Beaufortskala

Die Beaufortskala ist eine Skala zur Klassifikation von Winden nach ihrer Geschwindigkeit. Es handelt sich um das am weitesten verbreitete System zur Beschreibung der Windgeschwindigkeit. Sie ist nach Sir Francis Beaufort benannt worden, allerdings hat er nur einen geringen Anteil an ihrer Entwicklung gehabt. Der umgangssprachliche Begriff Windstärke für die Klassifikation nach der Beaufortskala wird insbesondere von Laien sehr unscharf benutzt und kann die Beaufortskala meinen, aber auch Windgeschwindigkeit („Windstärke zehn Knoten“), Windkraft („Windstärke zehn Newton“), Winddruck („Windstärke zehn Kilogramm pro Quadratmeter“) oder die gefühlte Stärke des Windes (Leichtwindstärke, Sturmwindstärke, usw.). In der Nautik, Luftfahrt und Meteorologie ist mit Windstärke immer ein ganzzahliger Wert der Beaufortskala gemeint, es sei denn, es wird ausdrücklich eine andere Skala bezeichnet, z. B. eine Hurrikan- oder Tornadoskala.

Die Ausdrücke Windstärke und Stärke des Windes sind klar voneinander zu trennen. In fachlichen Texten wie Wettervorhersagen oder Logbüchern wird die Verwendung der Beaufortskala nicht erwähnt, sondern vorausgesetzt, dass die Nennung der Windstärke ohne Einheit erfolgt: SW5-6 als Südwestwind der (Beaufortskalen-) Windstärke fünf bis sechs, gesprochen „Südwest fünf bis sechs“. Die Windgeschwindigkeit wird traditionell in Knoten angegeben, wobei sich in modernen meteorologischen Facharbeiten langsam m/s durchsetzt und in allgemeinen Veröffentlichungen, wie Fernsehwettervorhersagen, zumeist km/h verwendet wird.

Anwendungsbereich

Zwischen Windgeschwindigkeit $ v $ und Beaufort-Stärke B (kaufmännisch gerundet) besteht dabei nach der Revision der Beaufortskala von 1946 folgender Zusammenhang^[1]:

$ v=0{,}8360\mathrm {~m/s} \cdot B^{3/2}\ $

oder aufgelöst nach B:

$ B=\left({\frac {v}{0{,}8360\mathrm {~m/s} }}\right)^{2/3} $

wobei v die Windgeschwindigkeit 10 Meter über der Oberfläche ist. Die erste der Formeln wurde 1913 vom Britischen Wetterdienst als nationaler Standard festgelegt und als internationaler Standard 1914 vorgeschlagen (der Vorschlag wurde abgelehnt). Sie basiert auf einer Untersuchung des späteren Wetterdienstdirektors Sir George Clarke Simpson aus dem Jahre 1905/6, die jedoch auf der Basis von Meilen pro Stunde veröffentlicht wurde. Für andere Einheiten gilt angenähert:

$ v=1{,}625\mathrm {~kn} \cdot B^{3/2}={\frac {13}{8}}\mathrm {~kn} \cdot B\cdot {\sqrt {B}} $

bzw.

$ v=3{,}010\mathrm {~km/h} \cdot B^{3/2}\approx 3\mathrm {~km/h} \cdot B\cdot {\sqrt {B}} $

Ein vereinfachter Zusammenhang lautet:

$ B\approx {\frac {v+10{\mbox{ kn}}}{6{\mbox{ kn}}}} $

(Diese Annäherung führt bei Windstärken zwischen 3 und 10 Bft zu Fehlern < 0,5 Bft. Unter praktischen Bedingungen oder bei Messungen mit handelsüblichen Geräten ist dieser Fehler jedoch meisten vernachlässigbar.)

Da es unüblich ist, mit Bruchteilen oder Dezimalbrüchen von Windstärken zu arbeiten, gilt es, die unteren und oberen Grenzen der ganzzahligen Windstärken nach einer der genannten Formeln zu berechnen. Dabei werden die Grenzwerte in den Einheiten Knoten,  km/h und  Mph auf ganze Zahlen und die Werte in  m/s auf genau eine Dezimalstelle gerundet. Obergrenzen werden ab-, Untergrenzen werden aufgerundet. Windstärke 9 Bft, das heißt B zwischen 8,5 und 9,4, entspricht also einer Windgeschwindigkeit zwischen 20,8 und 24,4 m/s, 10 Bft entsprechend 24,5 bis 28,4 m/s usw.

