univ.-prof. dr.-ing. h. nacken vorlesung wasserwirtschaft & hydrologie i themen: vorlesung 2...

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

Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I

Themen:

Vorlesung 2

WasserkreislaufAggregatzustände von WasserNiederschlagsbildung, -arten, KennzahlenNiederschlagsmessung

https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/


analysieren

anwenden

verstehen

erinnern

Lehrziele der Veranstaltung

erschaffen

bewerten

… und verstehen deren Unterschiede.

Sie kennen die verschiedenen Arten der Niederschlagsentstehung ...

Sie kennen die Verfahren zur Niederschlagsmessung …

… und wissen, wann sie angewendete werden können.

Sie können selbstständig festlegen, welches Messverfahren für eine bestimmte wasserwirtschaftliche Aufgabenstellungen maßgeblich ist.



Wasserhaushaltsgleichung:

Niederschlag = Abfluss + Verdunstung + Speicheränderung

Der Wasserkreislauf



Verdunstung

Kondensation

Aggregatzustände des Wassers



Schmelzen

Gefrieren




Die roten Pfeile geben Prozesse an, bei denen Wärme verbraucht wird; blaue Pfeile stellen Prozesse dar, bei denen Wärme freigesetzt wird.

Sublimation

Deposition




Als Faustformel gilt für den Temperaturbereich zwischen 5°C und 30°C

Sättigungsfeuchte [g/m³] ≈ Temperatur [°C]

Sättigungskurve der Luft für Wasserdampf bei verschiedenen Temperaturen

1,4 2,3 3,3 4,8 6,8 9,412,8

17,323,1

30,4

39,6

0

10

20

30

40

50

-20 -10 0 10 20 30 40

°C

g/m

³ Luf

t

Wasserdampfsättigung



Ausgangssituation: Temperatur: 20°C

relative Luftfeuchtigkeit: 50%

Wassergehalt: 8,6 g/m³


1,4 2,3 3,3 4,8 6,8 9,412,8

17,323,1

30,4

39,6

0

10

20

30

40

50

-20 -10 0 10 20 30 40

°C

g/m

³ Luf

t





1,4 2,3 3,3 4,8 6,8 9,412,8

17,323,1

30,4

39,6

0

10

20

30

40

50

-20 -10 0 10 20 30 40

°C

g/m

³ Luf

t

Ausgangssituation: Temperatur: 20°C



Die Lufttemperatur fällt beim Aufsteigen um 1,0 °C je

100 Höhenmeter (trockenadiabatischer Aufstieg)





1,4 2,3 3,3 4,8 6,8 9,412,8

17,323,1

30,4

39,6

0

10

20

30

40

50

-20 -10 0 10 20 30 40

°C

g/m

³ Luf

t

Die Lufttemperatur fällt beim Aufsteigen um 1,0 °C je

100 Höhenmeter (trockenadiabatischer Aufstieg)

Veränderungslage: Temperatur: 10°C






Wenn erwärmte Luftmassen auf-steigen, reduziert sich die Temperatur, da der Luftdruck mit der Höhe abnimmt und durch die Ausdehnung eine Abkühlung induziert wird.

Quelle: Springerverlag

Temperaturgradient in der Atmosphäre



Bei trockener Luft reduziert sich die Temperatur jeweils um 1°C je 100 Höhenmeter.





Falls die Luftmassen größere Wasser-mengen beinhalten, kommt es (je nach Luftfeuchtigkeit und Temperatur) zur Kondensation.

Dieser Prozess gibt Wärme frei, so dass sich die Abkühlung auf rund 0,5°C je 100m reduziert.





