Einführung in die Klimatologie Prof. Dr. Otto Klemm 1. Allgemeine Grundlagen PD Dr. Otto Klemm Universität Bayreuth BITÖK Klimatologie, 95440 Bayreuth Tel.: 0921-55-5674; FAX: 0921-55-5799 email: klemm@bitoek.uni-bayreuth.de http://www.bitoek.uni-bayreuth.de/~Otto.Klemm Stand: 08/2000

Gliederung 1. Allgemeine Grundlagen 2. Strahlung 3. Klimaentwicklung 4. Zirkulationssysteme 5. Klimaklassifiaktion 6. Ozeanographie 7. Synoptik - Wolken 8. Regionales Klima 9. Wind 10. Statik und Thermodynamik 11. Atmosphärische Grenzschicht 12. Spurengase 13. Aerosolpartikel 13. Niederschlag

allgemeine Grundlagen organisatorisches empfohlene Literatur Klima - Definition Klimaelemente Klimafaktoren die Erde im Sonnensystem Aufbau der Atmosphäre Zusammensetzung der Atmosphäre

organisatorisches Skript im www: http://kli.uni-muenster.de/

Literatur empfohlene Lehrbücher: Hupfer, P. und Kuttler, (W.) (Hrsg.) Witterung und Klima. Eine Einführung in die Meteorologie und Klimatologie. 11. Auflage, Teubner, 2005 ISBN 3-519-10208-0 [Preis: 49.90 €] Malberg, H. Meteorologie und Klimatologie. Eine Einführung. 4. Auflage 2002, Springer, 364 S. ISBN [Preis: 34.95 €] Uni-Bibliothek: ULB LehrbuchSlg im EG ; 029 3343 ; GEO 8:Mal ; [5 Ex]   ULB Lesesaal im 1. OG ; PHY 9.04:23   Schönwiese, C.-D.: Klimatologie; Ulmer UTB 1793. 2. Auflage 2003, 440 S. ISBN: 3-8252-1793-0   3-8001-2787-3   [Preis: 29,90 €] Uni-Bibliothek: ULB LehrbuchSlg im EG ; 029 3428 ; GEO 8:Schoe ; [5 Ex]   ULB Lesesaal im 1. OG; PHY 9.3:25   Weischet, W. (2002) Einführung in die Allgemeine Klimatologie. Physikalische und meteorologische Grundlagen. Borntraeger, 2002 ISBN 3-519-03432-8 [Preis: 26.- €] Uni-Bibliothek: ULB LehrbuchSlg im EG ; 029 2559 ; GEO 2.3:Wei ; [25 Ex]   ULB Lesesaal im 1. OG ; PHY 9.3:23  

Literatur weiterführende und spezielle Literatur Häckel, H. (1999) Meteorologie. Ulmer UTB 1338, 4. Auflage 1999, 448 S. ISBN 3-8252-1338-2    3-8001-2728-8  [Preis: 29,90 €] Uni-Bibliothek: ULB LehrbuchSlg im EG ; 029 3147 ; GEO 8:Hae ; [10 Ex]   ULB Lesesaal im 1. OG ; PHY 9.04:10   Kraus, H., Die Atmosphäre der Erde: EIne Einführung in die Meteorologie Springer, 2. Auflage 2001, 470 S. ISBN 3-540-41844-x 39,95 € Roedel, W. Physik unserer Umwelt: Die Atmosphäre. Springer, 3. Auflage 2000 498 S. ISBN: 3-540-57885-4   Uni-Bibliothek: ULB Freihandmagazin im UG ; 3H 26573   [Preis: 39.95 €] Littmann, T., Steinrücke, J., Bürger, M. Elemente des Klimas Klett-Perthes Verlag, 2004, 208 S. ISBN 3-623-00858-3 16,90 EUR Zmarsly, E., Kuttler, W., Pethe, H., Meteorologisch-klimatologisches Grundwissen Ulmer / Ulmer UTB 2281, 2. Aufl. ISBN: 3-8252-2281-0    3-8001-2779-2   [Preis:19,90 €] Uni-Bibliothek:ULB LehrbuchSlg im EG ; 029 3421 ; GEO 8:Zma ; [3 Ex]   ULB Lesesaal im 1. OG ; PHY 9.04:27   Geologisch-Paläontologisches Inst.u.Museum Corrensstr. 24 

