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Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I Themen: Vorlesung 2 Wasserkreislauf Aggregatzustände von Wasser Niederschlagsbildung,

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1 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I Themen: Vorlesung 2 Wasserkreislauf Aggregatzustände von Wasser Niederschlagsbildung, -arten, Kennzahlen Niederschlagsmessung

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

3 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Wasserhaushaltsgleichung: Niederschlag = Abfluss + Verdunstung + Speicheränderung Der Wasserkreislauf

4 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Verdunstung Kondensation Aggregatzustände des Wassers

5 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Schmelzen Gefrieren Aggregatzustände des Wassers

6 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Die roten Pfeile geben Prozesse an, bei denen Wärme verbraucht wird; blaue Pfeile stellen Prozesse dar, bei denen Wärme freigesetzt wird. Sublimation Deposition Aggregatzustände des Wassers

7 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Als Faustformel gilt für den Temperaturbereich zwischen 5°C und 30°C Sättigungsfeuchte [g/m³] ≈ Temperatur [°C] Wasserdampfsättigung

8 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Ausgangssituation: Temperatur: 20°C relative Luftfeuchtigkeit: 50%  Wassergehalt: 8,6 g/m³ Wasserdampfsättigung

9 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Ausgangssituation: Temperatur: 20°C relative Luftfeuchtigkeit: 50%  Wassergehalt: 8,6 g/m³ Die Lufttemperatur fällt beim Aufsteigen um 1,0 °C je 100 Höhenmeter (trockenadiabatischer Aufstieg) Wasserdampfsättigung

10 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Die Lufttemperatur fällt beim Aufsteigen um 1,0 °C je 100 Höhenmeter (trockenadiabatischer Aufstieg) Veränderungslage: Temperatur: 10°C Wassergehalt: 8,6 g/m³  relative Luftfeuchtigkeit: 92% Wasserdampfsättigung

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

12 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Bei trockener Luft reduziert sich die Temperatur jeweils um 1°C je 100 Höhenmeter. Quelle: Springerverlag Temperaturgradient in der Atmosphäre

13 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken 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. Quelle: Springerverlag Temperaturgradient in der Atmosphäre

14 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken 1250 Adiabate (Trockenadiabate) Kondensationsniveau Feuchtadiabate Temperatur [C°] Höhe [m] Feuchtadiabatischer Temperaturgradient

15 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Das Luftpacket ist kälter als die Umgebungsluft und somit schwerer ═› das Luftpacket sinkt automatisch wieder auf die Ausgangshöhe h Höhe ThTh Th1Th1 Th2Th2 Temperatur 0 h h1h1 adiabatische Temperaturänderung aktuelle Temperatur - Höhenkurve stabile Schichtung

16 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Das Luftpacket ist wärmer als die Umgebungsluft und somit leichter ═› das Luftpacket steigt automatisch wieder auf die Ausgangshöhe h Höhe ThTh Th1Th1 Th2Th2 Temperatur 0 h h1h1 h2h2 adiabatische Temperaturänderung aktuelle Temperatur - Höhenkurve Eine derartige stabile Schichtung wird als unteradia- batische Schichtung bezeichnet stabile Schichtung

17 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Das Luftpacket ist wärmer als die Umgebungsluft und somit auch leichter ═› das Luftpacket wird weiter steigen Höhe Th1Th1 ThTh Th2Th2 Temperatur 0 h h1h1 adiabatische Temperaturänderung aktuelle Temperaturkurve labile Schichtung

18 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Das Luftpacket ist kälter als die Umgebungsluft und somit auch schwerer ═› das Luftpacket sinkt weiter ab Höhe Th1Th1 ThTh Th2Th2 Temperatur 0 h h1h1 h2h2 adiabatische Temperaturänderung aktuelle Temperaturkurve Eine derartige labile Schichtung wird als überadiabatische Schichtung bezeichnet labile Schichtung

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

20 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken 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 fache vergrößern kann. Niederschlagsbildung

21 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Bei der Entstehung von Niederschlägen kann man grundsätzlich zwischen zwei Entstehungsprozessen unterscheiden: Koagulation: Sublimation: Niederschlagsbildung => Nieselregen oder Sprühregen => Starkregen

22 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Nieselregen Niesel- oder Sprühregen entsteht durch Koagulationsprozesse in tiefen Stratuswolken Niederschlagsarten

