-
N A T U R W I S S E N S C H A F T L I C H E
RUNDSCHAUWissenschaftliche Verlagsgesellschaft m. b. H., Stuttgart
N, Birkenwaldstraße 44, Postfach 40
Sonderdruck aus Band 18, Heft 10, Oktober 1965, Seite 385 bis
392
Probleme der theoretischen KlimatologieVon Prof. Dr. HERMANN
FLOHN, Bonn
In den letzten Jahren erleben wir eine wirklicheWiedergeburt,
eine Renaissance der Klimatologie.Dabei handelt es sich hier nicht
um die immer viel-fältiger werdenden Anwendungen, von denen nurdas
in neue Meßbereiche vorstoßende, in der Praxisüberaus wichtige
Gebiet der Gelände- oder Topo-klimatologie (17) genannt sei.
Wichtiger ist dieGrundlagenforschung der Klimatologie, die
zuneh-mendem Interesse begegnet. Dabei konvergieren
dieverschiedensten Ansätze empirischer und theoreti-scher Art immer
mehr zu einer Gesamtkonzeption,die den anspruchsvollen Namen einer
„theoretischenKlimatologie" führt und der sich heute eine
wach-sende Zahl führender Meteorologen widmet.
In seinem prägnant formulierten Vortrag vor derDeutschen
Meteorologischen Gesellschaft in Dresden1929 umriß T. BERGEKON (3)
den Gedanken einer„dynamischen Klimatologie" und sah das Klima
alsFolge der Eigenschaften und Häufigkeiten der Luft-massen und
Fronten an. Wir würden heute mitA. COURT (6) diese Richtung als
synoptische Klimato-logie bezeichnen; ihre Probleme sind noch
vielfachungelöst, wie TREWARTHAS Buch über die Problem-klimate der
Erde (33) zeigt. Wenn wir den Begriffdynamisch parallel zur
Hydrodynamik und zur Dy-namik der Atmosphäre definieren, dann hat
HESSEL-BERG (15) zuerst das Gebiet einer dynamischen Klima-tologie
umrissen, die zum Beispiel den meridionalenAustausch von
Drehimpuls, Wärme und Wasser-dampf verfolgt, allgemein die
Energietransporte —MÖLLERS „energetische Klimatologie" (24) — in
denverschiedenen Größenordnungen, von der Mikro-meteorologie bis
zur globalen Zirkulation der Atmo-sphäre. Seit den Arbeiten von F.
ALBRECHT (2) ent-wickelt sich ab 1932 das Gebiet des Wärme-
undStrahlungshaushalts der Erdoberfläche; damit wurdedie anfangs
vielfach beschreibende Mikroklimatolo-gie zu ihren physikalischen
Grundlagen zurückge-führt (14). Für unsere Fragestellung ist noch
bedeut-samer der Strahlungs- und Wärmehaushalt der At-mosphäre, wie
ihn zum Beispiel LONDON (19) undBUDYKO (5) zahlenmäßig zu erfassen
versuchen. Allediese Arbeitsrichtungen sind ihrer Methodik
nachempirisch, auch dann, wenn sie von klaren theoreti-schen
Konzeptionen ausgehen: sie benötigen einespezielle Auswertung von
Beobachtungsdaten oderdie Durchführung neuer Meßreihen zur
quantitativenAbschätzung der wirksamen physikalischen Vor-gänge.
Der entscheidende Fortschritt gegenüber derZeit vor 1940 ist auf
allen diesen Gebieten der Über-gang von qualitativer Beschreibung
zu quantitativenRechnungen und Bilanzen.
Aber mit diesen sich gegenseitig ergänzenden Ar-beitsrichtungen,
die heute noch in vollem Fluß sind,
ist die heutige Entwicklung keinesfalls erschöpft.
