Meteorologie - Meteorology

Die Meteorologie ist ein Teilgebiet der Atmosphärenwissenschaften (einschließlich der Atmosphärenchemie und der Atmosphärenphysik ) mit einem Schwerpunkt auf der Wettervorhersage . Das Studium der Meteorologie reicht Jahrtausende zurück , obwohl bedeutende Fortschritte in der Meteorologie erst im 18. Jahrhundert begannen. Im 19. Jahrhundert wurden auf diesem Gebiet bescheidene Fortschritte erzielt, nachdem in weiten Regionen Wetterbeobachtungsnetze gebildet wurden. Frühere Versuche zur Vorhersage des Wetters hingen von historischen Daten ab. Erst nach der Aufklärung der physikalischen Gesetze und insbesondere der Entwicklung des Computers, der die automatisierte Lösung einer Vielzahl von Gleichungen zur Modellierung des Wetters ermöglichte, kamen in der zweiten Hälfte des 20 Prognosen erreicht wurden. Ein wichtiger Zweig der Wettervorhersage ist die Meereswettervorhersage in Bezug auf die See- und Küstensicherheit, bei der Wettereffekte auch atmosphärische Wechselwirkungen mit großen Gewässern umfassen.

Meteorologische Phänomene sind beobachtbare Wetterereignisse, die durch die Wissenschaft der Meteorologie erklärt werden. Meteorologische Phänomene werden durch die Variablen der Erdatmosphäre beschrieben und quantifiziert : Temperatur , Luftdruck , Wasserdampf , Massenstrom und die Variationen und Wechselwirkungen dieser Variablen und wie sie sich im Laufe der Zeit ändern. Verschiedene räumliche Skalen werden verwendet, um das Wetter auf lokaler, regionaler und globaler Ebene zu beschreiben und vorherzusagen.

Meteorologie, Klimatologie , Atmosphärenphysik und Atmosphärenchemie sind Teildisziplinen der Atmosphärenwissenschaften . Meteorologie und Hydrologie bilden das interdisziplinäre Gebiet der Hydrometeorologie . Die Wechselwirkungen zwischen der Erdatmosphäre und ihren Ozeanen sind Teil eines gekoppelten Ozean-Atmosphären-Systems. Die Meteorologie findet Anwendung in vielen verschiedenen Bereichen wie Militär , Energieerzeugung , Verkehr , Landwirtschaft und Bauwesen .

Das Wort Meteorologie stammt aus dem Altgriechischen μετέωρος metéōros ( Meteor ) und -λογία- logia ( -(o)logie ) und bedeutet „das Studium der Dinge hoch in der Luft“.

Geschichte

Die Fähigkeit, Regen- und Überschwemmungen anhand von Jahreszyklen vorherzusagen, wurde vom Menschen offenbar spätestens seit der landwirtschaftlichen Besiedlung, wenn nicht schon früher, genutzt. Frühe Ansätze zur Vorhersage des Wetters basierten auf Astrologie und wurden von Priestern praktiziert. Keilschriftinschriften auf babylonischen Tafeln enthielten Assoziationen zwischen Donner und Regen. Die Chaldäer unterschieden die 22° und 46° Halos .

Alte indische Upanishaden enthalten Erwähnungen von Wolken und Jahreszeiten . Der Samaveda erwähnt Opfer, die durchgeführt werden müssen, wenn bestimmte Phänomene bemerkt wurden. Varāhamihiras klassisches Werk Brihatsamhita , geschrieben um 500 n. Chr., liefert Beweise für die Wetterbeobachtung.

350 v. Chr. schrieb Aristoteles Meteorologie . Aristoteles gilt als Begründer der Meteorologie. Eine der beeindruckendsten Errungenschaften, die in der Meteorologie beschrieben werden, ist die Beschreibung dessen, was heute als Wasserkreislauf bekannt ist .

Das Buch De Mundo (komponiert vor 250 v. Chr. oder zwischen 350 und 200 v. Chr.) stellte fest:

Wenn der blitzende Körper in Brand gesteckt wird und heftig auf die Erde stürzt, wird er als Donnerschlag bezeichnet; ist er nur halb aus Feuer, aber auch heftig und massiv, so nennt man ihn Meteor ; wenn es völlig frei von Feuer ist, wird es Rauchbolzen genannt. Sie werden alle "Swooping Bolts" genannt, weil sie auf die Erde herabstürzen. Lightning ist manchmal rauchig, und wird dann ‚Schwelbrand Blitz" genannt, manchmal ist es schnell entlang sausen, und sagte dann sein lebendig Zu anderen Zeiten es in krummen Linien fährt, und wird genannt. Gegabelt Blitz Wenn es stürzt nach unten auf einig. Objekt wird es "Swooping Lightning" genannt.

