Hydrologische Wissenschaften

Niederschlag

Niederschlag entsteht durch die Kondensation von Wasser aus der Atmosphäre, wenn die Luft auf den Taupunkt abgekühlt wird, die Temperatur, bei der die Luft in Bezug auf Wasserdampf gesättigt wird. Der Abkühlungsprozess wird in der Regel durch den Auftrieb der Luft eingeleitet, der aus einer Reihe von Ursachen resultieren kann, darunter Konvektion, orografische Effekte über Gebirgszügen oder Fronteffekte an den Grenzen von Luftmassen mit unterschiedlichen Eigenschaften. Die Kondensation in der Atmosphäre erfordert das Vorhandensein von Kondensationskernen, um die Tröpfchenbildung zu initiieren. Ein Teil des Kondensats kann als Wolke über beträchtliche Entfernungen getragen werden, bevor es je nach den örtlichen Temperaturen als Regen oder Schnee fällt. Einige Niederschläge in Form von Tau oder Nebel entstehen durch Kondensation an oder nahe der Landoberfläche. In einigen Gebieten, wie z. B. im küstennahen Nordwesten der USA, können Tau- und Nebeltropfen erheblich zum Wasserhaushalt beitragen. Die Bildung von Hagel erfordert eine Abfolge von Kondensations- und Gefrierepisoden, die aus aufeinanderfolgenden Perioden der Hebung resultieren. Hagelkörner zeigen in der Regel ein Muster aus konzentrischen Ringen aus Eis als Ergebnis.

Direkte Messungen des Niederschlags werden mit einer Vielzahl von Messgeräten durchgeführt, die alle aus einer Art Trichter bestehen, der das einfallende Wasser in einen Speicherbehälter leitet. Speichermessgeräte speichern einfach den einfallenden Niederschlag, und das akkumulierte Wasser wird normalerweise auf täglicher, wöchentlicher oder monatlicher Basis gemessen. Mit Registriermessern können Niederschlagsmengen bestimmt werden.

Niederschlagsmengen werden üblicherweise in die Einheit Tiefe-Volumen pro Flächeneinheit umgerechnet. Messungen, die von verschiedenen Typen von Regenmessern erhalten werden, sind wegen unterschiedlicher Exposition, Wind und Spritzwasser nicht direkt vergleichbar. Der genaueste Messgerätetyp ist der bodennahe Messgerätetyp, bei dem die Öffnung des Messgeräts auf gleicher Höhe mit der Bodenoberfläche angebracht und von einem Spritzschutzgitter umgeben ist. Die Fänge des Regenmessers nehmen ab, je höher die Öffnung über dem Boden liegt, insbesondere in Gebieten, die starken Winden ausgesetzt sind. In Gebieten mit starkem Schneefall kann es jedoch notwendig sein, den Regenmesser so anzuheben, dass sich seine Öffnung nicht auf der Schneeoberfläche befindet. Es wurden verschiedene Abschirmungen für die Messgeräteöffnung ausprobiert, um Windeffekte auszugleichen. Windeffekte sind bei Schnee größer als bei Regen und bei kleinen Tropfen oder leichtem Regen größer als bei großen Tropfen.

Ein Eindruck von der räumlichen Verteilung der Niederschlagsintensität kann durch indirekte Messungen des Niederschlags, insbesondere der Radarstreuung, gewonnen werden. Der Zusammenhang zwischen Niederschlagsintensität und gemessenen Radarsignalen hängt von verschiedenen Faktoren ab, unter anderem von der Art des Niederschlags und der Verteilung der Tropfengröße. Radarmessungen werden oft in Verbindung mit Regenmessern verwendet, um eine Online-Kalibrierung bei der Umrechnung des Radarsignals in Niederschlagsmengen zu ermöglichen. Die Radarmessungen erfolgen jedoch in einem viel größeren räumlichen Maßstab. Eine Auflösung von 5 bis 10 Quadratkilometern ist bei operationellen Systemen üblich. Trotzdem ergibt sich dadurch ein viel besseres Bild der räumlichen Muster des Niederschlags über großen Einzugsgebieten, als dies bisher möglich war. Der Einsatz der Satelliten-Fernerkundung zur Bestimmung der Niederschlagsmengen steckt noch in den Kinderschuhen, aber die Technik scheint sich als nützlich zu erweisen, um die Niederschlagsmengen in abgelegenen Gebieten abzuschätzen.

