Theoretische Meteorologie: eine Einführung
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|---|---|
| Format: | Book |
| Language: | German |
| Published: |
Berlin [u.a.]
Springer
2008
|
| Edition: | 3., erw. und aktualisierte Aufl. |
| Subjects: | |
| Online Access: | Inhaltsverzeichnis |
| Physical Description: | X, 376 S. graph. Darst. |
| ISBN: | 9783540759782 |
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|---|---|
| adam_text | Inhaltsverzeichnis
1 Einführung und Definitionen 1
1.1 Einleitung............................... 1
1.2 Physikalische Größen und Einheiten................. 2
1.3 Vektor- und Tensornotation..................... 3
2 Gase und Gasgemische 9
2.1 Thermodynamische Systeme..................... 9
2.2 Ideale Gase .............................. 11
2.3 Reale Gase und Gasgemische..................... 13
3 Der Erste Hauptsatz der Thermodynamik 17
3.1 Innere Energie............................. 17
3.2 Erster Hauptsatz und Enthalpie................... 19
3.3 Das Joulesche Gesetz......................... 21
3.4 Spezifische Wärmen.......................... 23
3.5 Funktionale Zusammenhänge für Energie und Enthalpie ..... 24
3.6 Zustandsänderungen ......................... 26
3.7 Adiabatische Zustandsänderungen.................. 28
4 Wasserdampf in der Atmosphäre 31
4.1 Wasserdampf als ideales Gas..................... 31
4.2 Feuchtemaße.............................. 32
4.3 Die Zustandsgieichung für das Gemisch feuchte Luft........ 33
4.4 Spezifische Wärmen für feuchte Luft ................ 35
4.5 Heterogene Systeme.......................... 37
4.6 Latente Wärmen ........................... 39
4.7 Der Wasserdampfdruck bei Sättigung................ 44
5 Thermodynamische Prozesse in der Atmosphäre 49
5.1 Der thermodynamische Zustand der Atmosphäre ......... 49
5.2 Zur diabatischen Wärmezufuhr SQ ................. 50
5.3 Zur Berücksichtigung der latenten Wärme L............ 56
5.4 Kondensation in der Atmosphäre.................. 58
5.5 Der Treibhauseffekt.......................... 61
6 Der vertikale Aufbau der Atmosphäre 65
6.1 Das Geopotential........................... 65
6.2 Die statische Grundgleichung .................... 66
6.3 Der vertikale Temperaturgradient.................. 72
6.4 Die statische Stabilität........................ 75
VIII Inhaltsverzeichnis
6.5 Innere Energie und potentielle Energie in der Atmosphäre .... 81
7 Geschwindigkeitsfelder und deren Eigenschaften 87
7.1 Die Eulersche Zerlegung.......................87
7.2 Die Divergenz von Geschwindigkeitsfeldern.............89
7.3 Die Vorticity..............................91
7.4 Die Deformation............................93
7.5 Die Zirkulation eines Geschwindigkeitsfeldes............94
7.6 Die Stromfunktion ..........................96
7.7 Das Geschwindigkeitspotential....................98
7.8 Stromfunktion und Geschwindigkeitspotential...........99
8 Die Kontinuitätsgleichung 101
8.1 Flüsse und Transporte........................101
8.2 Die Kontinuitätsgleichung......................102
8.3 Bodendrucktendenz und Kontinuitätsgleichung...........105
9 Die Eulerschen Bewegungsgleichungen 107
9.1 Die Schwerkraft............................107
9.2 Die Druckkraft ............................108
9.3 Zur Ursache von atmosphärischen Bewegungsvorgängen......111
9.4 Die Bernoulli-Gleichung .......................115
9.5 Die Zentrifugalkraft und die Coriolis-Kraft.............117
9.6 Die Bewegungsgleichungen im rotierenden System.........124
9.7 Analyse der Bewegungsgleichung...................125
9.8 Die Bewegungsgleichungen in Kugelkoordinaten..........127
9.9 Die Bewegungsgleichungen im p-System...............129
10 Der geostrophische Wind 135
10.1 Definition des geostrophischen Windes...............135
10.2 Der thermische Wind.........................137
10.3 Geostrophischer und thermischer Wind im p-System .......140
10.4 Barotrope und barokline Atmosphäre................142
