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Wissenschaft kompakt


Datum: 27.11.2022

Was, wo und wie misst eine Wetterstation? (Teil 2)

Der Deutsche Wetterdienst betreibt etwa 200 automatisierte hauptamtliche Wetterstationen. Wie diese Wetterstationen ihre Wetterdaten erfassen, schauen wir uns heute genauer an.

Jedem sind sie schon einmal begegnet, die Messwerte der Wetterstationen des Deutschen Wetterdienstes (DWD). Sie gehören zur Standardinformation in den stündlichen Wetterberichten im Radio und geraten bisweilen auch in die Schlagzeilen, wenn wieder einmal an einem bestimmten Ort ein neuer Temperaturrekord erreicht wurde oder es in einer Region besonders viel geregnet hat. Der DWD betreibt hierfür das Bodenmessnetz, bestehend aus dem "hauptamtlichen Stationsnetz" mit etwa 200 Wetterstationen sowie weiteren ehrenamtlich betreuten Wetter- und Niederschlagsstationen (siehe Teil 1, veröffentlich am 21.11.2022).

An einer hauptamtlichen Wetterstation werden kontinuierlich Lufttemperatur, Erdbodentemperatur, Luftfeuchte, Luftdruck, Windrichtung- und stärke, Niederschlagsmenge und -dauer, Niederschlagsart, Schneehöhe, Wolkenuntergrenzen und -bedeckungsgrad, Sichtweite, Sonnenscheindauer und Lufthygiene gemessen. Heutzutage geschieht dies alles vollautomatisch und in vielen (wenn auch nicht allen) Situationen können diese Automaten die früheren Tätigkeiten eines Wetterbeobachters adäquat ersetzen. Wie diese automatischen Messgeräte die genannten Wetterparameter erfassen, schauen wir uns nun genauer an.

Lufttemperatur und Erdbodentemperatur

Die Lufttemperatur wird in 2 Metern Höhe über dem Erdboden gemessen und alle 10 Minuten an die DWD-Zentrale übertragen. Zusätzlich wird der Tageshöchst- und -tiefstwert gespeichert. Die Temperatur wird mit einem Temperatursensor ermittelt, der aus einem dünnen Platindraht besteht. Gemessen wird dessen elektrischer Widerstand, der sich linear mit der Temperatur ändert und bei 0°C genau 100 Ohm beträgt. Um die Qualität der Messungen sicherzustellen, werden zwei baugleiche Sensoren parallel betrieben. Da die Lufttemperatur "im Schatten" gemessen werden muss, befinden sich die Temperatursensoren zusammen mit den Feuchtesensoren in einer kleinen, aus Kunststoff bestehenden, weißen Lamellen-Wetterhütte. Diese dient als Strahlungs- und Wetterschutz. Da sich die Wetterhütte bei starker Sonneneinstrahlung erwärmen kann, ist ein Lüfter eingebaut, der die Messfühler stets mit Umgebungsluft umströmt. Zusätzlich findet eine Temperaturmessung 5 cm über dem Erdboden statt, welche vor allem nachts von großer Bedeutung ist, z.B. für die Landwirtschaft (nächtlicher Frost in Bodennähe) oder zur Abschätzung möglicher Gefährdung vor Straßenglätte. Zudem wird die Erdbodentemperatur in 5, 10, 20, 50 und 100 cm Tiefe gemessen. Sie ist besonders bei Vorhersagen für die Land- und Bauwirtschaft von Bedeutung.

Luftfeuchte

Die Luftfeuchtigkeit wird mithilfe eines Polymer-Sensors bestimmt. Dieser Spezialkunststoff ändert mit der Feuchtigkeit seine elektrische Kapazität. Dabei unterscheidet man zwischen absoluter Luftfeuchtigkeit, die den Gehalt an Wasserdampf in der Luft (in g/m³) angibt, und der relativen Luftfeuchtigkeit (in %). Da warme Luft deutlich mehr Wasserdampf enthalten kann als kalte Luft, hängt die relative Luftfeuchtigkeit von der Temperatur ab. Bei 100% relativer Luftfeuchtigkeit ist die Luft gesättigt und ein weiterer Feuchteeintrag würde zu flüssigem Wasser kondensieren.

Sichtweite

Damit wären wir bei der Sichtweite. Ist die Luft mit Wasserdampf gesättigt, kondensiert der überschüssige Wasserdampf zu flüssigem Wasser (oder resublimiert bei sehr kalten Temperaturen zu Eis). Die Sicht wird dadurch herabgesetzt, wobei man bei einer Sichtweite unter 8 km von Dunst und bei unter 1 km von Nebel spricht. Gemessen wird die Sichtweite mithilfe von Streulicht. Befinden sich Luftpartikel in der Luft, wird ein Lichtstrahl (z.B. von einem Autolicht oder einer Taschenlampe) auch von der Seite sichtbar und zwar umso stärker, je mehr Partikel sich in der Luft befinden. Dieses Prinzip nutzt der Sichtweitensensor, der ein Lichtbündel aussendet, von dem ein Teil des Lichts von Partikeln in der Luft gestreut wird. Das gestreute Licht wird von einem Empfänger in einem definierten Streuwinkel gemessen. Je mehr gestreutes Licht am Empfänger ankommt, desto schlechter ist die Sichtweite.

Luftdruck

Der Luftdruck wird in Hektopascal (1 hPa = 100 Pa) gemessen. Auf älteren Messgeräten findet man manchmal auch die Einheit Millibar (mbar), was gleichbedeutend mit 1 hPa ist. Moderne Messgeräte verwenden für die Erfassung des Luftdrucks ein mikromechanisches Messelement aus Silizium, etwa so groß wie ein Fingernagel. Bei Druckänderungen verformen sich Deckel und Boden des Fühlers, wodurch sich dessen elektrische Kapazität ändert. Um den Luftdruck auf Meeresniveau zu erhalten, muss der tatsächliche (von der topographischen Höhe abhängige) Stationsluftdruck mithilfe einer Reduktionsformel extrapoliert werden.

Windrichtung- und stärke

Wind wird in 10 Metern Höhe über dem Erdboden gemessen. Neben den typischen Schalenkreuz-Anemometern werden heutzutage immer häufiger Ultraschall-Anemometer angewendet. Diese bestehen aus vier Ultraschall-Wandlern, die Ultraschallwellen sowohl aussenden als auch empfangen können. Aus der Dauer der Schallausbreitung wird die Windgeschwindigkeit ermittelt. Da das Anemometer eine drehbare Achse besitzt, kann gleichzeitig die Windrichtung erfasst werden.

Die noch verbleibenden Wetterparameter (Niederschlag, Schneehöhe, Sonnenscheindauer, Wolkenbedeckung und -untergrenze, Lufthygiene) und deren Messmethoden werden im dritten und letzten Teil dieser Serie beschrieben.

Dr. rer. nat. Markus Übel
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 27.11.2022
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