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Dieses PDF Dokument behandelt die Grundlagen der Klimatologie, einschliesslich Wetter, Klima, Strahlung, thermische Zirkulation, sowie Corioliskraft und Wind. Es werden auch globale Zirkulation und Land-Klima-Interaktion behandelt.

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Grundlagen der Klimatologie De nitionen: Das Wetter ist der aktuelle Zustand der Atmosphäre, während das Klima die Synthese des Wetters über einen längeren Zeitraum ist. Das Klima wird über einen Zeitraum von 30 Jahren betrachtet. Kli...

Grundlagen der Klimatologie De nitionen: Das Wetter ist der aktuelle Zustand der Atmosphäre, während das Klima die Synthese des Wetters über einen längeren Zeitraum ist. Das Klima wird über einen Zeitraum von 30 Jahren betrachtet. Klimaelemente: Zu den Klimaelementen gehören Lufttemperatur, Luftfeuchte, Luftdruck, Wind, Niederschlag und Strahlung. Atmosphärenschichten: Die Troposphäre (0-12 km) ist die Schicht, in der das Wettergeschehen statt ndet. Die Stratosphäre (12-50 km) enthält die Ozonschicht, und die Mesosphäre (50-80 km) ist die kälteste Schicht. Strahlung und Thermische Zirkulation Strahlungsprozesse: Feste, üssige und gasförmige Körper können Strahlung absorbieren, emittieren, re ektieren, transmittieren und streuen. Schwarzer Körper: Ein idealisierter Körper, der alle auftreffende Strahlung absorbiert. Wellenlängen: UV-Strahlung (100-380 nm), sichtbares Licht (380-780 nm) und Infrarotstrahlung (ca. 4-100 µm). Atmosphärisches Fenster: Bereiche, in denen die Strahlungsabsorption durch Wasserdampf, Ozon und Kohlendioxid gering ist, insbesondere bei 8-12 µm. Thermische Zirkulation: Durch Temperaturunterschiede entstehen Druckunterschiede, die Luftbewegungen verursachen. Corioliskraft und Wind Corioliskraft: Eine Scheinkraft, die durch die Erdrotation entsteht und großräumige Luftbewegungen auf der Nordhalbkugel nach rechts ablenkt. Wind: Wird hauptsächlich durch horizontale Druckgradienten angetrieben. Die Windrichtung gibt an, woher der Wind kommt. Turbulenzen: Entstehen durch Verwirbelungen in der Luft, wenn Luftströmungen unterschiedlicher Richtungen oder Geschwindigkeiten aufeinandertreffen. Globale Zirkulation Drei-Zellen-Modell: Die atmosphärische Zirkulation wird durch drei Zellen (Hadley-, Ferrel- und Polarzelle) angetrieben. Die Innertropische Konvergenzzone (ITCZ) ist die Zone, in der die Passatwinde zusammentreffen und aufsteigen. Wendekreiswüsten: Entstehen durch absinkende Luftmassen in den subtropischen Hochdruckgebieten, die zur Wolkenau ösung führen. El Niño: Eine Anomalie der Meeresober ächentemperaturen im Pazi k, die das globale Wetter beein usst. Land-Klima-Interaktion Treibhausgase: Wichtige Gase für die Energiebilanz der Erde, wie CO2, Methan (CH4) und Distickstoffoxid (N2O). Global Warming Potential (GWP): Ein Index, der angibt, wie viel Infrarotstrahlung ein Treibhausgas im Vergleich zu CO2 über einen bestimmten Zeitraum absorbiert. Kohlenstoffkreislauf: Ökosysteme können je nach Jahreszeit von CO2-Senken zu CO2- Quellen wechseln. Wasserdampf, Wolken und Niederschlag Wasserdampf: Ein wichtiges Treibhausgas, das bei Phasenübergängen Energie umsetzt. Wolkenentstehung: