Fehler bei der Niederschlagsmessung - TU Bergakademie Freiberg

1/10 Datenauswertung Niederschlagsmessungen
Vergleich der Ergebnisse von Niederschlagsmessungen verschiedener
Niederschlagsaufzeichnungsgeräte der Lysimeterstation
Brandis
Theresa Mannschatz
Matrikelnummer: 43406
Silbermannstraße 5 / 09599 / Freiberg
ABSTRACT
Für eine richtige Bewertung der hydrologischen Situation und für eine gute Einschätzung
für mögliche Folgen, wie Hochwasser, werden genaue Niederschlagsmessungen
benötigt. Durch verschiedene Witterungsfaktoren wird diese Messung
jedoch beachtlich beeinflusst. Die daraus resultierenden Fehler müssen anschließend
eingeschätzt und gegebenenfalls korrigiert werden. In der folgenden Abhandlung
werden die Messergebnisse verschiedener Messgeräte für Niederschlag
miteinander verglichen. Anhand der Abweichungen der Geräte untereinander kann
ein relativer Fehler bestimmt werden, der den Unterschied zwischen den Messungen
aufzeigt.
Einführung
In der heutigen Zeit sind Schlagwörter wie Globale Erwärmung und Hochwasserschutz
allgegenwärtig. Umso mehr ist eine objektive Einschätzung der wirklichen
Gefahr notwendig und benötigt eine genaue Ermittlung der Parameter des Wasserhaushalts.
Dies ist jedoch eine durchaus schwierige Aufgabe. In den Geo– bzw.
den Naturwissenschaften wird mit unterschiedlichen Methoden versucht, diese
Parameter, durch die das System und die darin ablaufenden Prozesse zu quantifizieren
sind, so genau wie möglich zu ermitteln.
Für die Ermittlung des Niederschlags werden verschiedene spezielle Messgeräte
verwendet. Bei gewöhnlicher Witterung kann die Messwertaufnahme damit ziemlich
genau vorgenommen werden. Bei Schnee, Sturm, Starkregen oder anderen
Ereignissen erweist sich die Messung als schwierig oder im schlimmsten Fall unmöglich.
Für die Ermittlung der realen Verdunstung werden vor allem Lysimeter
eingesetzt. Dabei gehen die gemessenen Niederschlagswerte von den Nieder-
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2/10 Datenauswertung Niederschlagsmessungen
schlagsmessgeräten als primäre Messgrößen in die Wasserhaushaltsgleichung ein.
Es ist somit notwendig, die gemessenen Niederschläge hinsichtlich der aufgetretenen
Fehler zu korrigieren, um möglichst präzise die reale Verdunstung zu berechnen
(Haferkorn 2006a). Um objektive Antworten zu hydrologischen Fragen zu
geben, sollte der Messfehler bekannt sein, bzw. berechnet werden (Haferkorn
2006b; Sevruk 1981). Im folgenden werden die Geräte der 15 km südöstlich von
Leipzig liegenden Lysimeterstation Brandis miteinander verglichen.
Beschreibung der Messgeräte
HELLMANN-Regenmesser
Der Regenmesser nach HELLMANN wird so aufgestellt, dass sich die Oberkannte
1 m über dem Boden befindet. Er besteht aus einem Behälter, dem Auffangtrichter
und der Sammelkanne. Die Auffangfläche beträgt in der Lysimeterstation
Brandis 200 cm 2 . Zu einem regelmäßigen Termin, in der Regel 7:30 Uhr MEZ,
wird die Kanne ausgelitert (Maniak 2005). Um z.B. den Windeinfluss zu verringern,
kann das Gerät auch bodengleich eingebaut werden. Des Weiteren ist es
sinnvoll, um das Gerät herum ein Gitter in den Boden einzusetzen, damit kein
Oberflächenabfluss- bzw. Spritzwasser in das Gefäß laufen kann (Sevruk 1981).
u
OMBROMETER
Das Messprinzip basiert darauf, dass das Gewicht des Niederschlags kontinuierlich
mit einer Auflösung von 0,01 g (umgerechnet 0,01 mm) aufgezeichnet wird.
Die Auswerteeinheit liefert ein temperaturkompensiertes Ergebnis. Die Verdunstung,
die einem Gewichtsverlust entsprechen würde, wird somit nicht registriert.
