Wie wird Niederschlag gemessen?

Ein Regenmesser (auch Udometer, Pluviometer oder Ombrometer genannt) ist ein Instrument, mit dem Meteorologen und Hydrologen die Niederschlagsmenge über einen bestimmten Zeitraum erfassen und messen.

Geschichtliches



Zuerst wurden die ersten bekannten Niederschlagsdaten von den alten Griechen aufbewahrt, etwa 500 v. Chr. Die in Indien lebenden Menschen fingen an, die Niederschläge in ca. 400 v. Chr. zu erfassen[1]. In der Arthashastra, die zum Beispiel in Magadha verwendet wird, wurden präzise Maßstäbe in der Getreideproduktion gesetzt. Jedes der staatlichen Lagerhäuser war mit einem Regenmesser ausgestattet, um Land für Steuerzwecke zu klassifizieren. 1247 erfand der chinesische Mathematiker und Erfinder Qin Jiushao die Regen- und Schneemesser des Tianchi-Beckens, um Regen, Schneefallmessungen und andere Formen meteorologischer Daten zu referenzieren.


Im Jahre 1441 wurde der Cheug der Cheugi unter König Sejong dem Großen der Joseon-Dynastie von Korea als erster standardisierter Regenmesser erfunden[5][6][7] 1662 schuf Christopher Wren in Zusammenarbeit mit Robert Hooke den ersten Kippkübel-Regenmesser in Großbritannien. 5] Hooke entwarf auch einen Handmesser mit einem Trichter, der 1695 Messungen durchführte.


Es war Richard Towneley, der als erster über einen Zeitraum von 15 Jahren von 1677 bis 1694 systematische Niederschlagsmessungen durchführte und seine Aufzeichnungen in den Philosophical Transactions der Royal Society veröffentlichte. Towneley forderte mehr Messungen an anderer Stelle im Land, um die Niederschläge in verschiedenen Regionen zu vergleichen[8], obwohl nur William Derham die Herausforderung von Towneley angenommen zu haben scheint. Sie veröffentlichten gemeinsam die Niederschlagsmessungen für Towneley Park und Upminster in Essex für die Jahre 1697 bis 1704.


Der Naturforscher Gilbert White nahm Messungen vor, um den mittleren Niederschlag von 1779 bis 1786 zu bestimmen, obwohl es sein Schwager Thomas Barker war, der 59 Jahre lang regelmäßige und genaue Messungen durchführte und dabei Temperatur, Wind, Luftdruck, Niederschlag und Wolken aufzeichnete. Seine meteorologischen Aufzeichnungen sind eine wertvolle Ressource für die Kenntnis des britischen Klimas des 18. Jahrhunderts. Er konnte zeigen, dass die durchschnittliche Niederschlagsmenge von Jahr zu Jahr stark schwankte und kaum wahrnehmbar war.



Nationale Abdeckung und moderne Messgeräte


Der Meteorologe George James Symons veröffentlichte 1860 den ersten Jahresband des britischen Regenfalls. Diese Pionierarbeit enthielt Niederschlagsdaten von 168 Landstationen in England und Wales. Er wurde 1863 in den Rat der Britischen Meteorologischen Gesellschaft gewählt und machte es sich zum Lebenswerk, die Regenfälle auf den Britischen Inseln zu untersuchen. Er richtete ein freiwilliges Netzwerk von Beobachtern ein, die Daten sammelten, die ihm zur Analyse zurückgegeben wurden.


So erfolgreich war er in diesem Objekt, dass er bis 1866 Ergebnisse zeigen konnte, die eine gerechte Darstellung der Verteilung der Niederschläge gaben, und die Zahl der Blockflöten stieg allmählich an, bis der letzte Band des britischen Niederschlags, den er zu bearbeiten lebte (der für 1899), Zahlen von 3.528 Stationen enthielt - 2.894 in England und Wales, 446 in Schottland und 188 in Irland. Er sammelte auch alte Regenfallrekorde, die über hundert Jahre zurückreichen. Im Jahre 1870 erstellte er einen Bericht über die Niederschläge auf den Britischen Inseln ab 1725.


