Die im Jahr 1873 gegründete Internationale Organisation für Meteorologie (IMO) wurde am 23. März 1950, mit Inkrafttreten ihrer Konvention, durch die Weltorganisation für Meteorologie (WMO) ersetzt. Um diesen Tag in Erinnerung zu behalten, wurde der Welttag für Meteorologie am 23. März eingeführt. Das Motto des diesjährigen Welttags der Meteorologie lautet „Klima und Wasser“.

Bei dieser Gelegenheit möchte MeteoLux Ihnen einen kurzen Einblick in die Theorie des Wasserkreislaufs der Erde und in die Methodik der am Flughafen Luxemburg-Findel durchgeführten Niederschlagsmessungen geben.

Wasserkreislauf der Erde

Wasser lässt sich in drei verschiedenen Zuständen in der Atmosphäre finden: fest, flüssig und gasförmig. Die Phasenänderungen von Wasser hängen hauptsächlich von Temperatur und Druck ab. Der Wasserkreislauf der Erde besteht aus mehreren Mechanismen, die simultan auftreten (Abb. 1). Einige wichtige Vorgänge werden nachfolgend kurz beschrieben:

• Verdunstung: Übergang von der flüssigen in die gasförmige Phase.
• Evapotranspiration: Transpiration der Vegetation, zusätzlich zum Verdunstungsprozess.
• Kondensation: Übergang vom gasförmigen in den flüssigen Zustand (z.B. Wolkenbildung).
• Niederschlag: Hydrometeore, die in flüssiger Form (Niesel, Regen) und/oder fester Form (Schnee, Graupel, Hagel) auf die Erdoberfläche fallen.
• Oberflächenabfluss: Wasserfluss an der Bodenoberfläche.
• Infiltration: Wasser dringt durch natürliche Risse in die oberen Bodenschichten ein.
• Perkolation: tieferes Eindringen des Wassers in den Boden nach dem Infiltrationsprozess.

Vereinfacht dargestellt wird das Wasser durch Erwärmung, verursacht durch die eintreffende Sonnenstrahlung, zunächst von ozeanischen und terrestrischen Oberflächen verdunstet und dann mittels der atmosphärischen Zirkulation transportiert (z.B. Verlagerung von Tief- und Hochdruckgebieten). Vertikalbewegungen in der Atmosphäre führen zur Kondensation des Wassers, was zu Wolkenbildung und Niederschlägen führt. Niederschläge, die auf die Erdoberfläche treffen, können vorübergehend als Schnee und Eis oder als Feuchte und Grundwasser im Boden gespeichert werden, während überschüssiger Niederschlag abfließt und beispielsweise Flüsse bildet bzw. füllt, die wiederum ihr Süßwasser in die Ozeane leiten, wodurch der globale Wasserkreislauf abgeschlossen wird (Abb. 1). Wasser spielt eine entscheidende Rolle beim Klima, insbesondere in gasförmiger Form, da Wasserdampf ein effektives Treibhausgas ist. Der Wasserhaushalt der Erde wird auch durch anthropogene Aktivitäten beeinflusst, z.B. durch Treibhausgasemissionen, welche zu einer Erwärmung der Atmosphäre beitragen (Wasserdampfrückkopplung → maximal mögliche Menge an Wasserdampf in der Atmosphäre nimmt mit fortschreitender Erwärmung zu → potentieller Anstieg des mittleren effektiven Wasserdampfgehalts) und durch Bodennutzung (z.B. Waldrodung), was sich auf die Wasserkapazität des Bodens auswirkt.

Abb. 1: Schema des globalen Wasserkreislaufs und -haushalts im Jahresmittel. Die schwarzen Pfeile zeigen die Mechanismen der Wasserumverteilung. Die Einheiten sind 103 km³ für das vorhandene Wasservolumen und 103 km³/Jahr für die Mechanismen der Umverteilung (Zahlen in Schrägschrift). Es sei darauf hingewiesen, dass die Ozeane ca. 96,5 % des gesamten Wassers auf der Erde beinhalten, die Atmosphäre dagegen nur 0,0009 %. Quelle: [1] (zusätzliche Studien: [2], [3], [4]).

