Einführung in die Meteorologie

- Teil I: Einführung -Clemens Simmer

Meteorologisches InstitutRheinische Friedrich-Wilhelms Universität Bonn

Sommersemester 2005Wintersemester 2005/2006

Gliederung der Vorlesung

Allgemeines

I Einführung

II Meteorologische Elemente

III Thermodynamik der Atmosphäre

-----------------------------------------------------

IV Dynamik der Atmosphäre

V Synoptische Meteorologie

VI Allgemeine Zirkulation und Klima

I Einführung

I.1 Physikalische Einheiten

I.2 Meteorologische Elemente

I.3 Der Feldbegriff in der Meteorologie

I.4 Vektoren-Operationen und Ableitungen

I.5 Die meteorologischen Grundgleichungen

I.6 Skalenbetrachtungsweise

I.1 Physikalische Einheiten

• SI-Einheiten

• Abgeleitete SI-Einheiten

• Vielfache und Bruchteile von Einheiten

• Dimensionsanalyse

SI-SystemWenn man physikalische Gleichungen auswertet, d.h. mit ihnen rechnet (z.B. das 2. Newtonsche Axiom Kraft = Masse x Beschleunigung oder F=ma, so müssen alle Variablen und andere Terme im selben Einheitensystem eingegeben werden.In der Meteorologie benutzt man dabei meist das sogenannte SI-System (Système International d’Unités).

Basisgröße Name Symbol

Länge Meter m

Masse Kilogramm kg

Zeit Sekunde s

el. Stromstärke Ampere A

Temperatur Kelvin K

Stoffmenge Mol mol

Lichtstärke Candela cd

Abgeleitete SI-Einheiten

Aus den Basisgrößen können weitere SI-Einheiten abgeleitet werden:

abgeleitete SI-Einheit Name Symbol

Fläche

Volumen

Quadratmeter

Kubikmeter

m2

m3

Frequenz Hertz Hz = s-1

Kraft (=MassexBeschleunigung) Newton N = kg ms-2

Druck (=Kraft/Fläche) Pascal Pa = N m-2 = kg m-1s-2

Energie (=Arbeit=KraftxWeg) Joule J = N m = kg m2s-2

Leistung (Energie/Zeit) Watt W = Js-1 = kg m2 s-3

el. Spannung Volt V = WA-1 = kg m2 s-3 A-1

Vielfache und Bruchteile

Für Vielfache der Basis- und abgeleiteten Einheiten gelten folgende Bezeichnungen:

Vielfaches Name Symbol Bruchteil Name Symbol

1012 Tera T 10-1 Dezi d

109 Giga G 10-2 Zenti c

106 Mega M 10-3 Milli m

103 Kilo k 10-6 Mikro μ

102 Hekto h 10-9 Nano n

101 Deka da 10-12 Pico p

Einheitenanalyse• Überprüfung der grundsätzlichen Gültigkeit von Gleichungen

x=y nur dann physikalisch prinzipiell sinnvoll (Voraussetzung), wenn gilt [x]=[y], wobei [ ]=„Einheit von“

• Auffinden physikalischer GesetzeBeispiel: Wir vermuten, dass die Reibung R (= „negative“ Kraft) wahrscheinlich abhängt von der Geschwindigkeit v, der Luftdichte ρL und dem Querschnitt des Körpers Q – aber wie genau, wissen wir zunächst noch nicht. Aber wir können dann allgemein postulieren:

R=f(v, Q, ρL) mit f(y) „Funktion von y“ woraus für die Einheiten

mit dem Ansatz R=C∙vm∙Qn∙qLo (C dimensionslose Konstante) folgt:

kg m/s²≡kg1 m1 s-2=(m/s)m∙(m²)n∙(kg/m³)o

Aber es muss gelten:

1=o siehe Potenz von kg

1=m+2n-3o siehe Potenz von m

-2=-m siehe Potenz von s

Es folgt o=1 und n=2, durch Einsetzen dann m=1,

womit das Reibungsgesetz lauten könnte: R=Cx ρLxQxv² mit C einer dimensionslosen Konstante.