Der griechische Wissenschaftler Theophrastus verfasste ein Buch über Wettervorhersagen, das Buch der Zeichen . Die Arbeit von Theophrastus blieb fast 2000 Jahre lang ein dominierender Einfluss auf das Studium des Wetters und die Wettervorhersage. Im Jahr 25 n. Chr. formalisierte Pomponius Mela , ein Geograph für das Römische Reich , das Klimazonensystem. Laut Toufic Fahd verfasste Al-Dinawari um das 9. Jahrhundert das Kitab al-Nabat ( Buch der Pflanzen ), in dem er sich mit der Anwendung der Meteorologie auf die Landwirtschaft während der arabischen Agrarrevolution beschäftigt . Er beschreibt den meteorologischen Charakter des Himmels, die Planeten und Konstellationen , die Sonne und Mond , die Mondphasen anzeigt , Jahreszeit und regt, die Anwa ( Himmelskörper von regen) und atmosphärischen Phänomene wie Wind, Donner, Blitz, Schnee, Überschwemmungen , Täler, Flüsse, Seen.

Frühe Versuche, das Wetter vorherzusagen, bezogen sich oft auf Prophezeiungen und Weissagungen und basierten manchmal auf astrologischen Ideen. Admiral FitzRoy versuchte, wissenschaftliche Ansätze von prophetischen zu trennen.

Erforschung visueller atmosphärischer Phänomene

Dämmerung am Baker Beach

Ptolemäus schrieb über die atmosphärische Lichtbrechung im Zusammenhang mit astronomischen Beobachtungen. 1021 zeigte Alhazen , dass auch die atmosphärische Brechung für die Dämmerung verantwortlich ist ; er schätzte, dass die Dämmerung beginnt, wenn die Sonne 19 Grad unter dem Horizont steht , und nutzte auch eine darauf basierende geometrische Bestimmung, um die maximal mögliche Höhe der Erdatmosphäre auf 52.000 Passim (etwa 79 Meilen oder 79 km) zu schätzen .

St. Albert der Große war der erste, der vorschlug, dass jeder Regentropfen die Form einer kleinen Kugel hat und dass diese Form bedeutet, dass der Regenbogen durch Licht erzeugt wird, das mit jedem Regentropfen interagiert. Roger Bacon hat als erster die Winkelgröße des Regenbogens berechnet. Er erklärte, dass ein Regenbogengipfel nicht höher als 42 Grad über dem Horizont erscheinen kann. Kamāl al-Dīn al-Fārisī und Theoderich von Freiberg lieferten Ende des 13. und Anfang des 14. Jahrhunderts erstmals die richtigen Erklärungen für das primäre Regenbogenphänomen . Theoderich ging noch weiter und erklärte auch den sekundären Regenbogen. Im Jahre 1716 schlug Edmund Halley , dass aurorae durch „magnetische Ausdünstungen“ verursacht werden , die sich entlang des Magnetfeldes der Erde Linien.

Instrumente und Klassifikationsskalen

Ein halbkugelförmiges Schalen-Anemometer

1441 erfand der Sohn von König Sejong , Prinz Munjong von Korea, den ersten standardisierten Regenmesser . Diese wurden in der gesamten geschickt Joseon Dynastie von Korea als offizielles Werkzeug Grundsteuer auf ein Bauern Potential Ernte basiert zu beurteilen. 1450 entwickelte Leone Battista Alberti ein Anemometer mit schwingender Platte und wurde als das erste Anemometer bekannt . Im Jahr 1607 konstruierte Galileo Galilei ein Thermoskop . 1611 schrieb Johannes Kepler die erste wissenschaftliche Abhandlung über Schneekristalle: "Strena Seu de Nive Sexangula (Ein Neujahrsgeschenk aus sechseckigem Schnee)." Im Jahr 1643 Evangelista Torricelli erfand das Quecksilber - Barometer . 1662 erfand Sir Christopher Wren den mechanischen, selbstentleerenden, kippbaren Regenmesser. 1714 schuf Gabriel Fahrenheit eine zuverlässige Skala zur Temperaturmessung mit einem Quecksilberthermometer. Im Jahr 1742 schlug Anders Celsius , ein schwedischer Astronom, die "Celsius"-Temperaturskala vor, den Vorgänger der heutigen Celsius- Skala. 1783 wurde das erste Haarhygrometer von Horace-Bénédict de Saussure demonstriert . In 1802-1803, Luke Howard schrieb über die Änderung der Wolken , in dem er ordnet Wolkentypen lateinischen Namen. 1806 führte Francis Beaufort sein System zur Klassifizierung von Windgeschwindigkeiten ein . Gegen Ende des 19. Jahrhunderts wurden die ersten Wolkenatlanten veröffentlicht, darunter der Internationale Wolkenatlas , der seither im Druck geblieben ist. Der April 1960 Start der ersten erfolgreichen Wettersatelliten , TIROS-1 , den Beginn des Zeitalters markiert , wo Wetterinformationen global worden ist .

