Einführung in die

KlimatologieProf. Dr. Otto Klemm

1. Allgemeine Grundlagen

Gliederung

1. Allgemeine Grundlagen

2. Strahlung

3. Klimaentwicklung

4. Zirkulationssysteme

5. Klimaklassifiaktion

6. Ozeanographie

7. Synoptik - Wolken

8. Regionales Klima

9. Wind

10. Statik und Thermodynamik

11. Atmosphärische Grenzschicht

12. Spurengase

13. Aerosolpartikel

13. Niederschlag

allgemeine Grundlagen

• organisatorisches

• empfohlene Literatur

• Klima - Definition

• Klimaelemente

• Klimafaktoren

• die Erde im Sonnensystem

• Aufbau der Atmosphäre

• Zusammensetzung der Atmosphäre

organisatorisches

Skript im www:

http://kli.uni-muenster.de/

Literatur

empfohlene Lehrbücher:Hupfer, P. und Kuttler, (W.) (Hrsg.) Witterung und Klima. Eine Einführung in

die Meteorologie und Klimatologie. 11. Auflage, Teubner, 2005

ISBN 3-519-10208-0 [Preis: 49.90 €]

Malberg, H. Meteorologie und Klimatologie. Eine Einführung. 4. Auflage 2002, Springer, 364 S.

ISBN [Preis: 34.95 €] Uni-Bibliothek: ULB LehrbuchSlg im EG ; 029 3343 ; GEO 8:Mal ; [5 Ex]   ULB Lesesaal im 1. OG ; PHY 9.04:23  

Schönwiese, C.-D.: Klimatologie; Ulmer UTB 1793. 2. Auflage 2003, 440 S.

ISBN: 3-8252-1793-0   3-8001-2787-3   [Preis: 29,90 €] Uni-Bibliothek: ULB LehrbuchSlg im EG ; 029 3428 ; GEO 8:Schoe ; [5 Ex]   ULB Lesesaal im 1. OG; PHY 9.3:25  

Weischet, W. (2002) Einführung in die Allgemeine Klimatologie. Physikalische und meteorologische Grundlagen. Borntraeger, 2002

ISBN 3-519-03432-8 [Preis: 26.- €] Uni-Bibliothek: ULB LehrbuchSlg im EG ; 029 2559 ; GEO 2.3:Wei ; [25 Ex]   ULB Lesesaal im 1. OG ; PHY 9.3:23  

Literatur

weiterführende und spezielle Literatur

Häckel, H. (1999) Meteorologie. Ulmer UTB 1338, 4. Auflage 1999, 448 S.

ISBN 3-8252-1338-2    3-8001-2728-8  [Preis: 29,90 €] Uni-Bibliothek: ULB LehrbuchSlg im EG ; 029 3147 ; GEO 8:Hae ; [10 Ex]   ULB Lesesaal im 1. OG ; PHY 9.04:10  

Kraus, H., Die Atmosphäre der Erde: EIne Einführung in die Meteorologie Springer, 2. Auflage 2001, 470 S.

ISBN 3-540-41844-x 39,95 €

Roedel, W. Physik unserer Umwelt: Die Atmosphäre. Springer, 3. Auflage 2000 498 S.

ISBN: 3-540-57885-4   Uni-Bibliothek: ULB Freihandmagazin im UG ; 3H 26573   [Preis: 39.95 €]

Littmann, T., Steinrücke, J., Bürger, M. Elemente des Klimas Klett-Perthes Verlag, 2004, 208 S.

ISBN 3-623-00858-3 16,90 EUR

Zmarsly, E., Kuttler, W., Pethe, H., Meteorologisch-klimatologisches Grundwissen Ulmer / Ulmer UTB 2281, 2. Aufl.

ISBN: 3-8252-2281-0    3-8001-2779-2   [Preis:19,90 €] Uni-Bibliothek:ULB LehrbuchSlg im EG ; 029 3421 ; GEO 8:Zma ; [3 Ex]   ULB Lesesaal im 1. OG ; PHY 9.04:27   Geologisch-Paläontologisches Inst.u.Museum Corrensstr. 24 

Literatur

in englischer Sprache:

Ahrens, C.D. (2000) Meteorology Today: An Introduction to weather, climate, and the environment. Brooks Cole, Pacific Grove. [ca. 59 €]

Stull, R.B. (2000) Meteorology Today for Scientists and Engineers. Brooks/Cole, Pacific Grove, 502 pp.

weitere Quellennachweise

Hupfer, P. (1996) Unsere Umwelt: Das Klima. Teubner, Stuttgart, 335 S.

