Zusammenfassung Klimatologie PDF

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Inhalt Grundwissen.............................................................................................................................. Strahlungsisoplethen.............................................................................................................. Thermoisoplethen:..........

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Klimatologie-Zusammenfassung Inhalt Grundwissen...............................................................................................................................3 Atmosphäre.................................................................................................................................5 Strahlungsisoplethen...............................................................................................................8 Thermoisoplethen:.................................................................................................................11 Entstehung von Inversionen..................................................................................................13 Wasserkreislauf.........................................................................................................................14 Hauptwolkenarten.....................................................................................................................18 Zusammenhang Niederschlagstyp und Wolkentyp:..............................................................21 Starkregen..............................................................................................................................21 Saisonalität des Niederschlags:.............................................................................................21 Aridität und Humidität:.........................................................................................................22 Luftdruck...................................................................................................................................22 Thermische Druckunterschiede:............................................................................................23 Dynamische Druckgebiete........................................................................................................23 Land-See-Windzirkulation:...................................................................................................24 Hang-Wind-Zirkulation:........................................................................................................25 Corioliskraft..............................................................................................................................26 Geostrophischer Wind:..........................................................................................................26 Ageostrophischer Wind:........................................................................................................26 Frontalzone:...........................................................................................................................27 Jetstream................................................................................................................................27 Drehsinn................................................................................................................................29 Ryd-Scherhag-Effekt.................................................................................................................29 Wind- und Druckgürtel.............................................................................................................30 Die Monsun-Zirkulation...........................................................................................................32 Walker-Zirkulation....................................................................................................................33 Easterly Waves..........................................................................................................................36 Taifune/Hurricanes....................................................................................................................37

Grundwissen Wetter: Unter Wetter versteht man den augenblicklichen Zustand der Atmosphäre an einem bestimmten Ort. Der Zustand der Atmosphäre wird über Klimaelemente beschrieben. Klima: Klima ist der durchschnittliche Zustand der Atmosphäre im typischen Verlauf eines Ortes, einer Landschaft oder eines größeren Raums. Der Atmosphärenzustand wird über Durchschnittswerte, Maxima, Minima und Häufigkeitsverteilungen der Klimaelemente beschrieben. Das Klima wird durch folgende Klimafaktoren bestimmt: Geographische Breite, Höhenlage, Relief, Vegetation, Land-Meer-Verteilung, Mensch. Skalen in der Klimatologie: Mikro-, Meso- und Makroklima Witterung: Idealtypische Abfolge von Wettererscheinungen über mehrere Tage oder Wochen Strahlung: Die Strahlungsbilanz wird durch die Kugelgestalt der Erde, Hangneigung, Schräglage der Erdachse, Treibhausgase und die Land-Meer-Verteilung bestimmt. Überwiegend kurzwellige Strahlung. Globalstrahlung = direkte Strahlung + diffuse Strahlung Umsatz solarer Energie:

Treibhauseffekt/ Glashauseffekt: Der natürliche Glashauseffekt führt zu Durchschnittstemperaturen von 15°C auf der Erdoberfläche statt -18°C. Die Einstrahlung von der Sonne zur Erde erfolgt hauptsächlich über kurzwellige Strahlung mit Maxima bei 0,5 nm. Auf der Erde kommt es zur Absorption der Strahlung und zur Emission langwelliger Wärmestrahlung. Das "Glashaus" ist weitgehend durchlässig für die von der Sonne kommende kurzwellige Strahlung, aber undurchlässig für langwellige Strahlung: Treibhausgase absorbieren Strahlung und emittieren Infrarotstrahlung, die teilweise auf die Erde zurückgeworfen wird. Dadurch kommt es zur Erwärmung. Gleichzeitig erfolgt Ausstrahlung ins Weltall. Haupttreibhausgase: Wasserdampf (64%), CO2(21%), O3(6%) steigende CO2Konzentrationen verstärken diesen Effekt:

Albedo: Frisch gefallener Schnee hat eine Albedo von 75 - 95, Nadelwald ca. 5 -15. Am Südpol mehr Eis als am Nordpol unterschiedliche Albedo -> Oberflächen erwärmen sich sehr heterogen (räumliche Differenzierung der thermischen Eigenschaften)

Atmosphäre Zusammensetzung der Atmosphäre: 78% Stickstoff 21% Sauerstoff 0,93% Argon 0,04% Kohlendioxid 0,03% Spurengase: Ozon, Kohlenmonoxid, Stickoxide, Schwefeloxide usw.

