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Lernunterlagen zur Vorlesung 290232 „GRUNDZÜGE DER KLIMA-und HYDROGEOGRAPHIE“ Zusammengestellt von F. HOLAWE. Nur für den Studiengebrauch bestimmt!

„Grundzüge der Klima- und Hydrogeographie“ (2stVO, 290232)

im SS 2020

LERNUNTERLAGEN Zusammengestellt von F.HOLAWE NUR FÜR DEN STUDIENGEBRAUCH BESTIMMT 

Lernunterlagen zur Vorlesung 290232 „GRUNDZÜGE DER KLIMA-und HYDROGEOGRAPHIE“ Zusammengestellt von F. HOLAWE. Nur für den Studiengebrauch bestimmt!

Lernunterlagen zur Vorlesung 290232 „GRUNDZÜGE DER KLIMA- und HYDROGEOGRAPHIE“ Zusammengestellt von F. HOLAWE. Nur für den Studiengebrauch bestimmt!

1. Vorbemerkungen ……………………………………………………………………………………. 2. Die Klimatologie –Grundbegriffe ………………………………………………………………… 2.1. Definitionen: Wetter – Witterung – Klima ……………………………………………………….. 2.2. Das Klimasystem ………………………………………………………………………………….. 2.3. Klimaphänomen, Klimamechanismus und Klimamittel………………………………………. 2.4. Klimaelemente, Klimagrößen und Klimaindizes ……………………………………………….. 2.5. Klimafaktoren …………………………………………………………………………………….... 2.6. Größenordnungen von Prozessen ……………………………………………………………… 2.6.1. Räumliche Größenordnungen ………………………………………………………………… 2.6.2. Zeitliche Größenordnungen ……………………………………………………………………. 3. Die Atmosphäre ……………………………………………………………………………………. 3.1. Die Zusammensetzung der Atmosphäre ……………………………………………..………… 3.2. Der Strukturelle Aufbau der Atmosphäre ……………………………………………..………… 3.3. Die Planetarische Grenzschicht …………………………………………………………………. 4. Strahlungs- und Energiebilanz …………………………………………………………… …… 4.1. Astrophysikalische Rahmenbedingungen ………………………………………………………. 4.2. Astronomische Rahmenbedingungen …………………………………………………………… 4.3. Etwas über Himmelsmechanik …………………………………………………………………… 4.4. Strahlungsprozesse im Erde-Atmosphären-Systems …………..……………………………... 4.4.1. Das elektromagnetische Spektrum ……………………………………………………………. 4.4.2. Strahlungsgesetze – Gesetze …………………………………………………………………. 4.4.3. Die Strahlungsbilanz des Erde-Atmosphären-Systems …………………………………….. 4.4.4. Globale Übersicht der Strahlungsbilanzgrößen ……………………………………………… 5. Die Energiebilanz …………………………………………………………………………………… 5.1. Der Tagesgang der Strahlungsflüsse an der Erdoberfläche …………………….................... 5.2. Die Energiebilanz an der Erdoberfläche ………………………………………………………… 5.2.1. Der Bodenwärmestrom …………………………………………………………………………. 5.2.2. Der Fühlbare Wärmestrom …………………………………………………………………….. 5.2.3. Der Latente Wärmestrom ………………………………………………………………………. 5.3. Der Tagesgang der Energiebilanz an der Erdoberfläche …………………………………….. 5.3.1. Allgemeine Überlegungen………………………………………………………………………. 5.3.2. Der Tagesgang der Energiebilanzgrößen an der Erdoberfläche an ausgewählten Beispielen……………………………………………….……………………. 5.4. Der Jahresgang der Energiebilanz an der Erdoberfläche ………………………..……………. 5.5. Globale Übersicht der Energiebilanzgrößen ………………………………………………...…. 5.6. Erste Überlegungen zur Klassifizierung (Das Bowen-Verhältnis) ………………………….… 5.7. Zusammenhang zwischen der Energiebilanz an der Erdoberfläche und der Temperatur der bodennahen Luft ………………………………………………………. 5.7.1. Die Faktoren die die Lufttemperatur bestimmen ……………………………………………... 5.7.2. Die Temperaturmessung……………………………………………………………………….... 5.7.3. Der Tagesgang der Lufttemperatur ……………………………………………………………. 5.7.4. Der Jahresgang der Lufttemperatur ……………………………………………………………. 5.7.5. Die Temperaturverteilung auf der Erde ……………………………………………………...… 6. Wasser im Klimasystem …………………………………………………………………………… 6.1. Einleitung…………………………………………………………………………………….……… 6.2. Der Wasserkreislauf –Teil 1……….……………………………………………………………… 6.3. Wasser als Substanz …………………………………………………………………………….… 6.3.1. Phasenübergänge ……………………………………………………………………………..… 6.3.1.1. Verdunstung …………………………………………………………………………………… 6.3.1.2. Kondensation ………………………………………………………………………………….. 6.3.1.3. Gefrieren ……………………………………………………………………………………….. 6.3.1.4. Schmelzen……………………………………………………………………………………… 6.3.1.5. Sublimation…………………………………………………………………………………….. 6.3.1.6. Re-Sublimation………………………………………………………………………………… 6.3.1.7. Unterkühltes Wasser………………………………………………………………………….. 6.4. Wasserbilanzen und Wasserhaushalt…………………………………………………………… Lernunterlagen zur Vorlesung 290232 „GRUNDZÜGE DER KLIMAGEOGRAPHIE“ Zusammengestellt von F. HOLAWE. Nur für den Studiengebrauch bestimmt!

