Klimatologie E-Book

Stefan Brönnimann

• Herausgeber: UTB GmbH
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Serie: utb basics
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2018

Seitenzahl: 414

Beschreibung

Kaum ein anderer Bereich unserer Umwelt ist in den letzten Jahrzehnten derart stark in das Bewusstsein der Öffentlichkeit gerückt wie das Klima. Dessen Veränderung stellt die Gesellschaft vor große Herausforderungen. Dieses Buch bietet Grundlagen zur Klimatologie für Studienanfängerinnen und Studienanfänger des Fachgebiets Geografie. Es beginnt mit den physikalischen Grundlagen, beschreibt darauf aufbauend die atmosphärische und ozeanische Zirkulation und das daraus resultierende Klima. Zudem werden Klimavariabilität und Klimaveränderungen sowie methodische Aspekte diskutiert.

Leseprobe

utb 4819

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Stefan Brönnimann

Klimatologie

Haupt Verlag

Stefan Brönnimann ist Geograph und befasst sich mit der Variabilität des großräumigen Klimas und der atmosphärischen Zirkulation der letzten 100–300 Jahre. Er ist an zahlreichen Projekten zur Digitaliserung von Klimadaten und zur Wetterrekonstruktion beteiligt.

Er war Leitautor des fünften Sachstandsberichts des Weltklimarats. Seit 2010 ist er Professor für Klimatologie am Geographischen Institut und am Oeschger-Zentrum für Klimaforschung der Universität Bern.

1. Auflage 2018

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek:

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.dnb.de abrufbar.