Die Tropopause ist die wichtigste Grenzfläche der Erdatmosphäre und liegt breitenabhängig in 6 bis 18 km Höhe. Sie ist durch eine deutliche Änderung im Temperaturverlauf charakterisiert und trennt die vom Wetter geprägte Troposphäre von der darüber liegenden stets stabil geschichteten und sehr trockenen Stratosphäre. Als Peplosphäre wird der Teil der Erdatmosphäre bezeichnet, der durch die turbulenzverursachenden Eigenschaften der Erdoberfläche (insb. Erwärmung und Bodenreibung) im Zeitbereich von Stunden beeinflusst wird. Typischerweise sind das die untersten 1,5 bis 2 Kilometer. Einfluss der Wolkendecke auf die Temperatur Ohne Wolken: hohe Einstrahlung, mit Wolken kommt weniger Strahlung auf der Erdoberfläche an Durch Wolken bleibt mehr Energie im System Erde/Boden enthalten wolkenfreie Nächte sind deutlich kälter! Solare und terrestrische Strahlung: Maximum 0,4-0,5 Mikrometer -> atmosphärische Fenster: Atmosphäre ist selektiv durchlässig Im sichtbaren Bereich ist die Atmosphäre durchlässig

Absorptionsbanden:

Grauer Bereich: Atmosphäre ist undurchlässig  Viel kurzwellige Strahlung kommt auf der Erdoberfläche an  im thermalen Infrarot wird sie immer undurchlässiger, das Graue wird mehr!  unterschiedliche Treibhausgase betreffen unterschiedliche Wellenbereiche

Strahlungsbilanz der Erde (Zahlen werden nicht gefragt)

Emission – Abstrahlung; Absorption – Aufnahme; Reflexion – Strahlen zurückwerfen Kurzwelliger Anteil: 1. Sonne: an der Atmosphärenobergrenze kommen 100% an (Annahme) 2. Absorption: - in der Atmosphäre z.B. durch Ozon, führt schon zu einer Erwärmung der Atmosphäre -Absorption an Wolken führt ebenfalls zu Erwärmung 3. Reflexion: -an der Atmosphäre, diffuse Streuung -an Wolken, diffuse Streuung ~ ein Drittel führt nicht zu einem Energie-Input in das System Erde/Atmosphäre  31% direkte Strahlung; Globalstrahlung=diffuse + direkte Strahlung davon wird ein Teil an der Erdoberfläche reflektiert ohne Glashauseffekt wird alles wieder ausgestrahlt; real: Atmosphäre! Langwelliger Anteil: langwellige Strahlung wird von Erdoberfläche emittiert Wolken absorbieren -> Ausstrahlung/Gegenstrahlung: Ein Teil bleibt im Glashaus zwischen Atmosphäre und Oberfläche gefangen, ständiger Energieaustausch Verdunstung und Wärmetransport: Ausgleich Gesamtbilanz:  Atmosphärenbilanz ausgeglichen, Erdoberflächenbilanz ausgeglichen  deshalb bleibt die Temperatur konstant  Bei Erhöhung der Treibhausgaskonzentration ändert man die Atmosphärenbilanz   Erhöht man die Temperatur, ist die Bilanz auf höherem Niveau ausgeglichen. Nur bei kontinuierlicher Erhöhung der Konzentration gibt es auch eine kontinuierliche Erhöhung der Temperatur!

Globalstrahlung

Wüsten: keine Wolken, also auch keine Absorption oder Reflexion in der Atmosphäre höchste Strahlungsbilanz der Erde

(Strahlungsbilanz in Watt/m²) Atlantik doppelt so hoch wie in der Sahara Wasserdampf und Wolken über den Meeren, Sahara trockene Atmosphäre und kaum Gegenstrahlung (alles was emittiert wird, geht wieder raus)

Strahlungsisoplethen  Linien gleicher Strahlung  Zeigen Jahresgang und Tag/Nacht

(cal/cm²/h) im Sommer ganztägige Einstrahlung

Tageszeitenklima

(Temperaturunterschiede zwischen Tag und Nacht sind größer als Temperaturunterschiede zwischen einzelnen Monaten)

