Wind

Wind ist bewegte Luft. Im Allgemeinen sind dabei horizontale Luftströmungen gemeint. Für einige atmosphärische Prozesse (Wolkenbildung, Niederschlag) sind jedoch auch vertikale Luftbewegungen von großer Bedeutung.

Allgemeine Aspekte und Einflussfaktoren
Im Gegensatz zu anderen meteorologischen Größen ist der Wind ein Vektor. Er hat eine Geschwindigkeit und eine Richtung. Da die vertikale Komponente meist einen geringen Betrag aufweist, wird in vielen Fällen nur der horizontale Anteil erfasst.

Als Windrichtung wird die Herkunftsrichtung des Windes angegeben. Zur Orientierung dienen die Himmelsrichtungen. Die Windgeschwindigkeit wird als mittlere Geschwindigkeit über 10 min oder mehr ermittelt. Treten Windstöße auf, die mindestens 5 m/s über dem Mittelwert liegen, ist der Wind böig. Böiger Wind entsteht im Zusammenhang mit Turbulenz (vertikale Luftbewegung). Je größer die Windgeschwindigkeit, umso stärker die Turbulenzen. Bei Windgeschwindigkeiten ab 21 m/s (in 10 m Höhe) spricht man von Sturm. Windstille wird als Calm ( C ) bezeichnet.

Wind wird durch Luftdruckunterschiede hervorgerufen. Richtung und Stärke des Windes hängen zunächst vom Druckgradienten ab. Durch Reibung wird die Geschwindigkeit in den unteren Luftschichten vermindert. Verschiedenen Landschaftselementen (Wasserflächen, Vegetation, Bebauung ...) sind dabei verschiedenen Rauigkeiten zugeordnet. Eine konkrete Reliefstruktur (Berge, Täler ...) führt zu einer lokalen Windverteilung. Bei weiträumigen Luftbewegungen wird die Windrichtung durch die Erddrehung, d.h. durch die Corioliskraft beeinflusst.

Besonderheiten in der Stadt
Städte mit ihrer Bebauung bieten dem Wind einen erhöhten Reibungswiderstand (hohe Rauigkeit). Die Windgeschwindigkeit wird dadurch verringert, dafür kommt es zu stärkerer Turbulenz. So sind die Luftschichten über einer Stadt höher durchmischt. Außerdem variieren Windrichtung und –geschwindigkeit je nach Form und Anordnung der Gebäude stark. Bei ungünstiger Gestaltung können extrem hohe Windgeschwindigkeiten in "Windkanälen" mit Düsenwirkung entstehen.

Die sich bei bestimmten Wetterlagen über großen Städten ausbildende Wärmeinsel kann zu einem eigenen Windsystem führen.

Daten von Jena
Vorherrschende Windrichtung für Jena ist Südwest mit einer Häufigkeit von 28 % und einer mittleren Stärke von 2,0 (entspricht 1,6 – 3,3 m/s).

Windstille gibt es an 10 Tagen im Jahr. Als Maximum der Windgeschwindigkeit wurden 1998 im Schillergäßchen 25 m/s gemessen.

Messverfahren und Messgeräte
Zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit haben sich in der Praxis Rotations- und thermische Anemometer bewährt. Die Windrichtung wird mit einer Windfahne gemessen. Zur groben Orientierung kann mit einem Windsack geschätzt werden.

Rotationsanemometer:

Beim Rotationsanemometer dreht sich ein Schalenstern um eine senkrechte Achse oder ein Propeller um eine waagerechte Achse, die durch die Windfahne in Windrichtung gehalten wird. Der dynamische Druck der Luftströmung setzt die Drehachse in Bewegung. Gemessen wird die Drehzahl. Es lässt sich folgender Zusammenhang abschätzen:

w = a + bn + cn²

mit Windgeschwindigkeit w, Drehzahl n und den Konstanten a, b und c, die die Eigenschaften des Gerätes charakterisieren. Durch geeignete Bauform kann c sehr klein gehalten werden.

Thermische Anemometer:

Bei thermischen Anemometern wird die Abkühlende Wirkung des Windes auf beheizte Systeme ausgenutzt. Ein erhitzter Draht oder Halbleiter oder ein Thermistor wird auf konstanter Temperatur (z.B. 120 °C) gehalten. Die dazu erforderliche Energiezufuhr wird ausgewertet.

Thermische Anemometer eignen sich vor allem für geringe Windgeschwindigkeiten. Die Messungen werden allerdings unbrauchbar, wenn Niederschläge auf die Sensoren treffen.

Windfahne:

Die Windfahne besteht aus einem mittels senkrechter Achse drehbaren Windrichtungsanzeiger. Die aktuelle Richtung wird als elektrisches Signal übertragen. Leitflächen und Gegengewicht sollten gut austariert sein. Reibungsverluste sind zu minimieren. Ein charakteristisches Maß für Einstellzeit und Auflösung ist der Dämpfungsgrad.

Orthogonal-Propelleranemometer:

Ein dreiarmiges Propelleranemometer gestattet die vektorielle Erfassung des Windes. Die Geschwindigkeit wird in drei Richtungen gemessen und über einen Prozessor ausgewertet.

Pilotballon:

Mit Hilfe eines Ballons der mit einer Sonde aufsteigt lassen sich Höhenprofile des Windes aufnehmen. Der Ballon wird während des Aufsteigens mit einem Theodoliten verfolgt.

Standort
Ein idealer Messort wäre 10 m über hindernisfreiem Gelände. Hindernisfrei heißt laut Festlegung, der Abstand zu einem Hindernis sei zehn Mal größer als seine Höhe. Kann dieser Forderung nicht entsprochen werden, ist ein höherer Messort zu wählen.

Geschwindigkeit und Richtung des Windes sind am gleichen Ort zu bestimmen. Eine gegenseitige Beeinflussung der Messfühler muss jedoch vermieden werden. Am günstigsten ist eine getrennte Messwertaufnahme. Das Anemometer befinde sich dabei 10 bis 50 cm über der Windfahne. Für den horizontale Abstand beider Instrumente werden etwa 150 cm empfohlen.

Messbereich, Messgenauigkeit und Kalibrierung

Die Kalibrierung des Anemometers erfolgt durch Vergleich mit einem Standardmessgerät über den gesamten Messbereich.

Die Windfahne muss nach der Aufstellung hinreichend genau eingenordet werden. Wenn dies praktisch nicht möglich ist, kann auch die Abweichung von der Nord-Orientierung ermittelt und als konstant Korrektur berücksichtigt werden.

Auswertung der Messwerte
Die Windgeschwindigkeit wird über mindestens 10 min gemittelt und einer Windrichtung zugeordnet.

Spitzengeschwindigkeiten werden als Böen registriert. Außer der Einheit m/s ist in der Meteorologie für die Windstärke die Skala nach Beaufort in Stufen von 0 bis 12 gebräuchlich.

Zur Angabe der Windrichtung wird häufig die Himmelsrichtung (N, NE, E, ...) verwendet. Dabei ist Norden mit 0 bzw. 360 ° definiert. Es existiert auch eine Einteilung in 30 ° Sektoren, welche im Uhrzeigersinn fortlaufend nummeriert 12 Klassen ergeben.

Bei der Bewertung der Daten ist auf zyklische Änderungen des Windes (eventuell im Tageslauf) zu achten. Ansonsten sind durchschnittliche Windgeschwindigkeit und Hauptwindrichtung über einen längeren Zeitraum von Interesse.