Aufgrund der immer größer werdenden Zahl von Beobachtern wurde eine Standardisierung der Messgeräte notwendig. Symons begann in seinem eigenen Garten mit neuen Messgeräten zu experimentieren. Er probierte verschiedene Modelle mit Variationen in Größe, Form und Höhe aus. Im Jahre 1863 begann er die Zusammenarbeit mit Colonel Michael Foster Ward aus Calne, Wiltshire, der umfangreichere Untersuchungen durchführte. Durch die Einbeziehung von Ward und verschiedenen anderen in Großbritannien wurden die Untersuchungen bis 1890 fortgesetzt. Die Experimente waren bemerkenswert für ihre Planung, Durchführung und Schlussfolgerungen. Die Ergebnisse dieser Experimente führten zur schrittweisen Einführung der bekannten Normalspur, die auch heute noch vom britischen Meteorologischen Amt verwendet wird. Nämlich einer aus '.... Kupfer, mit einem 5-Zoll-Trichter, dessen Messingrand einen Fuß über dem Boden liegt...'


Die meisten modernen Regenmesser messen in der Regel den Niederschlag in Millimetern Höhe, der auf jedem Quadratmeter während eines bestimmten Zeitraums gesammelt wird, was einem Liter pro Quadratmeter entspricht. Früher wurde Regen als Zoll oder Punkt aufgezeichnet, wobei ein Punkt 0,254 mm oder 0,01 Zoll entspricht.


Die Niederschlagsmengen werden entweder manuell oder über eine automatische Wetterstation (AWS) abgelesen. Die Häufigkeit der Lesungen hängt von den Anforderungen des Inkassobüros ab. Einige Länder werden den bezahlten Wetterbeobachter durch ein Netzwerk von Freiwilligen ergänzen, um Niederschlagsdaten (und andere Wetterarten) für dünn besiedelte Gebiete zu erhalten.


In den meisten Fällen wird der Niederschlag nicht zurückgehalten, jedoch reichen einige Stationen Regenfälle (und Schneefälle) zur Prüfung ein, um Schadstoffwerte zu erhalten.


Regenmesser haben ihre Grenzen. Der Versuch, bei einem Hurrikan Regendaten zu sammeln, kann aufgrund von extremen Windverhältnissen nahezu unmöglich und unzuverlässig sein (auch wenn das Gerät überlebt). Außerdem zeigen Regenmesser nur den Niederschlag in einem bestimmten Gebiet an. Bei praktisch jedem Messgerät kleben Tropfen an den Seiten oder am Trichter der Auffangvorrichtung, so dass die Mengen sehr leicht unterschätzt werden und die von 0,01 Zoll oder 0,25 mm als Spur erfasst werden können.


Ein weiteres Problem ist, wenn die Temperatur nahe oder unter dem Gefrierpunkt liegt. Regen kann auf den Trichter fallen und Eis oder Schnee kann sich im Messgerät sammeln und den nachfolgenden Regen blockieren.


Regenmesser sollten in einem offenen Bereich aufgestellt werden, in dem es keine Hindernisse wie Gebäude oder Bäume gibt, um den Regen zu blockieren. Damit soll auch verhindert werden, dass das auf den Dächern von Gebäuden gesammelte Wasser oder die Blätter von Bäumen nach einem Regen in den Regenmesser tropft, was zu ungenauen Messergebnissen führt.



Typen



Standard-Regenmesser


Der zu Beginn des 20. Jahrhunderts entwickelte Standard-NWS-Regenmesser besteht aus einem Trichter, der in einen Messzylinder mit einem Radius von 2 cm mündet, der in einen größeren Behälter mit einem Durchmesser von 20 cm und einer Höhe von 50 cm passt. Wenn das Regenwasser den abgestuften Innenzylinder überläuft, fängt der größere Außenbehälter ihn auf. Bei der Messung wird die Höhe des Wassers im kleinen Messzylinder gemessen, und der überschüssige Überlauf im großen Behälter wird vorsichtig in einen anderen Messzylinder gegossen und gemessen, um den gesamten Niederschlag zu erhalten.


Manchmal wird ein Kegelzähler verwendet, um Leckagen zu vermeiden, die zu einer Änderung der Daten führen können. An Orten, an denen das metrische System verwendet wird, ist der Zylinder normalerweise in mm angegeben und misst bis zu 250 Millimeter (9,8 Zoll) Niederschlag. Jede horizontale Linie auf dem Zylinder beträgt 0,5 Millimeter (0,02 Zoll). In Gebieten mit imperialen Einheiten entspricht jede horizontale Linie 0,01 Zoll.



