Atmosphärendynamik

Dieses Lehrbuch richtet sich an Studierende der Meteorologie sowie an Forschende zu theoretischen und numerischen Aspekten von Wetter und Klima. Der vorliegende Text konzentriert sich auf das Wesentliche und bleibt dabei gleichermaßen gründlich. Alle zum Verständnis notwendigen physikalischen Konzepte werden eingeführt.

Einleitend erfolgt eine Herleitung der Grundgleichungen der Atmosphärendynamik. Diese werden nachfolgend herangezogen, um wesentliche Aspekte von Wetter und Klima zu erläutern, zu denen unter anderem die Mechanismen hinter den wirbelartigen Bewegungen auf der täglichen Wetterkarte gehören. Als Mittel zu einer effizienten Analyse von atmosphärischen Wellen folgt die Vereinfachung der Dynamik mithilfe der Flachwassergleichungen. Daraufhin wird unter Zuhilfenahme der quasigeostrophischen Theorie das Auftreten extratropischer Wettersysteme begründet. Dem schließt sich eine ausführliche Betrachtung der globalen atmosphärischen Zirkulation an, die maßgeblich dem Einfluss durch Rossby- und Schwerewellen unterliegt. Auch die spezifischen Eigenschaften der atmosphärischen Grenzschicht werden diskutiert. Im Mittelpunkt steht hier die Wechselwirkung zwischen Turbulenz und mittlerer Strömung.

Im Zuge der Betrachtungen wird die Leserschaft mit wesentlichen theoretischen Konzepten des Gebiets vertraut gemacht. Hierzu zählen Entropie und potentielle Temperatur, potentielle Vorticity, Instabilitätstheorie, Reynoldsgleichungen, Mehrskalenasymptotik, WKB-Theorie, Wellenwirkung, Eliassen-Palm-Fluss, transformiertes Eulermittel, kritische Schichten, Wellenbeugung und vieles mehr.

Der Text wird durch Anhänge zu mathematischen Methoden und weiteren Vertiefungen ergänzt. Kapitelzusammenfassungen helfen, den Blick auf das Wesentliche zu bewahren. Ergänzende Leseempfehlungen regen dazu an, das erworbene Wissen zu vertiefen und zu erweitern.

Autorentext

Ulrich Achatz hat den Lehrstuhl zur Theorie der Atmosphärischen Dynamik und des Klimas an der Goethe-Universität Frankfurt inne. Er ist Diplomphysiker mit Promotion in Astronomie (Universität Bonn) und Habilitation in Atmosphärenphysik (Universität Rostock). In seiner wissenschaftlichen Arbeit beschäftigt er sich mit der Wechselwirkung atmosphärischer Bewegungen mit verschiedenen Skalen, von Turbulenz über Schwere- und Rossbywellen bis zur globalen Zirkulation, und ihrer verlässlichen Beschreibung in Wetter- und Klimamodellen.

Inhalt
Einleitung.- 1 Bewegungsgleichungen.- 2 Thermodynamik und Energetik.- 3 Elementare Eigenschaften und Anwendungen.- 4 Die Wirbeldynamik.- 5 Die Dynamik der Flachwassergleichungen.- 6 Die geschichtete Atmosphäre.- 7 Die planetare Grenzschicht.- 8 Welle-Grundstrom-Wechselwirkung.- 9 Die meridionale Zirkulation.- 10 Schwerewellen.- 11 Anhang, A Nützliche Elemente der Vektoranalysis, B Drehungen, C Isotrope Tensoren, D Kugelkoordinaten, E Fourierintegrale und Fourierreihen, F Zonalsymmetrische Rossbywellen, G Lösung des Anfangswertproblems, H Einige Polarisationsbeziehungen, I Höhere Harmonische eines Schwerewellenfeldes.