Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I Themen: Wasserkreislauf Aggregatzustände von Wasser Niederschlagsbildung, -arten, -kennzahlen Niederschlagsmessung [für Punktniederschläge]

Lehrziele der Veranstaltung erschaffen bewerten analysieren anwenden Sie legen selbstständig fest, welches Messverfahren für eine bestimmte wasserwirtschaftliche Aufgabenstellungen maßgeblich ist. verstehen … und verstehen deren Unterschiede. … und wissen, wann sie angewendete werden können. erinnern Sie kennen die verschiedenen Arten der Niederschlagsentstehung ... Sie kennen die Verfahren zur Niederschlagsmessung …

Der Wasserkreislauf Wasserhaushaltsgleichung: Niederschlag = Abfluss + Verdunstung + Speicheränderung Bildzitat: Microsoft Corporation

Aggregatzustände des Wassers Kondensation Verdunstung

Aggregatzustände des Wassers Schmelzen Gefrieren

Aggregatzustände des Wassers Sublimation Deposition Die roten Pfeile geben Prozesse an, bei denen Wärme verbraucht wird; blaue Pfeile stellen Prozesse dar, bei denen Wärme freigesetzt wird.

Wasserdampfsättigung 39,6 30,4 23,1 17,3 12,8 9,1 6,8 4,8 2,3 3,3 1,4 Als Faustformel gilt für den Temperaturbereich zwischen 5°C und 30°C Sättigungsfeuchte [g/m³] ≈ Temperatur [°C]

Trockenadiabatischer Aufstieg 39,6 30,4 23,1 17,3 12,8 9,1 6,8 4,8 2,3 3,3 1,4 Ausgangssituation Temperatur: 20°C relative Luftfeuchtigkeit: 50%  Wassergehalt: 8,6 g/m³

Trockenadiabatischer Aufstieg 39,6 30,4 23,1 17,3 12,8 9,1 6,8 4,8 2,3 3,3 1,4 Die Lufttemperatur fällt beim Aufsteigen um 1,0 °C je 100 Höhenmeter (trockenadiabatischer Aufstieg)

Trockenadiabatischer Aufstieg 39,6 30,4 23,1 17,3 12,8 9,1 6,8 3,3 4,8 2,3 1,4 Veränderungslage Temperatur: 10°C Wassergehalt: 8,6 g/m³  relative Luftfeuchtigkeit: 92%

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

Temperaturgradient in der Atmosphäre Bei trockener Luft reduziert sich die Temperatur jeweils um 1°C je 100 Höhenmeter. Bildzitat: Springerverlag

Temperaturgradient in der Atmosphäre 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. Bildzitat: Springerverlag

Feuchtadiabatischer Temperaturgradient 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Höhe [m] Feuchtadiabate Kondensationsniveau 1250 Adiabate (Trockenadiabate) -5 5 10 15 20 25 Temperatur [C°]

Unteradiabatische Schichtung = stabile Schichtung Höhe Das Luftpacket ist kälter als die Umgebungsluft und somit schwerer => das Luftpacket sinkt automatisch wieder auf die Ausgangshöhe h h1 Th1 Th h Th2 aktuelle Temperatur-Höhenkurve adiabatische Temperaturänderung Temperatur

Unteradiabatische Schichtung = stabile Schichtung Höhe Das Luftpacket ist wärmer als die Umgebungsluft und somit leichter => das Luftpacket steigt automatisch wieder auf die Ausgangshöhe h h1 Th1 Th Eine derartige stabile Schichtung wird als unteradiabatische Schichtung bezeichnet h Th2 aktuelle Temperatur-Höhenkurve h2 adiabatische Temperaturänderung Temperatur

Überadiabatische Schichtung = labile Schichtung Höhe Das Luftpacket ist wärmer als die Umgebungsluft und somit auch leichter => das Luftpacket wird weiter steigen h1 Th1 Th h Th2 aktuelle Temperatur-Höhenkurve adiabatische Temperaturänderung Temperatur

