Messtechnische Aspekte bei der Erfassung der relativen Luftfeuchtigkeit unter antarktischen Bedingungen

Bernd Loose (AWI) Aufgabe

Bei Messungen der relativen Luftfeuchtigkeit (rF) ist es fü die Qualitä der Ergebnisse entscheidend, dass die Lufttemperatur sich am Sensor nicht von der äußer Lufttemperatur unterscheidet. Bereits geringe Differenzen rufen erhebliche Messfehler hervor. So ergibt sich bei typischen antarktischen Sommerverhältnisse (Ort : Neumayer-Station, Lufttemperatur: -1 0' Celsius, relative Luftfeuchtigkeit: 70 %) ein Fehler von 5.32 '10 rF pro 1 ' C Abweichung (Abb. 3.6). Dieses zeigt bereits, dass eine Hauptaufgabe bei der Durchführun korrekter Luftfeuchtigkeitsmessungen darin besteht, durch geeignete Maßnahme die Differenz der Werte der 0.g.

Lufttemperaturen zu minimieren. Die Aufzeichnung der Temperatur der Luft, die den Luftfeuchtigkeitsensor unmittelbar umgibt, ermöglich eine Quantifizierung und damit einen Ansatz fü die Korrektur der Fehler der relativen Luftfeuchtigkeitswerte.

10 Die Berechnung des rF-Fehlers basiert sala gekauft und im Februar 1999 erfolgreich in das meteorologische Observatorium der Neumayer Station integriert. Währen der folgenden Überwinterun wurde es mit dem verbleibenden der beiden bis dahin betriebenen Haarhygrometer parallel betrie- ben, um einen direkten Vergleich der beiden Messprinzipien zu erhalten.

Nachdem sich das neue Gerä in mancherlei Hinsicht (Betriebssicherheit, hohe Dy- namik, geringer Wartungsaufwand, gute ~an~zeitstabilitä der Geräteeichung be- währ hatte, wurde im Februar 2000 daszweite Haarhygrometer ebenfalls gegen ein HMP233 getauscht, fü das in Bremerhaven eine Zwangsbelüftun erdacht, kon-

struiert und gebaut worden war. Mit diesen Geräte wurden währen der Sommer- Kampagne 2001 zwischen dem 28. Januar und dem 11. Februar 2001 Versuche durchgeführt die zu einer weiteren Verbesserung der Messergebnisse führe sollten.

Messprinzip

Die nun an der Neumayer-Station betriebenen kapazitiven Feuchtesensoren basieren auf speziellen Polymer-Dünnfilmen die das Dielektrikum einer Kapazitä

darstellen. Zwischen dem Wasserdampfpartialdruck der den Sensor umgebenden Luft und dem in der Folie herrscht ein dynamisches Gleichgewicht. Hierdurch wird die Anzahl der in der Folie vorhandenen dipolaren Wassermolekül bestimmt, was wiederum die Dielektrizitätskonstant des Dielektrikums und damit die Kapazitä des Kondensators festlegt. Die sich verändernd Kapazitä kann nun z.B. als frequenzbestimmendes Element einen Schwingkreis beeinflussen, dessen Resonanzfrequenz der relativen Luftfeuchtigkeit zugeordnet wird.

Beschreibung der Datenerfassung

Der Sensorkopf des HMP233 enthäl zusätzlic zum Luftfeuchtigkeits- einen Pt1 00 - Temperatursensor (Abb. 3.7).

Abb. 3.7: Sensorkopf des HMP233 der Firma VAI- SALA GmbH

Links: PPS-Gitter und Edelstahlnetz als Sensor- schutz sind montiert.

Rechts: Nach der De- montage des Schutzgitters sind die Sensoren fü Lufttemperatur und relative Luftfeuchtigkeit frei zu- gänglich

Durch die räumlich Näh der beiden Fühle wird es möglich die Temperatur der den HUMICAP - Sensor unmittelbar umgebenden Luft aufzuzeichnen. Durch den Vergleich mit der Lufttemperatur vom meteorologischen Mast kann der Einfluss von Wind, Globalstrahlung oder Niederschlag abgeschätz werden. Auch der Einfluss von Modifikationen an den eingesetzten Wetterhütte und Belüftunge läss sich damit ermitteln.

