Abbildungsverzeichnis

Springer-Lehrbuch
Brigitte Klose
Meteorologie
Eine interdisziplinäre Einführung
in die Physik der Atmosphäre
123
Prof. Dr. Brigitte Klose
Fachhochschule Oldenburg/Ostfriesland/Wilhelmshaven
Fachbereich Seefahrt
Weserstraße 4
26931 Elsfleth
Deutschland
[email protected]
ISBN 978-3-540-71308-1
e-ISBN 978-3-540-71309-8
DOI 10.1007/978-3-540-71309-8
Springer Lehrbuch ISSN 0937-7433
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Gedruckt auf säurefreiem Papier.
987654321
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Vorwort
Das vorgelegte Buch beruht auf langjähriger Lehrtätigkeit, die mit den Vorlesungen für Meteorologie an Humboldt-Universität zu Berlin begann und mit denen für
Navigation und Meteorologie am Fachbereich Seefahrt in Elsfleth ihre Fortsetzung
fand. Es ist einerseits aus dem Mangel an aktuellen deutschen Lehrbüchern entstanden und beruht andererseits auf dem nicht ganz uneigennützigen Grund, während
der Vorlesungen nicht fortwährend die Tafeln säubern zu müssen. Außerdem hat
mir das Schreiben schon immer große Freude bereitet.
Ausgearbeitet wurde es in erster Linie für Studenten der Meteorologie, Geographie, Geophysik und Nautik sowie alle meteorologisch Interessierten, die sich im
Studium oder im täglichen Leben mit der Meteorologie bzw. dem Wetter befassen müssen. Häufig wird dabei geglaubt, dass ein einziger Blick zum Himmel bereits eine Wetterprognose ermöglicht. In der Regel kann aber ein unvorbereiteter
Meteorologe zum künftigen Wetterablauf seiner Komplexität wegen keine exakten
Auskünfte geben. Deshalb verschweigt er entweder ganz gerne seinen Beruf oder
bezeichnet sich als angewandter Physiker, was er natürlich auch ist.
Um den Lesern einen Zugang zur Physik der Atmosphäre zu ermöglichen, wurde auf Grund der großen Mannigfaltigkeit der meteorologischen Prozesse und Erscheinungen versucht, neben mathematischen und physikalischen Grundkenntnissen auch spezielle meteorologische Sichtweisen und Arbeitsmethoden zu vermitteln sowie eine breite Palette meteorologischer Phänomene in verständlicher Weise
zu beschreiben, ihre Entstehungs- und Wirkungsmechanismen aufzuzeigen und ihre Auswirkungen zu beleuchten, denn letztendlich zeigt sich der Zustand der Atmosphäre am Wetter. Für den Fortgang der jeweiligen Ausführungen und zum besseren
Verständnis der abgehandelten Problematik sind eine Reihe von Skizzen, Abbildungen und Illustrationen dem Text beigefügt. Am Ende des Buches befinden sich außerdem als Motivation zum Lernen bzw. zur Ermunterung der Sinne beim Lesen für
die einzelnen Kapitel entsprechend ausgewählte Farbtafeln.
Neben dem Gebrauch des Buches als Lern- und Lehrmittel kann es ebenso von
Hobbymeteorologen verwendet werden, die sehr fleißig und exakt beobachten aber
sich einige Zusammenhänge meist nicht vollständig erklären können. Sie finden insbesondere aus der älteren Literatur mannigfaltige Hinweise, oft in Wettersprüchen
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Vorwort
oder Regeln zusammengefasst, die Einsichten in die ablaufenden meteorologischen
Prozesse vermitteln und zur Klärung der beobachteten Erscheinungen beitragen.
Da man in der meteorologischen Literatur meist wenig über die Sichtweite und
die Gewitterbildung findet, was ärgerlich ist, sind hierzu zwei umfangreiche Kapitel
entstanden. Sie beinhalten vor allen Dingen auch den Blitzschutz, denn die wachsende Zahl der Stadtbewohner wird in der Regel mit diesem Phänomen nur im Urlaub
konfrontiert und besitzt keinerlei Erfahrung im Umgang mit der Gewitterelektrizität. Damit ist das Buch auch von ganz allgemeinem Interesse, so für Ballonfahrer,
Segelflieger und Drachengleiter, die ein sich entwickelndes Gewitter sehr sorgfältig
beobachten sollten. Denn meist ist man in 10 bis 15 Minuten an der Obergrenze einer Gewitterwolke angekommen, während der Abstieg dagegen wesentlich schwieriger wird, weil man sich neben Hagel- und Blitzschlag, Donner und Turbulenzen
großer Wassermassen erwehren muss. Man kann beispielsweise ganz leicht in einer
Gewitterwolke ertrinken.