Forschung zur Zusammensetzung der Atmosphäre

Im Jahr 1648 entdeckte Blaise Pascal wieder, dass der atmosphärische Druck mit der Höhe abnimmt und schloss daraus, dass über der Atmosphäre ein Vakuum herrscht. Im Jahre 1738 Daniel Bernoulli veröffentlicht Hydrodynamik , die die Einleitung kinetischen Gastheorie und etabliert die Grundgesetze für die Theorie der Gase. 1761 entdeckte Joseph Black , dass Eis beim Schmelzen Wärme aufnimmt, ohne seine Temperatur zu ändern. Im Jahr 1772 Blacks Student Daniel Rutherford entdeckt Stickstoff , die er als phlogisticated Luft , und zusammen entwickelten sie die Phlogistontheorie . 1777 entdeckte Antoine Lavoisier den Sauerstoff und entwickelte eine Erklärung für die Verbrennung. Im Jahr 1783 lehnt Lavoisier in seinem Aufsatz "Reflexions sur le phlogistique" die Phlogiston-Theorie ab und schlägt eine kalorische Theorie vor . Im Jahr 1804 beobachtete Sir John Leslie , dass eine mattschwarze Oberfläche die Wärme effektiver abstrahlt als eine polierte Oberfläche, was auf die Bedeutung der Schwarzkörperstrahlung hindeutet . Im Jahr 1808 verteidigte John Dalton die kalorische Theorie in A New System of Chemistry und beschrieb, wie sie sich mit Materie, insbesondere Gasen, verbindet; er schlug vor, dass die Wärmekapazität von Gasen umgekehrt mit dem Atomgewicht variiert . 1824 analysierte Sadi Carnot die Effizienz von Dampfmaschinen mit Hilfe der kalorischen Theorie; er entwickelte die Vorstellung eines reversiblen Prozesses und legte, indem er postulierte, dass so etwas in der Natur nicht existiert, die Grundlage für den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik .

Erforschung von Zyklonen und Luftströmungen

Allgemeine Zirkulation der Erdatmosphäre: Die Westwinde und Passatwinde sind Teil der atmosphärischen Zirkulation der Erde.

1494 erlebte Christoph Kolumbus einen tropischen Wirbelsturm, der zum ersten schriftlichen europäischen Bericht über einen Hurrikan führte. 1686 legte Edmund Halley eine systematische Untersuchung der Passatwinde und Monsune vor und identifizierte die Sonnenerwärmung als Ursache der atmosphärischen Bewegungen. Im Jahr 1735 schrieb George Hadley eine ideale Erklärung der globalen Zirkulation durch das Studium der Passatwinde . Als Benjamin Franklin 1743 durch einen Hurrikan daran gehindert wurde, eine Mondfinsternis zu sehen , entschied er, dass sich Zyklone an ihrer Peripherie gegen den Wind bewegen. Das Verständnis der Kinematik, wie genau die Rotation der Erde den Luftstrom beeinflusst, war zunächst nur teilweise. Gaspard-Gustave Coriolis veröffentlichte 1835 eine Arbeit über die Energieausbeute von Maschinen mit rotierenden Teilen, wie zum Beispiel Wasserrädern. Im Jahr 1856 schlug William Ferrel die Existenz einer Zirkulationszelle in den mittleren Breiten vor, in der die Luft durch die Corioliskraft abgelenkt wird, was zu den vorherrschenden Westwinden führt. Ende des 19. Jahrhunderts wurde die Bewegung von Luftmassen entlang von Isobaren als Ergebnis der großräumigen Wechselwirkung der Druckgradientenkraft und der Ablenkkraft verstanden. 1912 wurde diese ablenkende Kraft Coriolis-Effekt genannt. Kurz nach dem Ersten Weltkrieg entwickelte eine Gruppe von Meteorologen in Norwegen unter der Leitung von Vilhelm Bjerknes das norwegische Wirbelsturmmodell , das die Entstehung, Intensivierung und den endgültigen Zerfall (den Lebenszyklus) von Wirbelstürmen in mittleren Breiten erklärt , und führte die Idee der Fronten ein , d , scharf definierte Grenzen zwischen Luftmassen . Die Gruppe umfasste Carl-Gustaf Rossby (der als erster die großräumige atmosphärische Strömung in Bezug auf die Fluiddynamik erklärte), Tor Bergeron (der als erster die Entstehung von Regen bestimmte) und Jacob Bjerknes .

Beobachtungsnetze und Wettervorhersage

Wolkenklassifizierung nach Höhe des Auftretens
Diese "hyetographische oder Regenkarte der Welt" wurde erstmals 1848 von Alexander Keith Johnston veröffentlicht .
Diese "hyetographische oder Regenkarte von Europa" wurde ebenfalls 1848 als Teil des "Physikalischen Atlas" veröffentlicht.

Im späten 16. Jahrhundert und in der ersten Hälfte des 17. Jahrhunderts wurden eine Reihe von meteorologischen Instrumenten erfunden – das Thermometer , Barometer , Aräometer sowie Wind- und Regenmesser. In den 1650er Jahren begannen Naturphilosophen mit diesen Instrumenten systematisch Wetterbeobachtungen aufzuzeichnen. Wissenschaftliche Akademien erstellten Wettertagebücher und organisierten Beobachtungsnetzwerke. 1654 gründete Ferdinando II. de Medici das erste Wetterbeobachtungsnetz , das aus meteorologischen Stationen in Florenz , Cutigliano , Vallombrosa , Bologna , Parma , Mailand , Innsbruck , Osnabrück , Paris und Warschau bestand . Die erhobenen Daten wurden in regelmäßigen Zeitabständen nach Florenz gesendet. In den 1660er Jahren sponserte Robert Hooke von der Royal Society of London Netzwerke von Wetterbeobachtern. Hippokrates ' Abhandlung Airs, Waters, and Places hatte das Wetter mit Krankheiten in Verbindung gebracht. So versuchten frühe Meteorologen, Wettermuster mit Epidemieausbrüchen und das Klima mit der öffentlichen Gesundheit zu korrelieren.

