Meteorologie und Klimatologie: Eine Einführung

309 Pages·1985·8.771 MB·German

by  Professor Dr. Horst Malberg (auth.)

Horst Malberg
Meteorologie und
Klimatologie
Eine Einführung
Mit 171 Abbildungen
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg GmbH
Professor Dr. HORST MALBERG, Freie Universität Berlin,
Institut rur Meteorologie, Fachbereich 24, WE 07, Dietrich-Schäfer-Weg 6-10,
1000 Berlin 41
ISBN 978-3-540-13788-7
CIP-Kurztitelaufuahme der Deutschen Bibliothek
Malberg, Horst:
Meteorologie und Klimatologie / H. Malberg. -
ISBN 978-3-540-13788-7 ISBN 978-3-662-08701-5 (eBook)
DOI 10.1 007/978-3-662-08701-5
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1985
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Tokyo 1985
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und daher von jedermann benutzt werden dürften.
Satz: K. u. V. Fotosatz Beerfelden
213113130-543210
Für Claudia und Petra
Danksagung
Mein herzlicher Dank gilt Herrn Prof. Dr. B. LINDEN BEIN für seine kriti
sche Textdurchsicht und seine wertvollen Anregungen sowie dem Institut
für Meteorologie der Freien Universität Berlin, aus dessen reichhaltigem
Datenschatz ich in bezug auf Wetter- und Klimabeobachtungen, Wetter
karten, Radiosondenmessungen, Radar- und Satellitenaufnahmen in vol
lem Umfang schöpfen konnte.
Inhaltsverzeichnis
Einleitung .
2 Atmosphäre 4
2.1 Chemische Zusammensetzung der Luft 4
2.2 Atmosphärische Zustandsgrößen 6
2.3 Tagesgang der Zustandsgrößen . . . 12
2.4 Jahresgang der Zustandsgrößen . . . 16
2.5 Änderungen der Zustandsgrößen mit der Höhe 18
2.6 Vertikale Stabilität der Atmosphäre 22
2.7 Gesetze . . . . . . . 26
2.8 Potentielle Temperatur . 30
2.9 Ionosphäre. . . . . . 32
3 Strahlung 34
3.1 Strahlungsspektrum 34
3.2 Herkunft der Strahlung 35
3.3 Die Solarkonstante . . 36
3.4 Wirkung der Erdatmosphäre auf die Solarstrahlung . 36
3.5 Mittlerer Haushalt der einfallenden Solarstrahlung 40
3.6 Solar-, Global- und Himmelsstrahlung 42
3.7 Wärmestrahlung der Erde 43
3.8 Strahlungsbilanz 47
4 Luftbewegung 49
4.1 Kräfte bei reibungsfreier Bewegung 50
4.2 Reibungskraft . . . . . . . . . 60
4.3 Die vollständige Bewegungsgleichung 62
4.4 Turbulenz . . . . . . . 63
4.5 Vertikale Windverhältnisse 65
4.6 Strahlströme . . . . . . 71
5 Wolken und Niederschlag 76
5.1 Verdunstung . . . . . . . . . . . . . 76
5.2 Besonderheiten des Sättigungsdampfdrucks 77
5.3 Wolkenbildung ........... . 79
VIII Inhaltsverzeichnis
5.4 Wolkenklassifikation . . . . . . . . . . . . . . 84
5.5 Wolkenbildung und thermodynamisches Diagramm 88
5.6 Gewitter. . . 91
5.7 Tau und Nebel . . . . . . . . . . . 93
6 Luftmassen, Frontalzone und Polarfront 96
6.1 Luftmassen. . . . . . . . . . . . . 96
6.2 Grenzgebiete zwischen Luftmassen: Frontalzonen 103
6.3 Polarfront . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
7 Zyklonen und Antizyklonen 108
7.1 Tiefdruckgebiete . . . . . 109
7.2 Fronten der Zyklonen . . . 112
7.3 Zusammenhang von Bodenfronten und Höhenwetterkarte . 117
7.4 Kaltlufttropfen . . . . . . . . . . . . . I 19
7.5 Tropische Zyklonen - tropische Wirbelstürme 123
7.6 Tornados, Tromben und Staubteufelchen 126
7.7 Hochdruckgebiete. . . . . . . . . . . . 127
7.8 Inversionen . . . . . . . . . . . . . . 132
7.9 Strömungseigenschaften: Zirkulation, Vorticity, Divergenz. 135
7.10 Ursache von Druckänderungen . . . . . . . . 139
7.11 Strömungsschema in Zyklonen und Antizyklonen 141
7.12 Gebirgseinfluß auf die Luftströmung . . . . . . 145
8 Wetter- und Klimabeobachtung 147
8.1 Bodenbeobachtung . . . . . 148
8.2 Klimabeobachtung . . . . . 158
8.3 Von der synoptischen Beobachtung zur Wetterkarte 160
8.4 Radiosondenbeobachtung . 163
8.5 Radar und Sodar . . . . . . . . . . . . . . 165
8.6 Wettersatellitenbeobachtung . . . . . . . . . 169
8.7 Meteorologische Erscheinungen im Satelliten bild . 173
9 Wettervorhersage.......... 188
9.1 Numerische Wettervorhersage. . . . . 189
9.2 Lokale und regionale Wettervorhersage. 194
9.3 Güte der Wettervorhersage . . . . . . 198
10 Allgemeine atmosphärische Zirkulation. 203
10.1 Druck- und Strömungsverhältnisse im Meeresniveau . . .. 204