001 004 004 006 008 009 010 011 012 012 014 015 015 018 020 020 021 022 024 024 025 027 033 037 037 039 040 042 042 043 043 045 047 049 050 053 055 057 059 060 065 067 067 068 073 075 076 076 077 077 077 078 078 078

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6.4.1. Bilanzgleichungen und Haushaltsgleichungen.……………………………………………….. 078 6.4.2. Die Komponenten des Wasserhaushalts……………………………………………………… 079 6.4.2.1. Die Verdunstung……………………………………………………………………………….. 079 6.4.2.1.1. Die Verdunstung offener Wasserflächen…………………………………………………. 081 6.4.2.1.2. Die Verdunstung von unbewachsenem Boden…………………………………………... 083 6.4.2.1.3. Die Verdunstung von Oberflächen mit Vegetation………………………………………. 084 6.4.2.1.4. Die Verdunstung von Eis- und Schneeoberflächen……………………………………… 085 6.4.2.1.5. Die Messung und Berechnung der Verdunstung………………………………………… 085 6.4.2.1.6. Die Räumliche Verteilung der Verdunstung auf der Erde ………………….................. 088 6.4.3. Das Wasser in der Atmosphäre ……………………………………………………………….. 088 6.4.3.1. Wasserbezogene Rückkopplungsprozesse………………………………………………… 088 6.4.3.2. Maßzahlen für den Wasserdampfgehalt der Atmosphäre………………………………… 089 6.4.3.3. Die Verteilung des Ausfällbaren Wassers auf der Erde ………………………………….. 090 6.5. Stabilität in der Atmosphäre ……………………………………………………………………… 091 6.5.1.Der Trockenadiabatische Temperaturgradient ……………………………………………….. 091 6.5.1.1. Stabile, Labile und Indifferente (Neutrale) Schichtung…………………………………….. 092 6.5.1.2. Die Entstehung einer Absinkinversion ……………………………………………………… 093 6.5.1.3. Die Schichtung der Atmosphäre und die Ausbreitung von Schadstoffen ………………. 094 6.5.2. Der Feuchtadiabatische Temperaturgradient ………………………………………………… 095 6.5.3. Eine der Möglichkeiten der Entstehungsursachen des Föhns (Thermodynamische Föhntheorie) ……………………………………………………………… 097 6.6. Kondensations- und Gefrierprozesse in der Atmosphäre ……………………………………… 098 6.7. Äußere Rahmenbedingungen für die Kondensation …………………………………………… 099 6.8. Kondensationsphänomene ………………………………………………………………………… 100 6.8.1. Nebel ………………………………………………………………………………………………. 100 6.8.1.1. Strahlungsnebel ………………………………………………………………………………… 100 6.8.1.2. Advektionsnebel ……………………………………………………………………………….. 100 6.8.1.3. Mischungsnebel ……………………………………………………………………………….. 101 6.8.1.4. Orographischer Nebel ………………………………………………………………………… 101 6.8.1.5. Frontnebel……………………………………………………………………………………….. 101 6.8.2. Wolken …………………………………………………………………………………………….. 101 6.9. Die Niederschlagsbildung …………………………………………………………………………. 103 6.10. Die Niederschlagsmessung……………………………………………………………………… 106 6.11. Die Niederschlagsverteilung an der Erdoberfläche …………………………………………… 107 6.12. Typen des Jahresganges des Niederschlags …………………………………………………. 109 6.13. Der Gebietsniederschlag………………………………………………………………………… 112 7. Weitere Überlegungen zur Klassifizierung des Klimas ……………………………………… 116 7.1. Zusammengesetzte Klimagrößen und Klimaindizes …………………………………………… 116 7.2. Klimadiagramme …………………………………………………………………………………… 120 7.3. Klimaklassifikationen und Klimakarten.…………………………………………………………... 122 8.Bewegung in der Atmosphäre …………………………………………………………………….. 128 8.1. Luftdruck und Wind ……………………………………………………………………………….. 128 8.2. Der Land-See-Wind ……………………………………………………………………………….. 128 8.3. Andere kleinräumige Windsysteme …………………………………………………………….... 130 8.4. Die Allgemeine Zirkulation (=AZ) der Atmosphäre ……………………………………………... 131 8.4.1. Die Kräfte in der Atmosphäre …………………………………………………………………… 131 8.4.2. Die Druckverteilung an der Erdoberfläche ……………………………………………………. 132 8.4.3.Die Schema der Allgemeinen Zirkulation der Atmosphäre …………………………………. 134 8.4.3.1. Die Hadley-Zelle und ihre Klimate …………………………………………………………... 137 8.4.3.2. Monsune........................................................................................................................... 140 8.4.3.2.1. Die Monsun-Zirkulation und ihre Voraussetzungen....................................................... 140 8.4.3.2.2. Der Monsun Indiens...................................................................................................... 142 8.4.3.2.3. Das Monsunklima.......................................................................................................... 143 8.4.3.3. Die Walker-Zirkulation ………………………………………………………………………… 143 8.4.3.4. Die Hochs und Tiefs der mittleren Breiten ………………………………………………….. 144 8.4.3.4.1. Polarfrontzyklonen …………………………………………………………………………... 145 Lernunterlagen zur Vorlesung 290232 „GRUNDZÜGE DER KLIMAGEOGRAPHIE“ Zusammengestellt von F. HOLAWE. Nur für den Studiengebrauch bestimmt!

