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Umweltmeteorologie Prof. Dr. Otto Klemm 1. Allgemeines.

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Präsentation zum Thema: "Umweltmeteorologie Prof. Dr. Otto Klemm 1. Allgemeines."—  Präsentation transkript:

1 Umweltmeteorologie Prof. Dr. Otto Klemm 1. Allgemeines

2 Umweltmeteorologie Die Vorlesung befasst sich mit Themen aus Physik und Chemie der Atmosphäre, die für Umweltnaturwissenschaftler von besonderer Bedeutung sind. Im Zentrum stehen Prozesse in der atmosphärischen Grenzschicht: Atmosphäre, Ausbreitung von Spurenstoffen Lufthygiene und atmosphärische Chemie (Gasphase) Physik und Chemie von Nebel und Wolken Dynamik atmosphärischer Aerosolpartikel Messtechnik Die Vorlesung richtet sich an alle interessierte Studierenden der Naturwissenschaften: z.B. Landschaftsökologie, Physik, Chemie, Geophysik, Geologie, Geophysik, Geoinformatik Voraussetzung: Grundkenntnisse der Klimatologie

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4 Gliederung Allgemeines und Einführung – Zeitschriften und Bücher – räumliche und zeitliche Skalen – Definitionen – Atmosphärische Grenzschicht Energiebilanz an der Oberfläche Wasserdampfflüsse

5 Gliederung Eddy – Kovarianz – Reynolds-Averaging – Taylor - Hypothese – Stationarität – Eddy – Akkumulationsverfahren – Eigenschaften der Turbulenz – Footprint – Korrekturverfahren Stabilität – statische und dynamische Stabilität – Richardson-Zahl – Monin-Obuchov - Länge

6 Gliederung grundlegende Gleichungen – Kontinuitätsgleichung – Turbulenz - Schließung weitere Verfahren zur Depositionsmessung – Gradientverfahren – Inferentialmodell

7 Gliederung Ausbreitungs – Modellierung – Standardverfahren für Fahnen-Ausbreitung Spurengase Ozonbildung Aerosolpartikel Stadtmeteorologie – Wärmeinsel – Flurwinde – Lufthygiene

8 Gliederung Wettervorhersage Windenergie / Sonnenenergie Klimatrends was wir nicht behandeln: Wolken und Nebel Luftverkehr Remote Sensing

9 organisatorisches Skript im www: Username: Passwort:

10 Bücher Arya, P.S. (1988) Introduction to Micrometeorology. San Diego u.a.: Academic Press, 303 S. Arya, P.S. (1998): Air Pollution Meteorology and Dispersion. Oxford Univ Press; ISBN: Finlayson-Pitts, B.J. & Pitts, J.N. (2000): Chemistry of the Upper and Lower Atmosphere: Theory, Experiments, ans Applications. Academic Press, 969 S. Seinfeld, J.H. & Pandis, S.N. (1998): Physics and Chemistry of the Atmosphere, John Wiley & Sons, 1326 S. Stull, R.B. (1994) an Introduction to Boundary Layer Meteorology. Dordrecht u.a.: Kluwer Academic Publishers, 666 S. Stull, R.B. (1995) Meteorology Today for Scientists and Engineers. West Publ. Comp., Minneapolis, 385 S.

11 Bücher Helbig, A., Baumüller, J., Kerschgens, J. (Eds.) (1999) Stadtklima und Luftreinhaltung. Berlin, Heidelberg, New York: Springer Verlag, 467 S. ISBN ; IfL-Bibliothek: Häckel, H. (1999) Meteorologie. Stuttgart: Verlag Eugen Ulmer, 448 S. ISBN ; ULB Münster: GEO 8: Hae Fezer, F. (1995) Das Klima der Städte. Gotha: Justus Perthes Verlag, 199 s. ISBN ; IfL-Bibliothek: Be 391 Foken, T. (2993) Angewandte Meteorologie: Mikrometeorologische Methoden. Berlin, Heidelberg: Springer Verlag, 289 S. ISBN

12 Zeitschriften Journal of Geophysical Research D Atmospheric Environment Environmental Science and Technology Boundary Layer Meteorology Nature Science Environmental Science and Pollution Research Environmental Pollution Journal of Aerosol Science Water, Air, and Soil Pollution Zeitschrift für Meteorologie Gefahrstoffe - Reinhaltung der Luft Umweltwissenschaften und Schadstoffforschung

