Hypothese 2: Die mittlere kurzwellige Einstrahlung sowie die mittlere Lufttemperatur sind am Standort MP6 im Tagesverlauf höher als am Standort MP4.

ausgearbeitet von Julia Bartsch, Simone Fischer, Marie Kreitlow, Marlene Woik

Dieser Bericht beschreibt die Analyse und Ergebnisse von Hypothese 2. Folgende Hypothese wurde aufgrund unterschiedlicher Sonnenexpositionen beider Messpunkte formuliert (Freifläche an Messpunkt 6 (MP6), Verschattung durch Bäume und Gebäude an Messpunkt 4 (MP4)):
Die mittlere kurzwellige Einstrahlung sowie die mittlere Lufttemperatur sind am Standort MP6 im Tagesverlauf höher als am Standort MP4. Die Hauptfragestellung, die sich daraus ergibt, ist: Unterscheiden sich beide Stationen signifikant in der mittleren Lufttemperatur und kurzwelligen Einstrahlung?

Die erhobenen Daten der Messkampagne wurden in R-Studio eingelesen und für die Auswertung mit dem Package des Fachgebiets Klimatologie der TU Berlin sowie eigenen R-Studio-Skripten bearbeitet. Wir konzentrierten uns auf die Werte der mittleren Lufttemperatur und der kurzwelligen Einstrahlung, die mit Hilfe des mobilen Messwagens “Human Meteorological Vehicles” (HuMVe) erfasst wurden (s. Tab.1). Die für diese Hypothese relevanten Daten von MP4 und MP6 wurden extrahiert. Da eine Transektmessung durchgeführt wurde, interpolierten wir fehlende Werte, um die Messreihe zu ergänzen. Die Datums- und Zeitformate wurden ebenfalls angepasst. Aus dem erhaltenen Datensatz wurden ein Plot (s. Abb. 1) und Boxplots (s. Abb. 2) der mittleren Lufttemperatur an MP4 und MP6 erstellt.

Tab. 1 – Sensoren und Messdaten (eigene Darstellung).

Abbildung 1 zeigt den Tagesverlauf (8.45 - 15.15 Uhr) der gemessenen Lufttemperatur in 150 cm Höhe an den Standorten MP4 und MP6. Die Temperatur steigt an beiden Standorten bis ca. 12 Uhr stetig an. An MP6 jedoch nimmt die Temperatur ab 12 Uhr wieder ab, wobei MP4 dagegen noch minimal ansteigt. Damit ist das Maximum an MP4 gegen 13 Uhr und das Maximum an MP6 um ca. 12 Uhr erreicht. Beide Standorte zeigen somit keinen signifikanten Unterschied der Lufttemperatur. Um ca. 13 Uhr ist der Temperaturunterschied der beiden Standorte am höchsten.

Die in R-Studio erstellten Boxplots für MP4 und MP6 stellen eine Übersicht über die Verteilung der gemessenen Daten bezüglich der Lufttemperatur in °C im Tagesverlauf (8.45-15.15 Uhr) dar. Die Lufttemperaturen erreichten Werte zwischen 1 °C und 4 °C. Der Minimumwert von MP4 liegt bei einer Lufttemperatur von 1,08 °C um 9 Uhr morgens, der Maximalwert wird gegen 12 Uhr erreicht (3,70 °C). 50 % der gemessenen Werte liegen zwischen 2,26 °C und 3,68 °C, der Median liegt bei 3,35 °C. Die mittlere Lufttemperatur an diesem Tag liegt für Standort MP4 bei 2,86 °C.
Die Lufttemperaturdaten an MP6 sind ähnlich verteilt. Dort liegt der gemessene Minimumwert bei 1,08 °C und fällt auf 9 Uhr morgens, der Maximumwert weist eine minimale Differenz auf (3,69 °C). Die mittlere Lufttemperatur liegt bei 2,90 °C und ist damit höher als die an Standort MP4. Die Hälfte der gemessenen Werte für Standort MP6 liegt zwischen 2,36 °C und 3,63 °C, der Median liegt bei 3,56 °C.
Die Minimum- und Maximumwerte unterscheiden sich nicht signifikant, gleiches gilt für die mittlere Lufttemperatur. Der Quartilsabstand innerhalb des Boxplot für MP4 ist größer als der von MP6, der Bereich, in dem 50 % der ermittelten Werte liegen, ist für den Standort MP4 höher als für MP6. Hierbei besteht jedoch auch kein signifikanter Unterschied.

