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Globale Mitteltemperatur erstes Programm

Tatsächlich kann die globale Mitteltemperatur nicht ermittelt werden. Es ist ähnlich wie bei der Mitteltemperatur der Badewanne: man kann die Wanne nicht mit Thermometern füllen, dann bleibt kein Raum für das Wasser übrig. Man muß sich damit behelfen, an wenigen Punkten die Temperatur zu messen und zwischen den Meßpunkten ein Profil anzunehmen. Damit gerät man in die Gefahr, wichtige Meßpunkte nicht zu erfassen, diese Gefahr kann mit einer großen Anzahl von Meßpunkten verringert, aber nicht vermieden werden.

Eine minimalistische globale Mitteltemperatur soll hier berechnet werden: wir verwenden nur die Temperaturwerte der Stationen Berlin-Tegel und Invercargill auf Neuseeland. Beide liegen fast auch einer Geraden durch den Erdmittelpunkt. Berlin-Tegel repräsentiert die Temperatur auf der Nordhalbkugel und Invercargill die auf der Südhalbkugel. Wir werden uns mit den Schwächen und Fehlern dieser Annäherung beschäftigen.

Möglicherweise sind die Mitteltemperaturen der einzelnen Stationen interessant. Auch diese rechnet das Programm aus.

Bei einer Mittelwertbildung gehen Informationen verloren: einerseits die der einzelnen Werte, vor allem die Information der Streubreite der betrachteten Größe. Mit einer Mitteltemperatur ist ein Klima nicht vollständig beschrieben, ein beständig gleich warmes Klima hätte den selben Mittelwert wie ein (um diesen Mittelwert) stark schwankendes Klima. Das Programm rechnet daher zusätzlich zu den Mitteltemperaturen die Standartabweichungen für alle Werte und die einzelnen Stationen aus.

Programm zur Berechnung einer globalen Mitteltemperatur

  1. Zuerst erstellen Sie ein Verzeichnis, in dem Sie dieses Programm laufen lassen wollen.
  2. In diesem Verzeichnis benötigen Sie die Quellcode-Dateien, d.h. die python3-Dateien "mitteltemperatur_simpel_haupt.py", "steuer.py", "temp_einlese.py", "rechner.py" und "ausgabe.py" sowie die Steuerdatei "steuer.txt" und die Eingabedatei "temp.dat" mit den Temperaturwerten in Ihrem Verzeichnis.
    • Am einfachsten ist es, das *.tar-Archiv herunterladen und im Zielverzeichnis zu entpacken. Das können Sie z.B. mit dem Konsolenbefehl tar -xf mitteltemperatur_simpel.tar oder mit einem Entpackprogramm wie Xarchiver machen. Das Archiv enthält die Quelldateien, die Datei mit den Temperaturen, die Steuerdatei und die Dokumentation des Programms als *.pdf.
    • Sie können aber auch jede Datei einzeln herunterladen. Dann müssen Sie jeweils den Punkt - also "." - im Dateinamen vor py ergänzen. Sie müssen die Dateinamen von "mitteltemperatur_simpel_hauptpy" in "mitteltemperatur_simpel_haupt.py", "steuerpy" in "steuer.py", "temp_einlesepy" in "temp_einlese.py", "rechnerpy" in "rechner.py" und "ausgabepy" in "ausgabe.py" ändern. Leider war es nicht möglich, die funktionierendem Dateiendungen beizubehalten, da der Server eine Fehlermeldung beim Anklicken ausgibt.
    Im *.tar-Archiv sind alle Dateiendungen richtig, die Programme sind sofort nach dem Entpacken lauffähig.
  3. Dann öffnen Sie ein Konsolenfenster in diesem Verzeichnis (rechter Mausklick im Fenster des Verzeichnisses, dann "Terminal hier öffnen" klicken).
  4. Führen Sie einen Virenscan über dieses Verzeichnis durch. Z.B. ich benutze clamscan mit dem Befehl clamscan -r -i. Sie können natürlich einen anderen Virenscanner benutzen.
  5. Dann wird das Programm gestartet:
    • Das kann mit dem Konsolanbefehl python3 mitteltemperatur_simpel_haupt.py geschehen.
    • Oder Sie starten die Python-Umgebung IDLE in der Konsole mit idle, öffnen die Datei "mitteltemperatur_simpel_haupt.py" über den Menüpunkt File -> Open. Dann öffnet sich ein weiteres Fenster mit dem Hauptprogramm. Dieses wird dann mit dem Menüpunkt run module gestartet.
  6. Es erscheinen die Steuerdaten in einer Message-Box.
  7. Nach einem Klick auf den "weiter"-Button unten berechnet das Programm eine globale Mitteltemperatur für den Zeitraum der Datenreihe sowie die Mittelwerte der jeweiligen Stationen Berlin und Invercargill. Ebenso werden die drei Standartabweichungen über alle Daten und jeweils über die Daten der einzelnen Stationen Berlin und Invercargill errechnet. Die Mitteltemperaturen und die Standartabweichungen werden auf der Konsole sowie in einer Message-Box angezeigt und in die Ausgabedatei "mitteltemp.dat" geschrieben.
  8. Klickt man auf den "weiter"-Button dieser Messagebox, dann erzeugt das Programm die Graphik der täglichen globalen Mitteltemperaturen.
  9. Nach einem Klick auf das Kreuz der Graphik rechts oben erscheint eine weitere Graphik, die neben den täglichen globalen Mitteltemperaturen auch die Mitteltemperaturen der einzelnen Stationen anzeigt.
  10. Klickt man auf das Kreuz der Graphik rechts oben, so verschwindet diese und das Programm wird beendet.
Dokumentation

