UI12 Wädenswil Metrologie FS13
Metrologie
Metrologie
Wasser-Quelle für die Atmosphäre
Verdunstung (kann in latenter Wärme
ausgedrückt werden), am höchsten in den
Subtropen (absinkender Ast der
Hadleyzelle) und klein in den hohen Breiten
quasi-periodische Prozesse
nicht perfekt periodisch: sie kombinieren
mehrere Frequenzen; z.B. Sonnenzyklus
(aktivitätszylus schwankt zw. 7 u. 17
Jahren)
Aperiodische Prozesse
haben gar keine Periode: sie können nicht
mit einer wiederkehrenden Eigenschaft
(Zyklus) erklärt werden. Die angegebene
Frequenz kann in diesem Fall eher als Mass
für ihre „Lebenserwartung“ verstanden
werden.
Externe Forcing (Antrieb Mechanismen) (4)
Klimasystem hat keinen Einfluss auf die
Quelle der Änderung; a) Laufbahn der Erde
(saisoniale und langjährige Zeitskala), b)
Sonnenaktivität (Sonnenflecken), c)
vulkanische Aktivität, d)anthropogene
Einflüsse (Co2-ausstoss, Abholzung, Ozon,
Aerosol,...)
Interne (stochastische) Mechanismen
Klimasystem wirkt auf die Quelle der
Änderung zurück; =Klimavariationen, die
nur auf den Wechselwirkungen der
unterschiedlichen Systemkomponenten
beruhen (Athmosphäre, Litho-, Hydro-,...)
Sonnenflecken
=magnetische Stellen auf der Sonnenoberfläche; etwa
10000km breit; dunkle Flecken, weil kühler als der
Rest der Oberfläche + weniger sichtbares Licht
abstrahlen; Zahl u. Grösse ist einfachste Mass für die
Sonnenaktivität; Ursache: periodische Änderung im
Magnetfeld der Sonne; bei hoher Sonnenaktivität:
auch Fackeln (=helle, magnetisch bedingte
Strukturen); Leuchtkraft +Energieabgabe grösser bei
hoher Sonnenaktivität; Wegen Fackeln erscheint die
Sonne 0.1% heller bei max. als bei Min.; 11-jähriger
Zyklus; vor 8000 J gleiche aktivität
Erdbahn Parameter (Milankovitch Zyklen)
a) Erdschiefe: Neigung der Erdachse
gegenüber der Laufbahn der Erde
(22.1°-24.5°), b) Exzentrität: Form der
Laufbahn (Ellipse); c) Präzession: die
Orientierung der Erdachse bezüglich der
Vertikalen (Achse, die senkrecht auf
Laufbahn ist)
Erdschiefe
Jahreszeiten; im Frühling und Herbst am meisten Energie
am Äquator;
Exzentrizität
Mass dafür, wie stark eine Ellipse von Kreis abweicht; 2
Hauptperioden von 100 und 400ky; Wegen Exzentrizität
der Erdbahn ist heute die Strahlungsintensität der Sonne im
Wi in der Nordhalbkugel (So im Süden) um 7% stärker als im
So in der Nordhalbkugel (Wi im Süden),bei max. 23% mehr
(klimatische) Präzession
Periphel=nächster Punkt zur Erde, Aphitel=weitester; =
Kreiselbewegung der Rotationsachse der Erde;
zyklus=26000 Jahre; verändert Ausrichtung der Erdachse
(sonnennächster Tag verändert sich)
Vulkanausbruch
injiziert grosse Mengen an
Schwebstoffteilchen und Gase in die
Atmosphäre ->messbarer Effekt auf die
Temp.; wichtigste: Wasserdampf, CO2 und
SO2 (Wasserstoffchlorid
(HCl),Wasserstofffluorid (HF) und Asche =
grosse); Effekt auf die Strahlungsbilanz
hängt davon ab, wie hoch der Ausbruch
reicht
Vulkanausbruch, Effekte von Sulfurdioxid
(SO2)
grösster kurzfristige Effekt Ausbruchs: SO2
kombiniert mit H2O (g) in der Atmosphäre ergibt
Schwefelsäure, die schnell kondensiert und feine
Sulfat-Aerosole erzeugt. Diese reflektieren die
Sonnenstrahlung (erhöhen Albedo) => Abkühlung der
Troposphären und absorbieren die langwellige
Strahlung der Erde => erwärmen Stratosphäre, Effekt
kann 2-3 J. n. Ausbruch andauern; Sulfat-Aerosole:
indirekt für Zerstörung von Ozon; mit der Zeit:
Partikel kleben aneinander und fördern Bildung
Cirrenwolken=> wärmender Effekt
CO2 vs Vereisung
CO2- Konzentration war viel höher vor
500My (erste Lebewesen mit Zellkerne
=>wohl nicht geeignet für menschliches
Dasein :-) ), Eiszeiten entsprechen Perioden
mit tiefen CO2-gehalten (warme Zeiten -
hohe gehalte);
Hat die Erde einen Thermostat?, Was
reguliert CO2, was Temp.?