Derübergeordnete Begriff, in den die wichtigen Erkennt-nisse und
Ergebnisse dieser Richtungen einmünden,ist die theoretische
Klimatologie. Wie schon frühererwähnt (8), geht ihre Konzeption aus
von einerheute vergessenen, aber überraschend modernenDefinition
des 73jährigen ALEXANDER v. HUMBOLDT(1843):
„Wenn die Oberfläche eines Planeten eine regel-mäßige Kurve
bildet, wenn sie aus ein und derselbenhomogenen flüssigen Masse
oder aus Gesteinschich-ten zusammengesetzt wäre, welche gleiche
Farbe,gleiche Dichtigkeit, gleiches Absorptionsvermögengegen die
Sonnenstrahlen besäßen und auf gleicherWeise gegen den Weltraum
ausstrahlten, so würdendie Isothermen . . . sämtlich dem Äquator
parallellaufen. Auf einer solchen glatten und homogenen,flüssigen
oder festen Fläche würden allein die geo-graphischen Breiten, die
Solstitialhöhen, die Luft-strömungen, welche durch die ungleiche
Erwärmungder Oberfläche vom Äquator nach den Polen zu unddurch den
Einfluß der Erdrotation auf die Geschwin-digkeit der Luftteilchen
entstehen, und endlich dieWärme, welche seit Hunderttausenden von
Jahrendas Innere eines Planeten bei seiner Abkühlung deräußeren
Rinde mitgeteilt hat, die Verteilung derWärme bestimmen. Mit dieser
allgemeinen Betrach-tung, die minder unfruchtbar ist, als man
vielleichtglauben möchte, muß die theoretische
Klimatologiebeginnen."
HUMBOLDTS Konzeption beschränkt sich nicht nurauf das „solare
Klima", das heißt eine strahlungs-geometrische Ableitung der
Sonneneinstrahlung undihrer Auswirkung in der Temperaturverteilung,
wiesie MILANKOWITSCH (21) in den Jahren 1920—1941gegeben hat.
HUMBOLDT sah auch hier ganz weit indie Zukunft und faßte die
Temperaturverteilungnicht nur als Ursache, sondern auch als Folge
deratmosphärischen Zirkulation auf. In der Tat ist dieerste — alle
übrigen bestimmende — Aufgabe einertheoretischen Klimatologie eine
Theorie der allge-meinen Zirkulation der Erdatmosphäre, ein
Problem,das in den letzten Jahren ernsthaft in Angriff genom-men
wird. Eine solche Theorie darf sich nicht damitbegnügen, etwa aus
der gegebenen Temperaturver-teilung die Windsysteme zu berechnen
oder zahlen-mäßig den Anteil der verschiedenen Mechanismender
Energietransporte nachzurechnen: so wichtigdiese Schritte sind, so
stellen sie doch nur Teillösun-
Prof. Dr. H. FLOHN (geb. 19. Februar 1912) habilitierte sich
1941an der Universität Würzburg, war 1952—1961 Leiter der
For-schungsabteilung des Deutschen Wetterdienstes und ist
seitherordentlicher Professor und Direktor des Meteorologischen
In-stituts an der Universität Bonn.
-
386 FLOHN: Probleme der theoretischen KlimatologieNaturw.
Rdsch.
gen dar. Vielmehr müssen wir hier ganz von vornanfangen:
Berechnung der planetarischen Verteilungvon Temperatur, Druck, Wind
(und schließlich auchBewölkung, Niederschlag und Verdunstung) aus
denklassischen Grundgesetzen der Physik: den Bewe-gungsgleichungen
(NEWTON, EULER), dem erstenHauptsatz der Thermodynamik, der Gesetze
von derErhaltung der Masse, des Drehimpulses und derEnergie, des
statischen Grundgesetzes usw. Dasverspricht eine ganz allgemeine
Lösung, die für allePlanetenatmosphären gilt, unabhängig von den
Zah-lenwerten der geophysikalischen Parameter, die indie
quantitative Lösung eingehen, wie Solarkon-stante,
Winkelgeschwindigkeit der Rotation, Erd-radius, Zustandsgrößen der
atmosphärischen Gaseund (besonders komplex) die Verteilung von
Landand Meer, der Gebirge usw. Die gefundene Lösungmuß aber auch
realistische Zahlenwerte für dieTransporte von Impuls (momentum),
Wärme, Was-serdampf usw. liefern, die die atmosphärische
Zirku-lation zur Aufrechterhaltung einer guasistationärenBilanz
leisten muß (30, 31). Diese allgemeine planeta-rische Fragestellung
der Weltraumforschung ist viel-leicht der wichtigste Anlaß gewesen,
dieses Arbeits-gebiet aufzugreifen: die konkrete Frage nach
demKlima auf dem Mond, auf Mars oder Venus vermaganscheinend mehr
die schöpferische Phantasie (und— last not least — die Bewilligung
von Mitteln) an-zuregen, als noch so wichtige irdische
Probleme.Aber wir dürfen diese keinesfalls außer acht lassen:mit
dem gleichen Rechenmodell können wir auch Pro-bleme wie die Klimate
geologischer Vorzeiten, dieUrsachen der Klimaschwankungen
beziehungsweisedie Beeinflussung des Makroklimas einer
Antwortnäherbringen.
