Einführung in die Meteorologie I + II - Modul 110, Lehreinheiten 111+211 Clemens Simmer
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Einführung in die Meteorologie I + II Modul 110, Lehreinheiten 111+211 Clemens Simmer
Organisatorisches
• Zur Vorlesung:
– Einführung in die Meteorologie I
– Modul 110, Lehreinheit 111, 6 LP (Lehreinheit 211, 2 LP, im SS)
– Leistungsschein i.a. nur für Gesamtmodul (111+211)
• erfolgreiche Abgabe von Übungen (>50%)
• erfolgreiche Klausur (>50%)
• Noten nur auf der Basis der Klausurergebnisse
• Klausur (Teil 111): 30.1.2020, 12-14 Uhr (letzte Vorl.)
• Nachklausur nach Lehreinheit 211: für 111 oder 211 oder beide
– Vorlesungstermine: Di + Do, 12:15 – 13:45
– Anleitungen zu den Übungen in der Vorlesung
– Abgabe aller Übungen der jew. Woche am Di der folgenden Woche
– 6 LP entspricht ca. 8 Stunden/Woche zusätzlich zur Vorlesung
• Tutorien (Armin Blanke, Tobias Scharbach)
– Hilfe bei Verständnis der Vorlesung
– Unterstützung bei den Übungen und Programmieren
– Termine: nach Vereinbarung
• Vorlesungsmaterial
– Kraus: Die Atmosphäre der Erde
– Roedel: Physik unserer Umwelt – Atmosphäre
– Kopien/Präsentation:
www2.meteo.uni-bonn.de/lehre/met110 2
Was ist Meteorologie?
Meteor = „das in der Luft Befindliche“
„Meteorologie“ von Aristoteles (384-322 B.C.) behandelt die
Naturphänomene zwischen Erde und Himmel.
Meteorologie
untersucht die Mechanismen, die die Atmosphäre in ihrem
Bewegungszustand halten,
und entwickelt Modelle,
um diesen zu beschreiben,
seine Vergangenheit zu erschließen
und seine zukünftige Entwicklung vorherzusagen.
3
Meteorologie ist
die Lehre von den
physikalischen und
chemischen Vorgängen in
der Atmosphäre
einschließlich ihrer
Wechselwirkungen mit
den anderen
Komponenten des
Klimasystems und dem
Weltraum.
Atmo-
sphäre Biosphäre
Hydrosphäre
Klima ist die Statistik des
Wetters und ein wichtiger Teil
Kryosphäre Lithosphäre
der Meteorologie.
Simulation Lokalmodell des DWD., Felix Ament2002
4
Ziele der Meteorologie als Disziplin
Forschung: Umfassendes Verständnis für Zustand der
Atmosphäre und die Mechanismen, die sie in ihrem Zustand
einschließlich ihrer Bewegung hält
+
Anwendung: Transfer des Verständnisses in Modelle, die die
Entwicklung von Wetter und Klima quantitativ beschreiben
(Vorhersagemodelle)
Hilfsmittel: Mathematik+Physik+Chemie+Informatik+Biologie+…
→ Grundprinzipien (z.B. Gesetze von Newton, Planck etc.) und
deren Übertragung auf Atmosphäre, z.B. Navier-Stokes-
Gleichung, Strahlungstransportgleichung (Physik)
→ Beschreibung der Wechselwirkungen Atmosphäre –
Erdoberfläche (Bodenkunde, Pflanzenphysiologie)
→ Messungen und deren Interpretation (Fernerkundung)
→ Integration von Wissen in Modelle (numerische Mathematik)
z.B. Wettervorhersagemodelle, Klimamodelle,
Schadstoffausbreitungsmodelle,…
→ Entwicklung von Vorhersagesysteme (Integration von
Beobachtungen in Modelle (Mathematik, Informatik, Statistik)
5
Aktuelle Forschungsschwerpunkte
• Für wie weit im Voraus kann man das Wetter vorhersagen, und wie
können wir diese Periode weiter verlängern?
• Wie kann man die immer vorhandene Unsicherheit der
Wettervorhersage (weil die Atmosphäre ein chaotisches System
ist) vorhersagen?
• Wie beeinflusst welches Aerosol die Bildung und den Lebenszyklus
von Wolken und Niederschlag und damit deren Vorhersagbarkeit?
• Wie war das Klima/Wetter der Vergangenheit, aus der noch keine
Instrumentenbeobachtungen vorliegen?
• Wie und warum verändert sich das Klima mit der Zeit – natürlich,
und durch den Menschen?
• Wie können wir der anthropogenen Klimaerwärmung wirksam und
ohne Nebenwirkungen entgegenwirken?
