Theoretische Meteorologie Eine Einführung

Die Theoretische Meteorologie ist neben der Allgemeinen Meteorologie die zweite Grundvorlesung, die jeder Student der Meteorologie absolvieren muß. In ihr werden die physikalischen Konzepte beschrieben, die zur Beschreibung der Atmosphäre und ihrer Dynamik notwendig sind. Das Buch entstand aus der gleichnamigen Vorlesung des Autors an der Universität Hannover.

1 Einführung und Definitionen.- 1.1 Einleitung.- 1.2 Physikalische Größen und Einheiten.- 1.3 Vektor- und Tensornotation.- 2 Gase und Gasgemische.- 2.1 Thermodynamische Systeme.- 2.2 Ideale Gase.- 2.3 Reale Gase und Gasgemische.- 3 Der Erste Hauptsatz der Thermodynamik.- 3.1 Innere Energie.- 3.2 Erster Hauptsatz und Enthalpie.- 3.3 Das Joulesche Gesetz.- 3.4 Spezifische Wärmen.- 3.5 Funktionale Zusammenhänge für Energie und Enthalpie.- 3.6 Zustandsänderungen.- 3.7 Adiabatische Zustandsänderungen.- 4 Wasserdampf in der Atmosphäre.- 4.1 Wasserdampf als ideales Gas.- 4.2 Feuchtemaße.- 4.3 Die Zustandsgleichung für das Gemisch feuchte Luft.- 4.4 Spezifische Wärmen für feuchte Luft.- 4.5 Heterogene Systeme.- 4.6 Latente Wärmen.- 4.7 Der Wasserdampfdruck bei Sättigung.- 5 Thermodynamische Prozesse in der Atmosphäre.- 5.1 Der thermodynamische Zustand der Atmosphäre.- 5.2 Zur diabatischen Wärmezufuhr ?Q.- 5.3 Zur Berücksichtigung der latenten Wärme L.- 5.4 Kondensation in der Atmosphäre.- 6 Der vertikale Aufbau der Atmosphäre.- 6.1 Das Geopotential.- 6.2 Die statische Grundgleichung.- 6.3 Der vertikale Temperaturgradient.- 6.4 Die statische Stabilität.- 6.5 Innere Energie und potentielle Energie in der Atmosphäre.- 7 Geschwindigkeitsfelder und deren Eigenschaften.- 7.1 Die Eulersche Zerlegung.- 7.2 Die Divergenz von Geschwindigkeitsfeldern.- 7.3 Die Vorticity.- 7.4 Die Deformation.- 7.5 Die Zirkulation eines Geschwindigkeitsfeldes.- 7.6 Die Stromfunktion.- 7.7 Das Geschwindigkeitspotential.- 7.8 Stromfunktion und Geschwindigkeitspotential.- 8 Die Kontinuitätsgleichung.- 8.1 Flüsse und Transporte.- 8.2 Die Kontinuitätsgleichung.- 8.3 Bodendrucktendenz und Kontinuitätsgleichung.- 9 Die Eulerschen Bewegungsgleichungen.- 9.1 Die Schwerkraft.- 9.2 Die Druckkraft.- 9.3 Zur Ursache von atmosphärischen Bewegungsvorgängen.- 9.4 Die Zentrifugalkraft und die Coriolis-Kraft.- 9.5 Die Bewegungsgleichungen im rotierenden System.- 9.6 Die Bewegungsgleichungen in Kugelkoordinaten.- 9.7 Die Bewegungsgleichungen im p-System.- 10 Der geostrophische Wind.- 10.1 Definition des geostrophischen Windes.- 10.2 Der thermische Wind.- 10.3 Geostrophischer und thermischer Wind im p-System.- 10.4 Barotrope und barokline Atmosphäre.- 10.5 Der zyklostrophische Wind.- 10.6 Skalenanalyse.- 11 Die Vorticitygleichung.- 11.1 Vorticitygleichung für eine zweidimensionale Strömung.- 11.2 Stromfunktion und Vorticitygleichung.- 11.3 Die Vorticitygleichung für eine dreidimensionale Strömung.- 11.4 Die linearisierte Vorticitygleichung.