Die ganze Kühnheit dieser Konzeption kann manerst ermessen, wenn
man sie mit den umständlichenRechnungen von MILANKOWITSCH mit ihren
Reihen-entwicklungenkonfrontiert. Sie wäre unmöglich ohnedie
technische Entwicklung elektronischer Rechen-automaten; einer ihrer
Schöpfer, der große Mathe-matiker JOHN v. NEUMANN (1903—1957) hat
gemein-sam mit C. G. ROSSBY (1898—1956) gerade diese Mög-lichkeiten
erkannt und propagiert, bis schließlich diebesten jüngeren Kräfte
sich an Probleme dieser Grö-ßenordnung wagten (25). Die Entwicklung
einernumerischen Wetter-Vorhersage begann mit jenerRechenanlage von
Princeton N. J. (1949), deren kaumentwirrbaren Drahtrnengen und
Röhrenkomplexe in-zwischen längst verschrottet sind. Die
numerischeVorhersage und Analyse führt heute zu einer radika-len
Umbildung der modernen Wetterdienste. Es lagnahe, den
Gültigkeitsbereich dieser Vorhersagen so-weit wie möglich
auszudehnen, aber die unvermeid-lichen Fehlerquellen der einfachen
Atmosphären-Modelle erwiesen sich als viel zu groß, als daß
diesesVerfahren praktischen Erfolg haben konnte. Das Pro-blem der
Langfristvorhersage, das den Meteorologenstets so besonders
fasziniert hat: wird es jetzt mitdiesen modernen Rechenanlagen
ernsthaft angreif-bar? Dieses Fernziel setzt ein wirkliches
physikali-sches Verständnis der atmosphärischen Vorgängevoraus,
eine vollständige Modellvorstellung der in-einandergreifenden
Prozesse, über eine Kenntnis derräumlich-zeitlichen Verteilung der
Energiequellen
und -senken. Hierzu reichen die zunächst verwende-ten,
physikalisch übermäßig vereinfachten Atmo-sphärenmodelle natürlich
nicht aus.
Tatsächlich unterscheidet sich das Problem
derLangfristvorhersage von dem der Ursachen der Kli-maschwankungen
nur in der Zeitskala. Die Betrach-tung großräumiger Vorgänge
mittels leistungsfähi-ger Rechengeräte wird zur Zeit in drei
Zeitskalen inAngriff genommen:
a. kurzfristige Vorhersage: Zeitskala l—3 Tage,entsprechend der
Lebensdauer der individuellen(„synoptischen") Wirbel. Hierbei ist
entscheidenddie exakte Kenntnis des Anfangszustandes, wäh-rend die
räumliche Differenzierung der Reibung inerster Näherung
vernachlässigt werden kann,ebenso wie alle energieliefernden
(diabatischenProzesse, wie Heizung und Abkühlung, Konden-sation
usw.b. Klimatogenese: Zeitskala Jahrzehnte, sofern —wie v. NEUMANN
und CHAKNEY vermuteten (25) —eine statistische Integration über
„synoptische"Wirbel (Makroturbulenz) prinzipiell möglich ist.Diese
wichtige Frage ist noch offen: die Lücke zwi-schen den Bereichen
der Makroturbulenz (Frequenzum 10~5/s) und der Mikroturbulenz
(Frequenz um0.1—l/s) schließt anscheinend die Anwendung
all-gemeiner Turbulenztheorien über das gesamteSpektrum der
Bewegungsvorgänge hin aus. Ande-rerseits müssen hier die
diabatischen Prozesse inmöglichst realistischer Form einbezogen
werden,ebenso räumliche Unterschiede der Reibung, oro-graphische
Effekte usw.c. langiristigeVorhersage: Zeitskala 30—100Tage;hierbei
ist die Berücksichtigung der individuellenWirbel und des
Anfangszustandes notwendig,ebenso aber auch die Einbeziehung
diabatischerProzesse und differenzierter Reibung.Für die
Langfristvorhersage erschien — neben der
direkten zeitlichen Integration der Bewegungsglei-chung über
Zeiträume von 30—200 Modelltagen hin-weg — auch der unter b
genannte Weg möglich.Hierbei faßt man die großräumigen Bewegungen
derZyklonen und Antizyklonen im Sinne von A. DEFANT(1921) als
Turbulenz auf. Einige der überwiegend em-pirischen Arbeiten von
NAMIAS und Mitarbeitern inden USA, die theoretischen Experimente
vonBLiNovAin der Sowjetunion — bei denen der erste Hauptsatzder
Thermodynamik durch die Einbeziehung makro-turbulenter
Wärmetransporte erweitert wurde —gingen in diese Richtung. Einen
weiteren Fortschrittstellen die Arbeiten (1) von J. ADEM (Mexico)
dar,der die Wärmespeicherung im Ozean, die Strahlungs-bilanz der
Troposphäre und an der Erdoberfläche, dieAbgabe von fühlbarer und
latenter Wärme von derErdoberfläche an die Atmosphäre, die in der
Tropo-sphäre durch Kondensation freiwerdenden Wärmesowie den
turbulenten Anteil des Wärmetransportesin der Atmosphäre
berücksichtigt.
