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Meteorologie und Klimatologie

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Das Nebenfach Meteorologie und Klimatologie ist primär disziplinär und naturwissenschaftlich ausgerichtet. Nach einer grundlegenden Einführung in die fundamentalen Aspekte von Meteorologie und Klimatologie, haben die Studierenden hier die Möglichkeit, sich intensiv mit der Theorie und dem praktischen Umgang mit meteorologischen und klimatologischen Messverfahren, Messwertgebern und Datenerfassungssystemen zu beschäftigen. Diese Themen haben in der Meteorologie eine besondere Bedeutung, da sie die Quantifizierung von Prozessen und Zuständen in der Atmosphäre ermöglichen und zudem die Grundlage für die notwendige Validierung von Ergebnissen aus physikalischen und numerischen Simulationen bilden.

Download: Auszug aus dem Modulhandbuch - iNF Meteorologie und Klimatologie (PDF)

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(Pflichtmodule = dunkelgrau)

Einblick - die einzelnen Module des Nebenfachs

Grundlagen der Meteorologie

Inhalte:

  • Vertikaler Aufbau und Entstehung der Erdatmosphäre
  • Thermodynamik der Atmosphäre und Vertikalbewegungen
  • Rolle des Wasserdampfes in der atmosphärischen Thermodynamik
  • Feuchtadiabatische Prozesse, hohe Konvektion und Gewitter
  • Elektrische und optische Erscheinungen in der Atmosphäre
  • Wind und Turbulenz, Grenzschicht
  • Reibung, Impuls und bodennahes Windprofil
  • Dynamische und thermische Winde in komplexer Orographie
  • Rotierende Windsysteme, Wirbelstürme, Tornados
  • Entstehung und Dynamik außertropischer Wettersysteme
  • Wettervorhersage und operationelle Synoptik 

Qualifikations- und Lernziele

  • Die Studierenden können die wichtigsten atmosphärischen Prozesse und Phänomene beschreiben und erklären.
  • Die Studierenden können Grundgleichungen und Konzepte der atmosphärischen Thermodynamik und Dynamik wiedergeben, anwenden und damit vereinfachte physikalische Vorhersagen machen.
  • Die Studierenden können atmosphärische Zustände, Variablen und Prozesse auf meteorologischen Karten und Diagrammen ablesen und einschätzen.
  • Die Studierenden können das aktuelle Wettergeschehen einordnen und Veränderungen abschätzen.
  • Die Studierenden kennen die Grundzüge von Wettermodellen und sind mit den Abläufen der operationellen Wettervorhersage vertraut.

 

Klimageographie

Inhalte

Die Veranstaltung fokussiert auf die Globalen Energiebilanzen und deren regionale Differenzierung mit den daraus ableitbaren Folgen für die globale Zirkulation. Grundlagen der atmosphärischen Zirkulation wie auch die aus den Zirkulationsmustern ableitbaren Klimazonen werden behandelt. Für einige Regionen werden exemplarisch bestimmte Wettersituationen vorgestellt und diskutiert. Mechanismen und Aspekte des Klimawandels und die Verflechtungen mit dem menschlichen Handeln werden ebenfalls angesprochen. Die Veranstaltung baut auf den einschlägigen Inhalten des Moduls aus dem Modul „Atmosphäre und Hydrosphäre" auf.

Qualifikations- und Lernziele

  • Kennen und Verstehen des Antriebs der globalen Zirkulation
  • Verstehen der globalen klimatischen Grundmuster
  • Kennen verschiedener Klassifikationsansätze
  • Analyse von Wettersituationen und ableiten klimatologischer Konsequenzen
  • Kennen von Ursachen und Ausmaß von Klimaänderungen
  • Bewerten von Klimaprognosen und Klimaszenarien

Bioklimatologie

Inhalte

  • Grundlagen der Bioklimatologie – Wechselwirkungen zwischen Organismen (Pflanzen, Tiere, Mensch) und der Atmosphäre.
  • Austausch von Strahlung, Energie, Wasser, Spurengasen und Impuls zwischen Pflanzen und Atmosphäre, Energie und Wasserbilanz von vegetationsbedeckten Landoberflächen.
  • Forst- und agrarmeteorologische Anwendungen (Windschutz, Sturmschäden, Frostschutz)
  • Zentrale Wirkungsweisen der Vegetation im globalen Klimasystem (Rückkoppelungen zwischen Vegetation und Klima, Kohlenstoffkreislauf, Spurengasaustausch).
  • Energiebilanz von Tieren und des Menschen.
  • Humanbiometeorologische Wirkungskomplexe und Indizes.
  • Biotropie, Biosynoptik, und Frühwarnsysteme für die menschliche Gesundheit.
  • Auswirkungen des Klimawandels auf das Bioklima von Pflanzen, Tieren und Mensch.

Eine Exkursion an die Forstmeteorologische Messstelle in Hartheim und eine Exkursion zum Zentrum für Medizin-Meteorologische Forschung des Deutschen Wetterdienstes bieten Einblicke in die bioklimatologische Forschung und Praxis.

