Einführung in die Meteorologie I + II

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Clemens Simmer

Einführung

in die Meteorologie I + II

Modul 110, Lehreinheiten 111+211

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Organisatorisches

•  Zur Vorlesung:

– Einführung in die Meteorologie I

– Modul 110, Lehreinheit 111, 6 LP (Lehreinheit 211, 2 LP, im SS) – Leistungsschein i.a. nur für Gesamtmodul (111+211)

•  erfolgreiche Abgabe von Übungen (>50%)

•  erfolgreiche Klausur (>50%)

•  Noten nur auf der Basis der Klausurergebnisse

•  Klausur (Teil 111): 30.1.2020, 12-14 Uhr (letzte Vorl.)

•  Nachklausur nach Lehreinheit 211: für 111 oder 211 oder beide – Vorlesungstermine: Di + Do, 12:15 – 13:45

– Anleitungen zu den Übungen in der Vorlesung

– Abgabe aller Übungen der jew. Woche am Di der folgenden Woche – 6 LP entspricht ca. 8 Stunden/Woche zusätzlich zur Vorlesung

•  Tutorien (Armin Blanke, Tobias Scharbach)

–  Hilfe bei Verständnis der Vorlesung

–  Unterstützung bei den Übungen und Programmieren –  Termine: nach Vereinbarung

•  Vorlesungsmaterial

–  Kraus: Die Atmosphäre der Erde

–  Roedel: Physik unserer Umwelt – Atmosphäre

–  Kopien/Präsentation:

www2.meteo.uni-bonn.de/lehre/met110

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Was ist Meteorologie?

Meteor = „das in der Luft Befindliche“

„Meteorologie“ von Aristoteles (384-322 B.C.) behandelt die Naturphänomene zwischen Erde und Himmel.

Meteorologie

untersucht die Mechanismen, die die Atmosphäre in ihrem Bewegungszustand halten,

und entwickelt Modelle,

um diesen zu beschreiben,

seine Vergangenheit zu erschließen

und seine zukünftige Entwicklung vorherzusagen.

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Meteorologie ist

die Lehre von den

physikalischen und

chemischen Vorgängen in der Atmosphäre

einschließlich ihrer

Wechselwirkungen mit den anderen

Komponenten des

Klimasystems und dem Weltraum.

Simulation Lokalmodell des DWD., Felix Ament2002

Atmo-

sphäre Biosphäre

Lithosphäre Kryosphäre

Hydrosphäre

Klima ist die Statistik des Wetters und ein wichtiger Teil der Meteorologie.

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Ziele der Meteorologie als Disziplin

Forschung: Umfassendes Verständnis für Zustand der

Atmosphäre und die Mechanismen, die sie in ihrem Zustand einschließlich ihrer Bewegung hält

+

Anwendung: Transfer des Verständnisses in Modelle, die die Entwicklung von Wetter und Klima quantitativ beschreiben (Vorhersagemodelle)

Hilfsmittel: Mathematik+Physik+Chemie+Informatik+Biologie+…

→ Grundprinzipien (z.B. Gesetze von Newton, Planck etc.) und deren Übertragung auf Atmosphäre, z.B. Navier-Stokes-

Gleichung, Strahlungstransportgleichung (Physik)

→ Beschreibung der Wechselwirkungen Atmosphäre – Erdoberfläche (Bodenkunde, Pflanzenphysiologie)

→ Messungen und deren Interpretation (Fernerkundung)

→ Integration von Wissen in Modelle (numerische Mathematik) z.B. Wettervorhersagemodelle, Klimamodelle,

Schadstoffausbreitungsmodelle,^…

→ Entwicklung von Vorhersagesysteme (Integration von

Beobachtungen in Modelle (Mathematik, Informatik, Statistik)

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Aktuelle Forschungsschwerpunkte

•  Für wie weit im Voraus kann man das Wetter vorhersagen, und wie können wir diese Periode weiter verlängern?

•  Wie kann man die immer vorhandene Unsicherheit der

Wettervorhersage (weil die Atmosphäre ein chaotisches System ist) vorhersagen?

•  Wie beeinflusst welches Aerosol die Bildung und den Lebenszyklus von Wolken und Niederschlag und damit deren Vorhersagbarkeit?

•  Wie war das Klima/Wetter der Vergangenheit, aus der noch keine Instrumentenbeobachtungen vorliegen?

•  Wie und warum verändert sich das Klima mit der Zeit – natürlich, und durch den Menschen?

•  Wie können wir der anthropogenen Klimaerwärmung wirksam und ohne Nebenwirkungen entgegenwirken?