13 Skalen Grenzschicht Stadtklimatologie 2 km 1 h

14 atmosphärische Turbulenz Mit Turbulenz bezeichnet man die unregelmäßige, scheinbar chaotische Struktur der Veränderungen der Temperatur, des Bewegungsvektors, und vieler skalarer Beimengungen der Luft um ihren Mittelwert in Raum und/oder Zeit nach zufälligen erscheinenden Mustern. Bewegungen in der atmosphärischen Grenzschicht sind fast immer turbulenter Natur. Turbulenzelemente sind Wirbel oder engl. eddies Das Gegenstück zu Turbulenz ist laminarer Fluss Größe und Lebens- dauer von Turbulenz- elementen sind mit- einander verknüpft: Sie reichen von Bruch- teilen eines cm (ent- spr. Bruchteilen von s) bis zu Tausenden vom km (einige Tage)

15 atmosphärische Turbulenz Die Reynolds – Zahl Re beschreibt den Turbulenzgrad bzw. den Übergang von laminarem zu turbulenem Fluss-Regime ReReynolds – Zahl- VSkala der Geschwindigkeitm · s -1 LSkala der räumlichen Ausdehnungm νkinematische Viskosität der Luft 1.5 · m 2 s -1 bei Reynolds-Zahlen von etwa Re 2100 (kritischer Reynoldszahl) findet der Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung statt Die Reynolds – Zahl Re ist interpretierbar als das Verhältnis zwischen Trägheitskräften und viskosen Kräften für V 5 m s -1 und L 100 m ist: Re 3 · 10 7

16 atmosphärische Turbulenz Turbulenz wird angetrieben durch: Dichteunterschiede: z.B. Erwärmung führt zu statischer Destabilisierung mechanische Reibung Turbulenz ist wahrnehmbar !

17 Einfluss des Erdbodens auf die Atmosphäre Der Einfluss des Erdbodens auf die Atmosphäre wirkt durch: Austausch von Strahlung und Wärme zwischen Oberfläche und Atmosphäre Einfluss der Bodenreibung auf das Windfeld vertikaler Fluss von Wasser (flüssig, gasförmig) Deposition von Gasen und Partikeln Emission von Gasen und Partikeln Die Grenzschicht ist der Teil der Atmosphäre, der direkt durch den Einfluss des Erdbodens beeinflusst ist und auf Einflüsse des Bodens innerhalb eines Zeitraums von ca. 1 Stunde reagiert.

18 nächtliche negative Strahlungsbilanz führt zu Abkühlung des Bodens die bodennahe Luft wird auch abgekühlt es bildet sich eine bodennahe Inversion, die sehr stabil geschichtet ist (statische Stabilität, hydrostatische Stabilität) nächtliche Abkühlung

19 Erwärmung tagsüber die positive Strahlungsbilanz am Tag heizt den Boden auf die bodennahe Luft wird auch erwärmt es entsteht statische Instabilität

20 Erwärmung tagsüber warme Luft steigt auf eine Ausgleichsbewegung nach unten findet statt der Temperaturgradient wird ausgeglichen; die Heizung vom Boden her ist weiterhin in Betrieb; thermisch induzierte Turbulenz ist geboren

21 Erwärmung tagsüber eine turbulente atmosphärische Grenzschicht baut sich auf: Mischungsschicht an heißen Sommertagen kann sie eine Mächtigkeit bis zu über 3000 m über Grund erreichen.

22 erneute Abkühlung nachts in einer Folgenacht kann es wieder zur Abkühlung (und Stabilisierung) von unten her kommen

23 erneute Abkühlung nachts in einer Folgenacht kann es wieder zur Abkühlung (und Stabilisierung) von unten her kommen

24 erneute Abkühlung nachts wenn nun wieder tagsüber Erwärmung von unten her erfolgt, kommt es zu einer abgehobenen Inversion (freie Inversion)

25 Die Grenzschicht ist der Teil der Atmosphäre, der direkt durch den Erdboden beeinflusst ist und auf Einflüsse des Bodens innerhalb eines Zeitraums von ca. 1 h reagiert. nach Stull, MittagMitternachtSonnenuntergangMittagSonnenaufgang Höhe über Grund [m] Speicherschicht Stabile Grenzschicht Mischungsschicht (Grenzschicht) Freie Troposphäre Inversionsschicht Zeit Mischungs- schicht Wolkenschicht Grenzschichtentwicklung im Tagesverlauf

26 Grenzschicht - Stabilität aus: Kraus, 2000

27 Grenzschicht - Stabilität aus: Häckel, 1999


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