Meteorologie

Hans Häckel

Meteorologie

8., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage

216 Abbildungen

29 Tabellen

Inhaltsverzeichnis

Cover

Haupttitel

Die UTB-Reihe

Über den Autor

Impressum

Vorwort zur 8. Auflage

Formelzeichen und Einheiten

Wichtige Wettersymbole

1Atmosphäre

1.1Allgemeines über Atmosphären

1.2Geschichte der Erdatmosphäre

1.3Zusammensetzung der Erdatmosphäre und wirtschaftlich-ökologische Bedeutung der Atmosphärengase

1.3.1Stickstoff

1.3.2Sauerstoff

1.3.3Argon

1.3.4Wichtige atmosphärische Spurengase

1.4Luftdruck

1.4.1Definitionen und Gesetzmäßigkeiten

1.4.2Luftdruck als Navigationshilfe für die Luftfahrt

1.4.3Reduktion des Luftdrucks auf Meeresniveau

1.5Temperatur der Atmosphäre

1.6Stabilität und Labilität der Atmosphäre

1.6.1Stabile und labile Zustände

1.6.2Atmosphärenschichtung und Umweltschutz

1.6.3Ausbreitungsrechnung

1.7Vertikale Struktur und Temperatur der Atmosphäre

2Wasser

2.1Definitionen und wichtige physikalische Gesetze über das Wasser in der Atmosphäre

2.1.1Feuchtemaße

2.1.2Sättigungsdampfdruck

2.1.3Spezifische Wärme und Volumenwärme

2.1.4Schmelz- und Verdunstungsenergie

2.1.5Rechenformeln und Vergleich der Relativen Feuchte mit anderen Feuchtemaßen

2.1.6Molekularphysikalische Deutung ungewöhnlicher Eigenschaften des Wassers

2.2Phasenübergänge des Wassers und ihre Bedeutung in der Meteorologie

2.2.1Kondensations- und Gefrierprozesse in der Atmosphäre

2.2.2Verdunstung

2.3Erscheinungsformen des atmosphärischen Wassers

2.3.1Dunst

2.3.2Nebel

2.3.3Wolken

2.3.4Niederschläge

2.3.5Beschläge

2.4Niederschlagsverteilung, klimatische Wasserbilanz und Wasserkreislauf

2.4.1Örtliche und zeitliche Niederschlagsverteilung

2.4.2Klimatische Wasserbilanz

2.4.3Wasserkreislauf in der Bundesrepublik Deutschland

2.4.4Wasserhaushalt des Erdbodens im Jahresverlauf

3Strahlung

3.1Definitionen und wichtige Gesetzmäßigkeiten über die Strahlung

3.1.1Lambertsches Gesetz

3.1.2Bouguer-Lambert-Beersches Gesetz

3.1.3Plancksches Gesetz

3.1.4Wiensches Verschiebungsgesetz

3.1.5StefanBoltzmannsches Gesetz

3.1.6Strahlungsverhalten der Gase

3.1.7Zusammenfassende Betrachtungen und molekularkinetische Deutung des Planckschen Gesetzes

3.2Von der Sonne ausgehende Strahlung

3.2.1Strahlungsgenuss der Erde

3.2.2Absorption, Streuung und Reflexion

3.2.3Strahlungsumsatz von Atmosphäre, Boden, Vegetation und Gewässern

3.3Von der Erdoberfläche und der Atmosphäre ausgehende Strahlung

3.3.1Definitionen und wichtige Gesetzmäßigkeiten

3.3.2Wirkungen der langwelligen Strahlung

3.3.3Glashauseffekt

3.4Strahlungsbilanz der Erdoberfläche

3.5Optische Erscheinungen in der Atmosphäre

3.5.1Regenbogen

3.5.2Haloerscheinungen

3.5.3Weitere optische Erscheinungen

4Energiehaushalt der Erdoberfläche

4.1Speicherung von Wärme im Boden und in Gewässern

4.1.1Grundsätzliches zum Wärmetransport im Boden

4.1.2Bodenwärmestrom

4.1.3Bewachsener Boden

4.1.4Wärmespeicherung in Gewässern

4.2Austausch fühlbarer Wärme und latenter Energie

4.2.1Fühlbare Wärme

4.2.2Latente Energie

4.3Energiehaushalt als Ganzes

4.4Zusammenhang zwischen Energiehaushalt der Erdoberfläche und Temperatur der bodennahen Luft

