Globalstrahlung

Grundlagen

Messverfahren

Die am Boden ankommende Sonnenstrahlung, bezogen auf die horizontale Fläche, wird Globalstrahlung genannt. Sie setzt sich aus der direkten, schattenwerfenden Sonnenstrahlung und aus der diffusen, aus dem Himmelshalbraum gestreuten Sonnenstrahlung zusammen und wird mit einem horizontal ausgerichteten Pyranometer gemessen. Als Messfühler wird dabei eine Thermosäule (sog. Solarimeter nach Moll-Goprczynski) aus hintereinandergeschalteten Thermoelementen verwendet. Die geschwärzte Empfangsfläche der aktiven Lötstellen absorbiert die einfallende Strahlung und erwärmt sich gegenüber den passiven Lötstellen im Pyranometerkörper. Die durch die Temperaturdifferenz erzeugte Thermospannung ist ein Maß für die empfangene Strahlung. Eine halbkugelförmige Glashaube schützt die Thermosäule vor Witterungseinflüssen und filtert gleichzeitig die Wärmestrahlung der Atmosphäre.

Um den verhältnismäßig hohen Aufwand an Kosten und Wartung für Nachführgeräte bei der Messung der direkten Sonnenstrahlung zu vermeiden, wird die Messung der diffusen Sonnenstrahlung mit einem Pyranometer bevorzugt, dessen Empfangsfläche im Tagesverlauf durch einen Schattenring gegen die direkte Sonnenstrahlung abgeschattet wird. Die Messwerte werden anschließend mittels eines Korrekturfaktors für die Schattenringverluste korrigiert. Die Differenz zwischen Global- und diffuser Sonnenstrahlung ergibt die direkte Sonnenstrahlung.

Daten

Die Globalstrahlung wird an 42 Stationen des Strahlungsmessnetzes des Deutschen Wetterdienstes gemessen (in Hessen in Kassel, Gießen und Geisenheim). An 25 Stationen wird gleichzeitig die diffuse Sonnenstrahlung registriert (in Hessen in Kassel und Geisenheim). Beide Strahlungsgrößen werden als Stundensummen in der Maßeinheit J/cm² archiviert und können zur genauen Berechnung der Globalstrahlung auf beliebig geneigte und ausgerichtete Empfangsflächen in der Solarenergietechnik benutzt werden [1]. Bei der im Verhältnis zur Dichte der Sonnenscheindauerstationen geringen Zahl von Strahlungsstationen in Deutschland ist eine Flächenverteilung der punktuell gewonnenen Globalstrahlungsdaten problematisch. Es werden daher zur Verdichtung der Flächenverteilung aus Messungen des Satelliten METEOSAT abgeleitete Daten [2] verwendet, die mit zeitlichen Lücken seit etwa 1986 in einer räumlichen Auflösung von 8 km x 8 km monatlich routinemäßig beim Deutschen Wetterdienst vorliegen.

Karten

Mittels Höhenregression und Geostatistik (Kriging) lassen sich unter Verwendung einer digitalen Geländedatei die Boden- und Satellitendaten miteinander verknüpfen, interpolieren und Karten der mittleren monatlichen Tagessummen der Globalstrahlung in einer räumlichen Auflösung von 1 km x 1 km herstellen [3]. Die vorliegende Karte der mittleren jährlichen Globalstrahlung entsteht durch Addition dieser 12 Monatskarten. Sie spiegelt die unterschiedlichen Klimazonen wider, da die Globalstrahlung auf sämtliche Klimaparameter maßgeblich einwirkt. Daneben beeinflussen die verschiedenen Luftmassen maritimen und kontinentalen Ursprungs mit ihren unterschiedlichen optischen Eigenschaften sowie die regionale Orographie die einfallende Globalstrahlung. So lässt sich eine grobe Zweiteilung des Strahlungsklimas in Hessen erkennen. Eine Zone hoher Sonneneinstrahlung, zum einen bedingt durch die Lage im Lee der Mittelgebirge, zum anderen durch den schon überwiegend kontinentalen Klimaeinfluss, umfasst das südliche Hessen. Eine größere, strahlungsarme Zone erstreckt sich in einem Bogen von den Ausläufern des Rothaargebirges über den Reichswald zum Meißner. Ursache dafür ist der Stau der hauptsächlich aus westlichen und nordwestlichen Richtungen anströmenden maritimen Luftmassen an den nördlichen Bergketten, der zu verstärkter Wolkenbildung und damit zu niedrigerer Sonneneinstrahlung führt.

Die mittleren Jahressummen der Globalstrahlung bewegen sich in Hessen zwischen 963 kWh/m² in Waldeck bis zu 1087 kW/m² im Raum Bürstadt in der Rheinebene, um den Mittelwert von 1039 kWh/m² mit einer mittleren Schwankungsbreite, bezogen auf das Vertrauensniveau 95% (doppelte Standardabweichung), von etwa 46 kWh/m².

Trenduntersuchungen

Einen Hinweis auf das Trendverhalten der Globalstrahlung in Hessen liefern Untersuchungen der vorliegenden Messreihen an den drei Stationen Geisenheim, Gießen und Kassel. In Abbildung 1 sind die Jahressummen der Globalstrahlung und ihre lineare Änderung im Laufe des Messzeitraums von 1977 bis 2000 für die Station Geisenheim dargestellt. Stationaritätstests weisen diese Zeitreihe mit einer Irrtumswahrscheinlichkeit von <1 % als instationär aus und die Steigung der Regressionsgeraden ist signifikant größer Null. Die Zeitreihe hat, wie der Mann-Kendall-Test bestätigt, einen positiven Trend. Die jährliche Zunahme, bezogen auf den 24-jährigen Zeitabschnitt, aus dem Messungen vorliegen, beträgt etwa 0,7 %. Die vorhandenen Zeitreihen der Stationen Gießen und Kassel aus dem Zeitraum 1981-2000 weisen einen Trend mit einer Irrtumswahrscheinlichkeit von >10 % bzw. keinen Trend auf. Allerdings ist dieser Zeitraum statistisch zu kurz, um eindeutige Trendaussagen machen zu können [4].

Abb 1: Jahressummen der Globalstrahlung und ihre lineare Änderung

Literaturhinweise

[1] The European Solar Radiation Atlas. Les Presses de l'Ecole des Mines, Paris, 2000. ISBN:2-911762-22-3.

[2] Möser, W., Raschke, E.: Incident solar radiation over Europe estimated from METEOSAT data. J. Appl. Meteor., 23, pp. 166-170.

[3] Klimaatlas von Bayern. Bayerischer Klimaforschungsverbund (BayFORKLIM). Met. Inst. der Universität München, 1996. ISBN: 3-00-000638-9.

[4] Liepert, B.G.: Regionale Klimadiagnose mittels Messungen der solaren Strahlung. Münchner Universitätsschriften, Wiss. Mitteilung Nr. 69, München, 1996. ISSN: 0463-9707.