Besonderes Interesse an diesem Buch sollten ebenfalls Pädagogen haben, da sie
Klassenfahrten oder Wanderungen in die freie Natur unternehmen, auf denen sich
Wetter- und Wolkenbeobachtungen durchführen lassen. Auch Lehrende und Auszubildende, die Übungen zu Land, zur See und auf Schiffen absolvieren, können
sich die notwendigen meteorologischen Kenntnisse anhand dieses Buches aneignen, weil sein letztes Kapitel speziell der Seefahrt gewidmet ist und praxisrelevante
Konzepte zur Sturmnavigation enthält.
Geht man allerdings von den derzeitigen weltweiten Informations- und Wissensströmen in schriftlicher und mündlicher Form aus, dann ist das Buch nur als kleiner
Baustein im Gebäude der Meteorologie zu sehen, was nicht betrüblich ist, denn
überaus viele Bausteine pflastern den steinigen Weg zur Erkenntnis.
Oldenburg, Januar 2008
Brigitte Klose
Danksagung
Bei allen, die mich in entgegenkommender und fördernder Weise begleitet haben,
möchte ich mich ganz herzlich bedanken. Mein besonderer Dank gilt jedoch meiner
Familie und hier insbesondere meinem Mann, der mir immer emotionale und vor allem fachliche Unterstützung gab, viele Kapitel aus physikalischer Sicht kritisch gelesen und sich der mühsamen Prozedur einer Endkorrektur gestellt hat. Auch meiner
Tochter Isabel, die für die digitale Satz- und Bildverarbeitung, den Gestaltungsentwurf sowie die Text- und Layoutkorrekturen viele Stunden ihrer Arbeitszeit opferte,
möchte ich von ganzem Herzen danken. Bereichert wird das Buch auch durch Abbildungen aus den Diplomarbeiten meiner Studenten, die mir diese überlassen und
mich damit sehr unterstützt haben.
Gedankt sei ebenso dem Deutschen Wetterdienst, der die Verwendung vieler Abbildungen gestattete, und der Firma Dehn & Söhne aus München für Ihre Blitzfotos
sowie den Verlagen DiGraph aus Lahr und Editions Nathan Paris. Zu Dank verpflichtet bin ich auch allen Kollegen, Wissenschaftlern und an der Meteorologie
Interessierten, die mir in uneigennütziger Weise sofort die Verwendung ihrer Abbildungen gestatteten, so Prof. Dr. D. Etling, Diplom-Meteorologe M. Kurz, Dr. D.
Kasang, Prof. Dr. M. Latif, Prof. Dr. J.M. Moran, Prof. Dr. O.-W. Naatz, Dr. T. Draheim, Prof. Dr. W. Wehry, Dr. H. Hansson, Herrn K.G. Baldenhofer und Herrn N.
Marschall sowie vielen anderen mehr.
Mein Dank gilt auch den Buchverlagen und Redaktionen sowie ihren Mitarbeitern, die mir einen Teil der ausgewählten Abbildungen von Prof. Dr. H. Fortak, Prof.
Dr. H. Häckel, Prof. Dr. M. Hendl, Prof. Dr. P. Hupfer und Prof. Dr. H. Kraus zur
Verfügung stellten und damit für ein freundliches Aussehen des Buches gesorgt haben.
Oldenburg, Januar 2008
Brigitte Klose
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Inhaltsverzeichnis
1
Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1 Begriffsbildung und Einteilungsprinzipien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.1 Zeitlicher und räumlicher Maßstab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Synoptische Meteorologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 Klimatologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4 Physikalische Größen und ihre Maßeinheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2
Die Erdatmosphäre: Ihre chemische Zusammensetzung,
vertikale Struktur und Physik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1 Zusammensetzung der Erdatmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1 Atmosphärischer Wasserdampf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.2 Atmosphärisches Ozon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.3 Atmosphärisches Kohlendioxid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.4 Methan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.5 Distickstoffoxid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Der Treibhauseffekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.1 Auswirkungen des Treibhauseffektes . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.2 Thermohaline Zirkulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 Vertikale Struktur der Erdatmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.1 Einteilungsprinzip: Vertikaler Temperaturverlauf . . . . . . . . .