10.5 Gradientwind und zyklostrophischer Wind.............144
10.6 Skalenanalyse.............................146
11 Die Vorticitygleichung 149
11.1 Vorticitygleichung für eine zweidimensionale Strömung......149
11.2 Stromfunktion und Vorticitygleichung................152
11.3 Die Vorticitygleichung für eine dreidimensionale Strömung .... 153
11.4 Die linearisierte Vorticitygleichung..................159
11.5 Die Zirkulationsgleichung.......................162
12 Gleichungen für atmosphärische Bewegungsvorgänge 169
12.1 Grundgleichungen...........................169
Inhaltsverzeichnis IX
12.2 Gleichungen für synoptische Bewegungsvorgänge..........170
12.3 Quasi-geostrophische Gleichungen..................172
12.4 Die Omega-Gleichung.........................176
12.5 Die potentielle Vorticity .......................177
12.6 Energiegleichungen für eine reibungsfreie Atmosphäre.......180
12.7 Die Boussinesq-Approximation....................183
13 Wellen in der Atmosphäre 187
13.1 Periodische Bewegungen in der Atmosphäre: Wellen........187
13.2 Schallwellen..............................189
13.3 Schwerewellen.............................190
13.3.1 Externe Schwerewellen....................191
13.3.2 Interne Schwerewellen ....................195
13.3.3 Schwerewellen über ebenem Untergrund..........199
13.3.4 Schwerewellen über nicht-ebenem Untergrund.......201
14 Instabilitäten und Zyklogenese 207
14.1 Stabilitätsanalyse...........................207
14.2 Barotrope Instabilität.........................209
14.3 Barokline Instabilität.........................214
14.3.1 Störungsgleichungen für das Zwei-Schichten-Modell .... 214
14.3.2 Störungsanalyse........................219
14.3.3 Erläuterungen zum Mechanismus der baroklinen Instabilität222
14.4 Kleinräumige Instabilitäten .....................227
15 Wirbeldynamik 231
15.1 Wirbel in der Atmosphäre......................231
15.2 Die Wirbelgleichung..........................232
15.3 Mechanismen der Wirbelbildung...................233
16 Einführende Bemerkungen zur Allgemeinen Atmosphärischen
Zirkulation 237
16.1 Die Allgemeine Atmosphärische Zirkulation ............237
17 Einführung in die numerische Wettervorhersage und Klimamo-
dellierung 243
17.1 Numerische Wettervorhersage....................243
17.2 Einführung in die Klimamodellierung................250
18 Bewegungsgleichungen mit Reibung 255
18.1 Oberflächenkräfte...........................255
18.2 Die Navier-Stokes-Gleichungen....................257
18.3 Einfache Lösungen der Navier-Stokes-Gleichungen.........262
19 Die gemittelten Bewegungsgleichungen 267
Inhaltsverzeichnis
19.1 Begriffe und Regeln zu Mittelbildungen...............267
19.2 Die Reynolds-Gleichungen......................271
19.3 Gradientansatz und Mischungsweg für turbulente Transporte . . . 275
20 Kinetische Energie einer turbulenten Strömung 281
20.1 Gleichung für die gesamte kinetische Energie............281
20.2 Gleichung für die kinetische Energie der mittleren Strömung . . . 282
20.3 Gleichung für die Turbulenzenergie.................283
20.4 Maßzahlen für die Turbulenz.....................287
20.5 Mikro- und Makroturbulenz.....................291
21 Die atmosphärische Grenzschicht 297
21.1 Die Einteilung der atmosphärischen Grenzschicht.........297
21.2 Die bodennahe Grenzschicht: Die Prandtl-Schicht.........299
21.3 Das Windprofil in der Prandtl-Schicht ...............300
21.4 Das Windprofil bei diabatischer Schichtung.............303
21.4.1 Erläuterungen zum allgemeinen Sprachgebrauch......303
21.4.2 Die Monin-Obukhov-Stabilitätslänge............304
21.4.3 Das Windprofil und der Diffusionskoefnzient........305
21.4.4 Die Profilfunktionen in der Prandtl-Schicht.........307
21.5 Das Potenzprofil für die Windgeschwindigkeit...........309
21.6 Das Temperaturprofil in der Prandtl-Schicht............312
21.6.1 Temperaturprofil und Profilfunktion ............312