Ausgeprägte Jahreszeiten, kürzere Tage im Winter

Horizontale Temperaturverteilung Mitteltemperatur im Januar:

Mitteltemperatur im Juli:

 Linien gleicher Temperatur folgen Linien gleicher Strahlungsbilanz (aber: stärkere

Ausbuchtungen wegen Meeresströmungen)  Vergleich Irland-Berlin: Irland näher an Ozeanflächen, deswegen in Deutschland ausgeprägten Jahresgang Temperaturen der Ozeanflächen (pazifischer, atlantischer, indischer Ozean)  Atlantik wirkt bis Ende Januar/Anfang Februar als Wärmequelle, erst dann wird niedrigste Temperatur erreicht  Landmasse kühlt stärker ab wegen Albedo (im Winter zusätzlich Schnee), deshalb geringere Einstrahlung  Ozeanflächen wirken ausgleichend und führen zu einem Versatz der Maximal- und Minimaltemperatur Meeresströmungen (Golfstrom → Nordatlantik, Benguela-Strom →Südatlantik, HumboldtStrom → Südpazifik, Nordpazifik-Strom):  Einer der Hauptenergietransporte der Erde  Wärme wird im tiefen Ozeanbereich gespeichert  Der Warmwasserstrom ist oberflächennah und fließt in der Tiefe als kalter Strom zurück  Je höher der Salzgehalt, desto mehr Tiefenwasser wird gebildet (salzhaltigeres Wasser hat eine höhere Dichte) Kontinentalität und Maritimität:  beschreibt die Spanne der mittleren Monatstemperaturen (höchste Spanne in Sibirien: 60°; im Ozeanbereich: Spanne sehr klein, nur 3°)  Kontinentalklima: Temperaturverlauf versch. Klimatypen, welche sich durch jahreszeitlich bedingte große Temperaturschwankungen auszeichnen → heiße Sommer & kalte Winter  Maritimität: Einfluss der Meere auf Klima an bestimmten Orten. Ozeane wirken ausgleichend auf Klima angrenzender Landflächen, Wasser → höhere Wärmespeicherfähigkeit, erwärmt sich nur sehr langsam. Da die gespeicherte Wärme

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aber auch nur langsam abgegeben wird, verzögern sich Temperaturmaximum und -minimum Jahresschwankungen der Temperatur in Deutschland im Vergleich zu Nordamerika klein, Grund: Golfstrom

Thermoisoplethen:  

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Wie Strahlungsisoplethen: gut um Tageszeitenklima/Jahreszeitenklima festzustellen Jahreszeitenklima: Klima aller Klimazonen (außer Tropen); warme und kalte Jahreszeiten unterscheiden sich deutlich voneinander, Tageslänge variiert über die Dauer eines Jahres. Jahrestemperaturamplitude (Temperaturschwankungen innerhalb eines Jahres) höher als Tagestemperaturamplitude (Grund: Einstrahlungswinkel von Sonnenstrahlen variiert im Laufe des Jahres durch Umdrehung der Erde um die Sonne) Tageszeitenklima: mittlere Temperaturunterschiede zw. Tag und Nacht größer als Temperaturunterschiede zw. den einzelnen Monaten. Tagestemperaturamplitude ist höher als die Jahrestemperaturamplitude. Tageszeitenklimaten vor allem in Tropen. Je weiter man sich dem Äquator nähert, umso schwächer wird dieser Effekt, d.h. dass man im subpolaren Raum ein sehr starkes Jahreszeitenklima, im Mittelmeerraum ein schwaches und in den Tropen kein Jahreszeitenklima mehr erkennen kann. Interpretation: Verlauf der Isoplethen entscheidend - nahezu parallel zur Tageszeitenachse => Temperatur am Tage ändert sich kaum, im Jahr größeren Schwankungen => thermischen Jahreszeitenklima. - parallel zur Monatsachse => Am Tage treten die größten Temperaturschwankungen auf, über das Jahr hinweg bleiben Temperaturen fast konstant.