Pluviometer of intensities


Das Pluviometer der Intensitäten (oder Jardi's Pluviometer) ist ein Werkzeug, das die durchschnittliche Intensität der Niederschläge in einem bestimmten Zeitintervall misst. Es wurde ursprünglich für die Erfassung des Niederschlagsregimes in Katalonien entwickelt, verbreitete sich aber schließlich weltweit.


Es nutzt das Prinzip der Rückkopplung.... das einströmende Wasser drückt die Boje nach oben, so dass die untere "Einstellkegelnadel" die gleiche Wassermenge, die in den Behälter eintritt, passieren lässt.... die Nadel registriert auf der Trommel die Wassermenge, die zu jedem Zeitpunkt in mm Niederschlag pro Quadratmeter durchfließt.


Es besteht aus einer rotierenden Trommel, die sich mit konstanter Geschwindigkeit dreht, diese Trommel zieht ein graduiertes Blatt Pappe, das die Zeit an der Abszisse hat, während die y-Achse die Höhe des Niederschlags in mm des Regens anzeigt. Diese Höhe wird mit einem Stift erfasst, der sich vertikal bewegt, angetrieben von einer Boje, die auf dem Papier den Niederschlag über die Zeit markiert (der Kartonbogen ist in der Regel für einen Tag).


Während der Regen fällt, fällt das vom Trichter gesammelte Wasser in den Behälter und hebt die Boje an...., wodurch der Stiftarm in der vertikalen Achse den Karton entsprechend anhebt. Wenn der Niederschlag nicht schwankt, bleibt der Wasserstand im Behälter konstant, und während sich die Trommel dreht, ist die Markierung des Stiftes mehr oder weniger eine horizontale Linie, proportional zur Wassermenge, die fällt. Wenn der Stift die Oberkante des Registrierpapiers erreicht, bedeutet dies, dass die Boje "hoch oben im Tank" ist und die Spitze der konischen Nadel in einer Weise verlässt, die das Regelungsloch (d.h. den maximalen Durchfluss, den das Gerät aufzeichnen kann) freilegt. Wenn der Regen plötzlich nachlässt und der Behälter (während er sich leert) die Boje schnell absenkt, entspricht diese Bewegung einer steilen Böschungslinie, die den Boden des aufgezeichneten Kartons erreichen kann, wenn es nicht mehr regnet.


Das Pluviometer der Intensitäten erlaubte es, den Niederschlag über die Zeit und die Jahre zu erfassen, besonders in Barcelona (95 Jahre), abgesehen von vielen anderen Orten auf der Welt, wie z.B. Hong Kong.



Wiege-Niederschlagsmesser


Ein wiegender Niederschlagsmesser besteht aus einem Lagerplatz, der zur Erfassung der Masse gewogen wird. Bestimmte Modelle messen die Masse mit einem Stift auf einer rotierenden Trommel oder mit einem Schwingdraht, der an einem Datenlogger befestigt ist[6] Die Vorteile dieser Art von Messgeräten gegenüber Kippkübeln liegen darin, dass sie Starkregen nicht unterschätzen und auch andere Niederschlagsformen wie Regen, Hagel und Schnee messen können. Diese Messgeräte sind jedoch teurer und wartungsintensiver als Kippkübelmessgeräte.


Das Wiegegerät kann auch ein Gerät zur Messung der in der Atmosphäre des Standorts enthaltenen Chemikalienmenge enthalten. Dies ist sehr hilfreich für Wissenschaftler, die die Auswirkungen der in die Atmosphäre freigesetzten Treibhausgase und deren Auswirkungen auf die Höhe des sauren Regens untersuchen. Einige Automated Surface Observing System (ASOS) Einheiten verwenden eine automatische Waage, die AWPAG (All Weather Precipitation Accumulation Gauge) genannt wird.