I.2 Meteorologische Elemente

• Meteorologische Elemente bezeichnen die wichtigsten variablen Maßzahlen, die ein Luftelement (z.B. 1 m³ Luft) beschreiben (z.B. Temperatur, Druck, Wind, etc.)

• Meteorologische Elemente können Skalare (nur ein Wert, z.B. Temperatur) oder Vektoren (drei Werte, z.B. der Wind mit den drei Richtungskomponenten) sein.

• Es gibt auch komplexere Elemente (z.B. Schubspannungstensor) die durch Matrizen (i.a. 3x3 Größen) beschrieben werden müssen.

Einige wichtige Elemente

Element Symbol SI-Einheitungefährer

Wert in Bodennähe

Bedeutung

Luftdruck (S) pkg/(ms2)

= Pa101325

Antrieb für die Luftbewegung

Luftdichte (S) kg/m3 1,2Masse, Trägheit

Lufttemperatur (S) T K 288,15Wärme-energie

Luftfeuchte (S) verschieden verschieden variabelWolken,

Niederschlag, Energie

Windgeschwin-digkeit (V)

m/s 0 - 20Impuls der

Luft

Schubspannungs-tensor (T)

τ kg/(ms²) sehr variabel Reibung

Strahlungsfluss-dichte (S)

F W/m2 0 - 1000 Wärmequelle

v

Übungen zu 1.1 bis 1.2• Überprüfe die Konsistenz folgender Gleichungen in Bezug auf

Art der Variablen und ihre physikalischen Einheiten

• Die Zentrifugalkraft FZ eines Teilchens auf einer Kreisbahn hängt offenbar von seiner Masse m, seiner Geschwindigkeit v und vom Radius R des beschriebenen Kreises ab. Zeige mit der Einheitenanalyse, dass gilt:

FZ = C m R-1 v², mit C dimensionslose Konstante

Druck, konstantem beizität Wärmekapaespezifisch

eflussdichtStrahlungs

, g,chleunigunSchwerebes mit

1 (c) (b) (a)

J/(kg K)][c

W/m²[F]

[x][dx]g

dt

dT

cdz

dFg

dz

dpvTp

p

p

I.3 Der Feldbegriff in der Meteorologie

Alle meteorologischen Elemente haben– an jedem Punkt der Atmosphäre, gegeben durch

x Koordinate in Ostrichtung (Richtungseinheitsvektor )

y Koordinate in Nordrichtung (Richtungseinheitsvektor )

z Koordinate in der Vertikalen (Richtungseinheitsvektor )

– zu jeder Zeit t

einen Wert, also z.B.

),,,(

),,,(

),,,(

),,,(),,,(

),,,(

tzyxw

tzyxv

tzyxu

tzyxvtzyxv

w

v

u

vv

tzyxTT

ii

x

z

y

ij

k

kj

i

Vektoren- Schreibweisen im kartesischen Koordinatensystem-

1

0

0

,

0

1

0

,

0

0

1

mit

kji

kajaiaa

a

a

a

a zyxi

z

y

x

a

x

z

y

ij

k

n werden verschobebeliebig

daher können undAufpunkt keinen z.B. alsohaben Sie

nichts.sonst -Drehsinn)(oder Richtung eine und Länge einehaben Vektoren

nachsenKoordinateder Richtungin ektoren neinheitsvKoordinate

nachsenKoordinate entlang hnitteAchsenabsc ,,

k, j, i

a zyx

Kontinuität → Diskretisierung

uvp,T

w

ρ

y

z

x x

y

z

t =t0= const

Alle meteorolgischen Elemente, ob Skalar, Vektor, oder Tensor, sind als kontinuierlische Felder zu betrachten. Meist muss man aber diese Felder in Zeit und Raum diskretisieren

• bedingt durch eine endliche Anzahl von Messungen, oder• zur Erzeugung von numerischen (Computer-)Modellen.