21.6.2 Die Profilmethode für turbulente Flüsse ..........315
21.7 Die atmosphärische Grenzschicht: Ekman-Schicht.........316
21.8 Die Höhe der atmosphärischen Grenzschicht............320
21.9 Die turbulente Schubspannung in der Ekman-Schicht.......321
21.10 Die Ekman-Spirale oberhalb einer Prandtl-Schicht.........322
21.11 Grenzschicht-Modelle mit einem Mischungswegansatz.......327
21.12 Die Wechselwirkung zwischen Grenzschicht und freier Atmosphäre 328
21.13 Die instationäre Ekmanschicht....................333
21.14 Das Temperaturprofil in der Grenzschicht .............336
22 Die Ausbreitung von Substanzen in der Atmosphäre 341
22.1 Die Diffusionsgleichung........................341
22.2 Die Konzentrationsverteilung für momentane Punktquellen .... 343
22.3 Konzentrationsverteilung für kontinuierliche Punktquellen .... 345
22.4 Die Konzentrationsverteilung als Gaußsche Normalverteilung . . . 348
22.5 Diffusion unter Berücksichtigung des Erdbodens..........349
22.6 Praktische Anwendung der Ausbreitungsrechnung.........351
22.7 Lagrange Partikelmodelle.......................354
Literaturverzeichnis 361
Sachwortverzeichnis 371
|
| adam_txt |
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung und Definitionen 1
1.1 Einleitung. 1
1.2 Physikalische Größen und Einheiten. 2
1.3 Vektor- und Tensornotation. 3
2 Gase und Gasgemische 9
2.1 Thermodynamische Systeme. 9
2.2 Ideale Gase . 11
2.3 Reale Gase und Gasgemische. 13
3 Der Erste Hauptsatz der Thermodynamik 17
3.1 Innere Energie. 17
3.2 Erster Hauptsatz und Enthalpie. 19
3.3 Das Joulesche Gesetz. 21
3.4 Spezifische Wärmen. 23
3.5 Funktionale Zusammenhänge für Energie und Enthalpie . 24
3.6 Zustandsänderungen . 26
3.7 Adiabatische Zustandsänderungen. 28
4 Wasserdampf in der Atmosphäre 31
4.1 Wasserdampf als ideales Gas. 31
4.2 Feuchtemaße. 32
4.3 Die Zustandsgieichung für das Gemisch feuchte Luft. 33
4.4 Spezifische Wärmen für feuchte Luft . 35
4.5 Heterogene Systeme. 37
4.6 Latente Wärmen . 39
4.7 Der Wasserdampfdruck bei Sättigung. 44
5 Thermodynamische Prozesse in der Atmosphäre 49
5.1 Der thermodynamische Zustand der Atmosphäre . 49
5.2 Zur diabatischen Wärmezufuhr SQ . 50
5.3 Zur Berücksichtigung der latenten Wärme L. 56
5.4 Kondensation in der Atmosphäre. 58
5.5 Der Treibhauseffekt. 61
6 Der vertikale Aufbau der Atmosphäre 65
6.1 Das Geopotential. 65
6.2 Die statische Grundgleichung . 66
6.3 Der vertikale Temperaturgradient. 72
6.4 Die statische Stabilität. 75
VIII Inhaltsverzeichnis
6.5 Innere Energie und potentielle Energie in der Atmosphäre . 81
7 Geschwindigkeitsfelder und deren Eigenschaften 87
7.1 Die Eulersche Zerlegung.87
7.2 Die Divergenz von Geschwindigkeitsfeldern.89
7.3 Die Vorticity.91
7.4 Die Deformation.93
7.5 Die Zirkulation eines Geschwindigkeitsfeldes.94
7.6 Die Stromfunktion .96
7.7 Das Geschwindigkeitspotential.98
7.8 Stromfunktion und Geschwindigkeitspotential.99
8 Die Kontinuitätsgleichung 101
8.1 Flüsse und Transporte.101
8.2 Die Kontinuitätsgleichung.102
8.3 Bodendrucktendenz und Kontinuitätsgleichung.105
9 Die Eulerschen Bewegungsgleichungen 107
9.1 Die Schwerkraft.107
9.2 Die Druckkraft .108
9.3 Zur Ursache von atmosphärischen Bewegungsvorgängen.111
9.4 Die Bernoulli-Gleichung .115
9.5 Die Zentrifugalkraft und die Coriolis-Kraft.117
9.6 Die Bewegungsgleichungen im rotierenden System.124
9.7 Analyse der Bewegungsgleichung.125
9.8 Die Bewegungsgleichungen in Kugelkoordinaten.127
9.9 Die Bewegungsgleichungen im p-System.129
10 Der geostrophische Wind 135
10.1 Definition des geostrophischen Windes.135
10.2 Der thermische Wind.137
10.3 Geostrophischer und thermischer Wind im p-System .140
10.4 Barotrope und barokline Atmosphäre.142
10.5 Gradientwind und zyklostrophischer Wind.144
10.6 Skalenanalyse.146
11 Die Vorticitygleichung 149
11.1 Vorticitygleichung für eine zweidimensionale Strömung.149
11.2 Stromfunktion und Vorticitygleichung.152
