Meteorologie I. Susanne Crewell. Meteorologisches Institut Ludwig-Maximillians-Universität München. Wintersemester 2004/2005

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1 Meteorologie I Susanne Crewell Meteorologisches Institut Ludwig-Maximillians-Universität München Wintersemester 2004/2005

2 Organisatorisches Zur Vorlesung: 3-semestriger Zyklus ein Leistungschein ist Pflicht für Hauptfächler - Übungen (50 %) - Klausuren (50%) Übungstermine (Maria Peristeri, Ulrich Löhnert) Zusammensetzung der Teilnehmer - Studienfach/Fachsemester - mathematische Vorkenntnisse - Programmierkenntnisse Vorlesungsmaterial - Kraus: Die Atmosphäre der Erde (ca. 35 Euro) - Skripts und Kopien der Vorlesung und der von Roger Smith Lehre Manuskripte user: meteo passwd: download

3 Gliederung der Vorlesung Allgemeines Einführung Meteorologische Elemente Thermodynamik der Atmosphäre Dynamik der Atmosphäre Synoptische Meteorologie Aerosol- und Wolkenphysik, Gewitter Allgemeine Zirkulation und Klima Met I Met II Met III

4 Gliederung der Vorlesung I 1. Einführung 1.1 Physikalische Einheiten 1.2 Meteorologische Elemente 1.3 Der Feldbegriff in der Meteorologie 1.4 Vektoren-Operationen und Ableitungen 1.5 Die meteorologischen Grundgleichungen 1.6 Skalenbetrachtungsweise 2. Meteorologische Elemente 2.1 Luftdruck und Luftdichte Zusammensetzung der Luft Gasgleichung für ideale Gase Dalton'sches Gesetz Barometrische Höhenformel Druckmessung 2.2 Windgeschwindigkeit Definition Windmessung Änderung von Größen mit den Feldkoordinaten Transport von spezifischen Eigenschaften Die Begriffe Haushalt und Advektion 2.3 Temperatur 1. Vorlesung 1. Übung Definition der Temperatur (Hauptsätze der Thermodynamik) Adiabatische Zustandsänderungen Haushalt und Flussdichten "fühlbarer Wärme" Temperaturmessung

5 Gliederung der Vorlesung II 2. Meteorologische Elemente 2.4 Feuchtemaße Die verschiedenen Feuchtemaße Wasserdampftransporte Temperatur- und Feuchtefelder nahe am Erdboden Feuchtemessung 2.5 Strahlung Meteorologisch wirksame Strahlung Strahlungsgesetze Solare und terrestrische Strahlung Phänomenologie der Strahlungsflußdichten Optische Erscheinungen in der Atmosphäre 3. Thermodynamik der Atmosphäre 3.1 Adiabatische Prozesse mit Kondensation 3.2 Temperaturschichtung und Stabilität 3.3 Beispiele (Rauchfahnenformen, Wolkenentstehung, Grenzschicht,..) 3.4 Thermodynamische Diagrammpapiere Auswertehilfe für Vertikalsondierungen (Radiosonden) 3.5 Phänomene (Wolken, Nebel,Niederschlag,..)

6 Allgemeines Was ist Meteorologie? Wo und was arbeitet ein Meteorologe? Das Studium der Meteorologie Das Meteorologische Institut der Universität München - AG Theoretische Meteorologie Prof. Joseph Egger - AG Meso- und Mikroskalige Meteorologie Prof. Roger Smith - AG Strahlung und Fernerkundung Prof. Susanne Crewell

7 Was ist Meteorologie? Meteor = das in der Luft Befindliche Meteorologie von Aristoteles ( B.C.) behandelt die Naturphänomene zwischen Erde und Himmel. Meteorologie ist die Wissenschaft von der Atmosphäre Meteorologie erforscht den Zustand der Atmosphäre(n). Meteorologie untersucht die Mechanismen, die die Atmosphäre in ihrem komplexen Bewegungszustand halten. Meteorologie entwickelt Modelle, um den Zustand der Atmosphäre(n) vorherzusagen. Meteorologie ist die Lehre von den physikalischen und chemischen Vorgängen in der Atmosphäre sowie ihren Wechselwirkungen mit der Erdoberfläche und dem Weltraum.

8 Meteorologie ist die Lehre von den physikalischen und chemischen Vorgängen in der Atmosphäre sowie ihren Wechselwirkungen mit den anderen Komponenten des Klimasystems und dem Weltraum. Hydrosphäre Atmosphäre Biosphäre KyrosphäreLithosphäre Simulation Lokalmodell des DWD., Felix Ament2002

9 Das Klimasystem

10 Thermische Strahlung je wärmer ein Körper - desto intensiver ist die emittierte Strahlung thermische Ausstrahlung (Stefan-Boltzmann-Gesetz) - desto kürzer ist die Wellenlänge der emittierten Strahlung (Planck-Gesetz)

