Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken
Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I
Themen:
Vorlesung 2
WasserkreislaufAggregatzustände von WasserNiederschlagsbildung, -arten, KennzahlenNiederschlagsmessung
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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.
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Wasserhaushaltsgleichung:
Niederschlag = Abfluss + Verdunstung + Speicheränderung
Der Wasserkreislauf
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Verdunstung
Kondensation
Aggregatzustände des Wassers
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Schmelzen
Gefrieren
Aggregatzustände des Wassers
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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
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Als Faustformel gilt für den Temperaturbereich zwischen 5°C und 30°C
Sättigungsfeuchte [g/m³] ≈ Temperatur [°C]
Sättigungskurve der Luft für Wasserdampf bei verschiedenen Temperaturen
1,4 2,3 3,3 4,8 6,8 9,412,8
17,323,1
30,4
39,6
0
10
20
30
40
50
-20 -10 0 10 20 30 40
°C
g/m
³ Luf
t
Wasserdampfsättigung
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Ausgangssituation: Temperatur: 20°C
relative Luftfeuchtigkeit: 50%
Wassergehalt: 8,6 g/m³
Sättigungskurve der Luft für Wasserdampf bei verschiedenen Temperaturen
1,4 2,3 3,3 4,8 6,8 9,412,8
17,323,1
30,4
39,6
0
10
20
30
40
50
-20 -10 0 10 20 30 40
°C
g/m
³ Luf
t
Wasserdampfsättigung
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Sättigungskurve der Luft für Wasserdampf bei verschiedenen Temperaturen
1,4 2,3 3,3 4,8 6,8 9,412,8
17,323,1
30,4
39,6
0
10
20
30
40
50
-20 -10 0 10 20 30 40
°C
g/m
³ Luf
t
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
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Sättigungskurve der Luft für Wasserdampf bei verschiedenen Temperaturen
1,4 2,3 3,3 4,8 6,8 9,412,8
17,323,1
30,4
39,6
0
10
20
30
40
50
-20 -10 0 10 20 30 40
°C
g/m
³ Luf
t
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
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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
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Bei trockener Luft reduziert sich die Temperatur jeweils um 1°C je 100 Höhenmeter.
Quelle: Springerverlag
Temperaturgradient in der Atmosphäre
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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
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1250Adiabate (Trockenadiabate)
Kondensationsniveau
Feuchtadiabate
-5 0 5 10 15 20 25Temperatur [C°]
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
Höhe [m]
Feuchtadiabatischer Temperaturgradient
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Das Luftpacket ist kälter als die Umgebungsluft und somit schwerer
═› das Luftpacket sinkt automatisch wieder auf die Ausgangshöhe h
Höhe
ThTh1Th2 Temperatur0
h
h1
adiabatische Temperaturänderung
aktuelle Temperatur - Höhenkurve
stabile Schichtung
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Das Luftpacket ist wärmer als die Umgebungsluft und somit leichter
═› das Luftpacket steigt automatisch wieder auf die Ausgangshöhe h
Höhe
ThTh1Th2 Temperatur0
h
h1
h2
adiabatische Temperaturänderung
aktuelle Temperatur - Höhenkurve
Eine derartige stabile Schichtung wird als unteradia-batische Schichtung bezeichnet
stabile Schichtung
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Das Luftpacket ist wärmer als die Umgebungsluft und somit auch leichter
═› das Luftpacket wird
weiter steigen
Höhe
Th1 Th Th2 Temperatur0
h
h1
adiabatische Temperaturänderung
aktuelle Temperaturkurve
labile Schichtung
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Das Luftpacket ist kälter als die Umgebungsluft und somit auch schwerer
═› das Luftpacket sinkt
weiter ab
Höhe
Th1 Th Th2 Temperatur0
h
h1
h2
adiabatische Temperaturänderung
aktuelle Temperaturkurve
Eine derartige labile Schichtung wird als überadiabatische Schichtung bezeichnet
labile Schichtung
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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
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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 10.000fache vergrößern kann.
Niederschlagsbildung
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Bei der Entstehung von Niederschlägen kann man grundsätzlich zwischen zwei Entstehungsprozessen unterscheiden:
Koagulation:
Sublimation:
Niederschlagsbildung
=> Nieselregen oder Sprühregen
=> Starkregen
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Nieselregen Niesel- oder Sprühregen entsteht durch Koagulationsprozesse in tiefen Stratuswolken
NiederschlagsartenNiederschlagsartenNiederschlagsarten
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NiederschlagsartenNiederschlagsartenNiederschlagsarten
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
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NiederschlagsartenNiederschlagsartenNiederschlagsarten
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
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Bildquelle: dpa
Extreme Niederschläge in 5b-Wetterlagen
Resultat:
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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
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Allgemeinere Beschreibung:Bei Niederschlag handelt es sich um jede Erscheinungs-form von Wasser, welches aus der Atmosphäre auf die Erde gelangt.