1250Adiabate (Trockenadiabate)

Kondensationsniveau

Feuchtadiabate

-5 0 5 10 15 20 25Temperatur [C°]

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Höhe [m]

Feuchtadiabatischer Temperaturgradient



Das Luftpacket ist kälter als die Umgebungsluft und somit schwerer

═› das Luftpacket sinkt automatisch wieder auf die Ausgangshöhe h

Höhe

ThTh1Th2 Temperatur0

h

h1

adiabatische Temperaturänderung

aktuelle Temperatur - Höhenkurve

stabile Schichtung



Das Luftpacket ist wärmer als die Umgebungsluft und somit leichter

═› das Luftpacket steigt automatisch wieder auf die Ausgangshöhe h

Höhe

ThTh1Th2 Temperatur0

h

h1

h2


aktuelle Temperatur - Höhenkurve

Eine derartige stabile Schichtung wird als unteradia-batische Schichtung bezeichnet

stabile Schichtung



Das Luftpacket ist wärmer als die Umgebungsluft und somit auch leichter

═› das Luftpacket wird

weiter steigen

Höhe

Th1 Th Th2 Temperatur0

h

h1


aktuelle Temperaturkurve

labile Schichtung



Das Luftpacket ist kälter als die Umgebungsluft und somit auch schwerer

═› das Luftpacket sinkt

weiter ab

Höhe

Th1 Th Th2 Temperatur0

h

h1

h2


aktuelle Temperaturkurve

Eine derartige labile Schichtung wird als überadiabatische Schichtung bezeichnet

labile Schichtung



Bildquelle: Springerverlag

Die Feuchtigkeit liegt in den Wolken temperaturabhängig in Wasser- oder Eisform vor.

Die Entstehung von Wassertropfen aus kondensierendem Wasserdampf ist an winzige Staub-partikel gebunden.

Wolkentypen



Bei der Entstehung von Niederschlägen kann man grundsätzlich zwischen zwei Entstehungsprozessen unterscheiden:

Die Wassertropfen in den Wolken stoßen zusammen und durch die Anlagerung entstehen größere Wassertropfen, die im Regelfall als Niesel- oder Sprühregen auf die Erde fallen.

Der Prozess der Koagulation dauert in der Regel sehr lange, so dass sich hierbei selten große Wassertropfen bilden können.

Koagulation:

Sublimation: Je nach Einfluss der Temperatur sowie des Luftdruckes gehen Wassertropfen beim Frieren in Eiskristalle über. An diese Eis-kristalle lagern sich ständig weitere gefrierende Wassertropfen an, so dass sich Eisklumpen bilden, die zur Erde fallen.

Dieser Prozess verläuft (im Gegensatz zur Koagulation) sehr schnell, so dass sich ein Eiskristall in nur 20 Minuten um das 10.000fache vergrößern kann.

Niederschlagsbildung



Bei der Entstehung von Niederschlägen kann man grundsätzlich zwischen zwei Entstehungsprozessen unterscheiden:

Koagulation:

Sublimation:

Niederschlagsbildung

=> Nieselregen oder Sprühregen

=> Starkregen



Nieselregen Niesel- oder Sprühregen entsteht durch Koagulationsprozesse in tiefen Stratuswolken

NiederschlagsartenNiederschlagsartenNiederschlagsarten



Langanhaltende Niederschlagsereignisse mit geringer Intensität entstehen im Regelfall an Nimbostratuswolken.

Dabei tritt ebenfalls der Prozess der Koagulation auf, wobei es in Mischwolken bei einer ausreichend langen Dauer zur Bildung mittelgroßer Regentropfen kommt.

Landregen



Kurze Niederschlagsereignisse mit hoher bis sehr hoher Intensität. Der Entstehungsprozess ist auf die Koagulation von Wasserdampf in Cumulonimbuswolken zurückzuführen; es entstehen dabei große Regentropfen.

Schauer


Bildquelle: dpa

Extreme Niederschläge in 5b-Wetterlagen

Resultat:


Definition gemäß DIN 4049“Niederschlag ist das Wasser der Atmosphäre, das nach Kondensation oder Subli-mation von Wasserdampf in der Lufthülle ausgeschieden wird und sich infolge der Schwerkraft entweder zur Erdoberfläche bewegt (fallender

Niederschlag) oder zur Erdoberfläche gelangt ist (gefallener Niederschlag).”