T(z=200m) South

Beispiel: Schnitt durch ein zeitabhängiges dreidimensionales Wind- und Temperaturfeld

Stromlinien

Juni, 2003,11 – 19:30 UTC

Aufl. 30 min69 x 69 x 3 km3

Lindenberg Mit Temperatur in 200 m Höhe

I.4 Vektor-Operationen und Ableitungen

• Skalar-Produkt

• Vektor-Produkt

• Nabla-Operator

• Divergenz

• Partielle Ableitung

• Totale (individuelle Ableitung)

Vektor-Operationen- Multiplikation mit einem Skalar a -

z

y

x

z

y

x

ii

av

av

av

v

v

v

aavavavva

• Der Vektor bleibt ein Vektor.• Jedes Element des Vektors wird einzeln mit dem Skalar

a multipliziert.• Der Vektor verlängert (oder verkürzt) sich um den

Faktor a.• Konvention: Bei der Multiplikation Skalar – Vektor

benutzen wir (wie bei Skalar – Skalar) keinen Punkt.

Vektor-Operationen- Skalar-Produkt (a) -

iii

iiiizzyyxx

z

y

x

z

y

x

vfvfvffvfvfv

f

f

f

v

v

v

vffv

• Das Skalarprodukt zweier Vektoren ist ein Skalar.• Es wird komponentenweise multipliziert, dann addiert.• Summenkonvention (Summation über mehrfach auftauchenden

Indices)• Es ist maximal bei parallelen Vektoren und verschwindet, wenn diese

aufeinander senkrecht stehen.• Konvention: Das Skalarprodukt wird durch einen Multiplikationspunkt

(·) gekennzeichnet. f

v

cosfvfv

Vektor-Operationen- Betrag (Länge) eines Vektors und das

Skalar-Produkt (b) -

iiiiizyx vvvvvvv

vvvvvvv

222

cos

Vektor-Operationen- Vektor-Produkt -

bbaabababa

baba

baba

baba

baba

babakbabajbabai

bbb

aaa

kji

axbba

xyyx

zxxz

yzzy

ijkkj

kjijkkjijk

xyyxxzzxyzzy

zyx

zyx

, sin ,

sonst) azyklisch, (zyklisch,k j,i, wenn 1,-1,0)(mit

)()()(

,

• Das Vektor-Produkt zweier Vektoren ist wieder ein Vektor.• Es verschwindet bei parallelen Vektoren und ist maximal, wenn die beiden

Vektoren senkrecht aufeinander stehen.• Mit den Multiplikatoren (hier Reihenfolge beachten) bildet das Produkt zusammen

ein Rechtssystem (Rechte-Hand-Regel).• Das Vektorprodukt ist der 0-Vektor, wenn die beiden Vektoren parallel sind.• Konvention: Das Vektor-Produkt oder Kreuz-Produkt wird durch ein x

gekennzeichnet.

Die Ableitung oder der Gradient• Die Ableitung beschreibt z.B. die Änderung eines

Feldes eines meteorologischen Elementes– mit der Zeit, und/oder– entlang einer festgelegten Raumrichtung

• Die Ableitung meteorologischer Felder nach Raumkoordinaten oder nach der Zeit (wird auch als Zeitkoordinate bezeichnet) ist meist wichtiger als die Felder selbst (z.B. Druckgradient).

• Berechnung (Beispiel für Zeitableitung):

t

T

Δt

ΔT

t

T

t

T

dt

dTT

t

0lim

Partielle Ableitungen

• Da die meteorologischen Elemente von vier Koordinaten abhängen (x,y,z,t), muss man bei Ableitungen nach einer speziellen Koordinate spezifizieren, was mit den anderen Koordinaten geschieht.

