Verfahrensvergleich bei der Ermittlung der Sonnenscheindauer

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In den letzten Monaten ist ein neues Verfahren entwickelt worden, womit man aus Globalstrahlungsdaten die Sonnenscheindauer bestimmen kann. Um es aber auch für eine zuverlässige Anwendung zu küren muss es vorher zumindest für einen kurzen Zeitraum getestet werden. Ich will an dieser Stelle diesen Test wagen und auch mit der bisher angewandten Methode vergleichen.
Als bisher noch einzig anerkanntes Verfahren (zumindest ist dem Verfasser nichts anderes bekannt) gilt die Bestimmung der Sonnenscheindauer mit dem Campell-Stockes, der zwar in der Bestimmung bei bestimmten Wetterlagen auch einige Macken hat, aber an den großen Stationen als ultimatives Maß angewandt wird. Aus diesem Grund will ich den Wert des Campell-Stockes als den anzustebenen Wert annehmen. Für meinen Vergleich ziehe die Daten der Wetterstation Jänickendorf heran, da hier die Daten vollständig für die zu vergleichenden Verfahren vorliegen.

Qualitative Aussage der Sonnenscheindauer mittels festen Schwellwertes

Bisher wurde die Sonnenscheindauer mittels eines festen Schwellwertes ermittelt. Dieser galt pauschal für den ganzen Tag. Dadurch entstanden ganz gravierende Berechnungsungenauigkeiten. Schon der erste Sonnenstrahl lässt sich zeitlich mit der ersten Brennspur nicht vergleichen. Die Abweichung hier liegt zwischen 340 Minuten zu früh und 69 Minuten zu spät. Es wird jedoch deutlich, je später die erste Brennspur aufgezeichnet wird, desto früher stellt das Verfahren den ersten Sonneschein fest. Die günstigste Zeit für eine fehlerfreie Ermittlung bildet die Zeit um 8:00 Uhr. Die Zeiten zuvor werden zu spät angezeigt, danach nur noch zu früh. Im Durchschnitt werden die Ereignisse um 56 Minuten zu früh angezeigt.

Ein ähnlich verheerendes Bild ergibt sich bei den täglichen Werten. An 8 von 31 Tagen (25%) wurde Sonnenscheindauer errechnet, bei der auf dem Campell-Stockes keine Brennspur zu sehen war. Auch hier bestätigte sich der Trend, der auch schon bei der ersten Brennspur auftrat: Je später eine Wolkendecke die Sonne freigibt desto größer ist die Abweichung nach oben. Allerdings musste bei der Analyse der Daten drei Sonderfälle herausgenommen werden. Die Daten an diesen Tagen fallen aus dem Rahmen und zeigen deutlich zu hohe Werte (bis 7900-fache des Campellwertes). Problematisch sind diese Tage deshalb, weil mit herkömmlicher Messmethode tatsächlich etwas Sonne festgestellt wurde. Dem Grunde nach entsprechen diese Tage den schon bereits erwähnten 8 Tagen. Die Schwankung der Prozente bei den Tageswerten liegt ohne die Problemtage zwischen 87% und 744%. Im Durchschnitt weicht die rechnerische Dauer mit einem Wert von 225% von der ermittelten Campell-Menge ab.

Erwähnenswert, wenn auch die bestehenden Vermutungen bestätigend, sind die Abweichungen der einzelnen Stundenwerte. Dabei wurde für den Beobachtungszeitraum die Sonnenscheindauer Stundenweise zusammengefasst. Bei dieser Auswertemethode wird besonders der stündlichen Änderung des Einfallwinkels der Sonne Rechnung getragen. Auch hier wird deutlich, wenn die Sonne den Geber energetisch ideal bescheint (Mittagswerte), dass die Werte stets nach oben abweichen. Für den gesamten Zeitraum ergibt sich eine Spitzenabweichung von 203% des eigentlichen Sonnewertes. Im Einzelfall können es aber auch 500% des eigentlichen Wertes sein. Die Abend- und Morgenwerte, also zu Zeiten mit einem niedrigen Sonnenstand, zeigen deutliche Abweichungen nach unten auf. Teilweise kommen sie sogar gar nicht zur Erfassung.

Bleibt noch die Gesamtsumme zu vergleichen. Mit dem Campell-Stockes wurden im Analysezeitraum 90,8 Stunden Sonne festgestellt. Mit dem Rechenverfahren wurden 156,0 Stunden festgesellt. Mithin hat das Rechenverfahren einen 171,8%-gen Wert errechnet, was wohl im Ergebnis auch langfristig betrachten deutlich über dem Wert liegt.

Qualitative Aussage der Sonnenscheindauer mit einem variablen Schwellwert

Das neue Verfahren rechnet für jede Minute einen neuen Schwellwert aus. Dabei geht man von einer Solarkonstante aus, durch den Einfallwinkel schwächt sich die ankommende Menge ab. Bei diesem Verfahren ist eine Schwellwertkurve der natürlichen Energiekurve der Globalstrahlung nachempfunden. Auch hier lagen mir für fast den ganzen Monat Daten vor. Allerdings gab es durch Fehlimpuls ganz gravierende Probleme, die das Ergebnis etwas verfälschen.

