Vischer, D., & Sevruk, B. (1975). Die Fehler der Niederschlagsmessung. In W. Bosshard (Ed.), Mitteilungen / Eidgenössische Anstalt für das Forstliche Versuchswesen: Vol. 51/1. Boden - Pflanze - Wasser. Festschrift zum 60. Geburtstag von Professor Dr. Fe

Die Fehler der Niederschlagsmessung

DANIEL VISCHER und BORIS SEVRUK

1. Einleitung

Im folgenden wird ein überblick über .. die üblichen Regenmesser und deren Genauigkeit im Hinblick auf hydrologische Untersuchungen vermittelt. Die Liste der Fehlerquellen ist lang und das Ausmaß. der Fehler zum Teil beachtlich. Dies wirkt sich naturge_mäß auf alle Wasserbilanzbetrachtungen innerhalb eines be­

stimmten Einzugsgebietes hemmend aus.

Anhand von Literaturangaben sowie von zahlreichen Messungen .t1;nd Auswer­

tungen, welche die Versuchsanstalt für Wasserbau, Hyd!ologie und Glaziologie, vor allem gestützt auf die Daten aus dem Gebiet d�r Baye de Montreu,x, in den letzten Jahren durchgeführt hat, werden hier <:lie Größe�ordnun·g�n'· dieser Fehler aufgezeigt: Die entsprechenden Korrekturwerte betrngen beispiels\Veise für eine Station mit Hellmann-Regenmessem in den Vor�lpen und·im.,Somnier 2,bis. 25:%

der gemessenen monatlichen Nieders_chläge -und für eirie gleiche Station mit Tot�1i­

satoren sogar 5 bis 35 % , Darau� geht hervor, daß die.·gemessenen-�iederschfäge im allgemeinen unter den tatsächlichen liegen. Das heißt, die tatsächlichen werden unterschätzt, sofern die Meßwerte . nicht anhand von Korrekturfo!meln entspre­

chend aufgewertet werde!}:·

2. Übliche Typen von Regenmessern

Die naheliegendste Möglichkeit zur Regenmessung besteht darin, . den Regen in einem Behälter aufzufangen, dort zu erfassen und auf die Auffangfläche zu be­

ziehen. Auf diesem Prinzip beruhen denn auch praktisch alle Standardausführungen von Regenmessern, wie z. B. der Tagessammler von Hellmann.

Nun weisen diese einfachen Standardgeräte einige Nachteile auf, die den Anreiz zu verschiedenen Verbesserungen schufen. Insbesondere wurde versucht,

a) die übereinst�mmung zwischen dem aufgefangenen Regen und dem tatsächlichen zu verbessern,

b) die Messung und deren Aufzeichnung zu automatisieren.

Tabelle 1 vermittelt einen überblick über die entsprechende Morphologie der bekannteren Entwicklungen. Daraus geht hervor, daß zunächst mit der Anordnung und Neigung der Auffangfläche experimentiert wurde, und zwar aus folgenden Gründen:

151

Abbildung 1 Schweizer Totalisator. Modifizierte Ausführung nach MoumN mit Windschutzring nach NIPHER-BILLWILLER.

Die erhöhte Anordnung führt dazu, daß sich der Regenmesser vom Boden ab­

hebt und damit das bodennahe Windfeld verändert. Die Folge davon ist, daß er nicht gleichviel Regen auffängt, wie die gleichgroße, ungestörte Bodenfläche. Des­

halb wurden Regenmesser konstruiert, die derart im Boden versenkt werden, daß ihre Auffangfläche bodeneben liegt. Auf diese Weise ist der Regenmesser dann allerdings nicht vor bodennahen Störungen, wie seitliche Spritzer, Schneeverwehun­

gen, Staub- und Laubverfrachtungen, überwacbsungen, geschützt.

Als Alternative wurden Regenmesser entwickelt, deren erhöhte Auffangflächen durch einen konzentrisch befestigten Windschutzring abgeschirmt werden (Abbil-

Abbildung 2 Totalisator mit hangparalleler Auffangfläche ohne Windschutzring.

Gleiches Gerät wie in Abbildung 1, jedoch von HoECK [6] modifiziert.

dung 1). Dadurch kann der Einfluß des veränderten Windfelds etwas gemildert werden. Aus ähnlichen Überlegungen baute man für Hanglagen Regenmesser mit hangparallelen Auffangflächen (Abbildung 2).

Es sei jedoch vermerkt, daß diese Entwicklungen insofern nicht umwälzend waren, als die großen nationalen, meteorologischen Meßnetze nach wie vor haupt­

sächlich Regenmesser umfassen, deren Auffangflächen erhöht und horizontal an­

geordnet sind, was sicher seit1e Berechtigung hat, wenn es darum geht, mit einem weitmaschigen Netz in wenigen geeigneten Standorten den Niederschlag weiträumig zu erfassen. Die davon abweichenden Meßanordnungen sind vor allem in kleineren hydrologischen Einzugsgebieten zu finden.

153

f--"

Ul �

Elemente

Anordnung der Auffangfläche

Neigung der Auffangfläche

Messung des

aufgefangenen Regens

Aufzeichnung der Meßwerte

Tabelle 1 Morphologie· der gängigen Regenmesser

Parameter bodeneben

horizontal Volumenmessung

l

mit kalibriertem Meßgefäß

manuell auf Formulare

l

l

erhöht

hangparallel

Wasserstandsmessung mit Schwimmerpegel . im Sammelgefäß

automatisch

·. �uf Meßstreifen

erhöht mit Windschutzring

Gewichtsmessung durch Wiegen des Sammelgefäßes

automatisch auf Magnetkarten oder -bänder

Durchflußmessung mittels Wippen

(Zählung des Umschlagens)

Tabelle 1 zeigt ferner die Lösungen, die zur Automatisierung der Messung und Aufzeichnung gefunden wurden. Um einerseits Personal zu sparen und andrerseits kontinuierliche Aufzeichnungen zu erhalten, wurde die manuell vorgenommene und aufgezeichnete Volumenmessung vielerorts abgelöst. An ihre Stelle trat entweder die Wasserstandsmessung im Sammelgefäß mit Schwimmerpegel oder die Wägung des Sammelgefäßes; die selbsttätige Aufzeichnung erfolgt dort vornehmlich gra­

phisch. Neuerdings wird aber auch die Durchflußmessung eingesetzt, und zwar mit­

tels sogenannten Niederschlagswippen. Das sind im Prinzip kleine Sammelgefäße, die bei Vollaufen umkippen, sich entleeren und dann wieder aufrichten, wobei dieses Ereignis gezählt und somit digital registriert wird.