• Hält man alle anderen Koordinaten bei der Ableitung nach einer speziellen Koordinate konstant, so nennt man dies partielle Ableitung, und schreibt (∂ sprich „del“):

z

T

dz

dT

y

T

dy

dT

x

T

dx

dT

t

T

dt

dT

consttyxconsttzxconsttzy

constzyx

,,,,,,

,,

, ,

Bezeichnungen

Änderung des Wertes mit der Zeit an einem festen Ort (z. B. Thermometer in einer Wetterstation)

= lokalzeitliche Ableitung

= partielle Ableitung nach der Zeit

Änderung des Wertes mit dem Ort entlang einer Raumkoordinatenrichtung (hier x, z.B. annähernd eine Temperaturmessung mit einem sehr schnellen Flugzeug) zu einer festen Zeit

= lokale (räumliche) Ableitung

= partielle Ableitung nach einer Raumrichtung

t

T

x

T

Räumlicher Gradient – Nabla Operator= Zusammenfassung der räumlichen Gradienten in Richtung der

Raumkoordinatenachsen

Der Gradient hat damit drei Komponenten, ist also immer ein Vektor:

Operator-Nabla mit , T

z

y

x

ii

z

y

x

zT

yT

xT

TT

Der Gradient weist in Richtung der stärksten Zunahme der Größe. Sein Betrag (Länge des Vektors) ist die Größe der Ableitung in Richtung der stärksten Zunahme.Beachte: Es wird beim Gradient kein Punkt hinter dem Nabla geschrieben. Es ist ähnlich der Multiplikation zwischen Skala und Vektor.

In welche Richtung weist der Druckgradient(vektor) und der Temperaturgradient(vektor) in der Atmosphäre meistens?

Nabla Operator

T i

z

y

x

i

z

y

x

zT

yT

xT

T

T

T

T

TTT

Beachte: Nabla ist ein (Vektor-)Operator, d.h. die Reihenfolge darf hier nicht vertauscht werden!

Nabla ist ein (Vektor-)Operator der nach rechts wirkt.Er ergibt nur einen Wert, wenn er links von einem Ausdruck steht. Steht er rechts von einem Ausdruck, so behält er seine Operatorfunktion bei (und „wartet“ auf Anwendung).

Divergenz eines Vektorfeldes- Skalar-Produkt des Nabla-Operators mit einem Vektor -

ii

z

y

x

vz

w

y

v

x

u

w

v

u

vdivv

x < 0 > 0 < 0

Die Divergenz quantifiziert das Zusammenströmen (Senke, negativ) und Auseinanderströmen (Quelle, positiv) eines Vektorfeldes.

y t=0

t=t1

Beachte die Reihenfolge!

zw

yv

xu

w

v

u

v

vz

w

y

v

x

u

w

v

u

vdivv

z

y

x

ii

z

y

x

Rotation eines Vektorfeldes- Vektor-Produkt des Nabla-Operators mit einem Vektor -

kjijkzyx

z

y

x

v

y

u

x

vx

w

z

uz

v

y

w

wvu

kji

w

v

u

vrotv

Der Rotationsvektor ist aus der Fließebene heraus gerichtet, und zwar so, dass die Strömung nach links dreht, wenn man entgegengesetzt zur Richtung des Rotationsvektors schaut.

L/4 L/2

Definition: Windgeschwindigkeit= Windvektor= Ortsversatz eines Luftvolumens p (parcel) über die Zeit

pro Zeiteinheit= zeitliche Änderung des Ortsvektors eines Luftvolumens

w

v

u

x

z

y

x

dt

dr

dt

rd

t

rvv i

dt

dzdt

dydt

dx

p

p

p

ti

p

p

p

0

lim

)( tr

)(tr

rtrttr

)()(

0

Änderung von meteorologischen Elementen in bewegten Systemen (a)

