Klimaelemente - Ein Überblick

Inhalt

1 Einführung

2 Klimaelemente
2.1 Solare Strahlung
2.2 Lufttemperatur
2.3 Wind
2.4 Luftfeuchte
2.5 Bewölkung
2.6 Verdunstung
2.7 Niederschlag

3 Zusammenfassung

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Astronomisch mögliche Globalstrahlung in Watt/m² und Tag (24h), keine Berücksichtigung von Reflexion der Sonnenstrahlung an den Wolken und der Erdoberfläche Quelle:

Abbildung 2: Jahressumme der Globalstrahlung Quelle:

Abbildung 3: Mittlere Anzahl der jährlichen Sommertage in Deutschland Quelle:

Abbildung 4: Mittlere Anzahl der jährlichen Frosttage in Deutschland Quelle:

Abbildung 5: Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit von der Höhe über Grund Quelle:

Abbildung 6: Bodennahe Windverhältnisse in Deutschland Quelle:

Abbildung 7: Zusammenhang Taupunkte Quelle:

Abbildung 8: Nebelhäufigkeit bei Tag und Nacht in Deutschland Quelle:

Abbildung 9: Mittlere jährliche Sonnenscheindauer (1961-1990) in Deutschland Quelle:

Abbildung 10: Mittlere jahreszeitliche Sonnenscheindauer in Deutschland Quelle:

Abbildung 11: Verdunstung im mm/a in Deutschland

Abbildung 12: Niederschlagsverteilung in Deutschland Quelle:

Abbildung 13: Niederschlag in mm im Sommer in Deutschland Quelle:

Abbildung 14: Niederschlag in mm im Winter in Deutschland Quelle:

Abbildung 15: Mittlere Anzahl Regentage pro Jahr Quelle:

Abbildung 16: Schneedecke im Durchschnitt Zeitraum 1980-1999 in Deutschland

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Astronomische Parameter am Beispiel Deutschlands [Lage Deutschlands zwischen 47°N (Deutsche Alpen) und 55°N (Sylt)] Quelle:

1 Einführung

Der Begriff Klima bezeichnet die Gesamtheit aller meteorologischen Vorgänge, die für den durchschnittlichen Zustand der Erdatmosphäre an einem Ort verantwortlich sind. Es umfasst alle an einem Ort möglichen Wetterzustände, einschließlich ihrer typischen Aufeinanderfolge sowie ihrer tages- und jahreszeitlichen Schwankungen. Das Klima wird jedoch nicht nur von Prozessen innerhalb der Atmosphäre, sondern durch das Wechselspiel aller Sphären der Erde (Kontinente, Meere, Atmosphäre) sowie der Sonnenaktivität geprägt. Es umfasst zudem unterschiedlichste Größenordnungen, wobei vor allem die zeitliche und räumliche Dimension des Klimabegriffs von entscheidender Bedeutung für dessen Verständnis sind.¹

Es existiert keine einzelne Größe mit der das Klima eines bestimmten Raumes charakterisiert werden könnte. Daher wird es durch verschiedene Größen, den Klimaelementen erfasst. Diese kennzeichnen die atmosphärischen Zustände und Vorgänge.

Klimaelemente sind messbare Einzelerscheinungen anhand derer das Klima eines bestimmten Ortes charakterisiert werden kann. Sie unterteilen sich in

- Strahlung,
- Lufttemperatur,
- Wind,
- Luftfeuchtigkeit,
- Bewölkung,
- Verdunstung,
- Niederschlag.

Sie werden durch Parameter hinsichtlich ihrer örtlich definierten Werteverteilungen in Abhängigkeit von Jahres- und Tageszeit beschrieben und mit Hilfe von Wetterstationen erfasst.²,³

Im Folgenden werden diese Klimaelemente kurz erläutert und im Einzelnen für den Raum Deutschland betrachtet.

2 Klimaelemente

2.1 Solare Strahlung

Der Begriff Strahlung bezeichnet die Ausbreitung von Teilchen oder Wellen. Im ersten Fall spricht man von Teilchenstrahlung oder Korpuskularstrahlung, im zweiten von Wellenstrahlung.

Man unterscheidet Strahlung nach ihren Bestandteilen, nach ihrer Quelle oder nach ihrer Wirkung. Solare Strahlung ist ihrer Quelle nach Strahlung aus dem Weltraum.⁴

Die solare Strahlung stellt das bedeutendste Klimaelement dar und liefert praktisch die gesamte Energie, welche den atmosphärischen Zirkulationsmechanismus mit allen charakteristischen klimatischen Erscheinungen erst in Bewegung setzt. Unter Strahlung versteht man allgemein den Transport von Energie mit Hilfe elektromagnetischer Wellen (Photonen). Strahlung ist demnach ein physikalischer Vorgang, bei dem Energie ohne materiellen Träger transportiert wird. Diese Energie misst man als Energie pro Fläche und Zeit (die Einheit hierfür ist W/m²).⁵