Tatsächlich stellt die Berechnungsformel nur den „kleinsten gemeinsamen Nenner” dar, bei den Versuchen auf zahlreichen internationalen meteorologischen und geophysikalischen Konferenzen zwischen 1914 (in Rom) und 1970 eine gemeinsame Basis für eine einheitlich Wettervorhersage zu schaffen, da seit dem Untergang der Titanic jede seefahrende Nation zur Verbreitung von aktuellen Wetterberichten vor ihren Küsten verpflichtet wurde. Gegenstand der Verhandlungen war neben den Grenzwerttabellen selbst das jeweilige Meßverfahren, wechselnde Meßhöhen oder Meßzeiten und andere Formalitäten. Einigkeit erzielte man erstmals 1926 mit der Wiener Skala, die sich aus den arithmetischen Mittelwerten der britischen Simpsonskala und der international verbreiteten, älteren Skala der Deutschen Seewarte Hamburg errechnete. 1946 übernahm man die Simpsonskala von 1906 bzw. 1913 als sogenannte Pariser Skala, um diese dann 1947 nach der Berechnungsformel bis Windstärke 17 für die Beschreibung von Hurrikans zu erweitern. Diese wurde dann 1949 mit der Bestimmung, Windgeschwindigkeiten haben in Knoten gemessen zu werden, als Washington Code bestätigt. 1960 wurde die Erweiterung auf 17, zeitweilig sogar inoffiziell auf 23 Windstärken zurückgenommen, da die Luftfahrt kompett aus der Beaufortskala ausgestiegen war, die Meteorologie eigene Hurrikanskalen entwickelte und die Seefahrt mit 12 Windstärken auskam.

In extremen Fällen oder für Stürme auf anderen Planeten, etwa dem Mars, wird die Windgeschwindigkeit direkt in einer geeigneten Einheit angegeben.

Der Winddruck steigt mit dem Quadrat der Windgeschwindigkeit und damit mit dem Kubus der Beaufort-Windstärke. Da die Beaufortskala jedoch nur die Geschwindigkeit und nicht die von der Höhe und der Temperatur abhängige Luftdichte berücksichtigt, ist die Zuordnung von Beaufort-Windstärke und Winddruck nicht eindeutig. Ein Sturm mit z. B. Beaufort 11 auf einem 6000 Meter hohen Berg entwickelt nur etwa den halben Winddruck wie ein Sturm der gleichen Beaufort-Stärke auf Meereshöhe.

Die in Wetterkarten und Wetterberichten angegebenen Windstärken beziehen sich nicht auf die Spitzenböen (die leicht doppelt so stark sein können), sondern auf einen 10-minütigen Mittelwert. Davon unterscheidet sich die Vorgehensweise bei der Wettervorhersage, insbesondere die Seewettervorhersage bzw. Windvorhersage. Hier werden aus Haftungsgründen^[2] die Windstärken der zu erwartenden, stärksten Böen angegeben. Typische Formulierungen z.B. des Deutschen Wetterdienstes lauten: „Vorhersage für die Deutsche Bucht: Nordwest bis West 4 bis 5, einzelne Schauerböen.”^[3] Dabei verweist der Begriff Schauerböen erstens auf möglichen Regen, zweitens auf mögliche Sichtbehinderungen und drittens darauf, dass sich der Seewetterdienst von jeglicher Windstärkenvorhersage unter Wolken distanziert. Im Öffentlich-Rechtlichen Rundfunk, z.B. dem Deutschlandfunk, wird Letzteres irreführend mit einem pauschalen Böenaufschlag von ein bis zwei Windstärken übersetzt: „Der Seewetterdienst Hamburg teilt mit: Deutsche Nordseeküste: Nordwest bis West 6, Böen bis 8. Deutsche Ostseeküste: West 6 bis 7, Böen bis 9.”^[4] Die Windstärkenvorhersage im Rahmen der verschieden „Fernsehwetterberichte” erhebt im Allgemeinen keinen Anspruch auf quantitative Richtigkeit, sondern soll dem Konsumenten veranschaulichen, ob mit mehr oder weniger Wind zu rechnen ist. Dies ist jedoch den Umständen geschuldet, dass eine genaue lokale Windvorhersage über 24 Stunden durch eine einzige Zahl mit globalen Methoden ohnehin praktisch unmöglich ist und dass die „Wetterpräsentation” nach den politischen und Sportnachrichten einen überwiegend unterhaltenden Charakter haben soll.

