Angewandte Meteorologie

Mikrometeorologische Methoden

verfasst von: Thomas Foken

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

Gegenstand des Buches sind die hundert bis tausend Vorgänge im unmittelbaren Lebensraum des Menschen, also in den unteren hundert bis tausend Metern der Atmosphäre und in räumlichen Einheiten von nur einigen Kilometern Ausdehnung. Dieser mikrometeorologische Raum wird in Büchern der allgemeinen Meteorologie nur wenig berücksichtigt. Damit bietet das Buch Grundlagen insbesondere für angewandte meteorologische Fachgebiete wie Biometeorologie, Agrarmeteorologie, Hydrometeorologie, Umweltmeteorologie und technische Meteorologie sowie für die Biogeochemie. Ein wichtiger Schwerpunkt sind die Transportprozesse und Stoffflüsse zwischen Atmosphäre und Erdoberfläche, wobei bewachsene und heterogene Unterlagen besondere Beachtung finden.

Der Autor behandelt die Teilgebiete Theorie, Messtechnik, experimentelle Verfahren und Modellierung so, dass sie jeweils auch eigenständig für Lehre, Forschung und Praxis genutzt werden können.

Neuerungen gegenüber der zweiten Auflage sind Aktualisierungen und kleinere Ergänzungen in allen Kapiteln sowie inhaltliche Erweiterungen bei hoher Vegetation, Windenergie, Stadtmeteorologie, Landnutzungsänderungen und Bedeutung der Mikrometeorologie bei Fragen des Klimawandels.

Thomas Foken ist Professor im Ruhestand für Mikrometeorologie an der Universität Bayreuth.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Allgemeine Grundlagen

Zusammenfassung

Dieser einleitende Abschnitt soll den Rahmen für das vorliegende Buch abstecken, indem Begriffe wie Mikrometeorologie, atmosphärische Grenzschicht und meteorologische Maßstäbe definiert werden und Bezug genommen wird auf die Inhalte des Buches. Neben einem kurzen historischen Abriss werden dann die Bilanzgleichungen an der Erdoberfläche dargestellt und die verschiedenen Transportprozesse eingehend erläutert. Damit sind die mikrometeorologischen Grundlagen gegeben, um in den folgenden Kapiteln theoretische und experimentelle Fragestellungen vertiefen zu können.

Thomas Foken

2. Grundgleichungen der atmosphärischen Turbulenz

Zusammenfassung

Vor der Ableitung aller relevanten Gleichungen zur Bestimmung der turbulenten Transporte von Impuls, Energie und Beimengungen erfolgt eine kurze Einführung zu den Grundgleichungen, die die Basis der entsprechenden Verfahren sind. Dazu gehören die Gleichungen für mittlere Bewegungen und für den turbulenten Fall einschließlich der entsprechenden Transportgleichungen für Wärme- und Beimengungen sowie die Gleichung für die turbulente kinetische Energie. Um zu zeigen, wie wichtig mikrometeorologische Ansätze und Parametrisierungen für die Modellierung in allen Maßstabsbereichen sind, werden verschiedene Schließungsansätze für das System der turbulenten Differenzialgleichungen beschrieben.

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3. Besonderheiten der bodennahen Turbulenz

Zusammenfassung

Die im Abschn. 2 behandelten Gleichungen beschreiben die atmosphärische Turbulenz unter idealen Bedingungen, d. h. für horizontal homogene Unterlage, Hindernisfreiheit, stationäre Bedingungen u. a. Derartige Bedingungen sind in der Natur aber meist nicht gegeben, da die Unterlage nicht völlig eben ist und keine einheitlichen Oberflächeneigenschaften hat. Weiterhin sind Prozesse durch wechselnde Bewölkung und den Tagesgang der Strahlung nicht mehr stationär. In diesem Abschnitt sollen daher die Eigenschaften einer pflanzenbedeckten und heterogenen Oberfläche und ihre Auswirkungen auf den turbulenten Austauschprozess dargestellt werden. Da die Auswirkungen teilweise erheblich sind, müssen diese Besonderheiten in der Ausbildung der atmosphärischen Turbulenz bei allen Messungen und Modellierungen berücksichtigt werden.

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4. Experimentelle Bestimmung des Energie- und Stoffaustausches

Zusammenfassung

In meteorologischen und klimatologischen Standardmessprogrammen werden in der Regel nur ausgewählte Zustandsgrößen der Atmosphäre gemessen, so dass die Anwendung experimenteller Bestimmungsverfahren für Energie- und Stoffflüsse nicht möglich ist. Die verstärkten Forschungen zu Fragen des Klimawandels haben aber in den letzten 20 Jahren dazu geführt, dass ein Bedarf an zuverlässigen Messungen der Verdunstung, der Kohlenstoffaufnahme von Wäldern und der Flüsse anderer Treibhausgase besteht. Derartige Messungen wurden bislang nahezu ausschließlich im Bereich der Forschung durchgeführt, doch finden sie zunehmend Eingang in Standardmessprogramme. Sie sind sehr aufwändig und erfordern umfassende mikrometeorologische Kenntnisse. Die meisten Messverfahren beruhen auf Vereinfachungen und speziellen Voraussetzungen, so dass ihre Durchführung nicht trivial ist. Es wird daher versucht, in speziellen Überblickstabellen dem Nutzer Einsatzgebiete und Aufwand klar aufzuzeigen.