Die Abweichungen zwischen ersten Sonnenstrahl nach Formel und Campell-Brennspur liegen zwischen 160 Minuten zu früh (liegt aber nur in Ausnahmefällen vor) und 20 Minuten zu spät. Die Tendenz der zu frühen Anzeige bleibt. Zurückzuführen ist dies auf die Art der Bewölkung, die offenbar hier einen Einfluss hat (Frage von Lichtbrechungseffekten). Eine Tendenz wie bei einem festen Schwellwert ist jedenfalls nicht mehr deutlich. Es zeigt sich jedoch, dass die Werte in den überwiegenden Fällen bereits eine hinreichende Genauigkeit erreichen. Ich verweise hier auf Meßungenauigkeiten des Campell-Stockes, der mir nicht die Zeiten auf die Minute genau bestimmt.

Sensationell verändert hat sich die Zuverlässigkeit an den Tagen, an denen keine Sonne mit dem Campell festgestellt wurde. So gab es lediglich 2 von 28 Tage, an den Sonne festgestellt wurde, bei denen aber keine Sonne vorhanden gewesen ist.

Ebenso ist kein eindeutiger Trend zu erkennen, bei den Tagessummen.  Die Schwankung liegt zwischen 59,8% und 204,2%. Die Abweichungen hängen nunmehr nicht mehr mit dem Sonnestand zusammen, sondern liegen eher im Bereich der Bewölkung. Eine spezielle Wolkengattung ist dafür aber nicht festzustellen und lässt sich in dem kurzen Zeitraum auch nicht ausmachen. Es kann aber gesagt werden, das die Lichtverhältnisse bei Altocumulus, Stratus, Cirus und Stratocumolus in den durchscheinenden Formen zu Komplikationen bei der zutreffenden Ermittlung der Sonnenscheindauer führen.

Natürlich erreicht auch die  Stundengüte eine große Zuverlässigkeit. Hier jedoch steht das Problem der ganz niedrigen Sonnenstände, durch Fehlimpulse ist im Analysezeitraum vielfach Sonne gesetzt worden, obwohl diese wesentlich später in Erscheinung auftrat. Einzig Auffällig bleibt die Tatsache, dass nachmittags weniger gerechnet wird als vormittags durch den Campell festgestellt wird.
Die ermittelte Sonnenscheindauer nach Formel  beträgt 112% des Campellwertes. Ein Ergebnis das sich durchaus sehen lassen kann. Auf Grund der Daten kann eingeschätzt werden, dass die Genauigkeit bei Beheben diverser Fehler bei 99% liegen kann (die 99% sind auf den langjährigen Wert zu verstehen, Abweichungen bei Stundenwerten werden immer bleiben). Dies würde selbst die Erwartungen der Formelentwickler übertreffen, die einen Wert von 90% angaben.

Zusammenfassung

Mit dem neuen dem neuen Verfahren kann die Sonnenscheindauer viel genauer bestimmt werden. Der Vergleich zeigte es bereits, durch die Berücksichtigung des Sonnenstandes, der Ortszeit, also von Faktoren, die astronomisch bestimmt sind, wurde eine Verbesserung bei der Ermittlung der Sonnenscheindauer erreicht. Die Berücksichtigung von zusätzlichen Abendschwellwerten scheint auch im Moment weder geboten noch erforderlich.

Eine Vielzahl von Problemen bleibt jedoch. So schätze ich ein, dass mir bei diesem Vergleichsverfahren für einen halben Monat problembehaftete Daten vorlagen. Besonders problematisch sind die Fehlimpulse gewesen, die besonders bei niedrigen Sonnenstand eine Auswirkung hatten. Für mich weiterhin zweifelhaft ist die Eichung der einzelnen Anlagen. Ein Vergleich der Globalstrahlungswerte der Stationen hat gezeigt, dass hier auch bei ähnlicher Bewölkung ganz unterschiedliche Werte gemessen werden. Die Differenzen lassen sich aber nicht mehr mit der Lage im Gradnetz der Erde, damit mit einem anderen Sonnenstand begründen. Die aufgeführten Daten gelten deshalb nur für die Wetterstation Jänickendorf, da an anderen Stationen noch ein anderes Vergleichsergebnis erwartet werden kann. Auch in Bereich des Einflusses bei durchscheinender Bewölkung ist noch einiges unklar. Inwieweit aber die Formel nun noch korrigiert werden soll/muss, vermag ich unter dem vorgenannten Ergebnis nicht zu sagen.

Das vorgestellte Ergebnis kann nur ein vorläufig sein. Zu gering ist die Datenanzahl gewesen um daraus eine abschließende Beurteilung zu machen. Das Verfahren wurde mit Daten von 28 Tagen getestet. In einem halben Jahr sollte die Formel erneut für einen längeren Zeitraum auf den Prüfstand.

Die neu entwickelte Formel ist vorläufig für die Bestimmung der Sonnenscheindauer geeignet und kann als Bestandteil des Filters aufgenommen werden.
 

 
Wer mehr dazu wissen möchte, wende sich direkt an den Beobachter der Wetterstation Neuenhagen.

Der erwähnte Filter ist eine Entwicklung der Wetterstationen Jänickendorf und Neuenhagen. Er dient der erleichterten standartisierten Auswertung bei vollautomatischen Wetterstationen. Wer sich einen solchen Filter zulegen möchte oder dazu Fragen hat wende sich an den Autor des Artikel oder an Herrn Ringel (Stationsbetreiber der Wetterstation Jänickendorf).

 

Christian Siemianowski

Stationsleiter der Wetterstation Neuenhagen