Schlussfolgernd sollte dieses Gerät genauere Ergebnisse bringen (OTT
2007).
u
THIESMESSER
Es handelt sich um einen Regensammler mit einem Kippwaagensystem. Der Niederschlag
durchläuft ein Einlaufsieb und gelangt in ein Zwei-Wippschalen-System.
Nach der Aufnahme von 2 ml (= 0,1 mm) kippt die Waage um. Durch die
Kippbewegung wird über einen Magneten der Reed-Schalter ausgelöst und ein
elektronisches Signal erzeugt. Dieses Signal kann aufgezeichnet werden und ergibt
schließlich die Niederschlagsmenge (CLIMA).
u
LYSIMETER
Das Lysimeter bestimmt die Verdunstung von festen, natürlichen Erdoberflächen
(Baumgartner und Liebscher 1990). Es wird ein natürliches Bodenstück in einen
Behälter, der in den Boden eingelassen wird und auf Bodenoberflächenniveau
abschließt, eingesetzt. Am unteren Ende des Behälters befinden sich verschiedene
Auffangvorrichtungen (Schrödter1985).
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3/10 Datenauswertung Niederschlagsmessungen
Um einen Oaseneffekt zu verhindern, werden die Lysimeter in einer möglichst
homogenen Fläche eingesetzt. Dadurch wird erreicht, dass die Bedingungen in
und um das Lysimeter herum gleich sind. Des Weiteren werden die Lysimeter mit
der gleichen Vegetation bepflanzt, die in der Umgebung vorhanden ist. Die Berechnung
der Verdunstung erfolgt durch die Wasserhaushaltsgleichung. Dies wird
durch die Messung aller Bilanzgleichungsglieder möglich. Der Niederschlag und
die Sickerwassermenge am Lysimeterboden werden gemessen und die Wasservorratsänderung
anhand der Waage abgelesen. Bei den wägbaren Lysimetern wird der
darin befindliche Boden mit unterschiedlichen Waagentypen gemessen. Dabei
wird zu jedem Zeitpunkt das Gewicht gemessen. Die Differenz ergibt die Änderung
des Wassergehalts, welche durch Niederschlag, Verdunstung und Sickerwasser
verursacht wird (Baumgartner und Liebscher 1990).
Fehler bei der Messung von Niederschlägen
Bei der Niederschlagsmessung wird stets zu wenig gemessen. Zum einen treten
gerätebedingte, d.h. systematische Fehler auf. Beim Überwehen der Auffangfläche
kommt es zu einer turbulenten Strömung, die besonders bei Nieselregen und
Schneeflocken dazu führt, dass diese nicht aufgenommen werden können und zum
anderen das Herauswehen von Schneeteilchen im Winter verursacht. Diese Fehlerart
wird als Windfehler bezeichnet (Sevruk 1981). Er kann durch das Anbringen
des Regenmessers auf Bodenniveau weitgehend eliminiert werden (Dyck 1980b).
Das Hängenbleiben des Niederschlags am Auffangteil des Regenmessers wird als
Benetzungsfehler bezeichnet. Bei kleinen Niederschlagsereignissen wirkt es sich
stärker auf das Ergebnis aus, als bei großen Niederschlagsmengen. Dieser so genannte
Haftwasserverlust setzt sich aus zwei Komponenten zusammen. Zum einen
entsteht er durch das Verdunsten des anhafteten Regenwassers und zum anderen
durch das Verdunsten des nach der Leerung im Gefäß verbliebenen Wassers. Bei
Sonneneinstrahlung besteht außerdem die Gefahr, dass anhaftendes Wasser aus
dem Gefäß verdunstet (Sevruk 1981).
