Meteorologie

Im ersten Teil Einführung Meteorologie - Atmosphärenphysik wird die Zusammensetzung der Atmosphäre der Erde vorgestellt und gezeigt, wie der physikalische Zustand und der vertikale Aufbau der Atmosphäre beschrieben werden können, wobei die Atmosphäre als Gemisch idealer Gase betrachtet wird. Anschliessend werden die Grundlagen der Thermodynamik, insbesondere der Erste Hauptsatz der Thermodynamik, erläutert sowie die Thermodynamik der Phasenübergänge des Wassers im Hinblick auf die für die Meteorologie relevanten Probleme diskutiert. Als dritter Abschnitt folgt die Betrachtung der Strahlung, bei der die Grundbegriffe definiert und die grundlegenden Strahlungsgesetze schwarzer und grauer Körper erläutert werden. Darauf aufbauend werden einfache Klima- oder Energiebilanzmodelle vorgestellt und schließlich die Wärmebilanz der Atmosphäre beschrieben.

Im zweiten Teil Einführung Meteorologie - Atmosphärendynamik wird die Kinematik und Dynamik der Atmosphäre behandelt. Zunächst werden die mathematischen Grundlagen für die Beschreibung von Strömungsfeldern bereitgestellt. Aufbauend auf den Newtonschen Axiomen werden die für die Bewegung der Atmosphäre relevanten Kräfte vorgestellt sowie die Impulsbilanz atmosphärischer Strömungen, die so genannten Bewegungsgleichungen hergeleitet. Der Einfluss der Erdrotation auf die Bewegung der Atmosphäre wird ausführlich diskutiert. Verschiedene einfache, für die Meteorologie wichtige Näherungen der Bewegungsgleichung, wie geostrophischer Wind, thermischer Wind, Gradientwind werden abgeleitet. Aus der Zusammenschau von Thermodynamik und Dynamik werden die Grundzüge der Allgemeinen Zirkulation der Atmosphäre, insbesondere die Grundlagen des globalen Drehimpuls- und Energiehaushaltes, entwickelt.

Programmieren ist eine Schlüsselfähigkeit in den Atmsophärenwissenschaften. Dieser Blockkurs am Ende des ersten Semester versetzt dich in die Lage, einfache Berechnungen mit dem Rechner selbst durchzuführen. Du kannst Modell- oder Messdaten einlesen, bearbeiten und die Ergebnisse visualisieren. Python ist einfach zu erlernen und in der Wissenschafts sehr weit verbreitet.

Behandelt werden sowohl die allgemeine Rechnerinfrastruktur (Betriebssystem Linux, Verzeichnisse, Dateien, Befehle) als auch die wichtigsten Programmierungskonzepte in Python (Variablen, Datentypen, Operationen, Arrays, Verzweigungen und Schleifen, Kontrollstrukturen, formatierte Eingabe und Ausgabe, Datenvisualisierung).

Durch den direkten fachlichen Einstieg im BSc Meteorologie kannst du bereits direkt im zweiten Semester dein Wissen in der Praxis anwenden: In interaktiver Übungsform werden wöchentlich aktuelle Wetter- und Klimathemen vorgestellt, gemeinsam besprochen und am Rechner analysiert. Dabei vertiefst du sowohl deine Programmierkenntnisse in Python und kannst gleichzeitig dein Grundwissen aus der Einführung in die Meteorologie anwenden. Du übst, wie man Beobachtungs- und Messdaten rechnergestützt visualisiert, und lernst open-source Quellen für Wetter- und Klimadaten kennen.

Die Vorlesung  Turbulenz und Grenzschicht beginnt mit einer kurzen Betrachtung der Grundgleichung der Hydrodynamik. Sodann wird die Dimensionsanalyse als methodisches Werkzeug der Strömungsphysik eingeführt. Die hydrodynamischen Ähnlichkeitskennzahlen werden hergeleitet und ihre Bedeutung für die Typisierung von Strömungen wird erläutert. Diese Methoden werden  auf turbulente Grenzschichtströmungen angewandt Die Störungen des atmosphärischen Grundstroms werden klassifiziert und die turbulente Skala wird definiert. Die Differentialgleichungen werden in Reynoldsgemittelte Formen überführt, Bilanzgleichungen für spezielle Kenngrößen turbulenter Strömungen werden abgeleitet, das turbulente Schließungsproblem wird ausführlich erläutert. In der dazugehörigen Übung werden die erworbenen Kenntnisse auf praktische Probleme angewandt.