Während des Zeitalters der Aufklärung versuchte die Meteorologie, die traditionelle Wetterkunde, einschließlich der astrologischen Meteorologie, zu rationalisieren. Es gab aber auch Versuche, ein theoretisches Verständnis von Wetterphänomenen zu etablieren. Edmond Halley und George Hadley versuchten Passatwinde zu erklären . Sie argumentierten, dass die aufsteigende Masse erhitzter Äquatorluft durch einen Zustrom kühlerer Luft aus hohen Breiten ersetzt wird. Ein warmer Luftstrom in großer Höhe vom Äquator zu den Polen wiederum erstellte ein frühes Bild der Zirkulation. Die Frustration über die mangelnde Disziplin der Wetterbeobachter und die schlechte Qualität der Instrumente führte dazu, dass die frühneuzeitlichen Nationalstaaten große Beobachtungsnetzwerke organisierten. So verfügten Meteorologen Ende des 18. Jahrhunderts über große Mengen zuverlässiger Wetterdaten. 1832 wurde von Baron Schilling ein elektromagnetischer Telegraph geschaffen . Die Einführung des elektrischen Telegraphen im Jahr 1837 bot zum ersten Mal eine praktische Methode zur schnellen Erfassung von Wetterbeobachtungen an der Oberfläche aus einem großen Gebiet.

Diese Daten könnten verwendet werden, um Karten des Zustands der Atmosphäre für eine Region nahe der Erdoberfläche zu erstellen und zu untersuchen, wie sich diese Zustände im Laufe der Zeit entwickelt haben. Um häufige Wettervorhersagen auf der Grundlage dieser Daten zu erstellen, war ein zuverlässiges Beobachtungsnetz erforderlich, aber erst 1849 begann die Smithsonian Institution unter der Leitung von Joseph Henry ein Beobachtungsnetz in den Vereinigten Staaten aufzubauen . Ähnliche Beobachtungsnetze wurden zu dieser Zeit in Europa aufgebaut. Reverend William Clement Ley war der Schlüssel zum Verständnis von Cirruswolken und frühen Erkenntnissen über Jetstreams . Charles Kenneth Mackinnon Douglas , bekannt als 'CKM' Douglas las nach seinem Tod Leys Papiere und führte die frühen Studien der Wettersysteme fort. Die Meteorologieforscher des 19. Jahrhunderts stammten aus dem Militär oder der Medizin und wurden nicht zu engagierten Wissenschaftlern ausgebildet. Im Jahr 1854 ernannte die britische Regierung Robert FitzRoy zum neuen Amt des Meteorologischen Statistikers im Board of Trade mit der Aufgabe, Wetterbeobachtungen auf See zu sammeln. FitzRoys Büro wurde 1854 zum United Kingdom Meteorological Office , dem zweitältesten nationalen meteorologischen Dienst der Welt (die Zentrale Institution für Meteorologie und Geodynamik (ZAMG) in Österreich wurde 1851 gegründet und ist der älteste Wetterdienst der Welt). Die ersten täglichen Wettervorhersagen des Büros von FitzRoy wurden 1860 in der Zeitung The Times veröffentlicht. Im folgenden Jahr wurde ein System eingeführt, das Sturmwarnkegel in den wichtigsten Häfen hisste, wenn ein Sturm erwartet wurde.

In den nächsten 50 Jahren richteten viele Länder nationale meteorologische Dienste ein. Das India Meteorological Department (1875) wurde gegründet, um tropische Wirbelstürme und Monsun zu verfolgen . Das finnische Meteorologische Zentralamt (1881) wurde aus einem Teil des Magnetischen Observatoriums der Universität Helsinki gebildet . Japans Tokyo Meteorological Observatory, der Vorläufer der Japan Meteorological Agency , begann 1883 mit der Erstellung von Oberflächenwetterkarten. Das United States Weather Bureau (1890) wurde dem Landwirtschaftsministerium der Vereinigten Staaten unterstellt . Das Australian Bureau of Meteorology (1906) wurde durch ein Meteorology Act gegründet, um die bestehenden staatlichen meteorologischen Dienste zu vereinen.

Numerische Wettervorhersage

Ein Meteorologe an der Konsole der IBM 7090 in der Joint Numerical Weather Prediction Unit. C. 1965

Im Jahr 1904 argumentierte der norwegische Wissenschaftler Vilhelm Bjerknes erstmals in seinem Artikel Weather Forecasting as a Problem in Mechanics and Physics, dass es möglich sein sollte, das Wetter aus Berechnungen auf der Grundlage von Naturgesetzen vorherzusagen .