Copyright © 2018 Haupt Bern

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

Umschlagsgestaltung: Atelier Reichert, D-Stuttgart

Umschlagsfoto: NOAA Photo Library

Satz: Atelier Reichert, D-Stuttgart

E-Book Auslieferung: Brockhaus Commission, Kornwestheim

utb-Band-Nr.: 4819

ISBN 978-3-8463-4819-2

Inhaltsverzeichnis

Vorwort

1 Einführung in das Klimasystem

1.1 Das Erdklima

1.2 Definitionen und Skalen

1.3 Das Klimasystem

2 Die Atmosphäre

2.1 Zusammensetzung

2.2 Aufbau

2.3 Ozon, Aerosole und chemische Vorgänge

2.4 Kondensation und Wolkenbildung

2.5 Die Clausius-Clapeyron-Beziehung

3 Strahlung und Energie

3.1 Die globale Strahlungs- und Energiebilanz

3.2 Astronomische Grundlagen

3.3 Strahlungsemission

3.4 Streuung

3.5 Absorption

3.6 Der Treibhauseffekt

3.7 Transmission durch die Atmosphäre

3.8 Wärmeflüsse und lokale Energiebilanzen

4 Thermodynamik und Statik der Atmosphäre

4.1 Wärmelehre und vertikale Vorgänge

4.2 Die allgemeine Gaszustandsgleichung

4.3 Die potentielle Temperatur

4.4 Thermodynamik der feuchten Luft

4.5 Statische Stabilität

4.6 Energie in der Atmosphäre

5 Dynamik

5.1 Dynamik aus Sicht der Klimatologie

5.2 Die Grundgleichungen der Atmosphäre

5.3 Gitter und Wettervorhersagemodelle

5.4 Windbegriffe

6 Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre

6.1 Vertikaler Strahlungs- und Energietransport

6.2 Horizontaler Energietransport

6.3 Die zonal gemittelte meridionale Zirkulation

6.4 Die zonal gemittelte zonale Zirkulation

6.5 Zonal asymmetrische Zirkulationssysteme

7 Die Ozeane und ihre Wechselwirkung mit der Atmosphäre

7.1 Die Erde – ein Ozeanplanet

7.2 Die ozeanische Zirkulation

7.3 Die Ozean-Atmosphären-Wechselwirkung

7.4 Meereis

8 Klimata der Erde

8.1 Bestimmende Faktoren

8.2 Klimazonen der Erde

8.3 Regionale Klimata

9 Klimadaten und Klimaarchive

9.1 Klimamessungen

9.2 Klimaproxies und Rekonstruktionen

9.3 Klimamodelle

9.4 Reanalysen

10 Klimaschwankungen und -änderungen

10.1 Das schwankende Klima

10.2 Interne Klimavariabilität

10.3 Äußere Einflussfaktoren

10.4 Klimavergangenheit und -gegenwart

10.5 Klimazukunft

Register

Vorwort

Das vorliegende Buch dient dem Studium der Grundlagen im Bereich Klimatologie für Studienanfängerinnen und Studienanfänger der Geographie. Es vermittelt die wichtigsten physikalischen Grundlagen der Klimatologie und bereitet auf weiterführende Kurse in Meteorologie oder Klimatologie an der Universität vor. Gerade zu Beginn des Geographiestudiums fehlen den interessierten Studierenden manchmal die Grundkenntnisse, um weiterführende Lehrbücher ohne Weiteres verstehen zu können. Dieses Buch soll hier einen Einstieg liefern.

Atmosphärenphysikalische und phänomenologische Sichtweise

Es existieren bereits mehrere ausgezeichnete Lehrbücher in diesem Themenbereich, insbesondere «Klimatologie» (C.-D. Schönwiese, 4. Aufl. 2013), «Einführung in die Allgemeine Klimatologie» (W. Weischet und W. Endlicher, 7. Aufl., 2008), «Meteorologie» (H. Häckel, 6. Aufl., 2008), «Klimadynamik» (M. Latif, 2009) und «Geländeklimatologie» (J. Bendix, 2004). Das vorliegende Buch soll in kompakter Weise Grundlagen liefern, welche in den erwähnten Büchern vertieft werden können. Dabei orientiert sich das Buch an der klimaphysikalischen Sichtweise, die im englischsprachigen Raum verbreitet ist (Beispiele sind D. L. Hartmann, «Global Physical Climatology», 2. Aufl., 2016, und J. M. Wallace/P. V. Hobbs, «Atmospheric Science. An Introductory Survey», 2. Aufl., 2006), und nimmt diese dann als Grundlage für eine phänomenologische Sichtweise, welche im deutschsprachigen Raum eine wichtige Tradition hat, im zweiten Teil des Buches.

«Klimatologie» beginnt mit einer kurzen Übersicht über das Erdklima und den Klimabegriff, gefolgt von einer Einführung in die Systemsichtweise des Klimas. Gleichzeitig werden grundlegende physikalische Begriffe, Einheiten und mathematische Werkzeuge eingeführt.

Erster Hauptteil: Physikalische Grundlagen

Der erste Hauptteil (Kapitel 2 bis 5) umfasst die physikalischen Grundlagen der Atmosphäre. Dazu gehört zunächst der vertikale Aufbau der Atmosphäre, ihre Zusammensetzung und einige wichtige chemische Vorgänge (Kapitel 2). Die Rolle des Wasserdampfs und die Prozesse der Wolkenbildung werden ebenfalls betrachtet. Kapitel 3 gibt einen Einblick in die Energetik des Klimasystems, die als Grundlage für alle späteren Kapitel dient. Ausgehend von der globalen Energiebilanz, werden astronomische Grundlagen und die physikalischen Strahlungsgesetze eingeführt. Die Wechselwirkung der Strahlung mit der Atmosphäre erhält ein besonderes Augenmerk. Im 4. Kapitel werden dann die Grundkonzepte der Thermodynamik und Statik der Atmosphäre eingeführt, insbesondere die Gasgleichung, die adiabatische Kompression von Luftmassen, verschiedene Temperaturbegriffe sowie das Konzept der Stabilität. Das 5. Kapitel schließlich behandelt die Dynamik der Atmosphäre, also die atmosphärischen Grundgleichungen und die sich daraus ergebenden Konsequenzen, Windbegriffe und Drucksysteme.