Smithson, P., Addison, K. and Atkinson, K. (2002) Fundamentals of the Physical Environment, 3rd ed. Routledge, London, 625 S.

[ca. 155 €] ISBN 0-415-23293-7 0-415-23294-5; ULB 3C 28217; www.routledge.com

Stommel, H., (1996) A View of the Sea. Princeton University Press, Princeton, 165 pp.

Stumm, W. Morgan, J.J. (1996) Aquatic Chemistry, Chemical Equilibria and Rates in Natural Waters. 3rd ed.1022 pp.

von Storch, H., Güss, S., Heimann, M. (1999) Das Klimasystem und seine Modellierung. Springer Verlag, Berlin u.a., 255 S.

Klima - Definition

Das Wetter ist der augenblickliche Zustand der Atmosphäre an einem

Ort, wie er durch die Klimaelemente (Strahlung, Temperatur,

Luftfeuchte, Niederschlag, Wind, u.a.) gekennzeichnet ist.

[ Die Witterung ist der typische Charakter des Wetterablaufs eines

bestimmten Zeitraums. Der Zeitraum kann Tage bis Monate

umfassen ]

Klima ist die Synthese des Wetters über einen Zeitraum, der lange

genug ist, um dessen statistische Eigenschaften bestimmen zu

können.

Das Klima eines Raumes ist erst dann richtig gekennzeichnet, wenn die

Wahrscheinlichkeit für Abweichungen vom Mittelwert angegeben werden

kann, also auch Extremwerte Teil der Statistik sind. Zur Beschreibung des

Klimas wird in der Regel eine Zeitspanne von 30 Jahren als Bezugszeitraum

herangezogen. Das Wetter ändert sich schnell, das Klima sehr langsam

Klimaelemente (i)

Luft - Temperatur

Luftfeuchte

Luftdruck

Wind (Richtung und Geschwindigkeit)

Niederschlag

Strahlung (in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichts)

aber auch:

Konzentrationen von Spurenstoffen

und viele andere mehr, z.B.:

fühlbarer Wärmestrom, latenter Wärmestrom,

Bodentemperatur, Albedo, Schubspannung, Spurenstoffflüsse, …

Luft - Temperatur

• wird angegeben in Einheit K (oder auch °C)

• wird gemessen in 2 m Höhe über dem Grund

• das Thermometer muss gegenüber Erwärmung durch Strahlung geschützt sein

Klimaelemente (ii)

ww

w.v

ais

ala

.com

Luft - Temperatur

Mittelwerte werden aus dem arithmetischen Mittel kontinuierlich gemessener Einzelwerte gebildet (z.B. Sekundenmittel, Minutenmittel, Stundenmittel, Tagesmittel)

Tagesmittel können auch aus Einzelbeobachtungen berechnet werden:

Klimaelemente (iii)

4

2 21147 TTTTmittel

Luft

tem

pera

tur

auf

dem

Inst

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dach

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art

en,

Robert

-Koch

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6, M

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mer

20

04

Klimafaktoren sind Prozesse und Umstände, die das Klima generieren, aufrechterhalten und verändern

Klimafaktoren

astronomische Klimafaktoren

geographische Klimafaktoren

Tag- Nachtlänge Geografische Breite

Sonnenfleckenaktivität Höhe über NN

Neigung der Erdachse (Sommer / Winter)

Nähe zum Ozean

Einfallwinkel der Sonnenstrahlung Topographische Besonderheiten (z.B. Hangneigung

Spektrale Aufteilung der Sonnenstrahlung

Verstädterung

mittlerer Radius 6371 km

Erdoberfläche 5.1 1014 m2

davon Ozean 71 %

Masse der Atmosphäre 5.14 1018 kg

Masse des Ozeans 1.4 1021 kg

Winkelgeschwindigkeit der Erdrotation 7.3 10-5 s-1

Neigung der Erdachse 23.5°

Abstand zur Sonne 147 – 152 106 km

mittlere Schwerebeschleunigung 9.806 m s-2

Solarkonstante 1370 W m-2

mittlere solare Einstrahlung (pro m2 Oberfläche)

342 W m-2

Die Erde

Die Erde im Sonnensystem

http://www.routledge.com/textbooks/fundamentals

Aphel (02.07.)[152 · 106 km)

Periphel (02.01.)[147 · 106 km)

N-Som

mer

-“Halb

jahr“:

186

Tage

N-Wint

er-“H

albjah

r“:

179

Tage

Die Erde im Sonnensystem

Die abgestrahlte Sonnenenergie ist in alle Richtungen gleich (isotrop).