Literatur in englischer Sprache: Ahrens, C.D. (2000) Meteorology Today: An Introduction to weather, climate, and the environment. Brooks Cole, Pacific Grove. [ca. 59 €] Stull, R.B. (2000) Meteorology Today for Scientists and Engineers. Brooks/Cole, Pacific Grove, 502 pp.

weitere Quellennachweise Hupfer, P. (1996) Unsere Umwelt: Das Klima. Teubner, Stuttgart, 335 S. Smithson, P., Addison, K. and Atkinson, K. (2002) Fundamentals of the Physical Environment, 3rd ed. Routledge, London, 625 S. [ca. 155 €] ISBN 0-415-23293-7 0-415-23294-5; ULB 3C 28217; www.routledge.com Stommel, H., (1996) A View of the Sea. Princeton University Press, Princeton, 165 pp. Stumm, W. Morgan, J.J. (1996) Aquatic Chemistry, Chemical Equilibria and Rates in Natural Waters. 3rd ed.1022 pp. von Storch, H., Güss, S., Heimann, M. (1999) Das Klimasystem und seine Modellierung. Springer Verlag, Berlin u.a., 255 S.

Klima - Definition Das Wetter ist der augenblickliche Zustand der Atmosphäre an einem Ort, wie er durch die Klimaelemente (Strahlung, Temperatur, Luftfeuchte, Niederschlag, Wind, u.a.) gekennzeichnet ist. [ Die Witterung ist der typische Charakter des Wetterablaufs eines bestimmten Zeitraums. Der Zeitraum kann Tage bis Monate umfassen ] Klima ist die Synthese des Wetters über einen Zeitraum, der lange genug ist, um dessen statistische Eigenschaften bestimmen zu können. Das Klima eines Raumes ist erst dann richtig gekennzeichnet, wenn die Wahrscheinlichkeit für Abweichungen vom Mittelwert angegeben werden kann, also auch Extremwerte Teil der Statistik sind. Zur Beschreibung des Klimas wird in der Regel eine Zeitspanne von 30 Jahren als Bezugszeitraum herangezogen. Das Wetter ändert sich schnell, das Klima sehr langsam

Klimaelemente (i) Luft - Temperatur Luftfeuchte Luftdruck Wind (Richtung und Geschwindigkeit) Niederschlag Strahlung (in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichts) aber auch: Konzentrationen von Spurenstoffen und viele andere mehr, z.B.: fühlbarer Wärmestrom, latenter Wärmestrom, Bodentemperatur, Albedo, Schubspannung, Spurenstoffflüsse, …

Klimaelemente (ii) Luft - Temperatur wird angegeben in Einheit K (oder auch °C) wird gemessen in 2 m Höhe über dem Grund das Thermometer muss gegenüber Erwärmung durch Strahlung geschützt sein www.vaisala.com

Klimaelemente (iii) Luft - Temperatur Mittelwerte werden aus dem arithmetischen Mittel kontinuierlich gemessener Einzelwerte gebildet (z.B. Sekundenmittel, Minutenmittel, Stundenmittel, Tagesmittel) Tagesmittel können auch aus Einzelbeobachtungen berechnet werden: Robert-Koch-Str. 26, Münster, Sätsommer 2004 Institutsdach „Hüffergarten, Lufttemperatur auf dem

Klimafaktoren Klimafaktoren sind Prozesse und Umstände, die das Klima generieren, aufrechterhalten und verändern astronomische Klimafaktoren geographische Klimafaktoren Tag- Nachtlänge Geografische Breite Sonnenfleckenaktivität Höhe über NN Neigung der Erdachse (Sommer / Winter) Nähe zum Ozean Einfallwinkel der Sonnenstrahlung Topographische Besonderheiten (z.B. Hangneigung Spektrale Aufteilung der Sonnenstrahlung Verstädterung

Die Erde

Die Erde im Sonnensystem Periphel (02.01.) [147 · 106 km) N-Sommer-“Halbjahr“: 186 Tage N-Winter-“Halbjahr“: 179 Tage Aphel (02.07.) [152 · 106 km) http://www.routledge.com/textbooks/fundamentals

