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12. Oktober 2012 METSWN : Strahlung, Wolken, Niederschlag 5 Pflichtmodule METPHATPhysik der...

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  • 12. Oktober 2012 METSWN : Strahlung, Wolken, Niederschlag 5 Pflichtmodule METPHATPhysik der Atmosphre METSWNStrahlung, Wolken, Niederschlag METKLIMPhys. Klimatologie METDYNDynamik der Atmosphre METFPRFortgeschrittenenpraktikum 1 Master Physik der Erde und der Atmosphre METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Lhnert, WS 2012/13
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  • 12. Oktober 2012 Physikalische Meteorologie Die Physikalische Meteorologie versteht sich als Teilgebiet der Meteorologie, welches die physikalischen Prozesse der Atmosphre wie Wolkenphysik Strahlung optische Phnomene Ausbreitung von elektro- magnetischen Wellen Austauschprozesse der Atmosphre mit der Land- oder Meeresoberflche untersucht. METSWN METGRCHEM 2 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Lhnert, WS 2012/13
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  • 12. Oktober 2012 3 Wolkenphysik und Niederschlag Relevanz: Wechselwirkungen von Wolken mit Strahlung stellen die grte Unsicherheit in heutigen Klimamodellen dar Niederschlag hat groe sozio- konomische Einflsse Forschung: HD(CP) 2 : High Definition Clouds and Precipitation for Climate Prediction EUCLIPSE - European Union Cloud Intercomparison, Process Study & Evaluation Project EUCLIPSE Precipitation Measurement Missions (NASA): TRMM, GPM Precipitation Measurement Missions METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Lhnert, WS 2012/13
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  • 12. Oktober 2012 4 Strahlung Relevanz: Antrieb fr atmosphrische Zirkulation Wechselwirkungen von Wolken mit Strahlung stellen die grte Unsicherheit in heutigen Klimamodellen dar sub-skalige Effekte 3D Strahlungseffekte Strahlungsmodule stellen den rechnerisch aufwndigsten Teil von Vorhersagemodellen dar Forschung: Fernerkundungssensoren ermglichen neuen Einblick in Atmosphre globale Strahlungsbilanz Strahlungswechselwirkungen: Charakteristika des spektralen Absorptions- und Streuverhaltens von Gasen, Aerosolen und Hydrometeoren sind ungengend bekannt METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Lhnert, WS 2012/13
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  • 12. Oktober 2012 5 Dozenten: Susanne Crewell (Raum 325, [email protected])[email protected] Ulrich Lhnert (Raum 308, [email protected])[email protected] Emiliano Orlandi (Raum 328, [email protected])[email protected] Max Maahn (Raum 305, [email protected])[email protected] 6 ECTS Punkte entsprechend 180 Stunden Arbeitszeit Freitags, 9 13 Uhr Vorlesung Raum 324, bung Raum 324 oder 304 bungszettel Abgabe jeweils bis Donnerstag 12:00 Computerbungen zu - Grenverteilungen - Strahlungstransport - Heizraten Projektarbeit und abschlieende Vortrge zu Themen, die Wolken und Strahlung verbinden Organisatorisches METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Lhnert, WS 2012/13
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  • 12. Oktober 2012 6 Organisatorisches 112. OktoberEinfhrung + Thermodynamik (UL) 219. OktoberTropfennukleation 32. NovemberDiffusionswachstum 49. NovemberKoagulationswachstum 516. NovemberEisbildung und wachstum 623. NovemberNiederschlag und Gewitter 730. NovemberMessung und Modellierung 87. DezemberStrahlung Grundlagen 914. DezemberReflektion / Thermische Emission 1021. DezemberTransmission / Gasabsorption 1111. JanuarErwrmungsraten 1218. JanuarStrahlungstransport und Prsentation Projekte 1325. JanuarStreuung und Prsentation Projekte 1431. JanuarErsatztermin METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Lhnert, WS 2012/13