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8.4.3.4.2. Hochdruckgebiete ……………………………………………………………………………. 147 8.4.3.4.3. Luftmassen …………………………………………………………………………………… 147 8.4.3.4.4. Großwetterlagen und Wetterlagen …………………………………………………………. 148 8.4.3.4.5. Die Nordatlantik-Oszillation………………………………………………………………….. 149 8.4.3.4.6. Klimatische Merkmale in den Mittleren Breiten …………………………………………… 150 9. Der Wasserkreislauf  Teil 2 ……………………………………………………………………… 151 9.1. Grundbegriffe und Prozesse des Wasserkreislaufs……………………………………………… 154 9.1.1. Interzeption………………………………………………………………………………………… 155 9.1.2. Infiltration…………………………………………………………………………………………... 156 9.1.3. Das unterirdische Wasser………………………………………………………………………… 157 9.1.3.1. Das Bodenwasser………………………………………………………………………………. 157 9.1.3.2. Das Grundwasser………………………………………………………………………………. 159 9.1.3.2.1. Grundwasser aus der Sicht der Hydrogeologie der Aquifere……………………………. 160 9.1.3.2.2. Grundwasserarten von der Lage aus gesehen.............................................................. 162 9.1.3.2.3. Grundwasserarten vom Druckzustand aus gesehen…................................................. 162 9.1.3.2.4. Grundwasserneubildung…………………………………………………………………….. 162 9.1.3.2.5. Grundwasserströmungen…..……………………………………………………………….. 163 9.1.3.2.6. Quellen und Brunnen………………………………………………………………………… 166 9.2. Oberflächengewässer………………………………………………………………………………. 167 9.2.1. Fließgewässer…………………………………………………………………………………….. 167 9.2.1.1.Das Fluss-Einzugsgebiet……………………………………………………………………….. 167 9.2.1.2 Das Fluss-Netz………………………………………………………………………………….. 169 9.2.1.3. Der Abfluss……………………………………………………………………………………… 170 9.2.1.4. Der Abflussprozess…………………………………………………………………………….. 170 9.2.1.4.1. Die Abflussbildung…………………………………………………………………............... 171 9.2.1.4.2. Die Abflusskonzentration…………………………………………………………................ 172 9.2.1.4.3. Der Fließprozess im offenen Gerinne………………………………………………………. 172 9.2.1.4.4. Arten der Gerinne-Strömung………………………………………………………………... 172 9.2.1.4.5. Die Durchflussmessung……………………………………………………………………… 173 9.2.1.4.6. Die Abflussganglinie………………………………………………………………................ 175 9.2.1.4.7. Der Abfluss als Funktion der Eigenschaften des Einzugsgebiets………………………. 176 9.2.1.4.8. Abflussregime………………………………………………………………………………… 177 9.2.2. Seen……………………………………………………………………………………………….. 179 9.2.2.1. Voraussetzung für die Bildung von Seen……………………………………………………. 179 9.2.2.2. Wasserhaushalt eines Sees………………………………………………………………….. 179 9.2.2.3. Schichtung des Seewassers………………………………………………………………….. 