Atmosphärische Dynamik
Die atmosphärische Dynamik wendet die Gesetze der Flüssigkeitsbewegung auf eine dünne, rotierende Lufthülle an und erklärt, warum Winde abgelenkt werden, warum Drucksysteme wandern und wie die Zirkulation des Planeten Wetter und Klima organisiert.
Definition
Atmosphärische Dynamik ist der Zweig der Meteorologie, der die Gleichungen der Fluidmechanik und Thermodynamik, angewendet auf einen rotierenden Planeten, nutzt, um die Bewegung der Atmosphäre zu beschreiben und vorherzusagen.
Scope
Dieser Bereich umfasst die grundlegenden Gleichungen der atmosphärischen Bewegung in einem rotierenden Bezugssystem, die ausgeglichenen Strömungen, die große Skalen dominieren, das Spektrum atmosphärischer Wellen, die Instabilitäten, die Wettersysteme hervorbringen, sowie die Struktur und Aufrechterhaltung der globalen allgemeinen Zirkulation.
Sub-topics
Core questions
- Welche Gleichungen bestimmen die Luftbewegung auf einer rotierenden Erde?
- Warum wehen großräumige Winde nahezu parallel zu den Isobaren?
- Welche Wellen und Instabilitäten organisieren die Atmosphäre in Wettersysteme?
- Wie wird das globale Muster von Winden und Druck aufrechterhalten?
Key theories
- Geostrophic and balanced flow
- For large-scale, slowly evolving motion the Coriolis force nearly balances the pressure-gradient force, so winds blow along isobars; departures from this balance drive the vertical motion and evolution of weather systems.
- Baroclinic instability
- Horizontal temperature gradients store available potential energy that is released by growing waves, providing the dynamical origin of midlatitude cyclones and the eddies that dominate weather in the extratropics.
Mechanisms
Ausgehend von Newtons Gesetzen und der Erhaltung von Masse und Energie, formuliert in einem rotierenden Bezugssystem, beschreiben die primitiven Gleichungen, wie Druckgradienten, der Corioliseffekt, die Schwerkraft und Reibung die Luft in Bewegung setzen. Auf großen Skalen bleibt die Strömung nahe am geostrophischen und hydrostatischen Gleichgewicht, während kleine Ungleichgewichte, ausgedrückt durch potenzielle Vorticity und die quasi-geostrophische Theorie, das Wachstum von Wellen und die vertikalen Zirkulationen antreiben, die Wetter erzeugen.
Clinical relevance
Die dynamischen Gleichungen dieses Bereichs sind die Grundlage jedes numerischen Wetter- und Klimamodells; das Verständnis von ausgeglichener Strömung, Wellen und Instabilitäten ermöglicht es Prognostikern und Klimawissenschaftlern, die Entwicklung und Bewegung von Stürmen sowie die Reaktion der Zirkulation auf einen sich erwärmenden Planeten vorherzusehen.
History
Aufbauend auf der Fluidmechanik des neunzehnten Jahrhunderts und der Coriolis-Analyse rotierender Strömungen formulierte Vilhelm Bjerknes Anfang des 20. Jahrhunderts die Wettervorhersage als Anfangswertproblem; Rossby identifizierte die großskaligen Wellen, die seinen Namen tragen, und Charneys Theorie der baroklinen Instabilität und quasi-geostrophischen Dynamik Mitte des Jahrhunderts machte die atmosphärische Dynamik zur quantitativen Grundlage der modernen Vorhersage.
Key figures
- Vilhelm Bjerknes
- Carl-Gustaf Rossby
- Jule Charney
- Edward Lorenz
Related topics
Seminal works
- holton2013
- vallis2017
Frequently asked questions
- Warum weht der Wind entlang und nicht quer zu den Isobaren?
- Auf großen Skalen wird die Druckgradientkraft, die Luft von hohem zu niedrigem Druck drückt, nahezu durch die Corioliskraft der Erdrotation ausgeglichen, sodass die Luft letztendlich parallel zu den Isobaren in einem sogenannten geostrophischen Gleichgewicht strömt.
- Was ist der Unterschied zwischen dynamischer Meteorologie und synoptischer Meteorologie?
- Die dynamische Meteorologie entwickelt die zugrunde liegende physikalische und mathematische Theorie der atmosphärischen Bewegung, während die synoptische Meteorologie diese Prinzipien anwendet, um tatsächliche Wettersysteme aus Beobachtungen zu analysieren und vorherzusagen.