Qualifikations- und Lernziele

  • Die Studierenden können biophysikalische Wechselwirkungen zwischen Organismen und Atmosphäre verstehen, beschreiben und ansatzweise auch berechnen.
  • Die Studierenden können forst-, agrar-, und human-biometeorologische Anwendungen beschreiben und verstehen.
  • Die Studierenden können die Wechselwirkungen zwischen Vegetation und dem Klimasystem im Kontext des globalen Klimawandels verstehen und beschreiben.
  • Die Studierenden können die human-biometeorologischen Wirkungskomplexe verstehen und im Kontext anwenden.
  • Die Studierenden kennen die wichtigsten forstmeteorologischen, agrarmeteorologischen und human-biometeorologische Untersuchungsmethoden, Indizes und Richtlinien und sind mit gewissen Vorhersageprodukten vertraut. 

Meteorologische Daten und Messinstrumente

Inhalte

Messungen und daraus abgeleitete Messwerte von meteorologischen Variablen sind die Grundlage für das Verständnis von Prozessen und Zuständen in der Atmosphäre. Systematisch messtechnisch erfasste Prozesse und Zustände ermöglichen die Entwicklung, Parametrisierung und Validierung von empirisch-statistischen und physikalisch-mechanistischen Modellen.
Studierenden werden die folgenden Aspekte zum Themenkomplex meteorologische Daten und Messinstrumente vermittelt:

  • Meteorologische Mess- und Beobachtungssysteme: Mit welchen Methoden und auf welcher Datengrundlage gewinnt man Erkenntnisse über Prozesse und Zustände in der Atmosphäre?
  • Wolkenbeobachtung, Einführung in phänologische Beobachtungen
  • Messprinzipien von meteorologischen Messwertgebern (Thermometer, Ombrometer, Radiometer, Anemometer)
  • Meteorologische und geophysikalische Messnetze
  • Beschaffung, Bearbeitung und Darstellung von meteorologischen und klimatologischen Datensätzen

Qualifikations- und Lernziele

Studierende lernen meteorologische Messinstrumente und -daten kennen. Sie werden im Verlauf des Moduls befähigt, Messprinzipien von meteorologischen Messinstrumenten und den Aufbau von meteorologischen Messsystemen zu verstehen. Sie sind in der Lage mit Messungen verbundene Fehler zu erkennen, zu benennen und zu interpretieren. Sie können nach Modulabschluss grundlegende Methoden zur Analyse von Zeitreihen meteorologischer Daten anwenden. 

Energiemeteorologie

Inhalte

In der Nutzung von Erneuerbaren Energien besteht die große Chance die Nutzung von konventionellen Energien (Kohle, Öl, Gas, Kernenergie) abzulösen. In Deutschland soll nach Energiekonzept der Bundesregierung bis zum Jahr 2050 Energie hauptsächlich aus erneuerbaren Quellen stammen. In Deutschland bestehen vor allem Chancen, Möglichkeiten und Potenziale zur Nutzung von Sonnen- (Photovoltaik) und Windenergie (on- und offshore).
Studierenden werden die folgenden Aspekte zum Themenkomplex Energiemeteorologie auf verschiedenen Raumskalen (global, regional, lokal) vermittelt:

  • Raumzeitliche Variabilität und Komplementarität von Sonnen- und Windenergie
  • Abschätzung meteorologischer bis technischer Potenziale von Sonnen- und Windenergie
  • Übungen: Entwicklung eines Globalstrahlungsmodells für Deutschland, Ansätze zur Abschätzung des Windenergieertrags
  • Exkursionen zu Kraftwerken (z. B. Windenergieanlagen, Solaranlagen) und damit verbundener Infrastruktur (z. B. Pumpspeicherkraftwerk)

Qualifikations- und Lernziele

Studierende lernen meteorologische Messinstrumente und -daten kennen. Sie werden im Verlauf des Moduls befähigt, Messprinzipien von meteorologischen Messinstrumenten und den Aufbau von meteorologischen Messsystemen zu verstehen. Sie sind in der Lage mit Messungen verbundene Fehler zu erkennen, zu benennen und zu interpretieren. Sie können nach Modulabschluss grundlegende Methoden zur Analyse von Zeitreihen meteorologischer Daten anwenden.

Studierende entwickeln ein grundlegendes Verständnis für die raumzeitliche Variabilität und Komplementarität von Sonnen- und Windenergie und den damit verbundenen Herausforderungen für deren Nutzung. Sie verstehen sich auf die Interpretation verschiedener Potenziale zur Nutzung von Sonnen- und Windenergie und können erste quantitative Abschätzungen der Entwicklungsmöglichkeiten von Sonnen- und Windenergie zur Deckung des Strom- und Energiebedarfs vornehmen.