2.3.2 Einteilungsprinzip: Solarer Strahlungsumsatz . . . . . . . . . . . .
2.3.3 Einteilungsprinzip: Ionisierungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.4 Polarlichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4 Die Lufthülle der Erde als thermodynamisches System . . . . . . . . . . .
2.4.1 Gesetze für ideale Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Thermodynamische Betrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1 Wärmekapazität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Zustandsänderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1 Potentielle Temperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Inhaltsverzeichnis
3.3
Vertikaler Temperaturgradient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.1 Stüve-Diagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4 Änderungen der Schichtungsstabilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Meteorologische Größen:
Ihre Messung sowie räumliche und zeitliche Variabilität . . . . . . . . . . . . 65
4.1 Der Luftdruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.1.1 Hydrostatische Grundgleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.1.2 Barometrische Höhenformel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.1.3 Geopotential und Höhenwetterkarte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.1.4 Standardatmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.1.5 Luftdruckverteilung im Meeresniveau . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.1.6 Barische Systeme der freien Atmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.1.7 Globale Druckverteilung im Meeresniveau . . . . . . . . . . . . . . 79
4.1.8 Zeitliche Variation des Luftdrucks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.2 Die Lufttemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.2.1 Der „Wärmezustand“ eines Körpers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.2.2 Temperaturskalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.2.3 Temperaturmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.2.4 Basismessverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.2.5 Zeitliche und räumliche Variation der Lufttemperatur . . . . . 95
4.2.6 Wärmetransport durch Wärmeleitung,
Konvektion und Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.2.7 Temperaturbestimmung in der meteorologischen Praxis . . . 100
Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.3 Die Luftfeuchtigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.3.1 Gleichgewichtsformen zwischen Wasser und Wasserdampf 105
4.3.2 Wasserdampfdruck bei Sättigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.3.3 Wasserdampf als ideales Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.3.4 Feuchtigkeitsmaße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.3.5 Feuchtemessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.4 Meteore, Hydrometeore, Wolken und Nebel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.4.1 Wolken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.4.2 Nebel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
4.5 Der Wind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
4.5.1 Windbestimmung an Bord . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
4.5.2 Charakteristika des Windfeldes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4.5.3 Änderung des Windes mit der Höhe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
4.5.4 Windmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
Inhaltsverzeichnis
xi
4.6
Die Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
4.6.1 Solarstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
4.6.2 Wärmestrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
4.6.3 Strahlungsgesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
4.6.4 Solarkonstante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
4.6.5 Strahlungsmodifikationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
4.6.6 Strahlungshaushalt Erde–Atmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
4.6.7 Wärmeverteilung im Wasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
4.6.8 Strahlungsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
4.7 Die Sichtweite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
4.7.1 Aerosole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
4.7.2 Meteorologische Sichtweite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
4.7.3 Experimentelle Bestimmung der Sichtweite . . . . . . . . . . . . . . 191
Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
5
Satelliten als Hilfsmittel der Analyse und Diagnose . . . . . . . . . . . . . . . . 197
5.1 Satelliten und Satellitensysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
5.1.1 Geostationäre Satelliten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
5.1.2 Polumlaufende Satelliten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
5.1.3 Globales System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
5.2 Satellitenbildinformationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
5.2.1 Bildformate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
5.2.2 Eigenschaften der Bilddaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
5.2.3 Atmosphärische Fenster und Absorptionsbereiche . . . . . . . . 201
5.2.4 Bilddaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
5.3 Satellitenprodukte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
5.4 Analyse einer Bodenwetterkarte mittels Satellitenbilder . . . . . . . . . . 205
Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
6
Kräfte in einem rotierenden Bezugssystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
6.1 Die Gradientkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
6.1.1 Vertikalkomponente der Gradientkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
6.1.2 Horizontalkomponente der Gradientkraft . . . . . . . . . . . . . . . . 209
6.2 Die Schwerkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
6.3 Die Reibungskraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
6.4 Die Zentrifugal- und Corioliskraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
6.4.1 Unterschiedliche Koordinatensysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
6.4.2 Zentrifugal- und Coriolisbeschleunigungen . . . . . . . . . . . . . . 212
6.4.3 Coriolisparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
xii
Inhaltsverzeichnis
7
Horizontale Bewegungsgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
7.1 Der geostrophische Wind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
7.2 Der Gradientwind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
7.3 Der zyklostrophische Wind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
7.4 Trägheitsströmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
7.5 Der Bodenwind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
8
Eigenschaften von Geschwindigkeitsfeldern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
8.1 Konvergenz und Divergenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
8.1.1 Horizontaldivergenz als Skalarprodukt . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
8.1.2 Horizontaldivergenz in natürlichen Koordinaten . . . . . . . . . . 227
8.2 Krümmungs- und Scherungsvorticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
8.2.1 Krümmungs- und Scherungsvorticity
in natürlichen Koordinaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
8.3 Zirkulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
8.4 Kontinuitätsgleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
9
Luftmassen und Wetterlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
9.1 Luftmassenklassifikation nach Scherhag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