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  • 12. Oktober 2012 7 Literatur (Wolken) Rogers, R. R. & M. K. Yau, 1989: "A short course in cloud physics", 3rd Edition, Butterworth-Heinemann, Int. Series in Nat. Philosophy, Vol. 113. Pruppacher, H. R. und J. D. Klett, 1997: Microphysics of cloud and precipitation Atmospheric and Oceanographic Science Libary, Vol. 18, Kluwer Academic Publishers, Houze, R. A., 1993: Cloud Dynamics, Int. Geophys. Series, 53. Young, K. C., 1993: Microphysical Processes in Clouds. PROMET: - Wolkenphysik und Wolkendynamik I und II (1993) - Fernmessung von Wasserdampf und Wolken I (2011) $71.95 $282.00 $66.32 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Lhnert, WS 2012/13
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  • 12. Oktober 2012 8 Literatur (Strahlung) Petty, G., 2006: A first course in Atmospheric Radiation, 2nd Edition, Sundog Publishing, 458 S., $ 36,- http://www.sundogpublishing.com/AtmosRad/ http://www.sundogpublishing.com/AtmosRad/ Bohren, Craig F., und Eugene Clothiaux, 2006: Fundamentals of Atmospheric Radiation: An Introduction with 400 Problems, Wiley-VCH, 1st edition, 490 Seiten. Liou, K.-N.,1992: An Introduction to Atmospheric Radiation, Volume 84, Second Edition Liou, K.-N.,1992: Radiation and cloud processes in the atmosphere. Oxford Univ. Press, Oxford, 487 S.,. Goody, R.M. and Y.L. Young, 1995: Atmospheric Radiation. Oxford Univ. Press., 2nd Edition, 544 Seiten METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Lhnert, WS 2012/13
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  • 12. Oktober 2012 9 Wolkenphysik: Gliederung I.Einfhrung - Bedeutung und Definition von Wolken - Beobachtungen von Wolkenparametern - Grenverteilungen von Wolkenpartikeln - Thermodynamik II.Wasserwolken - Bildung & Wachstum von Wolkentropfen - Wachstum von Tropfenpopulationen III.Eiswolken - Nukleation - Wachstum von Eiskristallen IV.Niederschlag - warmer und kalter Niederschlag - Radarmeteorologie V.Messung von Wolkenparametern VI.Modellierung von Wolken - spektrale Modelle - Wolkenparameterisierungen in NWP und Klimamodellen METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Lhnert, WS 2012/13
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  • 12. Oktober 2012 10 Relevante Forschungsrichtungen visuelle Wolkenbeobachtung rein deskriptiv, Problem der Quantifizierung Karlsruher Wolkenatlas http://www.wolkenatlas.dehttp://www.wolkenatlas.de Wolkenmikrophysik Bildung von Wolken- und Niederschlagspartikeln, Phasenumwandlungen Wolkenoptik und Radarmeteorologie Wechselwirkung mit elektromagnetischer Strahlung Wolkendynamik Makrophysikalische Wolkenprozesse Wolkenelektrizitt Elektr. Prozesse Wichtig fr die Entstehung von Gewittern Chemie der Atmosphre Polare stratosphrische Wolken, Entfernung von Schadstoffen METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Lhnert, WS 2012/13
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  • 12. Oktober 2012 11 Einige Fragen der Wolkenphysik Wie knnen wir Wolken klassifizieren? - Frher Klassifikation nach Erscheinungsbild - Heute moderne Fernerkundungsverfahren Welche Mechanismen kontrollieren die Entstehung von Wolken? - Bedeutung von Aerosoleigenschaften - Welche Rolle spielt die Wolkenchemie (Schadstoffe)? Wie entsteht Niederschlag (in seinen verschiedenen Formen)? Wie knnen wir die zeitliche und rumliche Entwicklung von Wolken und Niederschlag voraussagen? - Einsetzen von Niederschlag - unterkhltes Wasser - Kann das Auftreten von Blitzen zur Niederschlagsvorhersage genutzt werden? METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Lhnert, WS 2012/13
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  • 12. Oktober 2012 12 Wolken sind extrem komplex! Von Hydrometeoren ber Einzelwolken und Wolkenfelder zum globalen System METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Lhnert, WS 2012/13
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  • 12. Oktober 2012 13 Skalenproblem Wechselwirkung der unterschiedlichen Skalen, die bis zu 14 Gren- ordnungen umfassen, komplizieren exakte Beschreibung 0.1 m 1.0 m 100 mm 10 mm 1.0 mm 100 m 1.0 m 1.0 km 100 m 10 m 100 km 10 km Aerosole Wolkentropfen Regentropfen Eiskristalle Schnee Mikrophysikalische Wolkenmodelle (1D) Operationelle Wettervorhersagemo- delle der Mesoskala (3D) Klimamodelle (3D) TurbulenzCumulusStratus METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Lhnert, WS 2012/13