Vor 5-6 Gj war die Sonne 30% schwächer
und doch hatte es Leben auf der Erde;
Wechselspiel mit CO2 und Temp.?; was
reguliert Temp.?: Konfiguration der Ozeane
(Gateways), Wärmetransport der Ozeane;
was reguliert CO2?=> chem. Verwitterung,
See Floor Spreading, Continental Uplifting,
Gaia Hypothese
Chemische Verwitterung
abhängig von: Temp. (je wärmer, desto
mehr), Niederschlag, Vegetation, Höhe und
Neigung; H2O und CO2 bilden Kohlensäure
H2CO3 => greift Gestein an + zerteilt, so
dass die Komponenten als Ionen vom
Wasser weiter zu Meer transportiert
werden; Je mehr CO2 desto mehr wird
verwittert
Continental Uplifting
beruht sich darauf, dass die chemische
Verwitterung zunehmen sollte, wenn die
exponierte Fläche wächst. Ein solcher Fall
wäre das Zusammenprallen von
Kontinenten als sich die Himalayas gebildet
haben.
Gaia Hypothese
nimmt an, dass die Organismen und ihre
nichtorganische Umwelt eng in ein
komplexes System gebunden sind, das die
nötigen Bedingungen für Leben auf der
Erde aufrechterhalten.
Gateways
Öffnungen zwischen Meeresbecken.
Seefloor Spreading Hypothese
Chemischer Verwitterungszykluss: Vulkane
bringen CO2 in Atmosphäre, Atmosphäre
wärmt sich auf ->nimmt mehr H2O auf =>
chem. Verwitterung nimmt zu (CO2 wird
der Atmosphäre entzogen), C wird durch
Subduktion wieder dort hin gebracht, wo es
durch schmelzen wieder dem Vulkan zur
Verfügung steht. ( :-) Ergänzte Hypothese:
wir geben nun viel CO2 frei, darum haben
wir zur Zeit weniger Vulkanausbrüche :-) )
orbitale Parameter
= Exzentrität, Erdschiefe, Präzession;
wichtig für die Strahlungsverteilung in
Winter und Sommer. Insbesondere
beeinflussen sie das Schmelzen von
Eisschilder oder Gletscher.;
Sensorik
kombination von lokalen Beobachtungen (Wolken, Luftdruck, Wind) für Kurzfristprognose resp. Nowcasting (Gewittererkennung mittels Radar);
Hilfsmittel: Auge, Barometer
Persistenz
Wetter von heute = Wetter von morgen; um den Erfolg der vom Menschen vorhergesagten Prognosen zu berechnen, wird diese mit der Persistenz verglichen
Bodenwetterkarte
beinhaltet Stationsmeldungen und Isobaren (=Linien des gleichen Drucks); Druckverteilung mit Fronten, Bewölkungs- und Niederschlagsgebiete, bes. Wettererscheinungen; dominant:
TIEF-u.Hochdruckgebiete
Höhenwetterkarte
enthält Topografie bestimmter Druckflächen;
(850hPa=1500m: aussage über 2m Höchstemp, weil
Untergrenze der feien Atmosphäre; 700hPa=3km:
verlagerung von grossräumigen feuchtgebieten;
500hPa=5.5-6 km: Steuerungsnivau(=Vorhersage der
Zugrichtung und -geschwindigkeit) von Tief- u.