9.1.1 Charakterisierung von Luftmassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
9.1.2 Modifikation von Luftmassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
9.1.3 Wetterlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
10 Die Tiefdruckgebiete der gemäßigten Breiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
10.1 Polarfrontzyklonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
10.1.1 Lebenszyklus einer Zyklone – Polarfronttheorie 1922 . . . . . 247
10.1.2 Fronten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
10.1.3 Frontmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
10.2 Konvektionszyklone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
10.3 Leezyklogenese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
10.3.1 Theoretische Erklärung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
10.3.2 Ablaufschema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
10.3.3 Zyklogenese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
10.4 Polare Mesozyklone (Polar Low) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
10.4.1 Empirische Untersuchungsergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
10.4.2 Verlagerungsregeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
10.4.3 Polar Lows in der Norwegischen See
und vor der Küste Norwegens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
10.4.4 Wettercharakteristika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
Inhaltsverzeichnis
xiii
11 Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
11.1 Strahlungsbilanz des Systems Erde–Atmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . 269
11.1.1 Modellzirkulation nach Hadley . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
11.1.2 Modifikationen der Hadley-Zirkulation . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
11.1.3 Vertikale Zirkulationsräder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
11.1.4 Meridionale Energietransporte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
11.1.5 Zusammenfassung der Energiebilanzbetrachtung . . . . . . . . . 273
11.2 Dynamische Betrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
11.2.1 Subtropische Hochdruckgebiete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
11.2.2 Tropische Zirkulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
11.2.3 ITCZ und ihre Besonderheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
11.2.4 Monsuntief über Indien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
11.3 Die außertropische Zirkulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
11.4 Zusammenfassung der dynamischen Betrachtung . . . . . . . . . . . . . . . 278
11.5 Die Monsunzirkulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
11.5.1 Monsune im Indischen Ozean . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
11.6 ENSO (El Niño Southern Oscillation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
11.6.1 La Niña . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
11.6.2 El Niño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
11.6.3 ENSO Index (MEI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
11.7 Nordatlantische Oszillation (NAO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
11.8 Fernwirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
11.8.1 Arktische Oszillation (AO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
11.8.2 Nordpazifische Oszillation (NPO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
11.8.3 Pazifische dekadische Oszillation (PDO) . . . . . . . . . . . . . . . . 294
12 Konvektive Ereignisse und Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
12.1 Hochreichende Konvektion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
12.1.1 Klassifikation von Gewittern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
12.2 Verlagerung von Gewittern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
12.3 Gewittertypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
12.3.1 Luftmasseneigene Gewitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
12.3.2 Frontgewitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
12.3.3 Höheninduzierte Gewitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
12.4 Gewitter als luftelektrische Erscheinungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
12.4.1 Gewitterstatistik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
12.4.2 Elektrische Struktur von Gewitterwolken . . . . . . . . . . . . . . . . 308
12.4.3 Gewitterblitze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
12.5 Gewitter mit Tornadobildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
12.5.1 Meteorologische Bedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
12.5.2 Tornadoentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
12.5.3 Tornadoskalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
12.5.4 Tornadostatistik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
12.6 Kleintromben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
xiv
Inhaltsverzeichnis
13 Tropische Wirbelstürme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
13.1 Wettersysteme in den Tropen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
13.2 Empirische Befunde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
13.3 Räumliche und zeitliche Verteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
13.4 Struktur einer tropischen Zyklone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
13.5 Skalen zur Intensitätsbestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
13.6 Wirbelstürme über dem Nordatlantik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
13.7 Meteorologische Navigationshilfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
13.7.1 Berechnung der maximalen Windgeschwindigkeiten . . . . . . 337
13.7.2 Verlagerung (Orkanbahn) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
13.7.3 Seegang und Dünung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
13.7.4 Drucktendenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
13.7.5 Nautische Hinweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
13.7.6 Entfernung vom Zentrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
13.7.7 Verlagerungsregeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
13.8 Graphisches Plottverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
13.8.1 Vorgehensweise und Wettersituation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
13.8.2 Bestimmung des Ausweichkurses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
13.9 Die 40◦-Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
13.10 Verfahren des National Hurricane Center (NHC) Miami . . . . . . . . . . 347
14 Farbtafeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
15 Quellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
15.1 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
15.2 Internetquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
16 Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
16.1 Schlüssel FM12 SYNOP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
16.2 Symbolverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
16.3 Konstanten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
Abbildungsverzeichnis
1.1
1.2
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
2.10
2.11
2.12
2.13
2.14
2.15
2.16
2.17
3.1
3.2
3.3
Schematische Darstellung des Klimasystems
und seiner Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Vektordarstellung in kartesischen Koordinaten . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufbau der Atmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Änderung der Zusammensetzung der Erdatmosphäre . . . . . . . . . . . . .