Durch Abgabe von Strahlung, Aufsteigen von Luft und Mischung von Luftmassen. Kondensationskerne (Aerosole) sind notwendig. fi fl fl fi fl fl fl fi Wolkenfamilien: Hohe, mittelhohe, tiefe und vertikale Wolken. Niederschlag: Fallend (Regen, Schnee, Hagel), abgesetzt (Tau, Reif), abgefangen (Nebelniederschlag, Raureif). Niederschlag entsteht durch Diffusions- und Koagulationswachstum. Statik und Thermodynamik Hydrostatische Grundgesetz: Beschreibt, wie der Druck in einem Gasvolumen dem Gewicht der darüber liegenden Luftsäule entspricht. Barometrische Höhenformel: Beschreibt die exponentielle Abnahme des Drucks mit der Höhe. Thermodynamik: Energie kann in verschiedene Formen umgewandelt, aber nicht neu geschaffen oder vernichtet werden (1. Hauptsatz der Thermodynamik). Adiabatische Prozesse: Keine Wärme wird mit der Umgebung ausgetauscht. Trockenadiabatischer Temperaturgradient: Temperaturabnahme mit der Höhe bei trockener Luft (ca. 1K/100m). Potentielle Temperatur: Die Temperatur eines Luftpakets, das auf ein einheitliches Niveau (1000 hPa) gebracht wird. Synoptik Tiefdruckgebiete: Häu g durch starke Bewölkung gekennzeichnet, Lebensdauer ca. 3-10 Tage. Zyklogenese: Entstehung und Verstärkung von Tiefdruckgebieten. Fronten: Kaltfronten (kalte Luft schiebt sich unter warme Luft), Warmfronten (warme Luft gleitet über kalte Luft) und Okklusionen (Kaltfront holt Warmfront ein). Tiefdruckrinne: Eine langgestreckte Zone mit tiefem Luftdruck. Hochdruckbrücke: Verbindung von zwei Hochdruckgebieten. Omega-Wetterlage: Eine stabile Hochdrucklage mit blockierendem Hoch. Großwetterlagen: Bestimmen den wesentlichen Charakter der Witterung in einem Gebiet (z.B. Westlage, Nordlage). Ozeanographie Ozeanzirkulation: Windgetriebene und thermohaline (dichtegetriebene) Zirkulation. Die Umwälzbewegung transportiert warme und salzige Wassermassen an der Ober äche nach Norden und kalte Wassermassen in der Tiefe nach Süden. AMOC (Atlantic Meridional Overturning Circulation): Die Umwälzbewegung im Atlantik. Tiefenwasserbildung: Entsteht durch starken Wärmeverlust an die Atmosphäre, besonders im Nordatlantik. Beobachtung: Durch Verankerungsarrays (RAPID, OSNAP) und autonome Geräte wie Drifter und Floats. Messmethoden: CTD-Sonden, ADCPs, Verankerungen, Drifter und Floats erfassen verschiedene ozeanographische Parameter. Klimaentwicklung Natürliche Klimavariabilität: Plattentektonik, Vulkanausbrüche, veränderte Sonneneinstrahlung (Milanković-Zyklen, Sonnen eckenaktivität). Klimawandel: Globale Temperaturerhöhung, die durch anthropogene Treibhausgasemissionen verstärkt wird. IPCC: Intergovernmental Panel on Climate Change, erstellt Berichte zur Klimaentwicklung und Prognosen für die Zukunft. Representative Concentration Pathways (RCP): Beschreiben zukünftige Treibhausgaskonzentrationen. fi fl fl Shared Socio-economic Pathways (SSP): Berücksichtigen auch sozioökonomische Veränderungen. Attributionsforschung: Berechnet den Anteil des anthropogenen Klimawandels an Extremereignissen. Geoengineering Solar Radiation Modi cation (SRM): Eingriffe ins Klimasystem, um die Erde durch Re ektion von Sonnenstrahlung abzukühlen. Stratospheric Aerosol Injection (SAI): Ein möglicher Ansatz, Aerosole in die