11.3 Die Vorticitygleichung für eine dreidimensionale Strömung . 153
11.4 Die linearisierte Vorticitygleichung.159
11.5 Die Zirkulationsgleichung.162
12 Gleichungen für atmosphärische Bewegungsvorgänge 169
12.1 Grundgleichungen.169
Inhaltsverzeichnis IX
12.2 Gleichungen für synoptische Bewegungsvorgänge.170
12.3 Quasi-geostrophische Gleichungen.172
12.4 Die Omega-Gleichung.176
12.5 Die potentielle Vorticity .177
12.6 Energiegleichungen für eine reibungsfreie Atmosphäre.180
12.7 Die Boussinesq-Approximation.183
13 Wellen in der Atmosphäre 187
13.1 Periodische Bewegungen in der Atmosphäre: Wellen.187
13.2 Schallwellen.189
13.3 Schwerewellen.190
13.3.1 Externe Schwerewellen.191
13.3.2 Interne Schwerewellen .195
13.3.3 Schwerewellen über ebenem Untergrund.199
13.3.4 Schwerewellen über nicht-ebenem Untergrund.201
14 Instabilitäten und Zyklogenese 207
14.1 Stabilitätsanalyse.207
14.2 Barotrope Instabilität.209
14.3 Barokline Instabilität.214
14.3.1 Störungsgleichungen für das Zwei-Schichten-Modell . 214
14.3.2 Störungsanalyse.219
14.3.3 Erläuterungen zum Mechanismus der baroklinen Instabilität222
14.4 Kleinräumige Instabilitäten .227
15 Wirbeldynamik 231
15.1 Wirbel in der Atmosphäre.231
15.2 Die Wirbelgleichung.232
15.3 Mechanismen der Wirbelbildung.233
16 Einführende Bemerkungen zur Allgemeinen Atmosphärischen
Zirkulation 237
16.1 Die Allgemeine Atmosphärische Zirkulation .237
17 Einführung in die numerische Wettervorhersage und Klimamo-
dellierung 243
17.1 Numerische Wettervorhersage.243
17.2 Einführung in die Klimamodellierung.250
18 Bewegungsgleichungen mit Reibung 255
18.1 Oberflächenkräfte.255
18.2 Die Navier-Stokes-Gleichungen.257
18.3 Einfache Lösungen der Navier-Stokes-Gleichungen.262
19 Die gemittelten Bewegungsgleichungen 267
Inhaltsverzeichnis
19.1 Begriffe und Regeln zu Mittelbildungen.267
19.2 Die Reynolds-Gleichungen.271
19.3 Gradientansatz und Mischungsweg für turbulente Transporte . . . 275
20 Kinetische Energie einer turbulenten Strömung 281
20.1 Gleichung für die gesamte kinetische Energie.281
20.2 Gleichung für die kinetische Energie der mittleren Strömung . . . 282
20.3 Gleichung für die Turbulenzenergie.283
20.4 Maßzahlen für die Turbulenz.287
20.5 Mikro- und Makroturbulenz.291
21 Die atmosphärische Grenzschicht 297
21.1 Die Einteilung der atmosphärischen Grenzschicht.297
21.2 Die bodennahe Grenzschicht: Die Prandtl-Schicht.299
21.3 Das Windprofil in der Prandtl-Schicht .300
21.4 Das Windprofil bei diabatischer Schichtung.303
21.4.1 Erläuterungen zum allgemeinen Sprachgebrauch.303
21.4.2 Die Monin-Obukhov-Stabilitätslänge.304
21.4.3 Das Windprofil und der Diffusionskoefnzient.305
21.4.4 Die Profilfunktionen in der Prandtl-Schicht.307
21.5 Das Potenzprofil für die Windgeschwindigkeit.309
21.6 Das Temperaturprofil in der Prandtl-Schicht.312
21.6.1 Temperaturprofil und Profilfunktion .312
21.6.2 Die Profilmethode für turbulente Flüsse .315
21.7 Die atmosphärische Grenzschicht: Ekman-Schicht.316
21.8 Die Höhe der atmosphärischen Grenzschicht.320
21.9 Die turbulente Schubspannung in der Ekman-Schicht.321
21.10 Die Ekman-Spirale oberhalb einer Prandtl-Schicht.322
21.11 Grenzschicht-Modelle mit einem Mischungswegansatz.327
21.12 Die Wechselwirkung zwischen Grenzschicht und freier Atmosphäre 328
21.13 Die instationäre Ekmanschicht.333
21.14 Das Temperaturprofil in der Grenzschicht .336
22 Die Ausbreitung von Substanzen in der Atmosphäre 341
22.1 Die Diffusionsgleichung.341
22.2 Die Konzentrationsverteilung für momentane Punktquellen . 343
22.3 Konzentrationsverteilung für kontinuierliche Punktquellen . 345
22.4 Die Konzentrationsverteilung als Gaußsche Normalverteilung . . . 348
22.5 Diffusion unter Berücksichtigung des Erdbodens.349
22.6 Praktische Anwendung der Ausbreitungsrechnung.351
22.7 Lagrange Partikelmodelle.354
Literaturverzeichnis 361
Sachwortverzeichnis 371 |
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