rwth aachen ingenieurhydrologie - vorlesung hydrologie i: gebietsniederschlag
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RWTH Aachen - Ingenieurhydrologie Vorlesung Hydrologie I Themen: Ermittlung des Gebietsniederschlages NiederschlagsradarTRANSCRIPT
Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken
Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I
Themen:
Vorlesung 3
Ermittlung des Gebietsniederschlages
Niederschlagsradar
Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken
[mm/h]
[mm/h]
[mm/h]
[mm/h]
Die einfachste Methode zum Übergang vom Stationsniederschlag (Punktniederschlag) auf den Gebietsniederschlag (Flächenniederschlag) ist die Mittelwertbildung in Form des
Arithmetischen Mittels.
hN =1
nåi =1
n
hNi
Gebietsniederschlag
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[mm/h]
Die einfache Mittelwert-bildung ist ausreichend, wenn ein dichtes Mess-stellennetz vorliegt und / oder Angaben für Zeitintervalle in der Größenordnung von Monats- bzw. Jahres-niederschlägen ermittelt werden müssen.
Für kleine Zeitintervalle ist diese Methode nicht zu empfehlen.
Ergebnis:
Arithmetisches Mittel
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Mit der Thiessen-Polygon-Methode werden Einflussflächen für jede Station gebildet.
Dabei wird postuliert, dass der Niederschlag in der Einflussfläche dem Stationsnieder-schlag entspricht.
A1 A2
A3 A4
Thiessen-Polygon-Methode
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Bei der Inverse-Distanz-Methode wird der Flächenniederschlag mit Hilfe einer orthogonalen Rasterbildung und Wichtung der nächst-gelegenen Stations-niederschläge in den vier angrenzenden Quadranten gebildet.
Dabei geht die Entfernung der Nieder-schlagsstation um-gekehrt proportional in die Wichtung ein.
d3
d1
d2 w ij =
1
d ij²
åi =1
4 1
d ij²
hNj = åi =1
4
w i hNi
Inverse-Distanz-Methode
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Isohyetenmethode
Bei dieser Methode werden aus den Angaben der Stationsnieder-schläge Linien gleicher Niederschlagshöhen ( = Isohyeten ) durch den räumlichen Abstand interpoliert.
Der Gebietsniederschlag ergibt sich aus:
Das Verfahren kann orographische Einflüsse und Reliefeffekte (bei der Interpolation) berücksichtigen.
Die Methode ist nicht frei von subjektiven Einflüssen des Bearbeiters.
Zum Einsatz gelangt das Isohyetenverfahren bei der Angabe von Jahresniederschlägen.
ÃAP =1
AE
åi =1
n
P i A i
Isohyetenmethode
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Hypsometrische Kurve
In Einzugsgebieten, bei denen die Variation der Niederschläge über die Geländehöhe größer ist als über die horizontale Ausdehnung, kann eine Auswertung der Gebietsniederschläge mit der Hypsometrischen Kurve erfolgen.
Dafür werden die Wichtungsfaktoren über höhenabhängige Flächenanteile ermittelt.
Die Methode ist ebenfalls stark abhängig von der Erfahrung des Anwenders und nur für lange Niederschlagsdauern zu verwenden [Monats- und Jahresniederschläge]
900
700
500
[m N N ]
N 3
N 1
N 2
[% ]A 1 A 3A 2
Hypsometrische Kurve
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Bildquelle: DWD
Prinzipskizze der Radarmessung
Niederschlagsradar
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DWD Radarverbund
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Pulsvolumen V
Öffnungswinkel = 1°
Pulsvolumenhöhe c*
Radarniederschlagsmessung
PE = C * U² * 1/r² * z [w]
PE = Empfangsleistung
C = Gerätekonstante
U = Rayleighapproximations- Faktor
r = Zielentfernung
Z = Reflektivitätsfaktor
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Mit Hilfe von Niederschlagsmessungen können sowohl qualitative als auch quantitative Angaben zur räumlichen Verteilung von Niederschlägen gewonnen werden.
Aus der Reflexion der rückgestrahlten Energie des Radar lässt sich ein Rückschluss auf die Niederschlagsintensität ziehen.
Z = a I b
Z = Reflektivitätsfaktor ( Radarecho )
I = Niederschlagsintensität [mm/h]
a,b = Parameterkonstanten
b ~ 1,6
a = 140 bei Nieselregen
a = 200 im Mittel
a = 500 bei Gewitter
Radarniederschlagsmessung
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Die Fehlereinflüsse bei der Radarmessung sind im wesentlichen:
die Aggregationszustände des Wassers
die Größe der Niederschlagsteilchen
Radarniederschlagsmessung
L
r r r r rrmax
Radarbin
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Eine Abweichung in der Größenordnung von 20% zu den Niederschlagsintensitäten der Regenschreiber ist eher die Regel als die Ausnahme.
Radarsensoren neigen bei Starkregen zu sehr großen Unterschätzungen der Niederschlagsmengen [Grund dafür sind Dämpfungseffekte]
Radarniederschlagsmessung
L
r r r r rrmax
Radarbin
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Bonner Niederschlagsradar
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Beispiel: Kaltfront
Bildquelle: Prof. Simmer
Beispiel für ein Radarbild einer Kaltfront mit kräftigen Regenschauern.
Die Schauer verlaufen linienförmig über das Einzugsgebiet.
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Beispiel: Kaltfront
Kaltfront Ereignis im Februar.
Die Zugbahn der Front kann im Elevationsscan gut nachvollzogen werden.
Bildquelle: Prof. Simmer
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Bildquelle: DWD
Satellitenaufnahmen (hier METEOSAT) erlauben durch Spektralaufnahmen Rückschlüsse über den Wassergehalt der Wolken und die Temperatur-verhältnisse in den Wolken.
Die geostationären Satelliten (~36.000 km Höhe) messen in drei Spektralbereichen:
Sichtbarer Spektralbereich (0,5 - 0,9 m)
Niederschlagsindex per Satellit
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Bildquelle: EUMETSAT
Wasserdampfabsorbtions-band (5,7 – 7,1 m) zur Bestimmung des Wasserdampfgehaltes in 5 – 10 km Höhe
METEOSAT Satellit
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Infraroter Spektralbereich (10,5 – 12.5 m) zur Temperaturbestimmung in den Wolken
METEOSAT Satellit