• Betrachte die Temperaturänderung an einem mit Geschwindigkeit vF (F=Fahrrad) in Richtung s bewegten Thermometer mit der Zeit, dFT/dt

• dTF/dt hängt intuitiv ab von– der lokalzeitlichen Temperaturänderung ∂T/∂t

– von der Geschwindigkeit des Fahrrades vF und vom räumlichen Gradienten der Temperatur in Fahrtrichtung sF

– beachte die passenden Einheiten!– überprüfe Gültigkeit an einem Beispiel– erweitere auf Geschwindigkeitsvektor für Fahrrad

FF

F

s

Tv

t

T

dt

dT

Änderung von meteorologischen Elementen in bewegten Systemen (b)

• Das Fahrrad kann sich in alle Richtungen x, y, z bewegen, d.h. seine Geschwindigkeit ist ein Vektor

• Bewegt sich das Fahrrad in x-Richtung, so wird entsprechend die gemessene Temperatur durch die Änderung der Temperatur in x-Richtung bestimmt, und analog für die anderen Richtungen

Wir können also anstatt

schreiben:

FF

F

s

Tv

t

T

dt

dT

Tvt

T

T

z

y

x

w

v

u

t

T

z

Ty

Tx

T

w

v

u

t

T

z

Tw

y

Tv

x

Tu

t

T

dt

Td

F

F

F

F

F

F

F

F

F

F

F

F

F

FF

FF

FF

F

),,( FFFF wvuv

Individuelle Ableitung dT/dt

Meteorologische Definition: Ersetze das Fahrrad durch ein Luftvolumen P, das mit dem Wind bewegt wird, also

Tvt

TT

w

v

u

t

T

t

T

dt

dT

z

y

x

zT

yT

xT

dt

dzdt

dydt

dx

p

p

p

)(

Individuelle Ableitung dT/dt

dt

rd

r

T

t

T

dt

tzyxdT

dt

trdT

dt

dT p

p

pppp

),,,(),(

,...

x

T

x

T

dt

dz

z

T

dt

dy

y

T

dt

dx

x

T

t

T

pw

p

pv

p

pu

p

p

Alternative Ableitung: Betrachte die Temperatur eines sich bewegenden Luftvolumens. Allgemein hängt die Lufttemperatur von der Zeit und vom Ort des Luftpartikels ab, wobei auch der Ort (gegeben durch sine Koordinaten) von der Zeit abhängt. Beachte die Kettenregel:

Tvt

TT

w

v

u

t

T

t

T

z

y

x

zT

yT

xT

dt

dzdt

dydt

dx

p

p

p

)(

Interpretation

Tv

dt

dT

t

TTv

t

T

dt

dT)( , )(

term"Advektions"

Änderungichelokalzeitl

Änderungtotaleoder

leindividuel

Die Änderung z.B. der Temperatur eines sich mit dem Wind verfrachteten Luftvolumens lässt sich also formal in zwei Anteile aufspalten:

1. die lokalzeitliche Änderung (z.B. Messung eines feststehenden = stationären Thermometers

2. der sogenannte „Advektionsterm“. Der Name wird verständlich, wenn man die rechte Gleichung nimmt (lokalzeitliche Änderung) und annimmt, dass individuelle Luftteilchen ihre Temperatur nicht ändern (dT/dt=0). Dann beschreibt der Advektionsterm offensichtlich die lokale Änderung, die durch einen Temperaturgradienten, verfrachtet mit dem Wind (Advektion), erzeugt wird.

Übungen zu 1.3 bis 1.4 (1)• Ein kartesisches Koordinatensystem sei festgelegt durch die Konventionen: x-

Richtung zeigt nach Osten, y-Richtung zeigt nach Norden, z-Richtung zeigt nach oben. Wie lautet der Windvektor für einen Südostwind mit 10 m/s Geschwindigkeit und einer aufwärtigen Komponente von 1 cm pro Sekunde?

