DE4202688C2 - Verfahren zur kurzfristigen und kurzzeitigen lokalen Vorhersage der Temperaturänderung durch Ermittlung von Klimadaten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kurzfristigen und kurzzeitigen lokalen Vorhersage der Temperaturänderung durch Ermittlung von Klimadaten und Aufstellung einer Wärmebilanz zur Steuerung und Regelung von witterungsabhängigen Anlagen, insbesondere Klimaanlagen, Heizungsanlagen, Straßenglätte- Warneinrichtungen.

Aus der JP 2-193095 A ist es bekannt, Klimadaten an einem bestimmten Ort zu messen und einer Datenverarbeitungsanlage zuzuführen, um eine Vorhersage über eine Temperatur einer Straßenoberfläche treffen zu können. Hierbei wird unter anderem eine Wärmebilanz in die Messungen einbezogen, jedoch bleiben einige die Temperatur beeinflussende Faktoren unberücksichtigt, was sich in einer nur geringen Vorhersagegenauigkeit niederschlägt und das bekannte Verfahren in seinen Anwendungsmöglichkeiten stark einschränkt.

Aus K. H. Schmidt "Ein Beitrag zur Vorhersage der Temperaturminima in den Nächten mit geringer Bewölkung" in Zeitschrift für Meteorologie, Bd. 14 H. 11/12 Nov./Dez. 1960, S. 297-307 ist es ferner bekannt, eine Vorhersage für nächtliche Tiefsttemperaturen anhand einer statistischen Auswertung von Klimadaten, nämlich der Lufttemperatur und des Dampfdruckes zu treffen. Dieses einfache Vorhersagemodell läßt jedoch ebenfalls viele die Temperatur beeinflussende Faktoren außer acht, so daß es sich nur bei bestimmten Wetterlagen einsetzen läßt, was die Anwendbarkeit und Genauigkeit ebenfalls stark einschränkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für kurze Zeiträume möglichst aktuelle Wettervorhersagen, insbesondere zur Erwärmung oder Abkühlung, zu machen, mit denen es möglich ist, witterungsbedingte Anlagen schneller und kurzfristiger zu steuern, um auf diese Weise Energien einzusparen.

Die Erfindung löst die Aufgabe mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Dieses erfindungsgemäße Verfahren zum Ermitteln der zu erwartenden Temperaturveränderungen der Umgebungsluft und des Bodens an einem bestimmten Ort stellen keine exakten Ergebnisse dar, sondern vermitteln eine angenäherte und relativ genaue Schätzung, deren Fehler im Bereich von 2°K liegt, was Fehlern von normalen Wetterberichten entspricht und damit für die witterungsabhängigen Steuerungen für die Prognose, d. h. für die zu erwartenden Temperaturverläufe in vielen Fällen völlig ausreicht.

Für die Erstellung der Wärmebilanz werden als notwendige spezifische geographische Kenndaten des ausgewählten Anwenderortes die nach Anspruch 2 angegebenen benötigt. Diese Angaben sind einfach ermittelbar und ändern sich bis auf die aktuellen Zeitangaben nicht. Zu Beginn einer Vorhersage ist ein Anfangszustand für den Anwenderort zu ermitteln, und für diesen Angangszustand sind die Kenndaten nach Anspruch 3 zu ermitteln bzw. zu messen. Mit diesen Daten des Anfangszustandes und den spezifischen Daten des Anwenderortes ist es dann möglich, den kurzwelligen Strahlungsanteil und auch den langwelligen Strahlungsanteil der in die Atmosphäre einfallenden Strahlungsenergien, die den Boden erreichen, gemäß den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 4 und 5 zu ermitteln. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 6 bis 8 entnehmbar. Insbesondere ist bemerkenswert, daß das erfindungsgemäße Verfahren mit einem PC durchgeführt werden kann, nachdem die entsprechenden Meßdaten und Kenndaten ermittelt worden sind. Gleichzeitig kann der PC benutzt werden, um das erhaltene Ergebnis in Gestalt von Auswertedaten, die die Veränderung der Temperatur am Boden und in der Umgebungsluft anzeigen, also die Änderung des Temperaturverlaufs, um damit als Signal entsprechende Anlagen zu regeln oder zu steuern. Die Ermittlung der Veränderung der Temperaturverhältnisse kann in gewünschten Zeiträumen wiederholt werden, so daß hieraus auch die Schnelligkeit der Veränderung des Temperaturverlaufes ermittelbar ist und hieraus entsprechende Wetterprognosen kurzzeitig lokal begrenzt mit hoher Genauigkeit abzuleiten sind.