Im Prinzip nur noch Jahresgang (je weiter im Norden, desto senkrechter die Isopleten) Vertikale Änderung der Temperatur:   

Schichtung der Atmosphäre: Abkühlung mit der Höhe Grund: Erdoberfläche wie „Herdplatte“: Hauptenergieumsatz findet an der Oberfläche statt Mittlere Abnahme: 0,4° – 0,6° pro 100 Meter Kühle Luft sinkt von oben nach unten und erwärmt sich dabei Jahreszeitenklima

Tageszeitenklima (nur von Regenzeit etwas beeinflusst)

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Temperaturgradient: Antarktis: im Winter keine Inversion, weil keine Sonnenstrahlung in Ozon eindringt (Polarnacht), im Sommer Tropopause in 9 km Höhe Australien, Tropen: kein/kaum Unterschied zwischen Sommer und Winter

Beispiel: Ein Luftpaket erwärmt sich über einer dunklen Fläche  warme Luft dehnt sich aus und hat eine geringere Dichte  steigt nach oben  beim Aufstieg kühlt sie sich um 1° C pro 100m ab (wenn sie trocken ist)  das Luftpacket kann maximal aufsteigen bis die Temperatur des Luftpaketes gleich der Umgebungstemperatur ist  an der Tropopause: globale Inversion (Lufttemperatur nimmt plötzlich mit der Höhe zu, wegen Ozon)  spätestens hier hat das Luftpaket die gleiche Temperatur wie die Umgebungsluft  Aufstieg endet  deshalb finden alle wesentlichen Wettergeschehnisse in der Troposphäre statt!

Vertikaler Temperaturgradient:

Entstehung von Inversionen = Wetterlage, die durch eine Umkehr des vertikalen Temperaturgradienten geprägt ist: Die oberen Luftschichten sind hierbei wärmer als die unteren.

Bodeninversion:  betrifft die unteren 300 Meter und tritt vor allem im Frühling/Herbst auf (Temp. relativ niedrig, fehlende Wolkendecke und Windstille begünstigt Inversion)  löst sich am Tag relativ schnell wieder auf  im Tagesverlauf erwärmt sich der Boden und somit die darüber liegende Luft  nachts wird die Strahlungsbilanz negativ, d.h. die Erdoberfläche und die bodennahe Bodenschicht kühlt aus, aber Luftmassen in der Höhe bleiben relativ warm

Absinkinversion:  hauptsächl. bei ausgeprägten Hochdruck-Wetterlagen im Spätherbst/Winter  Luft wird zum Abstieg gezwungen, wird deswegen erwärmt/verdichtet  gleichzeitig steigt Luft von unten auf und kühlt ab  es kommt zu einem Temperaturanstieg  das Luftpaket von b nach d muss eine größere Strecke zurücklegen, deshalb ist die Temperaturzunahme größer  dies ändert den Temperaturgradienten

Aufgleitinversion:  entsteht durch Heranführen von Luftmassen in der Horizontalen  in der Höhe kommt es zu Warmluftzufuhr (vor allem im Winter wenn sich Warmluft über schwere Kaltluft schiebt)  oben wärmere Bedingungen als unten

Wasserkreislauf 

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Verdunstung (vor allem über dem Meer), Niederschlag und Abfluss heben sich idealerweise global auf (geschlossenes System) Luftfeuchtigkeit: warme Luft kann mehr Feuchtigkeit aufnehmen – die relative Feuchtigkeit nimmt also bei gleich bleibender Masse an Wasser mit steigender Temperatur ab. Abkühlende Luft wird (relativ) feuchter Taupunkttemperatur: bei 8,8°C relative Luftfeuchtigkeit von 100% (ist gesättigt kann nicht mehr Wasserdampf aufnehmen)  ab diesem Punkt tritt bei sinkender Temperatur Kondensation ein (bei 0° würden 3,4g flüssig) [Ausnahme: Kondensation setzt später ein wenn wenig Aerosole vorhanden sind, dann ist die Luft übersättigt]

Transformationsübergänge Bei den Phasenübergängen wird „Latente Energie“ umgesetzt. Wenn Wasserdampf in der Atmosphäre

bei der Wolkenbildung kondensiert und wenn Wassertropfen gefrieren wird Energie frei.  wichtige Komponente im Energiehaushalt der Atmosphäre! (22% der Energie, die auf der Erde umgesetzt wird, wird über latente Wärme transportiert)