Zu ergänzen ist noch, daß die bei Frost und zur Schneemessung eingesetzten Regenmesser mit Frostschutzmittel versehen oder beheizt werden. Bei Sammel­

gefäßen, die nur selten, das heißt monatlich oder halbjährlich, entleert werden, wird zur Verminderung der Verdunstung etwas öl beigegeben.

Regenmesser, die nicht auf dem Prinzip des Auffangbehälters beruhen, gibt es kaum. Immerhin erscheinen die jüngsten V ersuche, den Regen mit Radargeräten großräumig zu erfassen, recht vielversprechend.

3. Fehler der Niederschlagsmessung

Der Hydrologe interessiert sich im allgemeinen für die Niederschlagsmengen, die auf ein bestimmtes Einzugsgebiet fallen. Es erhebt sich für ihn also die Frage, ob er aus den Aufzeichnungen der dort eingerichteten Regenmesser unmittelbar auf diese Niederschlagsmengen schließen kann. Leider darf diese Frage - wie schon im vorangehenden Abschnitt angedeutet - nicht bedenkenlos bejaht werden. Denn vergleichende Untersuchungen zeigen:

a) Die verschiedenen Typen von Regenmessern liefern für den gleichen Standort unterschiedliche Meßwerte.

b) Die mit den üblichen Regenmessern erfaßten Niederschläge sind meistens kleiner als die tatsächlich auf den Boden fallenden.

Schuld daran sind die zahlreichen Störeinflüsse, die auf das dreigliedrige System der Regenmessung - nämlich auf den Auffangvorgang, die Speicherung und die Messung - einwirken und zu Meßfehlern führen. In Abbildung 3 ist beispielsweise das System eines mit volumetrischer Messung arbeitenden Regenmessers dar­

gestellt; er unterliegt, so einfach er sich konstruktiv ausnimmt, mindestens zehn Störeinflüssen, die rund ein Dutzend Meßfehler verursachen.

Dabei leuchtet es ohne weiteres ein, d.aß sich die Störeinflüsse bei verschiede­

nen Typen und Anordnungen von Regenmessern unterschiedlich auswirken. In Les Avants bei Montreux (Abbildung 4) wurden beispielsweise folgende Regen­

messer, die bereits durch LÜTSCHG [1] installiert worden sind, während einer 10- jährigen Meßperiode verglichen:

155

Spri tzer

Wi nd

\ \

\ \

\

�

;1 ,;1 11

/ / /

/ / /

/ ^/ /

/ / /

/ I /

Strahl una Luft feuchte

Lufttemoeratur

\ \

\ \

\ \

\ \ \ \ \ \

\ \ \

� � �

!!.!!..9enaue Geometri e unaenaue Kal i bri erung unaenaue Abl esung Entl eeruna der Sammel kanne Fros tschutzmi ttel

-

-

- -

GEFALLENE Ni ederschl agsmenge • • . . .

i

AUFFANG VORGANG PARAMETER APPARAT : - Geometri e - Grösse - Materi al - Farbe - Nei gung - Aufstel l ungshöhe PARAMETER MESSPLATZ : - Expos i ti on - Hi ndern i sse - Nei gung

[

PARAMETER N IEDERSCHLAG : - Form

- Tropfens pektrum - Häufi gke i t - I nten s i tät

H i nei nspri tzen -

Heraus spri tzen --

Abdri ft

-

-

Ei n gewehter Schnee_

Herausqewehter Schnee Verdunstuna von Haftwasser -

a ufgefangene Ni ederschl agsmenge

SPE I CHERUNG

PARAMETER APPARAT : Verdunstuna

- E i n l auföffnung -

- Di cke der Oe l schi cht

- Farbe Kondensati on

PARAMETER MESSPLATZ :

- Schatten Leckverl uste -

-

gespei cherte Ni ederschl agsmenge

VOLUMETRISCHE MESSUNG

messbedi ngte Fehl mengen ::,,,.

tempera turbedi nate_

Vol umenänderung Haftwasser i n -

der Sammel kanne

-

Kontrakti on - des Vol umens

-

GEMESSENE Ni ederschl agsmenge

Abbildung 3 System der Niederschlagsmessung mittels Regenmesser.

Abbildung 4 Versuchsstation in Les Avants im Einzugsgebiet der Baye de Montreux (Foto Lütschg).