Das Verfahren wird nachfolgend näher erläutert.

Die Erfindung setzt Messungen der Temperatur A3 auf einer Oberfläche, beispielsweise 5 cm über Grasboden, der Luft A2, beispielsweise 2 m Höhe über dem Grasboden, und der Luftfeuchtigkeit A4 am Ort der gemessenen Lufttemperatur A2 voraus. Um nun ein Vorhersagemodell zu entwickeln, müssen diese Anfangsdaten gemessen und analysiert werden. Dazu kommt die Bestimmung des Tagesdatums, Zeit, Kenndatum A1. Grundlage des Vorhersagemodells ist neben der Kenntnis dieser Anfangsparameter des Anfangszeitschrittes T0 auch die Kenntnis des Bedeckungsgrades und der Wolkendicke-Bewölkung A5 zu diesem Zeitpunkt A1. Mit den Messungen der Oberflächentemperatur und der Lufttemperatur ist es möglich, an die Bewölkungsparameter A5 zu gelangen, denn wenn man die Differenz dieser beiden Temperaturen A3 minus A2 bildet, hängt diese von der Strahlungsbilanz der Oberfläche ab. Ist zum Beispiel der Himmel wolkenlos, nachts, besteht eine große negative Differenz der beiden Werte. Bei starker dichter Bewölkung gibt es nur eine kleine negative Differenz. Wenn man für die spezielle Oberfläche diese Differenzen auswertet und mit dem Bedeckungsgrad und der Wolkenart in Zusammenhang bringt, gibt es eine hochgradige Korrelation, die ausreicht, um die Menge der Bewölkung und die wichtigsten Arten festzustellen. Man bildet eine Statistik mit Grenzwerten als Bezugsgröße und so können die Parameter für die Bewölkung A5 bestimmt werden. Mit diesen Schritten haben wir den nötigen Anfangszustand ermittelt. Für das Modell Vorhersageprogramm müssen vom Anwender spezifische Daten des Anwenderortes eingegeben werden. Dies sind die kurzwellige Reflexion des Bodens A13, der anthropogene Wärmefluß A14, die Bebauungsdichte A6, der Breitengrad A7, der Längengrad A8, die Höhelage A9, die Wärmeleitfähigkeit des Bodens A10 und die Wärmekapazität All. Zudem muß die aktuelle Zeit A12 bekannt sein. Bei der Wärmekapazität ist die Kapazität des Bodens (der Oberfläche) um den Meßstandort gemeint. Da meist das Gebiet unterschiedliche Oberflächenformen beinhaltet, sollte ein Mittelwert gebildet werden.

Aus den Daten der geographischen Lage des Ortes A7, A8, A9, A12, A5, A13 ist es nun möglich, die kurzwellige Strahlung A15 an der Obergrenze der Atmosphäre zu jedem Zeitpunkt zu determinieren. Da die Bewölkung A5 bekannt und ermittelt ist, kann nun auch die Strahlungsmenge A15A, die durch die Atmosphäre gelangt, ermittelt werden. Mit Hilfe der Reflexion des Bodens A13 kann nun die Energie A15A ermittelt werden, die tatsächlich der Oberfläche zur Verfügung steht.

Natürlich besteht die Strahlungsbilanz der Oberfläche nicht nur aus dem kurzwelligen Strahlungsanteil A15A, sondern auch aus einem langwelligen Strahlungsanteil A16A. Dieser läßt sich mit Hilfe des Stefan-Boltzmanschen Gesetzes errechnen. Damit haben wir aber nur die Ausstrahlung des Bodens. Die langweilige Einstrahlung bei bestimmten Wolkenarten ist statistisch ermittelbar. Bei klarem Himmel wird mit dem Stefan-Boltzmanschen Gesetz mit Hilfe der Luftfeuchtigkeit A4 die langweilige Einstrahlung errechnet. Nun haben wir die natürliche Strahlungsbilanz aus A15A und A16A, die noch mit dem anthropogenen Wärmestrom A14 gekoppelt wird, fertig. Die langweilige Strahlungsmenge am Boden wird also aus der Oberflächentemperatur, gemessen im zugeordneten Bereich A3, der Luftfeuchte A4, der Bewölkung A5 und der gesamten an der Obergrenze der Atmosphäre einfallenden langwelligen Strahlungsmenge A16 ermittelt.