11 Das elektromagnetische Spektrum Das solare Spektrum

12 Das terrestrische Spektrum thermische Ausstrahlung von Erdoberfläche, Gasen und Hydrometeoren

13 Solares und terrestrisches Spektrum

14 Energiebilanz im Klimasystem KIEHL J., and K. TRENBERTH, 1997: Earth s annual global mean budget. Bull. Am. Met. Soc., 78,

15 Treibhauseffekt Wärmestrahlung 236 Wm Wm 2-18 C 15 C 236 Wm 2 Ohne T-Gase

16 Aktuelle meteorologische Probleme Wetterphänomene Wettervorhersage, z.b. DFG Schwerpunktprogramm "Quantitative Niederschlagsvorhersage"; Hurrikanvorhersagen Klima und Klimaänderung (natürlich und anthropogen), Gremium zur Politikberatung: International Climate Change Panel (ICCP) Luftverschmutzung, z.b. Atmosphärenchemie und Ausbreitungsrechnungen Ozonproblematik: stratosphärischer Ozonverlust und Ozonsmog in der bodennahen Luft

17 Struktur der Atmosphäre Stockwerke Meridionalzirkulation Stratosphäre geschichtet Troposphäre durchmischt

18 Wetterphänomene auf verschiedenen Skalen Tropischer Wirbelsturm Planetare Wellen Planetare Wellen Tornado

19 Teilgebiete der Meteorologie Meteorologie wird umfassend unterteilt nach Allgemeine Meteorologie (Grundgesetze und Phänomene) Theoretische Meteorologie (Hydrodynamik, Thermodynamik, Strahlungstransport, Turbulenztheorie) Experimentelle Meteorologie (Messungen+ Experimente) - insitu Messungen und Fernerkundung - Radar- und Satellitenmeteorologie - Flugzeug- und Ballonmessungen Angewandte Meteorologie (gezielte Nutzung meteorologischer Erkenntnisse) - Verkehrsmeteorologie (DLR) - Agrarmeteorologie - Biometeorologie (UV-Wirkung auf den Menschen) - Georisiken (Münchner Rückversicherung)

20 Teilgebiete der Meteorologie Unterteilung nach spezifischen Räumen - Aeorologie (höhere Luftschichten) - Aeronomie (speziell die Hochatmosphäre) - Grenzschicht-Meteorologie (bodennahe Luft bis ca 2 km) - Mikrometeorologie (untersten ca. 2 m) - Maritime, Alpine, Glaziale, Polare, Mittlere Breiten und Tropische Meteorologie (Meteorologie über bestimmten Regionen) spezifischen Raumskalen - z.b. Meso-, regionale, Mikro-Meteorologie nach experimentellen Techniken - z.b. Satelliten-, Radar-, Lidar-Meteorologie...oder nach anderen zweckmäßigen Gesichtspunkten z.b. Energetik, Allgemeine Zirkulation, Wolkenphysik,...

21 Diplom-Meteorologe/Meteorologin 10 Universitäten (Diplom (Master)) Abschlüsse/Jahr Wetterdienste - überstaatlich, z.b. European Centre of Medium Range Weather Forecasting - staatlich, z.b. Deutscher Wetterdienst und Bundeswehr -privat ) Forschungsinstitute, z.b. DLR, GKSS, Karlsruhe, Jülich,.. Hochschulen Satellitenentwickler/-betreiber, z.b. EUMETSAT, ESA, Umweltämter vielerlei andere Möglichkeiten, z.b. Lufthansa, TÜV Umstellung auf Bachelor/Master System

22 Ziele des Meteorologiestudiums - und der meteorologischen Forschung - Verständnis für Zustand der Atmosphäre und die Mechanismen, die sie in ihrem komplexen Bewegungszustand hält Hilfsmittel: Mathematik+Physik+Chemie Grundprinzipien (z.b. Gesetze von Newton, Planck etc.) Grundgleichungen (z.b. Bewegungsgleichung) Integration in Modelle: z.b. Wettervorhersagemodelle Klimamodelle Wolkenmodelle Strahlungsmodelle Schadstoffausbreitungsmodelle

23 Praktische Ziele der Vorlesung Hauptziele Überblick über das Fach Meteorologie Wissen für Vordiplomsprüfung Grundlagen für Nebenfächer Anleitung zum meteorologischen Denken Nebenziele Erlernen der Meteorologensprache Erweckung/Aufrechterhaltung von Interesse

24 Studium der Meteorologie Diplom in Meteorologie, demnächt Umstellung Semester Grundlagen Physik 37 SWS Grundlagen Mathematik 24 SWS Grundlagen Meteorologie 8 SWS mündl. Prüfung in 4 Gebieten 9. Semester 6 Monate Diplomarbeit Semester Theoretische Meteorologie 24 SWS Physik der Atmosphäre 16 SWS Meteorolog. Instrumente 4 SWS Seminare 4 SWS Exkursion 6 SWS Physik 10 SWS Mathematik 6 SWS Wahlnebenfach 12 SWS mündl. Prüfung in 4 Gebieten

25 Meteorologisches Institut München (MIM) im Department für Physik Permanente Stellen (2004) Professoren 4 Assistenten 5 Wissenschaftler 5 Sekretariat 3 Messungen 3 Computer 3 Werkstatt 2 Drittmittelförderung Postdocs 9 Doktoranden 15 Studenten ca