• Wie lassen sich extreme (seltene) Wetterereignisse besser
vorhersagen
• …
6
Teilgebiete der Meteorologie
Meteorologie wird umfassend unterteilt nach
1. Allgemeine Meteorologie (Grundgesetze und Phänomene)
2. Theoretische Meteorologie (Hydrodynamik, Thermodynamik,
Strahlungstransport, Turbulenztheorie)
3. Experimentelle Meteorologie (Messungen und Experimente in der
Atmosphäre, auch mit numerischen Modellen)
4. Angewandte Meteorologie (gezielte Nutzung meteorologischer
Erkenntnisse, z.B. Wettervorhersage)
Meteorologie wird auch unterteilt nach spezifischen Räumen
- Aeorologie (höhere Luftschichten)
- Aeronomie (speziell die Hochatmosphäre)
- Grenzschicht-Meteorologie (bodennahe Luft bis ca 2 km)
- Mikrometeorologie (unterste m)
- Maritime, Alpine, Glaziale, Polare, Mittlere Breiten und Tropische Meteorologie
(Meteorologie über bestimmten Regionen)
- …
Meteorologie wird auch unterteilt …
...nach spezifischen Raumskalen (z.B. Meso-, regionale, Mikro-Meteorologie)
...nach experimentellen Techniken (Satelliten-, Radar-, Lidar-Meteorologie)
...nach anderen Gesichtspunkten (Energetik, Allgemeine
Zirkulation, Wolkenphysik,...) 7
Allgemeine Ziele dieser Vorlesung
• Überblick über die Meteorologie
• Anleitung zum „meteorologischen Denken“
• Lösung einfacher Probleme der Atmosphärenphysik
• Erlernen der „Meteorologensprache“ (barotrop, stabil
geschichtet, adiabatische Bewegung, Strahlungsbilanz,
Treibhauseffekt, Reduktion auf NN, geostrophischer Wind,
Coriolisbeschleunigung, Rossby-Wellen, Konvektion, fühlbare
und latente Wärme, Datenassimilation,…
• Voraussetzungen
– Interesse an atmosphärischen Vorgängen (Wetter und Klima)
– gute mathematische und physikalische Grundlagen (…
zumindest keine Angst vor Mathematik und Physik)
– ausreichend Zeit für die Befassung mit den Hausübungen
8
Konkrete Lernziele Teil 1 (1)
• Woraus besteht die Erdatmosphäre?
• Was genau sind Temperatur, Luftdruck, Luftfeuchte,
Wind, Strahlung und Niederschlag?
• Wie messe ich diese Größen?
• Warum nimmt der Druck mit der Höhe ab?
• Was ist der natürliche und der anthropogene
Treibhauseffekt?
• Warum ist der Himmel blau und die Wolken weiß?
• Wie entsteht der Regenbogen?
• Warum nimmt die Temperatur mit der Höhe meist ab?
• Wie entstehen Wolken, Niederschlag und Gewitter?
9
Konkrete Lernziele Teil 1 (2)
Dabei lernen wir folgende Gesetze/Formeln kennen:
• Zustandsgleichung für ideale Gase p = ρRLTv
dp
• Statische Grundgleichung = −ρg
dz
1
• Erster Hauptsatz der Thermodynamik δ q = c pdT − dp
ρ
dT g
• Adiabatischer Temperaturgradient =−
dz cp
• Strahlungstransportgleichung I(z) = I(z = ∞) exp −σ es
( )
• Energie- und Wasserbilanzgleichung der Erdoberfläche
Q = H + LE + B
dS
P = R + E +
dt 10Konkrete Lernziele Teil 2 (1)
• Warum bewegt sich die Luft vom hohen zum tiefen
Druck, aber warum weht der Wind auf der Wetterkarte
parallel zu den Isobaren?
• Warum weht der Wind in Bodennähe anders als in der
Höhe?
• Was treibt die großräumige Luftzirkulation der Erde an
wie die Passate, Monsune, Hurrikane, Tiefs- und Hochs
etc.?
• Wie entstehen unsere Hoch- und Tiefdruckgebiete, und
was steuert ihre Zugbahnen?
• Wie macht man eine Wettervorhersage?
11Konkrete Lernziele Teil 2 (2)
Dabei lernen wir folgende Gesetze/Formeln kennen:
d ρ ! !
• Kontinuitätsgleichung = −ρ∇ ⋅ v
dt
• Navier-Stokes Gleichung
!
dv 1! ! ! ! 1!
= − ∇p − gk − 2Ω × v + ∇ ⋅ τ
dt ρ ρ
! 1 ! !