Methoden
Zur Untersuchung der Niederschlagsmessungen für das Jahr 2005 wurden die
Messwerte der in Tabelle (1) aufgeführten Geräten miteinander verglichen. Die
Daten sollten auf Ausreißer und gegebenenfalls auf Datenübertragungsfehler hin
untersucht werden. Anschließend wurden die Niederschlagssummen- und Mittelwerte
der Monate, Halbjahre und Jahre gebildet werden (Einsele et al. 1980). Dadurch
wird eine Charakterisierung der Niederschlagsereignisse und eine Vergleichbarkeit
dieser mit anderen Messgeräten erreicht. Bei der Auswertung werden
die Niederschläge als Säulendiagramm dargestellt. Wichtig ist auch die Ermittlung
der Unterschiede zwischen diesen Summenwerten. Diese werden durch
die Berechnung des relativen Fehlers veranschaulicht. Dabei wird anhand der Mo-
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4/10 Datenauswertung Niederschlagsmessungen
natssummenmittelwerte der betrachteten Geräte ein übergreifender Referenzwert
durch Mittelung gebildet. Daraufhin kann jeder Monats- ,Jahres- oder Tagessummenwert
auf diesen Referenzwert bezogen und dessen Abweichung dargestellt
werden. Somit lassen sich Unterschiede zwischen den Geräten darstellen und vergleichen.
Der Lysimeterniederschlag wurde anhand der Gewichtsdifferenz berechnet. Um
aus der Gewichtsänderung der einzelnen Geräte auf den Lysimeterniederschlag
schließen zu können, müssen zuerst die Perioden mit Niederschlagsereignissen
bestimmt werden. In diesem Fall wurden die 10-minütigen Werte des Thiesmessers
verwendet. Die Summe der positiven Gewichtsdifferenzen innerhalb der Niederschlagsereignisse
ergaben die Gewichtszunahme in kg, wobei 1 kg in etwa
einem l Wasser entspricht. Wird nun diese Änderung auf die Lysimeterfläche von
1,0 m 2 bezogen, ergibt sich der Lysimeterniederschlag in mm. Diese Vorgehensweise
ist nur möglich, wenn davon ausgegangen wird, dass bei Niederschlagsereignissen
die Verdunstung gleich null ist. Die berechneten monatlichen Lysimeterniederschlagssummen
6 BESCHREIBUNG DER
wurden
DATENSÄTZE
anschließend untereinander verglichen.
Abschließend soll untersucht werden, ob die Abweichungen der Messwerte der
Geräte von bestimmten Umwelteinflüssen abhängen. Die berechneten relativen
6 Beschreibung der Datensätze
Fehler der Geräte untereinander werden durch verschiedene Umwelteinflüsse
(Wind, Sonneneinstrahlung usw.) verursacht. Wenn es einen Einfluss gibt, dann
Zur Untersuchung der Niederschlagsmessungen für das Jahr 2005 wurden Messwerte von
müsste dieser Fehler mit den Größen Windgeschwindigkeit, Temperatur usw. korrelieren.
Als Geräten problematisch miteinander erweist verglichen. sich die Erstellung Die Datenquellen einer allgemeinen und die Aussage dazugehörigen
verschiedenen
Zeiträume sind in Tabelle (8) zusammengestellt.
Tab.1: Ausgewertete Tabelle Messgeräte 8: Zeiträume der vorhandenen Messwerte
Datenquellen Zeitraum Original-Auflösung
Sammelkannen Mär 05 - Feb 06 Tageswerte
Ombrometer Jan 05 - Dez 05 10-minütig
Thies-Messergerät Jan 05 - Dez 05 10-minütig
Lysimeter Jan 05 - Jan 06 5-minütig
Witterung Mär 05 - Dez 05 Tageswerte
zur Abhängigkeit eines Messgerätes von den Umwelteinflüssen, da die „wahren“
6.1 Witterung Niederschlagswerte im Raum nicht bekannt Sachsen, sind. Halle Demnach – Leipzig ist es sinnvoller, im Jahr den 2005 Zusammenhang
zwischen den Gerätefehlern zu ermitteln. Hierzu wird der Korrelationskoeffizient
Für die Einschätzung
der jeweiligen
des Einflusses
Messgerätepaar
der Umweltgrößen
mittels linearer
auf die
Regression
Niederschlagsmessung
berechnet.
existierenDamit
Tagesmesswerte ein signifikanter der Windgeschwindigkeit, Zusammenhang besteht, Bodentemperatur, sollte mindestens ein Temperatur, Korrelati- Globalstrahlung
und relativen Luftfeuchte. Die Messwerte und -größen im Detail können im Anhang
B.1 eingesehen werden.