Archiv für python
Hauptrogramm in python
Steuereinheit in python
Einleseeinheit in python
Recheneinheit in python
Ausgabeeinheit in python
Steuerdatei
Temperaturdatei

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Ergebnisdiskussion

Die in der Message-box angegebenen Mitteltemperaturen und Standartabweichungen sind:
Mitteltemperaturen:
Mitteltemperatur der Werte aus beiden Stationen 11.2171°C
Mitteltemperatur aus Berlin 12.9076°C
Mitteltemperatur aus Invercargill 9.5266°C

Standartabweichungen:

Standartabweichung der Werte aus beiden Stationen 6.4776 K
Standartabweichung der Werte aus Berlin 7.4175 K
Standartabweichung der Werte aus Invercargill 4.8174 K
Der hier berechneten globalen Mitteltempertur wohnen einige Fehler inne:

  • Die Rechnung ist natürlich richtig, aber wie wir aus der Schule wissen, darf man Ergebnisse, die auf Meßergebnissen ohne Nachkommastellen fußen, nicht mit 4 Nachkommastellen angeben. Wir benötigen eine Fehlerbetrachtung.
  • Die Anzahl der Meßstationen, auf der die Berechnung beruht, ist viel zu klein.
  • Die ausgewählten beiden Meßstationen liegen ungefähr gleich weit vom Äquator weg, so daß hier eine Auswahl stattfand. Damit werden größere Bereiche der Erde, z.B. die Tropen oder die Polargebiete, gar nicht berücksichtigt.
  • Invercargill meldete zwischen dem 28.04.2020 und dem 01.05.2020 keine Daten. Diese Datenlücke wurde übergangen, indem auch die berliner Daten dieses Zeitraumes nicht berücksichtigt wurden.

Weiterhin ist die Datenaufnahme unpraktikabel für große Datenmengen, die Temperaturen wurden einfach in eine Datei eingetippt.

Fehlerbetrachtung

Der absolute Fehler einer Temperaturmesseung muß mit ± 0.5 K angegeben werden, da die Datenreihen nur ganzzahlige Temperaturwerte beinhalten. Dieser Fehler pflanzt sich bei der Mittelwertbildung direkt fort, so daß auch die Mitteltemperatur mit einem absoluten Fehler von ± 0.5 K befrachtet ist.

Anforderungen an eine globale Mitteltemperatur

  • Die berechnete globale Mitteltemperatur soll der tatsächlichen globalen Mitteltemperatur nahekommen.
  • Die berechnete globale Mitteltemperatur soll ermöglichen, eine Änderung der globalen Mitteltemperatur aufzuzeigen, wenn diese passiert.
  • Dazu muß sie einen jahrzehntelangen Zeitraum abdecken, so daß mindestens zwei 30 jährige Zeitintervalle abgedeckt werden. Das Klima wird als Mittelwert der Wettergrößen an einem Ort über mindestens 30 Jahre definiert.
  • Während dieses Zeitraumes sollte sich die Umgebung der Stationen nicht ändern. Änderungen wären z.B. die Ausbreitung der Stadt zur Station hin oder die Anlage einer Asphaltbahn oder der Anstieg des Düsenverkehrs in der Nähe einer Flugplatzstation.
  • Die Stationsdaten müssen dem Berechnungsprogramm auf einem viel einfacheren Weg gegeben werden, am besten wäre es, wenn sich das Programm die Stationsdaten direkt aus dem Internet holt.
  • Quellen:
    Temperaturreihe Invercargill
    Temperaturreihe Tegel

    ps: es sei erwähnt, daß die Maori die Stadt Invercargill "Waihopai" nennen.