Allgemeine Meteorologie

Gösta H. Liljequist
Konrad Cehak
Allgemeine
Meteorologie
3., überarbeitete und erweiterte Auflage
Mit 359 Bildern, 24 Tabellen, 3 Karten
und 30 Photos im Anhang
V
Friedr. Vieweg & Sohn
Braunschweig / Wiesbaden
Inhaltsverzeichnis
1.
Einleitung
1
2.
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
2.5.
Die Gasgesetze
Einheiten für Temperatur und Druck
Die allgemeine Gaszustandsgleichung
Die allgemeine Gaszustandsgleichung für Gasgemische
Die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre
Die meteorologischen Elemente
5
5
5
6
6
7
3.
3.1.
3.2.
3.3.
3.5.
3.6.
Die Strahlung
Definitionen und Einheiten
Die Temperaturstrahlung
Die Sonnenstrahlung
3.3.1. Das Spektrum der Sonnenstrahlung
3.3.2. Die Intensität der Sonnenstrahlung in der Atmosphäre — die direkte
Sonnenstrahlung
3.3.3. Die Globalstrahlung
Die terrestrische Strahlung
3.4.1. Das Spektrum und die allgemeinen Eigenschaften der Strahlung
Der Strahlungshaushalt der Erdoberfläche und der Atmosphäre
Meteorologische Strahlungsmeßgeräte
14
17
20
20
23
25
4.
Die Lufttemperatur
28
4.1.
4.2.
4.3.
Die Bestimmung der Lufttemperatur
4.1.1. Flüssigkeitsthermometer
4.1.2. Deformationsthermometer. Der Thermograph
4.1.3. Elektrische Thermometer
4.1.3.1. Thermoelemente
4.1.3.2. Widerstandsthermometer
4.1.4. Strahlungsschutz
4.1.5. Das Nachhinken der Thermometer
Die Faktoren, die die Lufttemperatur bestimmen
Die Temperaturverteilung auf der Erde
'.
28
28
29
30
30
31
31
33
34
38
5.
Die Luftfeuchtigkeit
43
5.1.
5.2.
5.3.
5.4.
5.5.
Methoden zur Beschreibung der Luftfeuchtigkeit
Die Dichte der feuchten Luft. Die virtuelle Temperatur
Die Bestimmung der Luftfeuchtigkeit
5.3.1. Das Psychrometer
5.3.2. Das Haarhygrometer. Der Hygrograph
5.3.3. Das Frostpunkthygrometer
Die Luftfeuchtigkeitsverteilung über der Erdoberfläche
Die Behaglichkeitsempfindung und die Schwüle
43
46
47
47
48
48
49
51
6.
Der Luftdruck
6.1.
6.2.
6.3.
Definitionen
Die Abnahme des Luftdruckes mit der Höhe
Die Messung des Luftdruckes
6.3.1. Das Quecksilberbarometer
6.3.2. Die Reduktion der Barometerablesung auf 0 °C und Normalschwere
6.3.3. Die Reduktion des Luftdruckes auf das Meeresniveau
J
6.3.4. Das Aneroidbarometer
.
.'
6.3.5. Das Siedebarometer oder Hypsometer. .
3.4.
•;
,
8
8
11
13
13
52
52
52
54
55
56
59
60
61
VIII
Inhaltsverzeichnis
6.4.
6.5.
6.6.
Die Luftdruckverteilung im Meeresniveau
Isobare Flächen .Die zeitliche Änderung des Luftdruckes
61
63
64
7.
Der Wind, die Bewegung der Luft
66
7.1.
7.2.
7.3.
7.4.
7.5.
7.6.
Windbeobachtungen nahe der Erdoberfläche
Die Messung des Windes in der freien Atmosphäre — der Höhenwind
Einige Winddaten
Stromlinien und Trajektorien
Laminare und turbulente Strömung
Die Turbulenz in der Atmosphäre
66
70
73
73
74
75
8.
Temperatur, Feuchtigkeit und Luftdruck in der freien Atmosphäre
78
8.1.
8.2.
Historischer Rückblick
Radiosonden
8.2.1. Die amerikanische Wetterbürosonde
8.2.2. Die deutsche Sonde (Graw-Sonde)
8.2.3. Die schweizerische Sonde
8.2.4. Die finnische Sonde (Väisälä-Sonde)
Die Berechnung der Höhen in einem Radiosondenaufstieg
Niveauflächen und Geopotential
Fehlerquellen bei den Radiosondenmessungen
Beispiele einiger typischer Radiosondenaufstiege
Die Standard-Atmosphäre
Die Feuchtigkeit in der Atmosphäre
78
79
79
80
80
81
82
82
84
85
87
88
8.3.
8.4.
8.5.
8.6.
8.7.
8.8.
9.
9.1.
9.2.
9.3.