1 . Hellmann-Regenmesser in 1,5 m Höhe

2. Heilmann-Regenmesser in 0,05 m Höhe (bodeneben) 3 . Regenschreiber in 2 m Höhe

4. Monatstotalisator in 1,5 m Höhe 5 . Jahrestotalisator in 2,0 m Höhe.

Sie waren alle aus verzinktem Blech hergestellt und verfügten über eine Auf­

fangfläche von 200 cm² mit Ausnahme des Monatstotalisators, der eine solche von 500 cm² aufwies. Aus den in [2] zusammengestellten Ergebnissen seien hier ledig­

lich die 1 Oj ährigen Mittelwerte für den Sommer herausgegriffen (N bedeutet die gemessene Niederschlagshöhe, der Index den Typ des Gerätes gemäß obiger Auf­

zählung):

Mittlerer Sommerniederschlag N 1

Mittlerer Fehler Mittlerer Fehler Mittlerer Fehler Mittlerer Fehler Mittlerer Fehler

(N₁ - N₂)/N₁ (N1 - Na)IN1

(N1 - N4)/N1

(N1 - N5)/N1

(N5- N2)/N5

9 1 6 mm - 3,2

%

3,0 % 1,1 % 6,4 % - 10,0

%

Daraus läßt sich unter anderem erkennen, daß der bodeneben angeordnete Hellmann-Regenmesser gegenüber dem normalen 3,2 % mehr Niederschläge an-

1 57

zeigte und gegenüber dem· Jahrestotalisator. gar 10 % mehr. Diese Unterschiede entsprechen aber·.nicht · den Meßfehlern.·.D enn auch·der bod�nehen·:angeordnete Hellmann..,Regenmesser liefert nicht den wahren Wert, sondern einen f�hler­

behafteten. Es ist deshalb ·schwierig, aus den vergleichenden Betrachtungen die Meßfehler abzuleiten und mit den sie verursachenden Störeinflüssen zu korrelieren.

Im übrigen zeigen ,entsprechende Untersuchungen, die in der UdSSR, in Ost­

deutschland, in Schweden und. fa., der Schweiz durchgeführt wurden, daß die in Les A vants festgestellten Unterschiede von einigen bis maximal 10 % sehr gering sind. Bei anderen Stationen wurden wesentlich größere· Diskrepanzen festgestellt.

Beispielsweise führten Beobachtungen an mehreren hundert Stationen in der UdSSR zµr. Erkenntnis, daß die Meßwerte der in der UdSSR benützten Standardgeräte - sie• weisen eine .Auffangfläche ·von 500 cm² auf; die 2 m über Boden liegt·- um 17 bis 56 % (gewöhnlich um 20 bis 30 % ) erhö:tit we�den müssen, wiU man auf die tatsächlichen Niederschläge schließen [3]. Die anderen Werte gelten für Sta^:..

tionen, diean windgeschützten Stellen stehen, die höheren für solche in der offenen Landschaft. Neben den· Windeinflüssen spielen aber noch die örtlichen kiimati­

schen Bedingungen eine Rolle.

Nachstehend wird auf einige Zusammenhänge näher eingegangen, wobei die Systematik von Abbildung 3 verwendet wird.

3.1. Fehler beim Auffangvorgang 3.1 .1 . Hinein- und Herausspritzen

Regentropfen, die neben dem Auffanggefäß aufprallen, können kleine Spritzer in das Auffanggefäß werfen. Diese Verfälschungsmöglichkeit besteht natürlich nur bei wenig erhöht oder bodeneben angeordneten Auffangflächen. Sie kann aber durch besondere Gestaltung der unmittelbaren Umgebung weitgehend ausgeschlos­

sen werden, etwa durch konzentrisch um die bodenebene Auffangfläche gelegte Gitter oder Moosschichten.

Umgekehrt können aber auch Regentropfen, die in das Auffanggefäß fallen, Spritzer nach außen werfen. Die Gefahr des Rückpralls betrifft vor allem die­

jenigen Regenschreiber, deren Auffanggefäße zuwenig tief sind. Bei den üblichen Geräten liegt der trichterförmige Boden des Auffanggefäßes aber um mehr als 15 cm unter der Auffangflächt?, so daß die Rückprallverluste vernachlässigbar klein werden.

3 .1 .2. Abdrift

Schon im 18. Jahrhundert wurde festgestellt, daß die Niederschläge auf einem Turm wesentlich geringer sind als auf dem Boden. Dies rührt von den Windein­

flüssen her, die sich auf einer exponierten Turmzinne natürlich sehr viel stärker bemerkbar machen als am Boden. Nicht nur herrschen in der Höhe grundsätzlich größere Windströmungen, sondern diese . werden über der Turmzinne noch durch

den Turm selbst verstärkt. Dadurch werden Regentropfen, die ohne Störung auf die Turmzinne fallen würden, leewärts abgetrieben, was man als Abdrift bezeich­

nen kann.

Wie schon in . Abschnitt 2 erwähnt, macht sich dieser Effekt auch bei erhöht angeordneten Regenmessern bemerkbar, ragen doch auch diese einem kleinen Turme gleich in das Windfeld. Die Abdrift hängt aber außer von der Windströmung im unmittelbaren Auffangbereich auch vom Tropfenspektrum des Regens ab; grö­

ßere Tropfen, wie sie bei Starkregen entstehen können, werden naturgemäß weniger abgetrieben als feine. Und selbstverständlich ist die Abdrift von Schneeflocken sehr bedeutend.

Abbildung 5 hält beispielsweise die Verhältnisse fest, wie sie in den USA in ebenem Gelände beobachtet wurden [ 4]. Die Abdriftverluste steigen mit zuneh­

mender Windgeschwindigkeit und erreichen bei 8 m/s rund 18 % für Regen und rund 65 % für Schnee. Interessant ist, wie sich diese Abdriftverluste vor allem bei Schnee durch Windschutzringe vermindern lassen;

l

� ²⁰

40

60

WI N D G E S C H W I N D I G K E I T ( m s -1 )

2 4 6 8

Abbildung 5 Abhängigkeit der Abdriftverluste von der Windgeschwindigkeit für Regen und Schnee nach [ 4]. Die Prozentzahlen sind auf die tatsächlich gemessenen Niederschläge

bezogen.

