkanne. Dabei ist der Anteil des Windeinflusses am Gesamtfehler meist am größten. Die Ursache ist eine Windfelddeformation, die über dem Windhindernis Niederschlagsmesser zu höheren Windgeschwindigkeiten führt. Durch diesen Düseneffekt kommt es zur Verwehung von Niederschlagsteilchen über der Auffangfläche. Der Messfehler liegt für Regen bei ungefähr 10 % und für Schnee bei ungefähr 25 %.

Box 4.1

Niederschlagskorrektur nach Richter (1995)

Richter (1995) hat für Deutschland neben mittleren monatlichen Korrekturfaktoren, die je nach Region und Windexposition der Station unterschiedlich ausfallen, ein Verfahren zur Korrektur von Tageswerten entwickelt, das auf folgender Gleichung basiert:

Der Parameter b hängt von der Horizontabschirmung durch die Stationsumgebung und von der Niederschlagsart ab, der Parameter ε nur von der Niederschlagsart. Es wird zwischen den Niederschlagsarten «Regen-Sommer», «Regen-Winter», «Mischniederschlag» und «Schnee» unterschieden. Es ist zu erkennen, dass weder die tägliche Windgeschwindigkeit noch Parameter miteingehen, die für die täglichen Verdunstungsverluste bestimmend sind. Aus diesem Grund bleibt die Korrektur von Tageswerten unsicher. Erst bei ihrer Zusammenfassung zu Monats- und Jahreswerten, z.B. für die Erstellung von Bilanzen, gleichen sich die täglichen Schwankungen dieser Einflussgrößen so weit aus, dass von einer deutlichen Verbesserung der Daten gesprochen werden kann.

Nicht punktuelle Messmethoden

Radarmessung:In der Radarmessung werden Impulse im Mikrowellenbereich bei Wellenlängen von 1–10 cm und Frequenzen von 3–30 GHz ausgesendet. Die Impulse werden von den Tropfen teilweise reflektiert und am Radarstandort wieder empfangen (→ Abb. 4-9). Aus der Stärke des Empfangssignals kann auf die Niederschlagsmenge und aus der Laufzeit auf die Entfernung geschlossen werden.

Wesentlicher Vorteil der Radarmessung ist die hohe räumliche und zeitliche Auflösung der Niederschlagserfassung mit 1°· 1 km und 5 min, die mit Punktmessungen nicht erreichbar ist. Nachteile sind relativ hohe Ungenauigkeiten in der Messung der Reflektivitäten sowie bei deren Umrechnung in Niederschlagsintensitäten. Gewöhnlich ist eine «Aneichung» der Radarinformationen an Bodenmessungen erforderlich. Über die sogenannte N-Z-Beziehungkann man die Niederschlagsintensität aus der Reflektivität errechnen:

Abb. 4-9 | Niederschlagsmessung mit Radar (DWD 2002).

Das Hauptproblem ist die Bestimmung der Parameter a und b, welche räumlich und zeitlich stark variabel sein können. Diese als «Aneichung» bezeichnete Prozedur kann mit Daten von registrierenden Niederschlagsmessgeräten oder Tropfenspektrographen am besten dynamisch geschehen. Ist dies nicht möglich, ist die Aneichung mit Mittelwerten für a und b durchzuführen. Der DWD verwendet die Standardwerte a = 0,02 und b = 0,70, die mittlere Verhältnisse repräsentieren sollen.

Satellitenmessung:Die Satellitenmessung ist insbesondere dort von Nutzen, wo die konventionellen Niederschlagsmessnetze eine geringe Stationsdichte aufweisen und es keine Bodenradarmessung gibt. Verschiedene Satellitensensoren werden für die Niederschlagsermittlung verwendet: Infrarot, sichtbare Strahlung, passive und aktive Mikrowellen. Es gibt eine große Anzahl unterschiedlicher Niederschlagsprodukte auf Basis von Daten eines einzelnen Sensors, aus der Kombination von Daten mehrerer Sensoren und aus der Kombination von Satellitendaten mit Bodenmessungen. Ein guter Überblick ist in Huffman (2005) zu finden. Die räumliche und zeitliche Auflösung ist gewöhnlich schwächer als die von Bodenradardaten. Typische räumliche und zeitliche Auflösungen sind 0,25° · 0,25°, was ca. 25 km · 25 km am Äquator entspricht, und drei Stunden, z.B. bei der Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM 2014). Die Fehler in der Niederschlagsermittlung mit Satelliten können allerdings erheblich sein. Sie sind umso größer, je höher die zeitliche und räumliche Diskretisierung ist.

4.3 | Gebietsniederschlag

Merksatz: Die DIN 4049 (DIN 4049-1 1992) definiert den Gebietsniederschlag als «die Niederschlagshöhe gemittelt über einem bestimmten Gebiet».

Für hydrologische Fragestellungen interessiert häufig der Niederschlag ganzer Gebiete beziehungsweise die räumliche Niederschlagsverteilung im Gebiet, möglichst mit hoher zeitlicher Auflösung. Die Herausforderung der Bestimmung des Gebietsniederschlags besteht darin, dass mit Ausnahme der Fernerkundungsmethoden (→ Kap. 17) Niederschlag nur an ausgewählten Punkten des Gebiets gemessen wird. Dies erfordert Verfahren der Übertragung von Punktwerten in die Fläche. Dabei ist zu beachten, dass die räumliche Ausdehnung, Lage und Bewegungsrichtung von Niederschlagsfeldern mehr oder weniger variiert, ebenso wie ihre räumliche und zeitliche Niederschlagsverteilung.

Die Ermittlung des Gebietsniederschlags aus Punktmessungen geschieht gewöhnlich mithilfe von Interpolationsverfahren oder Verfahren der Gebietsmittelbildung. Bei ersteren erfolgt eine Interpolation auf ein regelmäßiges Raster mit anschließender Mittelung aller Rasterwerte des Gebiets. In der Gebietsmittelbildung wird der Flächenniederschlag direkt aus den Stationswerten bestimmt. Meist handelt es sich dabei um eine gewichtete Mittelwertbildung.