Der Wettermast Hamburg

Bereits seit dem Jahr 1967 betreibt das Meteorologische Institut der Universität Hamburg zusammen mit dem Max-Planck-Institut für Meteorologie  am 300 m hohen Sendemast des Norddeutschen Rundfunks (NDR) in Hamburg-Billwerder eine meteorologische Messanlage. 1994 wurden die alten, meist analogen Messgeräte abgebaut und durch eine moderne, vollständig digitale Aufzeichnung ersetzt. Diese Anlage ist in den Grundzügen heute noch in Betrieb, wurde aber immer wieder ergänzt und modernisiert. Die Gesamtanlage besteht aus zwei Masten: dem 300 m hohen Hauptmast auf dem NDR-Gelände und einem 10 m hohen Mast in etwa 170 m Entfernung auf einer Wiese.

Geografische Lage und Umgebung

Der Wettermast Hamburg befindet sich im Stadtteil Billwerder, etwa 8 km südöstlich der Innenstadt (Stadtplan). Die geografischen Daten des großen 300 m-Mastes sind 53° 31' 09,0'' N und 10° 06' 10,3'' O, die des 10 m-Mastes 53° 31' 11,7'' N und 10° 06' 18,5'' O. Der Standort liegt nur etwa 30 cm über Normalnull (NN), so dass man die Höhe eines Messgerätes über Grund gleichsetzen kann mit der Höhe über NN.

Die Umgebung des Geländes ist gekennzeichnet durch eine Mischung aus landwirtschaftlich genutzter Fläche, Brach- und Spülflächen, lockerer Besiedlung dörflichen Charakters sowie, hauptsächlich im Westen, ausgedehnter Industrieanlagen mit überwiegend niedriger Bebauung. Das Gelände befindet sich direkt am Übergang von typisch städtisch zu typisch ländlich geprägter Landnutzung und bietet somit die Möglichkeit, je nach Windrichtung unterschiedlich beeinflusste Grenzschichten zu vermessen.

Die meteorologische Ausrüstung

Der große 300 m-Mast

Der 300 m hohe Hauptmast besitzt in sechs Höhen (50, 70, 110, 175, 250 und 280 m) begehbare Plattformen, die bis 250 m mit einem Aufzug, danach mit einer Steigeleiter im Mast zu erreichen sind. An den Plattformen sind in Süd-Richtung etwa 4 m lange, einschwenkbare Ausleger montiert, an denen wiederum die meteorologischen Messgeräte befestigt sind. Die Messungen finden somit in einem Abstand von ungefähr 6 m vom Mastmittelpunkt statt, wobei der Mast selbst einen Durchmesser von 2 m hat. Alle Messplattformen (außer der 70 m-Plattform) sind gleich bestückt: In einem strahlungsgeschützten und zwangsbelüfteten Rohr werden die Lufttemperatur (Platinwiderstandsthermometer) und die relative Feuchte (kapazitiver Feuchtesensor „Humicap“) gemessen. Windgeschwindigkeit und -richtung sowie die turbulenten Flüsse werden mit Ultraschallanemometern gemessen. Auf den Plattformen 50 bis 250 m befinden sich direkt an den Ultraschallanemometern schnelle CO₂-/H₂O-Sensoren für die turbulenten Feuchte- und Kohlendioxidflüsse (siehe auch unten). Auf der 110 m-Plattform befindet sich zudem ein Taupunktspiegel für Vergleichsmessungen der Feuchte.

Der 10 m-Gittermast

Der 10 m hohe Gittermast auf der Wiese ist mit folgenden Messgeräten bestückt: In 10 m Höhe befindet sich die gleiche Ausrüstung wie auf den Messplattformen des 300 m-Mastes (Temperatur, Feuchte, Wind, Turbulenz). In 2 m Höhe werden ebenfalls in einem strahlungsgeschützten und zwangsbelüfteten Rohr die Lufttemperatur und die Feuchte gemessen. Aus dieser Höhe blickt auch ein Infrarotstrahlungsthermometer auf die Wiese zur Messung der Oberflächentemperatur. Auf der Spitze des 10 m-Mastes sind zwei Strahlungsmessgeräte zur Messung der aus dem oberen Halbraum einfallenden kurzwelligen Strahlung (Globalstrahlung) und langwelligen Strahlung angebracht sowie seit 2014 eine Wolkenkamera.

Turbulenzmessungen

Im Jahre 2000 wurde die Ausrüstung auf beiden Masten um Turbulenzmessgeräte (Ultraschallanemometer/-thermometer USAT) erweitert. Sie sind auf der Spitze des 10 m-Mastes und an den Auslegern in 50, 110, 175 und 250 m Höhe am Hauptmast montiert. Mitte 2010 wurde ein weiteres Gerät auf der 280 m-Plattform installiert. Die Ultraschallanemometer/-thermometer messen neben der mittleren Windgeschwindigkeit, Windrichtung und Temperatur auch die turbulenten Schwankungen der drei Windkomponenten und der Temperatur. Aus letzteren werden unter anderem die turbulenten vertikalen Impulsflüsse und der fühlbare Wärmefluss berechnet. Aus den mit einer Messfrequenz von 20 Hz eintreffenden Windgeschwindigkeiten werden außerdem die kurzzeitigen Windspitzen berechnet (als maximales 3-Sekunden-Mittel).