Stratosphäre zu injizieren, um die Sonneneinstrahlung zu reduzieren. Klimakipppunkte: Teile des Klimasystems, die bei geringem zusätzlichem Antrieb starke Veränderungen zeigen. Termination Shock: Wenn ein massiv eingesetztes SRM plötzlich gestoppt wird. Klimaschutz UNFCCC: United Nations Framework Convention on Climate Change, ein Rahmenabkommen für internationale Klimapolitik. Kyoto-Protokoll: Ziel war die Reduktion der Treibhausgasemissionen. Pariser Abkommen: Ziele sind die Begrenzung der Erderwärmung auf deutlich unter 2 Grad und Anpassung an Klimafolgen. Klimaschutzgesetz (Deutschland): Ziele zur Reduktion der Treibhausgasemissionen bis zur Netto-Treibhausgasneutralität im Jahr 2045. Die Vorlesungsmaterialien bieten eine umfassende Einführung in die Klimatologie und behandeln ein breites Themenspektrum, von grundlegenden Konzepten bis hin zu komplexen globalen Systemen und den Auswirkungen des Klimawandels. Hier ist eine detailliertere Zusammenfassung: Grundlagen des Klimas und Wetters Wetter vs. Klima: Das Wetter ist der augenblickliche Zustand der Atmosphäre, während das Klima eine langfristige Synthese der Wetterbedingungen über einen Zeitraum von mindestens 30 Jahren darstellt. Klimaelemente: Die wichtigsten Klimaelemente sind Strahlung, Temperatur, Luftfeuchte, Niederschlag, Wind und Luftdruck. Atmosphärische Schichtung: Die Troposphäre ist die unterste Schicht, in der das Wetter statt ndet. Die Stratosphäre enthält die Ozonschicht. Strahlung und Energie Strahlungsprozesse: Körper können Strahlung absorbieren, emittieren, re ektieren, transmittieren und streuen. Schwarzer Körper: Ein idealisierter Körper, der alle Strahlung absorbiert, und eine ideale thermische Strahlungsquelle ist. Wellenlängen: Die Strahlung umfasst UV-Strahlung, sichtbares Licht und Infrarotstrahlung. Planck'sches Gesetz: Beschreibt die von einem schwarzen Körper abgegebene Strahlungsenergie in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Stefan-Boltzmann-Gesetz: Beschreibt den Zusammenhang zwischen Temperatur und abgestrahlter Energie. Atmosphärisches Fenster: Bereiche geringer Absorption, besonders wichtig für die langwellige Ausstrahlung der Erde. fl fi fi fl Atmosphärische Zirkulation und Wind Thermische Zirkulation: Temperaturunterschiede erzeugen Druckunterschiede, die Luftbewegungenverursachen. Corioliskraft: Eine Scheinkraft durch die Erdrotation, die Winde ablenkt. Wind: Wird durch Druckgradienten angetrieben und durch Reibung und die Corioliskraft beein usst. Geostrophischer Wind: Weht parallel zu den Isobaren im Kräftegleichgewicht. Turbulenzen: Entstehen durch Verwirbelungen in der Luft. Globale Zirkulation und Klimazonen Drei-Zellen-Modell: Beschreibt die globale atmosphärische Zirkulation mit Hadley-, Ferrel- und Polarzellen. Innertropische Konvergenzzone (ITCZ): Zone, in der Passatwinde zusammentreffen. Wendekreiswüsten: Entstehen durch absinkende Luftmassen. Land-Klima-Interaktion Treibhausgase: CO2, Methan (CH4) und Distickstoffoxid (N2O) beein ussen die Energiebilanz der Erde. Global Warming Potential (GWP): Index zur Messung der Infrarotabsorption eines Gases im Vergleich zu CO2. Kohlenstoffkreislauf: Ökosysteme können je nach Jahreszeit CO2 aufnehmen oder