LEHRE

ÜBUNGEN zum Modul P1 EINFÜHRUNG IN DIE METEOROLOGIE  (Modul Nr. 12-111-0001)

PROF. Ch. JACOBI / DR. A. RAABE

Ort: Linnestr. 5, SR 218

Termine /Zeiten:

Gruppe 1: Dienstag, 12:45 – 13:30

Gruppe 2: Dienstag, 14:00 – 14:45

 

1.Termin: Die., 16.10.2018       Zeit 12:45: Gruppe 1

                                                             14:00: Gruppe 2

2. Termin: Die., 23.10.2018      Gruppe 1    12:45Uhr

                                                   Gruppe  2   14:00Uhr

10_ Übungsaufgaben "Einführung in die Meteorologie" WS 18/19

AUSGABE: 18.12.2018                                           ABGABE: 08.01.2019

Zur VL 05.12.2018

 

25.       Während verschiedener Radiosondenaufstiege wurden die unten angegebenen Temperatur­profile beobachtet. Bestimmen Sie mit Hilfe des Stüve-Diagramm-Papiers das Hebungskondensationsniveau HKN, das Kumuluskondensationsniveau (KKN) und die Auslösetemperatur TA, das Niveau freier Konvektion (NFK) und das Gleichgewichtsniveau (GN).

Ergänzen Sie die Ergebnisse in der Tabelle und legen Sie die auf dem Stüve-Papier gezeichneten TEMPS mit den gekennzeichneten Höhen Ihren Übungsaufgaben bei.                          10P.

 

Lindenberg 20.05.02 0:00

Lindenberg 28.05.02 0:00

Lindenberg 12.08.2002 0:00

Taupunkt (1000hPa):

2,8°C

Taupunkt (1000hPa):

13,3°C

Taupunkt (1000hPa):

17,2°C

 

 

 

 

 

 

P(hpa)

T(°C)

P(hpa)

T(°C)

P(hpa)

T(°C)

1009

8,4

1004

16,2

988

20,4

989

9,6

998

16

982

20,8

880

1,2

964

14,2

970

23

871

0,6

887

8,4

954

22,2

862

0,4

840

6,4

818

11,6

853

1,4

828

6,8

809

10,6

849

1,4

777

4,6

735

5,6

824

0,6

700

-1,5

612

-2,7

816

0,8

689

-0,7

558

-5,9

781

-0,3

645

-3,3

540

-7,7

732

-3,1

636

-3,7

504

-12,1

707

-4,5

622

-3,9

479

-12,9

670

-6,3

609

-4,5

446

-16,1

593

-12,5

600

-4,9

357

-29,7

577

-13,9

582

-6,7

348

-30,1

437

-27,7

530

-12,7

322

-34,1

388

-33,5

508

-13,9

315

-35,3

323

-44,1

496

-15,1

252

-49,1

285

-50,7

464

-19,5

223

-55,7

236

-57,1

437

-21,7

204

-58,3

230

-57,5

400

-25,7

195

-60,5

222

-58,1

320

-39,9

188

-58,7

206

-58,1

306

-42,9

183

-53,7

189

-54,1

268

-48,3

158

-50,1

170

-54,7

236

-54,9

144

-51,5

168

-54,7

211

-60,5

141

-52,1

164

-52,1

203

-61,5

131

-50,3

148

-51,1

199

-60,3

100

-51,1

HKN (hPa)

 

 

 

 

KKN (hPa)

 

 

 

 

NFK (hPa)

 

 

 

 

 

GN (hPa)

 

 

 

TA (°C)

 

 

 

 

 

Erläuterung zum STÜVE-Papier:

stüve_internet

 

 

 

9_ Übungsaufgaben "Einführung in die Meteorologie" WS 18/19

AUSGABE: 11.12.2018                                           ABGABE: 18.12.2018

Zur VL 05.12. – 12.12.2018

 

23.                Es liegt Ihnen der folgende Radiosondenaufstieg (TEMP)  vor:

p(hpa)

J(°C)  TEMP

 

J(°C) FA(Hebungskurve)

1000

13   (Taup. 6°C)

 

950

15

 

900   

12

 

850   

9

 

800

7

 

750

5

 

700

2

 

650

-3

 

600

-9

 

550   

-17

 

500   

-26

 

450

-35

 

400

-40

 

350

-44

 

300

-47

 

250

-48

 

200

-49

 

150

-55

 

 

 

 

 

Es wird am Morgen 6:00UTC in der Nähe des Bodens (1000hPa) eine Lufttemperatur von J0=13°C und ein Taupunkt von t=6°C beobachtet.