Erst später im 20. Jahrhundert führten Fortschritte im Verständnis der Atmosphärenphysik zur Grundlage der modernen numerischen Wettervorhersage . 1922 veröffentlichte Lewis Fry Richardson "Weather Prediction By Numerical Process", nachdem er Notizen und Ableitungen gefunden hatte, an denen er als Krankenwagenfahrer im Ersten Weltkrieg arbeitete , und ein numerisches Berechnungsschema, das entwickelt werden könnte, um Vorhersagen zu ermöglichen. Richardson stellte sich ein großes Auditorium vor, in dem Tausende von Menschen die Berechnungen durchführen. Die Zahl der erforderlichen Berechnungen war jedoch ohne elektronische Computer zu groß, und die Größe des Rasters und der Zeitschritte, die bei den Berechnungen verwendet wurden, führten zu unrealistischen Ergebnissen. Die numerische Analyse stellte jedoch später fest, dass dies auf numerische Instabilität zurückzuführen war .

Ab den 1950er Jahren wurden numerische Vorhersagen mit Computern möglich. Die ersten auf diese Weise abgeleiteten Wettervorhersagen verwendeten barotrope (einstufige) Modelle und konnten die großräumige Bewegung der Rossby-Wellen in mittleren Breiten , dh das Muster atmosphärischer Tiefs und Hochs , erfolgreich vorhersagen . 1959 erhielt das britische Wetteramt seinen ersten Computer, einen Ferranti Mercury .

In den 1960er Jahren wurde die chaotische Natur der Atmosphäre erstmals von Edward Lorenz beobachtet und mathematisch beschrieben , der das Gebiet der Chaostheorie begründete . Diese Fortschritte haben dazu geführt, dass derzeit in den meisten großen Vorhersagezentren Ensemble-Vorhersagen verwendet werden, um Unsicherheiten aufgrund der chaotischen Natur der Atmosphäre zu berücksichtigen. Es wurden mathematische Modelle zur Vorhersage des langfristigen Wetters der Erde ( Klimamodelle ) entwickelt, deren Auflösung heute so grob ist wie die der älteren Wettervorhersagemodelle. Diese Klimamodelle werden verwendet, um langfristige Klimaverschiebungen zu untersuchen , beispielsweise welche Auswirkungen die menschliche Emission von Treibhausgasen haben könnte .

Meteorologen

Meteorologen sind Wissenschaftler, die auf dem Gebiet der Meteorologie studieren und arbeiten. Die American Meteorological Society veröffentlicht und aktualisiert ständig ein maßgebliches elektronisches Meteorologie-Glossar . Meteorologen arbeiten in Regierungsbehörden , privaten Beratungs- und Forschungsdiensten , Industrieunternehmen, Versorgungsunternehmen, Radio- und Fernsehstationen sowie im Bildungswesen . In den USA hatten Meteorologen im Jahr 2018 etwa 10.000 Arbeitsplätze inne.

Obwohl Wettervorhersagen und Warnungen die bekanntesten Produkte von Meteorologen für die Öffentlichkeit sind, sind Wettermoderatoren in Radio und Fernsehen nicht unbedingt professionelle Meteorologen. Meist handelt es sich um Reporter mit geringer formaler meteorologischer Ausbildung, die nicht regulierte Titel wie Wetterspezialist oder Wettermann verwenden . Die American Meteorological Society und die National Weather Association vergeben "Seals of Approval" an Wettersender, die bestimmte Anforderungen erfüllen, aber dies ist nicht zwingend erforderlich, um von den Medien eingestellt zu werden.

Ausrüstung

Satellitenbild von Hurrikan Hugo mit einem Polartief oben im Bild

Jede Wissenschaft hat ihre eigenen einzigartigen Laborgeräte. In der Atmosphäre gibt es viele Dinge oder Qualitäten der Atmosphäre, die gemessen werden können. Regen, der überall und jederzeit beobachtet oder gesehen werden kann, war eine der ersten historisch gemessenen atmosphärischen Qualitäten. Zwei weitere genau gemessene Eigenschaften sind Wind und Feuchtigkeit. Beides ist nicht zu sehen, aber zu spüren. Die Geräte zur Messung dieser drei entstanden Mitte des 15. Jahrhunderts und waren jeweils der Regenmesser , das Anemometer und das Hygrometer. Vor dem 15. Jahrhundert wurden viele Versuche unternommen, geeignete Geräte zu konstruieren, um die vielen atmosphärischen Variablen zu messen. Viele waren in irgendeiner Weise fehlerhaft oder einfach nicht zuverlässig. Sogar Aristoteles hat dies in einigen seiner Arbeiten als die Schwierigkeit, die Luft zu messen, festgestellt.