Wenn nun aber die Windeinflüsse derart wesentlich sind, wird klar, warum der Standort eines Regenmessers von ausschlaggebender Bedeutung ist: Windgeschützte Stationen weisen eben kleinere Abdriftverluste auf als windexponierte. Neben den bereits erwähnten Stationen in der UdSSR können ebenso sprechende Beispiele aus der Schweiz angeführt werden:

Ein Totalisator gemäß Abbildung 1 stand im Einzugsgebiet der Baye de Mon­

treux längere Zeit in einer· ... offenen und damit windexponierten Paßlage. Diese wurde dann fast von allen Seiten her auf geforstet, so daß die Station schließlich von 10 m hohen Bäumen in nur 7 m Entfernung umgeben und somit windgeschützt 159

war. Dabei konnte beobachtet werden, daß die erfaßte Niederschlagssumme im Winter .(Oktober bis März) sukzessive anstieg und zuletzt um 31 % höher war als vor der Aufforstung. Die entsprechende Erhöhung im Sommer (April bis Septem­

ber) erreichte 9 %. Ebenso nahm im Winter die Stärke der Schneedecke rund um den Totalisator zu. Abbildung 6 hält den Vergleich der gemessenen Schneehöhen mit denjenigen in einer 400 m entfernten, ·von der Aufforstung nicht betroffenen Station fest.

HS ( c m ) 1 5 0 1 0 0 50 0

Vor der A uf f o r s t u n g 1 1944. - 1 9 5 3

1 0 1 2 2 4 M on at

N a c h d e r A u f forstung 1 9 5 4 -,- 1963

1 0 1 2 2 4 M on a t

Abbildung 6 Monatsmittel der Schneehöhen ^(HS) an zwei Stationen in 400 m Entfernung im Einzugsgebiet der Baye de Montreux. Punktiert sind die Werte

der von der Aufforstung betroffenen, leer die Werte der nicht betroffenen Station.

Insgesamt standen in einem 7 km² messenden Teileinzugsgebiet der Baye de Montreux 26 Totalisatoren, die den großen Einfluß des Windes ebenfalls bestätig­

ten [ 5]. Denn Totalisatoren mit erhöht angeordneten Auffangflächen zeigten bei­

spielsweise im Sommer an offenen Stellen im Mittel 15 % weniger Niederschläge an als an windgeschützten Stellen auf gleicher Meereshöhe, während jene mit bodenebenen Auffangflächen auf diese Standortunterschiede kaum reagierten.

In die gleiche Richtung weisen auch die Untersuchungen, die mit hangparallelen Auffangflächen gemacht wurden [6]. Solche eignen sich offensichtlich für Stel.len, wo die Richtung der mit Niederschlägen befrachteten Windströmung antizipiert werden kann. Dies war im Einzugsgebiet der Baye de Montreux an einem dem Westwind ausgesetzten Steilhang in Gratnähe (Cape au Moine) der Fall, wo an­

genommen werden durfte, daß der Wind ungefähr senkrecht zum Gelände einfällt.

Dort wurde deshalb ein Totalisator zuerst mit horizontaler und später mit hang­

paralleler Auffangfläche aufgestellt. Dann wurden die beiden zugehörigen Meß­

reihen mit einer dritten verglichen, die von einem unbeeinflußten Totalisator im Tal stammte. Das Ergebnis ist in Abbildung 7 dargestellt und zeigt, daß der kon­

ventionelle Totalisator mit der horizontalen Auffangfläche praktisch bloß die Hälfte der Jahresniederschläge desjenigen mit hangparalleler Auffangfläche erbrachte.

Ähnliche Vergleiche von Meßwerten an windgeschützteren Stellen, etwa in der Mitte des Hanges, im Windschatten von.Geländeerhebungen, in der Waldzone usw., zeigten dagegen nur geringe oder gar keine Unterschiede (Tabelle 2).

Tabelle 2 Vergleich der mittleren Jahres- und Saisonniederschläge, gemessen mit schiefen (1) und horizontalen (2) Auffangflächen

Totalisator Höhe Hang Standort Veränderung (N1-N2)/N2

Neigung Exposition Winter Sommer Jahr

m ü. M. Grad (%) (%) (%)

101 Cape au Moine 1850 42

wsw

^Steilhang

^***

^{64 102 81}

105 Courcys 1820 42

wsw

^Couloir

^***

^{102 102 102}

104 Perte

a

^{l'Etoile 1730 44}

wsw

^Couloir

^***

^{81 92 86}

102 Creux du Marais 1665 28

wsw

^Hang

^**

^{- 9 2 - 2}

106 Soladier 1560 32

w

^Hügel

^***

^{11 4 7}

107 Sapez 1470 31

wsw

^Waldrand

^*

^{- 1 0 0}

109 Etoile de J aman 1430 46

w

Waldschneise

**

_{17 14 15}

110 Preisaz 1425 31

wsw

^Jungwald

^**

^{10 10 10}

108 Verraux 1255 29

wsw

Waldlichtung

*

_{- 11 1 - 5}

*** offen; ** teilweise offen; * beschattet.

--

Winter = Oktober-März Sommer = April-September Jahr = Oktober-September

2 5 00 N 1 ( m m )

1 5 00

5 0 0

�000

+ +

. .

4 +

+ + +

+ 1

+ ++ 1 + + + + + + +

:1. . ^. _. .. _{. .} . .

1

2000 N 2 ( m m) 3000

Abbildung 7 Verhältnis der Jahresniederschläge der Station Cape au Moine an einer exponierten Hanglage (N1) zu den Jahresniederschlägen einer Referenzstation im Tal (N2).

Die Punkte bezeichnen die Werte, die zuerst mit horizontaler Auffangfläche erhoben, die Kreuze diejenigen, die nachher mit hangparalleler Auffangfläche gemessen wurden.