9.4.
9.5.
9.6.
9.7.
9.8.
9.9.
9.10.
9.11.
9.12.
9.13.
9.14.
DieSchichtung der Atmosphäre ( T h e r m o d y n a m i k der Atmosphäre)
Wärmemenge und Arbeit
Die Zustandsänderung
Der erste Hauptsatz der Wärmelehre. Die spezifische Wärmekapazität
Die adiabatische Zustandsänderung
Die trockenadiabatische Temperaturabnahme
Trockenstabile und trockenlabile Schichtung
Die feuchtadiabatische Temperaturabnahme
Feuchtstabile und feuchtlabile Schichtung
Hebungs- und Absinkkurven
Thermodynamische Diagramme
Die Labilitätsenergie und die Entstehung von Vertikalbewegungen
Einige Anwendungen des Begriffes Labilitätsenergie
Turbulenz und Schichtung
Faktoren, die die Schichtung der Atmosphäre beeinflussen
9.14.1. Das Einwirken der dynamischen Turbulenz auf die Schichtung
9.14.2. Die Wirkung von Konvektion und Strahlung
9.14.3. Die Änderung der Stabilität bei geordneten Vertikalbewegungen
....
89
89
90
91
92
93
94
95
98
98
99
102
103
106
107
107
108
110
10.
Die Kondensationsprozesse in der Atmosphäre
114
10.1.
10.2.
10.3.
10.4.
10.5.
Die Bedeutung des Begriffes Dampfdruck
Der Sättigungsdruck über einem Tropfen
Die Kondensationskerne der Atmosphäre
Wolkentröpfchen: Größe und Fallgeschwindigkeit
Der Sättigungsdampfdruck des Wasserdampfes über Eis und über unterkühltem
Wasser
'.
Die atmosphärischen Eiskristalle
Die Auslösung des Niederschlags
114
114
117
118
10.6.
10.7.
119
121
123
Inhaltsverzeichnis
10.8.
10.9:
IX
10.10.
Künstliche Niederschlagsbildung
Die äußeren Bedingungen bei Kondensationsprozessen in der Atmosphäre
10.9.1. Kondensation bei Hebung der Luft
10.9.2. Kondensation bei der Abkühlung der Luft nahe der Erdoberfläche
10.9.3. Kondensation bei Mischung von Luftmassen verschiedener Temperatur
Die Fallgeschwindigkeit der Hydrometeore
131
131
131
133
133
134
11.
Dunst und Nebel . . .
137
11.1.
11.2.
11.3.
11.5.
Dunst
Allgemeine Eigenschaften des Nebels
Nebelbildende und nebelauflösende Faktoren
11.3.1. Nebelbildende Faktoren
11.3.2. Nebelauflösende Faktoren
Die verschiedenen IMebelarten und ihre Eigenschaften
11.4.1. Der Strahlungsnebel
11.4.2. Advektionsnebel
11.4.3. Orographischer Nebel, Hang-und Talnebel
11.4.4. Frontnebel
11.4.5. Seerauch
11.4.6. Turbulenznebel
Nebel und Verkehr
137
137
139
139
139
139
139
140
141
141
141
142
142
12.
Die Wolken
143
12.1.
12.2.
Die Klassifizierung der Wolken
Beschreibung der verschiedenen Wolkenformen
12.2.1. Hohe Wolken
12.2.2. Mittelhohe Wolken
12.2.3. Tiefe Wolken und Wolken mit großer vertikaler Erstreckung
Die Wolkenklassifikation nach der Entstehungsart
12.3.1. Durch ungeordnete Hebung in einer relativ dünnen Luftschicht
gebildete Wolken
12.3.2. Durch Aufgleiten der Luft gebildete Wolken
12.3.3. Durch mehr oder weniger begrenzte stärke Hebung entstandene
konvektive Wolken
i . .-r-r-^-^
Die Verschlüsselung der Wolkenbeobachtungen
Die Bestimmung der Bewölkung und der Sonnenscheindauer
Die Messung der Wolkenhöhe
Die Messung der Wolkenbewegung
Wolkenbeobachtung von meteorologischen Satelliten
12.8.1. Meteorologische Satelliten
12.8.2. Bilder im sichtbaren und im infraroten Strahlungsbereich
12.8.3. Wolkenformen im Satellitenbild
12.8.4. Wolkengruppen
143
144
144
145
145
147
11.4.
12.3.
12.4.
12.5.
12.6.
12.7.
12.8.
147
148
149
151
151
152
153
153
153
154
157
158
13.
Der Niederschlag
159
13.1.
13.2.
13.3.
13.4.
13.5.
13.6.
13.7.
13.8.
13.9.