Thomas Foken

5. Modellierung des Energie- und Stoffaustausches

Zusammenfassung

Der Begriff der Modellierung ist gerade im angewandten Bereich wenig exakt bestimmt und reicht von der einfachen Regressionsbeziehung bis zu komplizierten numerischen Modellen. In der angewandten Meteorologie (Agrarmeteorologie, Hydrometeorologie) sind einfache analytische Modelle weit verbreitet, wobei der Bestimmung der Verdunstung eine besondere Rolle zukommt. Das vorliegende Kapitel soll verschiedene Arten der Modellierung beginnend von einfachen analytischen Verfahren bis zur Berücksichtigung des bodennahen Energie- und Stofftransportes in numerischen Modellen behandeln und dabei die spezifischen Probleme herausstellen. Ein wesentliches Augenmerk wird auf die Anwendung der Modelle im heterogenen Gelände gelegt, wobei der Problematik der Flächenmittelung ein eigenes Kapitel gewidmet ist.

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6. Messtechnik

Zusammenfassung

Da meteorologische Messungen vorwiegend im bodennahen Bereich durchgeführt werden, erfolgen diese Messungen weitgehend im mikrometeorologischen Maßstabsbereich. Der Mangel an moderner messtechnischer Literatur ist unübersehbar, speziell im deutschsprachigen Raum. Aber auch international sind erst in den letzten Jahren wieder Übersichtswerke verfügbar. Aus diesem Grund ist den mikrometeorologischen Messungen ein spezielles Kapitel gewidmet. Im Gegensatz zu Lehrbüchern mit umfassenden Messgerätebeschreibungen sollen allgemeine Prinzipien der mikrometeorologischen Messungen, insbesondere solche, die für die optimale Anpassung des Messwertgebers an das Umgebungsmedium „turbulente Atmosphäre“ von Wichtigkeit sind, herausgearbeitet werden. Ein besonderesAugenmerk gilt dabei der Qualitätssicherung von Messdaten.

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7. Mikroklimatologie

Zusammenfassung

Die Mikroklimatologie untersucht mittlere Zustände und ständig wiederkehrende Phänomene im mikrometeorologischen Maßstabsbereich. Dazu gehören kleinräumige Zirkulationssysteme wie Berg-Tal-Winde oder die Land-Seewind-Zirkulation aber auch Kaltluftabflüsse. Da diese Erscheinungen Gegenstand vieler Lehrbücher sind, sollen die nachfolgenden Darstellungen keinen umfassenden Überblick geben, jedoch einige typische mikroklimatische Probleme aufzeigen. Dabei handelt es sich um Erscheinungen, die unter speziellen Wetterlagen auftreten und damit in typischer Weise das Klima eines kleinräumigen Gebietes kennzeichnen. Viele dieser speziellen lokalen Effekte sind häufig in meist nur regional verbreiteten Publikationen beschrieben. Das sehr eindrucksvolle Windsystem des Föhns wird hier nicht behandelt, da er nicht mehr dem Mikroklima zugeordnet werden kann.

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8. Angewandte Meteorologie

Zusammenfassung

Während die bisherigen Abschnitte die Grundlagen der Angewandten Meteorologie behandelt haben, soll an dieser Stelle nochmals auf einige Fragestellungen und deren Grundlagen eingegangen werden, die insbesondere in der Beratungspraxis häufig auftreten. Die Auswahl erfolgte auf Grund der vorhandenen Standards und kann nur beispielhaft sein. Es muss daher auf weiterführende Publikationen und Berichte verwiesen werden.

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9. Anhang

Zusammenfassung

Im Anhang wird auf weiterführende Literatur verwiesen, es werden wichtige Konstanten angegeben sowie ein Überblick zu universellen Funktionen für den Impuls- und Wärmetransport, die Energiedissipation und den Temperaturstrukturfunktionsparameter gegeben. Komplettiert wird dies durch eine Liste von Experimenten über homogener, inhomogener und urbanen Unterlagen und eine Zusammenstellung verfügbarer Software für Eddy-Kovarianz-Messungen. Der Anhang enthält weiterhin ein Glossar und eine Liste englischer Fachbegriffe.

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Backmatter

Titel: Angewandte Meteorologie
verfasst von: Thomas Foken
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-642-25525-0
Print ISBN: 978-3-642-25524-3
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-642-25525-0