Auf der Suche, was neben dem Quadrat für den Staudruck die dritte Potenz in der Formel für eine praktische Bedeutung haben könnte, stößt man auf das Widerstandsmoment im Querschnitt biegebelasteter Stäbe. Es ändert sich mit der dritten Potenz des Durchmessers bei runden bzw. des Trägheitsradius bei beliebigen Querschnitten. Das führt im Sinne von Beaufort zu der praktisch-anschaulichen und auch auf Landobjekte übertragbaren, freilich um weitere Bedingungen verkürzten, Aussage: Bei gleicher Besegelung bricht doppelte Windstärke doppelte Mastdurchmesser.

Geschichte

Der Ingenieur John Smeaton entwickelte erstmals ein Messverfahren.

Die Beaufortskala stammt nicht von Francis Beaufort (1774–1857). Bereits Tycho Brahe hatte versucht, die Windstärken zu kategorisieren. Der Ingenieur John Smeaton charakterisierte sie erstmals durch ihren Effekt auf Windmühlenflügel. Seine 1759 veröffentlichte Tabelle enthielt elf Windstärken (Windstille nicht mitgezählt), jede Windstärke beschrieb er durch ihre Wirkung auf die Umgebung, etwa dass ein Orkan Bäume ausreiße und Gebäude zerstöre. Dazu gab er jeweils die Windgeschwindigkeit und den Winddruck an. In einem Manuskript von 1790 wird Smeatons Skala zu neun Windstärken zusammengefasst, die durch ihre Wirkung auf eine Windmühle charakterisiert wurden. So war eine „Brise“ etwa dadurch definiert, dass sie die Äste eines Baumes bewegen konnte und ein Mühlenflügel pro Minute sechs bis neun Umdrehungen zurücklegte.

Von großen Handelsunternehmen wie der East India Company sowie der Kriegsmarine wurden zu Beauforts Zeit die Logbücher der zurückkehrenden Kapitäne systematisch ausgewertet, unter anderem um Hinweise auf günstige Windverhältnisse zu erhalten. Die damals üblichen Bemerkungen wie „mäßiger Wind“ waren jedoch nicht standardisiert und deswegen nicht vergleichbar. Das Problem bestand darin, dass Wind auf See – an Bord eines Segelschiffs, das sich mit dem Wind fortbewegte – nicht direkt gemessen werden konnte und an sich unsichtbar war. Verschiedene Forscher versuchten deshalb, den Wind durch seine Auswirkungen zu charakterisieren.

Der damalige Hydrograf der „East India Company“ und ab 1795 Erste Hydrograf der Admiralität, Alexander Dalrymple, machte Smeatons Skala in der Seefahrt bekannt. Dalrymples Version enthielt zwölf Windstärken (wieder ohne Windstille), die von 1 „schwacher Luftzug“ bis 12 „Sturm“ reichten. Dalrymple publizierte seine eigene Skala, die ausdrücklich für die Verwendung in Logbüchern vorgesehen war, 1779 in einer Broschüre und 1790 in dem Buch Practical Navigation.

Steven Pearce: Sir Francis Beaufort

Beaufort lernte Dalrymples Skala vermutlich bereits durch dessen Broschüre von 1779 kennen. Zeit seines Lebens führte er ein umfangreiches Tagebuch, in dem er unter anderem das Wetter festhielt. Am 12. oder 13. Januar 1806 trug er hier die Worte ein: „Fortan werde ich die Stärke des Windes gemäß folgender Skala schätzen, denn nichts vermittelt eine unklarere Vorstellung von Wind und Wetter als die alten Ausdrücke mäßig und bewölkt, etc. etc.“ Es folgt eine Skala von 1 bis 13, die von „Windstille“ bis „Sturm“ reicht. Am 14. September 1807 legte er ein neues Tagebuch an, in dem er – wie üblich – auf dem Vorsatzblatt die Windskala notierte, die er zu verwenden gedachte. Kurz darauf verbesserte er die Skala, indem er hinzufügte, wie sich die Windstärke an den Segeln einer vollgetakelten Fregatte erkennen ließ. So herrscht etwa Windstärke 5, wenn Marssegel, Bramsegel, Royal, Flieger und Stagsegel gehisst bleiben können, bei Windstärke 7 müssen die drei obersten Segel gerefft werden.

Nachdem Beaufort 1829 Hydrograf der Admiralität geworden war, gab er seine verbesserte Skala an alle weiter, die sich dafür interessierten. Sie wurde 1832 im Nautical Magazine der Admiralität veröffentlicht. 1837 wurde die Skala bereits im gesamten Vermessungsdienst eingesetzt, und Ende 1838 gab die Admiralität eine Anweisung heraus, mit der sie verbindlich eingeführt wurde. Diese Skala trug jedoch keinen Namen und wurde lediglich als das „beigefügte Schema“ bezeichnet. Auch in den ausführlichen Nachrufen aus Anlass von Beauforts Tod wird an keiner Stelle eine Windskala erwähnt.