Fehlerbetrachtung
An dem Tag der Messungen war keine durchgängig autochthone Wetterlage gegeben, da es oft bewölkt und windig war. Die Messgeräte könnten dadurch abweichende Werte gemessen haben. Da wir keine Daten für den gesamten Tagesverlauf aller Messpunkte erhoben haben, wurden die fehlenden Werte mit R-Studio interpoliert. Diese modellierten Ergebnisse verfälschen möglicherweise die weitere Arbeit, da die echten mittleren Temperaturen an den Messpunkten von diesen abweichen können.
Der Sensor CS215 für Lufttemperatur hat eine Genauigkeit von ±0,9 °C über -40 °C und bis +70 °C. Eventuell könnte die gemessene Temperatur von Strahlungsfehlern beeinflusst sein, wenn das Strahlenschutzgehäuse defekt war. Der Sensor CS300 für die Messung der Globalstrahlung hat eine Genauigkeit von ±5 % für die Tagessumme der Globalstrahlung. Der Sensor des Messgeräts war eventuell verschmutzt, was zu ungenauen Messung führen kann. Wenn der HuMVe nicht komplett eben stand, könnte ein anderer Winkel die Messung der einfallenden Strahlung beeinflussen. Auch wenn die Ausrichtung nach Süden nicht exakt war, könnte der Mast den Sensor beschatten und die Messung beeinflussen. Eventuelle Verschattungen des HuMVe wurden nicht im Protokoll notiert. Diese Kenntnisse würden eine erleichterte Auswertung der Daten ermöglichen.

Wie in Abbildung 1 zu sehen ist, unterscheiden sich die gemessenen Lufttemperaturen im Tagesverlauf an den Standorten MP4 und MP6 nicht signifikant voneinander. Zwar ist die globale kurzwellige Einstrahlung an MP6 durch die Sonnenexposition deutlich höher (s. Abb. 4) als an MP4, doch wird MP4 durch die Gebäudeabluft des Architekturgebäudes der TU Berlin beeinflusst. Abbildung 4 zeigt den Tagesverlauf der kurzwelligen Einstrahlung an beiden Messpunkten. Der Verlauf beider Kurven unterscheidet sich stark voneinander. Die geringen Werte von MP4 sind durch die Schattenlage zu erklären. Wie in Abbildung 3 zu sehen, liegt MP4 im Schatten des Gebäudes sowie der umliegenden Bäume. Auch wenn sich beide Kurven stark unterscheiden und MP6 deutlich höhere Werte aufweist, zeigen die Messergebnisse, dass nicht an einem Sommertag gemessen wurde. An warmen Sommertagen können bis zu 1000 W/m² kurzwellige Einstrahlung gemessen werden. Durch den nahe gelegenen Gebäudeeingang, der auch auf Abbildung 3 zu sehen ist, kommt es durch das Öffnen und Schließen der Tür sowie durch passierende Menschen, die das Messfeld kreuzen, immer wieder zu Veränderungen der Messergebnisse, weshalb die kurzwellige Einstrahlung nicht maßgebender Faktor für die Lufttemperatur ist. Die Hypothese, dass die mittlere kurzwellige Einstrahlung sowie die mittlere Lufttemperatur am Standort MP6 im Tagesverlauf höher als am Standort MP4 sind, erweist sich daher als falsch.

Mit den erhobenen Messdaten konnte eine anschließende Analyse und Auswertung durchgeführt werden, dennoch gibt es Verbesserungsmöglichkeiten im Versuchsaufbau. Um bei zukünftigen Messkampagnen Fehlerquellen zu reduzieren, muss die Wahl der Standorte so ausgesucht werden, dass die Messergebnisse nicht durch ausströmende Gebäudeluft verfälscht werden. Es empfiehlt sich mit den Messwerten einer festen Messstation zu arbeiten, da bei diesen Messwerten eine Interpolation zwischen den Werten nicht nötig ist, und so mögliche Fehler vermieden werden können. Des Weiteren sollte bei einer mobilen Messstation auf eine möglichst präzise Nutzung geachtet werden und eine autochthone Wetterlage sollte gegeben sein.

HuMVe – Human Meteorological Vehicle

MP4 – Messpunkt 4

MP6 – Messpunkt 6

Abbildung 1 – Tagesverlauf der Lufttemperatur in 150 cm Höhe an MP4 (durchgezogen) und MP6 (gestrichelt) am 24.11.15 von 8.45 Uhr bis 15.15 Uhr in Berlin-Charlottenburg auf dem Gelände der TU Berlin (eigene Darstellung).

Abbildung 2 – Boxplots der Lufttemperaturen in 150 cm Höhe an MP4 (links) und MP6 (rechts) am 24.11.15 von 8.45 Uhr bis 15.15 Uhr in Berlin-Charlottenburg auf dem Gelände der TU Berlin (eigene Darstellung).

Abbildung 3 – Messwagen am Messpunk 4 (MP4) am 24.11.15 (Sinah Drenske, 24.11.2015).

Abbildung 4 – Tagesverlauf der kurzwelligen Einstrahlung im an MP4 (durchgezogen) und MP6 (gestrichelt) am 24.11.15 von 8.45 Uhr bis 15.15 Uhr in Berlin-Charlottenburg (eigene Darstellung).

Tabelle 1 – Sensoren und Messdaten (eigene Darstellung).

TU BERLIN, 2016: Human Meteorological Vehicle. Online in Internet: URL: http://www.klima.tu-berlin.de/index.php?show=lehre_E-Learning_humve&lan= [Stand 13.01.2016].