Wind

Was ist Wind?

Als Wind wird in der Meteorologie eine gerichtete, stärkere Luftbewegung in der Erdatmosphäre bezeichnet. Gemessen werden Windgeschwindigkeit und Windrichtung, welche in folgenden Einheiten angegeben werden:

Geschwindigkeit:

  • Meter pro Sekunde (m/s) ist die SI-Einheit für Geschwindigkeit
  • Kilometer pro Stunde (km/h) ist die Einheit des metrischen Systems
  • Meilen pro Stunde (mph) ist die in den USA und Grossbritannien genutzte Einheit.

Richtung:

  • Grad (°). Entscheidend für die Angabe der Windrichtung ist die Richtung, aus der der Wind bläst. Südwind bläst also von Süden nach Norden (Windrichtung = 180°). 

Wie wird Wind gemessen?

Da Wind eine Masse hat, kann er Gegenstände bewegen, was sich einige der Messinstrumente für Windmessungen (Anemometer) zu Nutze machen. Die Windgeschwindigkeit kann somit durch die Drehzahl eines Propellers bestimmt werden. Alternativ kann die Windgeschwindigkeit von verschiedenen Systemen durch die Reflexion oder Geschwindigkeit von Wellen (Schall, Licht) gemessen werden (siehe Messmethoden).

Die stündlichen Werte der Geschwindigkeit sind Mittelwerte aus 6 bis 10 minütigen Intervallen. Diese 10 Minuten Intervalle bestehen aus 4 Messungen pro Sekunde, welche auf 10 Minuten aggregiert werden. Maximale und minimale Geschwindigkeiten werden aus 3-sekündigen Intervallen abgeleitet, welche aus 12 Einzelmessungen bestehen.

Die Richtung kann zum Beispiel durch eine Windfahne ermittelt werden, welche jede Sekunde einen Messwert ausgibt. Diese werden ebenfalls auf 10 Minuten gemittelt und anschliessend zu Stundenwerten aggregiert.

Abbildung 1: Wetterstation in La Brévine

Wie muss ein Anemometer aufgestellt werden?

Ein Anemometer muss nach WMO-Standard auf einem ebenen Untergrund (im Optimalfall kurz geschnittenes Gras) und zehn Meter über dem Boden platziert sein. Es dürfen keine grösseren Hindernisse (Bäume, Gebäude), welche die Zirkulation der Luft beeinflussen in der Nähe sein. Die Distanz von einem grösseren Hindernis zum Messgerät sollte mindestens 4-mal die Höhe des Objekts betragen. 

Windgeschwindigkeit und Windrichtung ändern sich mit zunehmender Höhe über Grund. Daher werden an meteorologischen Messmasten meist Windsensoren in verschiedenen Höhenlevels (2m, 10m, 80m etc..) angebracht.

Welche Messgeräte werden verwendet?

Abbildung 2: Schalenanemometer mit Windfahne

Nationale Wetterdienste nutzen meist eines der folgenden zwei Geräte um Windgeschwindigkeit und -richtung zu messen:

  • Ein Schalenanemometer mit Windfahne (siehe Abbildung 2)
  • Ein Ultraschall-Anemometer welcher sowohl Windgeschwindigkeit, als auch -richtung misst (siehe Abbildung 3)

Welche anderen Messmethoden gibt es?

Ein Schalen-, oder Propelleranemometer misst die Windgeschwindigkeit mit Hilfe der Drehzahl des Geräts. Dazu gehört eine Windfahne, welche die Richtung des Windes misst. Diese Geräte sind die meist verbreiteten und und auch auf privaten Gebäuden häufig zu sehen. Ihre Messungen sind relativ genau, sie haben jedoch den Nachteil, dass sie durch Staub oder am Meer durch Salz blockiert werden können.

