Meteorologie und Klimatologie

Die Meteorologie zählt zum Kreis der Geowissenschaften, also jener Wissenschaften, deren Forschungsgegenstand die Erde ist. Weitere Mitglieder dieser Familie sind die Geologie, Geophysik, Ozeanographie, Geographie.

Die Atmosphäre unserer Erde gleicht einer großen Wärmekraftmaschine. Ihre Hauptheizfläche ist die Erdoberfläche in den Tropen, wo die Strahlungsvorgänge ständig mehr Wärme zu- als abführen, ihre Kühlflächen sind die Polargebiete, wo hingegen mehr Wärme abgestrahlt als zugestrahlt wird. Die Wärmezufuhr geschieht dabei durch die Absorption der Sonnenstrahlung, der Wärmeverlust dagegen dadurch, daß das erwärmte System Erde-Atmosphäre Wärme durch langwellige Ausstrahlung an den Weltraum abgibt. Von großer Bedeutung für diese Prozesse ist die chemische Natur unserer Lufthülle. Auch wenn Luft scheinbar nichts wiegt, ist es insgesamt doch eine gewaltige Menge Materie, die unseren Planeten als Atmosphäre umgibt. Bei einem mittleren Luftdruck von p = 1013,3 hPa = 1,0133 · 10⁵ N/m² und einer Erdoberfläche von A = 510,1 Mio. km² ergibt sich gemäß F_g = m · g = p A eine Atmosphärenmasse von 5,27 · 10¹⁵ t oder 5270 Billionen t. Das entspricht 1,03 × 10⁷ t/km² bzw. 1,03 kg/cm².

Strahlung ist eine Energie in Form elektromagnetischer Wellen (Abb. 3.1), die zu ihrer Ausbreitung keines Mediums bedarf. Auf diese Weise wird verständlich, wieso die Sonnenstrahlung durch den praktisch luftleeren Weltraum zur Erde gelangen kann. Die für die Meteorologie wichtigste Strahlungseinheit ist die Bestrahlungsstärke E. Sie ist definiert als die Strahlungsenergie δQ, die pro Zeiteinheit dt auf die Flächeneinheit dA trifft: .

Die Luft der Atmosphäre ist ständig in Bewegung. Dabei hat man zu unterscheiden zwischen den geordneten großräumigen Bewegungen, wie z. B. um die Hoch- und Tiefdruckgebiete, und den ungeordneten kleinräumigen, turbulenten Vorgängen. Je nach ihrer mittleren horizontalen Ausdehnung und ihrer mittleren Lebensdauer lassen sich 5 atmosphärische Grundstrukturen der Bewegung unterscheiden (Tabelle 4.1).

Wie wir in Kap. 2 gesehen haben, ist der Wasserdampf mit durchschnittlich 1,3% an der Zusammensetzung der Luft in Bodennähe beteiligt. In die Atmosphäre gelangt er über die Verdunstung von Wasser. Es ist uns vertraut, daß Wasser unter Normalbedingungen bei 100°C kocht, physikalisch siedet, d.h. daß durch die Wärmeenergiezufuhr der chemische Stoff Wasser vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht. Zwar wird das Wasser an der Erde nicht bis zum Siedepunkt erwärmt, dennoch findet ein Übergang von Wasser in Wasserdampf statt. Diese bei Temperaturen unter dem Siedepunkt ablaufende Zu-standsänderung bezeichnet man als Verdunstung. So verdunstet das Wasser von Seen, Flüssen, feuchtem Erdboden, Pflanzen, Ozeanen und sorgt für einen ständigen Wasserdampfnachschub in die Atmosphäre. Je höher die Temperatur einer Region ist und je mehr Wasser zur Verfügung steht, um so größer ist die Verdunstung (Tabelle 5.1).