• Geostrophische Windgleichung vg = k × ∇H p
ρf
• Vorticity-Gleichung
dη ! ! ⎛ ∂w ∂v ∂w ∂u ⎞ 1 ⎛ ∂ρ ∂p ∂ρ ∂p ⎞
= − η ∇h ⋅ v h − ⎜ + ⎟+ 2 ⎜ + ⎟
dt ⎝ ∂x ∂z ∂y ∂z ⎠ ρ ⎝ ∂x ∂y ∂y ∂x ⎠
12Gliederung der Vorlesung
Einführung in die Meteorologie I (met110/111), 4 SWS, 6 CP
0 Allgemeines
I Einführung (Mathematik, Grundgleichungen, Skalen)
II Zusammensetzung und Aufbau der Atmosphäre
III Strahlung
IV Meteorologische Variable (Druck, Temperatur, Feuchte, Wind)
V Thermodynamik der Atmosphäre (Stabilität der Atmosphäre,
Konvektion, Wolkenbildung, Niederschlagsbildung)
--------------------------------------------------
Einführung in die Meteorologie II (met110/211), 2 SWS, 2 CP
VI Dynamik der Atmosphäre (Grundgleichungen, Strömungsformen)
VII Synoptische Meteorologie (Beobachtungssysteme, Wetterkarten,
Entwicklung von Hoch- und Tiefdrucksystemen, Wettervorhersage)
13Studium der Meteorologie
Bachelor/Master in Meteorologie
Studien-begleitende Prüfungen
Kreditpunktesystem (ECTS)
1.– 6. Semester Bachelor of Science für Meteorologie
(Vorstufe Master)
- berufsqualifizierend
- Grundlagen Physik und Mathematik,
Einführung in die Meteorologie, erste
Kurse in Dynamik, Synoptik und
Fernerkundung, 3 monatige Bachelorarbeit
7.-10. Semester Master of Science for Physics of Earth and
Atmosphere (Meteorologie + Geophysik)
- i.a. notwendig für ein Promotionsstudium
- zusammen mit Universität zu Köln
14Institut für Geowissenschaften – Abt. Meteorologie
seit 1961
seit 2010
Auf dem Hügel 20 Meckenheimer Allee 176
Permanente Stellen Drittmittelförderung
Professuren 3(+1) Sekretariat 2x½
Assistenzprofessuren 3 Postdocs ca. 15
Wissenschaftler 1 Doktoranden ca. 30
Ingenieur 1
Sekretariat 2x½ Studenten
Bibliothek ¾ insgesamt ca. 100
Computertechnik 1
Messtechnik 1
15Arbeitsgruppen
Klima- Allgemeine und Theoretische
dynamik Experimentelle Meteorologie Meteorologie
Prof. Dr. Andreas Hense Prof. Dr. Clemens Simmer Prof. Dr. Andreas Bott
Dr. habil. Petra Friedrichs Dr. habil. Silke Trömel Michael Langguth
Klimadynamik, Strahlung, Fernerkund., Synoptik, Wolkenphysik,
Paläoklima, Statistik mesoskal. Modellierung Atmosphärenchemie
Integrierte Modellierung
Terrestrischer Systeme
Prof. Dr. Stefan Kollet
Wechselwirkungen
Land-Atmosphäre,
Hydrologie
16Organisatorische Einbindung des Meteorologie (1)
Rheinische Friedrich-Wilhelms-
Universitäten Universität Bonn
Rechts-
und Mathematik und Agrarwiss
7 Fakultäten … Staatswi Naturwissen- en--
schaften
…
ss. schaften
schaften
Erd-
Mathem
8 Fachgruppen … Physik wissen-
schaften
atik
…
Institut für
2 Institute Geo-
graphie
Geowissen-
schaften
Geochemie Paläon-
5 Abteilungen Geophysik Meteorologie Geologie /Petrologie tologie
Allgemeine und Theoretische Klima- Integrierte
4 Lehrstühle Experimentelle
Meteorologie
Meteorologie dynamik Modellierung
17Organisatorische Einbindung der Meteorologie (2)
Institut für Physik der Erde
und Atmosphäre
(iPEAP, Institute Institut für
Geowissen-
for the Physics Meteorologie
Institut für
schaften
Geophysik und Meteorologie
of Earth and Meteorologie
Universität Bonn
Universität Köln
Atmosphere
Processes) Geophysik
Institut für
Institut für
Geowissenschaften
Geophysik und
Geophysik
Meteorologie
Universität Bonn
Universität Köln
Gemeinsamer
Master-Studiengang
„Physik der Erde und Atmosphäre“
18Organisatorische Einbindung des Meteorologie (3)
www.geoverbund-abcj.de
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