Meteorologie: Eine interdisziplinäre Einführung in die Physik der Atmosphäre

535 Pages·2016·34.3 MB·German

by  Brigitte Klose (auth.)

Springer-Lehrbuch
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http://www.springer.com/series/1183
Zur Person Brigitte Klose hat nach einem Praktikum am
Aerologischen Observatorium Lindenberg an der Humboldt-
Universität zu Berlin Meteorologie studiert und dort auch
promoviert (1976). Nach dem Studium war sie mehr als ein
Jahrzehnt an der Flugwetterwarte in Berlin-Schönefeld tätig,
erarbeitete eigenverantwortlich Fernsehwetterberichte und
präsentierte dieselben auch über viele Jahre.
Von 1978 an war sie an der Humboldt-Universität im Be-
reich Meteorologie und Geophysik als Assistentin und Do-
zentin wirksam, habilitierte 1988 und forschte zu Windphä-
nomenen im Grenzschichtbereich sowie zur Synoptischen
Meteorologie. Ihre umfangreichen Forschungsergebnisse
legte sie in Tagungsberichten sowie in nationalen als auch in internationalen Fachzeitschriften
nieder.
Nach Schließung des Meteorologischen Instituts der Humboldt-Universität 1996 wurde
sie auf eine Professur für Meteorologie und Navigation an die Fachhochschule Oldenburg
(Bereich Seefahrt in Elsfleth) berufen. Sie las bis zu ihrer Emeritierung die Meteorologie
inklusive eines meteorologischen Praktikums, die klassische und astronomische Navigation
und die Mathematik für Nautikstudenten. Im Rahmen ihrer Lehrtätigkeit betreute sie weit
über Hundert Diplomarbeiten und Dissertationen.
Zur Meteorologie Die Meteorologie beschäftigt sich heute als stark theoretisch geprägte und
stark spezialisierte Wissenschaft vorwiegend mit den physikalischen und chemischen Prozes-
sen in der Erdatmosphäre, wobei insbesondere die Wetterprognose nicht mehr auf herkömm-
lichen Wetterregeln basiert, sondern weitgehend mathematisiert ist. Aus der langfristigen
Wetterbeobachtung geht dann die heute besonders wichtige Klimaforschung und Klimapro-
gnose hervor.
Um den Studierenden und allen am Wetter Interessierten einen Einblick in den täglich
wechselnden augenblicklichen Zustand der Atmosphäre zu vermitteln, wird nach einführen-
den Betrachtungen zum Aufbau und zur Thermodynamik der Atmosphäre ausführlich auf die
grundlegenden meteorologischen Elemente und deren Bestimmung eingegangen. Die erwei-
terten Übungen werden mit Lösungen angegeben, um die Einarbeitung in die Wissenschaft
Meteorologie zu erleichtern.
Ein kurzes Kapitel befasst sich mit der Satellitenmeteorologie, die gegenwärtig mit die
wichtigsten Daten für lokale und globale meteorologische Aussagen liefert. Neben der Be-
handlung der synoptischen Systeme der mittleren Breiten und Tropen ist das Augenmerk auf
die allgemeine Zirkulation sowie spezielle regionale Zirkulationssysteme gerichtet. Darüber
hinaus werden konvektive Prozesse und Systeme der Atmosphäre wie Gewitter, Tornados
und tropische Wirbelstürme eingehend behandelt, da sie infolge des Klimawandels immer
mehr prägende meteorologische Erscheinungen werden.
Dieses Buch beruht auf eine langjährige Lehrertätigkeit an der Humboldt-Universität zu
Berlin und am Bereich Seefahrt der Fachhochschule Oldenburg, heute Jade-Hochschule. Es
bietet einen breitgefächerten Einstieg in viele Teilbereiche der Meteorologie und ist deshalb
für einen großen Leserkreis geeignet, insbesondere auch für Nautiker, da in praxisbezogener
Weise auf die tropischen Wirbelstürme und die damit verbundenen Probleme der Sturmnavi-
gation eingegangen wird.