Sätze von Oberflächenmessungen sind wichtige Daten für Meteorologen. Sie geben eine Momentaufnahme verschiedener Wetterbedingungen an einem einzigen Ort und befinden sich normalerweise an einer Wetterstation , einem Schiff oder einer Wetterboje . Die an einer Wetterstation durchgeführten Messungen können eine beliebige Anzahl von atmosphärischen Observablen umfassen. Normalerweise sind Temperatur, Druck , Windmessungen und Luftfeuchtigkeit die Variablen, die von einem Thermometer, Barometer, Anemometer bzw. Hygrometer gemessen werden. Professionelle Stationen können auch Luftqualitätssensoren (umfassen Kohlenmonoxid , Kohlendioxid , Methan , Ozon , Staub und Rauch ), Ceilometer (Wolkenuntergrenze), fallende Niederschlagssensor, Flutsensor , Blitzsensor , Mikrofon ( Explosionen , Überschallknall , Donner ) , Pyranometer / Pyrheliometer / Spektroradiometer (IR/Vis/UV- Photodioden ), Regenmesser / Schneemesser , Szintillationszähler ( Hintergrundstrahlung , Fallout , Radon ), Seismometer ( Erdbeben und Beben), Transmissometer (Sichtbarkeit) und eine GPS-Uhr für Daten Protokollierung . Höhendaten sind für die Wettervorhersage von entscheidender Bedeutung. Die am weitesten verbreitete Technik ist der Start von Radiosonden . Ergänzend zu den Radiosonden wird von der World Meteorological Organization ein Netzwerk zur Flugzeugsammlung organisiert .

Fernerkundung , wie sie in der Meteorologie verwendet wird, ist das Konzept, Daten von entfernten Wetterereignissen zu sammeln und anschließend Wetterinformationen zu erzeugen. Die gängigen Arten der Fernerkundung sind Radar , Lidar und Satelliten (oder Photogrammetrie ). Jeder sammelt Daten über die Atmosphäre von einem entfernten Standort und speichert die Daten normalerweise dort, wo sich das Instrument befindet. Radar und Lidar sind nicht passiv, da beide EM-Strahlung verwenden , um einen bestimmten Teil der Atmosphäre zu beleuchten. Wettersatelliten zusammen mit allgemeineren Erdbeobachtungssatelliten, die die Erde in verschiedenen Höhen umkreisen, sind zu einem unverzichtbaren Werkzeug für die Untersuchung einer Vielzahl von Phänomenen von Waldbränden bis hin zu El Niño geworden .

Räumliche Skalen

Die Erforschung der Atmosphäre kann in verschiedene Bereiche unterteilt werden, die sowohl von zeitlichen als auch räumlichen Skalen abhängen. Ein Extrem dieser Skala ist die Klimatologie. In den Zeitskalen von Stunden bis Tagen unterteilt sich die Meteorologie in Mikro-, Meso- und Synoptische Meteorologie. Die räumliche Größe jeder dieser drei Skalen hängt jeweils direkt mit der entsprechenden Zeitskala zusammen.

Andere Unterklassifikationen werden verwendet, um die einzigartigen, lokalen oder breiten Auswirkungen innerhalb dieser Unterklassen zu beschreiben.

Typische Skalen von atmosphärischen Bewegungssystemen
Bewegungsart Horizontale Skala (Meter)
Molekulare mittlere freie Weglänge 10 -7
Kleine turbulente Wirbel 10 −2 – 10 −1
Kleine Wirbel 10 -1 – 1
Staubteufel 1–10
Böen 10 – 10 2
Tornados 10 2
Gewitterwolken 10 3
Fronten, Böenlinien 10 4 – 10 5
Hurrikane 10 5
Synoptische Zyklone 10 6
Planetenwellen 10 7
Atmosphärische Gezeiten 10 7
Mittlerer Zonenwind 10 7

Mikroskala

Die Mikrometeorologie ist die Untersuchung atmosphärischer Phänomene auf einer Skala von etwa 1 Kilometer (0,62 Meilen) oder weniger. In diesem Maßstab werden einzelne Gewitter, Wolken und lokale Turbulenzen durch Gebäude und andere Hindernisse (z. B. einzelne Hügel) modelliert.

Mesoskala

Mesoskalige Meteorologie ist die Untersuchung atmosphärischer Phänomene mit horizontalen Skalen von 1 km bis 1000 km und einer vertikalen Skala, die an der Erdoberfläche beginnt und die atmosphärische Grenzschicht, Troposphäre, Tropopause und den unteren Abschnitt der Stratosphäre umfasst . Mesoskalige Zeitskalen dauern von weniger als einem Tag bis zu mehreren Wochen. Typische interessante Ereignisse sind Gewitter , Böenlinien , Fronten , Niederschlagsbänder in tropischen und außertropischen Wirbelstürmen und topographisch erzeugte Wettersysteme wie Bergwellen und Meeres - und Landwinde .

Synoptische Skala

NOAA : Wetteranalyse im synoptischen Maßstab.

Die Meteorologie im synoptischen Maßstab sagt atmosphärische Veränderungen auf Skalen von bis zu 1000 km und 10 5 s (28 Tage) in Zeit und Raum vorher. Auf der synoptischen Skala spielt die auf bewegte Luftmassen (außerhalb der Tropen) wirkende Coriolis-Beschleunigung eine dominante Rolle bei Vorhersagen. Zu den Phänomenen, die typischerweise von der synoptischen Meteorologie beschrieben werden, gehören Ereignisse wie außertropische Wirbelstürme, barokline Tröge und Kämme, Frontalzonen und in gewissem Maße Jetstreams . All dies wird normalerweise auf Wetterkarten für eine bestimmte Zeit angezeigt. Der minimale horizontale Maßstab synoptischer Phänomene ist auf den Abstand zwischen den Oberflächenbeobachtungsstationen beschränkt .