Eindringtiefe schädlicher Strahlung bei Absorption durch Gase . . . .
Vertikale Ozonprofile für April (links) und Oktober (rechts)
in Abhängigkeit von der Breite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ozonloch 2006 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Entwicklung der CO2 -Konzentration der letzten 1000 Jahre . . . . . . .
Globale Jahresmittelwerte der bodennahen Lufttemperatur
1860–2006 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Tagesmaximumtemperatur in Bremen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Tagesminimumtemperatur in Bremen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Temperaturveränderung in der unteren Stratosphäre 1979–1998 . . . .
Abnahme der arktischen Meereseisbedeckung . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Niederschlagssummen (mm) zwischen 1983 und 2002 für den
Monat August in Dresden-Klotzsche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Thermohaline Zirkulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Verlauf des Golfstromes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Daansgard-Oeschger-Zyklen und Heinrich-Ereignisse . . . . . . . . . . . .
Schichten maximaler Ionenkonzentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Magnetfeld der Erde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
6
10
13
16
17
19
24
28
29
30
30
31
33
34
36
38
44
46
Korrespondenz von Druck und Temperatur
bei adiabatischen Prozessen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
Geometrische Zustandskurve (TEMP) im (T, z)-Diagramm . . . . . . . 56
Thermische Stabilität der Schichtung
(A, B, C, D und E entsprechen Aufstiegskurven) . . . . . . . . . . . . . . . . 58
xv
xvi
Abbildungsverzeichnis
3.4
3.5
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
4.10
4.11
4.12
4.13
4.14
4.15
4.16
4.17
4.18
4.19
4.20
4.21
4.22
4.23
4.24
4.25
4.26
4.27
4.28
4.29
4.30
4.31
4.32
Trocken- und feuchtadiabatischer Temperaturgradient,
Wolkenbasis sowie -bildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Schematisiertes Stüve-Diagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Thermische Verknüpfung zwischen Boden- und Höhendruckfeld . . . 67
Höhenwetterkarte – Absolute Topographie 500 hPa . . . . . . . . . . . . . . 71
Bodenwetterkarte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Isobarenkonfigurationen in einer Bodenwetterkarte . . . . . . . . . . . . . . 76
Mittlere globale Luftdruckverteilung im Meeresniveau im Januar . . 78
Mittlere globale Luftdruckverteilung im Meeresniveau im Juli . . . . . 79
Sturmtief Lothar am 26. 12. 1999 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Luftdruckverlauf vom 13. bis 27.9.2004 auf einer Seereise
von Auckland nach Oakland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Stationsbarometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
Strom-Spannungs-Kennlinie einer polymeren Leuchtdiode . . . . . . . . 91
Tagesgang der Temperatur und anderer meteorologischer
Elemente in Berlin-Friedrichshagen am 03. 05. 1995 . . . . . . . . . . . . . 96
Aßmannsches Aspirationspsychrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Hüttenthermometer sowie Maximum- und Minimumthermometer . . 103
Formen der Wasserdampfsättigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Dichte des gesättigten Wasserdampfes (absolute Feuchte)
in Abhängigkeit von der Temperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Stratocumulus undulatus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Große Naturkatastrophen 1950–2003 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
Bestimmung des scheinbaren Windes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
Dynamisch bedingte Turbulenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
Entwicklung von thermischer Konvektion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
Vertikalprofile des Betrages des horizontalen Windvektors . . . . . . . . 139
Änderung des Windvektors mit der Höhe (Angaben in m) . . . . . . . . . 141
Trägheitsschwingung des Vektors der ageostrophischen
Windabweichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
Hodographenkurven von Vh in der Höhe des Windmaximums
(358 m) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
Hodographenkurve von Vh in der Höhe des Windmaximums . . . . . . 144
Entwicklung eines Windmaximums