Am meteorologischen Mast der Neumayer-Station standen die fü die Untersuchun- gen benötigte zusätzliche Messgerät bereit. In ca. 1 m Abstand zu den HMP233 - Messköpfe befindet sich das belüftet Lufttemperaturmessgerä (PtlOO), welches die "wahre" Lufttemperatur lieferte. Ein kombinierter Windgeschwindigkeits- Wind-

richtungsgeber und Gerät zur Erfassung der solaren Strahlungskomponenten lie- ferten ebenfalls wichtige zur Beurteilung notwendige Daten (Abb. 3.8).

Die HUMICAP- und Pt100 Sensoren der HMP233 sind in einem Sensorkopf untergebracht, der mit einem Edelstahlnetz oder einer Sinterkappe vor mechanischer Beschädigun geschütz ist. Von hier führ ein 10 m langes Kabel zur Verarbeitungselektronik. Dort werden an Klemmleisten die erzeugten Ausgangssignale bereitgestellt. Währen die Datenerfassung des meteorologischen Observatoriums die analogen Spannungssignale verwendet, wurde fü den Test zusätzlic die serielle Schnittstelle benutzt. Übe ein Ca. 150 m langes Kabel wurden die Protokolle in das meteorologische Labor der Neumayer-Station gesendet. Das HMP233 ist programmierbar und wurde so eingestellt, dass es auf Anforderung jeweils ein Datentelegramm aussendet (polling). In der Station erfolgte die Erfassung, Aufzeichnung und Visualisierung der Daten auf einem PC. Das dazu benötigt Programm wurde mit LabVIEW 5.1 erstellt. Die Messfrequenz wurde auf 5 Sekunden festgelegt. Die Rohdaten wurden zusammen mit den 1-Minuten-Mittelwerten des meteorologischen Observatorioms in Bremerhaven mit LabVIEW - Programmen bearbeitet und mit GNUplot visualisiert.

Anordnung der Sensoren um 28.01.2000 ab 20:15 Uhr Abb. 3.8

Beispiel eines Tagesganges

Das Wetter am 28.01.2001 an der Neumayer-Station war gepräg von leichtem Wind und viel Sonne bei geringer, meist hoher und durchscheinender Bewölkung

28 01 2001

4 der der relativen Luftfeuchtigkeit (rF1, rF2),

.5 70

'

wobei die Kurven rF1 und rF2 allerdings 7 60 unterschiedlich stark fehlerbehaftete Werte

5 0 enthalten.

0 4 X 12 16 20 24

Zeit~unkt 1 (15:40 Uhr):

Sensorkopf 1 (enthäl rF1 und T l ) wird aus

-8 dem passiven. ~trahlun~sschutz' entnom-

Le _z, -12 men. Die ungeschützt Exposition erzeugt

-2

-16 extreme Abweichungen der gemessenen

2

20 von den wahren Werten.

6 einen passiven Strahlungsschutz eingesetzt

2 4 ratur am rF1 im passiven Strahlungsschutz (Kurven T l und T l

-

T-2m bis 1 5 4 0 Uhr).

Zu sehen ist auch der verbesserte Tempe- raturgang am rF2 im zwangsbelüftete Strahlungsschutz (Kurven T2 und T2 -

Aufgetretene Werte der Temperaturabweichungen

Bei den im antarktischen Sommer vorherrschenden Bedingungen (niedrige Sorineneinfallswinkel, hohe Albedo) treten größe Temperaturabweichungen bereits bei relativ hohen Windgeschwindigkeiten auf. So wird in einem passiven, herkömmliche Strahlungsschutz 1 .O K Lufttemperaturdifferenz bereits häufi schon bei 4.0 mls Wind gemessen. Abbildung 3.10 zeigt die aufgetretenen Temperaturabweichungen in Abhängigkei von der Windgeschwindigkeit (Keine Häufigkeitsverteilung)

6 Abb. 3.10a: Werte des Pt100 im

HMP233 in der passiven Strahlungs-

5 schutzhütt minus Werte des Pt100 im

zwangsbelüftete Lufttemperaturgeber

4 des meteorologischen Observatoriums.