Das Modul besteht aus der Vorlesung Synoptik mit Übungen, dem separaten Übungsteil Wetterbesprechung und der Vorlesung Weather Forecasting and Modeling:

Themenschwerpunkte der Synoptikvorlesung sind: theoretische Grundlagen der für die Synoptische Meteorologie relevanten troposphärischen Prozesse, synoptische Beobachtungssysteme, dreidimensional verknüpfende Wetterdiagnose, Modelle der synoptischen Wettersysteme: Luftmassen (Ursprung und Transformation), Fronten (Frontogenese, Erscheinungsformen, Verlagerungsantriebe), Zyklonen und Antizyklonen (Zyklogenese, Lebenslauf, Verlagerungsantriebe, quasigeostrophische Diagnostik), Strahlströme und Wellen der Westwindzone, Allgemeine Zirkulation; Aerologie, numerische Modelle verschiedener Wettedienste. Im Übungsteil werden in der Synoptik-Vorlesung erworbene theoretische Kenntnisse durch praktische Anwendung vertieft u.a. durch Überprüfen von Modellvorstellungen an realen atmosphärischen Entwicklungen. Die vermittelten Kenntnisse bilden eine Grundlage für die Wetterbesprechung.

In dem separaten Übungsteil Wetterbesprechung werden in der Synoptik-Vorlesung vermittelte theoretische Kenntnisse in Beziehung gesetzt zur aktuellen synoptischen Entwicklung. Inhalt der Wetterbesprechung ist die Präsentation einer Zusammenschau der meteorologischen Phänomene in ihrer räumlichen Verteilung und zeitlichen Veränderung mit dem Ziel der Wetteranalyse und Wettervorhersage. Qualifikationsziel ist die Befähigung zur Präsentation einer Wetteranalyse und –prognose vor Publikum.

Weather Forecasting and Modeling vermittelt Grundkenntnisse in numerischer Wettervorhersage. Der Kurs konzentriert sich auf die grundlegenden physikalischen Konzepte und Komponenten der Wettervorhersage in operationellen Wetterdiensten wie dem DWD und der ECMWF, sowie auf die Nutzung von Vorhersageprodukten. Vermittelt wird ein grundlegendes Verständnis dafür, wie prognostische Gleichungen, die in anderen Kursen gelernt wurden, zu Wetterkarten werden.

Das Modul besteht aus der Vorlesung Atmosphärische Messungen und dem anschließenden Laborpraktikum Instrumentenpraktikum.

Die Vorlesung Atmosphärische Messungen beginnt mit klassischen und moderne Messverfahren für meteorologische Grundgrößen wie Temperatur, Feuchte und Wind. Darauf aufbauend wird die Profilierung der Atmosphäre mit in-situ Messungen und Fernerkundung vorgestellt. Einen Schwerpunkt bildet dabei die bodengebundene aktive Fernerkundung mir Radar, Lidar und Sodar. Als Abschluss wird die flugzeug- und satellitengestützte Fernerkundung insbesondere von Wolken behandelt.

Im anschließenden Meteorologische Instrumentenpraktikum, das als Blockveranstaltung am Ende des Semesters durchgeführt wird, werden in Kleingruppen die in den vorherigen Kursen erworbenen Fähigkeiten praktisch umgesetzt.  Das Praktikum deckt unter anderem Feuchte-, Strahlungs und Windmessungen sowie die Profilierung der Atmosphäre mit Ballonaufstiegen ab. Dabei wird forschendes Lernen durch freies Experimentieren großgeschrieben.

Die Vorlesung Thermodynamik beginnt mit einer Einführung in die kinetische Gastheorie sowie der Betrachtung der thermischen Eigenschaften der Materie. Dann werden nach Einführung wesentlicher Grundbegriffe die Hauptsätze der Thermodynamik inklusive der Gibbs’schen Fundamentalgleichung besprochen. Es wird gezeigt, dass sich aus der Kenntnis eines thermodynamischen Potentials alle übrigen Zustandsvariablen eines Gleichgewichtssystems berechnen lassen. Ferner werden die Bedingungen für Vorliegen und Stabilität von Gleichgewichtszuständen formuliert. Schließlich wird die hydrodynamische Beschreibung der Atmosphäre, d. h. die Beschreibung eines räumlich und zeitlich veränderlichen Systems auf der Grundlage des lokalen Gleichgewichts, eingeführt. Das Ziel der atmosphärischen Thermodynamik besteht darin, die skalaren thermodynamischen Zustandsfelder zu beschreiben und vorherzusagen. Dazu werden die lokalen Bilanzgleichungen für die beteiligten Massen, die Hauptsätze der Thermodynamik und die Prinzipien zur Behandlung der irreversiblen Prozesse verwendet.