Berechnen Sie für ein Luftpaket ausgehend von 1000hpa die Hebungskurve bezogen auf die in der Tabelle angegebenen Druckniveaus. Zeichnen Sie ein Emagramm.

Die Hebung oberhalb des Kondensationsniveaus soll mit einem  invarianten feuchtadiabatischen Temperaturgradienten  erfolgen und das Hebungskondensationsniveau HKN soll mit der Henningschen Formel: HKN=125*(J0-t) abgeschätzt werden.

In welchem Höhenbereich ist die Atmosphäre stabil bzw. (latent) labil geschichtet?                                                                6P.

 

24.       Berechnen Sie die Fallgeschwindigkeit von Wolkentropfen mit einem Radius von 25mm bzw. 150mm und nach der Stokes’schen Formel für Wolken in einer Höhe zwischen 700 und 600hPa (Standardatmosphäre zur Bestimmung der Dichte verwenden (vgl. ÜA 10).

Berechnen Sie nach dieser Methode die Fallgeschwindigkeit von Regentropfen (Radius 1mm) in Bodennähe (T = 15°C, p=1000hPa) und interpretieren Sie das Ergebnis im Vergleich zu ihren Erfahrungen.                                3P.

 

8_ Übungsaufgaben "Einführung in die Meteorologie" WS 18/19

AUSGABE: 04.12.2018                                           ABGABE: 11.12.2018

Zur VL  bis 28.11.18

 

 

20.       Zwei Luftmassen mischen sich zu gleichen Teilen bei konstantem Druck (1000hPa)

Luftmasse 1: 23,8°C, Dampfdruck    25,5 hPa

Luftmasse 2: -6,4°C,  Dampfdruck    2,1hPa

Bestimmen Sie anhand der Magnusformel die relative Feuchte beider Luftmassen und entscheiden Sie, ob sich bei dieser Mischung Nebel bildet.                                                                                                           2P.

                                                                                 

21.       Es wird ein Druck von 930 hPa, eine Temperatur von 10°C und ein Taupunkt von 4°C gemessen. Berechnen Sie die potenzielle Temperatur, die potenzielle Äquivalenttemperatur und die pseudopotenzielle Temperatur. Woher kommt der Unterschied zwischen den letzten beiden?                       3P.

 

22.       Ein Luftpaket (Temperatur 10°C) wird aus einem Druckniveau 900 hPa in das Druckniveau 800 hPa gehoben, ohne das Kondensation einsetzt. Geben Sie die potenzielle Temperatur Q vor und nach der Hebung des Luftpaketes an. Geben Sie die potenzielle Temperatur für das Druckniveau 800hPa an, wenn bei Hebung ab dem Druckniveau 900hPa bereits Kondensation einsetzt. Um welchen Betrag ändert sich jeweils die Entropie S bei den beiden Hebungsvorgängen? Der feuchtadiabatische Temperaturgradient betrage                                                                                                 3P.

 

7_ Übungsaufgaben "Einführung in die Meteorologie" WS 18/19

AUSGABE: 27.11.2018                              ABGABE: 04.12.2018

Zur VL 28.11.

 

17.       Bei einer Temperatur unter 0°C setzen Prozesse der Eisbildung ein. Eis und unterkühltes Wasser können bei einer Temperatur <0°C parallel existieren.