freisetzen. Energiebilanz: Die Energiebilanz wird durch kurzwellige und langwellige Strahlung sowie turbulente Flüssebeein usst. Wasserdampf, Wolken und Niederschlag Wasserdampf: Ein wichtiges Treibhausgas und wesentlich für den Wasserkreislauf. Sättigungsdampfdruck: Der maximale Wasserdampfdruck bei einer bestimmten Temperatur. Wolkenentstehung: Durch Aufsteigen von Luft, Abkühlung und Kondensation an Aerosolen. Wolkengattungen: Hohe, mittelhohe, tiefe und vertikale Wolken. Niederschlag: Entsteht durch Diffusions- und Koagulationswachstum von Wolkenpartikeln. Statik und Thermodynamik der Atmosphäre Hydrostatisches Grundgesetz: Der Druck entspricht dem Gewicht der darüber liegenden Luftsäule. Barometrische Höhenformel: Beschreibt die Druckabnahme mit der Höhe. Thermodynamik: Energieerhaltung und Umwandlung. Adiabatische Prozesse: Prozesse ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung. Potentielle Temperatur: Hilft beim Vergleich des Wärmegehalts von Luftmassen in unterschiedlichen Höhen. Thermodynamische Diagramme: Veranschaulichen die Temperatur- und Feuchteverhältnisse der Atmosphäre. Synoptische Meteorologie Synoptik: Beschäftigt sich mit großräumigen Wetterzuständen und deren Entwicklung. Tiefdruckgebiete: Gebiete mit aufsteigender Luft und Bewölkung. Hochdruckgebiete: Gebiete mit absteigender Luft und geringer Bewölkung. fl fl fl Fronten: Kaltfronten, Warmfronten und Okklusionen, die unterschiedliche Wetterlagen verursachen. Tiefdruckrinnen: Langgestreckte Zonen mit niedrigem Luftdruck. Hochdruckbrücken: Verbindungen zwischen Hochdruckgebieten. Großwetterlagen: Bestimmen den allgemeinen Wettercharakter eines Gebietes. Ozeanographie Ozeanzirkulation: Umfasst windgetriebene und thermohaline Zirkulation. AMOC (Atlantic Meridional Overturning Circulation): Umwälzbewegung im Atlantik, die warmes Wasser nach Norden transportiert. Tiefenwasserbildung: Findet vor allem im Nordatlantik statt. Messmethoden: Umfassen CTD-Sonden, ADCPs, Verankerungen, Drifter und Floats. Klimaentwicklung und Klimawandel Natürliche Klimavariabilität: Umfasst Plattentektonik, Vulkanausbrüche, Milanković- Zyklen und Sonnen eckenaktivität. Anthropogener Klimawandel: Verstärkte Erwärmung durch Treibhausgasemissionen. IPCC: Berichte zur Klimaentwicklung und Vorhersagen für die Zukunft. RCPs und SSPs: Beschreiben zukünftige Szenarien für Emissionen und sozioökonomische Entwicklungen. Attributionsforschung: Ermittelt den Ein uss des Klimawandels auf Extremereignisse. Geoengineering Solar Radiation Modi cation (SRM): Versucht die Sonneneinstrahlung zu reduzieren. Stratospheric Aerosol Injection (SAI): Ein möglicher Ansatz zur Kühlung der Erde. Klimakipppunkte: Kritische Punkte im Klimasystem, deren Überschreitung irreversible Veränderungenverursachen kann. Termination Shock: Plötzliches Beenden von SRM könnte zu schnellem Temperaturanstieg führen. Klimaschutz Internationale Abkommen: Montreal-Protokoll, Kyoto-Protokoll und Pariser Abkommen. Nationale Maßnahmen: Gesetze und Ziele zur Reduktion von Treibhausgasemissionen. Klimaschutz auf kommunaler Ebene: Maßnahmen zur Emissionsminderung.. Grundlagen und De nitionen Unterschied zwischen Wetter und Klima: Wetter: "Der augenblickliche Zustand