5Wind

5.1Grafische Darstellung des Windes

5.2Entstehung des Windes

5.2.1Land- und Seewind

5.2.2Andere kleinräumige Windsysteme

5.2.3Großräumige Windsysteme

5.3Besondere Winderscheinungen

5.3.1Tornados

5.3.2Hurrikane, Taifune, Zyklonen

5.4Böigkeit des Windes

5.5Windschäden und Windschutz

5.5.1Schäden durch Druck-, Sog- und Böeneinwirkung

5.5.2Windschutz

6Dynamik der Atmosphäre

6.1Hoch- und Tiefdruckgebiete

6.1.1Thermische Hoch- und Tiefdruckgebiete

6.1.2Dynamische Hoch- und Tiefdruckgebiete

6.1.3Luftmassen

6.2Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre

6.2.1Hochdruckgürtel und Tiefdruckrinnen

6.2.2Passatzirkulation

6.2.3Polare Zirkulation

6.2.4Zusammenfassung der allgemeinen Zirkulation

6.2.5Mit der allgemeinen Zirkulation verbundener Energietransport

6.2.6Jahresgang der allgemeinen Zirkulation

6.2.7Monsune

6.3Beispiele besonderer Wetterlagen

6.3.1Die Dürre- und Hitzeperiode im Sommer 1976

6.3.2Der Kälteeinbruch vom Dezember 1978

6.3.3Die schweren Spätfröste vom Mai 1957

6.3.4Der Frühfrost vom September 1971

6.3.5Die Föhnlage vom April 1983

7Klima

7.1Was ist Klima?