3.1.3.-Eingewehter und herausgewehter Schnee

Regenmesser können im Winter außer den eigentlichen Niederschlägen noch verwehten Schnee aufnehmen. Das gilt sowohl für windgeschützte als auch wind­

exponierte Stationen. Bei windgeschützten Stationen besteht die Gefahr, daß ein Gerät zu nahe an Objekten steht, von denen Schnee heruntergeweht und in das Auffanggerät getrieben wird, beispielsweise von schneebeladenen Bäumen eines Waldes. Bei Stationen im offenen-Gelände kann die Messung durch Schneetreiben verfälscht werden. Diese Möglichkeit besteht vor allem dort, wo ein Gerät nur wenig über die Schneedecke hinausragt, also in schneereichen Gegenden oder bei ungünstigen Schneedünenbildungen («Wächten»). Auch aus dieser Sicht sind Stand­

ort und Anordnung des Gerätes somit sorgfältig zu prüfen. Geräte mit bodeneben angeordneten Auffangflächen können in Schneegebieten jedenfalls nicht eingesetzt -werden.

Windeinflüsse vermögen aber die Regenmesser nicht nur mit Schnee anzurei­

chern, sondern auch von Schnee zu entblößen. Dies kann geschehen, indem bereits aufgefangener Schnee aus dem Gerät herausgeweht wird. Vergegenwärtigt man sich, daß 9 bis 14 cm Neuschnee etwa 1 cm Niederschlagshöhe ergeben, so versteht man, weshalb die Auffanggefäße der üblichen Regenmesser bei starkem Schneefall bald einmal gefüllt sind. Schon bei teilweiser Füllung wird aber ein darüberstrei­

chender Wind einen locker gelagerten Neuschnee herauswehen. Um dies zu ver­

hindern, werden in die Auffanggefäße bisweilen sogenannte Schneekreuze aus Blechlamellen eingesetzt. -Ihre Wirkung ist aber nur in wenigen Fällen befriedigend.

Neben diesem kleinen Vorteil fällt der Nachteil, daß sie die Oberfläche im Auf­

fanggefäß und damit die Haftwasserverluste (vgl. Abschnitt 3.1.4.) erhöhen, wohl schwerer ins Gewicht. Messungen größerer schneeförmiger Niederschläge mit Regenmessern erscheinen folglich als recht problematisch. Immerhin können er-

gänzende Bestimmungen der Schneehöhen und des Wasseräquivalents der Schnee­

decke in der unmittelbaren Umgebung durchgeführt werden.

3 .1 .4. V erdUnstung von Haftwasser

Durch Verdunstung der im Aurfanggefäß haftenbleibenden Niederschläge - Regentropfen oder Schneeflocken - entstehen die sogenannten Haftwasserverluste.

Sie sind um so höher, je größer die Auffanggefäße in bezug auf ihre Auffangfläche sind. Besonders tiefe Auffanggefäße sind diesbezüglich also ungünstig.

Beim Hellmann-Regenmesser bewirkt der konische Ring_? der die Auffangfläche begrenzt, daß bei geringen Regenintensitäten bloß der untere Teil des Auffang­

gefäßes benetzt wird. Die Haftwasserverluste werden damit kleiner als in Geräten ohne konischen Ring.

Neben der Form des Auffanggefäßes spielt auch dessen Material eine Rolle:

An gewissen Materialien haften die Niederschläge besser, b�i gewissen Farben sind die Austrocknungszeiten grundsätzlich kürzer usw. Und selbstverständlich hängen die Haftwasserverluste auch von der Niederschlagshäufigkeit ab: Folgen sich bei­

spielsweise an einem Tag mehrere Niederschlagsereignisse mit Unterbrüchen, die größer als die Austrocknungszeit sind, so ergeben sich naturgemäß höhere Haft­

wasserverluste als an einem Tag mit nur einem Niederschlagsereignis. Die {\us­

trocknungszeit ist dabei eine Funktion. der meteorologischen Bedingungen, welche die Verdunstung erzeugen. Im Winter und bei Schneefall sind die Haftwasserver­

luste im allgemeinen kleiner als im Sommer und bei Regen.

0 .8 V ( m m ) 0 . 6

0 4

0 . 2

-

1 1

• •

1 5

1

• . 1

T (^°C) 2 0

Abbildung 8 Beziehung zwischen der Verdunstung (V in mm/Tag) und dem Tagesmittel der Lufttemperatur (T) bei einer Ölschicht von 1,5 mm Stärke in einem

Totalisator in Zürich.

163

Für das Auffanggefäß des Hellmann-Regenmessers und des J ahrestotalisators in Les Avants konnten die Haftwasserverluste aufgrund von Feld- und Laborato­

riumsversuchen ermittelt werden; sie betrugen durchschnittlich

2,4

bzw. 10 % der von Juni bis September gemessenen Niederschläge [5]. Auf der gleichen Basis wur­

den auch die Haftwasserverluste der

32

von

1949

bis

1958

in der Baye de Mon­

treux installierten Monatstotalisatoren (mit bodenebenen, hangparallelen Auffang­

flächen) berechnet. Diese erreichten, wie Tabelle 3 . zeigt, im Durchschnitt

2,6

% mit Schwankungen bis über 4

% .

Für einzelne . Stationen wurden sogar Höchst­

werte bis 6 % geschätzt.

Tabelle

3

Mittlere Haftwasserverluste von

32

Monatstotalisatoren mit bodenebener und hangparalleler Auffangfläche, bezogen auf die gemessenen

Niederschläge.

Jahr Juni Juli August September Juni-Sept.