Verdunstung und Wasserkreislauf
Die Klassifizierung der Niederschläge
Der Nieselregen
Regen und Regenschauer
Schnee und Schneeschauer
Hagel
Schneetreiben und Sandsturm
Die Niederschlagsmessung
Die Anwendung des Radars in der Meteorologie
159
160
161
161
162
164
165
166
168
~.
X
Inhaltsverzeichnis
13.10.
13.11.
13.12.
13.13.
13.14.
13.15.
Die Bedeutung der Orographie für die Niederschlagsverteilung
Grundsätzliche Züge der Verteilung der Niederschläge auf der Erde
Wolkenbrüche und besonders starke Niederschlagsmengen
Gletscherbildung
Niederschlag in Form eines Beschlages
Flugverkehr und Eisbildung
170
171
174
176
176
177
14.
Die atmosphärische Elektrizität
179
14.1.
14.2.
14.3.
14.4.
14.5.
14.6.
14.7.
14.8.
14.9.
Die Ionisation der Luft
Die elektrische Leitfähigkeit der Luft
Stoßionisation
Die luftelektrischen Elemente
Meßmethoden
Überblick über die elektrischen Vorgänge in der Atmosphäre
Das Gewitter
14.7.1. Die Klassifizierung der Gewitter
14.7.2. Die elektrischen Eigenschaften der Gewitterwolken
14.7.3. Zur Theorie des Gewitters
Das Gewitter als elektrischer Generator in der Atmosphäre
Die Schadenwirkungen des Gewitters
179
180
182
182
183
187
191
191
192
194
195
198
15.
Atmosphärische Optik
200
15.1.
15.2.
15.3.
15.4.
15.5.
Die Lichtbrechung in der Atmosphäre (atmosphärische Refraktion)
Die Streuung und diffuse Reflexion des Lichtes in der Atmosphäre
Kränze
Der Regenbogen
Haloerscheinungen
15.5.1. Allgemeine Grundsätze für die Haloentstehung
15.5.2. Beschreibung einiger Halokomponenten
15.5.2.1. Der 22°-Ring
15.5.2.2. Der46°-Ring
15.5.2.3. Nebensonne oder Parhelia (mit dem Mond als Lichtquelle:
Nebenmond oder Parselena)
^<.
15.5.2.4. Die oberen und unteren Berührungsbogen an den 22°-Ring
(der umschriebene Halo)
15.5.2.5. Der zirkumzenitale Bogen
15.5.2.6. Einige Halokomponenten, die durch Reflexion an den
Kristallflächen entstehen
200
203
206
208
210
210
215
215
216
16.
Die atmosphärischen Bewegungsgesetze
219
16.1.
16.2.
16.3.
16.4.
16.5.
16.6.
16.7.
16.8.
16.9.
Vektoren
Die Gradientkraft
Die ablenkende Kraft der Erdrotation: die Corioliskraft
Der geostrophische Wind
Der Gradientwind: die Strömung um Hoch- und Tiefdruckgebiete
Die zyklostrophische Zirkulation und die Trägheitsströmung
Der thermische Wind
Die Strömung der Luft, die nicht isobarenparallel verläuft
Divergenz und Konvergenz .
219
220
222
226
228
231
232
236
238
17.
Kleine und große Zirkulationssysteme in der Atmosphäre
240
17.1.
17.2.
17.3.
Land- und Seewind
Berg- und Talwind
Fallwinde
240
241
242
'
216
218
218
218
Inhaltsverzeichnis
XI
17.4.
17.5r17.6.
17.7.
17.8.
Einige lokale Windsysteme mit eigenen Namen
Jahreszeitliche Winde oder Monsune
Die planetarische Zirkulation
Die Luftströmung in den mittleren Breiten und in den Polargebieten
Zusammenfassung
18.
Synoptische Wetterkarten
248
18.1.
18.2.
18.3.
18.4.
18.5.
Wetterbeobachtungen
Die Sammlung und Weiterleitung der Beobachtungen
Die Wetterkarte
Die Analyse der Wetterkarte
Historischer Rückblick
248
250
251
252
256
19.
Luftmassen und Luftmassengrenzen
258
19.1.
19.2.
19.6.
Luftmassen: Klassifizierung und allgemeine Eigenschaften
Die Luftmassen in Mittel-, West- und Nordeuropa
19.2.1. Tropikluft
19.2.2. Polarluft
19.2.3. Arktikluft
Luftmassengrenzen: Entstehung und allgemeine Eigenschaften
Die Neigung der Frontflächen und die Strömung der Luft auf beiden Seiten der Front . .
Wetter und Wolken an Warm- und Kaltfronten
19.5.1. Die Warmfront
19.5.2. Die Kaltfront
'
19.5.2.1. Kaltfront mit langsamer Bewegung
19.5.2.2. Kaltfront mit rascher Bewegung
Abweichungen von den normalen Eigenschaften der Fronten
258
260
260
260
261
261
265
268
269
270
270
272
273
20.
