Meteorologie

Das Modul besteht aus den Teilen Einführung in die Meteorologie 1 und Einführung in die Meteorologie 2, die in aufeinander folgenden Semestern angeboten werden.

Im ersten Teil der Einführung in die Meteorologie wird die chemische 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. Sodann 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 der Einführung 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.

Die Vorlesung Hydrodynamik beginnt mit einer Betrachtung der Eigenschaften der Fluide und der Definition des Kontinuums. Sodann werden für das Kontinuum die Erhaltungssätze der Hydrodynamik von Grund auf abgeleitet und in Form partieller Differentialgleichungen dargestellt. Die Rolle der Terme der Gleichungen wird veranschaulicht. Es wird gezeigt, dass Vereinfachungen dieser Gleichungen auf die bereits aus der Einführung in die Meteorologie bekannten Gesetzmäßigkeiten für ruhende und strömende Fluide führen. 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. In den Übungen zur Hydrodynamik werden die erworbenen Kenntnisse zur Lösung einschlägiger Aufgaben eingesetzt.

In der Vorlesung Turbulenz und Grenzschicht werden die in der Hydrodynamik eingeführten Methoden und Verfahrensweisen auf turbulente Grenzschichtströmungen angewandt und weiter vertieft. 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. Die Monin-Obukhov-Theorie wird eingeführt und die Charakteristika der atmosphärischen Grenzschichten werden beschrieben. In der dazugehörigen Übung werden die erworbenen Kenntnisse auf praktische Probleme angewandt.

Das Modul besteht aus Vorlesung, Übungen und dem separaten Übungsteil Wetterbesprechung.

Vorlesung:

Themenschwerpunkte 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.

Übungen:

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.

Themenschwerpunkte der Übungen sind: Internationaler Synopschlüssel, Konstruktion einer Bodenstationskarte für eine ausgewählte Wetterlage, Diagrammpapiere, Analyse aerologischer Messdaten, Analyse von Satellitenprodukten, Konstruktion von troposphärischen Feldern der gemessenen meteorologischen Parameter auf unterschiedlichen Druckflächen für eine ausgewählte Wetterlage, Internetnutzung bzgl. synoptischer Produkte, Übungsbeispiele zur synoptischen Analyse und Wetterprognose (Vermittlung der für die Wetterbesprechung erforderlichen Methodik).

Wetterbesprechung 1+2:

In diesem separaten Übungsteil 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.

Wetteranalyse: Basierend auf Modellanalysekarten und Satellitenbildern wird die synoptische Entwicklung der jeweils aktuellen Vorwoche analysiert. Für die aktu-elle synoptische Entwicklung verantwortliche zyklogenetische/zyklolytische Pro-zesse, frontogenetische/frontolytische Prozesse, sowie der steuernde Einfluss der Prozesse in der oberen Troposphäre auf die bodennahe Entwicklung werden erläutert. Die Auswirkung der großräumigen synoptischen Entwicklung auf die lokale Wetterentwicklung wird anhand der am Wettermast Billwerder aufgenommenen Messdaten analysiert.

Das Modul besteht aus den Veranstaltungen Meteorologische Instrumente und Messmethoden und Interpretation meteorologischer Messdaten sowie dem abschließenden Meteorologischen Instrumentenpraktikum.

In der Vorlesung Meteorologische Instrumente und Messmethoden werden die in der Meteorologie verwendeten Messinstrumente und die zugrundeliegenden Prinzipien präsentiert. Dabei wird die Erfassung aller meteorologischen Basisgrößen, wie z.B. Druck, Temperatur, Feuchte, Wind, Strahlung oder Niederschlag, abgedeckt. Es wird behandelt, inwiefern einzelne Messinstrumente oder -verfahren die Variabilität meteorologischer Felder in Raum und Zeit auflösen können. Klassische Messinstrumente werden vorgestellt, soweit sie dem Verständnis von Messprinzipien dienen. Darüber hinaus liegt der Schwerpunkt auf modernen Verfahren mit elektronischer Messwerterfassung, wie sie aktuell in meteorologischer Forschung und in der beruflichen Praxis eingesetzt werden.

