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Thema des Tages

Wie wird Wind gemessen?

Am 5. Oktober 2017 – also gestern vor einem Jahr – zog das Sturmtief XAVIER über den Norden und Nordosten Deutschlands hinweg und brachte in der Nordosthälfte selbst im Tiefland verbreitet schwere Sturmböen, lokal sogar Orkanböen. Die Spitzengeschwindigkeit wurde dabei mit 177 km/h – wieder einmal – auf dem Brocken gemessen. Erst kürzlich, nämlich am 23. September 2018, sorgte das Sturmtief FABIENNE in der Südhälfte Deutschlands einigerorts für schwere Schäden. Unsere Wetterstation auf dem Weinbiet (Rheinland-Pfalz) meldete eine (extreme Orkan-)Böe von 157 km/h, in Konstanz am Bodensee wurden immerhin noch satte 149 km/h registriert!

Doch wie wird Wind – also die Bewegung der unsichtbaren Luft – überhaupt gemessen?

Phänomenologisch kann eine Abschätzung der Windstärke über die Beaufortskala gegeben werden. Diese wurde ursprünglich für die verschiedenen Erscheinungen, die auf See bei bestimmten
Windgeschwindigkeiten auftreten, entwickelt. Erst 1906 schuf der britische Wetterdienst dann eine Version, die auch die Auswirkungen an Land beschreibt (bspw. für Windstärke 8: „Große Bäume werden bewegt, Fensterläden werden geöffnet, Zweige brechen von Bäumen, beim Gehen erhebliche Behinderung.“).

Der Wind ist eine vektorielle Größe, d.h. er besitzt sowohl eine Richtung (angegeben in Grad oder mit Himmelsrichtung, aus der er kommt) und einen Betrag (also die Windgeschwindigkeit, bei uns allgemein in km/h, m/s, kn (Knoten) oder Bft (Beaufort) angegeben).

Eine simple Methode, sowohl die Richtung und die Stärke des Windes zu bestimmen, ist der in der Regel rot-weiß gestreifte Windsack. Diesen sieht man häufig an Flugplätzen oder auch an windanfälligen Straßenabschnitten, wie bspw. auf hohen Brücken. Er besteht aus einem an einem Ende spitz zulaufenden und beidseitig offenen Schlauch, der an einem Mast drehbar gelagert aufgehängt wird. Er wird vom Wind aufgeblasen und so gedreht, dass das kleinere Ende nach Lee weist. Hängt der Windsack schlaff herab, weht kein anzeigbarer Wind. Steht er jedoch stramm in der Horizontalen, so herrscht starker Wind. Dabei gilt als Faustregel: pro aufgeblasenem Ring fünf Knoten (ca. 9 km/h) Windgeschwindigkeit.

Genauere Werte liefern jedoch Anemometer (griech. „anemos“ = „Wind“). Diese gibt es in verschiedenen Bauformen, wobei sicherlich
Flügelrad-, Schalen- und Ultraschallanemometer die bekanntesten sind.

Beim Flügelradanemometer werden – ähnlich wie bei einer
Windkraftanlage – die Flügel durch den Wind angetrieben. Aus der Geschwindigkeit dieser Drehung, sprich der Winkelgeschwindigkeit, kann dann auf die Windgeschwindigkeit rückgeschlossen werden.

Analog funktioniert auch das Schalenanemometer. Dieses besteht aus einem drei- oder vierarmigen Stern halbkugelförmiger Hohlschalen, die einem Eiskugelformer ähneln (siehe linkes Gerät im Bild). Weht nun der Wind in diese frei drehbar gelagerten Schalen, setzen sich diese in Bewegung. Aus der Rotationsbewegung des Sterns wird dann die Windgeschwindigkeit abgeleitet.

Diesen beiden Anemometern ist jedoch gemein, dass sie trotz möglichst geringer Reibung träge sind, d.h. sie brauchen einerseits erst einen gewissen Anlauf und laufen andererseits nach. Dies ist beim Ultraschallanemometer (rechtes Gerät im Bild) nicht der Fall. Das Messprinzip eines Ultraschallanemometers basiert nämlich darauf, dass akustische Wellen von dem Medium, in dem sie sich ausbreiten, mitgeführt werden. Daher hängt die Laufzeit über eine feste Strecke vom Sender zum Empfänger von der Durchströmungsgeschwindigkeit der Messstrecke ab. Ein Ultraschallanemometer hat meist mehrere Messstrecken zwischen Ultraschallsendern bzw. -empfängern, über die abwechselnd die Schallgeschwindigkeit in verschiedenen Raumrichtungen gemessen wird. Daraus wird auf die horizontale und vertikale Windgeschwindigkeit sowie die Windrichtung geschlossen. Vereinfacht: Weht der Wind vom Punkt A zum Punkt B, braucht das Signal von A nach B weniger lang als von B nach A.

Ein weiteres Anemometer ist das Hitzdrahtanemometer, bei dem ein Draht erwärmt und vom Wind umströmt wird. Somit wird dem Draht Wärme entzogen und mit dem damit verbundenen Wärmeverlust kann die Windgeschwindigkeit bestimmt werden.

Soll gleichzeitig die Windrichtung erfasst werden, kombiniert man das Anemometer mit einer Windfahne (beim Ultraschallanemometer ist das nicht nötig, da sich die Richtung errechnen lässt). Die gemessene Windrichtung wird in Grad angegeben und beschreibt die Richtung, aus der der Wind kommt. Dabei bedeuten 0 Grad (= 360 Grad) Nord, 90 Grad Ost, 180 Grad Süd und 270 Grad West.

Für repräsentative und vergleichbare Messungen werden die
Windmessgeräte fernab größerer Hindernisse auf einer freien Fläche und in der Regel in zehn Metern Höhe angebracht.

M.Sc. Met. Stefan Bach
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 06.10.2018

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