Überadiabatische Schichtung = labile Schichtung Höhe Das Luftpacket ist kälter als die Umgebungsluft und somit auch schwerer => das Luftpacket wird weiter fallen h1 Th1 Th Eine derartige labile Schichtung wird als überadiabatische Schichtung bezeichnet h Th2 aktuelle Temperatur-Höhenkurve h adiabatische Temperaturänderung Temperatur

Wolkentypen Die Feuchtigkeit liegt in den Wolken temperaturabhängig in Wasser- oder Eisform vor. Die Entstehung von Wassertropfen aus kondensierendem Wasserdampf ist an winzige Staubpartikel gebunden. Bildzitat: Springerverlag

Niederschlagsbildung Bei der Entstehung von Niederschlägen kann man grundsätzlich zwischen zwei Entstehungsprozessen unterscheiden: Koagulation 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. 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 Was resultiert aus den unterschiedlichen Formen der Niederschlagsbildung? Koagulation: => Nieselregen oder Sprühregen Sublimation: => Starkregen

Niederschlagsarten: Nieselregen Niesel- oder Sprühregen entsteht durch Koagulationsprozesse in tiefen Stratuswolken

Niederschlagsarten: Landregen 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 mittel-großer Regentropfen kommt.

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

Extreme Niederschläge in 5b-Wetterlagen Resultat: Bildzitat: dpa Bildzitat: PAP/CAF

Niederschlag Definition gemäß DIN 4049 Bildzitat: Microsoft Corporation Definition gemäß DIN 4049 “Niederschlag ist das Wasser der Atmosphäre, das nach Kondensation oder Sublimation 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 Erscheinungsform von Wasser, welches aus der Atmosphäre auf die Erde gelangt. Es kann sich dabei um folgende Formen handeln: Regen Schnee Hagel Eiskugeln/Eisstücke  5-10mm Graupel Eisgebilde  2-5mm Tau durch Kondensation abgesetzter Reif Niederschlag Bildzitat: Microsoft Corporation

Niederschlagsverlauf Bildzitat: DIN 4049-3

Niederschlagskennwerte Charakteristische Größen des Niederschlags Niederschlagshöhe hN [mm] Niederschlagsdauer TN [h] Niederschlagsintensität iN (t) [mm/h] Häufigkeit bzw. Jährlichkeit Tn = 1/n

Niederschlagsmesser 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 (jeweils alle 24 Stunden) Ablesegenauigkeit: 0,1 mm In der Bundesrepublik sind noch ca. 6000 derartige Niederschlagsstationen im Betrieb.

Fehlereinflüsse bei der Niederschlagsmessung Grundsätzlich ist zu beachten, dass die Angaben der Tagesniederschläge von Niederschlagsmessern fehlerbehaftet sind. Mögliche Fehlerquellen sind dabei: Einfluss der Verdunstung Einfluss der Windexposition Benetzungsverluste Die Fehlereinflüsse können dazu führen, dass Korrekturen der gemessenen Niederschläge in einer Größenordnung von 10 - 25 % (bezogen auf den Jahresniederschlag) vorgenommen werden müssen.

Niederschlagsschreiber 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 II 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 III Bei den Messsystemen mit Kippwaagenprinzip 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 Niederschlagsereignissen (Beginn- und Endzeitpunkte) werden Niederschlagswächter eingesetzt. Gemessen wird der Durchgang des Niederschlages durch eine Lichtschranke. Bildzitat: Thies Clima

Niederschlagsschreiber IV Ein Erweiterung der Niederschlagsschreiber arbeitet sowohl mit dem Prinzip der Wippe als auch zusätzlich mit einer Waage. Videozitat: Lamprecht

Online Niederschlagsdaten [exemplarisch für NRW] Bildzitat: LUA NRW

Mittlere jährliche Niederschlagshöhe 450 500 550 600 700 800 900 1000 1100 1400 1600 1800 1200 Niederschlagshöhe in [mm] Als Größenordnung: Mittlerer Niederschlag in Aachen: 805 [mm/a] Bildzitat: Hydrologischer Atlas Deutschland

