Grundlagen der Grenzschicht-Meteorologie: Einführung in die Physik der Atmosphärischen Grenzschicht und in die Mikrometeorologie
Den untersten Teil der Erdatmosphäre nennt man atmosphärische Grenzschicht. Hier leben die meisten Lebewesen (Mensch, Tier, Pflanzenwelt), daher ist sie von besonderer Bedeutung. Das Buch erläutert sorgfältig die physikalischen Prozesse in der atmosphärischen Grenzschicht und setzt einen weiteren Sc...
Gespeichert in:
| 1. Verfasser: | |
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| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Berlin [u.a.]
Springer
2008
|
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
| Zusammenfassung: | Den untersten Teil der Erdatmosphäre nennt man atmosphärische Grenzschicht. Hier leben die meisten Lebewesen (Mensch, Tier, Pflanzenwelt), daher ist sie von besonderer Bedeutung. Das Buch erläutert sorgfältig die physikalischen Prozesse in der atmosphärischen Grenzschicht und setzt einen weiteren Schwerpunkt bei den Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre, Boden und Vegetation (Mikrometeorologie bzw. Mikroklimatologie). Dieses Buch richtet sich an Studierende und Dozenten der Meteorologie sowie an Geographen, Bodenkundler und Pflanzenökologen. |
| Beschreibung: | IX, 211 S. Ill., graph. Darst. |
| ISBN: | 9783540759805 3540759808 |
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| adam_text | Inhaltsverzeichnis
Teil
I
· Physik der Atmosphärischen Grenzschicht.......................1
1 Der Grenzschicht-Begriff.........................................................3
1.1 Die Atmosphärische Grenzschicht, der unterste Teil
der Troposphäre......................................................................3
1.2 Der Grenzschicht-Begriff in der allgemeinen Strömungslehre .........4
1.3 Anwendung der Bewegungsgleichung .........................................6
1.4 Gedanklicher Übergang zur Atmosphärischen Grenzschicht ......... 10
1.5 Skalenanalyse ....................................................................... 11
1.5.1 Beispiel 1: Thermische Diffusion
bei vorgegebener charakteristischer Länge ...................... 11
1.5.2 Beispiel 2: Höhe einer stationären Laborgrenzschicht........ 13
1.5.3 Beispiel 3: Höhe einer stationären Atmosphärischen
Grenzschicht .............................................................. 13
1.6 Dimensionsanalyse................................................................ 13
1.7 Unterschiedliche Definitionen der Grenzschichthöhe
б
aus dem Profilverlauf ............................................................. 14
1.8 Typen der Atmosphärischen Grenzschicht ................................. 15
2 Flussdichten......................................................................... 17
2.1 Turbulenz............................................................................. 17
2.2 Formulierung von Flussdichten................................................ 19
2.2.1 Die transportierte Eigenschaft ist ein
Skalar
..................... 20
2.2.2 Die transportierte Eigenschaft ist die Komponente
eines Vektors .............................................................. 22
2.2.3 Der molekulare Impulstransport.................................... 24
3 Die hydrodynamischen Grundgleichungen.............................. 25
3.1 Die Komponentenschreibweise ................................................ 25
3.2 Die Kontinuitätsgleichung....................................................... 26
3.3 Die Gasgleichung................................................................... 26
3.4 Skalenanalyse von mit Fluktuationsgrößen
gebildeten
Termen
................................................................. 26
3.5 Die Bewegungsgleichung ........................................................ 29
3.6 Die Haushaltsgleichungen für die fühlbare Wärme
und den Wasserdampf............................................................ 30
3.7 Die Randbedingungen............................................................ 32
VIII Inhaltsverzeichnis
4 Haushaltsgleichungen von Größen,
die die Turbulenz beschreiben................................................. 35
4.1 Die Haushaltsgleichung für die turbulente kinetische Energie ....... 35
4.2 Weitere Gleichungen für kinetische Energien ............................. 41
4.3 Allgemeines über Haushaltsgleichungen für Momente
zweiter Ordnung ................................................................... 43
4.4 Spektraler Transfer ................................................................ 44
4.5 Quantitative Beispiele............................................................. 46
5 Die Parametrisierung ............................................................ 49
5.1 DasProblem......................................................................... 49
5.2 Die Schließung erster Ordnung ................................................ 51
5.2.1 Der K-Ansatz und die Theorie des Mischungsweges .......... 51
5.2.2 Der Differenzen-Ansatz................................................ 54
5.3 Schließungen höherer Ordnung ............................................... 55
6 Dynamik der Ekman-Schicht .................................................. 57
6.1 Die Ekman-Spirale in der Atmosphäre ...................................... 57
6.1.1 Die Ekman-Gleichungen .............................................. 57
6.1.2 Lösung der Ekman-Gleichungen mit
Кы
=
const..................