IDie Studierenden erlernen die Bearbeitung wissenschaftlicher Daten mit üblichen Hilfsmitteln und Verfahren. Nach Abschluss der Veranstaltung können die Studierenden wissenschaftliche Daten in unterschiedlichen Formaten verarbeiten. Sie können gängige Software-Hilfsmittel anwenden und Aufgaben in einer Linux-Umgebung automatisieren. Außerdem haben sie Grundkenntnisse in Methoden der Software-Entwicklung in den Erdsystemwissenschaften erlangt. Die Veranstaltung vereinfacht den Studierenden damit auch den Einstieg in wissenschaftliche Arbeitsgruppen, beispielsweise in Rahmen der Abschlussarbeit.

Der Kurs stellt in den Erdsystemwissenschaften verwendete Hilfsmittel und Arbeitsweisen vor:
1. Arbeit an der Kommandozeile und Shell-Programmierung zur Automatisierung von Aufgaben. Dafür Umgang mit Linux-Tools, sowie reguläre Ausdrücke. Nutzung eines Editors.
2. Datenverarbeitung auf Basis unterschiedlicher Datenformate. Umgang mit dem Datenformat netCDF. Bearbeitung von Daten mit den Tools nco und cdo.
3. Grundlagen der Software-Entwicklung in den Erdsystemwissenschaften. Versionskontrolle mittels git, Tools zur Software-Entwicklung.
4. Textverarbeitung: Einführung in Latex zum Bearbeiten umfangreicher Dokumente, sowie Pflege einer Literaturdatenbank.

Studierende haben essentielle Grundkenntnisse in Kernbereichen der Umweltmeteorologie, die sie befähigt eine gutachterliche Tätigkeit in den Bereichen Schadstoffausbreitung, erneuerbare Energien oder Stadtplanung aufzunehmen. Behandelt werden vor allem die Themen Ausbreitungsrechnung,  Stadtklimatologie und Energiemeteorologie.

Der Kurs Air Chemistry beinhaltet eine Einführung in die Grundlagen der Allgemeinen Chemie und eine Stoffkunde chemischer Spurenstoffe der Atmosphäre. Dabei wird insbesondere die atmosphärische Lebensdauer, toxikologische Umweltrelevanz und die Strahlungswirksamkeit der Spurenstoffe diskutiert. An eine Einführung in die allgemeine Kinetik chemischer Reaktionen schließt sich die Erklärung der Ozonbildung in der Stratosphäre und der Troposphäre an. Dies umfasst die Diskussion der jährlich wiederkehrenden Ozonabnahme in der Stratosphäre zu Beginn des antarktischen Frühjahrs („Ozonloch“) und die Entstehung von Sommersmog bei Anwesenheit von Stickoxiden, Kohlen-monoxid und flüchtigen organischen Verbindungen.

Die Vorlesung Climate Physics beginnt mit der Definition der Begriffe Klima und Klimasystem. Die Begriffe Klimaantrieb, Rückkopplung, Wechselwirkung und Synergie von Klimafaktoren werden erläutert. Der physikalische Zustand der verschiedenen Komponenten des Klimasystems wie Atmosphäre, Biosphäre, Hydrosphäre und Kryosphäre werden für das gegenwärtige Klima beschrieben. Ferner werden die Wechselwirkungsprozesse im Klimasystem, die so genannten Impuls-, Wasser-, Kohlenstoff- und Energiekreisläufe vorgestellt. In den Übungen werden die erworbenen Kenntnisse zur Lösung einfacher Aufgaben eingesetzt.

In der Vorlesung Cloudphysics werden die in der Thermodynamik eingeführten Methoden und Verfahrensweisen auf polydisperse Mehrphasensysteme angewandt und weiter vertieft. Ausgehend von den Hauptsätzen der Thermodynamik, der Massen- und Impulserhaltung wird das Verhalten von Aerosolteilchen und Wolkentröpfchen als Funktion der relativen Feuchte beschrieben (Köhler-Kelvin-Gleichung). Dann werden die Gleichungen zur Beschreibung des Diffusionswachstums von Wolkenpartikeln abgeleitet sowie die Theorie zur Kinetik von Hydrometeoren abgehandelt. Darüber hinaus wird das Wachsen von Kristallen an Gefrierkeimen sowie die Bildung von Niederschlag behandelt. Außerdem wird einführend über Parametrisierungskonzepte für Misch- und Eiswolken berichtet, die zur Anwendung in Wolken- oder Klimamodellen entwickelt wurden. Ziel des Moduls ist es, die im Grundstudium erworbenen Mathematik- und Physikkenntnisse auf einem für die Meteorologie zentralen Gebiet, der Thermodynamik der Atmosphäre und der Mikrophysik von Wolken sowie der Aerosolphysik, systematisch anzuwenden und zu vertiefen.