Zyklonen und Antizyklonen
275
20.1.
20.2.
20.3.
20.4.
20.5.
20.6.
20.7.
Die Entstehung und weitere Entwicklung der Zyklonen
Die Okklusion
20.2.1. Die Warmfrontokklusion
20.2.2. Die Kaltfrontokklusion
Die allgemeine Struktur einer Zyklone
Zyklonenbahnen
Die Steuerung
Die Antizyklone
Die Höhe der Tropopause in Zyklonen und Antizyklonen
275
277
277
278
278
280
281
285
286
21.
Tropische Meteorologie und Tromben
288
21.1.
21.2.
21.3.
21.4.
21.5.
Die meteorologischen Verhältnisse in den Tropen
Die südliche Schwingung. El Nino
Die tropoischen Orkane
Tromben
Übersicht über die Größenordnungen der Wirbel
288
295
295
301
303
19.3.
19.4.
19.5.
243
244
245
246
247
22.
Die allgemeine Zirkulation
304
22.1.
22.2.
22.3.
22.4.
22.5.
22.6.
22.7.
22.8.
Übersicht über die Zirkulation in der Atmosphäre
Der Einfluß der Erdrotation auf das atmosphärische Strömungssystem
Der Strömungsverlauf in der freien Atmosphäre
Zirkulationen mit hohem und mit niederem Index
Strahlströme (Jetstreams)
Die zonale Zirkulation in der Atmosphäre
Die meridionale Zirkulation
Die atmosphärische Zirkulation in den Polargebieten
304
305
307
309
310
314
314
315
XII
Inhaltsverzeichnis
23.
23.1.
23.2.
23.3.
23.4.
23.5.
23.6.
23.7.
Einige Beispiele von typischen Wetterlagen
Stationäres Hochdruckgebiet über Mitteleuropa
Sturmtief über der Ostsee
Am Alpenostrand nordwärts ziehendes Tief, Vb-Lage
Föhn im Alpenraum
Polare Kaltluftausbrüche
23.5.1. Polare Kaltluftausbrüche der Südhalbkugel
23.5.2. Polare Kaltluftausbrüche der Nordhalbkugel
Ein Querschnitt durch einen Strahlstrom über Mitteleuropa
Wandernde Antizyklonen der Südhalbkugel
319
319
319
326
326
331
331
331
332
334
24.
Die meteorologischen Verhältnisse in der bodennahen Schicht
337
24.1.
Die Reibungsschicht
337
24.2.
24.3.
24.4.
24.5.
24.6.
24.7.
Die Turbulenz und die Höhenabhängigkeit des Windes in der bodennahen S c h i c h t . . . .
Wärmeleitung und Diffusion
Die Windabhängigkeit von der Höhe in der Oberschicht
Die Ausbreitung von Luftverunreinigungen in der Atmosphäre
Schneetreiben und Niederschlagsmessung
Lokalklimatische Verhältnisse
338
342
344
344
346
347
25.
25.1.
25.2.
25.3.
25.4.
25.5.
25.6.
25.7.
Die Wechselwirkung zwischen Atmosphäre und Meer
Hydrographische Reihen
Die Entstehung der Meeresströmungen
Die Meeresströmungen im Nordatlantik
Der Einfluß des Meeres auf die meteorologischen Verhältnisse
Die thermische Jahresschwankung in Seen und Ozeanen. Die Eisbildung
Die Eisverhältnisse im Meer
Die Zirkulation des Wassers in den großen Meerestiefen
351
351
352
354
355
356
358
359
26.
26.1.
26.2.
Die Arbeitsmethoden und Probleme der Klimatologie
Klimabeobachtungen und Klimastationen
Einige statistische Gesichtspunkte bei der Bearbeitung klimatologischer
Beobachtungen
Klimaänderungen in historischer und geologischer Zeit
Die Klassifizierung des Klimas
Die Bedeutung des Klimas
Der menschliche Einfluß auf das Klima. Klimamodelle
363
363
26.3.
26.4.
26.5.
26.6.
27.
27.1.
27.2.
27.3.
27.4.
365
368
373
373
375
Die Stratosphäre und hohe Atmosphäre
376
Übersicht über die hohe Atmosphäre
376
27.1.1. Die Temperaturschichtung der hohen Atmosphäre
376
27.1.2. Akustische Temperaturbestimmung
377
27.1.3. Meteoritenbeobachtungen als Hilfsmittel für die Temperaturbestimmung . . . . 378
27.1.4. Wolken in der höheren Atmosphäre
378
Dissoziation der Luftmoleküle. Ozon in der Atmosphäre
379
Die Ionosphäre
380
Die Partikelstrahlung in der Atmosphäre
381
Literaturverzeichnis
Sachwortregister
Bildanhang
383
;
385
397