Niederschlag



Allgemeinere Beschreibung:Bei Niederschlag handelt es sich um jede Erscheinungs-form von Wasser, welches aus der Atmosphäre auf die Erde gelangt.

RegenSchneeHagel Eiskugeln/Eisstücke 5-10mm GraupelEisgebilde 2-5mm

Tau durch Kondensation abgesetzterReif Niederschlag

Es kann sich dabei um folgende Formen handeln:

Niederschlag



Zeit [h]

Nie

ders

chla

gsin

tens

ität

N iederschlagsdauer

vorgegebene Ze itspannezur B erücksich tigungvon Vorregen zuT N2 und T N3

T N1

T N2

T N3

[mm

/h]

Vorregen

zu T N2 und T N3

Niederschlagsabschnitte

Niederschlagsbeginn

zu T N2 und T N3 Niederschlagsendei N

Niederschlagsverlauf



Charakteristische Größen des Niederschlags

Niederschlagshöhe hN [mm]

Niederschlagsdauer TN [h]

Häufigkeit bzw. Jährlichkeit Tn = 1/n

Niederschlagsintensität iN (t) [mm/h]

Niederschlag



450500550600

700

800

900

1000

1100

1400

1600

1800

1200

Nie

ders

chla

gshö

he in

[mm

]

Bildquelle: Hydrologischer Atlas Deutschland

Mittlere jährliche Niederschlagshöhe

Als Größenordnung:Mittlerer Niederschlag in Aachen: 805 [mm/a]

http://geoportal.bafg.de/mapapps/resources/apps/HAD/index.html?lang=de



450500550600

700

800

900

1000

1100

1400

1600

1800

1200

Nie

ders

chla

gshö

he in

[mm

]


Mittlere jährliche Niederschlagshöhe Norddeutschland




Mittlere jährliche Niederschlagshöhe Süddeutschland

450500550600

700

800

900

1000

1100

1400

1600

1800

1200

Nie

ders

chla

gshö

he in

[mm

]



Nord-Süd-Schnitt der Rasterfelder mittlerer jährlicher Niederschlagshöhen des Bezugszeitraumes 1961-1990 in 10° 10´ östlicher Lage


Niederschlagshöhen in Deutschland




Exemplarische Monatsniederschläge



30

40

50

60

70

80

100

120

140

180

160

Nie

ders

chla

gshö

he in

[mm

] D =

24h

, T =

1a

Nie

ders

chla

gshö

he in

[mm

] D =

24h

, T =

100

a


Starkniederschlagshöhen [Dauer 24h]

Größter Niederschlag in Deutschland innerhalb von 24h:312 [mm/d] im Erzgebirge August 2002(=> Jahrhunderthochwasser Elbe)



30

40

50

60

70

80

100

120

140

180

160

Nie

ders

chla

gshö

he in

[mm

] D =

72h

, T =

1a

Nie

ders

chla

gshö

he in

[mm

] D =

72h

, T =

100

a

210

240

270


Starkniederschlagshöhen [Dauer 72h]



Starkregen

Starkregenereignisse erlangen in der wasserwirtschaftlichen (Bemessungs)Praxis immer mehr an Bedeutung.

Der Deutsche Wetterdienst warnt in zwei Stufen vor derartigen Ereignissen (bei denen viel Niederschlag in einer kurzen Zeit anfällt).

Wetterwarnung:

Niederschlag >= 10 mm in 1 Stunde => i = 10 [mm/h]oderNiederschlag >= 20 mm in 6 Stunden => i = 3,33 [mm/h]

Unwetterwarnung:

Niederschlag >= 25 mm in 1 Stunde => i = 25 [mm/h]oderNiederschlag >= 35 mm in 6 Stunden => i = 5,83 [mm/h]