- 11.5 Die Zirkulationsgleichung.- 12 Gleichungen für atmosphärische Bewegungsvorgänge.- 12.1 Grundgleichungen.- 12.2 Gleichungen für synoptische Bewegungsvorgänge.- 12.3 Quasi-geostrophische Gleichungen.- 12.4 Die potentielle Vorticity.- 12.5 Energiegleichungen für eine reibungsfreie Atmosphäre.- 13 Wellen in der Atmosphäre.- 13.1 Periodische Bewegungen in der Atmosphäre: Wellen.- 13.2 Schallwellen.- 13.3 Schwerewellen.- 13.3.1 Externe Schwerewellen.- 13.3.2 Interne Schwerewellen.- 14 Instabilitäten und Zyklogenese.- 14.1 Stabilitätsanalyse.- 14.2 Barotrope Instabilität.- 14.3 Barokline Instabilität.- 14.4 Kleinräumige Instabilitäten.- 15 Einführende Bemerkungen zur Allgemeinen Atmosphärischen Zirkulation.- 15.1 Die Allgemeine Atmosphärische Zirkulation.- 16 Einführung in die numerische Wettervorhersage.- 16.1 Numerische Wettervorhersage.- 17 Bewegungsgleichungen mit Reibung.- 17.1 Oberflächenkräfte.- 17.2 Die Navier-Stokes-Gleichungen.- 17.3 Einfache Lösungen der Navier-Stokes-Gleichungen.- 17.4 Die Boussinesq-Approximation.- 18 Die gemittelten Bewegungsgleichungen.- 18.1 Begriffe und Regeln zu Mittelbildungen.- 18.2 Die Reynolds-Gleichungen.- 18.3 Gradientansatz und Mischungsweg für turbulente Transporte.- 19 Kinetische Energie einer turbulenten Strömung.- 19.1 Gleichung für die gesamte kinetische Energie.- 19.2 Gleichung für die kinetische Energie der mittleren Strömung.- 19.3 Gleichung für die Turbulenzenergie.- 19.4 Maßzahlen für die Turbulenz.- 19.5 Mikro- und Makroturbulenz.- 20 Die atmosphärische Grenzschicht.- 20.1 Die Einteilung der atmosphärischen Grenzschicht.- 20.2 Die bodennahe Grenzschicht: Die Prandtl-Schicht.- 20.3 Das Windprofil in der Prandtl-Schicht.- 20.4 Das Windprofil bei diabatischer Schichtung.- 20.4.1 Erläuterungen zum allgemeinen Sprachgebrauch.- 20.4.2 Die Monin-Obukhov-Stabilitätslänge.- 20.4.3 Das Windprofil und der Diffusionskoeffizient.- 20.4.4 Die Profilfunktionen in der Prandtl-Schicht.- 20.5 Das Potenzprofil für die Windgeschwindigkeit.- 20.6 Das Temperaturprofil in der Prandtl-Schicht.- 20.6.1 Temperaturprofil und Profilfunktion.- 20.6.2 Die Profilmethode für turbulente Flüsse.- 20.7 Die atmosphärische Grenzschicht: Ekman-Schicht.- 20.7.1 Die Ekman-Spirale.- 20.8 Die Höhe der atmosphärischen Grenzschicht.- 20.9 Die turbulente Schubspannung in der Ekman-Schicht.- 20.10 Die Ekman-Spirale oberhalb einer Prandtl-Schicht.- 20.11 Grenzschicht-Modelle mit einem Mischungswegansatz.- 20.12 Die Wechselwirkung zwischen Grenzschicht und freier Atmosphäre.- 21 Die Ausbreitung von Substanzen in der Atmosphäre.- 21.1 Die Diffusionsgleichung.- 21.2 Die Konzentrationsverteilung für momentane Punktquellen.- 21.3 Konzentrationsverteilung für kontinuierliche Punktquellen.- 21.4 Die Konzentrationsverteilung als Gaußsche Normalverteilung.- 21.5 Diffusion unter Berücksichtigung des Erdbodens.- 21.6 Praktische Anwendung der Ausbreitungsrechnung.- Sachwortverzeichnis.