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

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

25 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Bildquelle: dpa Extreme Niederschläge in 5b-Wetterlagen Resultat:

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

27 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Allgemeinere Beschreibung: Bei Niederschlag handelt es sich um jede Erscheinungs- form von Wasser, welches aus der Atmosphäre auf die Erde gelangt. Regen Schnee Hagel Eiskugeln/Eisstücke  5-10mm Graupel Eisgebilde  2-5mm Tau durch Kondensation abgesetzter Reif Niederschlag Es kann sich dabei um folgende Formen handeln: Niederschlag

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

29 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Charakteristische Größen des Niederschlags Niederschlagshöhe h N [mm] Niederschlagsdauer T N [h] Häufigkeit bzw. Jährlichkeit T n = 1/n Niederschlagsintensität i N (t) [mm/h] Niederschlag

30 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Niederschlagshöhe in [mm] Bildquelle: Hydrologischer Atlas Deutschland Mittlere jährliche Niederschlagshöhe Als Größenordnung: Mittlerer Niederschlag in Aachen: 805 [mm/a]

31 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Niederschlagshöhe in [mm] Bildquelle: Hydrologischer Atlas Deutschland Mittlere jährliche Niederschlagshöhe Norddeutschland

32 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Bildquelle: Hydrologischer Atlas Deutschland Mittlere jährliche Niederschlagshöhe Süddeutschland Niederschlagshöhe in [mm]

33 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Nord-Süd-Schnitt der Rasterfelder mittlerer jährlicher Niederschlagshöhen des Bezugszeitraumes in 10° 10´ östlicher Lage Bildquelle: Hydrologischer Atlas Deutschland Niederschlagshöhen in Deutschland

34 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Bildquelle: Hydrologischer Atlas Deutschland Exemplarische Monatsniederschläge

35 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Niederschlagshöhe in [mm] D = 24h, T = 1a Niederschlagshöhe in [mm] D = 24h, T = 100a Bildquelle: Hydrologischer Atlas Deutschland Starkniederschlagshöhen [Dauer 24h] Größter Niederschlag in Deutschland innerhalb von 24h: 312 [mm/d] im Erzgebirge August 2002 (=> Jahrhunderthochwasser Elbe)

36 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Niederschlagshöhe in [mm] D = 72h, T = 1a Niederschlagshöhe in [mm] D = 72h, T = 100a Bildquelle: Hydrologischer Atlas Deutschland Starkniederschlagshöhen [Dauer 72h]

37 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken 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] oder Niederschlag >= 20 mm in 6 Stunden => i = 3,33 [mm/h] Unwetterwarnung: Niederschlag >= 25 mm in 1 Stunde => i = 25 [mm/h] oder Niederschlag >= 35 mm in 6 Stunden => i = 5,83 [mm/h]

38 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken 126mmFüssen, Kr. Ostallgäu 8 Minuten mmPotsdam30 Minuten mmDaudenzell, Kr. Neckar-Odenwald60 Minuten mmMarienberg, Mittlerer Erzgebirgskreis90 Minuten mmSchwerin 6 Stunden mmZeithain, Kr. Riesa-Großenhain24 Stunden06./ mmZinnwald-Georgenfeld, Weißeritzkreis 1 Tag mmMüncheberg, Kr. Märkisch Oderland 1 Tag mmGroßer Arber (Arberhütte)34 Stunden mmStein, Kr. Rosenheim 1 MonatJuli mmPurtschellerhaus, Kr. Berchtesgadener Land12 Monate12/ / mmin derPrignitz (ca. 100 km²) 3 Tage mmEinzugsgebiet des Mains (ca km²) 1 MonatOktober 1998 Quelle: Deutscher Wetterdienst Gemessene Starkniederschlagshöhen

39 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken 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 derartige Niederschlagsstationen im Betrieb. Niederschlagsmesser

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

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

42 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken 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 Niederschlagsschreiber III

43 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken 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 % (bezogen auf den Jahresniederschlag) vorgenommen werden müssen. Einfluss der Verdunstung Einfluss der Windexposition Benetzungsverluste Niederschlagsmessung

44 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Online Niederschlagsdaten Bildquelle: LUA NRW

45 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Klimadaten – Vergleich langjähriger Niederschlagswerte


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