L4

2

3

2

Dargestellt sind alle aufgetretenen

Differenzen des gesamten Testzeit-

,- 2

0 raumes (28.01 .Ol - 11.02.01) bei einer

Globalstrahlung größ 200 w/m2.

1

Deutlich wird die starke Temperatur-

0 zunahme am Sensor der relativen

Luftfeuchtigkeit (HMP233) bei niedrigen - 1

0 4 8 12 16 20 Windgeschwindigkeiten.

Windgeschwindigkeit d s 6

Abb. 3.10b: Werte des Pt 100 im

5 HMP233 in der zwangsbelufteten Eigen-

baustrahlungsschutzhutte mit zusatz-

4 lichem, nach unten wirkenden Strah-

k4 lungsschutz, der die Reflexstrahlung

z

³

2 abschirmt. Davon subtrahiert wurden die

5

² Werte des PtlOO des zwangsbelüftete

Lufttemperaturgebers des meteorolo-

9

gischen Observatoriums.

1

Dargestellt sind alle wahrend des

0 Testzeitraumes (05.02.01 - 11.02.01)

aufgetretenen Differenzen bei elner - 1

0 4 8 12 16 20 Globalstrahlung große 200 w1m2.

Deutlich wird das erheblich verbesserte Verhalten bei niedrigen Windgeschwindigkeiten.

Temperaturabweichung in Abhängigkei von Windgeschwindigkeit und Global- strahlung

Temperaturabweichting K

0 200 400 600 X00 0 200 400 600 800

Globalstrahlu~ig W/ln2 Globalstrahlung \Vlm2

Abb. 3.1 I: Temperaturabweichung in Abhängigkei von Windgeschwindigkeit und Glotplstrahlung. Die dunkel schraffierten Bereiche deuten an, dass'wegen seltener

~ullwindphasen hier ein Mangel an Rohdaten vorliegt und damit die Darstellung zu- nehmend ungenau wird.

In Abb. 3.1 1 (links) sind die Verhältniss an dem aus Lamellen aufgebauten passiven Strahlungsschutz dargestellt. Auch hier ist die bei dieser Kombination hohe Abhän gigkeit der Innentemperatur des HMP233 von der Windgeschwindigkeit erkennbar.

Schon ab verhältnismäà niedriger Globalstrahlung (1 50.0 wlm2) sind bei gleichzei- tig geringer Windgeschwindigkeit grobe Fehler bei der gemessenen Luftfeuchtigkeit zu erwarten. In Abb. 3.1 1 (rechts) wird die durch einen zwangsbelüftete und in alle Richtungen wirkenden Strahlungsschutz erzielte Verbesserung sichtbar. Tempera- turdifferenzen übe I .O K sind hier selten.

Häufigkei der fehlerbehafteten Messungen im Jahreslauf

Die bisher gewonnen Erkenntnisse ermögliche unter Zuhilfenahme der in den Da- tenbanken des AWI vorhandenen Messungen des meteorologischen Observatoriums eine Abschätzung wie oft an der Neumayer-Station Wettersituationen vorkommen, die zu fehlerbehafteten Ergebnissen führen

Legt man willkürlic eine gerade noch tolerierbare Abweichung von 5% bei der Mes- sung der relativen Luftfeuchtigkeit fest, so ergibt sich bei der herkömmliche Geräte ausstattung ein "verbotener" Bereich, der eingegrenzt wird von einerseits einer Glo- balstrahlung > 150.0 w1m2 und andererseits einer Windgeschwindigkeit <= 3 mls.

Dieses führ zu der folgenden Tabelle, in der zu den genannten Jahren die prozentu- alen Anteile der spezifizierten Fäll an der Gesamtzahl aller Messungen eingetragen sind.

lm Mittel ist pro Jahr in Ca. 5.8 YO aller Messungen mit einem größer als dem oben festgelegten Fehler zu rechnen. Diese verteilen sich nicht gleichmäß übe das Jahr, sondern treten speziell in sog. Schönwettersituatione auf, so dass letztere selektiv falsch bewertet werden.