der Atmosphäre an einem Ort, wie er durch die Klimaelemente (Strahlung, Temperatur, Luftfeuchte, Niederschlag, Wind, u.a.) gekennzeichnet ist." Klima: "Die Synthese des Wetters über einen Zeitraum, der lange genug ist, um dessen statistische Eigenschaften bestimmen zu können." Es ist ein "größerer Raumbezug als das Wetter" und "ändert sich sehr langsam". Mark Twain: "Climate is what we expect, weather is what we get.” Klima umfasst auch Wahrscheinlichkeiten und Extremwerte. fl fi fi fl Referenzzeitraum für das Klima: 30 Jahre (z.B. 1931-1960, 1961-1990, 1991-2020). Aktuell be nden wir uns im Bezugszeitraum 2021-2050. Klimaelemente: Lufttemperatur, Luftfeuchte, Luftdruck, Wind (Richtung und Geschwindigkeit), Niederschlag, Strahlung (Wellenlänge). Atmosphäre: Wettergeschehen ndet in der Troposphäre statt. Zusammensetzung: 78% Sticksto , 21% Sauersto , 0.9% Edelgase, 0.1% Spurengase (wichtig für Energiebilanz). 2. Strahlung und Thermische Zirkulation Schwarzer Körper: Ideale thermische Strahlungsquelle, Grundlage für theoretische Betrachtungen. Geprägt von Gustav Kirchho (1860). Plancksches Strahlungsgesetz: Beschreibt die Energieabgabe eines schwarzen Körpers pro Wellenlängeneinheit in Abhängigkeit der Temperatur. Formel: λ = (2ℎ ^2/λ^5) * (1/(e^(ℎ /λ )−1)) (vereinfachte Darstellung in den Unterlagen vorhanden) Emissivität: Eigenschaft von Körpern, Strahlung abzugeben (0 ≤ ελ ≤ 1). Natürliche Ober ächen haben Emissivitäten nahe 1. Kirchho sches Gesetz: "Ein Körper, der bei einer bestimmten Wellenlänge nicht absorbiert, kann auch nicht emittieren." Atmosphärisches Fenster: Wellenlängenbereich, in dem die Strahlungsabsorption durch Wasserdampf, Ozon und CO2 gering ist (8-12 µm). Die Zunahme klimawirksamer Gase kann das atmosphärische Fenster verkleinern, was zur Erderwärmung beiträgt. Thermische Zirkulation: Entsteht durch unterschiedliche Erwärmung von Ober ächen (z.B. Land und Wasser). Führt zu Druckunterschieden und Ausgleichsströmungen (z.B. Land- und Seewind). Land erwärmt sich schneller als Wasser. Luftdruck am Land nimmt durch Erwärmung zu. Ausgleichsströmung zum Meer, Luft kühlt ab. Absinken führt zu lokalen Tief und landeinwärts gerichteten Wind (Seewind). 3. Corioliskraft und Wind Druckgradientkraft: Antrieb von Wind durch Druckunterschiede. Luft bewegt sich von höherem zu tieferem Druck. Formel: = − / * (∆ /∆ ) Corioliskraft: Beein usst großräumige Windbewegungen. fl ff 𝐵 𝐹 𝑚 fl 𝑐 𝜌 fi 𝑝 fi 𝑥 ff ff 𝑐 𝑘 𝑇 ff fl Lenkt den Wind auf der Nordhalbkugel nach rechts ab. Führt zu Windbewegung entlang von Isobaren (Linien gleichen Drucks), nicht senkrecht dazu. Führt zu unterschiedlichen Drehrichtungen in Hoch- (antizyklonal, Uhrzeigersinn) und Tiefdruckgebieten (zyklonal, Gegenuhrzeigersinn). Windmessung: Luftdruck wird in Hektopascal (hPa) oder Torr gemessen (1 hPa ≈ 0,75 Torr). Windrichtung: Richtung, aus der der Wind kommt (Nordrichtung 0°, Osten 90°, Süd 180°, West 270°). Windgeschwindigkeit: m/s (SI-Einheit), km/h, Knoten (kn), Beaufort (B). Windstärke nach Beaufort: 1 m/s = 0.836 * B^(2/3) (Näherungsformel) Dreidimensionaler Wind: Zonaler Wind (u): Westwind (u>0), Ostwind (u0), Nordwind (v0), Absinken (w

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