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2022 | Buch

Atmosphärendynamik

verfasst von: Prof. Dr. Ulrich Achatz

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

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Über dieses Buch

Dieses Lehrbuch richtet sich an Studierende der Meteorologie sowie an Forschende zu theoretischen und numerischen Aspekten von Wetter und Klima. Der vorliegende Text konzentriert sich auf das Wesentliche und bleibt dabei gleichermaßen gründlich. Alle zum Verständnis notwendigen physikalischen Konzepte werden eingeführt.

Einleitend erfolgt eine Herleitung der Grundgleichungen der Atmosphärendynamik. Diese werden nachfolgend herangezogen, um wesentliche Aspekte von Wetter und Klima zu erläutern, zu denen unter anderem die Mechanismen hinter den wirbelartigen Bewegungen auf der täglichen Wetterkarte gehören. Als Mittel zu einer effizienten Analyse von atmosphärischen Wellen folgt die Vereinfachung der Dynamik mithilfe der Flachwassergleichungen. Daraufhin wird unter Zuhilfenahme der quasigeostrophischen Theorie das Auftreten extratropischer Wettersysteme begründet. Dem schließt sich eine ausführliche Betrachtung der globalen atmosphärischen Zirkulation an, die maßgeblich dem Einfluss durch Rossby- und Schwerewellen unterliegt. Auch die spezifischen Eigenschaften der atmosphärischen Grenzschicht werden diskutiert. Im Mittelpunkt steht hier die Wechselwirkung zwischen Turbulenz und mittlerer Strömung.

Im Zuge der Betrachtungen wird die Leserschaft mit wesentlichen theoretischen Konzepten des Gebiets vertraut gemacht. Hierzu zählen Entropie und potentielle Temperatur, potentielle Vorticity, Instabilitätstheorie, Reynoldsgleichungen, Mehrskalenasymptotik, WKB-Theorie, Wellenwirkung, Eliassen-Palm-Fluss, transformiertes Eulermittel, kritische Schichten, Wellenbeugung und vieles mehr.