Die zur Verfügung stehenden Daten zeigen, dass das Jahr 2005 im Vergleich zu den Jahren
1971 bis 2000 temperaturnormal war und die Niederschlagssummen etwas über dem
Durchschnitt lagen. Eine Zusammenstellung der Daten befindet sich in der Tabelle (9). Der
Winter im Jahr 2005 setzte erst Ende Januar ein und hielt bis etwa Mitte März. Dabei trat
auch eine lange Schneebedeckung ein. Besonders der Juli wies ungewöhnlich hohe Niederschlagssummen
auf und in den Monaten März, April, August und Oktober regnete es im
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Durchschnitt zu wenig. Die Globalstrahlung lag etwa 10 % über Normal [Döring 2006].
Die Witterungswerte dienen zur Einschätzung der Korrelation der aufgetretenen Messfeh-

5/10 Datenauswertung Niederschlagsmessungen
onskoeffizient von > 0,7 (positive Korrelation) oder < −0,7 (negative Korrelation)
auftreten (Sevruk 1981).
Auswertung und Ergebnisse
Die Betrachtung der Messdaten der Lysimeter und Ombrometer zeigte, dass viele
fehlende oder falsch registrierte Messwerte auftraten. Der Vergleich der Monatssummen
der Sammelkannen zeigte große Unterschiede zwischen den gleichartigen
Geräten. Es bestehen Abweichungen zwischen den bodengleichen und den in
einem Meter Höhe angebrachten HELLMANN-Messgeräten. Deutlich wird die
Abhängigkeit des Messwertes von der Position anhand der Abbildung (1).
Beim Vergleich der Lysimeter mit den anderen Geräten zeigt es viel geringere
Niederschlagsmengen an (Abbildung (2)), als die anderen Geräte. Wird der Mittelwert
„Pges“ aller Monatssummenwerte im Jahr 2005 der Geräte (Ombrometer,
Sammelkannen (Mittelwert aller Kannen), Thiesmesser) berechnet, kann, wie in
Tabelle (2) dargestellt, die Abweichung der Messgeräte von diesem Mittelwert
berechnet werden.
Die Betrachtung der relativen Fehler ergibt, dass die Lysimeter durchschnittlich
42,4% weniger Niederschlag aufweisen, als die übrigen Geräte. Das Thiesmessgerät
misst die größten Mengen und weicht mit 5,5% vom Mittelwert „Pges“ ab. Das
Lysimeter zeigt im Sommerhalbjahr 44,2% weniger an, als die anderen Geräte.
Die Sammelkannen weisen die geringste Abweichung von nur 1,2% im Sommerhalbjahr
und −0,2% in der Gesamtbetrachtung auf.
Der Vergleich der Sammelkannen mit dem Thiesmesser zeigt, dass letzteres zumeist
höhere Niederschlagsmengen misst, als die Sammelkannen. Im März, April
und Mai weisen die Sammelkannen jedoch ca. 5% mehr Niederschlag auf. Im
Sommerhalbjahr beträgt die Abweichung bei P und PK 5%, bei P1 (0,9%) und P2
(−0,4%) nur 0,2%. In den Monaten Oktober, November und Dezember 2005 treten
größere Abweichungen von etwa 26% (P, PK) und 16% (P1, P2) auf. Jedoch
können diese Abweichungen zumindest im Oktober und November nicht auf das
Vorkommen von Schnee zurückgeführt werden. Der Vergleich des Ombrometers
mit den Sammelkannen zeigt, dass das Ombrometer etwa zwischen 3% und 16%
weniger misst, als die Sammelkannen. Hierbei treten die geringsten Abweichungen
zwischen den in 1m Höhe angebrachten Sammelkannen und dem Ombrometer
auf. Dies kann darauf zurückgeführt werden, dass die Umweltbedingungen
einen ähnlich starken Einfluss auf die Geräte haben. Die Fehler nehmen in den
Wintermonaten zu. Das Ergebnis, dass das Ombrometer weniger anzeigt, als die
Sammelkannen oder das Thiesmessgerät überrascht. Normalerweise müsste dieses
größere Mengen aufweisen, da hierdurch die direkte Gewichtsmessung der Verdunstungsfehler
ausgeschaltet ist.