Den außerhalb der Erdatmosphäre gemessenen Strahlungsstrom bezeichnet man als extraterrestrische Strahlung oder auch Solarkonstante (1370 W/m²). Sobald die Sonnenstrahlung die äußere Erdatmosphäre erreicht, wird sie durch verschiedene Vorgänge ausgedünnt, welche man zusammenfassend als Extinktion bezeichnet. Diese wird v.a. bei niedrigen Sonnenständen stärker. 6% der Solarstrahlung wird bereits von der Atmosphäre wieder ins Weltall reflektiert, 20% von den Wolken und 4% vom Erdboden. Weiterhin wird bereits 16% der Solarstrahlung direkt in der Atmosphäre absorbiert, weitere 3% von den Wolken. Im globalen Durchschnitt wird also lediglich 51% der Solarstrahlung am Ende von der Erdoberfläche absorbiert. Die Strahlung, die die Erdoberfläche erreicht setzt sich zusammen aus direkter und diffuser Strahlung (gestreuter Sonnenstrahlung) aus dem gesamten Himmelshalbraum.⁶

Aufgrund der Schiefe der Ekliptik und dem daraus resultierenden Wechsel von Jahreszeiten ergeben sich in Abhängigkeit von der geographischen Breite unterschiedliche Bestrahlungsstärken (vgl. Abbildung 1). Grundsätzlich ist hierbei festzustellen, dass am Äquator ganzjährig eine relativ konstante und zugleich hohe Strahlungsmenge zwischen 380 und 430 W/(m²*d) auftrifft, was aus dem dauerhaft steilen Sonnenverlauf hervorgeht. Dies ist ausschlaggebend für das konstant warme Klima. Entfernt man sich jedoch vom Äquator, so nehmen die jahreszeitlichen Beleuchtungsunterschiede zwischen Sommer und Winter erst allmählich, je näher man den Polen kommt umso schneller zu. Weiterhin nimmt der Gesamtbetrag der Strahlung innerhalb eines Jahres, je höher die Breiten sind ab, so dass trotz enorm hoher Globalstrahlungswerte im Sommer (>550 W/(m²*d)) in den Polargebieten nicht die lange Strahlungslosigkeit der Polarnächte kompensiert werden kann.

Des Weiteren sind die Südsommer strahlungsintensiver als die Nordsommer, was aus der Sonnenferne der Erde (Aphel) im Nordsommer und der Sonnennähe (Perihel) im Südsommer resultiert.⁷,⁸

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Astronomisch mögliche Globalstrahlung in Watt/m² und Tag (24h), keine Berücksichtigung von Reflexion der Sonnenstrahlung an den Wolken und der Erdoberfläche

Quelle: www.geographie.uni-muenchen.de, Abschnitt „Grundlagen Klimaelemente“, Stand 06/2011

Beim Blick auf die astronomischen Parameter am Beispiel Deutschlands zeigt sich in Tabelle 1 Folgendes:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1: Astronomische Parameter am Beispiel Deutschlands [Lage Deutschlands zwischen 47°N (Deutsche Alpen) und 55°N (Sylt)]

Quelle: http://www.stadtklima-stuttgart.de/index.php?klima_sonnenstand

Der ganzjährig in Süddeutschland steilere Sonnenverlauf verursacht im Jahresdurchschnitt höhere Globalstrahlungswerte als im Norden. Lediglich während der Sommersonnenwende hat der Norden leicht höhere Globalstrahlungswerte als der Süden, da der immer noch niedrigere Sonneneinfallswinkel nun durch höhere Tageslängen überkompensiert wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Jahressumme der Globalstrahlung

Quelle: Nationalatlas der Bundesrepublik Deutschland, Band 3: Klima, Pflanzen- und Tierwelt, Leipzig, 1. Auflage 2004

Entscheidend für den Strahlungshaushalt ist jedoch auch das Wetter. Daraus lässt sich Deutschland im Jahresdurchschnitt in drei Strahlungszonen einteilen (vgl. Abbildung 2):

- Eine Zone mit niedriger Strahlungsintensität erstreckt sich von den Mittelgebirgen bis Schleswig- Holstein, verursacht durch Maritimität (Wolkenreichtum) und die nördlichere Lage (geringere Strahlungsintensität, v.a. im Winter).
- Eine weitere Zone mit mäßiger Strahlungsintensität liegt über Ostdeutschland und ist durch Kontinentalität (Wolkenarmut) verursacht.
- Eine dritte Zone mit hoher Strahlungsintensität liegt über Süddeutschland, besonders in Oberbayern, ebenfalls verursacht durch Kontinentalität (Wolkenarmut) aber auch nicht zuletzt durch die Geländehöhe (Höhere Strahlungsintensität ganzjährig) und die südliche Lage (Höhere Strahlungsintensität, v.a. im Winter).