Andererseits ist der Anteil der Störungen an dertotalen
kinetischen Energie des Windes (Abb. 1) —wie er sich aus dem
Verhältnis der Varianz des Win-des o2 zu der Summe aus Varianz und
dem Quadratder Resultanten (a'- + vrä) errechnen läßt — imgrößten
Teil der Atmosphäre größer als die Hälfte,
-
Heft 101965 FLOHN: Probleme der theoretischen Klimatologie
387
Winter Sommer
80'N 60' 40' 20° 0' 20' 40' 60' 80°N
Abb. 1. Anteil der Störungen (°/o) an der totalen
kinetischenEnergie der Windverteilung.
10'N 60* 40' 20
VI-VIII N-Sommer
Abb. 2. Verhältnis zwischen zonaler und meridionaler
Streuung(öx/Oy) des Höhenwindes (Lit. 11) als Maß der Isotropie
des
atmosphärischen Großaustausches.
im Bereich der gemäßigten und polaren Breiten so-wie in der
subtropischen Übergangszone zwischenOst- und Westwind sogar größer
als 80°/o. DieseZahlenwerte zeigen deutlich, daß eine
vollständigeBetrachtung der allgemeinen Zirkulation der Atmo-sphäre
und ihrer Energetik die Grundströmungenebenso wie die
makroturbulenten Austauschprozesseberücksichtigen muß. Sie muß also
die — in einerdynamisch (oder thermisch) instabilen
Atmosphäreablaufenden — zyklogenetischen Prozesse mit inRechnung
stellen. Diese Rolle großräumiger Instabili-täten zwingt uns die
Frage auf, inwieweit die Atmo-sphäre in diesen Bereichen noch
deterministisch ar-beitet. Falls ein Ansatz für die Makroturbulenz
über-haupt möglich, ist, muß auch noch die Anisotropie
desatmosphärischen Großaustausches in der Tropenzone
und in der Stratosphäre (Abb. 2) berücksichtigt wer-den.
Gegenüber dem derzeitigen Stand der (kurzfristi-gen) numerischen
Vorhersage erhöhen sich also beider theoretischen Klimatologie und
erst recht beider Langfristvorhersage die Schwierigkeiten ummehrere
Größenordnungen. Eine Lösung des Pro-blems der Klimatogenese ist
aber eine Voraussetzungeines der kühnsten und wichtigsten
Menschheitspro-bleme: der Modifikation des Klimas. Ihre
Möglich-keit ist von Ingenieuren und phantasievollen Jour-nalisten
maßlos überschätzt worden, während dieMehrheit der Fachleute
allzulange auf einem konser-vativen Standpunkt beharrte. Die
Rechenmaschinekann hierzu erst dann sinnvoll eingesetzt werden,wenn
vorher ein genügend realistisches Rechen-modell entwickelt und
„programmiert" ist: dannkann man mit diesem Modell experimentieren
wiein einem Laboratoriumsversuch, kann die vorzuge-benden Parameter
variieren, kann das Modell schritt-weise verfeinern und
spezialisieren. Hier wird derMeteorologe endlich frei zu
schöpferischem Spiel,vergleichbar etwa der Kosmologie i hier muß
aberauch jedes Resultat mit der Wirklichkeit
konfrontiertwerden.