Die Erde bewegt sich in 365.25 Tagen auf einer elliptischen Bahn um die Sonne.

Sie hat im Perihel eine kleinere Distanz zur Sonne als im Aphel. Dies verändert

die Intensität der Sonneneinstrahlung im Laufe des Jahres um 8%:

im Sommer (Nord – Hemisphäre): - 4%

im Winter (Nord – Hemisphäre): + 4%

Die Drehachse der Erde um sich selbst ist um 23.45° gegenüber der Normalen auf

die Ellipsenebene geneigt.

Zenithwinkel: Winkel zwischen Zenit und der Sonne

Die Deklination ist der Winkel zwischen der Äquatorialebene der Erde und der Verbindungslinie zwischen Erde und Sonne. Sie variiert über das Jahr zwischen +23.5° und -23.5 °

Der Sonnen-Azimuth ist der Winkel zwischen Süden und der auf eine horizontale Ebene projizierten Richtung der Sonne. Dieser Winkel ist am Vormittag positiv und am Nachmittag negativ (unabhängig von der Hemisphäre).

Die Erde im Sonnensystem

http://www.routledge.com/textbooks/fundamentals

Solare Einstrahlung auf eine ebene Fläche

(W m-2, Tagesmittel)

Quelle

: Fo

nds

der

Chem

isch

en Indust

rie

Aufbau der Atmosphäre

Quelle: von Storch et al., 1999

„Standard-Atmosphäre“

Zusammensetzung der Atmosphäre: stabile Gase

durchschnittliche Aufenthaltszeit » 103 a

zusätzlich kommt Wasserdampf vor in hoch variablen Mischungsverhältnissen von bis zu 5 %

Gas Formel Mischungsverhältnis

Stickstoff N2 78.08 %

Sauerstoff O2 20.95 %

Argon Ar 0.93 %

Neon Ne 18 ppm

Helium He 5.2 ppm

Krypton Kr 1.1 ppm

Wasserstoff H2 0.55 ppm

Xenon Xe 0.087 ppm

Summe ca. 99.97 % der trockenen Atmosphäre

Einheiten

Konzentrationsangaben beziehen sich oft auf Bedingungen korrigiert auf Standardnormalbedingungen (1013 hPa, 298 K).

Mischungsverhältnis-Angaben werden häufig bevorzugt wegen: Höhen-Invarianz, Mol-Bezug

Konzentrationen: mg m-3

( c ) µg m-3

Moleküle pro cm = cm-3

Mischungsverhältnisse : %( q ) %o

ppm = 10-6 mol mol-1 = 10-6 l l-1 ppb = 10-9 mol mol-1

ppt = 10-12 mol mol-1

Konzentration - Mischungsverhältnis

um ein Mischungsverhältnis q (z.B. in Einheit ppb) in eine Konzentration c (z.B. µg m-3) umzurechnen, benötigt man diese Angaben:

Temperatur T (in Einheit K)Druck (= Luftdruck) p (in Einheit hPa)Molekulargewicht MG des Spurengases (in Einheit g mol-1)

Beispiel Ozon: 1 ppb = 10-9 mol mol-1

319

1000

110

m

mol

mol

gmolmol

Molekulargewicht für O3: 48 g mol-1

bis hierher: 10-9 g Ozon pro mol Luft

bis hierher: µ g Ozon pro mol Luft

Zusatzinfo: Standardbedingungen sind: 25 °C und 1013 hPa1 mol eines Gases hat bei Standard-Bedingungen ein Volumen von 24,4 l1 mol eines Gases besteht aus 6,0220943 1023 Molekülen (Avogadrosche Zahl)

40,98 mol m-3 bei Standardbedingungen

T

K298,1540,98 temperaturkorrigiert

hPa

p

25,1013

T

K298,1540,98

temperatur- und druckkorrigiert

Ergebnis: 1.96 µg m-3

für Standardbedingungen

bis hierher: 1 ppb Ozon in Luft

„Variable“ Spurengase

Gas Formel

Mischungs-verhältnis

Aufenthalts-dauer

Kohlendioxid CO2 380 ppm 4 - 120 a

Methan CH4 1.7 ppm 3.6 - 10 a

Kohlenmonoxid

CO 40 - 300 ppb 0.01 - 0.1 a

Lachgas N2O 300 ppb 20 - 150 a