Kapitel 1 - (IAC) ETH
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Wettersysteme HS 2012 Kapitel 1 Grundlegendes zur Erdatmosphäre 19. September 2012 1. Vertikaler Aufbau - Einteilung nach dem Temperaturverlauf - Einteilung in 4 Schichten: - Troposphäre - Stratosphäre - Mesosphäre - Thermosphäre Temperaturverlauf wesentlich mitbestimmt durch chemische Zusammensetzung der Luft Vertikaler Temperaturverlauf in der Erdatmosphäre (aus Wallace and Hobbs. S.10) 1. Vertikaler Aufbau - Einteilung nach dem Temperaturverlauf a) Troposphäre (griech. trepein = wenden, kehren) - Temperaturabnahme mit der Höhe (~6.5 °C km-1) - starke Durchmischung - Wolken- und Niederschlagsbildung - Grossteil des Wasserdampfes befindet sich in der Troposphäre 1. Vertikaler Aufbau - Einteilung nach dem Temperaturverlauf a) Troposphäre (griech. trepein = wenden, kehren) - Vernachlässigung von Konvektion in Troposphäre → starke Temperaturabnahme mit der Höhe mit Konvektion reines Strahlungsgleichgewicht 1. Vertikaler Aufbau - Einteilung nach dem Temperaturverlauf a) Stratosphäre (lat. stratus = geschichtet) - Temperaturzunahme mit der Höhe - sehr geringer Wasserdampfgehalt (fast keine Wolken) - sehr hoher Ozongehalt → beeinflusst Temperaturprofil - Ozon Maximum bei ~ 25 km Stratopause Höhe [km] - Ozon absorbiert einfallende UV-Strahlung Tropopause - Temperatur Maximum bei ~ 50 km - Temperaturmaximum = Stratopause 1. Vertikaler Aufbau - Einteilung nach dem Temperaturverlauf a) Mesosphäre - Abnahme der Temperatur bis zur Mesopause (~ 85 km Höhe) - Mesopause = Grenze der Homosphäre (Luft mit konstanter Zusammensetzung) (Molmasse der Luft M = 28.964 x 10 -3 kg mol -1) b) Thermosphäre - bis ~ 800 km Höhe - Temperatur steigt an bis ~ 1000 K in 400 km Höhe - Achtung: Wirkung der Temperatur verschieden zu dichteren Medien - Gase sind teilweise dissoziiert, ionisiert - Entmischung der Gase anhand Ihrer Molmasse (Heterosphäre) 1. Vertikaler Aufbau Druck [hPa] - ausgeprägte regionale und zeitl. Unterschiede im Vertikalprofil 2. Nord/Süd - Variabilität A B January Nordpol Südpol July ΔThor ≈ 15 K schwache Baroklinität ΔThor ≈ 23 K starke Baroklinität 2. Nord/Süd - Variabilität - Ursache für meridionale Variabilität → Breitenabhängigkeit der einfallenden Strahlung Strahlungsüberschuss in Tropen einfallende solar- Strahlung emittierte Strahlung Wärmetransport durch Ozean - Wasserdampf in Atmosphäre wichtig für Wärmetransport → latente Wärme Wärmetransport durch Atmosphäre 2. Nord/Süd - Variabilität - keine kontinuierliche Abnahme der Temperatur zum Pol hin → verschiedene Luftmassen sind durch Fronten getrennt Nordpol mittl. Breiten Äquator 2. Nord/Süd - Variabilität - ECMWF – Analyse bei 170° O am 1. Januar 1990, 00 UTC → starke Abweichungen vom schematischen Bild möglich dynamische Tropopause 200 hPa 500 hPa Äquator Nordpol Windgeschwindigkeit [m/s] 100 hPa 3. Horizontale Variabilität kalte maritime Luft Ka ltfr on t - Satellitenbild für 30. Januar 2009, 00 UTC warme subtropische Luft http://www.neodaas.ac.uk 3. Horizontale Variabilität - falschfarben-infrarot Satellitenbild für 10. Nov. 1998, 18 UTC - idealisierte Darstellung der mesoskaligen Regenbänder in einer extratropischen Zyklone warm cold augeprägte horizontale mesoskalige Wolken,- und Niederschlagsstruktur aus Wallace and Hobbs 3. Horizontale Variabilität - hohe Komplexität der Phänomene → einfache Modellsysteme - z.Bsp. Geopotential-Bild geopotentielle Höhe einer Druckfläche = geometrische Höhe dieser Druckfläche geopotentielle Höhe auf 500 hPa 3. Horizontale Variabilität - Höhe 500 hPa im Tief = 5370 m - Höhe 500 hPa im Hoch = 5900 m - Wind parallel zu den Isolinien des Geopotentials → Isohypsen - Windstärke proportional zur Dichte der Isolinien 3. Horizontale Variabilität - mathematische Beschreibung geostrophischer Wind = geostrophischer Wind f = Coriolisparameter (beschreibt Erdrotation) = Einheitsvektor der lokal senkrecht nach oben zeigt Φ = Geopotential = Höhe z (über Meer) * Erdbeschleunigung g 3. Horizontale Variabilität - Beispielkarten der geopotentiellen Höhe Farbe = Niederschlag 3. Horizontale Variabilität - Beispielkarten der