Erst 1906 schuf der britische Wetterdienst die Version der Skala mit 13 Stufen (inkl. 0), die als Beaufortskala bekannt geworden ist (in der folgenden Tabelle die Skala mitsamt der Spalte „Wirkung an Land“). Hier wird etwa Windstärke 0, also Windstille, dadurch charakterisiert, dass Rauch vertikal aufsteigt. Bei Windstärke 2, einer „leichten Brise“, wird der Wind auf dem Gesicht spürbar und Blätter rascheln. Dazu wird die jeweilige Windgeschwindigkeit angegeben. In dieser Version ist die Beaufort-Skala in zahlreiche Wörterbücher und Enzyklopädien aufgenommen worden. 1927 formulierte der deutsche Kapitän Peter Petersen die ursprüngliche Skala von Beaufort für Zwecke der Seefahrt um, weil Segel in der Schifffahrt keine große Rolle mehr spielten. In der Petersen-Seegang-Skala wird die Wirkung des Windes auf die See beschrieben (in der Tabelle die Skala mitsamt der Spalte „Wirkung auf dem Meer“, siehe auch die folgenden Bilder). So bilden sich bei Windstärke 6, „starker Wind“, große Wellen von 2,5 bis 4 Meter Höhe, überall sind ausgedehnte, weiße Schaumkämme zu sehen; es gibt etwas Gischt.

1935 wurde die Beaufortskala auf der Ersten Internationalen Meteorologischen Konferenz in Brüssel als allgemein gültig angenommen. 1949 wurde die Skala auf Beschluss der Internationalen Meteorologischen Organisation um die folgenden fünf auf 18 Stufen (inkl. 0) erweitert ^[5]:

• Windstärke 12 : Windgeschwindigkeit: 118–133 km/h; statt bisher > 117
• Windstärke 13 : Windgeschwindigkeit: 134–149 km/h
• Windstärke 14 : Windgeschwindigkeit: 150–166 km/h
• Windstärke 15 : Windgeschwindigkeit: 167–183 km/h
• Windstärke 16 : Windgeschwindigkeit: 184–202 km/h
• Windstärke 17 : Windgeschwindigkeit: > 202 km/h

Im Jahre 1970 führte die Nachfolgeorganisation World Meteorological Organization wieder die alte 12-teilige Skala ein. Von der Beaufortskala – das heißt, mitsamt der Beschreibung nach phänomenologischen Kriterien – gibt es jedoch keine verbindliche Version, sodass sie in vielen verschiedenen Varianten verwendet wird. Professionelle Meteorologen messen die Windgeschwindigkeit direkt mit einem Anemometer und greifen nur im Notfall auf die Beaufortskala zurück.

1971 veröffentlichte Theodore Fujita von der Universität Chicago für Windgeschwindigkeiten, die über die Beaufort-Skala hinausgehen, die Fujita-Tornado-Skala von F0 bis F5. Bei dieser Windstärke können sogar asphaltierte Straßen vom Boden „gesaugt“ werden. Außerdem ist noch die Saffir-Simpson-Hurrikan-Skala im Gebrauch, die Hurrikane in fünf Kategorien einteilt. Die Japan Meteorological Agency und die beiden Regional Specialized Meteorological Centres im nördlichen und südwestlichen Indik wenden davon abweichende Wirbelsturmskalen an. Für den südlichen Pazifik und die australische Region nutzen die dortigen Tropical Cyclone Warning Centers die Skala des australischen Bureau of Meteorology an; diese basiert auf einer Erweiterung der Beaufortskala.

Beaufort-Skala nach phänomenologischen Kriterien

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Beaufort-Skala und Windgeschwindigkeiten

Diagramm

Einzelnachweise

Literatur

• Alfred Friendly: Beaufort of the Admiralty. The Life of Sir Francis Beaufort 1774–1857. Random House, New York NY 1977, ISBN 0-394-41760-7.
• Nicholas Courtney: Gale Force Ten. The Life and Legacy of Admiral Beaufort, 1774–1857. Review, London 2002, ISBN 0-7472-7210-7.
• Scott Huler: Die Sprache des Windes. Wie ein Admiral aus dem 19. Jahrhundert Wissenschaft in Poesie verwandelte. mareverlag, Hamburg 2009, ISBN 978-3-86648-114-5.

Weblinks

Commons: Beaufortskala – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Erweiterte Beaufortskala bis einschließlich Windstärke 17