Meteorologie I

Susanne Crewell

Meteorologisches InstitutLudwig-Maximillians-Universität München

Wintersemester 2004/2005

OrganisatorischesZur 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

http://www.meteo.physik.uni-muenchen.de/→ Lehre → Manuskripteuser: meteopasswd: download

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

Gliederung der Vorlesung I1. Einführung

1.1 Physikalische Einheiten1.2 Meteorologische Elemente1.3 Der Feldbegriff in der Meteorologie1.4 Vektoren-Operationen und Ableitungen1.5 Die meteorologischen Grundgleichungen 1.6 Skalenbetrachtungsweise

2. Meteorologische Elemente2.1 Luftdruck und Luftdichte

2.1.1 Zusammensetzung der Luft2.1.2 Gasgleichung für ideale Gase2.1.3 Dalton'sches Gesetz2.1.4 Barometrische Höhenformel2.1.5 Druckmessung

2.2 Windgeschwindigkeit2.2.1 Definition2.2.2 Windmessung2.2.3 Änderung von Größen mit den Feldkoordinaten2.2.4 Transport von spezifischen Eigenschaften2.2.5 Die Begriffe Haushalt und Advektion

2.3 Temperatur2.3.1 Definition der Temperatur (Hauptsätze der Thermodynamik)2.3.2 Adiabatische Zustandsänderungen2.3.3 Haushalt und Flussdichten "fühlbarer Wärme"2.3.4 Temperaturmessung

1. Vorlesung

1. Übung

Gliederung der Vorlesung II2. Meteorologische Elemente

2.4 Feuchtemaße2.4.1 Die verschiedenen Feuchtemaße2.4.2 Wasserdampftransporte2.4.3 Temperatur- und Feuchtefelder nahe am Erdboden2.4.4 Feuchtemessung

2.5 Strahlung2.5.1 Meteorologisch wirksame Strahlung2.5.2 Strahlungsgesetze2.5.3 Solare und terrestrische Strahlung2.5.4 Phänomenologie der Strahlungsflußdichten2.5.5 Optische Erscheinungen in der Atmosphäre

3. Thermodynamik der Atmosphäre3.1 Adiabatische Prozesse mit Kondensation3.2 Temperaturschichtung und Stabilität3.3 Beispiele (Rauchfahnenformen, Wolkenentstehung, Grenzschicht,..)3.4 Thermodynamische Diagrammpapiere

Auswertehilfe für Vertikalsondierungen (Radiosonden)3.5 Phänomene (Wolken, Nebel,Niederschlag,..)

Allgemeines

Was ist Meteorologie?

Wo und was arbeitet ein Meteorologe?

Das Studium der Meteorologie

Das Meteorologische Institut der Universität München- AG Theoretische MeteorologieProf. Joseph Egger

- AG Meso- und Mikroskalige MeteorologieProf. Roger Smith

- AG Strahlung und FernerkundungProf. Susanne Crewell

Was ist Meteorologie ?Meteor = „das in der Luft Befindliche“

„Meteorologie“ von Aristoteles (384-322 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 chemischenVorgängen in der Atmosphäre sowie ihren Wechselwirkungen mit der Erdoberfläche und dem Weltraum.

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

Das Klimasystem

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)

Das elektromagnetische Spektrum

Das solare Spektrum

Dasterrestrische

Spektrum

thermische Ausstrahlung von Erdoberfläche,Gasen und Hydrometeoren

Solares und terrestrisches Spektrum

Energiebilanz im Klimasystem

KIEHL J., and K. TRENBERTH, 1997: Earth´s annual global mean budget. Bull. Am. Met. Soc., 78, 197-208.

Treibhauseffekt

Wärmestrahlung236 Wm2

236 Wm2

-18°C 15°C

390 Wm2

Ohne

T-Gas

e

Aktuelle meteorologische ProblemeWetterphänomene

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 undOzonsmog in der bodennahen Luft

Struktur der Atmosphäre

Stockwerke Meridionalzirkulation

Stratosphäre– geschichtet –

Troposphäre– durchmischt –

Wetterphänomene auf verschiedenen Skalen

Planetare Wellen

Tropischer Wirbelsturm

Planetare WellenTornado

Teilgebiete der MeteorologieMeteorologie 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)

Teilgebiete der Meteorologie

Unterteilung nachspezifischen 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 Gesichtspunktenz.B. Energetik, Allgemeine Zirkulation, Wolkenphysik,...