In diesem Kapitel wollen wir beginnen, uns mit den atmosphärischen Erscheinungen zu beschäftigen, die täglich unser Wetter bestimmen, die entscheiden, obe es kalt oder warm, regnerisch oder sonnig, schwachwindig oder stürmisch ist. Erst die Kenntnis der atmosphärischen Grundstrukturen Luftmassen und Fronten, Hoch- und Tiefdruckgebiete läßt uns das augenblickliche Wetter sowie die weitere Wetterentwicklung verstehen, nur über die Diagnose ihrer momentanen Verteilung auf der Erde werden wir in die Lage versetzt, eine Wettervorhersage für mehrere Tage im voraus zu machen.

Unter einer Zyklone oder einem Tiefdruckgebiet versteht man ein Gebiet tiefen Luftdrucks, in dem der Luftdruck allseitig zum Zentrum hin abnimmt; eine Antizyklone oder ein Hochdruckgebiet ist entsprechend ein Gebiet, in dem der Luftdruck allseitig zum Zentrum hin zunimmt. Beide Drucksysteme sind durch geschlossene, meist kreisförmige bis elliptische Isobaren gekennzeichnet. In Mitteleuropa liegt der Kerndruck der Bodentiefs i. allg. bei 990–1000 hPa, in Orkantiefs bei 950–970 hPa, während im Zentrum der Hochs in der Regel 1025–1030 hPa gemessen werden, gelegentlich aber auch bis 1050 hPa. Der höchste Bodenluftdruck wurde bisher mit 1082 hPa in einem winterlichen Hoch in Sibirien gemessen. Ein Sonderfall sind die intensiven Tiefdruckgebiete der Tropen, die tropischen Wirbelstürme, in denen mit 880–890 hPa die tiefsten Luftdruckwerte auf der Erde aufgetreten sind. Auf der Nordhalbkugel werden die Zyklonen vom Wind im Gegenuhrzeigersinn, die Antizyklonen im Uhrzeigersinn umweht, auf der Südhalbkugel ist die Umströmungsrichtung umgekehrt (Abb. 7.1). Das bedeutet, daß auf der nördlichen Halbkugel an der Ostseite der Hochs und der Westseite der Tiefs mit einer nördlichen Strömung Kaltluft nach Süden fließt und an der Ostseite der Tiefs und Westseite der Hochs Warmluft nach Norden strömt, ein für den Klimahaushalt der Erde außerordentlich wichtiger Vorgang.

In seinen Anfängen geht das Interesse des Menschen an einer regelmäßigen Wetterbeobachtung bis ins Altertum zurück. Bereits im 4. Jahrhundert v.Chr. wurden in Indien im Hinblick auf die Ernte Regenmessungen durchgeführt, bereits im 1. Jahrhundert v.Chr. wird von Windmessungen in Griechenland berichtet. In Athen entstand sogar auf dem Marktplatz, was die Bedeutung des Winds für die Segelschiffahrt und damit für den Handel unterstreicht, ein „Turm der Winde”.

Die Grundlage jeder Aussage über die Wetterentwicklung in den nächsten Stunden oder Tagen ist die Diagnose des dreidimensionalen atmosphärischen Zustands zum Ausgangszeitpunkt. Dazu dienen Boden- und Höhenwetterkarten, Diagramme über die vertikalen Verhältnisse an einem Punkt oder längs eines räumlichen Vertikalschnitts sowie Zusatzinformationen, wie z.B. Radaroder Satellitendaten. Aus diesen Unterlagen entnimmt der Vorhersagemeteorologe die Verteilung der Druckzentren, die großräumige Strömung, die Lage der Fronten, die Anordnung von Kaltluft- und Warmluftgebieten sowie von Starkwindbändern, die mit den Systemen verbundenen Wettererscheinungen und durch den Vergleich zeitlich aufeinanderfolgender Wetterkarten die Wetterentwicklung im zurückliegenden Zeitraum. Der Diagnose des aktuellen atmosphärischen Zustands folgt dann die Prognose über den zukünftigen Zustand, über die Weiterentwicklung des Wettergeschehens. Dazu bedient sich die Meteorologie ihrer Kenntnis von den physikalischen Gesetzen, die die Abläufe in der Atmosphäre bestimmen. Schon in der Philosophie des alten Griechenlands finden wir den Satz “die Natur würfelt nicht“. Nicht der Zufall, sondern Gesetzmäßigkeiten sind es, die die Natur beherrschen, nach denen auch die Vorgänge in unserer Lufthülle ablaufen.