Bestimmen Sie den Temperaturbereich für den die Lufttemperatur kleiner als die Eisoberflächentemperatur sein kann, aber es dennoch durch  Sublimation zu einer Eisablagerung an einer Oberfläche mit der Temperatur von -7, -12, -18, -25°C kommt. In welche Richtung fließen in diesem Fall der Massenstrom für Wasserdampf bzw. der Energiestrom der fühlbaren Wärme (Verwenden Sie die Magnusformeln für den Dampfdruck über Flüssigwasser bzw. Eis).                                                                                                                      3P.

 

18.       In Norditalien  (200 m ü. NN, p=1000hPa) wurden eine Temperatur von 20°C und eine relative Luftfeuchtigkeit von 50% beobachtet. Berechnen Sie den Taupunkt am Boden und das Hebungskondensationsniveau. Es herrsche eine Südströmung über die Alpen.  Geben Sie Temperatur, Taupunkt und relative Luftfeuchtigkeit auf dem Alpenkamm (3000m ü. NN) an. (Die feuchtadiabatische Temperaturabnahme betrage ). Hinter dem Gebirgskamm sinkt die Luft tockenadiabatisch ab. Geben Sie Temperatur, Taupunkt und relative Feuchte für eine Landschaft an die der Höhenlage von München (500 m ü. NN) entspricht.                            4P.

 

19.       Berechnen Sie die Änderung des vertikalen Temperaturgradienten bei einem Absinken einer Luftsäule um 100hPa, die sich in einem Ausgangsniveau zwischen 500 hPa und 400 hPa befindet. Nach dem Absinken ordnet sich die Luftmasse in einem Druckniveau der Atmosphäre

zwischen 600hPa und 500hPa ein.

Der vertikale Temperaturgradient, und damit die Abnahme der Lufttemperatur mit zunehmender Höhe betrage vor dem Absinken zwischen den Druckflächen  bei einer Ausgangstemperatur in 500 hPa von  - 25°C und einem Bodendruck 1000hPa.

Geben Sie für den Zeitpunkt vor dem Einsetzen des Absinkprozesses die Höhenlage und die Schichtdicke  zwischen den hier einbezogenen Druckflächen an.      

Berechnen Sie den vertikalen Temperaturgradienten der sich zwischen der 600hPa und 500hPa Druckfläche einstellt nachdem die Luftmasse abgesunken ist.

Ist die Luftmasse danach labiler oder stabiler geschichtet?                     4P

 

 

6_ Übungsaufgaben "Einführung in die Meteorologie" WS 18/19

AUSGABE: 20.11.18                                             ABGABE: 27.11.18

Bis VL 14.11.18

14.       Für einen Luftstrom werden unter Normalbedingungen (1013,25hPa) folgende Werte gemessen:

            Lufttemperatur  =35°C,        

            rel. Feuchte =70%.

Berechnen Sie den Wasserdampfpartialdruck, die spezifische Feuchte, die virtuelle Temperatur und die Äquivalenttemperatur für diese Luftströmung.                                                                                               2P.

 

15.    In der Winterzeit wurden im Freien eine Temperatur von -8°C und eine relative Luftfeuchte von 62% gemessen. Bestimmen Sie mit der Magnusformel den Wasserdampfpartialdruck, den Taupunkt und mit der Gasgleichung für Wasserdampf die absolute Feuchte.

Wenn Sie unter diesen äußeren Bedingungen einen Raum (5 m lang, 5m breit, 3m hoch) intensiv durchlüften (Annahme vollständiger Luftwechsel) und anschließend bei geschlossenen Fenstern auf eine Raumlufttemperatur von 18°C erwärmen, welcher Taupunkt und welche relative Luftfeuchtigkeit stellt sich im Raum ein? Welche Masse an Wasser befindet sich in dem Raumluftvolumen?

Nach einer Weile steigt bei geschlossenen Fenstern und der Raumtemperatur 18°C durch Verdunstungsprozesse die Luftfeuchtigkeit innen auf  78%. Wieviel kg Wasser befinden sich nun in der Raumluft? Danach erfolgt bei unveränderten äußeren Bedingungen wieder Belüftung, wieviel Wasser wurde dadurch aus dem Raum entfernt?