Hochdruckgebieten); Isohypsen sind eingezeichnet; aus
Daten derRadiosonden und Pilotballone(=ballon ohne
Instrument,lediglich Radarreflektor; erfasst vertikales
Windprofil+best. Wolkenuntergrenze)
Isohypse
werden bei Höhenkarte analysiert;
=Höhenlinie auf der Druckfläche;
doch auch auf Höhenkarten sind die
Tiefs dort, wo die niedrigeren Zahlen
sind - (Tiefs sind tiefer gelegen in der
Atmosphäre?)
Extrapolation
3. Schritt der Wettervorhersage
(vorher: Wetteranalyse,
Verlagerungsgeschwindigkeit und
Intensitätsentwicklung); mit
Vergleichen von älteren Bodenkarte
mit der neuen auf die Zukunft
schliessen
numerische Methode
mathematisch-physikalische
Methode
numerische-theoretische Methode
numerische Wettervorhersage
geht von der Grundidee aus, dass die
zuküftige Entwicklung der Wetterlage
berechnet werden kann mit
1.AUSGANGSZUSTAND,
2.PHYSIKALISCHEN GESETZMÄSSIGKEITEN
UND GLEICHUNGEN; im PC-modell
müssen alle Atmosphärischen Prozesse
brücksichtigt werden
Atmosphärische Prozesse (10)
Luftströmung, Sonnenstrahlung,
Atmosphärenstrahlung, Evaporation
und Wärmeaustausch, Meer,
Bodenabstrahlung, Reibung, Bildung
von Wolken, Gebirgseffekte, Bildung
von Schnee und Regen
numerische Analyse
liefert "bester Anfangszustand der
Atmosphäre" für numerische
Methode; benötigt 7 Variablen (3
Windkomponente: x,y,z=vertikal,
Luftdruck, Lufttemp., Luftdichte,
Luftfeuchte); Messungen sollten am
besten Weltweit und lückenlos sein
Datenassimilation
aus unvollständigen und fehlerhaften
Messdaten der wahrscheinlichste
Ausgangszustand kreiren; Resultat ist
die Numerische Analyse mit dem
besten Anfangszustand der
Atmosphäre auf dem Modellgitter"
physikalische Gleichungen
mit sieben Gleichungen wird ein
Gleichungssystem geschaffen zur
Vorausberechnung der Verteilung der 7
Variablen; teil der numerischen Methode;
Gleichungssystem ist nichtlinear und
muss darum mit iterativ numerischem
Verfahren gelöst werden =>darum
numerische Wettervorhersage
Modellgitter für numerische Methode
ist über die ganze Erde verteilt bis in Höhe
von 11 km; hat Millionen von Gitterzellen; es
gibt jedoch Meteorologische Phänomene, die
räumlich oder zeitlich kleiner sind und
darum nicht explizit berechnet werden
können - diese werden Parametrisiert
(=werden über die mitteleren Grössen
ausgedrückt); je höher die Auflösung, desto
weniger parametrisieren!
Quellen der Unsicherheit bei
(numerischen) Wettervorhersagen
Schmetterlingseffekt (weil Wettersyst. chaotisch
können kl. Störungen schnell wachsen),
ungenauer Anfangszustand der Atmosphäre
(Messungenauigkeit), limitierte Anz.
Beobachtungen (v.a. Meer), Beobachtungen nie
exakt, Modell-Fehler, Fehler in Randbedingungen
(z.B. Schneebedeckung, Veget, Meerestemp.),
Modellauflösung (vereinfachung der Realität -
man weiss nicht, was zwischen den Gitterpunkten
geschieht)
Ensemble Vorhersagen
Modelle reagieren sehr sensitiv auf
die Anfangsbedingungen=> mit 50
leicht veränderten
Anfangsbedingungen gibt es 50
versch. Vorhersagen=>
Eintetenswahrscheinlichkeit kann
abgeleitet werden
Eingrenzung der Unsicherheit (3)
1. Ensemble Vorhersagen, 2.
Variabilität der Ergebnisse der
periodischen Modellberechnungen
berücksichtigen, 3. Variabilität
zwischen den Vorhersagen
verschiedener Wettermodelle
berücksichtigen
MOS
=Model-Output-Statistics; verknüpfung
numerischer Produkte mit
Vorsagephänomen (z.B. Nebel, Gewitter)
durch statistische Beziehungen; zur
Vorhersage von lokalem Wetter;
Zusammenhang zwischen Modellfeldern
und lokalen Wetterphänomen werden mit
Korrelationskoeffizient untersucht; daten
der letzten 5 j.