• Ein Luftvolumen sei zur Zeit t0 am Ort (x,y,z)=(1000m,500m,2m) und nach 10 Minuten am Ort (2500m,-1000m,3m). Schätze den Windvektor ab. Wie groß ist der Betrag der Windgeschwindigkeit? Wo wäre das Partikel nach der gleichen Zeit gewesen, wenn der Betrag der Windgeschwindigkeit 1,5 mal so hoch gewesen wäre bei gleicher Windrichtung?

• Berechne allgemein und

für (u,v,w)=(10,sinx,0):

• Skizziere die Felder, bestimme die lokalzeitlichen und die individuelle Ableitung der Temperatur und die Divergenz und Rotation der Windfelder.

vvvv

vvvvvv

vvvv

, , ,

, ,

, ,

222

KTKTs

mv

L

yTTT

L

xv

vL

xv

v

v

10,15,288,10:mit

, und

0

0

2sin

b) und

0

2sin a)

100

10

0

0

0

Übungen zu 1.3 bis 1.4 (2)

• Der Wind weht konstant aus Westen mit 5 m/s. In der Luft nimmt bei fest gehaltener Zeit von Südwest nach Nordost die Temperatur um 1 K auf 100 km ab. Die Luft selbst wird durch die Sonne und andere Effekte überall um 1 K pro Stunde erwärmt. Welche Änderung der Lufttemperatur zeigt ein Thermometer an einem festen Ort pro Stunde an?

• Ein Themometer an einem festen Ort misst eine Temperaturerhöhung um 1 K pro Stunde. Der Wind kommt aus Nord mit 10 m/s. Die Sonne erwärmt die Luft mit 2 K pro Stunde. Offensichtlich nimmt also die Lufttemperatur nach Norden ab. Um wieviel Grad pro 100 km nimmt die Temperatur nach Norden ab?

I.5 Meteorologische Grundgleichungen

• Physikalische Beziehungen zwischen den wesentlichen meteorologischen Elementen (Druck, Temperatur, Dichte, Feuchte und Wind) in Form von Gleichungen, die an jedem Ort in der Atmosphäre gelten

• Sogenannter „dynamischer Kern“ der numerischen Simulationsmodelle für die Atmosphäre die in der Meteorologie für die Wetter- und Klimavorhersage genutzt werden

• Die Meteorologischen Grundgleichungen setzen sich i.w. aus vier Erhaltungsgesetzen und der Zustandsgleichung für ideale Gase (Gasgleichung) zusammen.

Vier Erhaltungsgesetze

1. Impulserhaltung (Newtonsche Axiome: Masse x Beschleunigung = Summe der angreifenden Kräfte)

2. Gesamtmassenerhaltung: Erhöht sich die Dichte an einem Ort, so muss Masse aus der Umgebung dorthin geflossen sein.

3. Wassermassenerhaltung: Analog zu 2., jedoch eingeschränkt auf Wasserdampf. Außer zum Ausgleich durch Massenfluss kann es auch zu Phasenumwandlungen kommen

4. Wärmeenergieerhaltung: Eine Temperaturänderung wird hervorgerufen durch Druckabnahme, Strahlungsumwandlungen und/oder Phasenänderungen des Wasserdampf (Kondensationswärme)

Meteorologische Grundgleichungen- 5 (7) Primitive Equations -

1-3 Bewegungsgleichung (Navier-Stokes Gleichung)-> Wind (Vektor!=3 Gleichungen)

4 Kontinuitätsgleichung-> Luftdichte

5 Erster Hauptsatz der Wärmelehre-> Lufttemperatur

6 Haushaltsgleichung des Wasserdampfes-> Luftfeuchte, Wolken

7 Zustandsgleichung der Luft-> Luftdruck

Überblick - Grundgleichungen

zFr

yFr

xFr

fugz

pwv

t

w

dt

dw

fuy

pvv

t

v

dt

dv

fwvx

puv

t

u

dt

du

,

,

,

cos21

)( .3

sin21

)( .2

)cossin(21

)( .1

vvtdt

d

)( 4.