RegenSchneeHagel Eiskugeln/Eisstücke 5-10mm GraupelEisgebilde 2-5mm
Tau durch Kondensation abgesetzterReif Niederschlag
Es kann sich dabei um folgende Formen handeln:
Niederschlag
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Zeit [h]
Nie
ders
chla
gsin
tens
ität
N iederschlagsdauer
vorgegebene Ze itspannezur B erücksich tigungvon Vorregen zuT N2 und T N3
T N1
T N2
T N3
[mm
/h]
Vorregen
zu T N2 und T N3
Niederschlagsabschnitte
Niederschlagsbeginn
zu T N2 und T N3 Niederschlagsendei N
Niederschlagsverlauf
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Charakteristische Größen des Niederschlags
Niederschlagshöhe hN [mm]
Niederschlagsdauer TN [h]
Häufigkeit bzw. Jährlichkeit Tn = 1/n
Niederschlagsintensität iN (t) [mm/h]
Niederschlag
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450500550600
700
800
900
1000
1100
1400
1600
1800
1200
Nie
ders
chla
gshö
he in
[mm
]
Bildquelle: Hydrologischer Atlas Deutschland
Mittlere jährliche Niederschlagshöhe
Als Größenordnung:Mittlerer Niederschlag in Aachen: 805 [mm/a]
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450500550600
700
800
900
1000
1100
1400
1600
1800
1200
Nie
ders
chla
gshö
he in
[mm
]
Bildquelle: Hydrologischer Atlas Deutschland
Mittlere jährliche Niederschlagshöhe Norddeutschland
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Bildquelle: Hydrologischer Atlas Deutschland
Mittlere jährliche Niederschlagshöhe Süddeutschland
450500550600
700
800
900
1000
1100
1400
1600
1800
1200
Nie
ders
chla
gshö
he in
[mm
]
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Nord-Süd-Schnitt der Rasterfelder mittlerer jährlicher Niederschlagshöhen des Bezugszeitraumes 1961-1990 in 10° 10´ östlicher Lage
Bildquelle: Hydrologischer Atlas Deutschland
Niederschlagshöhen in Deutschland
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Bildquelle: Hydrologischer Atlas Deutschland
Exemplarische Monatsniederschläge
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30
40
50
60
70
80
100
120
140
180
160
Nie
ders
chla
gshö
he in
[mm
] D =
24h
, T =
1a
Nie
ders
chla
gshö
he in
[mm
] D =
24h
, T =
100
a
Bildquelle: Hydrologischer Atlas Deutschland
Starkniederschlagshöhen [Dauer 24h]
Größter Niederschlag in Deutschland innerhalb von 24h:312 [mm/d] im Erzgebirge August 2002(=> Jahrhunderthochwasser Elbe)
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30
40
50
60
70
80
100
120
140
180
160
Nie
ders
chla
gshö
he in
[mm
] D =
72h
, T =
1a
Nie
ders
chla
gshö
he in
[mm
] D =
72h
, T =
100
a
210
240
270
Bildquelle: Hydrologischer Atlas Deutschland
Starkniederschlagshöhen [Dauer 72h]
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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]oderNiederschlag >= 20 mm in 6 Stunden => i = 3,33 [mm/h]
Unwetterwarnung:
Niederschlag >= 25 mm in 1 Stunde => i = 25 [mm/h]oderNiederschlag >= 35 mm in 6 Stunden => i = 5,83 [mm/h]
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126 mm Füssen, Kr. Ostallgäu 8 Minuten 25.05.1920
40 mm Potsdam 30 Minuten 11.06.1953
180 mm Daudenzell, Kr. Neckar-Odenwald 60 Minuten 27.06.1994
145 mm Marienberg, Mittlerer Erzgebirgskreis 90 Minuten 05.07.1999
112 mm Schwerin 6 Stunden 24.06.1969
260 mm Zeithain, Kr. Riesa-Großenhain 24 Stunden 06./07.07.1906
312 mm Zinnwald-Georgenfeld, Weißeritzkreis 1 Tag 12.08.2002
170 mm Müncheberg, Kr. Märkisch Oderland 1 Tag 08.08.1978
300 mm Großer Arber (Arberhütte) 34 Stunden 29.-31.05.1932
777 mm Stein, Kr. Rosenheim 1 Monat Juli 1954
3661 mm Purtschellerhaus, Kr. Berchtesgadener Land 12 Monate 12/1943 -11/1944
260 mm in der Prignitz (ca. 100 km²) 3 Tage 11.-13.06.1993
194 mm Einzugsgebiet des Mains (ca. 27.000 km²) 1 Monat Oktober 1998
Quelle: Deutscher Wetterdienst
Gemessene Starkniederschlagshöhen
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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. 6000 derartige Niederschlagsstationen im Betrieb.
Niederschlagsmesser
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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
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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
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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
Bildquelle: Thies Clima
Niederschlagsschreiber III
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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 10 - 25 % (bezogen auf den Jahresniederschlag) vorgenommen werden müssen.
Einfluss der Verdunstung
Einfluss der Windexposition
Benetzungsverluste
Niederschlagsmessung
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Online Niederschlagsdaten
Bildquelle: LUA NRW
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Klimadaten – Vergleich langjähriger Niederschlagswerte