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  • 12. Oktober 2012 14 Woraus bestehen Wolken? Wolken bestehen aus schwebendenen Partikeln unterschiedlicher Gre Form Zusammensetzung M. Quante METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Lhnert, WS 2012/13
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  • 12. Oktober 2012 15 Hydrometeore Allgemein: Verschiedene Kategorien von Wolken- und Niederschlagsteilchen z.B. Wolkentropfen, Eiskristalle, Hagel, Graupel, Schnee, Regen WMO 1975: Hydrometeore sind Ansammlungen von flssigen oder gefrorenen Wasserteilchen, die in der Luft schweben oder fallen, durch den Wind von der Oberflche aufgewirbelt sind, oder sich an Gegenstnden am Boden bzw. in der Luft ansetzen. WMO 1990: Vier Arten atmosphrischer Meteore: - Hydrometeore - Lithometeore (Dunst, Staub, Sand, Rauch,..) - Photometeore (Halos, Regenboden, Glorien,..) - Elektrometeore (Blitz, Donner) Hckel 1999:... Wolken haben eine ausgeprgte Dynamik, whrend sie sich auf der einen Seite stndig neu bilden, lsen sie sich auf der anderen Seite wieder auf. Eine Wolke ist also kein Gegenstand sondern ein Zustand... METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Lhnert, WS 2012/13
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  • 12. Oktober 2012 16 Mikrophysikalische Wolkenparameter Wolken sind sichtbare, in der Luft schwebende Ansammlung von Kondensationsprodukten des Wasserdampfs (Hydrometeoren), d.h. von kleinen Wassertropfen ( ~10 m), Eiskristallen oder beiden gemeinsam Gre der Hydrometeore Ensemble der Partikel wird mit der Tropfengrenverteilung N(D) [m -4 ] beschrieben Form - Flssigwasserwolken haben kugelfrmige Tropfen (Radius) - Niederschlagsteilchen nherungsweise Ellipsoide (Radius, Aspektverhltnis) - Eisteilchen knnen als Platten, Sulen, Dendriten, usw.... auftreten - Partikel in Mischphase knnen sehr komplexe Form annehmen Phase - flssiges Wasser, Eis, Mischphase Chemische Zusammensetzung METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Lhnert, WS 2012/13
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  • 12. Oktober 2012 17 Tropfengren Fragen: - Wieviele Wolkentropfen machen einen Regentropfen? - Welche Radius- bzw. Massenwachstumsgeschwindigkeit muss herrschen, damit aus einem Wolkentropfen in 20 min ein Regentropfen entsteht? D - Durchmesser n - Tropfenkonzentration METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Lhnert, WS 2012/13
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  • 12. Oktober 2012 18 Typische Werte von Tropfengren Durchmesser [m] Konzentration [liter -1 ] Fallgeschwindig- keit [cm s -1 ] Kondensationskern0.110 6 0.0001 Wolkentropfen1010 6 1 groer Wolkentropfen 5010 3 27 Regentropfen10001650 Hagelkorn< 10 000 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Lhnert, WS 2012/13
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  • 12. Oktober 2012 19 Tropfengrenverteilung Flugzeugmessungen mittels FSSP Forward scattering spectrometer probe idealisierte Verteilungen (hier fr Stratus) a = 83.1 cm -3 m b = 2.43 m -1 = 6.1 = 1 N(r): Anzahl an Tropfen pro Volumen und Radiuseinheit METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Lhnert, WS 2012/13
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  • 12. Oktober 2012 20 Momente des Tropfenspektrums N 0. Moment Tropfenkonzentration LWC3. Moment Flssigwassergehalt R~3.5 Moment Niederschlagsrate (Massenfluss) z6. Moment Radarreflektivittsfaktor Frage: Welche Werte haben N, LWC und z fr das idealisierte Tropfenspektrum fr Stratus? METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Lhnert, WS 2012/13
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  • 12. Oktober 2012 21 Eiswolken Miloshevich et al. [2001] METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Lhnert, WS 2012/13
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  • 12. Oktober 2012 22 Einschub: Wiederholung Thermodynamik... METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Lhnert, WS 2012/13