Die Erde im Sonnensystem Die abgestrahlte Sonnenenergie ist in alle Richtungen gleich (isotrop). Die Erde bewegt sich in 365.25 Tagen auf einer elliptischen Bahn um die Sonne. Sie hat im Perihel eine kleinere Distanz zur Sonne als im Aphel. Dies verändert die Intensität der Sonneneinstrahlung im Laufe des Jahres um 8%: im Sommer (Nord – Hemisphäre): - 4% im Winter (Nord – Hemisphäre): + 4% Die Drehachse der Erde um sich selbst ist um 23.45° gegenüber der Normalen auf die Ellipsenebene geneigt. Zenithwinkel: Winkel zwischen Zenit und der Sonne Die Deklination ist der Winkel zwischen der Äquatorialebene der Erde und der Verbindungslinie zwischen Erde und Sonne. Sie variiert über das Jahr zwischen +23.5° und -23.5 ° Der Sonnen-Azimuth ist der Winkel zwischen Süden und der auf eine horizontale Ebene projizierten Richtung der Sonne. Dieser Winkel ist am Vormittag positiv und am Nachmittag negativ (unabhängig von der Hemisphäre).

Die Erde im Sonnensystem Solare Einstrahlung auf eine ebene Fläche (W m-2, Tagesmittel) http://www.routledge.com/textbooks/fundamentals

Quelle: Fonds der Chemischen Industrie Für die wichtigsten Stoffe die typischen Verweilzeiten... Anschluss an folgende Punkte herstellen: Im großen Bild passt die CO2 Rekonstruktion zu den Temperatur proxy-daten Beim N nur auf geringe Reaktionsfähigkeit hinweisen, war lange sehr schwer zu messen.... Quelle: Fonds der Chemischen Industrie

Quelle: von Storch et al., 1999 Aufbau der Atmosphäre „Standard- Atmosphäre“ Quelle: von Storch et al., 1999

Zusammensetzung der Atmosphäre: stabile Gase durchschnittliche Aufenthaltszeit » 103 a Gas Formel Mischungsverhältnis Stickstoff N2 78.08 % Sauerstoff O2 20.95 % Argon Ar 0.93 % Neon Ne 18 ppm Helium He 5.2 ppm Krypton Kr 1.1 ppm Wasserstoff H2 0.55 ppm Xenon Xe 0.087 ppm Summe ca. 99.97 % der trockenen Atmosphäre zusätzlich kommt Wasserdampf vor in hoch variablen Mischungsverhältnissen von bis zu 5 %

Einheiten Konzentrationen: mg m-3 ( c ) µg m-3 Moleküle pro cm = cm-3 Mischungsverhältnisse : % ( q ) %o ppm = 10-6 mol mol-1 = 10-6 l l-1 ppb = 10-9 mol mol-1 ppt = 10-12 mol mol-1 Konzentrationsangaben beziehen sich oft auf Bedingungen korrigiert auf Standardnormalbedingungen (1013 hPa, 298 K). Mischungsverhältnis-Angaben werden häufig bevorzugt wegen: Höhen-Invarianz, Mol-Bezug

Konzentration - Mischungsverhältnis um ein Mischungsverhältnis q (z.B. in Einheit ppb) in eine Konzentration c (z.B. µg m-3) umzurechnen, benötigt man diese Angaben: Temperatur T (in Einheit K) Druck (= Luftdruck) p (in Einheit hPa) Molekulargewicht MG des Spurengases (in Einheit g mol-1) Beispiel Ozon: 1 ppb = 10-9 mol mol-1 bis hierher: 1 ppb Ozon in Luft Molekulargewicht für O3: 48 g mol-1 40,98 mol m-3 bei Standardbedingungen bis hierher: 10-9 g Ozon pro mol Luft temperaturkorrigiert bis hierher: µ g Ozon pro mol Luft temperatur- und druckkorrigiert Zusatzinfo: Standardbedingungen sind: 25 °C und 1013 hPa 1 mol eines Gases hat bei Standard-Bedingungen ein Volumen von 24,4 l 1 mol eines Gases besteht aus 6,0220943  1023 Molekülen (Avogadrosche Zahl) Ergebnis: 1.96 µg m-3 für Standardbedingungen

„Variable“ Spurengase Formel Mischungs- verhältnis Aufenthalts-dauer Kohlendioxid CO2 380 ppm 4 - 120 a Methan CH4 1.7 ppm 3.6 - 10 a Kohlenmonoxid CO 40 - 300 ppb 0.01 - 0.1 a Lachgas N2O 300 ppb 20 - 150 a