26 Arbeitsgruppen am MIM Prof. Dr. Joseph Egger Theoretische Meteorologie Regionale Klimamodellierung, Gebirgseffekte, Globaler Drehimpuls Prof. Dr. Roger Smith Tropische Meteorologie, Meso- und Mikrometeorologie Tropische Zyklonen, Hitzetröge, Subtropische Kaltfronten Tropische Wolkenlinien, Seewind Prof. Dr. Susanne Crewell Strahlung und Fernerkundung Bodengebundene Fernerkundung (Mikrowellenradiometrie, Lidar, Radar,..), Sensor-Synergie, Aerosol, Evaluierung von Wettervorhesage- und Klimamodellen

27 1. Einführung 1.1 Physikalische Einheiten - SI-Einheiten - Abgeleitete SI-Einheiten - Vielfache und Bruchteile von Einheiten - Dimensionsanalyse 1.2 Meteorologische Elemente 1.3 Der Feldbegriff in der Meteorologie 1.4 Vektoren-Operationen und Ableitungen 1.5 Die meteorologischen Grundgleichungen 1.6 Skalenbetrachtungsweise

28 SI-System Système International d Unités = SI-System Bei Auswertung physikalische Gleichungen müssen alle Variablen und andere Terme im selben Einheitensystem eingegeben werden. Beispiel: 2. Newtonsche Axiom: Kraft = Masse x Beschleunigung (F=ma) Basisgröße Länge Masse Zeit el. Stromstärke Temperatur Stoffmenge Lichtstärke Name Meter Kilogramm Sekunde Ampere Kelvin Mol Candela Symbol m kg s A K mol cd

29 Abgeleitete SI-Einheiten Aus den Basisgrößen können weitere SI-Einheiten abgeleitet werden: abgeleitete SI-Einheit Fläche Volumen Frequenz Kraft (=MassexBeschleunigung) Druck (=Kraft/Fläche) Energie (=Arbeit=KraftxWeg) Leistung (Energie/Zeit) el. Spannung Name Quadratmeter Kubikmeter Hertz Newton Pascal Joule Watt Volt Symbol m 2 m 3 Hz = s -1 N = kg ms -2 Pa = N m -2 = kg m -1 s -2 J = N m = kg m 2 s -2 W = Js -1 = kg m 2 s -3 V = WA -1 = kg m 2 s -3 A -1

30 Vielfache und Bruchteile Für Vielfache der Basis- und abgeleiteten Einheiten gelten folgende Bezeichnungen: Vielfaches Name Symbol Bruchteil Name Symbol Tera T 10-1 Dezi d 10 9 Giga G 10-2 Zenti c 10 6 Mega M 10-3 Milli m 10 3 Kilo k 10-6 Mikro µ 10 2 Hekto h 10-9 Nano n 10 1 Deka da Pico p

31 Einheitenanalyse Überprüfung der grundsätzlichen Gültigkeit von Gleichungen x=y nur dann physikalisch prinzipiell sinnvoll (Voraussetzung), wenn gilt [x]=[y], wobei [ ]= Einheit von Auffinden physikalischer Gesetze Beispiel: Wovon könnte die Reibung R eines Körpers abhängen? Vermutung: Geschwindigkeit v, der Luftdichte ρ L und Querschnitt des Körpers Q Postulat: R = f(v, Q, ρ L ) mit f(y) Funktion von y Einheitengleichung: mit m,n, und o zunächst unbekannt. [kg m/s²] = [(m/s)] n [m²)] m [kg/m³] o - durch Vergleich der Potenzen von kg bzw. s) folgt aus o=1 und n=2 - durch Einsetzen dann m=1 womit das Reibungsgesetz lauten könnte: R= C x ρ L x Q x v² mit einer dimensionslosen Konstante C.

32 1.2 Meteorologische Elemente Meteorologische Elemente bezeichnen die wichtigsten variablen Maßzahlen, die ein Luftelement (z.b. 1 m³ Luft) beschreiben (z.b. Temperatur, Druck, Wind, etc.) Meteorologische Elemente können Skalare (nur ein Wert, z.b. Temperatur) oder Vektoren (drei Werte, z.b. der Wind mit den drei Richtungskomponenten) sein. Es gibt auch komplexere Elemente (z.b. Schubspannungstensor) die durch Matrizen (i.a. 3x3 Größen) beschrieben werden müssen.

33 Die meteorologischen Elemente Element Einheit Wert am Boden Bedeutung Druck, p kg/(ms 2) = Pa Antrieb für die Luftbewegung Dichte, r kg/m 3 1,2 Trägheit Temperatur, T K 288,15 Wärmeenergie Feuchte verschieden variabel Wolken, Niederschlag, Energie Windgeschwindigkeit, v r m/s 0-20 Impuls der Luft Schubspannung, τ kg/(ms²) sehr variabel Reibung Strahlungsflussdichte, F W/m Antrieb für allgemeine Zirkulation