Die Messung des Eintrags von Schnee in den Wasserhaushalt des Einzugsgebiets ist ebenfalls ein schwieriges Problem. Die grundlegendste Technik ist der Schneegang, eine Reihe von Pfählen zur Messung der Schneehöhe. Schneefälle können jedoch in ihrer Dichte stark variieren, was vor allem von der Temperaturgeschichte der Schneebildung abhängt. Angesammelter Schnee ändert seine Dichte im Laufe der Zeit, bevor er schmilzt. Die Schneedichte kann durch Wiegen einer Probe mit bekanntem Volumen in einem Standard-Metallzylinder gemessen werden. Andere Techniken zur Messung des Schneefalls umfassen die Verwendung von Schneekissen, die das wechselnde Gewicht des darüber liegenden Schnees aufzeichnen, oder die Verwendung von Regenmessern, die mit Heizelementen ausgestattet sind, die den Schnee schmelzen, während er fällt. Diese Techniken unterliegen Windeffekten, sowohl während eines Sturmereignisses als auch zwischen den Ereignissen aufgrund der Umverteilung des Schnees durch den Wind.

Zusammenfassende Statistiken über den Niederschlag werden in der Regel auf der Grundlage von Tages-, Monats- und Jahresmengen erstellt, die an einem bestimmten Ort oder über ein Einzugsgebiet fallen. Wichtig für die hydrologische Analyse ist auch die Häufigkeit, mit der ein Niederschlag mit einer bestimmten Menge in einem bestimmten Zeitraum auftritt. Die Abschätzung dieser Häufigkeit bzw. des Wiederkehrintervalls des Regens aus der Stichprobe der verfügbaren Daten ist ein statistisches Problem, das im Allgemeinen die Annahme einer bestimmten Wahrscheinlichkeitsverteilung zur Darstellung der Eigenschaften von Regenfällen beinhaltet. Bei solchen Analysen muss davon ausgegangen werden, dass sich diese Verteilung im Laufe der Zeit nicht ändert, obwohl gezeigt wurde, dass in einigen Gebieten der Welt klimatische Veränderungen dazu führen können, dass sich die Niederschlagsstatistiken ändern. Es wird seit langem spekuliert, dass Niederschläge über lange Zeiträume zyklische Muster aufweisen, und es wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um nach solchen Zyklen zu suchen. In einigen Gebieten ist der jährliche saisonale Zyklus von überragender Bedeutung, aber der Nachweis längerer Periodizitäten hat sich nicht als allgemein anwendbar erwiesen.

Muster der Niederschlagsintensität und -dauer sind für den Hydrologen von großer Bedeutung bei der Vorhersage von Einzugsgebietsabflüssen und Wasserverfügbarkeit und beim Umgang mit Überschwemmungen, Dürren, Landentwässerung und Bodenerosion. Die Niederschlagsmengen variieren sowohl innerhalb eines Gewitters als auch zwischen den Gewittern, manchmal dramatisch, je nach Art und Ausmaß des Gewitters und seiner Bewegungsgeschwindigkeit. Innerhalb eines Sturms nimmt die durchschnittliche Intensität mit zunehmender Sturmfläche tendenziell ab.

Auf einer größeren Skala variieren die saisonalen Schwankungen der Niederschläge mit dem Klima. In feucht-gemäßigten Gebieten sind die Niederschläge in der Regel ziemlich gleichmäßig über das Jahr verteilt; in mediterranen Gebieten gibt es eine Winterspitze mit geringen Sommerniederschlägen; in Savannengebieten gibt es eine doppelte Niederschlagsspitze und in äquatorialen Gebieten wiederum eine relativ gleichmäßige Verteilung der Niederschläge im Jahresverlauf. Die durchschnittlichen jährlichen Niederschlagsmengen variieren ebenfalls erheblich. Das Minimum des aufgezeichneten langjährigen Durchschnitts beträgt 0,76 Millimeter in Arica, Chile; das Maximum 11.897,36 Millimeter in Tutunendo, Kolumbien. Die maximalen aufgezeichneten Niederschlagsintensitäten sind 38 Millimeter in einer Minute (Barot, Guadeloupe, 1970); 1.870 Millimeter an einem Tag (Cilaos, Réunion, 1952); und 26.461 Millimeter in einem Jahr (Cherrapunji, Indien, 1861).