Diplom-Meteorologe/Meteorologin

10 Universitäten (Diplom (Master))50 – 100 Abschlüsse/JahrWetterdienste - 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,..HochschulenSatellitenentwickler/-betreiber, z.B. EUMETSAT, ESA, …Umweltämtervielerlei andere Möglichkeiten, z.B. Lufthansa, TÜV

Umstellung auf Bachelor/Master System

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. WettervorhersagemodelleKlimamodelleWolkenmodelleStrahlungsmodelleSchadstoffausbreitungsmodelle

…

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

Studium der MeteorologieDiplom in Meteorologie, demnächt Umstellung

1.- 3. Semester

Grundlagen Physik 37 SWSGrundlagen Mathematik 24 SWSGrundlagen Meteorologie 8 SWS

mündl. Prüfung in 4 Gebieten

4.- 8. Semester

Theoretische Meteorologie 24 SWSPhysik der Atmosphäre 16 SWSMeteorolog. Instrumente 4 SWSSeminare 4 SWSExkursion 6 SWS

Physik 10 SWSMathematik 6 SWSWahlnebenfach 12 SWS

mündl. Prüfung in 4 Gebieten

9. Semester

6 Monate Diplomarbeit

Meteorologisches Institut München (MIM) im Department für Physik

Drittmittelförderung

Postdocs 9Doktoranden 15

Permanente Stellen (2004)

Professoren 4Assistenten 5Wissenschaftler 5Sekretariat 3Messungen 3 Computer 3Werkstatt 2

Studentenca. 100

http://www.meteo.physik.uni-muenchen.de

Arbeitsgruppen am MIM

Prof. Dr. Joseph Egger Theoretische MeteorologieRegionale Klimamodellierung, Gebirgseffekte,Globaler Drehimpuls

Prof. Dr. Roger SmithTropische Meteorologie, Meso- und MikrometeorologieTropische Zyklonen, Hitzetröge, Subtropische KaltfrontenTropische Wolkenlinien, Seewind

Prof. Dr. Susanne CrewellStrahlung und FernerkundungBodengebundene Fernerkundung (Mikrowellenradiometrie,Lidar, Radar,..), Sensor-Synergie, Aerosol, Evaluierung vonWettervorhesage- und Klimamodellen

1. Einführung

1.1 Physikalische Einheiten

1.2 Meteorologische Elemente1.3 Der Feldbegriff in der Meteorologie1.4 Vektoren-Operationen und Ableitungen1.5 Die meteorologischen Grundgleichungen 1.6 Skalenbetrachtungsweise

- SI-Einheiten- Abgeleitete SI-Einheiten- Vielfache und Bruchteile von Einheiten- Dimensionsanalyse

SI-SystemSystème 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)

cdCandelaLichtstärke

molMolStoffmenge

KKelvinTemperatur

AAmpereel. Stromstärke

sSekundeZeit

kgKilogrammMasse

mMeterLängeSymbolNameBasisgröße

Abgeleitete SI-Einheiten

Aus den Basisgrößen können weitere SI-Einheiten abgeleitet werden:

V = WA-1 = kg m2 s-3 A-1Voltel. Spannung

W = Js-1 = kg m2 s-3WattLeistung (Energie/Zeit)

J = N m = kg m2s-2JouleEnergie (=Arbeit=KraftxWeg)

Pa = N m-2 = kg m-1s-2PascalDruck (=Kraft/Fläche)

N = kg ms-2NewtonKraft (=MassexBeschleunigung)

Hz = s-1HertzFrequenz

m2

m3

QuadratmeterKubikmeter

FlächeVolumen

SymbolNameabgeleitete SI-Einheit

Vielfache und BruchteileFür Vielfache der Basis- und abgeleiteten Einheiten gelten folgende Bezeichnungen:

pPico10-12daDeka101

nNano10-9hHekto102

µMikro10-6kKilo103

mMilli10-3MMega106

cZenti10-2GGiga109

dDezi10-1TTera1012

SymbolNameBruchteilSymbolNameVielfaches

EinheitenanalyseÜberprüfung der grundsätzlichen Gültigkeit von Gleichungen

x=y nur dann physikalisch prinzipiell sinnvoll (Voraussetzung), wenn gilt [x]=[y], wobei [ ]=„Einheit von“

Auffinden physikalischer GesetzeBeispiel: Wovon könnte die Reibung R eines Körpers abhängen?Vermutung: Geschwindigkeit v, der Luftdichte ρL und

Querschnitt des Körpers QPostulat: R = f(v, Q, ρL) 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=1womit das Reibungsgesetz lauten könnte: R= C x ρLx Q x v² mit einer dimensionslosen Konstante C.

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. Schubspannungs-tensor) die durch Matrizen (i.a. 3x3 Größen) beschrieben werden müssen.

Die meteorologischen Elemente

Reibungsehr variabelkg/(ms²)Schub-spannung, τ

Antrieb für allgemeine Zirkulation0 - 1000W/m2Strahlungsfluss-

dichte, F

Impuls der Luft0 - 20m/sWindgeschwin-digkeit,

Wolken, Nieder-schlag, EnergievariabelverschiedenFeuchte

Wärmeenergie288,15KTemperatur, T

Trägheit1,2kg/m3Dichte, r

Antrieb für die Luftbewegung101325kg/(ms2) = PaDruck, p

BedeutungWert am BodenEinheitElement

vr