Klimatologie als Witterungsprognose
durchschnittliches Wetter über x
Jahre am 26. Mai = das Wetter am 26.
mai 2013; z.B. Weihnachtstauwetter;
Integral über das Wetter
Analogfall (kurz- bis
Mittelfristprognose)
bei gleicher Wetterlage gibt es das
gleiche Wetter (Vergl. der Aktuellen
Wetterkarte mit einer möglichst
ähnlichen vergangenen)
Zeitskalen der Prognosen
(Vorhersagezeit): Nowcasting
(=Ultrakurzfristprognose),
Kürzestfristp., Kurzfristp.,
Mittelfristp., Langfristp.
Nowcasting(bis 2 h: Messsyst+NWV lokal),
Kürzestfristp.(bis 12h: Synoptik+NWV
(numerische Wettervorhersagemodelle)
lokal), Kurzfristp.(1-3 Tage: NWV regional+
synoptik), Mittelfristp.(bis 10 T.: NWV global),
Langfristp. (eigentliche Witterungsprognose:
allg. Witterungscharakter, keine einz.
Wetterereignisse; wochen - bis monat: NWV
+Ozan+Klimatologie+Muetitaler
wetterfrösche :-) )
Vorhersagbarkeit (heute+Max.)
max: 2 bis 3 Wochen; heute bis Tag+7 oder
8; alle 10 Jahre steigert man sich um einen
Tag; brauchbar= wenn
korrelationskoeffizient über 0.6 beim
Vergleich von Vorhersage und tats.
eingetretenes Wetter; Zukunft: Steigerung
durch bessere Modellaufläsung
(Verdoppelung der Auflösung sorgt NICHT
für doppelt so gute Prognosen)
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Cartes-fiches
Polarnacht Jet Stream
Tritt nur im Winter auf, wenn es an den
jeweiligen Polen eine Polarnacht gibt; es
gibt nur Ausstrahlung, keine Einstrahlung;
Luftmasse kann sich sehr stark abkühlen
Polarnacht Jet Stream
Tritt nur im Winter auf, wenn es an den
jeweiligen Polen eine Polarnacht gibt; es
gibt nur Ausstrahlung, keine Einstrahlung;
Luftmasse kann sich sehr stark abkühlen
Polarnacht Jet Stream
Tritt nur im Winter auf, wenn es an den
jeweiligen Polen eine Polarnacht gibt; es
gibt nur Ausstrahlung, keine Einstrahlung;
Luftmasse kann sich sehr stark abkühlen
Ageostrophischer Wind (Grafik)
Grafik
Ageostrophischer Wind
spielt sich in grosser Höhe ab: 1) kommen die
Isobaren näher zusammen, nimmt der Druckgradient
zu + v(Geschw) entspricht noch nicht P (Gradientkr)
=> C (Coriolisk) ist noch zu klein => Ablenkung
richtung P, weil kein Gleichgew zw. P+C=> Druckfall
auf der rechten Seite; 2) Gleichgewicht wird gefunden,
v grösser als zuvor, P + C im Gleichgew; 3)
Druckgradient nimmt ab (P < c, v entspricht noch
nicht P => C zu gross) => Ablenkung des Windes
nach Rechts (zur C) => Druckfall auf der linken Seite
Globale Zirkulation (Definition und
Ursachen)
= Allgemeine Zirkulation; fasst die durchschnittl.
