Niederschlag

Was ist Niederschlag?

Niederschlag ist definiert als flüssiges oder festes Produkt von kondensiertem Wasserdampf, welches aus Wolken fällt oder aus der Luft am Boden abgelagert wird. Dazu zählt Regen, Schnee, Hagel, Tau, etc. Gemessen werden Gesamtmenge und Intensität, welche in folgenden Einheiten angegeben werden:

Gesamtmenge:

  • Millimeter (mm) Wassersäule

Intensität:

  • Millimeter pro Stunde (mm/h)

Wie wird Niederschlag gemessen?

Die Niederschlagsmenge wird immer in einem Auffangbehälter, namens Pluviometer gemessen. Dieser kann entweder automatisiert sein und Messwerte als digitales Signal senden oder die Messung wird manuell durchgeführt, was bedeutet, dass ein Mensch die Menge ablesen muss. Es gibt zwei verschiedene Arten von Pluviometern, die entweder das Wasservolumen oder das Gewicht messen.

Je nach Art des Messgeräts kann ein Messintervall wenige Sekunden bis mehrere Tage lang sein. Dies hat einen enormen Einfluss auf die Genauigkeit.

Die Niederschlagsintensität kann von automatisierten Messgeräten direkt ausgegeben werden. Dabei wird in der Regel in Intervallen von 10 Sekunden gemessen und auf eine Minute gemittelt. Solche modernen Messgeräte sind in der Lage die starke Variabilität von Niederschlag abzubilden.

Wie muss ein Pluviometer aufgestellt werden?

Bei den Pluviometern gibt es keinen eindeutigen WMO-Standard (World Meteorological Organization). In den meisten Ländern werden die Messgeräte jedoch zwischen 0.5 und 1.5m über dem Boden installiert. Zudem müssen die Instrumente so verarbeitet sein, dass möglichst wenig Wasser hinaus spritzen, an den Rändern haften oder vom Boden ins Gerät hinein spritzen kann. Zudem ist es empfehlenswert möglichst keine Hindernisse in der Umgebung zu haben, da diese einerseits Niederschlag abfangen und andererseits Turbulenzen in der Luft verursachen, welche den Niederschlag ebenfalls beeinflussen. Dies gilt auch für Stationen mit mehreren Messgeräten. Diese fangen einen Teil des Niederschlags ab und werfen eine Art «Schatten» auf das Pluviometer. Es empfiehlt sich daher die Pluviometer abseits der anderen Messgeräte zu installieren. Für sehr exponierte Orte gibt es Pluviometer mit Windschildern, um die vom Gerät selbst verursachten Turbulenzen zu minimieren. 

Abbildung 1: Messgerät mit Kippvorrichtung

Welche Messgeräte werden verwendet?

Nationale Wetterdienste wie zum Beispiel MeteoSchweiz benutzen meist eines von zwei verschiedenen Geräten um Niederschlag zu messen:

  • Ein Pluviometer mit Kippsystem und Heizung für Schneeschmelze wie das Gerät Lambrecht 15188 (Abbildung 1)
  • Ein Pluviometer basierend auf dem Wägeprinzip der je nach klimatischen Bedingungen ebenfalls beheizt ist, zum Beispiel der Ott Pluvio2

Die Instrumente, welche den Niederschlag durch wägen bestimmen sind zwar genauer wie die kippenden, haben jedoch einen grösseren Wartungsaufwand und eignen sich daher nicht für abgelegene Orte.

Welche anderen Messmethoden gibt es?

Die einfachste Methode Niederschlag zu messen ist es einen Messbehälter mit Skala ins Freie zu stellen und die Menge nach dem Niederschlagsereignis manuell abzulesen.  Eine solche Methode ist jedoch sehr fehleranfällig und erfordert hohen Personaleinsatz.

Abbildung 2: Pluviometer mit Waage

In der Meteorologie werden die oben vorgestellten Varianten am häufigsten verwendet. Messgeräte mit Kippsystem haben einen Auffangbehälter, der ab einem gewissen Wasserpegel kippt und sich somit selbst entleert. Jede Kippbewegung löst ein Signal aus, welches von einem Computer erfasst wird, der die Intensität und die Gesamtmenge errechnet.