Abbildung 3: Ultraschall-Anemometer

Andere Anemometer (SODAR / LIDAR) machen ihre Messungen mit Hilfe der Doppler-Frequenzverschiebung. Dieser sogenannte Doppler-Effekt funktioniert folgendermassen: Treffen die Schall- / Lichtwellen auf ein Partikel in der Luft, das sich auf das Messgerät zubewegt, wird die reflektierte Welle eine höhere Frequenz haben, als das Ausgangssignal. Mit Hilfe dieser Frequenzverschiebung kann sowohl Windrichtung als auch -geschwindigkeit gemessen werden. Diese Messinstrumente haben den Vorteil, dass sie ein 3D-Abbild der Luftströmungen bis zu 200m Höhe erstellen können. Dies wird vor allem bei der Beurteilung von Windparkstandorten zur Hilfe genommen. Allerdings funktionieren die Instrumente bei Niederschlag (Regen, Schnee, etc.) nur beschränkt, da dieser die Wellen ebenfalls reflektiert.

Das Ultraschallanemometer misst die Zeit, welche zwischen Senden und Empfang des Signals zwischen zwei Rezeptoren vergeht. Hat das Signal Rückenwind, wird es schneller als Schallgeschwindigkeit ankommen, hat es Gegenwind, ist es langsamer. Da ein Messzyklus dieses Geräts nur ca. 5ms dauert, können bis zu 200 Messzyklen pro Sekunde durchgeführt werden. Dies ermöglicht es Mikrozirkulationen zu messen. Auch dieses Instrument ist aber bei Niederschlag nicht zuverlässig einzusetzen.

Für sehr hohe Windgeschwindigkeiten gibt es zudem noch Staudruckanemometer (Pitot-Tuben). Diese Messen den Druckunterschied zwischen anströmender Luft und dem Normaldruck.  

Schwierigkeiten der Windmessung

Das grösste Problem bei Wind ist, dass jedes noch so kleine Objekt eine Turbulenz verursacht. Schon eine Stromleitung reicht, um den Wind für eine gewisse Distanz zu verwirbeln. Da Windsensoren meist einen regelmässigen und konstanten Wind benötigen um genaue Messungen zu liefern sind Turbulenzen nicht erwünscht. Es ist daher umso wichtiger, dass die Windmessung an einem Ort platziert wird, wo es keine Hindernisse gibt.

Bei Propeller-oder Schalenanemometern gibt es das Problem der Verschmutzung oder Blockierung durch Staub oder in Meeresnähe auch durch Salz. Daher müssen sie in regelmässigen Abständen gewartet werden. Zudem haben diese Messgeräte eine gewisse Verzögerung bei starken Windböen, da die Schalen zuerst beschleunigen müssen und die Geschwindigkeit des Propellers nicht sofort ändert. Das grössere Problem ist aber die Übergeschwindigkeit nach einer Windböe, denn dadurch, dass die Geräte mit möglichst wenig Reibung geschaffen werden (für eine schnelle Beschleunigung), ist die Verringerung der Propellergeschwindigkeit bei abnehmender Windgeschwindigkeit noch stärker verzögert.

Wie viele Messstationen gibt es?

In der Schweiz gibt es 155 offizielle Messstationen von MeteoSchweiz, welche Windgeschwindigkeit und -richtung messen. Dies reicht jedoch nicht für ein flächendeckendes Messnetz, welches die Schweiz repräsentiert, da es in der Schweiz mit den Alpen ein grosses Hindernis für Windströmungen gibt. Zudem gibt es viele kleine Täler, welche jeweils unterschiedliche mikroklimatische Windsysteme darstellen.

Gemäss WMO gibt es ca. 14'000 Wetterstationen weltweit, welche täglich aktualisiert werden. Eine Karte wie sich diese Wetterstationen verteilen ist im Abschnitt zur Temperatur zu finden. Die Website www.windfinder.com hat jedoch laut eigenen Angaben mehr als 20'400 Stationen in einem Netzwerk vereint.