Windmessung

Was Wind überhaupt ist, steht einleitend im Kapitel Luftbewegung und eingehend im Kapitel Wind.

Die Windmessung ist ein wichtiger Teilbereich der Meteorologie und umfaßt die Messung von Windrichtung sowie Windgeschwindigkeit. Die instrumentelle Erfassung der Windgeschwindigkeit und/oder der Windrichtung erfolgt insbesondere in Bodennähe. Zur umfassenden Wetterbeobachtung und -auswertung werden aber auch Geschwindigkeit und Richtung des Windes in größeren Höhen erfaßt. Die gemessenen Werte stellen nur die Verhältnisse am Meßort zutreffend dar, weil durch Geländeeinflüsse selbst in der näheren Umgebung völlig andere Windverhältnisse herrschen können. Um großräumige Feststellungen und Vorherhersagen machen zu können, ist es daher notwendig, die Windbeobachtung ebenso großräumig durchzuführen. Das ist Aufgabe des kontinuierlich erfassenden weltweiten Netzes von Wetterstationen. Näheres dazu steht im Kapitel Synoptik.

Derzeit sind 3 Maßeinheiten für die Windgeschwindigkeit gebräuchlich: "Meter pro Sekunde" (m/s) und "Kilometer pro Stunde" (km/h) sind landläufig bekannt. In der Seefahrt und in der Luftfahrt verwendet man den Begriff "Knoten" (kt). Dieser Begriff bedeutet "Seemeile oder nautische Meile pro Stunde". Oft wird sie auch als Windstärke in einer Skala ("Beaufort" von Bft 0 = Windstill bis Bft 12 = Orkan) angegeben.

Die Windmessung erfolgt regelmäßig in 10 Meter Höhe. Würde man wie bei der Temperatur in 2 Meter Höhe messen, könnte nämlich der Wind zu stark von lokalen Effekten beeinflußt, insbesondere von der Reibung am Boden stark abgebremst sein.

Zur Feststellung der Windrichtung dienen einfache Windfahnen. Bekannt sind diese vom häufig anzutreffenden Wetterhahn. Die Windstärke wird zumeist mit einem Schalenkreuzanemometer in Verbindung mit einer Windfahne gemessen, wie es die Abbildung rechts zeigt. Die gemessene Windrichtung wird in Grad angegeben und beschreibt die Richtung, aus welcher der Wind kommt. Dabei bedeuten 0 Grad (= 360 Grad) = Nord, 90 Grad = Ost, 180 Grad = Süd und 270 Grad = West.
Näheres steht im Abschnitt Windrichtung im Kapitel Wind.

Mit einer Kombination von drei Flügelradanemometern können alle drei Windkomponenten erfasst werden, d.h. auch die Vertikalgeschwindigkeit. Eine andere Methode sind Prandtl´sche Staurohre, die sehr genaue Messungen der Windgeschwindigkeit auch in einer sehr schwachen Luftströmung erlauben. Alternative Meßtechniken sind das Hitzdraht-Anemometer und das Schallanemometer, die sich ebenfalls zur Erfassung schneller Geschwindigkeitsänderungen aller drei Windkomponenten eignen. Für die Windmessung in der freien Atmosphäre werden häufig Ballone (Radiosondenballone (Radiosonde), Pilotballone) verwendet, die entweder vom Boden aus mit Theodoliten bzw. Radar verfolgt werden oder satellitengestützte Ortungsverfahren verwenden. Zu den Fernerkundungsverfahren gehören das Windradar oder das Doppler-Wetterradar (Wetterradar). Zur Höhenwindmessung in stationsarmen Gebieten werden Zeitreihen von Satellitenbildern der Bewölkung ausgewertet, wobei die windbedingte Verlagerung signifikanter Bewölkungsmuster ausgewertet wird.

Vorliegend soll nur auf die Bestimmung des Bodenwindes eingegangen werden.