Der anthropogene Wärmefluß spielt in der Strahlungsbilanz meist eine untergeordnete Rolle, so daß einfach eine Korrelation zur Bebauungsdichte genügt. Bei extrem hoher und dichter Bebauung findet man in Deutschland Spitzenwerte in der Frankfurter Innenstadt von 50 W/m². Im Umland ohne nennenswerte Bebauung und andere Wärmequellen gibt es keine anthropogene Wärme.

Aus der Summierung von A15A, A16A und A14 ergibt sich die aktuelle Wärmebilanz. Jetzt ist bekannt, wieviel Energie die Oberfläche verliert oder gewinnt. Nun verteilt sich diese Energie für die Verdunstung oder Taubildung A23 auf Erwärmung oder Abkühlung A22 des Bodens oder auf Erwärmung oder Abkühlung der Luft A21. Auf diese drei Energieströme werden nun Gewichtungsfaktoren verteilt, die auch unter Berücksichtigung der geographischen Lage des Anwenderortes ermittelt sind. So werden bei einem Ort mit geringer Bebauungsdichte und Grasland etwa 30% der Energie zur Verdunstung genutzt. Die beiden anderen Energieströme bekommen jeweils 35%. Diese Gewichtungsfaktoren werden je nach Anwenderort eingegeben. Bei total versiegeltem Umland, totale Bebauung, müßte der Verdunstungsstrom gleich Null gesetzt werden. Da nun die Energie bekannt ist, die zur Erwärmung des Bodens bzw. Umgebungsluft notwendig ist, kann mit der Wärmebilanz und Wärmekapazität die Veränderung der Temperatur des Bodens und der Luft errechnet werden. Mit diesen neu gewonnenen Werten des Zeitschrittes T1 der aktuellen Zeit A12 können nun wiederum weitere TX-Zeitschritte errechnet werden. Für die Wettervorhersage fehlt noch eine Prognose für die Veränderung der Bewölkung. Da diese bisher nicht unabhängig vorhersagbar ist, werden zur Prognose der Bewölkungsveränderung die mittleren Bewölkungsverhältnisse der letzten zwei Stunden für den Vorhersagezeitraum interpoliert. Natürlich gibt es auch Temperatur- und Feuchteadvektion, die die Ergebnisse verfälschen. Doch sollte man sich vor Augen führen, daß mit dem erfindungsgemäßen Vorhersagemodell keine Wettervorhersage in dem Sinne des täglichen Wetterberichtes geleistet werden soll, sondern es soll eine gute angenäherte Abschätzung der zu erwartenden Wetterbedingungen bzw. Wetterveränderung geliefert werden. Im Mittel liegt der Fehler bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei 2°K bei der Temperatur, was auch der Fehlergrenze beim normalen Wetterbericht entspricht. Eine weitere Möglichkeit der Bestimmung der Temperaturen und des Temperaturverlaufes in den nächsten Stunden ist die statistische Analyse der mittleren Temperaturverläufe in der Gegend des Anwenderortes, die aus alten Aufzeichnungen vorgegeben sind und vorher in den Rechner eingegeben werden. Die Messungen bleiben gleich, doch werden jetzt hier statt dieser Rechnung einfach die mittleren Temperatur- und Feuchtevariationen der nächsten Stunden zur speziellen Jahres- und Tageszeit extrapoliert, so daß hieraus eine Vorhersage möglich ist. So wird beispielsweise bei klarem Himmel im Januar eine Temperaturschwankung auf der Höhe des 50. Breitengrades bei geringer Bebauung am Tage von etwa 10°K beobachtet. Mit Hilfe der Statistik kann nun die Temperatur und Feuchte vorhergesagt werden. Ein Beispiel der Anwendung der ermittelten Vorhersagedaten ist die Steuerung und Regelung für eine Klimaanlage, wo nunmehr die Energiemengen im voraus genau dosiert werden können, da ja der Verlust oder der Gewinn an Wärmemenge witterungsbedingt des zu klimatisierenden Raumes vorausberechnet und damit bekannt ist. Auf diese Weise ist es möglich, von einer witterungsgeführten, d. h. einer der Witterung nachgesteuerten Regelung einer Klimaanlage zu einer Witterungsprognose geführten Steuerung und Regelung zu gelangen.