10.2 Druck-und Strömungsverhältnisse in der freien Atmosphäre
auf der Nordhalbkugel . . . . . . . . . . . . . 211
10.3 Vertikale Temperatur- und Zirkulationsverhältnisse 215
10.4 Stratosphärenerwärmungen . . . . . . . . . . . 219
Inhaltsverzeichnis IX
11 Klima und Klimaklassifikation 221
11.1 Definition . . . . . . . . . 221
11.2 Klimaklassifikation . . . . . 222
11.3 Übersicht über die Klimagebiete (nach Köppen 1918) . 227
11.4 Vertikale Klimagliederung der Gebirge. 235
1l.5 Maritimer und kontinentaler Klimatyp . . 236
11.6 Klimadiagramme . . . . . . . . . . . 238
12 Klimaschwankungen - Klimaänderungen . 240
12.l Klima in geologischer Vorzeit . . . . . . 242
12.2 Nacheiszeitliche Klimaentwicklung in Mitteleuropa 246
12.3 Moderne Klimatologie. . . . . . 247
12.4 Ursache von Klimaänderungen . . 249
12.5 Anthropogene Klimabeeinflussung . 253
13 Kleinräumige Windsysteme . 256
13.1 Land- und Seewind 256
13.2 Berg-und Talwind 258
l3.3 Föhn ..... . 259
13.4 Kanalisierte Winde 262
13.5 Bora, Schirokko, Chamsin 263
14 Stadtklima . . . . 264
14.l Wärmeinsel 264
14.2 Feuchteverteilung . 267
14.3 Windverhältnisse . 268
14.4 Niederschlagseinfluß 271
14.5 Klimatologische Stadtplanung. 273
15 Anthropogene Luftverunreinigung . 275
15.1 Wetterlage und Luftbelastung . 276
15.2 Emission und Immission 279
15.3 Smog ...... . 280
15.4 Ausbreitungsrechnung 282
16 Wetterbeeinflussung . 287
16.l Nebelauflösung . . 287
16.2 Hagelbekämpfung .. 288
16.3 Regenerzeugung . . 288
16.4 Wirbelsturmbeeinflussung 289
17 Schlußbetrachtungen 291
Literatur ... 293
Sachverzeichnis 297
1 Einleitung
Die Meteorologie gehört zum Kreis der Geowissenschaften, d. h. jener Wissen
schaften, deren Forschungsgegenstand die Erde ist. Weitere Mitglieder dieser Fa
milie sind die Geologie, Geophysik, Ozeanographie, Geographie.
Im engeren Sinne ist die Meteorologie eine geophysikalische Wissenschaft,
denn sie beschäftigt sich mit den physikalischen Eigenschaften der Lufthülle des
Planeten Erde, unserer Atmosphäre. Weitere Zweige der Geophysik befassen
sich mit den Eigenschaften der festen Erde, so z. B. die Erdbebenkunde
(Seismik), oder mit den physikalischen Eigenschaften der Ozeane und Gewässer.
Aufgrund ihrer geschichtlichen Entwicklung ist die Meteorologie eine "empi
rische", also eine Erfahrungswissenschaft. Ihre Grundlage ist die W etterbeo
bachtung und die Auswertung jahrzehnte-bis jahrhundertelanger Beobachtungs
reihen mit dem Ziel, die physikalischen Gesetzmäßigkeiten zu erkennen, nach de
nen die Vorgänge in der Atmosphäre ablaufen. In diesem Sinne gehört die Mete
orologie zur Physik, betreibt sie die Physik der Atmosphäre, ist der Meteorologe
als "angewandter" Physiker zu betrachten.
Kann jedoch der Physiker seine Experimente im Labor durchführen und sie
jederzeit unter den gleichen Versuchsbedingungen wiederholen, so ist dieses dem
Meteorologen verwehrt. Ihm werden die "Untersuchungsanordnungen" von der
Atmosphäre vorgegeben, sie muß er so vermessen, wie die Prozesse ablaufen,
was nicht selten mit großen Schwierigkeiten verbunden ist, z. T. auch wegen der
kaum möglichen Trennung komplexer Vorgänge und Wechselwirkungsprozesse
zu Unzulänglichkeiten, zu unbefriedigenden Ergebnissen führt. Neue Technolo
gien und neue Beobachtungsmethoden werden aber auch hier im Laufe der Zeit
schrittweise zu neuen Erkenntnissen führen, zu einem auch in Einzelfragen zu
nehmend besseren Verständnis unserer Atmosphäre und ihrer Wettererscheinun
gen.
Die Gliederung der Meteorologie ist in Abb. 1 dargestellt. Wie wir erkennen,
lassen sich 2 Ebenen unterscheiden:
1. die wissenschaftlichen Grundlagenbereiche Experimentelle Meteorologie,
Theoretische Meteorologie, Synoptische Meteorologie und Klimatologie,
2. die angewandten Fachrichtungen Wettervorhersage, Technische Meteorolo
gie, Verkehrsmeteorologie, Bio- und Agrarmeteorologie, Meteorologie der
Luftverunreinigungen und Hydrometeorologie.
Die Experimentelle Meteorologie beschäftigt sich mit den meteorologischen
Meßmethoden - von der konventionellen Luftdruck-, Wind-, Temperatur- und
Feuchtemessung bis zu den modernen Verfahren der Niederschlagsmessung mit-