in einer baroklinen Grenzschicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
Bodennahe Windprofile in Abhängigkeit von der thermischen
Schichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
Böenregistrierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
Tagesgang des Windes zu unterschiedlichen Jahreszeiten
in Potsdam und auf dem Fichtelberg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
Spektrale Energieverteilung des Sonnenspektrums . . . . . . . . . . . . . . 158
Lambertsches Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
Abbildungsverzeichnis
xvii
4.36
4.37
4.38
4.39
4.40
4.41
4.42
4.43
4.44
4.45
Globale Verteilung der täglichen Solarstrahlung in 103 kJ m−2 d−1 ,
die die Erdoberfläche erreicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
Winkelabhängigkeit der Rayleigh-Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
Intensitätsverteilung gestreuten Lichtes auf unterschiedliche
Richtungen in Abhängigkeit von der Partikelgröße . . . . . . . . . . . . . . . 169
Sonne durch Nebel (30. 3. 2004, 7.56 Uhr, Elsfleth) . . . . . . . . . . . . . . 171
Sonne durch dünne Wolke (06. 4. 2004, 8.58 Uhr, Elsfleth) . . . . . . . . 172
Himmelslicht bei untergegangener Sonne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
Strahlungsbilanz einzelner Strahlungskomponenten . . . . . . . . . . . . . . 175
Absorptionskoeffizient von sauberem Wasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
Schematische Darstellung der Beobachtung eines Sichtziels . . . . . . . 187
Normsichtweite VN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
Rückstreumethodik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
Vorwärtsstreumethodik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
Direkte Vorwärtsstreumethodik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
5.1
5.2
5.3
Globales Satellitensystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
IR-Bild eines Tiefdruckgebietes der gemässigten Breiten . . . . . . . . . 203
Aerosolfahne des El Chichón zwischen dem 5. bis 25. April 1982 . . 204
6.1
6.2
Ableitung der Druckgradientkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
Entstehung von Bewegungen auf Grund horizontaler
Temperaturunterschiede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
Geographische Koordinaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
Darstellung der Zentrifugalbeschleunigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
Darstellung der Coriolisbeschleunigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
Auswirkung der Coriolisbeschleunigung auf die Elbmündung . . . . . 214
Komponenten der Corioliskraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
4.33
4.34
4.35
6.3
6.4
6.5
6.6
6.7
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
8.1
8.2
8.3
8.4
8.5
8.6
8.7
Wirkung von Druckgradient- und Corioliskraft auf ein anfangs
in Ruhe befindliches Teilchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
Wirkung von Druckgradient-, Coriolis- und Zentrifugalkraft . . . . . . 219
Trägheitsströmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
Strömungsverhältnisse in einem Hoch- und Tiefdruckgebiet . . . . . . . 222
Vektordiagramm der Kräfte in Erdbodennähe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
Divergenz und Konvergenz eines horizontalen Strömungsfeldes . . . . 226
Hochtroposphärischer Strahlstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
Natürliches Koordinatensystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
Krümmungs- und Scherungsvorticity
(K s entspricht der Stromlinienkrümmung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
Komponenten der Windgeschwindigkeit zur Bestimmung
der relativen Vorticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
Zirkulation längs einer geschlossenen Kurve S . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
Nettofluss durch ein Volumenelement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
xviii
9.1
9.2
9.3
9.4
10.1
10.2
10.3
10.4
10.5
10.6
10.7
10.8
10.9
10.10
10.11
10.12
10.13
10.14
11.1
11.2
11.3
11.4
11.5
11.6
11.7
11.8
11.9
11.10
11.11
11.12
11.13
11.14
Abbildungsverzeichnis
Relative Häufigkeitsverteilung der Großwettertypen (1961–1990)
differenziert nach der Jahreszeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
Luftmassen in Mitteleuropa.