126 mm Füssen, Kr. Ostallgäu 8 Minuten 25.05.1920

40 mm Potsdam 30 Minuten 11.06.1953

180 mm Daudenzell, Kr. Neckar-Odenwald 60 Minuten 27.06.1994

145 mm Marienberg, Mittlerer Erzgebirgskreis 90 Minuten 05.07.1999

112 mm Schwerin 6 Stunden 24.06.1969

260 mm Zeithain, Kr. Riesa-Großenhain 24 Stunden 06./07.07.1906

312 mm Zinnwald-Georgenfeld, Weißeritzkreis 1 Tag 12.08.2002

170 mm Müncheberg, Kr. Märkisch Oderland 1 Tag 08.08.1978

300 mm Großer Arber (Arberhütte) 34 Stunden 29.-31.05.1932

777 mm Stein, Kr. Rosenheim 1 Monat Juli 1954

3661 mm Purtschellerhaus, Kr. Berchtesgadener Land 12 Monate 12/1943 -11/1944

260 mm in der Prignitz (ca. 100 km²) 3 Tage 11.-13.06.1993

194 mm Einzugsgebiet des Mains (ca. 27.000 km²) 1 Monat Oktober 1998

Quelle: Deutscher Wetterdienst

Gemessene Starkniederschlagshöhen



Für die Aufzeichnung von Niederschlägen werden genormte Messeinrichtungen verwendet.

In der Bundesrepublik ist vom Deutschen Wetterdienst (DWD) ein Regenmesser nach Hellmann mit einer Auffangfläche von 200 cm² standardisiert.

Aufstellungshöhe: 1,0 m über Geländeoberkante

Ablesezeitraum: 7:30 MEZ

Ablesegenauigkeit: 0,1 mm

In der Bundesrepublik sind noch ca. 6000 derartige Niederschlagsstationen im Betrieb.

Niederschlagsmesser



Niederschlagsschreiber [Ombrometer]

Bei Regenschreibern wird der Niederschlag in einem Gefäß aufgefangen, in dem sich ein Schwimmer befindet.

Der Schwimmer ist mit einem Schreibarm verbunden, dessen Bewegung auf Registrierpapier protokolliert wird.

Niederschlagsschreiber I



Niederschlagsschreiber

Das Registrierpapier liegt auf einer Schreibtrommel auf, die einen zeitgesteuerten Vorschub hat.

Das Schwimmergefäß fasst exakt 10 mm und wird durch eine Heberkonstruktion entleert. Dadurch entstehen die charakteristischen Sägezahnlinien.

Niederschlagsschreiber II



Niederschlagsschreiber

Bei den Messsystemen mit Kippwagenprinzip wird der Niederschlag über ein Einlaufsieb auf eine Wippe geleitet.

Die Wippe hat ein definiertes Auffangvolumen und gibt beim Kippen je 0,1 mm einen Impuls ab.

Der Impuls dient zum Anstossen einer Analogwertänderung und kann gleichzeitig als Spannungswert weitergeleitet werden.

Für die Registrierung von Nieder- schlagsereignissen (Beginn- und Endzeitpunkte) werden Nieder-schlagswächter eingesetzt.

Gemessen wird der Durchgang des Niederschlages durch eine Lichtschranke.

Bildquelle: Thies Clima

Bildquelle: Thies Clima

Niederschlagsschreiber III



Messfehler bei Niederschlagsmessern

Grundsätzlich ist zu beachten, dass die Angaben der Tages-niederschläge von Niederschlagsmessern fehlerbehaftet sind.

Mögliche Fehlerquellen sind dabei:

Die Fehlereinflüsse können dazu führen, dass Korrekturen der gemessenen Niederschläge in einer Größenordnung von 10 - 25 % (bezogen auf den Jahresniederschlag) vorgenommen werden müssen.

Einfluss der Verdunstung

Einfluss der Windexposition

Benetzungsverluste

Niederschlagsmessung



Online Niederschlagsdaten

Bildquelle: LUA NRW

http://luadb.lds.nrw.de/LUA/hygon/pegel.php



Klimadaten – Vergleich langjähriger Niederschlagswerte

http://www.wetterkontor.de/de/deutschland_monatswerte.asp?y=2014&m=10&p=1&b=2


univ.-prof. dr.-ing. h. nacken vorlesung wasserwirtschaft & hydrologie i themen: vorlesung 2...

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