•  Wie lassen sich extreme (seltene) Wetterereignisse besser vorhersagen

•  …

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Teilgebiete der Meteorologie

Meteorologie wird umfassend unterteilt nach

1.  Allgemeine Meteorologie (Grundgesetze und Phänomene) 2.  Theoretische Meteorologie (Hydrodynamik, Thermodynamik,

Strahlungstransport, Turbulenztheorie)

3.  Experimentelle Meteorologie (Messungen und Experimente in der Atmosphäre, auch mit numerischen Modellen)

4.  Angewandte Meteorologie (gezielte Nutzung meteorologischer Erkenntnisse, z.B. Wettervorhersage)

Meteorologie wird auch unterteilt nach spezifischen Räumen

-  Aeorologie (höhere Luftschichten)

-  Aeronomie (speziell die Hochatmosphäre)

-  Grenzschicht-Meteorologie (bodennahe Luft bis ca 2 km) -  Mikrometeorologie (unterste m)

-  Maritime, Alpine, Glaziale, Polare, Mittlere Breiten und Tropische Meteorologie (Meteorologie über bestimmten Regionen)

-  …

Meteorologie wird auch unterteilt …

...nach spezifischen Raumskalen (z.B. Meso-, regionale, Mikro-Meteorologie) ...nach experimentellen Techniken (Satelliten-, Radar-, Lidar-Meteorologie) ...nach anderen Gesichtspunkten (Energetik, Allgemeine

Zirkulation, Wolkenphysik,...)

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Allgemeine Ziele dieser Vorlesung

•  Überblick über die Meteorologie

•  Anleitung zum „meteorologischen Denken“

•  Lösung einfacher Probleme der Atmosphärenphysik

•  Erlernen der „Meteorologensprache“ (barotrop, stabil geschichtet, adiabatische Bewegung, Strahlungsbilanz, Treibhauseffekt, Reduktion auf NN, geostrophischer Wind,

Coriolisbeschleunigung, Rossby-Wellen, Konvektion, fühlbare und latente Wärme, Datenassimilation,…

•  Voraussetzungen

–  Interesse an atmosphärischen Vorgängen (Wetter und Klima) –  gute mathematische und physikalische Grundlagen (…

zumindest keine Angst vor Mathematik und Physik)

–  ausreichend Zeit für die Befassung mit den Hausübungen

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Konkrete Lernziele Teil 1 (1)

•  Woraus besteht die Erdatmosphäre?

•  Was genau sind Temperatur, Luftdruck, Luftfeuchte, Wind, Strahlung und Niederschlag?

•  Wie messe ich diese Größen?

•  Warum nimmt der Druck mit der Höhe ab?

•  Was ist der natürliche und der anthropogene Treibhauseffekt?

•  Warum ist der Himmel blau und die Wolken weiß?

•  Wie entsteht der Regenbogen?

•  Warum nimmt die Temperatur mit der Höhe meist ab?

•  Wie entstehen Wolken, Niederschlag und Gewitter?

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Konkrete Lernziele Teil 1 (2)

Dabei lernen wir folgende Gesetze/Formeln kennen:

•  Zustandsgleichung für ideale Gase

•  Statische Grundgleichung

•  Erster Hauptsatz der Thermodynamik

•  Adiabatischer Temperaturgradient

•  Strahlungstransportgleichung

•  Energie- und Wasserbilanzgleichung der Erdoberfläche

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p = ρ^R_L^T_v dp

dz = −ρ^g

δ^q = c_pdT − 1 ρ ^dp dT

dz ⁼ ⁻ g c_p

I(z) = I(z = ∞)exp

(

−σ_e^s

)

Q = H + LE + B P = R + E + dS

dt

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Konkrete Lernziele Teil 2 (1)

•  Warum bewegt sich die Luft vom hohen zum tiefen

Druck, aber warum weht der Wind auf der Wetterkarte parallel zu den Isobaren?

•  Warum weht der Wind in Bodennähe anders als in der Höhe?

•  Was treibt die großräumige Luftzirkulation der Erde an wie die Passate, Monsune, Hurrikane, Tiefs- und Hochs etc.?

•  Wie entstehen unsere Hoch- und Tiefdruckgebiete, und was steuert ihre Zugbahnen?

•  Wie macht man eine Wettervorhersage?

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Konkrete Lernziele Teil 2 (2)

Dabei lernen wir folgende Gesetze/Formeln kennen:

•  Kontinuitätsgleichung

•  Navier-Stokes Gleichung

•  Geostrophische Windgleichung

•  Vorticity-Gleichung

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v!_g = 1 ρ^f

k! × !