59
6.1.3 Lösung der Ekman-Gleichungen mit höhenabhängigem KM .. 60
6.1.4 Darstellung und Interpretation der Lösungen................... 60
6.2 Die vertikale Struktur der Atmosphärischen Grenzschicht............ 66
6.2.1 Die Höhe der Prandtl-Schicht........................................ 66
6.2.2 Die Höhe der dynamischen Grenzschicht ........................ 68
6.2.3 Das Gesamtbild der Struktur der horizontal homogenen
dynamischen Grenzschicht ........................................... 69
6.3 Die Ekman-Spirale im Ozean................................................... 70
7 Die Prandtl-Schicht............................................................... 75
7.1 Das logarithmische Windprofil bei neutraler Schichtung.............. 75
7.2 Überlegungen zum diabatischen Windprofil............................... 81
7.3 Stabilitätsbetrachtungen ......................................................... 82
7.4 Das Turbulenzkriterium von L.E
Richardson
.............................. 86
7.5 Die Ähnlichkeitstheorie von Monin und Obukhov....................... 87
7.6 Das aus der Ähnlichkeitstheorie folgende Windprofil................... 89
7.7 Allgemeine Formulierung der Profilbeziehungen ........................ 91
7.8 Die Bestimmung der Funktionen
φ(ζ)
und
j
(ζ)..........................
91
7.9 Die Bulk-Transportkoeffizienten oder -widerstände .................... 94
7.10 Weitere Gesetzmäßigkeiten der Prandtl-Schicht.......................... 96
8 Die Rossby-Zahl-Ähnlichkeitstheorie....................................... 97
8.1 Grundlagen .......................................................................... 97
8.2 Die Widerstandsgesetze der AGS .............................................. 98
8.3 Einfache Modelle für die gesamte AGS......................................100
9 Die konvektive Grenzschicht.................................................103
9.1 Einordnung in die Grundtypen der AGS ...................................103
9.2 Ähnlichkeitsbetrachtungen ....................................................105
Inhaltsverzeichnis
IX
9.3 Die beobachtete Struktur der konvektiven Grenzschicht..............106
9.4 Konzeptionelle Modelle .........................................................109
9.4.1 Die Grundstruktur der konvektiven Grenzschicht............109
9.4.2 Die trockene konvektive Grenzschicht............................110
9.4.3 Die konvektive Grenzschicht mit Wolken (feuchte CBL) .... 112
10 Die stabile Grenzschicht .......................................................117
10.1 Das Phänomen.....................................................................117
10.2 Der nächtliche Grenzschicht-Strahlstrom..................................121
Teil
II
· Mikrometeorologie...................................................125
11 Die Energiebilanz an der Erdoberfläche..................................127
11.1 Die Strahlungsbilanz.............................................................127
11.2 Der Bodenwärmestrom..........................................................129
11.3 Die Energiebilanzterme über wirklichen Oberflächen.................136
11.4 Zusammenhänge zwischen den Energiebilanztermen .................138
11.5 Messung der Energiebilanzterme ............................................140
11.6 Beispiele .............................................................................144
12 Mikroklimate ......................................................................145
12.1 Definition............................................................................145
12.2 Beispiele .............................................................................146
12.3 Interne Grenzschichten..........................................................154
13 Das Bestandsklima...............................................................161
13.1 Eigenschaften einer Vegetationsdecke ......................................161
13.2 Die Verdunstung...................................................................163