180 9.2.2.4. Zirkulation eines Sees der mittleren Breiten…………………………………………………. 181 9.2.2.5. Thermische Seentypen………………………………………………………………………… 182 9.2.3. Meere ……………..……………………………………………………………………................ 183 9.2.3.1. Physikalische Eigenschaften des Meerwassers……………………………………………. 183 9.2.3.2. Meeresströmungen…………………………………………………………………………….. 185 9.2.3.2.1. Oberflächennahe Meeresströmungen ………………………………………................... 185 9.2.3.2.2. Die Thermohaline Zirkulation………………………………………………………………. 187 10. Literatur……………………………………………………………………………………………… 188

ANHANG: Fragenkatalog

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1 1. VORBEMERKUNGEN: Der Titel der Vorlesung lautet „EINFÜHRUNG IN DIE KLIMA- und HYDROGEOGRAPHIE“. Was können wir darunter verstehen? Die „Gegenstände“ dieser Teilgebiete physiogeographischer Forschung und Lehre sind das „KLIMA“ und das „WASSER“. Die GEOGRAPHISCHE SICHTWEISE dieser „Gegenstände“ bezieht sich auf die räumliche Verteilung des Klimas als auch des Wassers. Aus Erfahrung wissen wir jedoch auch von anderen Fachdisziplinen zu berichten, die sich mit dem „Klima“ und dem „Wasser“ als Ihrem „FORSCHUNGS– GEGENSTAND“ befassen. Wir wollen uns daher zunächst einmal in jenen Disziplinen nach brauchbaren Gedanken „umsehen“, die es uns gestatten den KLIMA-BEGRIFF als solches und in seiner geographischen Bedeutung zu fassen. Da ist einmal die METEOROLOGIE zu nennen, innerhalb der man sich, als einem Teilbereich der angewandten Physik, mit der physikalischen Fassung von „Vorgängen“ in der Atmosphäre beschäftigt. Der Ausgangspunkt für derartige Untersuchungen sind Beobachtungstatsachen, die man zuerst phänomenologisch beschreibt und danach deren Vorkommen und Mechanismen aus einfachen physikalischen Prinzipien abzuleiten sucht. Es ist jedoch festzuhalten, dass nicht alle hier vorkommenden Beziehungen sich so ohne weiteres aus physikalischen Grundlagen ableiten lassen. Daher müssen wir uns zusätzlich mit „empirischen Zusammenhängen“ als auch „statistischen Beziehungen“ aus einander setzen. Die Basis für das prinzipielle Vorgehen stellen aber in jedem Fall Beobachtungen von Größen dar, die etwas über die physikalischen Eigenschaften der Atmosphäre aussagen. Im Allgemeinen können wir unter diesen „Größen“ die uns geläufigen „WETTERELEMENTE“, die Temperatur, den Niederschlag, die Feuchtigkeit, den Wind, etc. verstehen. Die Beobachtung dieser Elemente erfolgt dabei nach international vereinbarten Kriterien. Denn schließlich ist