Claims (8)

1. Verfahren zur kurzfristigen und kurzzeitigen lokalen Vorhersage der Temperaturänderung durch Ermittlung von Klimadaten und Aufstellung einer Wärmebilanz zur Steuerung und Regelung von witterungsabhängigen Anlagen, insbesondere Klimaanlagen, Heizungsanlagen, Straßenglätte- Warneinrichtungen, wobei für einen Anwenderort mit spezifischen geographischen Kenndaten eine aktuelle Wärmebilanz aus kurzwelliger am Boden und der Umgebungsluft einfallender Strahlungsenergie A15A und langwelliger am Boden und der Umgebungsluft einfallender Strahlungsenergie A16A und dem am Anwenderort vorhandenen zu berücksichtigenden anthropogenen Wärmefluß A14 erstellt wird, die aus der Wärmebilanz ermittelte aktuell zur Verfügung stehende Energie A20 nach Anwenderort spezifischer Gewichtung auf Erwärmung oder Abkühlung der Luft A21, Erwärmung oder Abkühlung des Bodens A22 und auf die Verdunstung oder Taubildung A23 verteilt und hieraus die zu erwartende Veränderung der Temperaturen der Umgebungsluft und des Bodens ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als spezifische geographische Kenndaten eines Anwenderortes die Bebauungsdichte A6, der Breitengrad A7, der Längengrad A8, die Höhenlage A9, die Wärmeleitfähigkeit des Bodens A10, die Wärmekapazität der Umgebungsluft All, die aktuelle Zeit A12, die kurzwellige Reflexion des Bodens A13 und der anthropogene Wärmefluß A14 berücksichtigt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Ermittlung des Anfangszustandes der der zu ermittelnden Wärmebilanz am Anwenderort zugrunde zu legen ist, neben Tag, Datum, Zeit A1 die ermittelten Daten von Umgebungslufttemperatur in definierter Höhe über dem Erdboden A2, Oberflächentemperatur A3, gemessen im zugeordneten Bereich unterhalb der gemessenen Lufttemperatur A2, Luftfeuchte A4, gemessen am Ort der Lufttemperatur A2 und Bewölkung mit Bewölkungsgrad und Bewölkungsdichte A5, ermittelt aus der Temperaturdifferenz von A3 minus A2, zu ermitteln sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an kurzwelliger Strahlungsenergie A15A, der am Boden einfällt, aus den Daten der aktuellen Zeit A12, den geographischen Angaben A7, A8, A9, der Bewölkung A5, der kurzwelligen Reflexion des Bodens A13 und der kurzwelligen Einstrahlung an der Obergrenze der Atmosphäre A15 ermittelt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an langwelliger Strahlungsenergie A16A am Boden aus den Daten der Oberflächentemperatur A3, der Luftfeuchte A4, der Bewölkung A5 und der langwelligen Einstrahlung an der Obergrenze der Atmosphäre in Verbindung mit dem Stefan- Boltzmanschen Gesetz ermittelt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelten Veränderungen der Temperaturen als Signale für die Regelung oder Steuerung von witterungsabhängigen Anlagen eingesetzt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der Klimadaten, insbesondere die Ermittlung der Veränderungen der Temperatur der Umgebungsluft und des Bodens, in beliebigen Temperatur der Umgebungsluft und des Bodens, in beliebigen gewünschten Zeitabschnitten wiederholbar sind, um hieraus Tendenzen der Abkühlung oder Erwärmung infolge von Witterungsänderungen zu erfassen und zur zeitverlustarmen Steuerung von Anlagen zu benutzen.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß für die Berechnung der Wärmebilanzen und der hieraus errechenbaren zu erwartenden Veränderung der Temperaturen der Umgebungsluft und des Bodens ein Personal Computer eingesetzt wird.