Windmesser

Ein Windmesser (Anemometer) dient dazu, die Windgeschwindigkeit zu messen. Der bodennahe Wind (Höhe 5 - 30 m über Grund) wird in offenem Gelände in ca. 10 m Höhe erfaßt. Die Meßgeräte sind dazu auf entsprechend hohen Masten angebracht. Dabei ist darauf zu achten, daß der Wind ungestört das Meßgerät erreicht, also keine Objekte den freien Windstrom beeinträchtigen oder verwirbeln können. Je nach Genauigkeit des gewünschten Meßbereichs ist für die Windmessung nicht jedes Gerät geeignet sowohl bei starken wie auch sehr schwachen Winden zuverlässige Meßwerte zu liefern. Mechanische Windmesser sind z.B. relativ träge und können deswegen Änderungen bei kleinen Windgeschwindigkeit nicht erkennen. Deshalb gibt es bei Windmessern unterschiedliche Meßmethoden. Hier sind nur die wichtigsten beschrieben.

Schalenkreuzanemometer

Am häufigsten werden Schalenkreuzanemometer in Verbindung mit einer Windfahne eingesetzt (s. Abb. rechts oben). Dieser mechanische Windmesser ist so aufgebaut, daß mehrere kleine halbkugelförmige Hohlschalen, die einem Eiskugellöffel ähneln, über Kreuz angeordnet sind. Weht der Wind gegen bzw. in diese Schalen, kommt der Hohlschalenstern in eine Rotationsbewegung. Aus der Rotationsgeschwindigkeit läßt sich dann die Windgeschwindigkeit ableiten.

Es gibt aber auch mechanische Windmesser, welche die Windgeschwindigkeit über einen kleinen Propeller messen. Diese Instrumente haben jedoch den Nachteil, daß sie bei sehr niedrigen Windgeschwindigkeiten noch nicht ansprechen. Außerdem können nur die horizontalen Komponenten des Windes gemessen werden. Windschreiber (Anemographen), die an ein Schalenkreuzanemometer mit Windfahne angeschlossen sind, zeichnen die Windgeschwindigkeit und -richtung oder den Windweg laufend auf.

Staudruckanemometer

Staurohre (nach Prandtl) erlauben genaue Messungen der Windgeschwindigkeit auch in einer sehr schwachen Luftströmung und sind wegen ihrer geringen Trägheit auch für die Messung hochfrequenter Geschwindigkeitsschwankungen (Böen) geeignet (Böenmesser). Sie müssen allerdings immer exakt in Windrichtung gedreht werden.

Ein Pitotrohr (Staudrucksonde), benannt nach Henri Pitot, ist ein gerades oder L-förmiges, einseitig offenes Rohr zur Messung des Gesamtdruckes von Flüssigkeiten oder Gasen. Pitotrohre werden oft zusätzlich mit einer statischen Drucksonde ausgestattet, um damit Geschwindigkeiten messen zu können. Derartige Meßgeräte werden Staurohr genannt. Deren bekanntester Vertreter ist das Prandtl'sche Staurohr, welches in der Fliegerei zur Geschwindigkeitsmessung unter der Bezeichnung Pitotrohr im Pitot-Statik-System verwendet wird.

Der Gesamtdruck ist der Druck, der auf einen bewegten Körper durch das ihn umgebende Medium, Flüssigkeit oder Gas, in der Bewegungsrichtung des Mediums ausgeübt wird. Dieser Gesamtdruck wird durch das Pitotrohr gemessen, wenn ein umströmendes Medium zum Stillstand gebracht wird (Beispiel: Strömungsmessung in Flüssigkeiten) oder ein ruhendes Medium von einem bewegten Objekt exakt auf die Geschwindigkeit des Objekts gebracht wird (Beispiel: das Pitotrohr an Flugzeugen).

Dabei ist es egal, was bei der Messung bewegt wird, Pitotrohr oder Medium.