In der Vorlesung und Übung Interpretation meteorologischer Messdaten werden an praktischen Beispielen Methoden zur Auswertung von Messdaten vermittelt. Schwerpunkte liegen auf der Qualitätskontrolle von Messwerten, ihrer graphischen Darstellung und ihrer Zusammenfassung in Kenngrößen, wie z.B. Mittelwerte, Autokorrelationen oder Häufigkeitsverteilungen. Hierzu werden Grundlagen der Zeitreihenstatistik erläutert und in praktischen Übungen angewendet.

Im abschließenden Meteorologische Instrumentenpraktikum, das als Blockveranstaltung am Ende des Semesters durchgeführt wird, werden in Kleingruppen die in den vorherigen Kursen erworbenen Fähigkeiten praktisch umgesetzt. Die Teilnehmer bereiten sich durch Einarbeitung in die Praktikumsunterlagen auf die einzelnen Versuche vor. Das Praktikum deckt unter anderem Temperatur-, Feuchte-, Druck- und Windmessungen sowie die Profilierung der Atmosphäre mit Ballonaufstiegen ab. Dabei werden Grundfertigkeiten, wie das Verfassen von Versuchsdokumentationen, Fehlerrechnungen oder die Kalibrierung von Messgeräten, eingeübt.

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.

Im ersten Teil (3. Semester) werden die Grundlagen für UNIX, UNIX-Shells und Editoren behandelt und textformatierte Datensätze bearbeitet. Es werden die UNIX-Befehle für das Erstellen, Verändern und Verwalten von Daten und Pro-grammen auf UNIX/LINUX-Rechnern behandelt. Eine Einweisung in GMT ermöglicht das Visualisieren einfacher Zeitserien und Diagramme. Es werden Programme und Befehle zum Arbeiten in Computernetzwerken vorgestellt. Daneben beginnt eine Schulung der Programmiersprache FORTRAN95. Die Schwerpunkte liegen im ersten Teil auf dem Einlesen, Verändern und der Ausgabe von formatierten Textdateien (z.B. Messreihen, die auf Exkursionen erstellt wurden). Der Unterrichtsstoff wird mit vielen Beispielen und Aufgaben vertieft.
Im zweiten Teil (4. Semester) sollen die Studierenden den Umgang mit Shellskripten lernen (tcsh), binäre Datensätze unterschiedlicher Formate (GRIB, NetCDF, EXTRA) analysieren, manipulieren (cdo, nco) und visualisieren (GMT). In FORTRAN werden die Kenntnisse aus dem ersten Semester vertieft sowie Felder, Unterprogramme, Funktionen und der Umgang mit Bibliotheken eingeführt. Hierbei wird auch mit Datensätzen gearbeitet die als Ergebnisse der Simulationen mit Klimamodellen gewonnen werden.
In einer Abschlussarbeit sollen die Studenten ihr erreichtes Wissen an einem komplexen Beispiel testen.

Das Modul Wissenschaftliche Präsentation ist eine ABK- Veranstaltung. Es besteht aus zwei Teilen. Im ersten Teil erlernen die Studierenden Vortragstechniken. Der zweite Teil ist angelehnt an ein traditionelles Meteorologisches Seminar. Hier wird ein Spezialgebiet aus der Meteorologie abgehandelt. Die Vorträge werden ausschließlich von den Studierenden gehalten, dazu erstellen sie Kurzfassungen, die allen Teilnehmern ausgehändigt werden. Die Lehrenden beteiligen sich nur an der Diskussion der Vorträge. Die Themenauswahl und die Betreuung während der Vorbereitung erfolgt umlaufend durch die Wissenschaftler aus den 3 Abteilungen des Instituts. Ziel des Moduls ist es, die Studierenden zu einer sicheren und motivierenden Präsentation wissenschaftlicher Ergebnisse aus der Meteorologie vor Publikum zu befähigen. Ferner erstellen sie verständliche Kurzfassungen in schriftlicher Form zu einem wissenschaftlichen Thema.