Wvv

tdt

dww

ww )( 5.

11

)( 6.

Hcdt

dp

cTv

t

T

dt

dT

pp

TRp L 7.

6 prognostische, nicht-lineare,gekoppelte Diff‘gleichungen

1 diagnostische Gleichung

Lösung des Gleichungssystems

• Die Grundgleichungen bilden einen Satz von meist nicht-linearen gekoppelten Differentialgleichungen

• Notwendig zur Lösung sind:– zu einem Zeitpunkt (Anfangswerte) die Kenntnis aller 7

meteorologischen Parameter an jedem Ort im Vorhersagegebiet

– zu jedem Zeitpunkt die Werte der meteorologischen Parameter an allen Rändern des Vorhersagegebietes (auch oben und unten)

• Dann ist eine Vorhersage in die Zukunft möglich (→ Wetter- und Klimavorhersage)

I.6 Skalenbetrachtungsweise

• Grundüberlegungen

• Beispiele

• Skalendiagramm

Grundüberlegungen• Als Skalen bezeichnet man Längen- (L) und Zeitintervalle (T).• Die meisten meteorologischen Phänomene haben für sie ganz

typische Längen- und Zeitskalen im Sinne von Größenordnung (z.B. Wolken, Hurrikane, Zyklonen).

• Beobachtung in der Atmosphäre: Je größer die Längenskala L eines Phänomens, desto größer i.a. die dazugehörige Zeitskala T; also mit L nimmt T zu.

• Die Analyse der Grundgleichungen nach den Skalen von bestimmten Phänomenen wie z. B. einem Tiefdrucksystem (Skalenanalyse=Vergleich der Größenordnung von Termen) isoliert die jeweils dominanten Terme und führt so zu vereinfachten Gleichungen.

• Beispiele, ableitbar aus Bewegungsgleichungen: Geostrophischer Wind: Der Wind in den mittleren Breiten weht

meist parallel zu den Isobaren mit dem tiefen Druck links liegend (auf NH).

Statische Grundgleichung: Die Druckabnahme nach oben ist proportional zum Produkt aus Luftdichte und Schwerebeschleunigung

Beispiele

• Turbulenz• Staubteufel• Cumuluswolken• Schwerewellen• Tornados• Cumulus congestus• Gewitter• Meso-Zyklone• Tropische Zyklone (Hurrikan, Taifun)• Zyklone der mittleren Beiten• Rossby-Wellen

Turbulenz

Lokale Messung

Flugzeugmessung

Schwerewellen

Staubteufel u.l., Trombe u.r. und Tornado (Großtrombe) o.r.

Cumulus congestus

Tropische Zyklone

Zyklone und Meso-Zykloneim Mittelmeer

Rossby-Wellen (Strömung in ca 5 km Höhe)

Skalendiagramm

Logarithmische Achsen:

U=L/T → T=L/Ulog T = log L-log ULinien konstanter charakteristischer Geschwindigkeit U sind Geraden mit Steigung 1.

B=U/T=L/T²→T=(L/B)1/2

Log T =1/2 log L - 1/2 log BLinien konstanter Beschleunigung B sind Geraden mit Steigung ½.

1 m/s

10 m/s

Übungen zu 1.5 bis 1.6 • Analysiere die Abhängigkeiten in und zwischen den Grundgleichungen. Konkret:

von welchen Variablen hängen die zeitlichen Änderungen der 7 Grundvariablen (Wind (3), Druck, Temperatur, Feuchte und Dichte) an einem Ort direkt und indirekt ab?

• Bestimme aus dem Skalendiagramm die charakteristischen Beschleunigungen für die verschiedenen meteorologischen Phänomene. Wie hängen diese mit den charakteristischen Zeitskalen („Lebensdauer“) ab?