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6 BESCHREIBUNG DER DATENSÄTZE
Abweichung [%] vom Halbjahresmittelwert aller
Sammelkannen
6/10 Datenauswertung Niederschlagsmessungen
6,0
4,0
Relativer Fehler in %
2,0
0,0
-2,0
-4,0
Winterhalbjahr
Sommerhalbjahr
P-NS_mit
PK-NS_mit
P1-NS_mit
P2-NS_mit
-6,0
-8,0
schlagsverlauf kann dem Graphen (13) entnommen werden.
Die Schwellenwertauswertung ergibt die in Abbildung (14) dargestellte Thies Zuordnung der
Messwerte 140,0 in die Schwellenwertkategorien. Dazu wurde wie in Kapitel Lysimeter (6.2) (Mittelwert) beschrieben
Niederschlag [mm]
180,0
160,0
100,0
80,0
60,0
vorgegangen,
120,0
jedoch mit dem Unterschied, dass der Mittelwert zur Einteilung in die Schwellenwertbereiche
aus den täglichen Niederschlägen der Messgeräte P K, P 2 und dem Thiesmesser
berechnet wurde. Das Ergebnis fällt etwas anders aus, als dies bei der Einzelbetrachtung
der HELLMANN-Kannen der Fall war. Es wird deutlich, dass in einigen Fällen
40,0
20,0
geringere Niederschläge einem höheren oder höhere einem niedrigeren Schwellenwert zugeordnet
werden 0,0 mussten. Wegen der geringen Anzahl der Messwerte in den Schwellenwertbereichen
von 0, 1 mm und größer 10 mm ist die Auswertung in diesem Bereich nicht zu
Jan 05
Feb 05
Mär 05
Apr 05
Mai 05
Jun 05
empfehlen, da die Ergebnisse nicht repräsentativ wären.
Monate
Die Berechnung Abb.1: Vergleich des relativen der Lysimeterniederschläge Fehlers weist auf eine mit denen Abnahme der anderen des Fehlers Geräte mit Zunahme
Abb.1: Abweichung vom Referenzwert der Sammelkannen
Abbildung 12: Abweichung vom Mittelwert (NS) zwischen den Sammelkannen im
Die Abhängigkeit der Messgeräte von den Witterungseinflüssen wird anhand von
Korrelationen Sommer- bestimmt. und Winterhalbjahr
Die Betrachtung des Unterschiedes zwischen den Sammelkannen
und dem Ombrometer zeigt, dass diese Abweichung im Mai mit der
6.3 Thiesmessgerät
Lufttemperatur am besten korreliert. Hier wurde ein Korrelationskoeffizient von >
0,75 berechnet. Der Windeffekt trägt nicht zum Unterschied bei. Im Dezember
7 GERÄTEVERGLEICH Es stehen 2005 die wird Tagessummenmesswerte der Fehler UND durch AUSWERTUNG
den Schneefall vom 1. verursacht. Januar 2005 In bis den 31. anderen Dezember Zeiträumen 2005 zur
Verfügung. konnte Imkein Jahrsignifikanter 2005 beträgt Zusammenhang die Gesamtniederschlagsmenge ermittelt werden. Die 646Untersuchung mm. Dabei entfallen der
auf dasKorrelation Sommerhalbjahr des Fehlers 389 mm zwischen und auf den das Sammelkannen Winterhalbjahr und dem 257 mm. Thiesmesser Die höchste zeigte,
dass im
Niederschlagsmenge
tritt
März
mit
der
155
Fehler
mm im
zwischen
Monat
den
Juli
Sammelkannen
05 auf (Abbildung
P1 und
(16)).
P2 von
Der
der
höchste
Windgeschwindigkeit, Vergleich des der Niederschläge Lufttemperatur zwischen und vom Schnee den Lysimetern
abhängt. Die Abhän-
Tagesniederschlag (Mittelwert beläuft sichaus aufallen) 63 mmund den wurde übrigen am 29. Messgeräten
Juli gemessen. Der Nieder-
der Niederschlagsmengen hin (Abbildung (15)). Die Auswirkungen von Wind, Verdunstung
Abbildung
gigkeit
26: Niederschlagsverteilung
ist allerdings nicht durchgehend
des Lysimeterniederschlags
und Anhaftung von Wasser werden hierbei geringer
signifikant
und
(rxy
es
=
liegt
0,44
eine
−0,81).