Bevor wir diese Möglichkeiten und Probleme näherdiskutieren, sei
kurz auf die wichtigsten Arbeiten derletzten Jahre hingewiesen. Auf
dem Gebiet der nu-merischen Vorhersage haben KIBEL (16) und PH.
D.THOMPSON (32) zusammenfassende Darstellungen ge-geben; ferner muß
der Bericht einer Arbeitsgruppeder World Meteorological
Organization (4) erwähntwerden. In der Mikroklimatologie sind
manche Teil-probleme bereits in Angriff genommen; erwähnt sei—
neben mehreren Arbeiten von H. LETTAU (18) —eine nachgelassene
Arbeit von H. PHILIPPS (26) überdie Theorie des Tagesganges der
Temperatur in Bo-dennähe.
Im Gegensatz zum Mikroklima ist nun das Makro-klima keinesfalls
ausschließlich durch den Wärme-haushalt der Erdoberfläche bestimmt;
das gilt offen-bar bereits für Temperatur und Feuchte in der
üb-lichen Hütte in 2 m über dem Erdboden. Die Glei-chungen für die
Strahlungsbilanz Q und die Wärme-bilanz lauten (2, 14) — unter
Verzicht auf einigenormalerweise kleine Größen:
Strahlungsbilanz: Q = (S+H) (1-a) - (E-G)effektive effektive
Einstrahlung Ausstrahlung
Wärmebilanz: Q — Uß + Uj_ 4 Uy + Ug
Dabei bedeutet S + H die Globalstrahlung von Sonne(direkt) und
Himmel (diffus), a das Reflexionsver-mögen (Albedo) der
Erdoberfläche, E die terrestrischeAusstrahlung, G die (infrarote)
atmosphärische Ge-genstrahlung, U den Wärmeumsatz (mit dem
Bodenbeziehungsweise dem Meere B, mit der Luft L, durchVerdunstung
V und durch Schmelzen von Eis undSchnee S). Hierzu tritt die
Wirkung der Advektion,die bei makroklimatischen Überlegungen eben
nichtausgeschaltet werden darf; dies ist nur an der Erd-oberfläche
selbst berechtigt. Für den Wärmehaushaltin der normalen Höhe der
Messung (2 m über demErdboden) ergibt sich
div Q = cp div (i)T) + L div (uq),
wobei div die dreidimensionale Divergenz, cp die
-
388 FLOHN: Probleme der theoretischen KlimatologieNaturw.
Rdsch.
spezifische Wärme der Luft bei konstantem Druck,L die
Verdampfungswärme des Wassers, v den Wind-vektor in 0—2 m Höhe, T
die Temperatur und q diespezifische Feuchte bedeutet. Unter der
Vorausset-zung einer räumlich homogenen Oberfläche kannman auch
näherungsweise schreiben (div2 = hori-zontale Divergenz):
aa/Az - UB = UL + uv + cp div., (vT) + L div, (uq)
Konvektion horizontale Advektion
Will man diese Vorgänge im einzelnen quantitativerfassen, so
stellen sich erhebliche meßtechnischeSchwierigkeiten ein; das gilt
sowohl für die Diver-genz der Strahlungsströme, als für die
horizontaleDivergenz des Wärme- und Wasserdampftransportes.Die
Unterscheidung zwischen advektiven und kon-vektiven Prozessen,
zwischen „eigenbürtigen" und„fremdbürtigen" Vorgängen ist bisher
noch nichtquantitativ gelungen. Wenn wir uns auf die
Wärme-übertragung fühlbarer Wärme und auf tagesperiodi-sche
konvektive Vorgänge beschränken, dann ergibtsich ein einfacher
Näherungswert durch den Ver-gleich zwischen der gesamten Streuung
aller stünd-lichen Temperaturwerte (aap) eines Monats und
der(periodischen) Streuung der 24 Stundenmittel (op) desgleichen
Zeitraumes. Der Anteil F advektiver un-periodischer Vorgänge ist
dann (10)
F =• ap- "P"ap
Die entscheidende Aufgabe der theoretischen Kli-matologie liegt
auf dem Gebiet der großräumigenPhänomene, die jedoch ihrerseits die
Summe allerkleinräumigen Vorgänge voraussetzen. Jede Theo-rie eines
so komplexen, alle Größenordnungenmeteorologischer Vorgänge
umfassenden Phänomenswie die allgemeine Zirkulation der Atmosphäre
kannnur auf einem vereinfachten, idealisierten Modellaufbauen. Die