7.2Der moderne Klimabegriff

7.3Klimascales

7.4Weltklima

7.5Makroklima

7.6Mesoklima und Mikroklima

7.6.1Strahlungsverhältnisse im gegliederten Gelände

7.6.2Temperaturverhältnisse im gegliederten Gelände

7.6.3Wind im gegliederten Gelände

7.6.4Niederschlag im gegliederten Gelände

7.6.5Stadtklima

7.6.6Klima im Pflanzenbestand

7.7Klima an Einzelpflanzen und Pflanzenorganen als Beispiel für das Spotklima

7.7.1 Strahlung

7.7.2Temperatur

8Messung meteorologischer Größen

8.1Temperatur

8.1.1 Flüssigkeitsthermometer

8.1.2Bimetallthermometer

8.1.3 Widerstandsthermometer

8.1.4Messfehler bei der Temperaturmessung

8.1.5Thermoelemente

8.1.6Strahlungsthermometer

8.1.7Messungen der Temperatur im Erdboden

8.2 Niederschläge und Beschläge

8.2.1Niederschlagsmesser

8.2.2Registrierende Niederschlagsmesser

8.2.3Niederschlagsmelder

8.2.4pH-Wert-Messer

8.2.5Nebeltraufe

8.2.6Stamm- und Stängelabfluss

8.2.7Benetzungsdauer

8.2.8Schneehöhe und Schneedichte

8.3Luftfeuchtigkeit

8.3.1Haarhygrometer

8.3.2Psychrometer

8.3.3Elektronische Feuchtemessung

8.4Verdunstung

8.5Bodenwassergehalt

8.6Wind

8.6.1Windrichtung

8.6.2Windgeschwindigkeit

8.7Strahlung

8.7.1Sonnenscheindauer

8.7.2Kurzwellige Strahlung

8.7.3Strahlungsbilanz

8.7.4Fotosynthetisch aktive Strahlung und Licht

8.8Luftdruck

8.8.1Quecksilberbarometer

8.8.2 Aneroid- oder Dosenbarometer

8.9Flugmeteorologisch wichtige Größen

8.9.1Sichtweite

8.9.2Wolkenuntergrenze

8.9.3Bestimmung der Wolkenmenge

8.10Wetterradar

8.11Nicht bodengebundene Messgeräte

8.11.1Radiosonden

8.11.2Fernerkundung

8.11.3Wettersatelliten

AAnhang – Schwankungen und Veränderungen des Klimas

AVorbemerkungen

A.1Das Klima früherer Zeiten

A.2Informationsquellen über das Klima früherer Zeiten

A.2.1Wettermessgeräte

A.2.2Schriftliche Informationen über das Wetter

A.2.3Indirekte Analyseverfahren

A.3Ergebnisse der Klimaanalysen

A.3.1Die letzten 100 Jahre

A.3.2Die letzten 1000 Jahre

A.3.3Die letzten 10 000 Jahre

A.3.4Die letzten 100 000 Jahre

A.3.5Die letzten 1 000 000 Jahre

A.4Ursachen der Klimaschwankungen

A.4.1Interne Einflüsse auf das Klima

A.4.2Externe Einflüsse auf das Klima

A.5Das Klima der Zukunft

A.5.1Klimaänderungen nach der Milanković-Theorie

A.5.2Anthropogene Einflüsse

A.5.3Klimamodelle

A.5.4Ergebnisse von Rechnungen mit Klimamodellen

Literaturverzeichnis

Über den Autor

Prof. Dr. Hans Häckel, 1942 in München geboren, studierte von 1962–1968 Meteorologie an der Universität München. Nach dem Diplom war er beim Deutschen Wetterdienst angestellt, 1970 legte er das große Staatsexamen ab und wurde in der Wettervorhersage beim Deutschen Wetterdienst (DWD) tätig.

Ein Jahr später besetzte er eine Wissenschaftlerstelle an der Agrarmeteorologischen Forschungsstelle des DWD in Weihenstephan und studierte parallel dazu Landwirtschaft und Gartenbau an der TUM. Nachdem er 1974 zum Doktor der Landwirtschaft promovierte, hielt Prof. Häckel von 1975–2007 Vorlesungen an der Hochschule Weihenstephan, später an der TUM über Meteorologie, Agrarmeteorologie und Klimatologie. Von 1976–2003 war er Leiter der Agrarmeteorologischen Forschungsstelle. Wissenschaftlich betätigte er sich in den Bereichen Frostschutz, Agrarmeteorologische Messtechnik, Feldberegnung, Modellierung agrarmeteorologischer Vorgänge, Agrarklimatologie, Phänologie und agrarmeteorologische Beratung.

Impressum

Die in diesem Buch enthaltenen Empfehlungen und Angaben sind vom Autor mit größter Sorgfalt zusammengestellt und geprüft worden. Eine Garantie für die Richtigkeit der Angaben kann aber nicht gegeben werden. Autor und Verlag übernehmen keinerlei Haftung für Schäden und Unfälle.

Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.

© 2016 Eugen Ulmer KG

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Internet: www.ulmer-verlag.de

Produktion: primustype Hurler GmbH | v1

ISBN 978-3-8252-4603-7 (Print)

ISBN 978-3-8463-4603-7 (E-Book)

Vorwort zur 8. Auflage

Die Meteorologie befasst sich mit den physikalischen Vorgängen in der Atmosphäre. Dabei hat sie naturgemäß wichtige Schnittstellen mit allen Geowissenschaften. Klimatologen, Geografen, Geophysiker, Ozeanografen, Geologen, Hydrologen und Glaziologen – sie alle benötigen für ihre Arbeit ein solides meteorologisches Grundwissen. Auch Botaniker, Zoologen und Ökologen können auf fundierte Kenntnisse über die Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre und Biosphäre nicht verzichten. Wie wichtig die Meteorologie für Landwirtschaft und Gartenbau ist, möge folgende Zahl verdeutlichen: Über 80 % der Varianz der Ernteerträge lassen sich mit dem Wetter erklären. Selbst der Garten- und Landschaftsarchitekt muss wissen, welche klimatische Situation ihn im Gelände erwartet und inwieweit er bei seinen Maßnahmen in das meteorologische Geschehen eingreift. Ähnlich ergeht es dem Architekten, der ein Gebäude errichten, dem Städteplaner, der eine Stadt gestalten oder dem Umweltingenieur, der die Auswirkungen einer Industrieanlage auf die Umgebung abschätzen soll. Für sie alle ist dieses Buch geschrieben. Darüber hinaus spricht es Physiker an, die Meteorologie als Nebenfach betreiben. Schließlich wendet es sich an Lehrer mit dem Thema Wetterkunde im Lehrplan und nicht zuletzt an jeden, der sich für diese vielseitige und lebendige Wissenschaft interessiert.