Die Ultraschallanemometer haben zudem die zuvor eingesetzten Schalensternanemometer und Windfahnen ersetzt.

Um neben dem fühlbaren Wärmefluss auch den für eine Energiebilanz wichtigen latenten Wärmefluss zu messen, was nichts anderes ist als der Wasserdampffluss, wurden in 2013 alle USATs von 10 bis 250 m durch schnelle CO₂-/H₂O-Sensoren erweitert. Diese messen mit einer Infrarot-Messstrecke gleichzeitig zum 3-dimensionalen Windvektor des USATs die Konzentrationen von Wasserdampf und Kohlendioxid.

Erdboden

In Zusammenarbeit mit dem Institut für Bodenkunde ist Mitte 2014 auf der Wiese unterhalb des 10-Meter-Mastes eine Erdbodenstation mit Messungen bis 1,2 m Tiefe eingerichtet worden. Gemessen werden hier in fünf Tiefen die Erdbodentemperatur und der volumetrische Bodenwassergehalt.

Weitere Geräte

In der Messhütte am Fuße des Hauptmastes befindet sich das Barometer zur Messung des Luftdrucks. Neben der Hütte befinden sich Geräte zur Niederschlags- und Wolkenmessung.

Der Niederschlagsmesser registriert nach dem Kippwaagenprinzip die Menge gefallenen Niederschlags mit einer Auflösung von 0,1 mm. Der Niederschlagsmesser ist im Winter beheizbar und kann somit auch Schneefall mesen.

Der genauen zeitlichen Registrierung von Niederschlag dient ein Niederschlagsdetektor, der die einzelnen Regentropfen zählt, die durch eine Messfläche von etwa 12 cm × 3 cm fallen. Er gibt jede Minute lediglich eine 1 (Niederschlag) oder eine 0 (kein Niederschlag) aus.

Ein Höhenprofil der Niederschlagsintensität erhalten wir seit Mitte 2008 mit einem Mikroregenradar. Dieses registriert in 35-Meter-Stufen bis auf 1000 m Höhe Regenrate, Flüssigwassergehalt und Fallgeschwindigkeit der Regentropfen.

Das Ceilometer misst aus der Laufzeit eines an Wassertröpfchen (z. B. in Wolken) reflektierten Infrarotlaserstrahls die Höhe der Wolkenuntergrenze. Auch ohne Wolken lässt die Stärke des zurückgestreuten Signals Rückschlüsse auf den Aufbau der unteren Atmosphäre zu. So lässt sich z. oft die Höhe der atmosphärischen Grenzschicht erkennen, die durch den Übergang von einer aerosolreichen Schicht zu einer klaren Schicht darüber gekennzeichnet ist.

Datenaufzeichnung und -übertragung

Die zentrale Aufzeichnung aller Messdaten erfolgt auf Rechnern in der Messhütte. Die meisten Messdaten werden sekündlich abgefragt und zurzeit über 1 Minute gemittelt. Nur die Minutenmittel werden routinemäßig gespeichert. Die Turbulenzmessgeräte haben eine Messfrequenz von 20 Messungen pro Sekunde, die turbulenten Flüsse werden zurzeit für Zeitintervalle von 1 und 5 Minuten berechnet und gespeichert. Die aufgezeichneten Daten werden per DSL alle 15 Minuten in das Geomatikum übertragen und dort für das Internet und die Anzeigensysteme im Erdgeschoss und im 16. Stock (jeweils vor den Aufzügen) aufbereitet und auch archiviert.

Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über alle Messgrößen und Messhöhen. Insgesamt umfasst die Anlage etwa 50 unabhängige Messgeräte.

Messgröße              Höhe in Meter
-------------------------------------------------
Temperatur             2 10 50 70 110 175 250 280
Relative Feuchte       2 10 50 70 110 175 250 280
Wind u. Turbulenz        10 50    110 175 250 280
Wind                   7
CO2-/H2O-Konzentration   10 50    110 175 250
Globalstrahlung          10
Infrarotstrahlung        10
Luftdruck              2
Regenmenge (Kippwaage) 2
Regenmenge (Pluvio)    1
Niederschlagsdauer     1
Oberflächentemperatur  0
Erdbodentemperatur     –0,05 –0,1 –0,4 –0,8 –1,2
Vol. Bodenfeuchte      –0,05 –0,1      –0,8 –1,2
Ceilometer             10 bis 15000
Mikroregenradar        35 bis 1050
Feinstaub              2
Wetterkamera (Webcam)  50
Wolkenkamera           10