heutige Entwicklung begann mit denvon ROSSBY angeregten
Modellversuchen von D. FULTZ(Chicago) und anderen, die in einer
Flüssigkeit dieatmosphärische Zirkulation zu simulieren
versuchten.Solche Versuche (13) sind faszinierend: man siehtdie
Ausbildung von Wellen und Wirbeln in zwei-oder dreidimensionalen
Systemen, von plötzlich los-schießenden Strahlströmen, die ihre
kinetische Ener-gie einzelnen Wirbeln entnehmen und sie an
andereWirbel übertragen, die von Hindernissen induzier-ten Wellen
und anderen Analogien zur wirklichenAtmosphäre. Die ersten Versuche
in einer rotieren-den Kugelschale betrafen thermisch betriebene
Zir-kulationen, mechanisch angetriebene Zweischichten-systeme und
Bewegungen an Hindernissen; wesent-liche Eigenschaften des
Windfeldes der allgemeinenZirkulation, von Zyklonen und
Antizyklonen undder ROSSBY-Wellen der Westdrift wurden erzeugt.Aber
zu genaueren Messungen war es doch not-wendig, auf Zylindermodelle
zurückzugreifen: beidiesen ist allerdings die
Coriolisbeschleunigungf = 2 Q sin
-
Heft 101965 FLOHN: Probleme der theoretischen Klimatologie
389
fläche von überall gleicher Rauhigkeit und
Wärme-leitfähigkeit.
Von besonderer Bedeutung sind die nichtadiaba-tischen Effekte,
also Heizung und Abkühlung inner-halb der Atmosphäre durch
Strahlungsströme unddie hierdurch erzwungenen Wärmetransporte.
SMA-GORINSKY geht hierbei von den Daten von LONDON (19)und BUDYKO
(5) aus. Hierbei wird die sehr wichtigeRolle des Wasserkreislaufs
und der bei der Konden-sation freiwerdenden Wärme jedenfalls in der
Formvon Jahresmittelwerten als Funktion der Breite be-rücksichtigt.
Immerhin liefert die latente Wärmemit 136 Ly/d etwa 64°/o der
Strahlungsbilanz am Erd-boden; nach BUDYKO (1963) ergeben sich
sogar 164Ly/d (l Langley = l gcal cm"2) gegenüber
einerStrahlungsbilanz von 225 Ly/d.
Einige Breitenkreismittelwerte sind in Abb. 3 zu-sammengestellt;
dabei ist die Kältequelle der lang-welligen Ausstrahlung E0 des
Systems Erde + At-mosphäre in den Weltraum — die jetzt
fortlaufenddurch Satelliten gemessen wird — nur relativ geringvon
der Breite abhängig.
Grundlegend ist zunächst die Unterscheidung derstabilen
axialsymmetrischen Zirkulation vom HAD-
Obergrenze der Atmosphäre
Sommer Winter
Erdoberfläche
30' 60' N
Abb. 3. Strahlungs- und Wärmehaushalt der Atmosphäre nachJ.
LONDON (1957, Lit. 19), Nordhalbkugel.
Breitenlage des Subtropenhochs(Grenzbedingung Ri • RoT •
ctgip=1)
0° 2' t,' 6° 8' iO° 12° W /1000km3T/3y (isobar) —>
Abb. 4. Breitenlage des subtropischen Hochdruckgürtels
(alsGrenze zwischen der tropischen HADLEY-Zelle und dem
außer-tropischen FERREL-Regime) nach dem Z-Kriterium von SMAGO-
RINSKY (Lit. 29).
LEY-Typ von einer asymmetrischen Wellenzirkula-tion vom
FERREL-RossBY-Typ; sie hängt von einembaroklinen
Instabilitäts-Kriterium ab. SMAGORINSKY(29) erhält hierfür ein
Kriterium Z, in dem die Ri-CHARosoN-Zahl (als Maß der vertikalen
Stabilität)und die thermische RossBY-Zahl ROT (als Maß
derBaroklinität) enthalten sind. Selbstverständlich istdieses
ebenso einfache wie elegante Kriterium vonder Breite abhängig. Zur
Abschätzung der Grenzezwischen beiden Formen können wir annehmen,
daßdie von PHILLIPS und SMAGORINSKY verwendete (li-nearisierte)
Grenzbedingung auch für nichtlineareStörungen gilt. Dann lautet die
Bedingung für denÜbergang stabiler in instabiler Formen Z = l,
undhieraus ergibt sich (als Näherungslösung) für dieBreite
-
390 FLOHN: Probleme der theoretischen KlimatologieNaturw.
Rdsch.