Korrektur der Messungen durch Berechnung Global > 150.0 w1m2

Global > 150.0 Wlm2

+

FF2 <= 3 mls

Die Testbedingungen an der Neumayer-Station ermögliche einen einfachen Kor- rekturansatz. Benötig fü die Berechnung der Abweichungen werden alle drei Tem- peraturen und beide Messungen der relativen Luftfeuchtigkeit. Der Fehler in der ge- messenen Luftfeuchtigkeit ist nach Abb. 3.9 von der Lufttemperatur und von der relativen Luftfeuchtigkeit selbst abhängig In dem hier verwendeten Ansatz werden die gemessenen Werte benutzt, um die tatsächlich Abhängigkei (m) angenäher zu berechnen. Die beiden gleichzeitig, aber in ihren verschiedenen Strahlungsschutzeinrichtungen unterschiedlich messenden HUMICAP-Sensoren liefern dazu die nötige Daten.

1999

rF1, rF2: Gemessene relative Luftfeuchtigkeit in Yo, rF1 - passiver, rF2 - zwangs- belüftete Strahlungsschutz.

T l , T2: Die in den beiden HMP233 - Sensorköpfe gemessene Lufttemperatur.

Dieser einmal pro Minute vorliegende Wert wurde übe den jeweils betroffenen Zeit- raum (Global >= 150.0 w1m2) gemittelt. Von einer Verwendung der einzelnen Werte zur Korrektur wurde abgesehen, da es bei geringen Temperaturdifferenzen zu einem erhöhte Rauschen bei den korrigierten Werten kommt. Auch unterschiedliche Zeit- konstanten der Strahlungsschutzeinrichtungen könnte dabei eine Rolle spielen.

1995 26.95 4.76

Die Korrektur kann nun folgendermaße erfolgen:

rF1-kor, rF2-kor: Korrigierte gemessene relative Luftfeuchtigkeit in %, rF1 - passiver, rF2 zwangsbelüftete Strahlungsschutz.

Tl-T-2m, T2-T-2m: Differenz der jeweiligen HMP233 - Innentemperatur und der Temperatur des zwangsbelüftete Temperaturgebers des me- teorologischen Observatoriums.

Korrektur der getnessenen W e ~ t e - Beispiel 10.02.2001

rF2-Fehler: Berechnete Abweichung des zwangsbelüftete HMP233.

rF2: Gemessene unkorrigierte relative Luftfeuchtigkeit des zwangsbelüftete HMP233.

rF2-kor = rF2

+

rF2-Fehler

Korrigierte relative Luftfeuchtigkeit.

0

&?

-5

% -I0

L

-15 rF1-Fehler: Berechnete Abweichung

100 des nicht zwangsbelüftete HMP233.

90

2 rF1: Gemessene unkorrigierte relative

e so Luftfeuchtigkeit des nicht zwangsbelüf

-

? teten HMP233.

e ⁷⁰

60 rF1-kor = rF1

+

rF1-Fehler

o ^{4 X} 12 16 20 24 Korrigierte relative Luftfeuchtigkeit.

Zeit (UTC)

Abb. 3.12: Korrektur der Luftfeuchtemessungen

Schlussfolgerung

- Die durch Verstrahlung des Sensors auftretenden Fehler bei der Erfassung der relativen Luftfeuchtigkeit konnten fü das meteorologische Observatorium der Neumayer-Station erstmalig quantifiziert werden. Es zeigt sich, dass her- kömmliche aus Lamellen aufgebaute Strahlungsschutzeinrichtungen hier nicht ausreichen.

- Der Einsatz eines zwangsbelüftete Strahlungsschutzes verbessert die Messergebnisse wesentlich. Die Abweichungen sind erheblich kleiner und we- niger von der Windgeschwindigkeit abhängig Eine weitere Optimierung des genannten Eigenbaus ist möglic und wünschenswert

Die Verringerung des Fehlers: durch. den Einsatz wirksamer Strahlungsschutzeinrichtungen ist einer mögliche mathematischen Korrektur vorzuziehen.

-

Der Betrieb teurer hochgenauer Messgerät lohnt sich solange nicht, wie durch deren Einsatz in untauglichen Strahlungsschutzeinrichtungen die ver- besserten Geräteeigenschafte im schlechten Systemergebnis untergehen.

4.1 BESTIMMUNG DER ATHMOSPHARISCHEN QUECKSILBERKONZEN-

Im Dokument Aktivitäte an der Neumayer-Sta (Seite 107-115)