Wie oft ist ein solcher Luftwechsel vorzunehmen, um 10kg Wasser auf diese Weise nach außen zu transportieren.                                              6P.

 

16.       Bei welcher Temperatur siedet Wasser auf dem Mount Everest (Höhe: 8848 m) unter Annahme einer Standardatmosphäre (Bodentemperatur: 15°C, Bodendruck: 1013,25hPa )?                                                                 2P.

 

5_ Übungsaufgaben "Einführung in die Meteorologie" WS 18/19

AUSGABE: 13.11.18                                   ABGABE: 20.11.18

Zur VL 24.10-07.11.18

 

11.       Berechnen Sie den trockenadiabatischen Temperaturgradienten und die Skalenhöhe für die oberflächennahe Atmosphäre des Planeten Venus. Es wird hier angenommen, dass die Venusatmosphäre zu 100% aus CO2 besteht. Die Temperatur an der Oberfläche der Venus soll 460°C betragen, die Fallbeschleunigung sei 8.87 m/s², und cp (CO2) = 820 J kg-1K-1.                                                                                                                                                     3 P.

 

12.       In einem Alpental in 700 m Höhe ü. NN wird bei einer Lufttemperatur von -10°C  ein         Luftdruck p = 950hPa gemessen. An einem andern Ort auf einem Berggipfel des Alpenvorlandes wird zu gleichen Zeit ebenfalls in einer Höhe von 700 m ü. NN bei einer Lufttemperatur von  -2°C ein Luftdruck von 950hPa gemessen. Wie groß wäre jeweils der Luftdruck auf NN korrigiert (0 m Höhe)?  Verwenden Sie die barometrische Höhenformel und berücksichtigen Sie bei der Berechnung die Schichtmitteltemperatur den Gradienten                  dT/dz  =-0.65K/100m für die Standardatmosphäre.                                             4 P.

 

 

 

13.       Bestimmen Sie die Änderung der Höhenlage der Standardisobarenfläche 850hPa und 500hPa, der Erdatmosphäre, wenn sich die Schichtmitteltemperatur der Luftschicht unterhalb dieser Standardisobarenflächen um 1K erhöht.                                                   2 P.

 

 

4_ Übungsaufgaben "Einführung in die Meteorologie" WS 18/19

AUSGABE: 06.11.18                                   ABGABE: 13.11.18

Zur VL 24.10.18-07.11.18

9.         Berechnen Sie die mittlere Druckabnahme dp/dz mit der Höhe in Bodennähe. Dabei soll  sein und der zu berechnende Wert für Luftfahrtstandard (Normatmosphäre) pN=1013,25hPa, 15°C angegeben werden.    Für diesen Fall: In welcher Höhe z über dem Boden (z=0) würde ein um 1hPa reduzierter Druck gemessen?                                                   3 P

 

10.       Kennzeichnen und benennen Sie in der Tabelle (s.u.) die einzelnen Schichten der Standardatmosphäre. Berechnen Sie die Potenzielle Temperatur in 5, 10, 20, 50 km Höhe. Geben Sie die Gradienten der absoluten und der potenziellen Temperatur für einen Höhenbereich zwischen 5 und 10 gpkm und 15 – 20 gpkm an. In welchem Höhenbereich unterschreitet die Luftdichte 50% bzw. 1% des bodennahen Ausgangswertes?

Woran erkennen Sie, dass die Standardatmosphäre stabil geschichtet ist?  7 P.

