Meteorologie und Klimatologie

Meteorologie ist die Lehre von den physikalischen und chemischen Prozessen und Zuständen in der Atmosphäre. Die Klimatologie beschäftigt sich mit der Analyse und Beschreibung des Klimasystems und seinen Änderungen.

Das integrierte Nebenfach (iNF) “Meteorologie und Klimatologie” ist naturwissenschaftlich und praktisch ausgerichtet. Nach einer grundlegenden Einführung in die fundamentalen Prozesse, welche unser Wetter und Klima bestimmen, werden die Studierenden mit Messtechnik, computergestützter Modellierung, meteorologischer Datenanalyse, und -visualisierung vertraut gemacht.

Anwendungsgebiete von Meteorologie und Klimatologie, die im integrierten Nebenfach behandelt werden, sind Wettervorhersage, Bioklimatologie, Energiemeteorologie, Luftreinhaltung, Stadklimatologie und Klimawandel.

Gesamtstudienverlauf B.Sc. Waldwissenschaften mit iNF Meteorologie und Klimatologie

Modulinhalte

Grundlagen der Meteorologie

• 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

Klimageographie

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.

Bioklimatologie

• 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.

Meteorologische Daten und Messinstrumente

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

Energiemeteorologie

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)

Meteorologisches Messpraktikum

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.

Meteorologische Modellierung

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

Stadtklima und Luftreinhaltung

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.