(mm) (%) (mm) (%) (mm) (%) (mm) (%) (mm) (%)

1949 2,9 2,3 2,8 3,3 2,9 3,2 4,5 3,2 13,1 3,0 1950 4,5 2,3 3,3 3,6 6,9 2,6 4,5 1,9 19,1 2,4 1951 8,6 4,2 3,4 1,3 6,9 2,8 3,8 2,5 22,7 2,6 1952 6,4 3,5 1,7 2,7 4,5 2,1 7,8 3,5 20,4 3,0 1953 8,1 2,3 5,9 3,0 3,4 2,5 4,0 2,6 21,4 2,5 1954 5,2 3,7 5,2 3,1 7,6 2,6 5,5 1,9 23,4 2,6 1955 7,1 2,6 5,0 3,7 5,9 2,7 4,5 2,6 23,4 2,8 1956 3,8 1,7 5,7 2,4 8,8 2,6 3,1 2,4 21,4 2,3 1957 6,9 3,1 6,4 2,7 6,2 3,8 4,8 2,2 24,3 2,9 1958 6,2 2,4 5,5 2,7 5,7 2,4 3,1 1,9 20,5 2,4

Mittel

6,0 2,7 4,5 2,6 5,9 2,7 4,6 2,4 21,0 2,6

3 .1.5. Zufällige Fehler

Neben den 'in der Systematik gemäß Abbildung 3 angeführten Fehlern gibt es noch solche, die als zufällig bezeichnet werden können. Es handelt sich dabei um Beeinträchtigungen des Auffangvorganges etwa durch Einschneien, Ansetzen von Rauhreif und Neuschnee in der Auffangöffnung, Schiefstellung des Regenmessers und damit der Auffangfläche durch Schneedruck, Verstopfung des Ablaufs des Auffanggefäßes bei Frost oder Verunreinigung usw. Sie treten vor allem bei wenig überwachten Geräten, also bei Totalisatoren, in Erscheinung.

3.2. Fehler bei der Speicherung

3 .2 .1. Verdunstung

Ein Teil des im Sammelgefäß gespeicherten Niederschlags kann durch'Verdun­

stung verlorengehen. Ihr Ausmaß hängt bis zu einem gewissen Grad vom Quer­

schnitt der Öffnung des Sammelgefäßes ab, denn eine große Öffnung fördert selbst­

verständlich den Austauschprozeß mit der Atmosphäre. Von Bedeutung ist auch die Farbe des Schutzgefäßes; eine dunkle Tönung bewirkt eine größere Energie­

zufuhr zum Sammelgefäß.

Daß die Verdunstung sehr stark von den sie erzeugenden meteorologischen Bedingungen abhängt, braucht nicht betont zu werden. Hellmann-Regenmesser dürften in der Schweiz deshalb während dem Winter kaum nennenswerte Verdun­

stungsverluste aufweisen und im Sommer nur solche, die schätzungsweise 1 % der Sommerniederschläge erreichen. Bei Totalisatoren sind die Verhältnisse dagegen anders, weil ihr Inhalt der Witterung länger ausgesetzt bleibt. Um die entsprechen­

den Verdunstungsverluste herabzusetzen, wird ihnen öl beigegeben, das als 2 mm starke Schutzschicht auf dem gespeicherten Wasser schwimmt. Dieser Schutz ist aber ungenügend. Denn Versuche an einem· Totalisator in Zürich haben gezeigt, daß bei einer Ölschicht von 1,5 mm Stärke nennenswerte Verluste - und zwar in der Größenordnung von einigen Prozenten der Sommerniederschläge - auftraten, sobald die mittlere Lufttemperatur über 15 °C stieg (Abbildung 8). Nur bei einer Ölschicht von 5 mm Stärke war selbst bei warmem Wetter keine Verdunstung fest­

zustellen.

3 .2 .2. Kondensation

Als Gegenstück zur Verdunstung führt die Kondensation zu einer Anreicherung der gespeicherten Niederschläge. Diese Erscheinung könnte aber nur dann Bedeu­

tung erlangen, wenn die Kondensation im Auffang- und Sammelgefäß wesentlich stärker wäre als auf dem Boden. Entsprechende quantitative Angaben fehlen aber, und es wird allgemein angenommen, daß die Kondensationsfehler bei der Nieder­

schlagsmessung bloß eine untergeordnete Rolle spielen.

3.3. Fehler bei der volumetrischen Messung

Es sei daran erinnert, daß bei der üblichen volumetrischen Messung wie folgt vorgegangen wird: Zuerst wird das Sammelgefäß in ein Meßglas entleert, dann wird dort die Niederschlagshöhe an einer Skala abgelesen.

Nun ist einmal festzuhalten, daß die Entleerung des Sammelgefäßes nicht voll­

ständig gelingt. Bei wiederholten V ersuchen mit Sammelgefäßen von Hellmann­

Regenmessern, wurde beobachtet, daß durchschnittlich eine Niederschlagsmenge 165

entsprechend 0,15 mm im Sammelgefäß verbleibt und damit nicht registriert wird.

Der durch diesen Rückhalt verursachte Meßfehler machte durchschnittlich 1 % der gemessenen Niederschläge aus [ 5].

Dann ist zu sagen, daß die Eichung der Meßgläser nicht einwandfrei ist. Eine entsprechende Prüfung ergab, daß die Meßgläser im unteren Teil, wo sie nicht mehr als Hohlzylinder, sondern als Halbkugelschale oder Trichter ausgebildet sind, unterschiedliche Niederschlagshöhen anzeigen. Bei Niederschlägen von 0,5 mm wurden beispielsweise Abweichungen bis 0,13 mm festgestellt [7]. Der unsichere Bereich erstreckt sich bis zur 1-mm-Niederschlagshöhe und verfälscht somit ins­

besondere die Messung kleinerer Niederschläge.

An der Skala des Meßglases werden grundsätzlich die Niederschlagshöhen ab­

gelesen, die ja als Verhältnis des Meßglasinhaltes zur Auffangfläche des Regen­

messers definiert sind. Neben der volumetrischen Eichung des Meßgerätes muß deshalb auch die maßgerechte Ausführung der Auffangfläche beachtet werden.

Diesbezügliche Messungen an einer zufälligen Auswahl verschiedener Hellmann­

Regenmesser und Totalisatoren ließen erkennen, daß die Auffangflächen bis zu

±

1,5 % von ihrem Sollwert abweichen können [5]. Daraus resultieren natürlich Fehler von der gleichen Größenordnung.