∇_Hp dρ

dt = −ρ∇ ⋅^! ! v

dv^!

dt ⁼ ⁻ 1 ρ

∇! p − gk^! − 2 !

Ω × !

v + 1 ρ

∇⋅! τ

dη

dt = −η ∇^! _h ⋅ !

v_h − ∂w

∂x

∂v

∂z + ∂w

∂y

∂u

∂z

⎛

⎝⎜ ⎞

⎠⎟+ 1 ρ²

∂ρ

∂x

∂p

∂y + ∂ρ

∂y

∂p

∂x

⎛

⎝⎜ ⎞

⎠⎟

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Gliederung der Vorlesung

Einführung in die Meteorologie I (met110/111), 4 SWS, 6 CP 0 Allgemeines

I Einführung (Mathematik, Grundgleichungen, Skalen) II Zusammensetzung und Aufbau der Atmosphäre

III Strahlung

IV Meteorologische Variable (Druck, Temperatur, Feuchte, Wind) V Thermodynamik der Atmosphäre (Stabilität der Atmosphäre,

Konvektion, Wolkenbildung, Niederschlagsbildung) ---

Einführung in die Meteorologie II (met110/211), 2 SWS, 2 CP VI Dynamik der Atmosphäre (Grundgleichungen, Strömungsformen) VII Synoptische Meteorologie (Beobachtungssysteme, Wetterkarten,

Entwicklung von Hoch- und Tiefdrucksystemen, Wettervorhersage)

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Bachelor/Master in Meteorologie

Studien-begleitende Prüfungen Kreditpunktesystem (ECTS)

1.– 6. Semester Bachelor of Science für Meteorologie (Vorstufe Master)

- berufsqualifizierend

- Grundlagen Physik und Mathematik, Einführung in die Meteorologie, erste Kurse in Dynamik, Synoptik und

Fernerkundung, 3 monatige Bachelorarbeit 7.-10. Semester Master of Science for Physics of Earth and

Atmosphere (Meteorologie + Geophysik) - i.a. notwendig für ein Promotionsstudium - zusammen mit Universität zu Köln

Studium der Meteorologie

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Institut für Geowissenschaften – Abt. Meteorologie

seit 1961

seit 2010

Auf dem Hügel 20 Meckenheimer Allee 176

Permanente Stellen

Professuren 3(+1) Assistenzprofessuren 3

Wissenschaftler 1

Ingenieur 1

Sekretariat 2 x ½

Bibliothek ¾

Computertechnik 1 Messtechnik 1

Drittmittelförderung

Sekretariat 2 x ½ Postdocs ca. 15 Doktoranden ca. 30

Studenten

insgesamt ca. 100

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Arbeitsgruppen

Prof. Dr. Andreas Hense Dr. habil. Petra Friedrichs

Klimadynamik, Paläoklima, Statistik

Prof. Dr. Andreas Bott Michael Langguth

Synoptik, Wolkenphysik, Atmosphärenchemie Prof. Dr. Clemens Simmer

Dr. habil. Silke Trömel Strahlung, Fernerkund.,

mesoskal. Modellierung

Theoretische Meteorologie Klima-

dynamik

Allgemeine und

Experimentelle Meteorologie

Integrierte Modellierung Terrestrischer Systeme

Prof. Dr. Stefan Kollet Wechselwirkungen

Land-Atmosphäre, Hydrologie

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Organisatorische Einbindung des Meteorologie (1)

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4 Lehrstühle 5 Abteilungen

2 Institute 8 Fachgruppen

7 Fakultäten

Universitäten Rheinische Friedrich-Wilhelms- Universität Bonn

…

Rechts- Staatswiund schaften ss.

Mathematik und Naturwissen-

schaften

… Physik Erd-

wissen- schaften graphie Geo-

Institut für Geowissen-

schaften Geophysik Meteorologie

Allgemeine und Experimentelle Meteorologie

Theoretische

Meteorologie Klima-

dynamik Integrierte Modellierung Geologie Geochemie

/Petrologie Paläon- tologie Mathem

atik …

Agrarwiss

schaften en-- …

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Organisatorische Einbindung der Meteorologie (2)

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Institut für Geowissen-

schaften Meteorologie Universität Bonn

Institut für Geowissenschaften

Geophysik Universität Bonn Geophysik

Institut für Geophysik und

Meteorologie Universität Köln

Meteorologie Institut für Geophysik und