Die Arbeiten von Y. MINTZ beziehen sich zum Teil(23) auf das
allgemeine Problem der Planetenatmo-sphäre, wobei Venus und Mars
die am besten be-kannten Beispiele liefern. Für die gesamte Erde
mitihrer Land-Meer-Verteilung — vgl. bereits (22) —wurde ein schon
recht realistisches Zweischichten-modell entwickelt, das in einem
(allerdings groben,horizontal nur 1000 Punkte umfassenden)
Gitternetzzwei verschiedene Formen der thermischen Konvek-tion
(flache und mächtige, letztere unter Berücksich-tigung der
freiwerdenden Kondensationswärme) ein-bezieht und sich auf die
Troposphäre beschränkt.Von einer ruhenden, isothermen Atmosphäre
aus-gehend, die über dem Meer durch die gegebene mitt-lere
Wassertemperatur angeheizt wird, sowie unterBerücksichtigung der
Strahlungsströme in der At-mosphäre sowie einer (nach Deklination
konstanten)Zustrahlung durch die Sonne erhält er nach 40
Mo-delltagen die voll entwickelte Windverteilung in derAtmosphäre,
sowie eine sehr realistische Verteilungvon Temperatur und Druck.
Die drei meridionalenZellen tauchen auf, ja es erscheinen bereits
trotz desweiten Gitternetzes einige regionale Klima-Anoma-lien, die
den beobachtenden Anomalien ähneln. DerUmfang dieser Rechnung zeigt
sich auch daran, daßdie Rechenzeit auf der hier benutzten IBM 7090
—deren Rechengeschwindigkeit bei 4 ßs pro Additionliegt — schon auf
über 3500 h angeschwollen ist.
Die Arbeitsgruppe von C. LEITH (Livermore Col-lege, Cal.) hat
ein 5-Schichten-Modell entwickelt, indem besonders eingehend der
Wasserkreislauf unddie ihn begleitenden Energieumsätze
berücksichtigtworden sind. Das Modell ist anspruchsvoller als
dasvon MINTZ, vernachlässigt jedoch den Einfluß der Ge-birge; die
Ergebnisse zeigen, daß dieser Einflußoffenbar hauptsächlich
thermischer (und nicht mecha-nischer) Natur ist. Verblüffend
eindeutig kommt dieRolle der innertropischen Konvergenz mit ihren
ho-hen Niederschlägen heraus; in den ariden Regionenwurde die
Verdunstung allgemein = 0 gesetzt. Die-ses Modell läuft
vollautomatisch ab: Breitenkreis-mittel aller Größen werden als
Funktion der Zeitdargestellt, Zeitrafferfilme fassen die zeitliche
Fluk-tuationen — zu denen auch die in den Tropen domi-nierende
halbtägige Druckschwankung gehört — zu-sammen. All diese
Arbeitsgruppen sind in ihren Re-sultaten schon wesentlich weiter
gediehen als ausden Veröffentlichungen ersichtlich ist; obige
Darstel-lung stützt sich auf die auf einem Symposium überdie
Forschungsaspekte der Langfristvorhersage inBoulder (Colorado)
Anfang Juli 1964 gehaltenenVorträge (34).
Die ganze Problemstellung erfordert eine denkbarenge
Zusammenarbeit zwischen den Spezialisten derverschiedensten
Fachrichtungen: Hydro- und Ther-modynamik, Turbulenzlehre,
Strahlungs- und Wär-mehaushalt von Erdoberfläche und Atmosphäre
undviele andere. So haben zum Beispiel F. MÖLLER undMANABE (20) die
Zusammenhänge zwischen dem ver-tikalen Temperaturgefälle und den
Strahlungsströ-men beziehungsweise dem Vertikalaustausch
quan-titativ geklärt. Aber bisher fehlt noch eine vollstän-dige
Theorie der (wechselseitigen) Koppelung zwi-schen Ozean und
Atmosphäre, die eine fundamentaleRolle bei dem Gesamtkomplex
spielt: das bedeutet
die Berücksichtigung der von den windgetriebenenMeeresströmungen
transportierten Wärmemengen,die ähnlich Beträge erreichen wie der
atmosphärischeTransport fühlbarer Wärme. Manche bisher
unzu-gänglichen Daten — vor allem die langwellige Aus-strahlung in
den Weltraum sowie die von der Be-wölkung abhängige kurzwellige
Rückstrahlung (Al-bedo) — liefern nunmehr die hervorragend
instru-mentierten TIROS-Satelliten.