Für angehende Meteorologen ist das Buch allenfalls im Bachelor-Studium geeignet. Von fortgeschrittenen Meteorologie-Studierenden wird ein erheblich tieferes Eindringen in ihr Fachgebiet verlangt, wobei sie die erforderlichen Detailkenntnisse erwerben können.

Detailfragen können im Rahmen des vorliegenden Buchs nicht erschöpfend behandelt werden. Hier wird vielmehr ein breiter Überblick über die Meteorologie gegeben, der den Leser befähigt, sich selbstständig weiter zu vertiefen oder in Spezialgebiete einzuarbeiten. Dazu dient auch die ausführliche Zusammenstellung wichtiger weiterführender Literatur im Anhang.

In die vorliegende 8. Auflage wurde wieder eine Reihe von Ergänzungen aufgenommen, die zum großen Teil auf Fragen, Kritiken und Anregungen aus der Leserschaft zurückgehen. Viele Abbildungen präsentieren sich jetzt vierfarbig oder in einem größeren Format und sind damit noch einprägsamer geworden. Alle Neuerungen sollen helfen, die Meteorologie noch verständlicher darzustellen, denn das oberste Prinzip dieses Buches lautet auch weiterhin: Aktueller Inhalt bei optimaler Verständlichkeit!

Wie auch schon in den früheren Auflagen wurde wieder großer Wert darauf gelegt, die Hintergründe der meteorologischen Gesetzmäßigkeiten zu beleuchten und die großen Zusammenhänge herauszuarbeiten. Hat man diese erst einmal begriffen, dann ergeben sich Details oft als selbstverständliche Konsequenzen. Um das Arbeiten und Lernen zu erleichtern, wurde der bisher ins Internet ausgelagerte Anhang „Schwankungen und Veränderungen des Klimas“ in der vorliegenden Auflage in die gedruckte Version übernommen. Damit entfällt das bisher erforderliche zeitraubende Hin-und-her-Springen zwischen den beiden Medien.

Die Meteorologie ist in den letzten Jahrzehnten eine stark mathematisch-theoretisch geprägte Wissenschaft geworden. Das schreckt leider viele ab, sich mit ihr zu beschäftigen. Daher wurden in diesem Buch möglichst wenige Formeln verwendet, und die unumgänglich notwendigen Formeln wurden mit Beispielen aus der Alltagserfahrung plausibel gemacht. Alle besprochenen Gesetzmäßigkeiten werden mit möglichst vielen und allgemein bekannten Vorgängen belegt. Umgekehrt sollen die uns oft völlig unbewusst begegnenden atmosphärischen Phänomene als Folge möglichst einfacher und leicht begreifbarer Zusammenhänge gedeutet werden.

Die Informationen in den Randspalten wurden noch mehr als bisher dazu genutzt, „Blicke über den Tellerrand“ hinaus zu ermöglichen und Verbindungen herzustellen zu Nachbarwissenschaften, zu Erfahrungen aus dem Alltagsleben und zu wichtigen Wissenschaftlerpersönlichkeiten.

Das Buch ist in acht Kapitel und einen Anhang gegliedert. Das erste befasst sich mit der Geschichte der Atmosphäre und mit ihren Inhaltsstoffen, mit dem Luftdruck, den Stabilitäts- und Ausbreitungsbedingungen und den daraus resultierenden Umweltfragen. Das zweite behandelt die Gesetzmäßigkeiten und Erscheinungsformen des Wassers, das dritte die Sonnen- und Wärmestrahlung. Im vierten Kapitel werden die bis dahin erarbeiteten Gesetzmäßigkeiten zum Energiehaushalt der Erdoberfläche zusammengeführt. Der Wind, der im fünften Kapitel behandelt wird, leitet über zur Dynamik der Atmosphäre mit ihren Hoch- und Tiefdruckgebieten, die im sechsten Kapitel thematisiert wird. Aus ihr ergeben sich im siebten Kapitel die großen Klimazonen der Erde in die die klimatischen Besonderheiten im Gelände, in der Stadt, in unserer unmittelbaren Umgebung und an Einzelobjekten eingebettet sind. Wie man meteorologische Parameter messen kann, beschreibt das achte Kapitel, und der Anhang schließlich befasst sich mit natürlichen und anthropogen verursachten Klimaänderungen.