Nach Abschluss des Kurs Dynamics of Weather and Climate haben die Studierenden systematisch, in zunehmender Komplexität, Kenntnisse der Gleichungen und Konzepte und deren Verwendung zum Verständnis synoptischer Wetter- und Klimaprozesse auf Zeitskalen von ein paar Tage bis zu Jahrzehnten erlangt. Die Studierenden kennen die Vereinfachungen primitiver Gleichungen, die großräumige Zirkulationsschwankungen mit Schwerpunkt auf den Extratropen beschreiben, und entwickeln Fähigkeiten, die Theorie zur Interpretation von Beobachtungen und Modellsimulationen anzuwenden. Folgende Themen werden behandelt:

• Primitive Gleichungen der atmosphärischen Bewegungen auf großer Skala im Drucksystem.
• Vorticity-Gleichung und ihre Vereinfachung für synoptische Skalen.
• Barotrope Rossby-Wellen und potentielle Rossby-Wirbelstärke.
• Quasi-geostrophische Approximationen.
• Barokline Instabilität und Energieumwandlungen.
• Gleichungen für die zonal gemittelte Zirkulation, Konzept der Impulsflüsse.
• Großräumige Zirkulationszellen: Perspektive der Stromfunktion.

Ziel des Moduls Radiation and Remote Sensing ist es, einfache Grundlagen der Optik und des Strahlungstransports in der Atmosphäre, die Bedeutung für ihren Energiehaushalt sowie das Verständnis damit verbundener optischer Phänomene zu vermitteln. Hierauf aufbauend wird eine kurze Einführung in die wichtigsten Fernerkundungsmethoden für die Atmosphäre gegeben. Der Studierende soll nach Abschluss des Moduls eine Basiskenntnis der wesentlichen, den Strahlungstransport steuernden Prozesse besitzen sowie typische optische Phänomene verstehen. Er soll schließlich in der Lage sein, die Anwendungsbereiche und Grenzen der behandelten Fernerkundungsmethoden einzuschätzen. Ausgangspunkt ist die Behandlung der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in der klaren, getrübten und bewölkten Atmosphäre (Brechung, Reflexion, Beugung, Polarisation, Strahlungstransportgleichung, Streuung, Absorption, Emission) wobei das Frequenzspektrum vom optischen bis in den Hochfrequenzbereich betrachtet wird. Grundlegende Zusammenhänge zwischen dem Strahlungstransport und dem Energiehaushalt der Atmosphäre (z.B. Energieflüsse, mittleres Temperaturprofil, Treibhauseffekt) sowie Folgerungen für optische Phänomene (z.B. Himmelsblau, Szintillation, Regenbogen, Halo, Corona, Aureole) werden besprochen. Die gebräuchlichsten aktiven und passiven Fernerkundungsverfahren werden eingeführt, wobei deutlich gemacht wird, dass den unterschiedlichen Fernerkundungsverfahren jeweils verschiedene Spezialfälle der Strahlungstransportgleichung zu Grunde liegen. Die Lerninhalte werden durch begleitende Übungen vertieft.

Ziel des Moduls Wahlfach ist es, die im Bachelorstudium im Fach Meteorologie erworbenen Kenntnisse durch Erwerb zusätzlicher Kenntnisse zu verbreitern. Es gibt keinerlei Einschränkungen bei der Wahl des Fachs, die Studierenden sollen ihren Neigungen und Interessen folgen. Festgelegt ist nur der zeitliche Aufwand für das Wahlfach (10 LP). Die Leistungspunktzahl kann auch durch Kombination verschiedener Lehrveranstaltungen erreicht werden.

Das Modul Bachelorarbeit schließt den Bachelorstudiengang Meteorologie ab. Die Studierenden arbeiten sich in ein Forschungsthema von begrenztem Umfang ein, das nachfolgend von ihnen unter Anleitung durch einen Betreuer bearbeitet wird. Die Ergebnisse werden schriftlich und mit Hilfe von Bildern und Diagrammen anschaulich dokumentiert. Dabei lernen die Studierenden die Techniken des wissenschaftlichen Arbeitens kennen und entwickeln neben der Fachkompetenz Methodenkompetenz bei der Literaturrecherche, der Erarbeitung und der Dokumentation wissenschaftlicher Sachverhalte.

Im Modul Berufspraktikum sollen die Studierenden einen konkreten Einblick in die Berufswelt gewinnen und die Möglichkeit erhalten, ihre Vorstellungen von der späteren Berufstätigkeit mit der Wirklichkeit des Berufslebens in Forschungsinstitutionen, bei Behörden oder in der Industrie in Übereinstimmung zu bringen. Das Modul dient der Vermittlung allgemeiner berufsqualifizierender Kompetenzen und trägt dazu bei, die Vorstellungen von der späteren eigenen Berufstätigkeit zu präzisieren. Das Institut unterstützt die Studierenden bei der Suche nach geeigneten Praktikantenplätzen im In- und Ausland.