(Mittelwert)
größere
Im April
Anzahl
–
und Vergleich
mit dem Verlauf des Thiesmessers (aus Tageswerten gemittelte Mo-
an
Messwerten vor.
natswerte), dem Ombrometer und den Sammelkannen (Mittelwert über die
Monatswerte aller Sammelkannen).
Jul 05
Aug 05
Sep 05
Ombrometer
Sammelkanne (Mittelwert)
Okt 05
Nov 05
Dez 05
dings nur bei den Sammelkannen P 1 und P 239(r xy = −0,5 ), da diese bodennah angebracht
sind und durch Schneeverwehungen stärker beeinflusst werden. Der Unterschied zwischen
den Sammelkannen P 1 und P 2 wird um so kleiner, je mehr Schnee fällt, da diese Sammelkannen
dannTheresa geringere Mannschatz Mengen- Niederschlag TU Bergakademie messen. Freiberg Da- Oberseminar das Ombrometer - Geoökologie im Allgemeinen
zu geringe Niederschlagsmengen anzeigt, verringert sich der Fehler zwischen ihnen. In den

7 GERÄTEVERGLEICH
7/10
UND AUSWERTUNG
Datenauswertung Niederschlagsmessungen
Tabelle Oktober 11: Übersicht 2005 konnte des relativen der Unterschied Fehlers auf [%] keinen bzw. Abweichung der Umwelteinflüsse vom Mittelwert zurückge-
P 2 über
die Monatsmittel der Messgeräte: Ombrometer, Thiesmesser und Sammelkannen.
der Lysimeterniederschläge mit denen der anderen Geräte
Tab.2: Vergleich
Relativer Fehler [%]
Monat Thies Ombrometer Sammelkannen Lysimeter
Jan 0 - - −52,3
Feb 0 - - −51,1
März 0,9 - −0,9 −47,5
April 0,4 - −0,4 −71,4
Mai −1,9 - 1,9 −43,8
Juni 3,6 −4,6 1,1 −63,3
Juli 7,3 −10,1 2,8 −45,9
Aug 4,7 −5,9 1,2 −46,8
Sep 3,8 −5,7 1,8 −28,8
Okt 7,0 −6,9 −0,2 −9,5
Nov 34,3 −22,9 −11,4 −34,7
Dez 5,9 −7,7 1,8 −13,3
Mittlerer Fehler 5,5 −9,1 −0,2 −42,4
Sommerhalbjahr 3,6 −6,6 1,2 −44,2
Mai - Oktober
getroffen führt werden. Es Wird ist natürlich der Einfluss nichtdes ausgeschlossen, Fehlers in den dass Schneeperioden es trotzdem einen betrachtet, übergreifenden
Zusammenhang
dann ist der Unterschied
gibt, der
auf
jedoch
die Schneemenge
anhand einer weiterführenden
zurück zu führen.
Arbeit
Je mehr
geprüft
Schnee
werden
fällt, desto größer ist auch der Fehler.
müsste.
Die Untersuchung der Unterschiede zwischen dem Lysimeterniederschlag und
Die
dem
unter
der
Abschnitt
Sammelkannen,
(7) dargestellten
sowie der Umwelteinflüsse
und nach Formel
konnte
(11) berechneten
keinen eindeutigen
prozentualen
relativen Zusammenhang Fehler stellen liefern. somit den durch die externen Einflüsse verursachten Fehler dar.
WennInteressant es einen Einfluss scheint das gibt, Ergebnis dann müsste der Untersuchung dieser Fehlerdes mitrelativen den Größen Fehlers Windgeschwindigkeit,
zwischen
dem
Temperatur
Mittelwert
usw.
der
korrelieren.
bodengleichen Sammelkannen, der in 1m Höhe aufgestellten
und den Lysimetern 1/6 und 11/1 in der Winterperiode. Die Erwartung, dass die
Die Untersuchung wurde für unterschiedliche durchaus kurze Perioden (Monat, Wochen)
Bodengleichen einen geringeren Unterschied zu den Lysimetern aufweisen würden,
da sie
durchgeführt. Die
in
Zeiträume
etwa den
für
gleichen
die Korrelationsermittlung
Bedingungen ausgesetzt
sind in
sind,
Tabelle
bestätigte
(12) dargestellt.
sich
Als problematisch nicht. Es zeigte erweist sich genau sich die das Erstellung Gegenteil. einer Hierbei allgemeinen weisen die Aussage in Bodenniveau zur Abhängigkeit ein-
Messgerätes Geräte von eine den Abweichung Umwelteinflüssen, zwischen da 54% die (Lysimeter „wahren“ Niederschlagswerte 11/1) und 30% (Ly- nicht
einesgebauten
bekannt sind. Demnach ist es sinnvoller, den Zusammenhang zwischen den Gerätefehlern
zu ermitteln.