Der Text wird durch Anhänge zu mathematischen Methoden und weiteren Vertiefungen ergänzt. Kapitelzusammenfassungen helfen, den Blick auf das Wesentliche zu bewahren. Ergänzende Leseempfehlungen regen dazu an, das erworbene Wissen zu vertiefen und zu erweitern.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
Kapitel 1. Die Grundgleichungen der atmosphärischen Bewegungen
Zusammenfassung
Ziel dieses Kapitels ist die Ableitung der Grundgleichungen, welche die Prognose von Wind und Dichte aus vorgegebenen entsprechenden Anfangsbedingungen und bekannten Verteilungen des Drucks ermöglichen. Die Grundgleichungen für die Vorhersage des Druckfelds werden später als prognostische Gleichungen für die Temperatur und die thermodynamische Zustandsgleichung bereitgestellt.
Ulrich Achatz
Kapitel 2. Elementare Thermodynamik und Energetik der trockenen Luft
Zusammenfassung
Im vorigen Kapitel wurden die Gleichungen zur Vorhersage von Wind (Impulsgleichung) und Dichte (Kontinuitätsgleichung) abgeleitet. Die noch offene Größe, mit der die Gleichungen erst gelöst werden können, ist der Druck. Die Prognostik index Drucks ist demnach die Zielsetzung dieses zweiten Kapitels. Zu diesem Zweck wird eine prognostische Gleichung für die Temperatur abgeleitet. Unter Verwendung der Zustandsgleichung der Luft kann dann aus Dichte und Temperatur der Druck ermittelt werden. Weitere wichtige Konzepte, die wir auf diesem Weg kennenlernen werden, sind die der Wärme und der Entropie.
Ulrich Achatz
Kapitel 3. Elementare Eigenschaften und Anwendungen der Grundgleichungen
Zusammenfassung
Nach der Herleitung der Grundgleichungen der Atmosphärendynamik (für trockene Luft) in den beiden vorhergehenden Kapiteln sollen nun erste Eigenschaften und Anwendungen diskutiert werden. Dazu werden zunächst grundlegende Erhaltungssätze diskutiert. Im Weiteren wird die sinnvolle Näherung in Form der primitiven Gleichungen eingeführt. In dieser Näherung werden abschließend balancierte Strömungen betrachtet
Ulrich Achatz
Kapitel 4. Die Wirbeldynamik
Zusammenfassung
Wirbelartige Strukturen, wie sie jedem von der täglichen Wetterkarte bekannt sind, aber auch z. B. im vorherigen Kapitel diskutiert wurden, sind ein allgegenwärtiges Phänomen der Atmosphäre. Entwicklung und Vergehen atmosphärischer Wirbel werden durch einige zentrale Sätze beeinflusst, die für die ganze Atmosphärendynamik zentral sind. Im Studium wichtiger Eigenschaften wie Vorticity, Wirbelstärke, Zirkulation und potentieller Vorticity folgen sie direkt aus den zuvor abgeleiteten Grundgleichungen. Auch in der Näherung der primitiven Gleichungen gibt es äquivalente Eigenschaften.
Ulrich Achatz
Kapitel 5. Die Dynamik der FlachwassergleichungenFlachwasserdynamik|(
Zusammenfassung
Eine einfache Näherung der dynamischen Gleichungen der Atmosphäre, anhand derer sich aber bereits wesentliche Fragestellungen und Methoden studieren lassen, sind die Flachwassergleichungen. In ihrem Rahmen soll zunächst das Konzept der quasigeostrophischen Näherung bearbeitet werden, und es sollen einige wichtige allgemeine Wellentypen eingeführt werden. Schließlich soll auch die Frage diskutiert werden, wie sich die Atmosphäre dem geostrophischen Gleichgewicht anpasst.
Ulrich Achatz
Kapitel 6. Die quasigeostrophische Dynamik der geschichteten Atmosphäre
Zusammenfassung
Die Flachwassergleichungen gelten streng genommen nur unter Bedingungen, die mit der Atmosphäre schlecht in Einklang zu bringen sind. Sowohl die Annahme einer konstanten Dichte als auch die verschwindender Vertikalgradienten im Horizontalwind sind nicht realistisch. In diesem Kapitel werden sie nun fallen gelassen. Anstatt aber die barokline Atmosphäre in voller Allgemeinheit zu behandeln, konzentrieren wir uns weiterhin auf die synoptischen Skalen und leiten die entsprechende quasigeostrophische Theorie ab. Diese wird uns in die Lage versetzen, die vertikale Struktur und vertikale Ausbreitung von Rossby-Wellen zu beschreiben und darüber hinaus auch die Entstehung des extratropischen synoptischskaligen Wetters aus der baroklinen Instabilität.
Ulrich Achatz
Kapitel 7. Die planetare Grenzschicht
Zusammenfassung
Während bisher die Dynamik der freien Atmosphäre im Zentrum stand, in der Reibungsprozesse keine zentrale Rolle spielen, wenden wir uns nun der planetaren Grenzschicht zu, in der dies grundlegend anders ist.
Ulrich Achatz
Kapitel 8. Die Wechselwirkung zwischen Rossby-Wellen und mittlerer Strömung
Zusammenfassung
Zentrale Fragen im Studium der globalen Zirkulation sind die folgenden:
  • Ob und ggf. wie wird die mittlere Strömung durch atmosphärische Wellen beeinflusst, wie z. B. Schwerewellen oder Rossby-Wellen.
  • Wie andererseits beeinflusst die mittlere Strömung wiederum die Wellen?
Ulrich Achatz
Kapitel 9. Die meridionale Zirkulation
Zusammenfassung
Das bis zu diesem Punkt zusammengetragene Wissen zur Dynamik der Atmosphäre im Allgemeinen und zur Welle-Grundstrom-Wechselwirkung im Speziellen soll nun für eine Diskussion der Mechanismen der allgemeinen Zirkulation der Atmosphäre verwendet werden.
Ulrich Achatz
Kapitel 10. Schwerewellen und ihr Einfluss auf die atmosphärische Strömung
Zusammenfassung
In führender Ordnung kann die troposphärische Strömung auf der synoptischen und planetaren Skala als Wechselwirkung zwischen einem zonalen Mittel und Rossby-Wellen verstanden werden. In der Stratosphäre oberhalb der Tropopause und besonders in der Mesosphäre oberhalb der Stratopause bei ca. 50 km Höhe jedoch sind Schwerewellen ein Faktor, der nicht ignoriert werden kann.
Ulrich Achatz
Kapitel 11. Anhänge
Zusammenfassung
Die Vektoranalysis ist ein wichtiges Werkzeug der Strömungsmechanik. Hier seien einige wichtige Elemente zusammengefasst.
Ulrich Achatz
Backmatter
Metadaten
Titel
Atmosphärendynamik
verfasst von
Prof. Dr. Ulrich Achatz
Copyright-Jahr
2022
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-63780-7
Print ISBN
978-3-662-63779-1
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-63780-7