Neben der Maßbeständigkeit des Meßglases und der Auffangfläche spielt natür­

lich auch die Volumenbeständigkeit des aufgefangenen Wassers eine Rolle. Es ist jedoch bekannt, daß die Dichte des Wassers nur wenig temperaturabhängig ist.

Wasser von 4 °C beansprucht beispielsweise nur etwa 2 °/oo weniger Raum als sol­

ches von 20 °C. Dieser belanglose Unterschied kann allerdings bei Zugabe gewisser Frostschutzmittel, wie Chlorcalciumlösung, erheblich vergrößert werden.

Weitere Probleme im Zusammenhang mit Frostschutzmitteln ergeben sich wie folgt: In der Schweiz ist es üblich, den Totalisatoren Frostschutzmittel, und zwar Chlorcalciumlösung, beizugeben; diese Lösung ist wirksam, zeitigt aber uner­

wünschte Nebenerscheinungen. Denn die Chlorcalciumlösung bindet einen Teil des Wassers und verringert damit dessen Volumen. Auf diese Weise können Meß­

fehler in der Größenordnung von 6 bis 30 % der Monatsniederschläge entstehen, die zu einer entsprechenden Korrektur der Meßwerte zwingen [8].

4

„

Fehler der Auswertung

4.1. Fehler bei der räumlichen Extrapolation

Wie bereits erwähnt, interessiert sich der Hydrologe im allgemeinen für die Niederschlagsmengen, die auf ein bestimmtes Einzugsgebiet fallen. Mit den in Abschnitt 2 geschilderten Niederschlagsmeßmethoden stehen hierfür aber bloß Punktmessungen - deren Zuverlässigkeit gemäß Abschnitt 3 erst noch zweifelhaft erscheint - zur Verfügung. Wie können diese Punktmessungen aber auf ein ganzes Einzugsgebiet extrapoliert werden?

Vorausgesetzt, daß verschiedene Regenmeßstationen im Einzugsgebiet betrieben werden, gelangen gewöhnlich folgende Methoden zur Anwendung:

a) Bildung des arithmetischen Mittels der Meßwerte;

b) Aufteilung des Einzugsgebietes mit dem Thiessen-Polygon auf die einzelnen Stationen. Bildung eines gewichteten Mittels entsprechend dieser Aufteilung;

c) Abschätzung des Verlaufs der Isohyeten und Bildung des zugehörigen g�wichteten Mittels.

Die Genauigkeit dieser Methoden hängt von der Dichte und der Zuverlässig­

keit des Meßnetzes ab. In gebirgigen und darum hinsichtlich Niederschlagsvertei­

lung variationsreicheren Gebieten sind die diesbezüglichen Anforderungen natür­

lich höher.

Entsprechende Vergleiche wurden in zwei 2, 1 und 4, 7 km² großen, mit dichten Meßnetzen versehenen Teilgebieten des voralpinen Einzugsgebietes der Baye de Montreux vorgenommen [ 5]. Und zwar wurde einerseits der Gebietsniederschlag für die Monate Juni-September als arithmetisches Mittel aus 23 Regenmessern mit bodenebenen Auffangflächen bestimmt. Andrerseits wurde der gleiche Gebiets­

niederschlag aus den Angaben von 1 bis 5 Totalisatoren - die nach den üblichen Regeln, jedoch an besonders windgeschützten Stellen aufgestellt wurden - ebenfalls als arithmetisches Mittel erhoben. Der Unterschied betrug immerhin 9 % in bezug auf alle 5 ausgewählten Totalisatoren und 17 % in bezug auf den extremsten der­

selben.

4.2. Probleme bei langjährigen Meßreihen

Bei der Auswertung langjähriger Meßreihen muß auf Inhomogenitäten geachtet werden. Solche ergeben sich bei

a) Änderungen der Umgebung von Regenmessern b) Standortverschiebungen

c) Umtausch von Gerätetypen

usw., das heißt bei Ereignissen, welche die Messungen im Verlauf der Zeit beein­

flußten, dem Auswerter aber zumindest hinsichtlich ihrer Auswirkungen unbekannt sind.

Die Inhomogenitäten werden durch Rechnungen aufgespürt, etwa anhand der Quotientenmethode, der Korrelationsrechnung, der Doppelsummenanalyse usw. Als Beispiel diene die Doppelsummenanalyse, die für die Stationen Creux du Marais und Cape au Moine im Gebiet der Baye de Montreux durchgeführt wurde. Es ging dort darum, den ,Einfluß eines Geräteumtausches zu erfassen: 1950 war bei der Station Cape au Moine nämlich eine horizontale Auffangfläche durch eine schiefe ersetzt worden. In Abbildung 9, Punktreihe D, sind nun die von Jahr zu Jahr auf-

167

summierten Werte dieser Station gegen die entsprechenden Werte einer Bezugs­

reihe, die als Durchschnitt von 9 homogenen Meßreihen gebildet wurde, in einem linearen Maßstab aufgetragen; der Knick bei 1950 zeigt die Inhomogenität an.

Punktreihe C entspricht in gleicher Weise der Meßreihe der Station Creux du Marais, die keine solche Inhomogenität aufweist.

J a h r

- 1961 2 0 00

1951 1 0 0 0

-

.

19 42 .

. ^. . .

" 0 .

0 0

. . . . .

1 950 . •

. .. . . .

1 941 1 9 51

1 0 00 2 000

B e z u g s r e i h e

. . .

C •

: D

1 9 6 1 J a hr 3 0 00 YB

Abbildung 9 Doppelsummenlinie der Sommerniederschläge (April-September) der Station Creux du Marais ohne Inhomogenität (C) sowie der Station Cape au Moine

mit einer Inhomogenität (D), bedingt durch die 1950 erfolgte Auswechslung

der horizontalen durch eine schiefe Auffangfläche. Als Bezugsmeßreihe dient der Durchschnitt von 9 homogenen Meßreihen anderer Stationen im Einzugsgebiet der Baye de Montreux.