Der Gesamtdruck, den das Pitotrohr misst, läßt sich bei einem strömenden Medium weiter unterteilen in Staudruck und statischen Druck:

Der Staudruck (auch dynamischer Druck) ist der Druck, den das strömende Medium durch seine Geschwindigkeitsänderung ausübt. Er charakterisiert den Anteil an kinetischer Energie des strömenden Mediums. Je schneller die Strömung ist, desto größer ist der Staudruck.
Der statische Druck stellt den Anteil der potentiellen Energie an der Gesamtenergie des Mediums dar. Er entspricht dem Luftdruck der ruhenden Umgebungsluft, in der sich das Pitotrohr befindet. Im ruhenden Medium ist der statische Druck gleich dem Gesamtdruck, da der Staudruck 0 wird.

Im Pitotrohr wird stets die Summe von Staudruck und statischem Druck aufgenommen. Mit dem Pitotrohr wird also der Gesamtdruck gemessen. In Verbindung mit einer Messung des statischen Druckes und eines Differenzdrucksensors kann nach dem Bernoulli-Gesetz die Geschwindigkeit des Windes oder des Flugzeugs festgestellt werden.

Windsack

Auf Flugplätzen und an den Start- oder Landeplätze von Drachen- und Gleitschirmfliegern, sieht man ihn: den Windsack. Ein Windsack ist ein aus wetterbeständigem Nylon-Gewebe angefertigter konischer Schlauch, der an einer Stange einige Meter über dem Boden drehbar gelagert aufgehängt ist. Er dient dazu, die Windrichtung und die ungefähre Windstärke anzuzeigen. Die meisten Windsäcke sind in leuchtend rote und weiße Ringe unterteilt, also farblich deutlich erkennbar gestreift, um sie aus der Ferne bzw. aus der Luft gut erkennen zu können. Windsäcke kommen überall dort zum Einsatz, wo es weniger auf exakte Daten, sondern auf eine leicht interpretierbare und schnell erfassbare Anzeige ankommt. Zur Vermeidung von Unfällen ist es gerade in hektischen Situationen nämlich oft entscheidend, Geschwindigkeit und Richtung des Winds auf einen Blick zu erkennen.

Traditionell sind sie in 3 rote und 2 weiße Ringe unterteilt. So kann man auf einen Blick die Windgeschwindigkeit erkennen. Windstärke und -richtung können sehr einfach und billig mit einem Windsack abgeschätzt werden. 1 Ring entspricht etwa einer Windstärke. Flattert der Sack waagerecht im Wind, herrscht mindestens Windstärke 5 vor, bei Windstärke 2 knickt er bereits nach dem ersten weißen Ring ab. Ein geschultes Auge kann gleichzeitig an der Ausrichtung des Sacks auch die Windrichtung abschätzen. Die Angaben der Windstärke richten sich nach der Beaufort-Skala. Beaufort 9 bzw. Windstärke 9 steht beispielsweise für Sturm. Für viele Bereiche reichen diese ungefähren Angaben aus. Für genauere Daten ist die Windmessung z.B. durch ein Anemometer erforderlich.

Windsack und Windstärke

Nach den Regeln der internationalen Luftfahrtorganisation ICAO müssen Windsäcke auf allen Flugplätzen und Hubschrauberlandeplätzen vorhanden und aus der Luft und für Piloten am Boden eindeutig auszumachen sein. Für Sichtflug in der Nacht (Nacht-VFR) müssen sie auch über eine Beleuchtung verfügen. Ein Windsack ist an einem Ort aufzustellen, an dem er einerseits von Luftfahrzeugen in der Luft und am Boden gesehen werden kann und andererseits von störenden Luftströmungen wie z.B. Verwirbelungen durch Gebäude, Triebwerke oder Propeller nicht beeinflußt wird. Zur leichteren Identifikation aus der Luft soll jeder Windsack von einem Kreis, bevorzugt in weißer Farbe, umgeben sein.

Windsäcke sind auch an zahlreichen Straßen und Brücken angebracht, auf denen Seitenwinde zu einer ernstzunehmenden Gefahr werden können.