Modifiziert nach Scherhag 1948 und Schreiber 1957 . . . . . . . . . . . . . 236
Orkantief Carolin mit Zellularkonvektion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
Zugbahnen von Tiefdruckgebieten nach van Bebber (1841–1909) . . 242
Modell der Polarfront . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
Lage des Polarfrontjet zwischen polarer und subtropischer
Tropopause . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
Lebenslauf einer Polarfrontzyklone mit einem zeitlichen Abstand
der einzelnen Entwicklungsstadien von zwölf Stunden . . . . . . . . . . . 248
Okklusionsprozess und Bodentrog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
Modell kinematischer Grenzbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
Bodendruckverteilung im Bereich einer Front . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
Warmfront mit „Warm Conveyor Belt“ und „Cold Conveyor Belt“ 254
Modell einer Kaltfront erster Art
mit Verlauf des „Warm Conveyor Belts” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
Modell einer Kaltfront zweiter Art
mit Verlauf des „Cold and Warm Conveyor Belts” . . . . . . . . . . . . . . . 257
Entwicklung:
Konvektionszyklone und thermisches Hochdruckgebiet . . . . . . . . . . . 261
Föhnmauer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
Schematisierte Überströmungssituation
einer schmalen Gebirgskette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
Föhnkeil auf der Nordseite (Luvseite) der Alpen (24. 2. 2002) . . . . . 263
Polare Mesozyklone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
Strahlungsbilanz des Systems Erde–Atmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . 270
Entstehung der Hadley-Zirkulation auf Grund
des Temperaturgegensatzes Äquator-Pol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
Struktur der Meridionalzirkulation auf der Nordhalbkugel
in Verbindung mit den bodennahen Windgürteln . . . . . . . . . . . . . . . . 272
Meridionale Energietransporte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
Druck- und Windsysteme nahe der Erdoberfläche . . . . . . . . . . . . . . . . 273
Skizze zur Druck- und Temperaturverteilung
auf der Nordhalbkugel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
Druck-, Wind- und Temperaturverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
Nördliche und südliche ITC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
Asiatisch-Afrikanischer Monsunbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
Windverhältnisse während des Sommermonsuns . . . . . . . . . . . . . . . . 282
Transäquatorialer Massentransport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
Windverhältnisse während des Wintermonsuns . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
Walker-Zirkulation in normalen Jahren (Dezember bis Januar) . . . . . 285
Anormale Winterzirkulation während El Niño 1982–1983 . . . . . . . . 287
Abbildungsverzeichnis
xix
11.15
11.16
11.17
11.18
11.19
11.20
SOI-Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
Atmosphärische und ozeanische Zirkulation während La Niña . . . . . 288
Atmosphärische und ozeanische Zirkulation während El Niño . . . . . 288
Multivariater ENSO-Index von 1990 bis 2006 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
NAO-Index für Dezember bis März (1864–2002) . . . . . . . . . . . . . . . . 291
Pazifische dekadische Oszillation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
12.1
12.2
12.3
12.4
12.5
12.6
12.7
12.8
12.9
12.10
12.11
12.12
12.13
12.14
12.15
12.16
12.17
12.18
12.19
Thermische Turbulenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
Entwicklungs- und Reifestadium einer Gewitterwolke . . . . . . . . . . . . 297
Schematisierte Darstellung einer Böenfront . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
Zerfallsstadium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
Einzelliges Gewitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
Sommergewitter bei Colmar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
Mehrzelliges Gewitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
Verlagerung mehrzelliger Gewitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
Mesoskalige konvektive Komplexe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
Superzelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
Bodenwindfeld im Zusammenhang mit einer Superzelle . . . . . . . . . . 303
Luftelektrisches Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
Anzahl der Gewittertage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
Dipolmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
Tripolmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
Blitzentladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
Photographie eines Tornados von 1884 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
Tornadoentwicklung in Verbindung mit einer Superzelle . . . . . . . . . . 320
Staubteufel in Lachterhausen bei Celle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
13.1
13.2
13.3
13.4
13.5
13.6
13.7
13.8
13.9
13.10
13.11
13.12
Inner- oder intertropische Konvergenzzone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
„Easterly Wave“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
Tropischer Wirbelsturm Oman. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
Geografische Verteilung von tropischen Wirbelstürmen . . . . . . . . . . . 330
Struktur einer tropischen Zyklone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
Häufigkeit tropischer Wirbelstürme über dem Atlantik . . . . . . . . . . . 335
Quadranten eines tropischen Wirbelsturmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
Zugbahn eines tropischen Wirbelsturmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
Radarbild des tropischen Wirbelsturmes Wilma (2005) . . . . . . . . . . . 341
Graphische Interpretation der Regel 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
Graphische Interpretation der Regel 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
Plottverfahren (Gefahren- und Streukreis sowie Wahl
des Ausweichweges) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
13.13 Plottverfahren (Bestimmung des Ausweichskurses
und der neuen Relativgeschwindigkeit) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
13.14 40◦ -Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
13.15 Auswerteschema für die 1-2-3-Regel gemäß Holweg 2000 . . . . . . . . 347
Tabellenverzeichnis
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
2.1
Atmosphärische Prozesse und ihre Zuordnung zur Raumskala
(Orlanski 1975) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Proportionalität von Raum- und Zeitskala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
SI-Einheiten gemäß Physikalisch-Technischer Bundesanstalt
(PTB 1994) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Präfixe für SI-Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Abgeleitete SI-Einheiten gemäß Cohen 1987 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
4
7
7
7
2.4
2.5
2.6
Zusammensetzung der Atmosphäre bis in ca. 100 km Höhe
(Hauptbestandteile) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammensetzung der Atmosphäre bis in ca. 100 km Höhe
(nicht variable Spurengase) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammensetzung der Atmosphäre bis in ca. 100 km Höhe
(variable Spurengase) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Grenzwerte und Toleranzmargen für Luftverunreinigungen . . . . . . . . .
