Synoptische Meteorologie: Methoden der Wetteranalyse und -prognose: XA-NL

Das Buch lässt sich in zwei Teile aufspalten. Der erste Teil beschäftigt sich mit einer detaillierten Darstellung moderner Methoden, die zur Beschreibung des momentanen atmosphärischen Zustands dienen. Hierzu gehören unterschiedliche Verfahren zur Datenerfassung, wie z. B. direkte Messungen an Wetterstationen, aber auch Fernerkundungsmethoden. Weitherhin erfolgt eine ausführliche Beschreibung von unterschiedlichen in der Praxis benutzten Wetterkarten, Darstellungen der Wolken- und Wetterklassifikationen nach Vorgaben der WMO (World Meteorological Organization) sowie der europäischen Großwetterlagen. Ein eigenes Kapitel widmet sich der Satelliten- und Radarmeteorologie. Dies geschieht vornehmlich anhand der vom europäischen Wettersatelliten METEOSAT (MSG) gewonnenen Daten und dem vom DWD errichteten Niederschlagsradarnetz. Im zweiten Teil des Buchs erfolgt die Diskussion und Interpretation der mathematischen Gleichungssysteme. Begriffe wie geostrophischer Wind, Hydrostasie, Divergenz, Vorticity etc. werden eingeführt und anhand umfangreicher Wetterkartenbeispiele erörtert. Daran anschließend erfolgt eine eingehende Diskussion der wichtigsten atmosphärischen Prozesse auf der synoptischen Skala, wie beispielsweise Frontogenese, Zyklogenese, die quasigeostrophische Theorie und barokline Wellen. Abschließend widmet sich das Buch kleinräumigeren Wetterphänomenen wie der Bildung von Gewitterzellen, Konvergenzlinien, Nebel und speziellen Windsystemen (Föhn, katabatische Winde etc.). Cover 1 Vorwort 8 Inhaltsverzeichnis 12 Kapitel 1 Einführung 16 1.1 Historische Entwicklung der Meteorologie 17 1.2 Raumzeitliche Skalen atmosphärischer Phänomene 18 1.3 Das Vorhersageproblem 20 Kapitel 2 Wetterbeobachtungen 26 2.1 Messmethoden 27 2.2 Wolken, Klassifikation und Eigenschaften 29 2.3 Radarmeteorologie 33 2.4 Satellitenmeteorologie 40 2.4.1 Die Kanäle im solaren Spektralbereich 41 2.4.2 Die Kanäle im terrestrischen Spektralbereich 43 2.4.3 Beispiel für die Interpretation von Satellitenbildern 46 2.5 Datenassimilation, numerische Wettervorhersage 51 Kapitel 3 Mathematische Beschreibung atmosphärischer Prozesse 56 3.1 Skalare und Vektoren 56 3.2 Differentialoperatoren 59 3.3 Bilanzgleichungen 60 3.4 Koordinatensysteme 61 3.4.1 Das geographische Koordinatensystem 61 3.4.2 Das natürliche Koordinatensystem 62 3.4.3 Das thermische Koordinatensystem 65 3.4.4 Die generalisierte Vertikalkoordinate 65 3.4.5 Die Tangentialebene 67 3.5 Das prognostische Gleichungssystem 67 3.5.1 Die thermo-hydrodynamischen Zustandsvariablen 68 3.5.2 Die Wärmegleichung 69 3.5.3 Die Kontinuitätsgleichungen 72 3.5.4 Die Bewegungsgleichung 73 3.6 Die Skalenanalyse 75 Kapitel 4 Grundlagen der Dynamik und Thermodynamik 80 4.1 Hydrostatische Instabilität 81 4.2 Barotropie und Baroklinität 85 4.3 Horizontale Gleichgewichtswinde 89 4.3.1 Der geostrophische Wind 90 4.3.2 Der Gradientwind 92 4.3.3 Der Reibungswind 94 4.3.4 Der zyklostrophische und der antitriptische Wind 95 4.4 Der thermische Wind 96 4.5 Schichtungsstabilität und Temperaturadvektion 98 4.6 Der ageostrophische Wind 100 4.6.1 Approximationsformen der horizontalen Bewegungsgleichung 101 4.6.2 Der ageostrophische Wind