geopotentiellen Höhe 250 hPa Farbe = Niederschlag 500 hPa 3. Horizontale Variabilität - äquivalente Betrachtungsweise: Druckverteilung auf einer bestimmten Höhe → Isobaren geostrophischer Wind = geostrophischer Wind f = Coriolisparameter (beschreibt Erdrotation) = Einheitsvektor der lokal senkrecht nach oben zeigt p = Druck ρ = Dichte - Wind parallel zu Isobaren und nicht von hohem zu niedrigem Druck - Windstärke proportional zur Dichte/Gradient der Isobaren 3. Horizontale Variabilität - Beispielkarte des Bodendrucks - Wind zyklonal um Tief (Gegenuhrzeigersinn) - Wind antizykonal um Hoch (Uhrzeigersinn) 4. Verschiedene Skalen Zeit Makro Meso Länge Mikro 4. Verschiedene Skalen - einige Beispiele Phänomen Extratropische Zyklone Staubteufel Hurricane Antizyklone Kaltfront Warmfront Tornado Hangwinde Jet stream Cumulus Längenskala Dauer 4. Verschiedene Skalen - einige Beispiele Phänomen Längenskala Dauer Extratropische Zyklone 500 - 2000 km 3 – 15 Tage Staubteufel Hurricane Antizyklone Kaltfront Warmfront Tornado Hangwinde Jet stream Cumulus 4. Verschiedene Skalen - einige Beispiele Phänomen Längenskala Dauer Extratropische Zyklone 500 - 2000 km 3 – 15 Tage Staubteufel 1 - 100 m 0.2 – 15 min Hurricane Antizyklone Kaltfront Warmfront Tornado Hangwinde Jet stream Cumulus 4. Verschiedene Skalen - einige Beispiele Phänomen Längenskala Dauer Extratropische Zyklone 500 - 2000 km 3 – 15 Tage Staubteufel 1 - 100 m 0.2 – 15 min Hurricane 300 – 2000 km 1 – 7 Tage Antizyklone Kaltfront Warmfront Tornado Hangwinde Jet stream Cumulus 4. Verschiedene Skalen - einige Beispiele Phänomen Längenskala Dauer Extratropische Zyklone 500 - 2000 km 3 – 15 Tage Staubteufel 1 - 100 m 0.2 – 15 min Hurricane 300 – 2000 km 1 – 7 Tage Antizyklone 500 – 2000 km 3 – 15 Tage Kaltfront Warmfront Tornado Hangwinde Jet stream Cumulus 4. Verschiedene Skalen - einige Beispiele Phänomen Längenskala Dauer Extratropische Zyklone 500 - 2000 km 3 – 15 Tage Staubteufel 1 - 100 m 0.2 – 15 min Hurricane 300 – 2000 km 1 – 7 Tage Antizyklone 500 – 2000 km 3 – 15 Tage Kaltfront 500 – 2000 km 3 – 7 Tage Warmfront Tornado Hangwinde Jet stream Cumulus 4. Verschiedene Skalen - einige Beispiele Phänomen Längenskala Dauer Extratropische Zyklone 500 - 2000 km 3 – 15 Tage Staubteufel 1 - 100 m 0.2 – 15 min Hurricane 300 – 2000 km 1 – 7 Tage Antizyklone 500 – 2000 km 3 – 15 Tage Kaltfront 500 – 2000 km 3 – 7 Tage Warmfront 300 – 1000 km 1 – 3 Tage Tornado Hangwinde Jet stream Cumulus 4. Verschiedene Skalen - einige Beispiele Phänomen Längenskala Dauer Extratropische Zyklone 500 - 2000 km 3 – 15 Tage Staubteufel 1 - 100 m 0.2 – 15 min Hurricane 300 – 2000 km 1 – 7 Tage Antizyklone 500 – 2000 km 3 – 15 Tage Kaltfront 500 – 2000 km 3 – 7 Tage Warmfront 300 – 1000 km 1 – 3 Tage Tornado 30 – 3000 m 0.5 – 90 min Hangwinde Jet stream Cumulus 4. Verschiedene Skalen - einige Beispiele Phänomen Längenskala Dauer Extratropische Zyklone 500 - 2000 km 3 – 15 Tage Staubteufel 1 - 100 m 0.2 – 15 min Hurricane 300 – 2000 km 1 – 7 Tage Antizyklone 500 – 2000 km 3 – 15 Tage Kaltfront 500 – 2000 km 3 – 7 Tage Warmfront 300 – 1000 km 1 – 3 Tage Tornado 30 – 3000 m 0.5 – 90 min Hangwinde 10 – 100 km 2 – 12 Stunden Jet stream Cumulus 4. Verschiedene Skalen - einige Beispiele Phänomen Längenskala Dauer Extratropische Zyklone 500 - 2000 km 3 – 15 Tage Staubteufel 1 - 100 m 0.2 – 15 min Hurricane 300 – 2000 km 1 – 7 Tage Antizyklone 500 – 2000 km 3 – 15 Tage Kaltfront 500 – 2000 km 3 – 7 Tage Warmfront 300 – 1000 km 1 – 3 Tage Tornado 30 – 3000 m 0.5 – 90 min Hangwinde 10 – 100 km 2 – 12 Stunden Jet stream 1000 – 8000 km 5 – 15 Tage Cumulus 4. Verschiedene Skalen - einige Beispiele Phänomen Längenskala Dauer Extratropische Zyklone 500 - 2000 km 3 – 15 Tage Staubteufel 1 - 100 m 0.2 – 15 min Hurricane 300 – 2000 km 1 – 7 Tage Antizyklone 500 – 2000 km 3 – 15 Tage Kaltfront 500 – 2000 km 3 – 7 Tage Warmfront 300 – 1000 km 1 – 3 Tage Tornado 30 – 3000 m 0.5 – 90 min Hangwinde 10 – 100 km 2 – 12 Stunden Jet stream 1000 – 8000 km 5 – 15 Tage Cumulus 2 – 5 km 10 – 100 min 4. Verschiedene Skalen Atmosphäre = komplexes System mit vielen internen Wechselwirkungen