Für diesen Zweck ist die internationale Vereinheitlichung der Beobachtungen (d.h. welche Elemente, wann, womit und wie beobachtet werden) unumgänglich gewesen. Innerhalb der GEOGRAPHIE hat nun die

Andererseits ist es ein Ziel der geographischen Betrachtung des Klimas Klimatypen auszuweisen, in ihrer räumlichen Verteilung darzustellen, als auch deren Ursachen „aufzudecken“.

Im Lauf der Entwicklung und insbesondere durch die „Verfeinerung“ unseres Verständnisses der Prozesse in der Atmosphäre und ihrer raum-zeitlichen Entwicklung erwuchs die Einsicht, dass es nicht alleine die Atmosphäre ist und sein kann, welche, quasi aus sich selbst heraus, bestimmte Umstände, Zustände und Phänomene hervorbringt, sondern die Atmosphäre in ständiger Wechselwirkung mit der Erdoberfläche und deren geographischer (d. i. z. B. morphologischen, biologischen, etc.) Vielfältigkeit steht. Wir müssen daher, wenn wir uns mit den atmosphärischen Vorgängen und Zuständen beschäftigen wollen, unser . Um jene, uns wichtigen, Zusammenhänge besser formulieren zu können, hilft es uns, wenn wir die Atmosphäre und die Erdoberfläche Lernunterlagen zur Vorlesung 290232 „GRUNDZÜGE DER KLIMA-und HYDROGEOGRAPHIE“ Zusammengestellt von F. HOLAWE. Nur für den Studiengebrauch bestimmt!