Bewegungen und Strömungen der Atmosphäre zusammen;
Ursachen: Differenz in Strahlungsbilanz Tropen - Pole =>
Thermischer Auftrieb, Rotation der Erde => Corioliskraft,
Land-Wasserverteilung, Relief
Hardley Zirkulation
1) Am Äquator steigt Luft auf durch die starke
Erwärmung => tägliche Niederschläge, 2) in oberen
Troposphäre gr. Druckgefälle zur Umgebung =>
Winde Richtung Norden und Süden (=Divergenz); 3)
durch aufsteigende Luft entsteht Bodentief; KEINE
Ablenkung, weil am Äquator C=0; 4)Luft fliesst
bodennah von N+S gegen Äquator (=Passatwinde mit
leichter Ablenkung) => bodennahe Konvergenz
(=ITC), 5) absinkende Luft 30°Breite (=subt. Hoch,
wüstengeb)
ITC (=Innertropische Konvergenzzone)
Entstehung: a)thermisch bed. Aufsteigen
der Luft, b) Bildung Bodentief, c)
Konvergenz der Passatwinde; ITC verschieb
sich, ist abhängig vom Sonnenstand: Im
Sommer wandert sie gegen Norden, im
Winter Richtung Süden
Ferrel-Zelle
= Mittel über mehrere Prozesse (kein Kreislauf); zw
35° und 70° Breite bei der Westwindzone aufgrund
der Corioliskraft; hier stösst polare Kaltluft vor; an
Grenze Kalt- u. Warmluft entsteht die Polarfront=>
Warmluft wird gezwungen auf die kalte aufzusteigen;
Front ist sehr unregelmässig (durchschn. 5 Wellen um
den Globus mit unt. Amplituden, bei 4 bleibt alles
"stehen": Hitzeso 2003); im polaren Bereich überwiegt
thermisch bedingtes Absinken der Luft
(=Kaltlufthoch)
Luftmasse Klassifikation nach Herkunft
Äquatoriale LM (20° Nord bis 20° Süd),
stärkste Sonneneinstrahlung, instabil;
Tropische LM: aus Gebiet mit starker
Subsidenz (Subtrop. Hochdruckgebiete);
Polare LM: Meer + Kontinent zw. 40° und
60°, im So Verschiebung Richtung Pol;
Arktische LM: nur im Winter d. fehlende
Strahlung
Luftmasse Klassifikation nach Temperatur u
Feuchtigkeit
A) nach Temp.:Kalte LM: Luft ist kälter als
Umgebungsluft oder kälter als die
überströmte Oberfläche; Warme LM: das
selbe, nur umgekehrt; B) nach Feuchtigkeit:
MARITIME LM: kommt urspr. vom Meer +
hat mehr Feuchtigkeit; KONTINENTALE LM:
kommt urspr. vom Land , hat weniger
Feuchtigkeit
Warmfront
Warme Luft trifft auf kalte Luft; auf Grund
DICHTEUNTERSCHIED muss warme Luft
aufsteigen => Niederschlag; die Bewölkung
nimmt langsam zu, irgendwann beginnt es
zu regnen
Kaltfront
Kalte Luft trifft auf warme; warme Luft wird
gezwungen aufzusteigen => Bildung von
Wolken und Niederschlägen; es beginnt
schnell und stark zu regnen; nach der Front
feine Bewölkung
Entstehung einer Front
1) Luftmassengrenze liegt über Europa, Grenze ist
wellenförmig; 2) stationäre LMgrenze vorhanden ohne
Verlagerung; 3) beim Blick auf die Höhenkarte
kommen Isobaren immer näher zusammen=> Jet
stream beschleunigt sich => Fallender Druck am
Boden bei der stationären Front; 3) Bodenwind fliesst
zum fallenden Druck; 4) ablenkung nach Rechts
=>Luft im Tief dreht im Gegenuhrzeigersinn; 5)
Bildung einer Welle; 6) Östlich Luft von Süd nach N;
Westlich des Zentrums Luft v. N nach S; 7)Welle wird
stärker; 8)noch ein Tief wird gebildet + neue Welle
Okklusion
= Kaltfront holt die Warmfront auf; hier
sind die intensivsten Niederschläge; sobald
das Tief oklusiert ist löst es sich langsam
auf, weil es sich langsam wieder auffüllt
auch durch die erhöhte Reibung auf dem
Kontinent (ablenkung nach links) wird der
Wind zusätzlich Richtung Tief abgelenkt
Hohe Wolken
Cirrus (ab 5/7 km)
Mittelhohe Wolken
Altus (2-7km)
tiefe Wolken
Stratus
Schichtwolken
stratiform
Quellwolken
Cumuliform
Niederschlag
Nimbus
?
