Messungen der atmosphärischen Grenzschicht am 280 m hohen Wettermast Hamburg 1995-2011: mittlere Jahres- und Tagesgänge
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Atmospheric boundary layer measurements at the 280 m high Hamburg weather mast 1995-2011: mean annual and diurnal cycles
In diesem Beitrag werden der 280 m hohe Wettermast Hamburg und seine Instrumentierung vorgestellt. Aus den seit 1995 aufgezeichneten digitalen Daten werden die mittleren Jahres- und Tagesgänge der wichtigsten meteorologischen Parameter (Druck, Temperatur, Feuchte, Wind, kurz- und langwellige Strahlung, Wolkenbedeckung, Wolkenbasis und Niederschlag) berechnet. Das Jahresmittel der 2-Meter-Temperatur beträgt 9,8 °C, was eine Zunahme im Vergleich zum Zeitraum 1971 bis 2000 an der Klimastation am Hamburger Flughafen bedeutet. Die absolute Luftfeuchtigkeit folgt dem Temperaturzyklus mit einem Maximum im Juli/August. Die relative Luftfeuchtigkeit ist im Winter am höchsten und im April/Mai am niedrigsten. Der Anteil der empfangenen kurzwelligen Strahlung an derjenigen bei wolkenlosem Himmel liegt zwischen 61 % im Mai und 34 % im Dezember. Wolkenbedeckungsklassen von 0 bis 1 Achtel und 7 bis 8 Achtel treten am häufigsten auf, haben aber entgegengesetzte Jahreszyklen. Die Verteilung der Wolkenbasis ist im Winter schmal und hat ihr Maximum in etwa 300 m Höhe, während sie im Sommer über einen großen Höhenbereich verteilt ist. Der durchschnittliche Jahresniederschlag beträgt 716 mm und fällt in 9,3 % der Zeit. Die mittlere monatliche Windgeschwindigkeit ist im Januar (August) am höchsten (am niedrigsten). Winde aus westlicher Richtung sind am häufigsten, gefolgt von Winden aus südöstlicher Richtung. Eine Kanalisierung durch das Elbtal ist erkennbar. Der Tagesgang der Temperatur ist im Winter schwach, im Sommer jedoch stark ausgeprägt und zeigt die abendliche Entstehung und den morgendlichen Anstieg einer Inversion. Während die relative Luftfeuchtigkeit einen einfachen Tageszyklus aufweist, hat die absolute Luftfeuchtigkeit im Sommer einen doppelten Zyklus, nicht jedoch im Winter. Die kurzwellige Strahlung zeigt im Sommer eine schwache Asymmetrie zwischen Vormittag und Nachmittag. Die Tageszyklen der Wolkenbedeckung und Wolkenbasishöhe sind im Winter gering. Im Sommer zeigen die Wolkenbasishöhen eine kontinuierliche Zunahme vom Morgen bis zum Nachmittag und danach einem Bruch, der mit dem täglichen Regenmaximum einhergeht. Die Windgeschwindigkeit weist in den unteren und oberen Höhen entgegengesetzte Tagesgänge auf. Der Tagesgang in der oberen Höhe weist im Sommer eine zeitliche Asymmetrie auf, d. h. das Windminimum in der oberen Höhe tritt nicht gleichzeitig mit dem Windmaximum in der unteren Höhe auf. Die Umkehrhöhe zwischen den entgegengesetzten Tagesgängen beträgt im Sommer etwa 130 m und im Winter 80 m. Die Windrichtungsdifferenz (250 m minus 10 m) zeigt eine starke Tagesschwankung zwischen 15° (Tag) und 45° (Nacht) im Sommer und eine geringe Schwankung zwischen 23° und 35° im Winter. Die Jahres- und Tagesgänge aller wichtigen meteorologischen Parameter bilden zusammen eine wertvolle Grundlage für die Validierung von Prozess-, Wetter- oder Klimamodellen.
In this paper, the 280 m high Hamburg weather mast and its instrumentation are introduced. Digital data recorded since 1995 are used to calculate the mean annual and diurnal cycles of the primary climate variables (pressure, temperature, humidity, wind, short- and long-wave radiation, cloud coverage, cloud base, precipitation). The annual average of 2 m temperature is 9.8 °C indicating an increase compared to the period 1971-2000 at the Hamburg airport climate station. Absolute humidity follows the temperature cycle with a maximum in July/August. Relative humidity is highest in winter and lowest in April/May. The fraction of received to clear-sky short-wave radiation is between 61 % in May and 34 % in December. Cloud coverage classes of 0-1 octas and 7-8 octas occur most frequently, but have opposite annual cycles. Cloud base distribution is narrow in winter and peaks around 300 m and is distributed over a wide height range in summer. Average annual precipitation amounts to 716 mm and falls in 9.3 % of the time. Monthly mean wind speed is highest (lowest) in January (August). Winds from west are most frequent followed by winds from southeast. A channelling by the Elbe river valley is indicated. The diurnal temperature cycle is weak in winter but strong in summer showing the evening generation and morning rise of the inversion. While relative humidity has a single diurnal cycle, absolute humidity has a double cycle in summer, but not in winter. Short-wave radiation in summer shows a weak asymmetry between forenoon and afternoon. The diurnal cycles of cloud cover and base are small in winter. In summer, cloud bases show a continuous increase from morning to afternoon and a break afterwards simultaneously with the diurnal rain maximum. Wind speed has opposite diurnal cycles at lower and upper levels. The upper-level cycle shows a temporal asymmetry in summer, i.e.the upper-level wind minimum does not occur simultaneously with the lower-level wind maximum. The reversal height between the opposite cycles is around 130 m in summer and 80 m in winter. The wind direction difference (250 m-10 m) shows a strong diurnal variation between 15 (day) and 45 (night) in summer and a small one between 23 and 35 in winter. The annual and diurnal cycles of all primary climate variables together present an excellent basis for the validation of process, weather or climate models.