Messmethode des Niederschlags am Findel

Am Flughafen Luxemburg-Findel erfolgt die Messung der Niederschlagsmenge mit Hilfe einer Kippwaage in 1 m Höhe über Grund (Abb. 2). Hineinfallende Tropfen gelangen in eine von zwei Wippenschalen. Ist eine davon mit einer Wassermenge vollständig gefüllt (entspricht 0,1 mm Niederschlag), kippt sie nach unten und entleert sich. Nach dem Kippen der ersten Schale füllt sich die zweite Kippschale usw. Die Kippvorgänge werden mit Hilfe eines Reedschalters gezählt. Dieses Modell verwendet keine intensitätsabhängige Linearisierung. Mittels einer thermostatgesteuerten Heizung wird das schnelle Schmelzen von festen Niederschlägen bewirkt. Bei der Messung des Niederschlags mit diesem Regenmessertyp können jedoch systematische Fehler auftreten. Beispielsweise fällt die gemessene Regenmenge in sehr windigen Verhältnissen aufgrund von Turbulenzen an der Öffnung des Behälters oft zu niedrig aus. Dieser Effekt kommt bei leichteren und feineren Hydrometeoren, wie Schneeflocken oder Nieselregen, deutlicher zum Tragen. Andere Hauptfehlerquellen sind Teilverdunstung, Benetzung des Behälters und Trägheit der Wippenschalen. Somit sind manchmal Messfehler von deutlich über 20 % möglich.

Die Niederschlagsmenge kann auch nach dem Wägeprinzip gemessen werden. Die Hydrometeore fallen in einen Behälter, der von einer hochauflösenden elektronischen Waage (0,01 mm gegenüber 0,1 mm des Kippwaagen-Regenmessers) gewogen wird.




Abb. 2: Der Niederschlagsmesser mit Kippwaage (Wippe) befindet sich im Wetterpark auf dem Flughafen Luxemburg-Findel.

Statistische Auswertung des Niederschlags

Infolge der häufig wechselnden Großwetterlagen ist der Niederschlag sehr variabel in Luxemburg. Dies spiegelt sich auch in den Extremwerten wieder, die an der Wetterstation am Flughafen Luxemburg-Findel gemessen wurden. Die niedrigste monatliche Niederschlagsmenge seit Beginn der Wetteraufzeichnungen im Jahr 1947 betrug 1,6 l/m² im März 1953. Dagegen war der Dezember 1993 der niederschlagsreichste Monat mit 231,1 l/m². Wenn man sich auf die jährlichen Daten bezieht (siehe Abb. 3), ist zu erkennen, dass das Jahr 1988 mit 1202,1 l/m² am niederschlagreichsten war (Abb. 3). Der zweite Rang belegt das Jahr 1987 mit insgesamt 1132,2 l/m² (Abb. 3). Das trockenste Jahr war 1976 mit nur 541 l/m². Ein leicht positiver Trend lässt sich in den Mittelwerten der verschiedenen klimatologischen Referenzperioden wiederfinden (1961-1990 und 1981-2010). Während der Referenzperiode 1981-2010 fielen im Jahresmittel 896.9 l/m², was einer Zunahme von 22 l/m² entspricht im Vergleich zur Referenzperiode 1961-1990 (874.9 l/m²). Bezüglich der maximalen Anzahl an aufeinanderfolgende Tagen ohne Niederschlag ist seit 1947 kein Trend zu beobachten (siehe Abb. 4). Andererseits zeigt sich ein deutlich positiver Trend für die Anzahl der Tage mit einem kumulierten Niederschlag von mehr als 20 l/m². Eine erhöhte Häufigkeit ist vor allem während der zweiten Hälfte der 1980er Jahre zu erkennen (absolutes Maximum im Jahr 1990 mit 12 Tagen, siehe Abb. 5).
Die Daten der monatlichen Niederschlagsmengen sind auf dem Open Data Portal des Luxemburger Staates frei verfügbar [5]. Es sei darauf hingewiesen, dass sich die oben genannten Werte auf tägliche Niederschlagssummen von 06 UTC (T) bis 06 UTC (T+1) beziehen.