Die Betrachtung des Unterschiedes zwischen den Sammelkannen und dem Ombrometer
zeigt, dass diese Abweichung im Mai mit der Lufttemperatur am besten korreliert. Hier
wurde ein Korrelationskoeffizient von > 0,75 berechnet. Der Windeffekt trägt nicht zum
Unterschied bei. Im Dezember 2005 wird der Fehler durch den Schneefall verursacht. Aller-
52
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8/10 Datenauswertung Niederschlagsmessungen
simeter 1/6) auf. Bei den in 1 m Höhe aufgestellten Geräten lag diese zwischen
8% und 28%. Die Ursache könnte darin zu finden sein, dass die Lysimeter immer
zu wenig anzeigen und sich somit dem „falschen“ Wert von PK und P annähern.
Dementsprechend zeigen die bodengleichen Geräte wesentlich mehr an und könnten
aus diesem Grund näher am „wahren“ Niederschlagswert liegen. Zum Anderen
könnte es damit zusammenhängen, dass durch Schneewehen mehr Schnee in die
Sammelkannen in Bodenniveau eingetragen wird. Dieser Schneewehen-Effekt
wirkt nicht im gleichen Umfang auf die Lysimeter ein.
Im folgenden Abschnitt werden die in der Datenauswertung erhaltenen Ergebnisse
mit denen der Literatur verglichen. Dieser Vergleich beruht vor allem auf der ausführlichen
Arbeit von Sevruk (Sevruk 1981). Der Unterschied zwischen den
Sammelkannen in 1 m Höhe und den Bodengleichen ist hauptsächlich auf den
Wind zurückzuführen. Da die Windgeschwindigkeit mit zunehmender Höhe steigt,
werden hier die Wassertropfen leichter über die Öffnung hinweg getragen. Dies
wird vor allem im Winter bei Schneefall deutlich. Abhängig ist dies natürlich von
der Tropfengröße und dem Einfallswinkel. Des Weiteren sind die Haftwasserverluste
in den Bodengleichen geringer, da dort die Windgeschwindigkeiten, die
Temperatur und somit auch die Verdunstung des anhaftenden Wassers geringer ist.
Im Allgemeinen sollte der Fehler bei geringeren Niederschlagsmengen größer
sein, da ein Haftwasserverlust größere Auswirkungen auf die Gesamtmenge des
Niederschlags hat.
Aus diesem Grund zeigen die bodennahen Geräte höhere Niederschlagswerte an,
als die in 1 m Höhe angebrachten Geräte. Aufgrund der oben genannten Ursachen
zeigen die Geräte P1 und P2 im windigeren Winterhalbjahr gleiche Messwerte.
Auch die Beheizung der Gefäße, um Schnee zu schmelzen und um ein Festfrieren
des Niederschlages zu verhindern, führt zu einer erhöhten Verdunstung und zu
einem größeren Fehler. Somit ist insgesamt der Fehler im Winter größer (Abbildung
(1)).
Im Sommerhalbjahr könnte der Unterschied zwischen den bodengleichen Geräten
auf Spritzwasser oder Oberflächenabfluss bei Starkregenereignissen zurückzuführen
sein. Die Geräte können auch durch die Windfelddeformation angrenzender
Messgeräte beeinflusst werden (Sevruk 1981).