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  • 12. Oktober 2012 23 Wolkenbeobachtungen Satellit International Satellite Cloud Climatology Product (ISCCP) http://isccp.giss.nasa.gov METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Lhnert, WS 2012/13
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  • 12. Oktober 2012 24 Globale Wolkenbeobachtungen Wolkenbedeckungsgrad ist global ca. 60 % NASA METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Lhnert, WS 2012/13
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  • 12. Oktober 2012 25 Wolkenbeobachtungen vom Boden Kombination verschiedener Messsysteme (Radar, Lidar, Mikrowelle) und Modellvorhersagen Lindenberg, 12. August 2011 www.cloud-net.org METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Lhnert, WS 2012/13
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  • 12. Oktober 2012 26 Von der Realitt zur Modellierung von Wolken in der Wettervorhersage Wolken- und Niederschlagsparameter haben niedrigste Vorhersagequalitt Mikrophysik zu komplex fr exakte Lsungen Rumliche Skala ist klein gegenber der Auflsung von Wettervorher- sagemodellen (x ~ 1-10 km) Parametrisierungen notwendig Beobachtung von Wolkenparametern stellt ein komplexes Problem dar Datenassimilation von Wolken und Niederschlag stehen erst am Anfang METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Lhnert, WS 2012/13
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  • 12. Oktober 2012 27 Bedeutung von Wolken im Klimasystem Obwohl nur ca. 1 % des Wassers in der Atmosphre in Form von Wolken existiert sind Wolken sind extrem wirkungsvolle Strahlungsregulatoren Wolken immer Ausgangspunkt fr Niederschlag Komplexe Rckkopplungseffekte mehr Schneefall Erhhung der Bodenalbedo Reduktion der Absorption solarer Strahlung mehr Niederschlag mehr Vegetationswachstum dunklere Boden hhere Absorption Wichtige Komponente in Wasser- und Energiekreislauf der Erde METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Lhnert, WS 2012/13
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  • 12. Oktober 2012 Planetare Albedo Absorption Transmission Streuung Reflektion 28 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Lhnert, WS 2012/13
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  • 12. Oktober 2012 29 Strahlungseffekte von Wolken: quantitativ Im kurzwelligen Spektralbereich khlen Wolken das Klimasystem durch ihre hohe Reflektion solarer Strahlung Albedoeffekt Im langwelligen Spektralbereich tragen Wolken zum Treibhauseffekt bei, da sie weniger thermische Energie in den Weltraum abstrahlen als die Erdoberflche. Im globalen Mittel khlen Wolken die Atmosphre um ca. 20 Wm -2 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Lhnert, WS 2012/13
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  • 12. Oktober 2012 30 Strahlungsbilanz der Erde/Atmosphre KIEHL J., and K. TRENBERTH, 1997: Earths annual global mean budget. Bull. Am. Met. Soc., 78, 197-208. Strahlung beeinflusst Wetter und Klima wirksamer je lnger die Zeitskala selbst auf der kleinen Skala (Initiierung von Konvektion, Tau Bildung...) METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Lhnert, WS 2012/13 Atmosphre verliert im Mittel ~100 Wm -2 (Strahlungsdefizit) grtenteils balanciert durch Fluss latenter Wrme atmosphrische Verluste sind Ma fr den globalen Wasserkreislauf
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  • 12. Oktober 2012 31 Wasserkreislauf E -Verdunstung [kg m -2 s -1 ] P - Niederschlag [kg m -2 s -1 ] Wasser - die Schlsselkomponente des Klimasystems Wasser verknpft physikalische, biologische und sozio-konomische Systeme physikalische Besonderheiten - drei Phasen (Eis, Wasser, Wasserdampf) - fnf Kompartimente Zeitliche und rumliche nderungen der Austauschprozesse Global: P - E = 0 Niederschlag Verdunstung Abfluss Wind Transporte Eis Bodenfeuchte Biosphre Speicherung METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Lhnert, WS 2012/13