bei horizontaler Bewegung 104 4.6.3 Der Einfluss der Vertikalbewegung auf vag 108 4.7 Trajektorien und Stromlinien 108 4.8 Die vertikale Neigung von Druckgebilden 116 Kapitel 5 Kinematik horizontaler Strömungen 120 5.1 Die lokale Geschwindigkeitsdyade 120 5.2 Die Divergenz 124 5.3 Die Vorticity 128 5.4 Die Vorticitygleichung 130 5.5 Trägheitsinstabilität und dynamische Instabilität 135 5.5.1 Trägheitsinstabilität 138 5.5.2 Dynamische Instabilität 141 Kapitel 6 Die quasigeostrophische Theorie 144 6.1 Die Grundannahmen der quasigeostrophischen Theorie 144 6.2 Die quasigeostrophischen Modellgleichungen 146 6.2.1 Der erste Hauptsatz der Thermodynamik 148 6.2.2 Die Vorticitygleichung 148 6.2.3 Die ω-Gleichung 152 6.3 Die Trenberth Form der ω-Gleichung 155 6.4 Die Q-Vektor Form der ω-Gleichung 158 6.5 Beispiele zur Interpretation der ω-Gleichung 169 6.6 Stabilitätsbetrachtungen 177 Kapitel 7 Die potentielle Vorticity 180 7.1 Definition und Erhaltungseigenschaften der PV 181 7.2 Charakteristische Werte, Anomalien der PV 184 7.3 Das PV-Invertierungsprinzip 188 7.4 Die Leezyklogenese 193 7.5 Beispiele zur PV-Analyse 194 7.5.1 Zyklogenese über dem Atlantik 194 7.5.2 Bildung eines Kaltlufttropfens 199 7.5.3 Alpenüberströmung 205 Kapitel 8 Die globale Zirkulation 210 8.1 Thermisch direkte und indirekte Zirkulation 211 8.2 Vereinfachtes Schema der globalen Zirkulation 213 8.3 Jetstreams und Jetstreaks 221 8.4 Luftmassentransformationen 226 8.5 Wetterlagen unter dem Einfluss unterschiedlicher Luftmassen 232 8.5.1 Nordwestlage 232 8.5.2 Ostlage 235 8.5.3 Südwestlage 238 Kapitel 9 Europäische Großwetterlagen 244 9.1 Großwetterlagen, -typen und Zirkulationsformen 245 9.2 Beispiele europäischer Großwetterlagen 249 Kapitel 10 Rossby-Wellen 280 10.1 Raumzeitliche Variabilität planetarer Wellen 281 10.2 Barotrope Wellen 290 10.3 Barokline Wellen 293 10.4 Das Zweischichtenmodell – barokline Instabilität 296 10.4.1 Das Zweischichtenmodell 298 10.4.2 Barokline Instabilität 300 10.4.3 Energetische Betrachtungen 305 10.5 Stabilitätsverhalten barokliner Wellen 308 10.5.1 Stabile und gedämpfte Wellen 309 10.5.2 Instabile Wellen 324 10.6 Abschließende Bemerkungen 330 Kapitel 11 Zyklonen und Antizyklonen 334 11.1 Zyklogenese und Antizyklogenese 335 11.1.1 Die Drucktendenzgleichung 336 11.1.2 Die lokale zeitliche Änderung der Vorticity 339 11.1.3 Die Verlagerung der Druckgebilde 340 11.1.4 Vergenzen in der Höhenströmung 341 11.1.5 Zyklogenese an einer Frontalwelle 343 11.1.6 Auflösung der Druckgebilde – Ekman-Pumping 346 11.2 Die Polarfronttheorie 350 11.2.1 Der Lebenszyklus einer Idealzyklone 351 11.2.2 Kalte und warme Okklusion 354 11.2.3 Teiltiefs und Zyklonenfamilien 355 11.2.4 Kritische Anmerkungen zur Polarfronttheorie 357 11.3 Weitere Zyklonenmodelle 361 11.3.1 Das Shapiro-Keyser Zyklonenmodell 361 11.3.2 Das STORM Zyklonenmodell 363 11.4 Rapide Zyklogenese 365 Kapitel 12 Fronten und Frontalzonen 380 12.1 Materielle Diskontinuitätsfläche und Feldtheorie 381 12.2 Kinematische Eigenschaften von Frontenund Frontalzonen 384 12.3 Ana- und Katafronten 394 12.4 Frontogenese 400 12.5 Die Sawyer-Eliassen Zirkulation 407 12.6 Fronten und Conveyor Belts 414 12.6.1 Die Warmfront 415 12.6.2 Die Ana-Kaltfront 419 12.6.3 Die Kata-Kaltfront 421 12.6.4 Die Okklusionsfront 427 12.7 Frontenanalyse 434 12.8 Konzeptionelle Modelle – Fluch oder Segen? 