Alle Wettersysteme vom Kumulonimbus bis zum tropischen Wirbelsturm, von den Fronten der Polarfrontzyklonen bis zu den langen Wellen in der freien Atmosphäre sind Einzelformen der planetarischen Zirkulation, d. h. der Grundströmung, die der Erdatmosphäre aufgrund der Bedingungen unseres Planeten im Sonnensystem eigen ist. Um diese planetarische Zirkulation besser zu verstehen, wollen wir uns zunächst mit einem Gedankenexperiment beschäftigen.

Das Klima eines Orts oder einer Region steht in unmittelbarem Zusammenhang mit den meteorologischen Auswirkungen der allgemeinen atmosphärischen Zirkulation auf diesen Raum. Wie die synoptischen Einzelerscheinungen, d.h. die Hochs und Tiefs, die Fronten, Keile und Tröge durch ihre Lebensdauer, Verlagerungsgeschwindigkeit und Intensität das tägliche Wettergeschehen an einem Ort bestimmen, so prägt die allgemeine atmosphärische Zirkulation grundsätzlich das Klima eines Gebiets.

Auch wenn sich das Klima der Erde in den letzten 10000 Jahren als recht stabil und die einzelnen Klimazonen sich als grundsätzlich stationär erwiesen haben, so gehört doch der Wechsel beim Klima ebenso zum Normalen wie beim Wetter. Warme Sommer wechseln mit kühlen, trockene mit feuchten. Die sonnigen Sommer von 1982 und 1983 mit Mitteltemperaturen von 18,7 °C bzw. 19,1 °C in Berlin werden als Rekordwärmesommer in die meteorologische Statistik von Mitteleuropa eingehen, während z.B. die Sommer von 1978 und 1980 zu den kühlen und regnerischen zählen. Ebenso unterschiedlich sind die Winter. Zu den strengen Wintern dieses Jahrhunderts zählen im nördlichen Deutschland nach Abb. 12.1, wo für Berlin die Abweichungen vom Normalwert eingetragen sind, die Winter 1923/24, 1928/29, 1939/40, 1946/47, 1953/54, 1962/63, 1969/70, 1978/79 und 1986/87. Bei den strengen wie bei den sehr milden Wintern läßt sich ein mittlerer Abstand von 7 bis 9 Jahren erkennen (Nordatlantische Oszillation).

In zunehmendem Maße beschäftigen sich Wissenschaft und Öffentlichkeit seit einiger Zeit mit der Frage, inwieweit der Mensch durch seine Aktivitäten die Zusammensetzung der Atmosphäre und damit ihre strahlungsphysikalischen Prozesse beeinflußt. Daß z.B. die Abholzung von Wäldern, wie es verbreitet im Mittelmeer-Gebiet geschehen ist, oder die zunehmende Vergrößerung und Verdichtung von Städten, Auswirkungen auf das regionale bzw. lokale Klima hat, ist seit langem bekannt. Relativ neu ist dagegen die Erkenntnis, daß es durch menschliche Aktivitäten zu globalen Änderungen bei der Konzentration strahlungsrelevanter Gase in der Atmosphäre kommen kann. Dabei wird die Zunahme von Kohlendioxid (CO₂), Methan (CH₄), Distickstoffoxid (N₂O) und der FCKW (Fluorchlorkohlenwasserstoffe) und ihre Auswirkungen durch den Begriff „Treibhauseffekt“ beschrieben.