Treibhauseffekt der Erde durch die wichtigsten Spurengase . . . . . . . .
Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1
Feuchtadiabatischer Temperaturgradient γf (K/100 m) . . . . . . . . . . . . . 59
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
4.10
Normalatmosphäre für ausgewählte Höhenstufen . . . . . . . . . . . . . . . . .
Standardisobarflächen in der Meteorologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Druck-Masse-Verhältnis in der Erdatmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Druckabhängigkeit der mittleren freien Weglänge . . . . . . . . . . . . . . . .
Temperatur des Wasserdampfes über siedendem Wasser . . . . . . . . . . .
Volumenausdehnungskoeffizienten verschiedener Stoffe . . . . . . . . . . .
Temperaturkoeffizienten von Leitern und Halbleitern . . . . . . . . . . . . . .
Temperaturkoeffizienten unterschiedlicher Sensoren . . . . . . . . . . . . . .
Ausgewählte Infrarotdetektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Thermische Koeffizienten für ausgewählte Materialien . . . . . . . . . . . .
2.2
2.3
11
11
12
23
27
41
73
74
74
74
84
90
90
92
93
99
xxi
xxii
Tabellenverzeichnis
4.11 Sättigungsdampfdruck des Wasserdampfes in hPa über Wasser
eW (t) bzw. Eis eE (t) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.12 Sättigungsdampfdruck ew (t) des Wasserdampfes (hPa) abhängig
von der Temperatur t (◦ C) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.13 Absolute Feuchte a bei Sättigung in Abhängigkeit von der
Temperatur t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.14 Mischungsverhältnis m in g/kg bei Sättigung in Abhängigkeit vom
Luftdruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.15 Virtueller Temperaturzuschlag Ts für gesättigte Luft . . . . . . . . . . . . . 112
4.16 Größe und Fallgeschwindigkeit von Wolken- und
Niederschlagselementen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.17 Wolkenstockwerte in Abhängigkeit von der geographischen Breite . . 120
4.18 Wolkenklassifikationen (gemäß Wolkenatlas 1990) . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.18 dto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.19 Horizontale Windrichtung nach einer 360-teiligen Gradskala . . . . . . . 133
4.20 Beaufort-Skala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
4.21 Erweiterte Beaufort-Skala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
4.22 Mittlere Rauhigkeitshöhe z o für verschiedene Eigenarten
der Erdoberfläche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
4.23 Elektromagnetisches Spektrum der Sonnenstrahlung . . . . . . . . . . . . . . 155
4.24 Ausstrahlung eines schwarzen Körpers und Wellenlänge maximaler
Strahlungsintensität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
4.25 Wechselwirkung von Strahlung (λ = 555 nm) und Materie
in der Atmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
4.26 Verhältnis der Streuintensitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
4.27 Absorptionsbanden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
4.28 Reflexionsvermögen der Erdoberfläche in Prozent . . . . . . . . . . . . . . . . 174
4.29 Globale natürliche und anthropogene Aerosolquellen (Mt/a) . . . . . . . 185
4.30 Internationaler Sichtweitecode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
9.1
9.2
9.3
9.4
Häufigkeit der Großwettertypen 1961–1990 (Gerstengarbe 1999) . . . 235
Temperaturen in der freien Atmosphäre in Verbindung
mit kontinentaler Polarluft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
Luftmassenmodifikationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
Großwetterlagen in Europa nach Heß 1977 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
10.1 Wetterablauf bei Passage einer Warmsektorzyklone mit Zentrum
polwärts vom Beobachter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
11.1 Druck- und Zirkulationssyteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
11.2 Auswahl schwerer Winterstürme in Europa seit 1976 . . . . . . . . . . . . . . 292
12.1 Daten zum Blitz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
12.2 Fujita-Skala für Tornadostärken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
12.3 Ausprägung der Auf- und Abwärtsströme im Tornadobereich
(Hermant 2001) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322