13.2.1 Photosynthese und Respiration.....................................163
13.2.2 Die potentielle Verdunstung.........................................165
13.2.3 Die aktuelle Verdunstung.............................................168
13.3 Boden-Vegetation-Atmosphäre-Wechselwirkung
(SVAT)
.............170
14 Mikrometeorologie über Schnee- und Eisoberflächen..............177
14.1 Problematik und einige Phänomene ........................................177
14.2 Freie und bedeckte
Ablation
...................................................179
14.2.1 Grundlagen für ein einfaches Modell.............................179
14.2.2 Freie
Ablation
............................................................181
14.2.3 Bedeckte
Ablation
......................................................182
14.2.4 Ablationsdiagramme ..................................................183
Anhang · Zur Geschichte der Grenzschicht-Meteorologie........189
Literaturverzeichnis.............................................................199
Sachverzeichnis...................................................................205
|
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Inhaltsverzeichnis
Teil
I
· Physik der Atmosphärischen Grenzschicht.1
1 Der Grenzschicht-Begriff.3
1.1 Die Atmosphärische Grenzschicht, der unterste Teil
der Troposphäre.3
1.2 Der Grenzschicht-Begriff in der allgemeinen Strömungslehre .4
1.3 Anwendung der Bewegungsgleichung .6
1.4 Gedanklicher Übergang zur Atmosphärischen Grenzschicht . 10
1.5 Skalenanalyse . 11
1.5.1 Beispiel 1: Thermische Diffusion
bei vorgegebener charakteristischer Länge . 11
1.5.2 Beispiel 2: Höhe einer stationären Laborgrenzschicht. 13
1.5.3 Beispiel 3: Höhe einer stationären Atmosphärischen
Grenzschicht . 13
1.6 Dimensionsanalyse. 13
1.7 Unterschiedliche Definitionen der Grenzschichthöhe
б
aus dem Profilverlauf . 14
1.8 Typen der Atmosphärischen Grenzschicht . 15
2 Flussdichten. 17
2.1 Turbulenz. 17
2.2 Formulierung von Flussdichten. 19
2.2.1 Die transportierte Eigenschaft ist ein
Skalar
. 20
2.2.2 Die transportierte Eigenschaft ist die Komponente
eines Vektors . 22
2.2.3 Der molekulare Impulstransport. 24
3 Die hydrodynamischen Grundgleichungen. 25
3.1 Die Komponentenschreibweise . 25
3.2 Die Kontinuitätsgleichung. 26
3.3 Die Gasgleichung. 26
3.4 Skalenanalyse von mit Fluktuationsgrößen
gebildeten
Termen
. 26
3.5 Die Bewegungsgleichung . 29
3.6 Die Haushaltsgleichungen für die fühlbare Wärme
und den Wasserdampf. 30
3.7 Die Randbedingungen. 32
VIII Inhaltsverzeichnis
4 Haushaltsgleichungen von Größen,
die die Turbulenz beschreiben. 35
4.1 Die Haushaltsgleichung für die turbulente kinetische Energie . 35
4.2 Weitere Gleichungen für kinetische Energien . 41
4.3 Allgemeines über Haushaltsgleichungen für Momente
zweiter Ordnung . 43
4.4 Spektraler Transfer . 44
4.5 Quantitative Beispiele. 46
5 Die Parametrisierung . 49
5.1 DasProblem. 49
5.2 Die Schließung erster Ordnung . 51
5.2.1 Der K-Ansatz und die Theorie des Mischungsweges . 51
5.2.2 Der Differenzen-Ansatz. 54
5.3 Schließungen höherer Ordnung . 55
6 Dynamik der Ekman-Schicht . 57
6.1 Die Ekman-Spirale in der Atmosphäre . 57
6.1.1 Die Ekman-Gleichungen . 57
6.1.2 Lösung der Ekman-Gleichungen mit
Кы
=
const.
59
6.1.3 Lösung der Ekman-Gleichungen mit höhenabhängigem KM . 60
6.1.4 Darstellung und Interpretation der Lösungen. 60
6.2 Die vertikale Struktur der Atmosphärischen Grenzschicht. 66
6.2.1 Die Höhe der Prandtl-Schicht. 66
6.2.2 Die Höhe der dynamischen Grenzschicht . 68
6.2.3 Das Gesamtbild der Struktur der horizontal homogenen
dynamischen Grenzschicht . 69
6.3 Die Ekman-Spirale im Ozean. 70
7 Die Prandtl-Schicht. 75
7.1 Das logarithmische Windprofil bei neutraler Schichtung. 75
7.2 Überlegungen zum diabatischen Windprofil. 81
7.3 Stabilitätsbetrachtungen . 82
7.4 Das Turbulenzkriterium von L.E
Richardson
. 86
7.5 Die Ähnlichkeitstheorie von Monin und Obukhov. 87
7.6 Das aus der Ähnlichkeitstheorie folgende Windprofil. 89
7.7 Allgemeine Formulierung der Profilbeziehungen . 91
7.8 Die Bestimmung der Funktionen
φ(ζ)
und
j
(ζ).