Normalerweise sollte es möglich sein, die Niederschläge auch anhand der Lysimeter
zu bestimmen. Die positive Gewichtsänderung innerhalb der Regenperioden
sollte nur durch die Zunahme des Wassergehaltes bedingt sein, da die Verdunstung
null ist. Außerdem müsste der Windfehler und der Fehler durch Haftwasser geringer
sein. Insgesamt würde dies zu einer höheren Niederschlagserfassung als bei
den anderen Messgeräten führen, mit der Ausnahme des bodengleichen HELL-
MANN-Messers. Somit überrascht das Ergebnis der bei weitem zu niedrigen
Messwerte sehr. Das Problem liegt wahrscheinlich bei der Bestimmung der Regenperioden,
da dies anhand der 10-minütlichen Thiesmesswerte und der 5-minüt-
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9/10 Datenauswertung Niederschlagsmessungen
lichen Lysimeterwerte durchgeführt wurde. Beim Vergleich zwischen den einzelnen
Lysimetern fiel auf, dass die Werte des Niederschlags einer Regenperiode sehr
unterschiedlich waren. Ausserdem kann dies auch auf die Messapperatur zurückgeführt
werden, da teilweise in Regenabschnitten Messwerte fehlen. Im Winter ist
ein Einfrieren und somit ein Festhängen der freibeweglichen Lysimeterzylinder
möglich. Die Fehlerursachen beim Thiesmesser sind im Prinzip die gleichen wie
bei den Sammelkannen, jedoch erweist sich hier die Mechanik als weitere Fehlerquelle.
Die Kippwaage unterliegt einer gewissen Trägheit und könnte im Winter
einfrieren (Sevruk 1981).
Zusammenfassung
Es treten recht große Unterschiede zwischen den Geräten auf. Problematisch erweist
sich dieser Fakt bei der Berechnung der realen Verdunstung über die Wasserhaushaltsgleichung
aus den Lysimeterdaten. Die Messwerte sollten also um
einen Korrekturfaktor korrigiert werden (Sevruk 1981). Am vertrauenswürdigsten
erscheinen die Ergebnisse der bodennahen HELLMANN-Messer oder des Thiesgerätes.
Vor allem die Geräte PK und P2 zeigten sich mit ihren konstant geringen
Fehlern als zuverlässigste Geräte. Die Ergebnisse des Ombrometers sind recht
zweifelhaft, da zum einen Fehlwerte vorhanden sind und zum anderen die Ergebnisse
in den Monaten mit vollständigen Messdaten geringer sind, als die der unkorrigierten
Niederschläge der Sammelkannen, obwohl dort der Verdunstungsfehler
eine größere Rolle spielt. Auch das Lysimeter bringt nicht die zu erwartenden
Niederschlagsergebnisse.
Die Korrelationsanalyse ergab, dass es schwierig ist, Zusammenhänge signifikant
festzustellen. Im Sommer hängt der Fehler zwischen den Geräten vor allem von
der Lufttemperatur und je nach Windstärke auch von der Windgeschwindigkeit ab.
Im Winter, bei Schneefall, entsteht der Fehler durch den Schnee selbst und durch
die Windgeschwindigkeit, die in dieser Jahreszeit erhöht ist. Aber auch die Sonneneinstrahlung
(Globalstrahlung) kann eine erhöhte Verdunstung verursachen.
Die Messwertabweichungen zwischen den Lysimetern und den anderen Geräten
konnte nicht erklärt werden. Bei den Lysimetern kommt es jedoch in normalen
Regenperioden im Mittelfeld und in Schneefallperioden eher im Randbereich zu
einem größeren Fehler, was auf eine Anstauung von Schneewehen zurückzuführen
sein kann.
Abschließend könnten die Gerätefehler durch verschiedene Maßnahmen verringert
werden. Zum einen sollten die Geräte und besonders die Aufzeichnungsgeräte
kontrolliert werden, da z.B. bei den Lysimetern sehr viele Fehl- und Falschwerte
auftraten. Zum anderen könnte der Haftwasserfehler durch verschiedene Beschichtungen
der Sammelkannen verringert werden. Der Windfehler könnte durch
eine Aufstellung der Messgeräte in einem Bereich, der windgeschützt ist, verrin-
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10/10 Datenauswertung Niederschlagsmessungen
gert werden. Der Verdunstungsfehler lässt sich schwer verhindern, obwohl dies
durch geringere Temperaturen am Boden bei den bodennahen Messern schon erreicht
wurde. Die anderen Geräte müssten also daraufhin korrigiert werden.
Literatur
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Messfehlers der Hel lmann - Regenmesser im Sommerhalbjahr in der
Schweiz. Technische Hochschule Zürich.
Theresa Mannschatz - TU Bergakademie Freiberg - Oberseminar - Geoökologie