Die Bücher der Verlagskooperation utb sind preislich so kalkuliert, dass sie auch in Zeiten höherer finanzieller Belastung für die Studierenden erschwinglich bleiben. Das hat jedoch auf der anderen Seite zur Folge, dass man sich beim Präsentieren meteorologischer Phänomene, die mehr ästhetische als wissenschaftliche Bedeutung besitzen, etwas zurückhalten muss. Bei der Meteorologie, einer in ihrer Erscheinung außerordentlich „formenreichen und farbigen“ Wissenschaft, ist das besonders bedauerlich. Ich habe daher die Anregungen des Verlages Eugen Ulmer, einen „Naturführer Wetter und Klimaphänomene“ und einen „Naturführer Wolken und andere Phänomene am Himmel“ zu erarbeiten, gerne und dankbar angenommen. Diese Bücher zeigen in mehreren hundert Farbbildern teilweise sehr detailreich eine Vielzahl von meteorologischen Erscheinungen, die im vorliegenden Buch zwar besprochen sind, aber nicht adäquat abgebildet werden konnten. Sie dienen somit dem vorliegenden Lehrwerk als Ergänzungen, die interessierten Lesern die bunte Farbigkeit vieler weiterer meteorologischer Phänomene vorstellen. Die vollständigen bibliografischen Daten sind im Literaturverzeichnis aufgelistet.

Ich bedanke mich bei allen, die durch Fragen, Anregungen oder konstruktive Kritik mitgeholfen haben, das Buch weiter zu verbessern. Mein ganz besonderer Dank gebührt Herrn Dr. Michael Sachweh für seine Beratung sowie den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Verlags Eugen Ulmer für die angenehme Zusammenarbeit.

Von der Mühsal des Schreibens:

Im 8. Jahrhundert schildert der Schreiber des Westgotischen Wörterbuches die Mühsal seiner Tätigkeit und gibt dem Leser Anweisungen:

„O glücklichster Leser, wasche Deine Hände

und fasse so das Buch an,

drehe die Blätter sanft,

halte die Finger weit ab von den Buchstaben.

Der, der nicht schreiben kann,

glaubt nicht, daß dies eine Arbeit sei.

O, wie schwer ist das Schreiben:

Es trübt die Augen, quetscht die Nieren

und bringt zugleich allen Gliedern Qual;

drei Finger schreiben, der ganze Körper leidet.”

(Quelle: Schreibersprüche aus der Ausstellung: „Schreibkunst, Mittelalterliche Buchmalerei aus dem Kloster Seeon.” Kloster Seeon, 1996)

Formelzeichen und Einheiten

Leider lässt es sich nicht immer vermeiden, ein und dasselbe Formelzeichen für mehrere physikalischen Größen zu verwenden. In solchen Fällen wurde jedoch streng darauf geachtet, dass keine Verwechslungen möglich sind.

Bildquellen

Die Grafiken fertigte Helmuth Flubacher nach Vorlage des Autors und aus der Literatur oder der Autor.

Quellen der Fotos und Zeichnungen sind in den jeweiligen Abbildungsunterschriften nachgewiesen. Ist keine Quelle angegeben, stammt die Abbildung vom Autor.

Wichtige Wettersymbole

Alle Seitenverweise im Text beziehen sich auf die gedruckten Buchseiten. Die im E-Book zusätzlich eingefügten und gelb markierten Ziffern geben das Seitenende einer Buchseite an:

Flüssigkeitsthermometer für die Bodentemperaturmessung gibt es in zwei Ausführungsformen. Für Tiefen bis zu 20 cm benützt 382 man fest in den Boden eingebaute Quecksilberthermometer mit entsprechend langem Rohr. Damit leichter abgelesen werden kann, sind diese über dem Erdboden schräg abgeknickt und zum Schutz vor Brüchen in ein Stativ eingespannt. In dieser Form gibt es Erdbodenthermometer auch in Maximum- und Minimumausführung.