91
7.9 Die Bulk-Transportkoeffizienten oder -widerstände . 94
7.10 Weitere Gesetzmäßigkeiten der Prandtl-Schicht. 96
8 Die Rossby-Zahl-Ähnlichkeitstheorie. 97
8.1 Grundlagen . 97
8.2 Die Widerstandsgesetze der AGS . 98
8.3 Einfache Modelle für die gesamte AGS.100
9 Die konvektive Grenzschicht.103
9.1 Einordnung in die Grundtypen der AGS .103
9.2 Ähnlichkeitsbetrachtungen .105
Inhaltsverzeichnis
IX
9.3 Die beobachtete Struktur der konvektiven Grenzschicht.106
9.4 Konzeptionelle Modelle .109
9.4.1 Die Grundstruktur der konvektiven Grenzschicht.109
9.4.2 Die trockene konvektive Grenzschicht.110
9.4.3 Die konvektive Grenzschicht mit Wolken (feuchte CBL) . 112
10 Die stabile Grenzschicht .117
10.1 Das Phänomen.117
10.2 Der nächtliche Grenzschicht-Strahlstrom.121
Teil
II
· Mikrometeorologie.125
11 Die Energiebilanz an der Erdoberfläche.127
11.1 Die Strahlungsbilanz.127
11.2 Der Bodenwärmestrom.129
11.3 Die Energiebilanzterme über wirklichen Oberflächen.136
11.4 Zusammenhänge zwischen den Energiebilanztermen .138
11.5 Messung der Energiebilanzterme .140
11.6 Beispiele .144
12 Mikroklimate .145
12.1 Definition.145
12.2 Beispiele .146
12.3 Interne Grenzschichten.154
13 Das Bestandsklima.161
13.1 Eigenschaften einer Vegetationsdecke .161
13.2 Die Verdunstung.163
13.2.1 Photosynthese und Respiration.163
13.2.2 Die potentielle Verdunstung.165
13.2.3 Die aktuelle Verdunstung.168
13.3 Boden-Vegetation-Atmosphäre-Wechselwirkung
(SVAT)
.170
14 Mikrometeorologie über Schnee- und Eisoberflächen.177
14.1 Problematik und einige Phänomene .177
14.2 Freie und bedeckte
Ablation
.179
14.2.1 Grundlagen für ein einfaches Modell.179
14.2.2 Freie
Ablation
.181
14.2.3 Bedeckte
Ablation
.182
14.2.4 Ablationsdiagramme .183
Anhang · Zur Geschichte der Grenzschicht-Meteorologie.189
Literaturverzeichnis.199
Sachverzeichnis.205 |
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Dieses Buch richtet sich an Studierende und Dozenten der Meteorologie sowie an Geographen, Bodenkundler und Pflanzenökologen.</subfield></datafield><datafield tag="650" ind1="0" ind2="7"><subfield code="a">Mikrometeorologie</subfield><subfield code="0">(DE-588)4315182-6</subfield><subfield code="2">gnd</subfield><subfield code="9">rswk-swf</subfield></datafield><datafield tag="650" ind1="0" ind2="7"><subfield code="a">Atmosphärische Grenzschicht</subfield><subfield code="0">(DE-588)4192517-8</subfield><subfield code="2">gnd</subfield><subfield code="9">rswk-swf</subfield></datafield><datafield tag="650" ind1="0" ind2="7"><subfield code="a">Physik</subfield><subfield code="0">(DE-588)4045956-1</subfield><subfield code="2">gnd</subfield><subfield code="9">rswk-swf</subfield></datafield><datafield tag="689" ind1="0" ind2="0"><subfield code="a">Atmosphärische Grenzschicht</subfield><subfield code="0">(DE-588)4192517-8</subfield><subfield code="D">s</subfield></datafield><datafield tag="689" ind1="0" ind2="1"><subfield code="a">Physik</subfield><subfield code="0">(DE-588)4045956-1</subfield><subfield code="D">s</subfield></datafield><datafield tag="689" ind1="0" ind2=" "><subfield code="5">DE-604</subfield></datafield><datafield tag="689" ind1="1" ind2="0"><subfield code="a">Mikrometeorologie</subfield><subfield code="0">(DE-588)4315182-6</subfield><subfield code="D">s</subfield></datafield><datafield tag="689" ind1="1" ind2=" "><subfield code="5">DE-604</subfield></datafield><datafield tag="856" ind1="4" ind2="2"><subfield code="m">Digitalisierung UB Regensburg</subfield><subfield code="q">application/pdf</subfield><subfield code="u">http://bvbr.bib-bvb.de:8991/F?func=service&doc_library=BVB01&local_base=BVB01&doc_number=016442962&sequence=000002&line_number=0001&func_code=DB_RECORDS&service_type=MEDIA</subfield><subfield code="3">Inhaltsverzeichnis</subfield></datafield><datafield tag="999" ind1=" " ind2=" "><subfield code="a">oai:aleph.bib-bvb.de:BVB01-016442962</subfield></datafield></record></collection> |
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