Cirrus
?
Cirrocumulus
kleine Häufchen aus Eis; hohe Schicht
?
Cirrostratus
noch freundlich - sonne kommt noch durch; hohe Schicht
?
Altocumulus (AC)
Mittelhohe Schicht
?
Altostratus
Mittelhohe Schicht, Sonne ist weg, vertikal viel mächtiger
als CS
?
Stratus (ST), eig. Stratusstratus
tiefe Schicht, = Hochnebel
?
Stratocumulus
tiefe Schicht, kam von irgendwo her mit dem Wind, man
kann von Wolke zu Wolke hüpfen
?
Nimbostratus
sehr dicht, gross + dick; geht über mehrere Schichten
?
Cumulus
unten gerade, vertikal entstanden, sind weit auseinander;
mehrere Schichten
?
Cumulonimbus
mehrere Schichten
?
Fönwolke
Wolken an der Warmfront
vor dem "Warmfronteinfluss" Schönwetterwolken
(=Cumulus); dann treten 1. Cirren, 2. Cirrostratus, 3.
Altostratus, 4. Nimbostratus auf im Warmluftsektor;
Im Polarluftsektor treten Stratocumulus auf während
im Warmluftsekt. AS sind und kurz bevor es zu
regnen beginnt (NS) hats im polarluftsektor noch
Stratus (=Hochnebel); allg: wolkenbasis sinkt langsam
ab; Niederschlag (andauernd oder Nieselregen) setzt
erst vor der Front ein, Durchzug dauert 1 Tag bis
mehrere Stunden und das "Frontwetter" hat Einfluss
auf 1000km Distanz gleichzeitig
Wolken an der Kaltfront bei einer stabilen
Warmluft
KF kündigt sich kurz vorher an; Hebung an der Front
intensiver; kurze, schauerartige Niederschläge;
Rückseitenwetter: flockige Struktur auf dem Satelitenbild;
AltoCumulus, AltoStratus, StratoCumulus, Stratus,
Nimbostratus, Altocumulus
Wolken an der Kaltfront bei UNstabiler
Warmluft
z.T. mit Gewitter; im Sommer z.T. intensiv
Okklusion
Charistiken der W- u Kaltfront; Am Okklusionspunkt ist der
Regen am intensivsten
Radiosondierung
Ballon (unten 2m durchmesser, bei 35 km
25m Durchmesser, aus Latex), Fallschirm,
Messgerät; für Meterologie ist nur bis
Tropopause wichtig (13km); 700
Sondierungen weltweit;
windgeschwindigkeit kann durch
Radarverfolgung gemessen werden;
gemessen wird: Temp, Taupunkt,
Windrichtung und -geschwindigkeit
Adiabatische Prozesse (Energie, Temp)
a)es wird keine Energie zu- oder abgeführt,
b)beim Aufstieg des Luftpakets sinkt die
temp. auf Grund des abnehmenden
Luftdrucks (die Luftmoleküle haben mehr
Platz=> bewegen sich langsamer d.h.
kinetische Energie kleiner=> tiefere temp),
bei Abstieg nimmt sie zu, c)Vorgang ist
reversibel
Trockenadiabatischer Prozess
1°C temperaturverlust pro 100 Meter;
Konstanter Wert in allen Höhen für alle
(Boden-)Temp.
Feuchtadiabatischer Prozess
ca. 0.6 Grad kälter pro 100 Meter; kein
Konstanter Wert, denn bei der
Kondensation von Wasser wird Wärme frei:
bei +30° sind es darum nur 0.3°
100m (warme Luft hat viel H2O das
kondensieren kann); bei -30° sind es 0.9
100m: schon fast trockenadiabatischer
Proz