2.2 Lufttemperatur

Zur besseren Charakterisierung thermisch begünstigter und nichtbegünstigter Räume eignet sich besonders gut eine räumlich-grafische Darstellung der Anzahl von Tagen in einem Zeitraum, an denen eine willkürlich festgelegte Schwellentemperatur überschritten wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Mittlere Anzahl der jährlichen Sommertage

Quelle: Nationalatlas der Bundesrepublik Deutschland, Band 3: Klima, Pflanzen- und Tierwelt, Leipzig, 1. Auflage 2004

Für jene Tage wurden verschiedene meteorologisch-klimatologische Bezeichnungen eingeführt:

Ein Tag an dem die Maximaltemperatur 25°C erreicht bzw. überschreitet wird als „Sommertag“ bezeichnet. Tage, an denen die Maximaltemperatur sogar 30°C erreicht bzw. überschreitet, werden „Tropentage“ bzw. „Heiße Tage“ genannt.

Wenn die Minimaltemperatur einer Nacht 20°C nicht unterschreitet, so wird diese „tropische Nacht“ genannt.

Des Weiteren werden im Winter Tage an denen die Temperatur 0°C unterschreitet als „Frosttage“ bezeichnet, wenn die Temperatur sogar dauerhaft unter 0°C liegt, dann spricht man von „Eistagen“.⁹

Im Sommer überwiegt in Deutschland ein von Süd nach Nord und von Ost nach West gerichtetes Temperaturgefälle. Hierbei ist festzustellen, dass besonders die küstenfernen Gebiete Ostdeutschlands eine ca. dreimal höhere Anzahl Sommertage im Jahr verzeichnen (Cottbus: >40 Sommertage pro Jahr) als die küstennahen Bereiche Norddeutschlands, insbesondere die der Nordsee (Cuxhaven: 10-15 Sommertage pro Jahr) (vgl. Abbildung 3).

Ursache für dieses Temperaturgefälle zwischen Süd und Nord ist weniger das Globalstrahlungsgefälle, das im Sommer (zumindest astronomisch) sogar leicht zugunsten des Nordens ausfällt, als vielmehr die noch wenig erwärmten auflandig strömenden maritimen Luftmassen, die sich im Norden negativ auf den Wärmehaushalt auswirken. Des Weiteren ziehen im Norden (und Westen) häufig Wind und Bewölkung bringende Tiefs von Westen durch.

Im Osten und Süden hingegen macht sich der Einfluss der warmen kontinentalen Luftmassen bemerkbar und die häufigere Ausprägung von ausgedehnten Hochdruckwetterlagen, die Bewölkungsarmut und Windstille mit sich bringen und aufgrund der stark positiven Strahlungsbilanz im Sommer eine rasche und starke Erwärmung zur Folge haben.

Zusätzlich wärmebegünstigt sind Tal- und Beckenlagen, besonders der Oberrheingraben, der auch im Ganzjahresdurchschnitt, aufgrund häufiger Föhn-Wetterlagen durch die westlichen Gebirge (Pfälzer Wald und Vogesen) die wärmste Region Deutschlands ist.

Aufgrund selten vorherrschender Inversionswetterlagen im Sommer beträgt die durchschnittliche Abkühlung im Sommer im Gebirge ca. 0,8 Kelvin je 100 Höhenmeter, während sie im Winter lediglich bei 0,4 Kelvin je 100 Höhenmetern liegt.

Im Winter stellt sich jedoch ein entgegengesetzt gerichtetes Temperaturgefälle von Nord nach Süd und West nach Ost ein.. Gründe hierfür sind zum einen, dass herangeführte Luftmassen von der Nordsee nur wenig abgekühlt sind und somit besonders in der Kölner und Westfälischen Tieflandsbucht und auf den Ostfriesischen Inseln kaum Fröste auftreten können (<50 Frosttage pro Jahr).

[...]

¹ http://de.wikipedia.org/wiki/Klima, Stand 07/2011

² http://www.geo.fu-berlin.de, Stand 07/2011

³ Kappas, Martin; „Klimatologie, Klimaforschung im 21. Jahrhundert - Herausforderung für Natur- und Sozialwissenschaften“; Spektrum Verlag; Heidelberg 2009, S. 86 ff.

⁴ http://de.wikipedia.org/wiki/Strahlung, Stand 07/2011

⁵ http://www.geo.fu-berlin.de, Stand 07/2011

⁶ http://www.weltderphysik.de, Stand 07/2011 4

⁷ www.geographie.uni-muenchen.de, Abschnitt „Grundlagen Klimaelemente“, Stand 06/2011

⁸ Hupfer, Peter / Kuttler, Wilhelm; „Witterung und Klima“, 12. Auflage, Wiesbaden 2006

⁹ http://www.deutscher-wetterdienst.de/lexikon/index.htm, Stand 07/2011