In manchen Gebieten der Erde treten bestimmte kleinräumige Winde mit einer solchen Häufigkeit oder Regelmäßigkeit auf, daß sie durch ihre klimatischen Auswirkungen auf die Temperatur, die Feuchte, die Bewölkung einen das großräumige, übergeordnete Klima modifizierenden Charakter annehmen. Zum einen spielt dabei die Orographie, d.h. der Einfluß des Reliefs auf die Strahlungs- und die Strömungsverhältnisse die entscheidende Rolle, so daß man in diesen Fällen von orographischen Winden spricht. Zu ihnen gehört unter anderem der Hangauf- und Hangabwind, der Berg- und Talwind sowie der Föhn. Ein kanalisierender Effekt auf die Strömung wird praktisch in allen Tälern sichtbar, besondere klimatische Bedeutung kommt dem Mistral des Rhonetals zu. Aber auch der Gegensatz von Land und Meer führt zur Entwicklung eines eigenständigen Windsystems, der Land- und Seewindzirkulation. Mit ihr sollen die Betrachtungen über die lokalen und regionalen Winde begonnen werden.

Jede Stadt stellt im klimatologischen Sinn eine Art künstliche, vom Menschen geschaffene Orographie dar. Durch ihre Anhäufung von Beton, Asphalt und Stein unterscheiden sich ihre physikalischen Eigenschaften in mannigfacher Weise vom freien Umland, unterscheidet sich die dichtbebaute Innenstadt von den nur locker bebauten Außenbezirken.

Auf natürlichem Wege gelangen Schwefeldämpfe aus Erdspalten, Feinstäube durch Vulkanausbrüche und Sandstürme sowie Salze aus den Ozeanen in die Atmosphäre, wo sie von der Luftströmung erfaßt und teilweise über weite Strecken verfrachtet werden. Feinstaubablagerungen aus der Sahara führen nicht selten zu einer rötlichen Färbung des Schnees in den Alpen, faszinierende farbige Dämmerungserscheinungen treten auch im Abstand von Tausenden von Kilometern nach einem Vulkanausbruch auf, bei dem gewaltige Staubmassen bis in die Stratosphäre geschleudert und dort um den Erdball transportiert werden, so z.B. durch den Ausbruch des Pinatubo im Juni 1990.

Der Wunsch, das Wetter beeinflussen zu können, dürfte so alt wie die Menschheit sein. Vor allem der Mensch früherer Zeiten war den Unbilden des Wetters hilflos ausgeliefert. Dürren oder Wolkenbrüche zur Wachstumszeit hatten zwangsläufig Hungerkatastrophen zur Folge, führten zu einer Existenzbedrohung der Betroffenen. Es ist daher nicht verwunderlich, wenn die Naturvölker in ihrer Hilflosigkeit das Wirken erzürnter Götter hinter Hagelschlag, Wolkenbrüchen, Orkanen und Dürren sahen und sich bemühten, die Wettergötter gnädig zu stimmen. Trotz eines funktionierenden Agrarwelthandels zeigen die Dürre in der Sahelzone Afrikas, wo zeitweise rund 50% der jährlichen Niederschlagsmenge fehlte, Überschwemmungen in Brasilien oder eine Abschwächung des Monsuns in Indien wie gravierend, ja existenzbedrohend auch heute noch die Folgen sind, die von den Anomalien des Wetters hervorgerufen werden. Welche Möglichkeiten hat die moderne Wissenschaft, um steuernd oder korrigierend in das Wettergeschehen einzugreifen?

Wie wir gesehen haben, ist die Atmosphäre ein hochkomplexes mathematischphysikalisches und chemisches System. Menschlichen Eingriffen sind dabei enge Grenzen gesetzt, und zwar nicht nur wissenschaftlich-technische. So ist z.B. Regen eine sehr ernste Angelegenheit, wo nicht genügend Niederschlag zur Verfügung steht. Werden Wolken in einer Region zum Ausregnen gebracht, so fehlt das Regenwasser in den windabwärts gelegenen Gebieten. Selbst in unserem immerfeuchten Klima haben Frühjahrs- oder Frühsommertrockenheit erhebliche Streßauswirkungen auf die Vegetation und damit auf die nachfolgende Ernte.