Niederschlagshöhen in Deutschland Nord-Süd-Schnitt der Rasterfelder mittlerer jährlicher Niederschlagshöhen des Bezugszeitraumes 1961-1990 in 10° 10´ östlicher Lage Bildzitat: Hydrologischer Atlas Deutschland

Exemplarische Monatsniederschläge List auf Sylt Greifswald Augsburg Feldberg/Schwarzwald Bildzitat: Climate-Data.org

Starkniederschlagshöhen [Dauer 24h] Größter Niederschlag in Deutschland innerhalb von 24h: 312 [mm/d] im Erzgebirge August 2002 Resultat => Jahrhunderthoch-wasser an der Elbe 30 40 50 60 70 80 100 120 140 180 160 Niederschlagshöhe in [mm] D = 24h, T = 1a Niederschlagshöhe in [mm] D = 24h, T = 100a Bildzitat: Hydrologischer Atlas Deutschland

Starkniederschlagshöhen [Dauer 72h] 30 40 50 60 70 80 100 120 140 180 160 Niederschlagshöhe in [mm] D = 24h, T = 1a Niederschlagshöhe in [mm] D = 24h, T = 100a Bildzitat: Hydrologischer Atlas Deutschland

Gemessene Starkniederschlagshöhen in Deutschland 126 mm Füssen, Kr. Ostallgäu 8 Minuten 25.05.1920 40 Potsdam 30 Minuten 11.06.1953 180 Daudenzell, Kr. Neckar-Odenwald 60 Minuten 27.06.1994 145 Marienberg, Mittlerer Erzgebirgskreis 90 Minuten 05.07.1999 112 Schwerin 6 Stunden 24.06.1969 260 Zeithain, Kr. Riesa-Großenhain 24 Stunden 06./07.07.1906 312 Zinnwald-Georgenfeld, Weißeritzkreis 1 Tag 12.08.2002 170 Müncheberg, Kr. Märkisch Oderland 08.08.1978 300 Großer Arber (Arberhütte) 34 Stunden 29.-31.05.1932 777 Stein, Kr. Rosenheim 1 Monat Juli 1954 3661 Purtschellerhaus, Kr. Berchtesgadener Land 12 Monate 12/1943 -11/1944 in der Prignitz (ca. 100 km²) 3 Tage 11.-13.06.1993 194 Einzugsgebiet des Mains (ca. 27.000 km²) Oktober 1998 Quelle: Deutscher Wetterdienst

Bestehende Definitionen für Starkregen „Regen […], der im Verhältnis zu seiner Dauer eine hohe Niederschlagsintensität […] hat und daher selten auftritt, z. B. im Mittel höchstens zweimal jährlich.“ [DIN 4049-3 1994] „A marked precipitation event occuring during a period of time of 1h, 3h, 6h, 12h, 24h or 48 hours with a total precipitation exceeding a certain threshold defined for a given location.“ [WMO 2015] Achtung: Es gib keine allgemeingültige Definition für Starkregen!

Was ist ein Starkregen? Es gibt keine einheitliche und verbindliche Definition für einen Starkregen. Üblich für die Beschreibung sind: Grenzwerte Perzentilmethode Wiederkehrintervalle Starkregenindices

Definition über Grenzwert durch DWD & WMO Der Deutsche Wetterdienst warnt in zwei Stufen vor derartigen Ereignissen. Wetterwarnung: innerhalb von 1 Stunde mehr als 10 mm Niederschlag => i = 10 [mm/h] oder innerhalb von 6 Stunden mehr als 20 mm Niederschlag => i = 3,33 [mm/h] Unwetterwarnung: innerhalb von 1 Stunde mehr als 25 mm Niederschlag => i = 25 [mm/h] innerhalb von 6 Stunden mehr als 35 mm Niederschlag => i = 5,83 [mm/h] Die World Meteorological Organization definiert einen Starkregen, falls ≥ 50 mm Niederschlag in den letzten 24h gefallen ist.