Kippschaufel-Regenmesser


Der Kippschaufel-Regenmesser besteht aus einem Trichter, der den Niederschlag sammelt und in einen kleinen wippbaren Behälter leitet. Nach einer voreingestellten Niederschlagsmenge kippt der Hebel, entleert das gesammelte Wasser und sendet ein elektrisches Signal. Ein altes Aufnahmegerät kann aus einem Stift bestehen, der auf einem Arm montiert ist, der an einem Zahnrad befestigt ist und sich mit jedem vom Kollektor gesendeten Signal einmal bewegt. Bei diesem Design bewegt sich der Stiftarm beim Drehen des Rades entweder nach oben oder nach unten und hinterlässt eine Spur auf dem Diagramm und macht gleichzeitig einen lauten Klick. Jeder Sprung des Armes wird manchmal als "Klick" in Bezug auf das Geräusch bezeichnet. Die Karte wird in 10-Minuten-Perioden (vertikale Linien) und 0,4 mm (horizontale Linien) gemessen und dreht sich einmal alle 24 Stunden und wird von einem Uhrwerksmotor angetrieben, der manuell aufgezogen werden muss.


Der Kippschaufel-Regenmesser ist nicht so genau wie der Standard-Regenmesser, da der Regen aufhören kann, bevor der Hebel gekippt ist. Wenn die nächste Regenperiode beginnt, darf es nicht mehr als ein oder zwei Tropfen dauern, um den Hebel zu kippen. Dies würde dann bedeuten, dass der voreingestellte Betrag gesunken ist, obwohl nur ein Bruchteil davon tatsächlich gesunken ist. Kippkübel neigen auch dazu, die Niederschlagsmenge zu unterschätzen, insbesondere bei Schneefall und Starkregenereignissen[15][16] Der Vorteil des Kippkübel-Regenmessers ist, dass der Charakter des Regens (leicht, mittel oder schwer) leicht erreicht werden kann.


Der Niederschlagscharakter wird durch die Gesamtregenmenge bestimmt, die in einem bestimmten Zeitraum (normalerweise 1 Stunde) gefallen ist, und durch Zählen der Anzahl der "Klicks" in einem Zeitraum von 10 Minuten kann der Beobachter den Charakter des Regens bestimmen. Korrekturalgorithmen können auf die Daten als akzeptierte Methode zur Korrektur der Daten für hohe Niederschlagsmengen angewendet werden.


Moderne Kipp-Regenmesser bestehen aus einem Kunststoffsammler, der über einen Drehpunkt ausgewuchtet ist. Beim Kippen betätigt er einen Schalter (z.B. einen Reedschalter), der dann elektronisch erfasst oder an eine entfernte Sammelstation übertragen wird.


Kipplehren können auch mit Wiegelehren ausgestattet werden. In diesen Messgeräten ist ein Dehnungsmessstreifen am Auffangbehälter befestigt, so dass der genaue Niederschlag jederzeit abgelesen werden kann. Jedes Mal, wenn der Kollektor kippt, wird der Dehnungsmessstreifen (Gewichtssensor) erneut auf Null gestellt, um jegliche Drift auszugleichen.


Um das Wasseräquivalent von gefrorenem Niederschlag zu messen, kann ein Kippkübel erhitzt werden, um Eis und Schnee zu schmelzen, die sich in seinem Trichter befinden. Ohne einen Heizmechanismus verstopft der Trichter oft während eines gefrorenen Niederschlagsereignisses, so dass kein Niederschlag gemessen werden kann. Viele Automated Surface Observing System (ASOS) Geräte verwenden beheizte Kippkübel zur Messung des Niederschlags.



Optischer Regenmesser


Diese Art von Messgerät hat eine Reihe von Sammeltrichter. In einem geschlossenen Raum darunter befinden sich jeweils eine Laserdiode und ein Fototransistor-Detektor. Wenn genug Wasser gesammelt wird, um einen einzigen Tropfen zu bilden, fällt es von unten in den Laserstrahlengang. Der Sensor ist im rechten Winkel zum Laser so eingestellt, dass genügend Licht gestreut wird, um als plötzlicher Lichtblitz erkannt zu werden. Die Blitze dieser Fotodetektoren werden dann ausgelesen und übertragen oder aufgezeichnet.



Akustischer Regenmesser


Das akustische Disdrometer ist ein akustischer Regenmesser. Auch als Hydrophon bezeichnet, ist es in der Lage, die Tonsignaturen für jede Tropfengröße zu erfassen, wenn Regen auf eine Wasseroberfläche innerhalb des Messgerätes trifft. Da jede Klangsignatur einzigartig ist, ist es möglich, das Unterwasserschallfeld zu invertieren, um die Tropfengrößenverteilung im Regen abzuschätzen. Ausgewählte Momente der Tropfengrößenverteilung ergeben Niederschlagsrate, Niederschlagsakkumulation und andere Niederschlagseigenschaften.

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