Zweiter Hauptteil: Zirkulation von Atmosphäre und Ozean und daraus resultierende Klimata

Mit diesen Kapiteln ist die Basis für das Verständnis der atmosphärischen Zirkulation und des globalen Klimas gelegt, welches das Thema des zweiten Hauptteils ist. Ausgehend von den energetischen Betrachtungen aus Kapitel 3 werden in Kapitel 6 zunächst die globale meridionale (also in Nord-Süd- oder Süd-Nord-Richtung verlaufende) Zirkulation eingeführt, dann die wichtigsten Merkmale der zonalen (also in West-Ost- oder Ost-West-Richtung verlaufenden) Zirkulation. Schließlich werden spezielle Zirkulationssysteme wie die Walker-Zirkulation und die Monsune betrachtet. Ein ausführliches Unterkapitel behandelt die Zirkulation der Mittelbreiten. Die Ozeane als weiteres wichtiges Teilsystem des Klimasystems werden in Kapitel 7 eingeführt. Zunächst wird die Ozeanzirkulation vorgestellt, danach die Interaktion zwischen Ozean und Atmosphäre und zum Schluss die Vorgänge rund um das polare Meereis. Aufbauend auf diesen Grundlagen, werden in Kapitel 8 unterschiedliche Klimata der Erde kurz erläutert: Ausgehend von der meridionalen Differenzierung und dem Land-Meer-Kontrast, werden gängige Klimazonen beschrieben. Aber auch charakteristische lokale und regionale Klimata wie Küsten-, Gebirgs- und Stadtklima werden eingeführt.

Dritter Hauptteil: Klimavariabilität und Klimaänderungen

Die physikalischen Grundlagen, die Herleitung der atmosphärischen Zirkulation und die Charakterisierung der Klimata vermitteln eine «statische» Sicht des Klimas. Das Klima ist aber nicht statisch, sondern dynamischen Änderungen unterworfen. Der dritte Hauptteil (Kapitel 9 und 10) beschäftigt sich deshalb mit Klimaschwankungen und -veränderungen. Dabei werden zunächst Methoden vorgestellt, mit denen das Klima und dessen Schwankungen erfasst werden können (Kapitel 9): Messungen, Rekonstruktionen und numerische Modelle. Danach werden in Kapitel 10 die wichtigsten internen Klimaschwankungen, wie beispielsweise El Niño/Southern Oscillation sowie die äußeren Einflussfaktoren dargelegt. Das letzte, sehr summarische Kapitel des Buches liefert dann einen Blick in die jüngere Geschichte des Klimas, vom Spätglazial über das Holozän zu den Klimaschwankungen der letzten drei Jahrhunderte (hierzu gibt es ein breites Angebot an weiterführender Literatur). Das Buch schließt mit dem vom Menschen beeinflussten Klima der Gegenwart und gibt einen Ausblick auf die Klimazukunft.

Das Schreiben eines solchen Buches während des universitären Normalbetriebs wäre nicht möglich gewesen ohne die großartige Unterstützung durch Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Geographischen Instituts der Universität Bern sowie weiterer Kolleginnen und Kollegen: Renate Auchmann, Daniela Domeisen, Doris Folini, Jörg Franke, Michael Graf, Luc Hächler, Carine Hürbin, Martín Jacques-Coper, Fortunat Joos, Cristina Joss, Ulrike Lohmann, Stefan Pfahl, Lucas Pfister, Matthias Probst, Christoph Raible, Olivia Romppainen, Marco Rohrer, Alexander Stickler, Leonie Villiger, Aline Wicki und Maria Winterberger haben Teile des Manuskripts kommentiert. Alfred Bretscher (†) hat einige der Abbildungen gezeichnet. Alexander Hermann hat die Abbildungen grafisch umgesetzt. Das Buch folgt in den Grundzügen dem entsprechenden Skriptum von Heinz Wanner, dem ich herzlich danken möchte. Schließlich geht mein Dank auch an Martin Lind und den Haupt Verlag, der mich zum Schreiben des Buches ermuntert und dessen Werdegang begleitet hat.

Ein so breites Thema wie Klimatologie in allen Teilbereichen ausgewogen und korrekt zu behandeln, ist ein schwieriges, ja unmögliches Unterfangen. Die Breite des Fachs liegt mir, aber bei der Stringenz der physikalischen Beschreibungen und Herleitungen stieß ich oft an meine Grenzen. Sollten sich hier noch Ungenauigkeiten und Fehler eingeschlichen haben, bitte ich um Rückmeldung. Ich hoffe, mit meinem Buch interessierte Studierende für die Klimatologie begeistern zu können.

Bern, November 2017

Stefan Brönnimann