Brigitte Klose • Heinz Klose
Meteorologie
Eine interdisziplinäre Einführung
in die Physik der Atmosphäre
3. Auflage
Brigitte Klose Heinz Klose
Jade Hochschule Ingenieurbüro Optomet
Fachbereich Seefahrt Oldenburg
Elsfleth Niedersachsen
Deutschland Deutschland
ISSN 0937-7433
Springer-Lehrbuch
ISBN 978-3-662-43621-9 ISBN 978-3-662-43622-6 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-43622-6
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Vorwort
Das vorgelegte Buch beruht auf langjähriger Lehrtätigkeit, die mit den Vorlesun-
gen 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 entstan-
den 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, Geo-
graphie, Geophysik und Nautik sowie alle meteorologisch Interessierten, die sich
im Studium oder im täglichen Leben mit der Meteorologie bzw. dem Wetter be-
fassen 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, wur-
de auf Grund der großen Mannigfaltigkeit der meteorologischen Prozesse und Er-
scheinungen versucht, neben mathematischen und physikalischen Grundkenntnis-
sen 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 Atmo-
sphäre am Wetter. Für den Fortgang der jeweiligen Ausführungen und zum besseren
Verständnis der abgehandelten Problematik sind eine Reihe von Skizzen, Abbil-
dungen 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 Wettersprü-
chen oder Regeln zusammengefasst, die Einsichten in die ablaufenden meteoro-
logischen Prozesse vermitteln und zur Klärung der beobachteten Erscheinungen
beitragen.
V
VI Vorwort
Da man in der meteorologischen Literatur meist wenig über die Sichtweite und
die Gewitterbildung findet, was ärgerlich ist, sind hierzu zwei umfangreiche Ka-
pitel 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 Ge-
witterelektrizität. 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 we-
sentlich 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 Aus-
zubildende, die Übungen zu Land, zur See und auf Schiffen absolvieren, können
sich die notwendigen meteorologischen Kenntnisse anhand dieses Buches aneig-
nen, weil sein letztes Kapitel speziell der Seefahrt gewidmet ist und praxisrelevante
Konzepte zur Sturmnavigation enthält.
Geht man allerdings von den derzeitigen weltweiten Informations- und Wissens-
strömen 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 Gestal-
tungsentwurf 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 über-
lassen und mich damit sehr unterstützt haben.
Gedankt sei auch dem Deutschen Wetterdienst, der die Verwendung vieler Ab-
bildungen gestattete, und der Firma Dehn & Söhne aus München für Ihre Blitz-
fotos sowie dem Verlag 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 Ab-
bildungen gestatteten, so Prof. Dr. D. Etling, Diplom-Meteorologe M. Kurz, Dr.
D. Kasang. Prof. Dr. M. Latif, Prof. Dr. J. P. 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 Mitar-
beitern, 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
VII
Vorwort zur 2. Auflage
Brigitte Klose hat ihr Buch überarbeitet, Fehler der ersten Auflage beseitigt, zahl-
reiche Kapitel infolge neuerer Entwicklungen vertieft und mit viel Mühe die Übun-
gen erweitert sowie ihre Lösungen für ein leichteres Einarbeiten von Studierenden
in meteorologische Fragestellungen hinzugefügt. Leider war es ihr nicht mehr ver-
gönnt, die Drucklegung und das Erscheinen ihres Werkes zu erleben.
Ausgehend von der ersten Auflage wurden Kapitel mit grundlegenden meteoro-
logischen Inhalten nahezu unverändert übernommen. Erweiterungen und Vertiefun-
gen erfuhren neben den Übungen alle Kapitel, die mit neueren meteorologischen
und klimatologischen Erkenntnissen verbunden sind. Die Autorin vervollständigte
auch die Farbtafeln und fügte in den Text eindrucksvolle farbige Abbildungen ein,
so dass viele meteorologische Phänomene anschaulicher und aussagekräftiger wer-
den.