2 als Teile eines Ganzen auffassen. Etwas präziser formuliert nennen wir dieses Unserem Ansatz folgend, lässt es sich aus nennen können) aufgebaut betrachten, die beständig „Etwas“ austauschen. Wir behaupten daher, dass die . Umgekehrt wirkt die Atmosphäre über diese Prozesse aber auch auf die eben erwähnten „Bereiche“ ein. Zudem ist in weiterer Folge zu untersuchen, was dieses „Etwas“ bedeutet, das im Klimasystem beständig ausgetauscht wird. Aus dem eben Gesagten ist leicht einzusehen, dass neben der METEOROLOGIE und GEOGRAPHIE, die HYDROLOGIE, die OZEANOGRAPHIE, die BOTANIK und viele weitere Fachdisziplinen teils sehr enge und seit längerem bestehende „Beziehungen“ zum Gegenstand „KLIMA“ aufweisen. Nichtsdestoweniger gibt es da sogar eine Disziplin die sich „KLIMATOLOGIE“ nennt. Daher haben wir es, wenn wir uns mit dem KLIMA auseinandersetzen, mit verschiedenartigen Fachsprachen zu tun, die es gilt gedanklich zu verbinden. Zudem sind derlei Beziehungen in mathematischer Sprache abgefasst, sodass wir es auch immer wieder mit Formeln zu tun haben werden. Ganz am Anfang stellen sich uns jetzt zunächst einige Fragen: Was können wir unter WETTER verstehen und wie grenzen wir davon KLIMA ab? Welche Besonderheit stellt der Ausdruck „WITTERUNG“ dar? In welche fachliche Nähe positionieren wir die KLIMATOLOGIE? Was verstehen wir überhaupt unter KLIMATOLOGIE bzw. KLIMAGEOGRAPHIE? Wie lassen sich die Wechselwirkungen der Subsysteme mit der ATMOSPHÄRE in einen geeigneten und vor allem verständlichen Zusammenhang bringen, der uns die gedankliche Entwicklungsarbeit erleichtert? Wenn wir uns mit dem Klima beschäftigen, dann lässt sich aus dem vorher Gesagten bereits die Vielfältigkeit der Zugänge zu Klima erahnen. Deutlich zum Ausdruck bringt das Problem der Zuordnung des KLIMAS als auch der KLIMATOLOGIE zu einer der bestehenden Wissenschaften SCHÖNWIESE (2003) zum Ausdruck: „Die KLIMATOLOGIE ist kein eigenständiges Studienfach und erst recht ist sie kein in sich geschlossenes Fachgebiet. Vielmehr ist sie primär ein . Nicht weniger bedeutend ist jedoch die Zuordnung der Klimatologie zur Geographie als der Wissenschaft der auf der Erdoberfläche beobachtbaren Phänomene, ablaufenden Prozesse und „Querverbindungen“. Zu diesen geographischen Phänomenen zählt das Klima, der Boden, die Erdoberflächengestalt (physische Erdoberfläche, einschließlich der Betrachtung der Vorgänge, die zur derzeitigen Gestalt geführt haben; d. i. Geomorphologie; zeitlich darüber hinaus auch Paläogeographie), die Vegetation u.a., schließlich über die physische Geographie und die Naturwissenschaft hinausgreifend auch Problemkreise der Wirtschafts- und Kulturgeographie. Liegt somit in der meteorologischen Klimatologie der Schwerpunkt der Betrachtung bei den drei- (bzw. vier) dimensionalen atmosphärischen Prozessen, die zu den Klimaphänomenen führen, so sind es in der Klimageographie mehr die an der Erdoberfläche beobachteten Klimaphänomene an sich und ihre Querbezüge zu den weiteren geographischen Aspekten. Für den Meteorologen ist die Systemforschung unumgänglich, wenn er Klimaprozesse verstehen und modellieren möchte. Anders als bei der Geographie, wo die Landoberflächen Lernunterlagen zur Vorlesung 290232 „GRUNDZÜGE DER KLIMA-und HYDROGEOGRAPHIE“ Zusammengestellt von F. HOLAWE. Nur für den Studiengebrauch bestimmt!

3 doch von hervorgehobenem Interesse sind, führt die meteorologische Betrachtung des Klimasystems jedoch auch in die Höhen der Atmosphäre. Zudem führt, gerade von meteorologischen Aspekten aus, dieser Weg aber auch in die Tiefe des Ozeans, da dessen Zirkulation (und zwar die horizontale und vertikale) mit der atmosphärischen untrennbar verknüpft ist, und letztlich zur gesamten Physikochemie des Ozeans sowie zu den vorwiegend physikalisch betrachteten kryosphärischen Gegebenheiten und Prozessen. Damit ist die Klimatologie aber zu einer besonders ausgeprägt interdisziplinären Wissenschaft geworden, die außer den meteorologisch-geographischen Querbezügen und Überlappungen auch solche Bezüge zur Ozeanographie und Glaziologie aufweist. Natürlich gibt es auch geographisch-ozeanische und –glaziologische Berührungspunkte.“ Ebenso kann die HYDROLOGIE als interdisziplinäre Systemwissenschaft aufgefasst werden. In den Ausführungen von Schönwiese werden explizit die Bezüge zur Ozeanographie und Glaziologie hervorgehoben. Diese sind ebenso Teilbereiche der Hydrologie. Die Beziehungen zwischen Klimatologie und Hydrologie lassen sich beliebig erweitern und zeigen uns ein Bild der Verflechtung von Phänomenen und Prozessen, welche durch ihren Raumbezug und die raum-zeitlichen Veränderungen immer auch Teil der Geographie und geographischer Forschungsinteressen ausmachen. Die Hydrologie kann als Lehre vom Wasser, seinen Eigenschaften und Erscheinungsformen über, auf und unter der Erdoberfläche angesehen ...