Das Modul Technische Meteorologie vermittelt Grundkenntnisse auf dem Gebiet der angewandten technischen und Umwelt-Meteorologie. Qualifikationsziel ist die Befähigung zu fachübergreifender, interdisziplinärer Arbeit im praktischen Immissionsschutz sowie im Gutachter- und Consulting- Bereich.

Die Lehrveranstaltung gibt einen Überblick über die rechtlichen Rahmenbedingungen des technischen Umweltschutzes in Deutschland bzw. der EU. Aufbauend auf bzw. in Ergänzung zu den Lehrveranstaltungen des Moduls Strömungsphysik werden die für die bei Immissionsprognosen verwendeten strömungsphysikalischen und meteorologischen Modellvorstellungen, -ansätze und Parametrisierungen vermittelt. Es werden die in der Praxis häufig zur ersten Immissionsabschätzung verwendeten Modellverfahren (Abgasfahnenausbreitung, Gauss- Modell für kontinuierliche Emissionsquellen, statistische Ausbreitungsmodelle für kontinuierliche Punktquellen, instationäre Ausbreitungsmodelle und Gradienten-Transport-Modelle) vorgestellt und deren Möglichkeiten und Grenzen der praktischen Anwendung diskutiert.

Die Einführung in die Chemie der Atmosphäre 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.

Das Modul besteht aus den Teilen Klimaphysik und Statistik.

Die Vorlesung Klimaphysik 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.

Die Einführung in die Meteorologische Statistik behandelt die Darstellung der wichtigsten statistischen Methoden und deren Anwendung auf die Analyse mete orologischer Daten. Zentrale Themen sind zunächst Wahrscheinlichkeitsverteilungen sowie die Schätzung von Parametern und Hypothesentests. Dann folgt die Analyse von Zeitreihen durch Trenduntersuchungen und mittels spektraler Methoden. Schließlich wird die Analyse multivariater Variablen anhand von meteorologischen Feldern und deren Zeitreihen besprochen. Ziel des Moduls ist es, die im Grundstudium erworbenen Mathematik- und Physik- und Meteorologiekenntnisse auf einem für die Meteorologie zentralen Gebiet, der Klimaphysik und Statistik, systematisch anzuwenden und zu vertiefen.

Das Modul Thermodynamik, Aerosol- und Wolkenphysik, besteht aus den gleichnami-gen Kursen, die in aufeinander folgenden Semestern angeboten werden.

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 Gibbsschen 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.

In der Vorlesung Aerosol- und Wolkenphysik 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.

Im Modul Einführung in die theoretische Meteorologie werden die Grundlagen der dynamischen Meteorologie vermittelt. Die Vorlesung beginnt mit den fundamentalen Bewegungsgleichungen auf der rotierenden Erde und der Thermodynamik der geschichteten Atmosphäre. Durch die Skalenanalyse werden diese Gleichungen für die synoptische Skale approximiert und das vertikale Druck-Koordinatensystem eingeführt. Die Vorticity-Gleichung und ihre Approximationen bilden einen weiteren Schwerpunkt der Vorlesung. Die quasigeostrophische Approximation wird zusammen mit der Approximation der potentiellen Vorticity als wichtigste Grundlage der großräumigen dynamischen Meteorologie eingeführt und zur Beschreibung von Rossby-Wellen verwendet. Die Ausbreitung von Wellen wird durch Linearisierung und Wellenansätze mit der Dispersionsrelation als zentralem Zusammenhang behandelt. Anhand des Flachwassermodells wird die barotrope Atmosphäre und Schwerewellen beschrieben. Die Eigenschaften der baroklinen Instabilität werden im Rahmen des baroklinen quasigeostrophischen Zweischichtenmodells abgeleitet. Die Vorlesung hebt ab auf das Verständnis wichtiger Konzepte der geophysikalischen Fluiddynamik, insbesondere auf die Rolle von Approximationen bei der Modellierung sowie Mechanismen wie die Wellenausbreitung und Instabilitäten.

Ziel des Moduls Optik, Strahlung, Fernerkundung 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.