Globaler Maßstab

Jährliche mittlere Meeresoberflächentemperaturen.

Meteorologie im globalen Maßstab ist die Untersuchung von Wettermustern im Zusammenhang mit dem Wärmetransport von den Tropen zu den Polen . Sehr große Oszillationen sind auf dieser Skala von Bedeutung. Diese Oszillationen haben Zeiträume, die typischerweise in der Größenordnung von Monaten liegen, wie die Madden-Julian-Oszillation , oder Jahre, wie die El Niño-Southern Oscillation und die pazifische dekadische Oszillation . Die Meteorologie im globalen Maßstab dringt in den Bereich der Klimatologie vor. Die traditionelle Definition des Klimas wird in größere Zeitskalen verschoben und mit dem Verständnis der globalen Oszillationen längerer Zeitskalen können ihre Auswirkungen auf Klima- und Wetterstörungen in die Vorhersagen der synoptischen und mesoskaligen Zeitskalen einbezogen werden.

Numerische Wettervorhersage ist ein Schwerpunkt beim Verständnis der Luft-Meer-Interaktion, tropischer Meteorologie, atmosphärischer Vorhersagbarkeit und troposphärischer/stratosphärischer Prozesse. Das Naval Research Laboratory in Monterey, Kalifornien, entwickelte ein globales Atmosphärenmodell namens Navy Operational Global Atmospheric Prediction System (NOGAPS). NOGAPS wird operativ im Fleet Numerical Meteorology and Oceanography Center für das US-Militär betrieben. Viele andere globale Atmosphärenmodelle werden von nationalen meteorologischen Agenturen betrieben.

Einige meteorologische Prinzipien

Grenzschichtmeteorologie

Grenzschichtmeteorologie ist die Untersuchung von Prozessen in der Luftschicht direkt über der Erdoberfläche, der sogenannten atmosphärischen Grenzschicht (ABL). Die Auswirkungen der Oberfläche – Erwärmung, Abkühlung und Reibung  – bewirken eine turbulente Durchmischung innerhalb der Luftschicht. Bedeutende Bewegungen von Wärme , Materie oder Impuls auf Zeitskalen von weniger als einem Tag werden durch turbulente Bewegungen verursacht. Die Grenzschichtmeteorologie umfasst die Untersuchung aller Arten von Oberflächen-Atmosphären-Grenzen, einschließlich Ozean, See, städtisches Land und nicht-städtisches Land für das Studium der Meteorologie.

Dynamische Meteorologie

Die dynamische Meteorologie konzentriert sich im Allgemeinen auf die Strömungsdynamik der Atmosphäre. Die Idee des Luftpakets wird verwendet, um das kleinste Element der Atmosphäre zu definieren, während die diskrete molekulare und chemische Natur der Atmosphäre ignoriert wird. Ein Luftpaket wird als ein Punkt im Fluidkontinuum der Atmosphäre definiert. Die grundlegenden Gesetze der Strömungslehre, Thermodynamik und Bewegung werden verwendet, um die Atmosphäre zu studieren. Die physikalischen Größen, die den Zustand der Atmosphäre charakterisieren, sind Temperatur, Dichte, Druck usw. Diese Variablen haben im Kontinuum eindeutige Werte.

Anwendungen

Wettervorhersage

Vorhersage des Oberflächendrucks fünf Tage in der Zukunft für den Nordpazifik, Nordamerika und den Nordatlantik

Wettervorhersage ist die Anwendung von Wissenschaft und Technologie, um den Zustand der Atmosphäre zu einem zukünftigen Zeitpunkt und an einem bestimmten Ort vorherzusagen . Seit Jahrtausenden versucht der Mensch, das Wetter informell und seit mindestens dem 19. Jahrhundert formell vorherzusagen. Wettervorhersagen werden erstellt, indem quantitative Daten über den aktuellen Zustand der Atmosphäre gesammelt und wissenschaftliche Erkenntnisse über atmosphärische Prozesse verwendet werden, um die Entwicklung der Atmosphäre zu prognostizieren.

Einst ein rein menschliches Unterfangen, das hauptsächlich auf Änderungen des Luftdrucks , der aktuellen Wetterbedingungen und des Himmelszustands basiert , werden heute Vorhersagemodelle verwendet, um zukünftige Bedingungen zu bestimmen. Zur Auswahl des bestmöglichen Prognosemodells, auf dem die Prognose basieren soll , ist weiterhin menschlicher Input erforderlich. Dazu gehören Fähigkeiten zur Mustererkennung, Televerbindungen , Kenntnisse über die Modellleistung und Kenntnisse über Modellverzerrungen. Die chaotische Natur der Atmosphäre, die enorme Rechenleistung, die erforderlich ist, um die Gleichungen zur Beschreibung der Atmosphäre zu lösen, Fehler bei der Messung der Anfangsbedingungen und ein unvollständiges Verständnis der atmosphärischen Prozesse führen dazu, dass Vorhersagen weniger genau sind, da die Differenz zwischen der aktuellen Zeit und der die Zeit, für die die Prognose erstellt wird (die Reichweite der Prognose) erhöht sich. Die Verwendung von Ensembles und Modellkonsens hilft dabei, den Fehler einzugrenzen und das wahrscheinlichste Ergebnis auszuwählen.