Meteorologisches Messpraktikum

Inhalte

Dieses Modul bearbeitet die Arbeitsmethoden der meteorologischen Datenerfassung und Auswertung in einem praktischen Format. Die Studierenden bauen ihr eigenes, mobiles meteorologisches Messsystem, um damit gemeinsam auf Fahrrädern die städtische Wärmeinsel von Freiburg zu erfassen. Das Projekt erlaubt es, die Planung, den Bau, die Durchführung und die Datenqualitätskontrole meteorologischer Messungen exemplarisch zu durchlaufen. Im Anschluss werden die gesammelten Daten statistisch und in einem Geographischen Informationssystem analysiert, ausgewertet und visualisiert. Das Projekt wird in Form einer schriftlichen Arbeit zu einer ausgewählten Fragestellung zusammengefasst.

Qualifikations- und Lernziele

  • Die Studierenden können meteorologische Messungen wissenschaftlich und logistisch planen.
  • Die Studierenden können einfache meteorologische Messgeräte und Messsysteme aufsetzen und Messungen durchführen.
  • Die Studierenden können die Qualität von meteorologischen Messungen und Daten sicherstellen.
  • Die Studierenden können erfasste Daten computergestützt numerisch und mit geographischen Informationssystemen auswerten.
  • Die Studierenden können die Resultate meteorologischer Messungen grafisch visualisieren, schriftlich präsentieren und in einer kurzen wissenschaftlichen Arbeite effektiv kommunizieren. 

Meteorologische Modellierung

Inhalte

Einführung in die empirisch-statistische Modellierung von meteorologischen Variablen (z. B. Lufttemperatur, Niederschlag, Windgeschwindigkeit) auf der Fläche Deutschlands. Die Modellierungsansätze ermöglichen die kleinräumige, flächenhafte Abbildung von Atmosphärenzuständen und ihre Veränderung unter Klimawandel- bedingungen in GIS-Systemen. Zur Modellierung wird das Software-Produkt GNU Octave verwendet.
Spezifische Modulaspekte sind:

  • Beschaffung meteorologischer Datensätze (bodengebunden, satellitengebunden)
  • Bearbeitung großer meteorologischer Datensätze (Homogenisierung, Datenlücken füllen, ...)
  • Statistische Analyse meteorologischer Datensätze
  • Statistische Modellierung meteorologischer Variablen
  • GIS-basierte Erstellung von Karten zur Visualisierung von Ergebnissen
  • Ergebnisdarstellung und -interpretation in Form eines wissenschaftlichen Textes

Qualifikations- und Lernziele

Studierende werden befähigt

  • statistische Methoden zur Analyse meteorologischer Daten anzuwenden und zu beurteilen,
  • Analyse- und Modellergebnisse darzustellen, zu interpretieren und zu diskutieren,
  • Problemlösungen und deren Beurteilung im Zusammenhang mit aktuellen Fragestellungen, der Angewandten Meteorologie selbstständig zu erarbeiten,
  • wissenschaftliche Texte zu verfassen. 

Stadtklima und Luftreinhaltung

Inhalte

Einführung in theoretische und anwendungsorientierte Aspekte der Stadtklimatologie und der Luftreinhaltung:

  • Definition des Stadtklimas - identifikation städtischer Effekte und Beschreibung der städtischen Form und Funktion in atmosphärischen Modellen.
  • Veränderungen der Atmosphäre über einer Stadt: Wie werden Strahlung, Energieaustausch und Wind auf der Skala von Gebäuden, Straßenzügen, Stadtteilen bis auf regionale Ebene modifiziert?
  • Stadtklimatologische Phänome - städtische Wärmeinsel, Flurwinde, städtische Dunstglocke, Veränderungen von Wolken und hochreichender Konvektion.
  • Wichtigste Luftschadstoffe und deren Emission, Transmission, Umwandlung und Deposition in der Atmosphäre.
  • Grenzwerte, Richtlinien und Lösungsansätze in der Luftreinhaltung.
  • Anwendungen der Stadtklimatologie im Bereich der Energienutzung, Architektur, nachhaltigen Stadtplanung, Sicherheit, Gesundheit und Wettervorhersage.

Qualifikations- und Lernziele

  • Die Studierenden können Effekte von Städten auf die Atmosphäre und Effekte der Atmosphäre auf Städte herausarbeiten und wiedergeben.
  • Die Studierenden verstehen Stadtklimatologische und lufthygienische Phänomene und Prozesse und können diese erklären. Sie können Effekte von Städten auf Strömung, Strahlung, sowie Energie- und Wasserbilanz verstehen, abschätzen, und beschreiben.
  • Die Studierenden kennen die wichtigsten Methoden, Modelle und Richtlinien zur Beurteilung von Stadtklima und Lufthygiene (thermisches Stadtklima, Ausbreitungsmodellierung).
  • Die Studierenden können den Bezug zwischen Stadtklima und Anwendungen im Bereich der Energienutzung, Architektur, nachhaltigen Stadtplanung, Sicherheit, Gesundheit, Wettervorhersage und Klimaprojektionen in Städten herstellen.