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  • 12. Oktober 2012 32 Energiekreislauf B Q S - Q L - H - LE - B = 0 QSQS LE H QLQL Q S -Nettostrahlung solar [W m -2 ] Q L -Nettostrahlung terrestrisch [W m -2 ] H - Fluss fhlbarer Wrme [W m -2 ] LE -Fluss latenter Wrme [W m -2 ] B -Bodenwrmestrom [W m -2 ] Energieumsatz bei Phasenbergngen Kopplung von Wasser- und Energiekreislauf Wolken wirken auf grorumige atmosphrische Dynamik durch Transport latenter Wrme (meridionaler Gradient) wichtige Komponente in Hadley- und Monsun- Zirkulation Vertikaltransporte in konvektiven Wolken Kumuluskonvektion (Wasserdampf als Treibstoff, Wolken als Motor) Eis/Schnee bewirken starke Erhhung der Albedo METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Lhnert, WS 2012/13
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  • 12. Oktober 2012 33 Kopplung Energie- und Wasserkreislauf E - Verdunstung [kg m -2 s -1 ] w - Dichte von Wasser (10 3 kg m -3 ) L- Verdunstungswrme (~2.5 10 6 J kg -1 ) LE - Fluss latenter Wrme [W m -2 ] LE = L E Globales Mittel : - 32 Milligramm pro Quadratmeter und Sekunde - entsprechend 80 Watt pro Quadratmeter - entsprechend 1000 mm pro Jahr - entsprechend 10 7 Kubikmeter pro Sekunde Golfstrom transportiert bis zu 150 Sverdrup= 15010 6 km 3 s -1 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Lhnert, WS 2012/13
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  • 12. Oktober 2012 34 90N806040200-20-40-60-80 90S 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 Atmospheric Model Intercomparison (AMIP), Gates et. al. 1999 Geographische Breite LWP / kg m -2 Vergleich von 14 Klimamodellen: Vertikal integrierter Wolkenwassergehalt Modellierung von Wolken im Klimasystem Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC)...the most urgent scientific problems requiring attention to determine the rate and magnitude of climate change and sea level rise are the factors controlling the distribution of clouds and their radiative characteristics... METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Lhnert, WS 2012/13
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  • 12. Oktober 2012 35 Sensitivitt des Klimasystems CO 2 Verdopplung bewirkt ca. 3-5 W m -2 Wirkung von Wolken auf den Strahlungshaushalt der Troposphre bei CO 2 Verdopplung IPCC 2001, Seite 430 nach LeTreut und McAveny, 2000 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Lhnert, WS 2012/13
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  • 12. Oktober 2012 IPCC, 4th assessment METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Lhnert, WS 2012/13
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  • 12. Oktober 2012 37 Zahlenspiele: Flssigwasserwolke Wieviel Energie hat eine Wolke? Flssigwassergehalt (LWC) = 0.5 g m -3 Horizontale/Vertikale Erstreckung 5000 m/4000 m Wassergehalt = 50 000 000 kg = 50 000 t Kondensationsenergie = 510 7 kg 2.5 10 6 J kg -1 = 1.25 10 13 J Vergleich: 1) Badewanne hat 2 m 3 = 2 Tonnen 25 000 Fllungen 2) Nagasaki Bombe (22 kT TNT; 1 kT TNT = 4.2 10 12 J ) 9.4 10 13 J Energie in der Flssigphase der Wolke entspricht in etwa einer Nagasaki Bombe METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Lhnert, WS 2012/13
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  • 12. Oktober 2012 38 Zahlenspiele: Flssigwasserwolke Schnwetter-Cumulus Kumuluswolke entsteht durch Warmluftblase am Lifting Condensation Level Halbkugel mit Durchmesser 1 km Flssigwassergehalt (LWC) = 1 g m -3 Volumen = 2.62 10 8 m 3 Wasservolumen = 250 m 3 Bodenflche von der das Wasser verdunstet: 785 000 m 3 Wassersule von 0.3 mm muss verdunstet werden Frage: Angenommen die Wolke ist in 900 hPa, 10 Grad warm, und hat 100% relative Feuchte, wie ist das Verhltnis von Wasserdampf zu Wolkenwasser? METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Lhnert, WS 2012/13
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12. Oktober 2012 METSWN : Strahlung, Wolken, Niederschlag 5 Pflichtmodule METPHAT Physik der Atmosphäre METSWN Strahlung, Wolken, Niederschlag METKLIM Phys. Klimatologie METDYN Dynamik der Atmosphäre METFPR Fortgeschrittenenpraktikum 1 Master „Physik der Erde und der Atmosphäre“ METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
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