Verdunstung

Potentielle Verdunstung (Messung mit Class A Pan)

potentielle Evapotranspiration (Messung mit Lysimeter)

potentielle Landschaftsverdunstung

Verhältnis Verdunstungshöhe und Wasserangebot:

Mit zunehmendem Wasserangebot wird die Vegetation dichter, die Pflanzen nehmen mehr Wasser aus dem Boden auf und betreiben Transpiration, die unproduktive Evaporation ist verhältnismäßig gering. Gefrieren: In Obstplantagen werden Beregner eingesetzt: Geht die Temperatur gegen 0°C, wird die Plantage beregnet. Beim Gefrieren wird Energie frei, die Temperatur sinkt nicht weiter ab  Pflanzen sterben bei Spätfrost im Frühling nicht so leicht ab!

Latente Energie: - Temperatur von trockener Luft nimmt genau um 1°C pro 100m ab - irgendwann wird das Kondensationsniveau erreicht, weil die relative Feuchte 100% beträgt (Taupunkt)Energie wird frei - ab dem Taupunkt nimmt die Temperatur weniger als 1°C pro 100m ab (je nachdem wie viel Wasser zur Verfügung steht)

Stabilität und Labilität:

Die Steigung der Zustandskurve ändert sich wenn (kalte) Luft zugeführt wird  Temperatur nimmt schneller ab (warme Luft kann zu Inversion führen).

Beispiel wetterabhängige Temperaturgradienten mit der Höhe: Luft wird bodennah erwärmt und steigt auf, weil sie sich ausdehnt. Sie steigt, so lange sie wärmer als die Umgebungsluft ist. Es kommt zu Kondensation, latente Energie wird freigesetzt. Kühlt sich die Luft weniger stark ab als die Umgebungsluft (bleibt ständig wärmer als Umgebung) steigt sie weiter auf. Wolke kann bis maximal an die Tropopause aufsteigen. Schneidet die Adiabate die Umgebungstemperatur, ist der Aufstieg beendet. Verhältnis von Zustandskurve und Adiabate führt dazu, ob die Atmosphäre labil geschichtet ist (Aufstieg bis max Tropopause) oder stabil (rechts).

Beispiel Inversion: Die Inversion blockiert den Aufstieg nach oben stabile Schichtung, weil kein weiterer Aufstieg mehr stattfinden kann.

Hauptwolkenarten

Föhnwalze (nur an Südseite):

Zusammenhang Niederschlagstyp und Wolkentyp: Konvektive Wolken: auf vertikale Luftbewegung zurückzuführen Cumulus humilis: viele kleine Tropfen und Aufwärtsdynamik  regnet eher nicht ab Cumulus congestus: durch Kollision (bei stärkerer Aufwärtsbewegung) werden die Tropfen größer aber auch schwerer ab einer bestimmten Größe reicht Aufwärtsbewegung nicht aus und Tropfen fallen nach unten und wachsen durch Kollision weiter an

Advektive Wolken: auf horizontale Luftbewegung zurückzuführen Nimbostratus: kleine Tropfen, kleines Gewicht, aber auch nur sehr geringe Aufwärtsbewegunges nieselt

Starkregen ab 15mm ein einer Stunde  Starkregen

Tropfengröße hängt auch von der Temperatur ab, also vom Energiegehalt in der Atmosphäre. In z.B. den Tropen und Uganda wird häufiger Starkniederschlag gemessen  größere vertikale Dynamik wegen höherer Temperatur

Saisonalität des Niederschlags: Abhängig von: - Kontinentalität/Maritimität (z.B. Brest Berlin) - Niederschläge beeinflusst von Monsun (z.B. Bombay - in Wüsten(z.B. Tamanrasset) fast keine Saisonalität mehr

Aridität und Humidität: Niederschlag und Humidität gekoppelt Phreatischer Bereich: überschüssiger Niederschlag versickert und bildet Grundwasser

Luftdruck Grundprinzipien des Luftdrucks: p=F/A  Ist abhängig von der Masse der Atmosphäre, der Schwerkraft und von der Fläche auf

der die Luft aufliegt (mittlerer Druck: 1013 hPa !! hPa=mbar hecto=100 !! Barometrische Höhenformel (muss man nicht auswendig können):  Abhängig von Höhenbeziehung, von Lufttemperatur und relativer Luftfeuchtigk...