Definition über Grenzwert nach Wussow Für Niederschläge kurzer Dauerstufen hat Wussow eine Formel angegeben, die angibt, wie viel Niederschlag in einer festen Zeitspanne fallen muss, damit man von einem Starkregen ausgehen kann. ℎ 𝑀𝐼𝑁 = 5𝑡− ( 𝑡 24 ) 2 Auf der Webseite können Sie die Formel einmal austesten.

Definition über Perzentilmethode Bei dieser Methode werden die Niederschläge statistisch ausgewertet. Die Niederschlagsdaten werden in aufsteigender Reihenfolge geordnet und eine Berechnung der Perzentile vorgenommen. Das 95. Perzentil entspricht dabei dem Beobachtungswert a95.

Definition über Wiederkehrintervalle Diese Definitionsmethode ist gängige Praxis bei der Definition von Flusshochwasser. „Als Starkregen […] werden Regenabschnitte bestimmter Dauerstufen verstanden, die ein Wiederkehrintervall von 1a ≤ Tn ≤ 100 a aufweisen.“ [DWA-A 531] „Starkregen […] sind folglich erst durch die Festlegung von Regendauer und Wiederkehrintervall eindeutig definiert.“ [DWA-A 531]

Definition über Wiederkehrintervalle nach KOSTRA-DWD KOSTRA-DWD = Koordinierte Starkniederschlagsregionalisierung und –auswertung des DWD Angaben zu den Niederschlagshöhen und –spenden über Niederschlagsdauer und Wiederkehrintervalle für definierte Raster Dauerstufen: 5 min - 72 h Wiederkehrintervalle 1a – 100 a Rasterzelle: ca. 67 km² Einsatzbereiche: hauptsächlich für die Dimensionierung siedlungswasserwirtschaftlicher Anlagen (Kanalnetze) Bewertung von Schadensereignissen bezüglich der Jährlichkeit von Regenereignissen Bildquelle: KOSTRA-DWD-2000

Beispiel von KOSTRA Daten für Aachen Jährlichkeit: 100 Jahre, Dauerstufe 4 h

Definition über Indices I In der letzten Zeit werden verstärkt Definitionen über Starkregen-Indices vorgenommen. Der Hintergrund dafür ist, dass „Otto-Normalverbraucher“ Verständnisschwierigkeiten mit den üblichen Angaben zu den Auftretenswahrscheinlichkeiten hat. Das Ziel ist es ein besseres Verständnis für die Probleme der Überflutungsgefährdung und Risikobewertung zu schaffen. Ein erster Ansatz wurde 2014 von Prof. Schmitt erstellt. Er ordnete feste Wiederkehrintervalle (in Jahren) einem Starkregenindex zu.

Definition über Indices II Schmitt entwickelte das Konzept 2015 weiter und ergänzte es um - Dauerstufen - Starkregenindices 8-12 - Ortsunabhängigkeit

Definition über Indices nach Merkblatt DWA-M 119 Inhaltlicht befasst sich das Merkblatt mit der Analyse der Überflutungsgefährdung sowie des Schadenspotenzials und des daraus resultierenden Überflutungsrisikos lokaler Starkregen auf kommunale Entwässerungssysteme. Vorschlag zur Zuordnung von Starkregenindex und Wiederkehrzeit, exemplarisch aufbauen auf den Konzepten von Schmitt Dabei wird die Verwendung von ortsabhängigen Daten empfohlen

Definition über Indices nach Mudersbach 𝑆𝐼 𝐷,𝑇 =~(1,5∙ ln (𝑇)+0,4∙ ln (𝐷)) für 1 < T ≤ 100 mit T = Jährlichkeit [A], D = Regendauer [min] Das Verfahren kombiniert die Jährlichkeit und die Regendauer einer örtlichen Starkregenstatistik, um die Starkregenindices zu berechnen. Dieses Verfahren erlaubt, dass auch einem sehr seltenes Ereignis (T =100a) mit niedriger Dauerstufe ein hoher Index zugeordnet wird. Quelle: Mudersbach (2016)

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