Es gibt eine Vielzahl von Endanwendungen für Wettervorhersagen. Wetterwarnungen sind wichtige Vorhersagen, denn sie dienen dem Schutz von Leben und Eigentum. Vorhersagen auf der Grundlage von Temperatur und Niederschlag sind für die Landwirtschaft und damit für Rohstoffhändler an den Aktienmärkten wichtig. Temperaturprognosen werden von Versorgungsunternehmen verwendet, um die Nachfrage in den kommenden Tagen abzuschätzen. Im Alltag verwenden die Menschen Wettervorhersagen, um zu bestimmen, was sie anziehen sollen. Da Outdoor-Aktivitäten durch starken Regen, Schnee und Windchill stark eingeschränkt werden , können Vorhersagen verwendet werden, um Aktivitäten rund um diese Ereignisse zu planen, vorauszuplanen und zu überleben.

Flugmeteorologie

Die Flugmeteorologie beschäftigt sich mit dem Einfluss des Wetters auf das Flugverkehrsmanagement . Für Flugbesatzungen ist es wichtig, die Auswirkungen des Wetters auf ihren Flugplan sowie auf ihr Flugzeug zu verstehen, wie im Luftfahrtinformationshandbuch festgehalten :

Die Auswirkungen von Eis auf Flugzeuge sind kumulativ – der Schub wird reduziert, der Luftwiderstand erhöht, der Auftrieb verringert und das Gewicht erhöht. Die Ergebnisse sind eine Erhöhung der Überziehgeschwindigkeit und eine Verschlechterung der Flugzeugleistung. In extremen Fällen können sich in weniger als 5 Minuten 2 bis 3 Zoll Eis an der Vorderkante des Profils bilden. Es braucht nur 1/2 Zoll Eis, um die Auftriebskraft einiger Flugzeuge um 50 Prozent zu reduzieren und den Reibungswiderstand um den gleichen Prozentsatz zu erhöhen.

Landwirtschaftliche Meteorologie

Meteorologen, Bodenwissenschaftler , Agrarhydrologen und Agronomen beschäftigen sich mit der Untersuchung der Auswirkungen von Wetter und Klima auf die Pflanzenverteilung, den Ernteertrag , die Wassernutzungseffizienz, die Phänologie der Pflanzen- und Tierentwicklung und die Energiebilanz von verwalteten und natürlichen Ökosystemen. Umgekehrt interessieren sie sich für die Rolle der Vegetation für Klima und Wetter.

Hydrometeorologie

Hydrometeorology ist der Zweig der Meteorologie , dass befasst sich mit dem Wasserkreislauf , den Wasserhaushalt und die Niederschläge Statistiken von Stürmen . Ein Hydrometeorologe erstellt und erstellt Vorhersagen über akkumulierende (quantitative) Niederschläge, Starkregen, Starkschnee und hebt Gebiete mit Potenzial für Sturzfluten hervor. Typischerweise überschneidet sich das erforderliche Wissen mit Klimatologie, mesoskaliger und synoptischer Meteorologie und anderen Geowissenschaften.

Aus der Multidisziplinarität der Branche können sich technische Herausforderungen ergeben, da sich Tools und Lösungen aus den einzelnen beteiligten Disziplinen leicht unterschiedlich verhalten, für unterschiedliche Hard- und Softwareplattformen optimiert sind und unterschiedliche Datenformate verwenden. Es gibt einige Initiativen – wie das DRIHM-Projekt –, die versuchen, dieses Problem anzugehen.

Nukleare Meteorologie

Die Nuklearmeteorologie untersucht die Verteilung radioaktiver Aerosole und Gase in der Atmosphäre.

Maritime Meteorologie

Die maritime Meteorologie beschäftigt sich mit Luft- und Wellenvorhersagen für auf See operierende Schiffe. Organisationen wie das Ocean Prediction Center , das Honolulu National Weather Service Vorhersagebüro, das United Kingdom Met Office und JMA erstellen Hochseevorhersagen für die Weltmeere.

Militärmeteorologie

Militärmeteorologie ist die Erforschung und Anwendung der Meteorologie für militärische Zwecke. In den Vereinigten Staaten, die United States Navy 's Kommandant, Naval Meteorologie und Ozeanographie Befehl überwachen meteorologische Bemühungen für die Marine und Marine Corps während der United States Air Force ' s Air Force Weather Agentur für die Air Force und ist verantwortlich Armee .

Umweltmeteorologie

Die Umweltmeteorologie analysiert hauptsächlich die Ausbreitung von Industrieverschmutzung physikalisch und chemisch basierend auf meteorologischen Parametern wie Temperatur, Feuchtigkeit, Wind und verschiedenen Wetterbedingungen.

Erneuerbare Energie

Zu den Anwendungen der Meteorologie im Bereich erneuerbare Energien gehören Grundlagenforschung, "Exploration" und potenzielle Kartierung von Windkraft und Sonnenstrahlung für Wind- und Sonnenenergie.

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

Wörterbücher und Enzyklopädien

Externe Links

Bitte beachten Sie die Wettervorhersage für Wettervorhersage-Sites.