Höhe in gpkm

Temperatur in °C

 

Luftdruck in hPa

 

Bezeichnung der Schichten

0

15

 

1013,25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,5

11,75

 

954,61

 

1

8,5

 

898,74

 

1,5

5,25

 

845,56

 

2

2

 

794,95

 

2,5

-1,25

 

746,82

 

3

-4,5

 

701,08

 

4

-11,0

 

616,40

 

5

-17,5

 

540,20

 

6

-24

 

471,81

 

7

-30,50

 

410,61

 

8

-37,00

 

356,00

 

9

-43,50

 

307,42

 

10

-50,00

 

264,36

 

11

-56,50

 

226,32

 

12

-56,50

 

193,30

 

13

-56,50

 

165,10

 

14

-56,50

 

141,02

 

15

-56,50

 

125,45

 

20

-56,50

 

54,75

 

25

-51,50

 

25,11

 

30

-46,50

 

11,72

 

35

-36,10

 

5,589

 

40

-22,10

 

2,775

 

50

-2,5

 

0,759

 

55

-8,50

 

0,402

 

60

-18,50

 

0,208

 

65

-36,50

 

0,104

 

70

-56,50

 

0,049

 

75

-76,50

 

0,021

 

80

-92,50

 

0,0086

 

85

-92,50

 

0,0033

 

90

-88,64

 

0,0013

 

100

-55,45

 

0,0002

 

 

3_ Übungsaufgaben "Einführung in die Meteorologie" WS 18/19

AUSGABE: 30.10.18                                   ABGABE: 06.11.18

Zur VL 24.10.18

 

6.         Wie hoch sind der Partialdruck und der prozentuale Massenanteil der wichtigsten Bestandteile der  Erdatmosphäre (molekularer Sauerstoff, molekularer Stickstoff, Argon, CO2) bezogen auf den Normaldruck der gesamten Atmosphäre? Verwenden Sie die Angaben der  Volumenprozente im Skript Abschnitt 2.3 und einen CO2-Anteil von 0.03% (welches etwa dem Stand um 1950 entspricht).  Rechnen Sie mit gerundeten Molmassen von M = 14, 16, 12, 40 g/mol für N, O, C, Ar.

Zu diesen Hauptbestandteilen wird in feuchter Luft Wasserdampf eingemischt. Ist feuchte Luft bei gleicher Temperatur leichter oder schwerer als trockene Luft? Begründen Sie Ihre Antwort.       4P

 

 

7.         Nach Beobachtungen des Inst. f. Meteorologie der Univ. Leipzig (seit1962) wurde am 12.07.2010 mit 38,5°C die höchste Temperatur an einem Tag und am 14.01.1987 mit -24,1°C die tiefste Temperatur an einem Tag registriert. Der höchste Wert für den Luftdruck wurde am 16.02.2008 mit 1029,7hPa, einer der niedrigsten Luftdruckwerte am 27.12.1999 mit 967,6hPa beobachtet.

Welche maximale bzw. minimale Luftdichte ergibt sich aus einer Kombination dieser Angaben.  Geben Sie für diese Extremwerte die Schwankungen (in %) der Luftdichte im Vergleich zur Standardbedingung bei 0°C, 1000 hPa an (der Feuchtegehalt der Luft soll keine Rolle spielen).                                          3P

 

 

8.         Eine Druckwaage ist ein Messgerät zum Erzeugen definierter Druckwerte. Es erzeugt den Druck, indem auf eine definierte Fläche Massenstücke aufgelegte werden.   

Welcher Druck kann so mit einem 1kg schweren Massenstück auf einer Fläche von 1cm² einmal am Äquator zum andern am Nordpol erzeugt werden (Höhe NN, Vakuum angenommen). Das Ganze wird in einem Flugzeug wiederholt, das an beiden Orten in 10km Höhe fliegt. Welche Druckwerte würden dann angezeigt?                                                                                  2P

 

 

2_Übungsaufgaben "Einführung in die Meteorologie" WS 18/19

AUSGABE: 23.10.18                                    ABGABE: 30.10.18

Zur VL 17.10.18

3.           In einem gasgefüllten Gefäß soll der Druck pi mit einem Quecksilbervakuummeter

(U-Rohr Vakuummeter, U-Rohr-Manometer) ermittelt werden. Wie groß ist der Gasdruck im Gefäß, wenn die Höhendifferenz h des  Quecksilbers in den beiden Rohren des Vakuummeters h=0,55 m beträgt und der atmosphärische Außendruck pa dem Normaldruck (1013,25hPa) entspricht (siehe Skizze).