Besonderen Wert legte Brigitte Klose auf die Erläuterung der klimawirksamen
Luftverunreinigungen, auf die Entwicklung von Klimamodellen und auf die Ver-
änderung der Ozonkonzentration sowohl in der Troposphäre als auch in der Strato-
sphäre. Ausführlich geht sie auf das arktische und antarktische Ozonloch und den
katalytischen Ozonabbau sowie auf die Wirkung polarer stratosphärischer Wol-
ken ein. Auch der Anstieg des Meeresspiegels, die Änderung des Niederschlags-
regimes, die Zunahme der CO - und Methankonzentration sowie der Anstieg des
2
Wassergehaltes in der Atmosphäre infolge des Klimawandels werden ausführlicher
als in der ersten Auflage behandelt. Die Auswirkungen des Klimawandels sind im
IPCC-Bericht des Weltklimarats (April 2014) zusammenfassend dargestellt, und
es wird darin insbesondere auch auf die gesellschaftlichen Probleme hingewiesen
(Artensterben, Hungersnöte, Extremwetterlagen, Kriege ums Trinkwasser), sodass
die ausführlichen Betrachtungen der Autorin zum Klimawandel ernst genommen
werden sollten.
Im umfangreichsten Kap. 4 wird nachdrücklich auf die Entstehung und Wirkung
der Aerosole hingewiesen, und es wurden neue Daten und farbige Abbildungen ein-
gearbeitet. Insbesondere die Ausführungen zur Sichtweite enthalten Aspekte, die
auch technisch genutzt werden können. Typische, mit Hilfe von Satelliten erfasste
Fallbeispiele wurden ins Kap. 5 aufgenommen, während in den nachfolgenden drei
Abschnitten nur geringfügige Änderungen eingingen. Erläuterungen von Phäno-
menen der Luftmassen gewinnen durch zusätzliche Wetterkarten, Satellitenaufnah-
men und farbige Abbildungen an Aussagekraft.
IX
X Vorwort zur 2. Auflage
Dies trifft auch auf Kap. 11 zu, wobei die großräumigen Oszillationen ausführ-
licher als früher beschrieben werden. Im Kapitel Konvektive Ereignisse fügte die
Autorin aussagekräftige Fotos zu wolkenartigen Erscheinungen, zu Gewittern und
zu Blitzen ein und behandelte dem Stand der Wissenschaft entsprechend die in Zu-
sammenhang mit Gewittern auftretende Tornadobildung. Die tropischen Wirbel-
stürme wurden von ihr ebenfalls mit vielen interessanten farbigen Abbildungen
verständlicher dargestellt, wobei auch auf die jüngsten Wirbelstürme ausführlich
eingegangen wird.
Da die Autorin die 2. Auflage nicht mehr vollenden konnte, habe ich viele neue
Daten sowie Erkenntnisse eingefügt und auch Textpassagen überarbeitet, was nur
durch unsere langjährige frühere Zusammenarbeit möglich war.
Viele Meteorologen/innnen haben mich dabei unterstützt. Neben den schon in
der 1. Auflage Genannten gilt mein besonderer Dank sowohl den Herren Prof. S.
Borrmann, Dr. K. D. Beheng, B. Beyer und Dr. W. Birmili als auch den Frauen S.
Fuchs, Dr. F. Goutail, Dr. S. Haeseler, Dr. C. Lefebvre und Prof. B. Naujokat sowie
auch den Herren Dr. A. Keul, Dr. D. Konigorski, Dr. O. Möhler, Dr. B. Mühr, Prof.
A. Richter, Prof. W. Roedel, Dr. T. Sävert, Dr. W. Steinbrecht und Dr. R. Tiesel. Ge-
dankt sei auch zahlreichen Studenten, die meiner Frau freundlicherweise Korrek-
turhinweise übermittelten. Vielen nur im Text genannten Personen und Institutionen
sei ebenfalls unser Dank ausgesprochen.
Für die gute Zusammenarbeit möchte ich mich beim Springer Spektrum Verlag
und hier insbesondere bei Frau Stefanie Adam und auch bei Frau Vera Spillner, Frau
Julia Goetzschel und Frau Christine Hoffmeister bedanken.
Oldenburg, den 03. 04. 2014 Heinz A. Klose