10
Clemens Simmer Einführung in die Meteorologie (met210) - Teil IV: Dynamik der Atmosphäre

Einführung in die Meteorologie (met210) - Teil IV: Dynamik der Atmosphäre

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Einführung in die Meteorologie (met210) - Teil IV: Dynamik der Atmosphäre. Clemens Simmer. IV Dynamik der Atmosphäre. Kinematik Divergenz und Rotation Massenerhaltung Stromlinien und Trajektorien Die Bewegungsgleichung Newtonsche Axiome und wirksame Kräfte Navier-Stokes-Gleichung - PowerPoint PPT Presentation

Citation preview

Page 1: Einführung  in die Meteorologie (met210)  - Teil IV: Dynamik der Atmosphäre

Clemens Simmer

Einführung in die Meteorologie (met210)

- Teil IV: Dynamik der Atmosphäre

Page 2: Einführung  in die Meteorologie (met210)  - Teil IV: Dynamik der Atmosphäre

2

IV Dynamik der Atmosphäre

1. Kinematik– Divergenz und Rotation– Massenerhaltung– Stromlinien und Trajektorien

2. Die Bewegungsgleichung– Newtonsche Axiome und wirksame Kräfte– Navier-Stokes-Gleichung– Skalenanalyse

3. Zweidimensionale Windsysteme– natürliches Koordinatensystem– Gradientwind und andere– Reibungseinfluss auf das Vertikalprofil des Windes

Dynamische Meteorologie ist die Lehre von der Natur und den Ursachen der Bewegung in der Atmosphäre. Sie teilt sich auf in Kinematik und Dynamik im engeren Sinne

Page 3: Einführung  in die Meteorologie (met210)  - Teil IV: Dynamik der Atmosphäre

3

IV.2 Die Bewegungsgleichung

• Die Newtonschen Axiome• Die wirksamen Kräfte

– Druckgradient– Schwerkraft– Reibungskraft– Scheinkräfte (Zentrifugal-, Corioliskraft)

• Die Navier-Stokes-Gleichung• Skalenanalyse

– geostrophische Approximation– hydrostatische Approximation– geostrophischer Wind im p-Koordinatensystem

Page 4: Einführung  in die Meteorologie (met210)  - Teil IV: Dynamik der Atmosphäre

4

IV.2.3 Skalenanalyse- für synoptische Systeme der mittleren Breiten -

• Synoptische Skalenanalyse der z-Komponente (Vertikalwind)

-> statische Grundgleichung• Synoptische Skalenanalyse der x/y- Komponente

(Horizonalwind)

-> der geostrophische Wind

Page 5: Einführung  in die Meteorologie (met210)  - Teil IV: Dynamik der Atmosphäre

5

Charakteristische synoptische Größenordnungen

Für synoptische Bewegungssysteme (Mittelwerte über > 10 Minuten und > 10 km) kann man folgende charakteristische Größenordnungen für Geschwindigkeiten, räumliche Ausdehnungen von Drucksystemen und Druckvariationen annehmen:• Horizontalgeschw. U ~ 10 m/s• Vertikalgeschw. W ~ 10-2 m/s• Länge L ~ 106 m (1000 km)• Höhe H ~ 104 m (10 km)• Luftdruckvariat. DP ~ 103 Pa (10 hPa)• Zeit L/U = T ~ 105 s (ca. 1 Tag)

• Coriolisparam. f = 2Wsinj ~ 10-4 s-1

• Luftdichte r ~ 1 kg/m3

• Luftdruck am Boden po ~ 105 Pa (1000 hPa)

Page 6: Einführung  in die Meteorologie (met210)  - Teil IV: Dynamik der Atmosphäre

6

Skalenanalyse der horizontalen Bewegungsgleichung

,

1 2 cos R x

du pfv w f

dt x

,

1 R y

dv pfu f

dt y

U/T 1/r Dp/L fU fW -

10-4 10-3 10-3 10-6 - m/s2

...Coriolisbeschleunigung undDruckgradientbeschleunigungheben sich gegenseitig auf!

1

1

pfv

x

pfu

y

Page 7: Einführung  in die Meteorologie (met210)  - Teil IV: Dynamik der Atmosphäre

7

Geostrophischer Wind 0

1 1 1 , 0

0 1 0

oder mittels Division durch - und Multiplikation von links mit

h h

v up p

fv fu , f u f v fk v px y

f k

01

0

1 0h h

v

u v k pf

p

p 3 p

p 2 p

p 1 p

F

F P,H

C ,H

vg

T

H

x

p

ρf , v

y

p

ρ u

pkρf

v

gg

hg

11

1

geostrophischer Wind:

Page 8: Einführung  in die Meteorologie (met210)  - Teil IV: Dynamik der Atmosphäre

8

synoptische Skalenanalyse der 3. Komponente der Bewegungsgleichung

F,z

dw 1 p= - - g + 2Ωucos + f

dt ρ z

W/T 1/r po/H g fU -

10-7 10 10 10-3 - m/s2

pg

z

...Schwerebeschleunigung undDruckgradientbeschleunigungheben sich gegenseitig auf!

Page 9: Einführung  in die Meteorologie (met210)  - Teil IV: Dynamik der Atmosphäre

9

Einfluss der Beschleunigung – die Rossby Zahl

1 1 ,

( ) , ( )

g g

ag ag

v u

g g

v u

du p dv pfv fu

dt x dt y

du dvf v v f u u

dt dt

Offensichtlich bestimmt der ageostrophische Wind die Änderung des Windes.Oder: Der geostrophische Wind erlaubt keine Vorhersage.Wann ist der Beschleunigungsterm wichtig?

ist. groß Zahl,-Rossby ,²

,

, Wenn o

UL

RfL

U

fUL

U

fU

U

fUT

U

fvfudtdv

dtdu

Mit gegebenen (synoptischen) Größenordnungen gilt Ro=0,1, also 10% Fehler bei Annahme des geostrophischen Windes. Bei L=100 km und sonst unveränderten Skalen gilt Ro=1, also 100% Fehler (z.B. für Mesoszyklonen, oder mit U größer bei Hurrikanen).

Page 10: Einführung  in die Meteorologie (met210)  - Teil IV: Dynamik der Atmosphäre

10

Übungen zu VI.2.3

Versuche eine Skalenanalyse der horizontalen Bewegungsgleichung für einen Badewannenwirbel. Der Druckgradient ist aus der Neigung der Wasseroberfläche ableitbar.