Ohne des Außendruck pa zu kontrollieren, soll sichergestellt sein, dass der Innendruck pi mit einer Genauigkeit von 1% bestimmt werden kann, auch wenn man die Messung mehrere Tage hintereinander durchführt. Ist das unter unseren Wetterbedingungen möglich?                                                                3P.

Abb_Nr13

 

4.           Wie hoch müsste bei einem Luftdruck von 910hPa die Säule in einem Flüssigkeitsbarometer stehen,  wenn als Flüssigkeit Wasser bzw. Quecksilber verwendet  wird.

Verwenden Sie für die Schwerbeschleunigung       die Dichte von Quecksilber aus dem Skript Pkt. 1.5 und die maximale Dichte von Wasser. Es wird angenommen, dass das Barometergefäß bei Temperaturänderung nicht seine Form ändert.     

Unter diesen Bedingungen: welchen Druck erzeugt eine Wassersäule von 1cm Höhe?

Welcher Druck lastet auf einem Taucher in 20m Wassertiefe?

Warum würden Sie Quecksilber dem Wasser als Flüssigkeit vorziehen?                                                           4P.

 

 

5.           Berechnen Sie die Masse der Atmosphäre des Planeten Mars. Der bodennahe Luftdruck beträgt auf dem Mars 6,36hPa. Die Schwerebeschleunigung auf der Marsoberfläche betrage 3,72m/s² und  für den Durchmesser des Planeten sind  6800km anzunehmen. 

Im Verhältnis zur Erdatmosphäre, wie viel % Masse enthält die Marsatmosphäre?                                        2 P.

 

 

 

 

1_Übungsaufgaben "Einführung in die Meteorologie" WS 18/19

AUSGABE: 16.10.18                                              ABGABE: 23.10.18

Zur VL 17.10.18

 

1.    Schreiben Sie je 2 Ihnen bekannte Maßeinheiten für die physikalischen Größen Temperatur, Druck, Feuchte, Windgeschwindigkeit auf. Verwenden Sie die Information in Abschnitt 1.5 des Skripts und aus den Vorlesungsfolien im Internet. Geben Sie für diese Größen die auf die SI-Basiseinheiten zurückgeführten SI-Einheiten an und zeigen Sie die Umrechnungen zwischen den SI-Einheiten und den ihnen bekannten gebräuchlichen Einheiten auf. Welche physikalische Größe ist ein Vektor, welche ein Skalar?                                                                                                       8P.

 

2.     Sie sind in Leipzig bei 15°C vom Flughafen aus in die USA gestartet. Im Flugzeug informiert man Sie über die Außentemperatur: -40°F. Beim Landeanflug in New York wird Ihnen die örtliche Lufttemperatur mit 32°F angegeben. Sind Sie froh eine Jacke anzuhaben oder ist es zu warm? Welcher Temperatur in °F, bzw. °C und in K entsprechen diese drei Temperaturangaben?                                       3 P.

 

 

LITERATUR

Kraus, H.: Die Atmosphäre der Erde - Eine Einführung in die Meteorologie, Vieweg Vlg. 2003

Hupfer, P.; Kuttler, W.(Hrsg.): Witterung und Klima, Teubner Vlg.,2006.

Klose, B.: Meteorologie – eine interdiszipl. Einf. in die Physik der Atm. Springer, 2008

Etling, D., Theoretische Meteorologie, eine Einführung, Vieweg Vlg. 1996

Warnecke, G.: Meteorologie und Umwelt, Springer Verlag 1991

Malberg, H.: Meteorologie und Klimatologie, Springer Vlg. 1995

Schönwiese, C.D.: Klima - Grundlagen, Änderungen, menschliche Eingriffe. Meyers Forum. B.I. Taschenbuchverlag 1994.

Liljequist, G.; K. Cehak: Allgemeine Meteorologie, 3. Aufl. Vieweg Vlg. 1994

 

 


Erstellt am Juli 2000, letzte Änderung am 01.10.2018