Eine andere Messmethode ist das wägen des Niederschlags, was eine sehr genaue Berechnung der Menge ermöglicht. Zudem kann mit dieser Methode eine kontinuierliche hochaufgelöste Zeitreihe erstellt werden, welche sowohl Menge, wie auch Intensität des Niederschlags darstellt. Einziger Nachteil dieser Sensoren ist, dass der Auffangbehälter – zumindest bei älteren Modellen – von Hand entleert werden muss.

Daneben gibt es auch Laser-optische Distrometer, welche mit Hilfe von Laserstrahlen die Grösse und Geschwindigkeit jedes Tropfens / jeder Schneeflocke messen und dadurch sowohl Niederschlagsmenge, -intensität und die daraus resultierende Sichtweite errechnen. Diese Geräte sind jedoch was die Genauigkeit angeht – vor allem in der Intensität – den vorherig genannten Modellen hinterher.

Schwierigkeiten der Niederschlagsmessung

Im Gegensatz zu Temperatur ist die räumliche Variabilität von Niederschlag deutlich höher. Während sich die Temperatur zwischen zwei Wetterstationen in ebenem Gelände annähernd linear verhält und daher gut interpoliert werden kann, ist dies für Niederschlag nur schwer möglich, da Niederschlagsereignisse insbesondere Gewitter sehr kleinräumig auftreten können.

Zudem sind Niederschlagsmessungen sehr fehleranfällig. Ein Grossteil der Fehler ist standortabhängig, denn schon kleine Hindernisse, wie ein Baum oder eine Stromleitung können das Messergebnis beeinflussen, indem sie einen Teil des Niederschlages abfangen. Starke Winde verstärken diesen Einfluss sogar noch, denn dadurch können selbst Hindernisse in grösserer Distanz Niederschläge durch Luftturbulenzen beeinflussen.

Zudem können Spritzer von anderen Objekten in der Nähe eines Pluviometers in den Auffangbehälter gelangen und die Messung so verfälschen.

Ein weiteres Problem ist die Verschmutzung des Behälters durch andere Objekte. Vor allem im Herbst wird viel Laub durch die Luft transportiert und kann sich in der Öffnung des Pluviometers niederlassen. Auch andere Objekte wie Äste, Staub oder Sand können sich ansammeln und so den Messbehälter verschmutzen.

An Orten mit Schneefall müssen die Messgeräte beheizt sein, damit der Schnee den Behälter weder füllen noch verdecken kann, sondern schmilzt und als flüssiger Niederschlag gemessen werden kann. Dabei ist es wichtig, dass die Heizung konstant ist, da das Volumen von Wasser temperaturabhängig ist.

Eine weitere Fehlerquelle ist die Evaporation von Wasser durch Sonneneinstrahlung. Deswegen sollten die Geräte aus einem Trichter bestehen, der das Wasser in den Messbehälter darunter führt. Durch die enge Trichteröffnung werden Fehler durch Verdunstungsverluste minimiert.

Wie viele Messstationen gibt es?

MeteoSchweiz betreibt 260 automatische Wetterstationen, die den Niederschlag messen. Diese werden durch ein Netz mit etwa 300 privaten Stationen ergänzt, da Niederschlag ein sehr lokales Phänomen ist.

Abbildung 3: Globales Netzwerk zur Niederschlagsmessung

Das Global Precipitation Climatology Centre (GPCC), welches vom DWD (Deutsch Wetterdienst) im Auftrag der WMO betrieben wird erfasst qualitätskontrollierte Daten von teilweise mehr als 50'000 Niederschlags-Messstationen weltweit. Die Zeitreihen dieser Messungen weisen oft sehr grosse Lücken auf und sind trotz Qualitätskontrolle fehleranfällig, weshalb eine automatisierte Verwendung dieser Daten nicht sinnvoll ist und für Validierungen eine erneute Qualitätsprüfung empfohlen wird.