438 Kapitel 13 Mesoskalige meteorologische Prozesse 442 13.1 Gewitter 443 13.1.1 Einzel-, Multi- und Superzellen 444 13.1.2 Voraussetzungen für die Gewitterbildung 447 13.2 Mesoskalige konvektive Systeme 451 13.2.1 Größenordnungen und Formen 451 13.2.2 Squall Lines 452 13.2.3 Konvergenzlinien 456 13.3 Nebel 462 13.3.1 Entstehungsmechanismen 463 13.3.2 Nebelprognose 465 Literaturverzeichnis 470 Sachverzeichnis 490 Das vorliegende Buch befasst sich mit der synoptischen Meteorologie mittlerer Breiten. Der Schwerpunkt der Untersuchungen liegt vornehmlich auf dem europäischen Raum. Im ersten Teil werden zunächst verschiedene Beobachtungs- und Messmethoden zur Beschreibung großräumiger Wetterlagen geschildert. Danach erfolgt eine Zusammenfassung der wichtigsten mathematischen und physikalischen Grundlagen, die zum Verständnis der in der Atmosphäre ablaufenden thermo-hydrodynamischen Prozesse unerlässlich sind. Hierzu gehören die kinematischen Eigenschaften des horizontalen Windfelds in Form der Divergenz, der Vorticity und der Deformation, die statische und dynamische Stabilität, die quasigeostrophische Theorie zusammen mit der Q-Vektor Diagnostik sowie die potentielle Vorticity als bereicherndes Hilfsmittel der Wetteranalyse. Der zweite Teil des Buchs widmet sich der Interpretation synoptisch-skaliger Wetterphänomene mit Hilfe der zuvor beschriebenen mathematisch-physikalischen Methoden. Ausgehend von der planetaren Skala werden zuerst die charakteristischen Merkmale der globalen Zirkulation dargestellt. Hierauf folgt eine ausführliche Untersuchung der Rossby-Wellen, bevor die Zyklonen und Antizyklonen mittlerer Breiten detailliert erörtert werden. Von besonderem Interesse ist eine eingehende Diskussion der mit der Zyklogenese verbundenen Frontensysteme. Abschließend wird ein kurzer Einblick in sub-synoptische atmosphärische Prozesse, wie Gewitter, mesoskalige konvektive Systeme, Konvergenzlinien und die Entstehung von Nebel, gegeben Front Matter....Pages i-xiv Einführung....Pages 1-10 Wetterbeobachtungen....Pages 11-39 Mathematische Beschreibung atmosphärischer Prozesse....Pages 41-64 Grundlagen der Dynamik und Thermodynamik....Pages 65-104 Kinematik horizontaler Str ̈omungen....Pages 105-128 Die quasigeostrophische Theorie....Pages 129-163 Die potentielle Vorticity....Pages 165-194 Die globale Zirkulation....Pages 195-228 Europäische Großwetterlagen....Pages 229-263 Rossby-Wellen....Pages 265-318 Zyklonen und Antizyklonen....Pages 319-364 Fronten und Frontalzonen....Pages 365-425 Mesoskaligemeteorologische Prozesse....Pages 427-454 Back Matter....Pages 455-485 Im ersten Teil des Lehrbuchs werden moderne Verfahren zur Beschreibung des atmosphärischen Zustands, wie z. B. direkte Messungen an Wetterstationen oder auch Fernerkundungsmethoden, detailliert dargestellt. Ferner sind Wetterkarten ausführlich beschrieben, der Satelliten- und Radarmeteorologie ist ein eigenes Kapitel gewidmet. Im zweiten Teil werden die angewendeten mathematischen Gleichungssysteme diskutiert und interpretiert. Damit entspricht der Inhalt des Buchs weitgehend den gleichnamigen Veranstaltungen im Bachelor-Studiengang Meteorologie.