Tabelle 4 Mit einer Summenanalyse festgestellte Inhomogenitäten von 7 Meßreihen und die entsprechend quantifizierten Veränderungen

Apparat Art der Veränderung Knick

Nr. Jahr

1 Wachstum der umgebenden Bäume 1947 2 Versetzung um 50 m, Hanglage 1955 3 Versetzung vom Waldrand

in eine Waldlücke 1959

4 Wachstum der Gebüsche im Garten 1954 5 Bau eines Hauses in 10 m Entfernung 1963

6 Totalisator undicht 1961

7 Austausch der Auffangflächen 1950 Sommer = April-September Winter = Oktober-März

Veränderung der Meßwerte Winter Sommer

(%) (%)

+ 31 + 9 + 15 + 15 + 8 + 8 + 7 + 3 + 4 + 6 + 64 + 102 5

Durch Quantifizierung der inhomogenitätsbedingten Änderungen können lang­

jährige Meßreihen korrigiert und zuhanden einer sinnvollen Auswertung homoge­

nisiert werden. Tabelle 4 stellt diesbezüglich neben dem bereits behandelten Bei­

spiel (Gerät Nr. 7) noch andere Beispiele dar. Die quantifizierten Änderungen er­

reichen je nach Fall 3 bis 102

%,

bezogen auf die gemessenen Niederschläge.

5. Schlußfolgemngen

Mit den üblichen Regenmessern können die Niederschläge, die auf ein bestimm­

tes Einzugsgebiet fallen, nur ungenau erfaßt werden. Die Liste der Fehlerquellen ist lang und das Ausmaß der Fehler zum Teil bemerkenswert. Dies muß sich natur­

gemäß auf alle hydrologischen und wasserwirtschaftlichen Untersuchungen; die auf genauen Niederschlagsmessungen basieren sollten, sehr hemmend auswirken.

Immerhin sind für einige konkrete Fälle Korrekturansätze bekannt, welche eine Anpassung der gemessenen an die tatsächlichen Niederschlagswerte ermöglichen.

So beliefen sich die Korrekturen der monatlichen Niederschläge. im Sommer in Les Avants für· den Hellmann-Regenmesser auf 2 bis 25 % der gemessenen Werte.

Davon entfielen auf die einzelnen Fehlerquellen folgende Beträge:

Abdrift 1-12 %

Haftwasserverluste 1-10 %

Verdunstung 0- 4 %

Rückhalt bei der Entleerung 0- 5 %

In der gleichen lüjährigen Meßperiode erreichten die monatlichen Korrekturen für den danebenstehenden Totalisator 5 bis 35 % . Aus diesem Beispiel geht her­

vor, daß die gemessenen Niederschläge im allgemeinen weit unter den tatsäch­

lichen liegen. Das heißt, die tatsächlichen werden, wo keine Korrekturformeln ver­

wendet werden, durchwegs unterschätzt.

Dieser Umstand darf aber nicht einfach hingenommen .werden. Es gilt, einer­

seits zuverlässiger� Meßmethoden zu finden und andrerseits Korrekturformeln für die üblichen Regenmesser zu entwickeln. An dieser Aufgabe wird bereits in vielen Ländern gearbeitet. Zu erwähnen ist insbesondere, daß in der UdSSR bereits seit 1970 - und zwar auch rückwirkend - alle Niederschlagsmessungen korrigiert wer­

den. Die World Meteorological Organisation (WMO) verfaßte 1973 eine umfas­

sende Bibliographie der weltweiten Anstrengungen [9] und betreut ein entsprechen­

des Koordinationsprogramm.

169

Literaturverzeichnis

[1] LÜTSCHG-LOETSCHER, 0., 1946: über die Verdunstungsgröße freier Wasserflächen im Schwei­

zer Hochgebirge. Denkschr. schweiz. naturf. Ges. LXXVI, Abh. 2: 84-102.

[2] SEVRUK, B., 1970: Vergleichende Niederschlagsmessungen imGebiet der Baye de Montreux.

In: Festschrift zum 70. Geburtstag von Prof. Gerold Schnitter. Mitt. Vers'anst. Wasser­

bau Erdbau ETH, Nr. 85: 32/1-32/8.

[3] STRUZER, L. P., NECHAYEV, 1. N., BOGDANOVA, E. G., 1965: Systematic errors in measure­

ment of atmospheric precipitation (Russisch). Meteorologia i Gydrologia, Nr. 10:

50-54.

[4] LARSON, L. W., PECK, E. L., 1974: Accuracy of precipitation measurements for hydrologic modeling. Water Resour. Res. 10, 4: 857-863.

[5] SEVRUK, B.: Niederschlag im Einzugsgebiet der Baye de Montreux. Beitrag zur Hydro­

klimatologie der Voralpen und zum Problem der Niederschlagserfassung im Gebirge.

Mitt. Vers'anst. Wasserbau, Hydrol. Glazial. ETH, im Druck.

[6] HOECK, E., 1948: Sur les mesures pluviometriques dans le bassin de la Baye de Montreux.

UGGI-AIHS, Assemblee Generale d'Oslo 1948, Bd. f: 180-190.

[7] KARBAUM, H., 1969: Der Niederschlag als Wasserhaushaltsgröße. Abh. Ihet. hydrol. D. DDR

11, 86: 1-80. . · ,

[8] HEIGEL, K., 1960: über die Korrektur des Niederschlagsdefizits bei Verwendung von Chlor­

calcitimlösimg in Monatstotalisatören. Wetter Leben 12, 11-12: 375-377.

[9] WORLD METEOROLOGICAL ÜRGANIZATION, 1973: Annotated bibliography on precipitation measurement instruments. 278 S., Geneva, WMO Publ. 343.