Dennoch ergeben sich schon jetzt weite Perspek-tiven, die
gründliches Nachdenken lohnen. In einembescheidenen Beitrag (9, 12)
wurden einige Prob-leme der Klimaschwankungen geologischer
Vorzei-ten diskutiert, insbesondere hinsichtlich der Varia-tion
geo- und astrophysikalischer Parameter. Hierbeibeschränken wir uns
auf den Zeitraum seit Beginndes Paläozoikums vor etwa 500 Millionen
Jahren, davorher kaum einwandfreie Belege vorliegen; dieserZeitraum
stellt aber nur etwa ein Zehntel der ge-samten Erdgeschichte
dar.
Die Diskussion dieser Parameter führt zu demResultat, daß in
dieser Zeitspanne die wichtigstengeo- und astrophysikalischen
Parameter zwar wohlkaum völlig konstant geblieben sind, daß aber
ihrezeitlichen Änderungen wenige Prozent (meist < 5°/o)nicht
überschritten haben. Zu diesen Parameternzählen die Solarkonstante
— deren relative Kon-stanz am besten aus der Gleichheit der
tropischenOzeantemperaturen von 25—27° (außer den quar-tären
Kaltzeiten) hervorgeht —, die Schwerkraft,die Rotationsdauer und
der Radius der Erde. Der ausdem Erdinnern stammende Wärmestrom
(heute0,13 Ly/d) kann zwar in vulkanisch aktiven Gebie-ten, wie in
Neuseeland, Japan oder Oberitalien, umeinen Faktor 10—50 ansteigen:
selbst dann ist seinAnteil noch klein gegenüber der
Strahlungsbilanz.Die von den Schwankungen der
Erdbahnelementehervorgerufene Änderung der jahreszeitlichen
Zu-strahlung, die MILANKOWITSCH (21) in den Mittelpunktseiner
vieldiskutierten Theorie der Eiszeiten stellte,bleiben auf wenige
Prozent beschränkt.
Gegenüber diesen konservativen Parametern gibtes einige
Zustandsgrößen, die im geologischen Zeit-maßstab erheblichen
Schwankungen unterliegen.Hierzu gehört einmal der CO2-Gehalt der
Atmo-sphäre, der zusammen mit dem Aerosolgehalt
(vonVerbrennungsvorgängen wie von Vulkanausbrüchenherrührend) die
Strahlungsbilanz der Erdoberflächeentscheidend beeinflussen kann.
Zweifellos liegendie Probleme auch hier sehr komplex und lassen
sichkaum durch einfache Hypothesen klären. Dazu ge-hört auch der
Wasserdampfgehalt der Atmosphäre,der zu einem erheblichen Teil von
dem Anteil derOzeane der Gesamtoberfläche der Erde (heute 71%)und
von ihrer Temperatur (das heißt von Strahlungs-bilanz und Wind)
abhängt. Hierzu gehört aber auchdie Lage und Ausdehnung der
Kontinentalschollenund der Ozeane: es spricht vieles dafür, daß das
Auf-treten der quartären und der permokarbonen Eiszeitin erster
Linie darauf zurückzuführen ist, daß zu Be-ginn dieser
Zeitabschnitte große Kontinentalschollen(Antarktika, Gondwanaland)
in Polnähe gerieten.In den viel längeren Warmzeiten dagegen
(währenddes ganzen Mesozoikums und dem Tertiär) erzeugtdie Existenz
weiter Meere in den Polargebieten mit
-
Heft 101905 FLOIIN: Probleme der theoretischen Klimatologie
391
offener ozeanischer Zirkulation zu den tropischenOzeanen ein
völlig anderes „akryogenes" (eisfreies)Klima, das wir
näherungsweise rekonstruieren wol-len. Die relativ geringe
Zeitdauer der Existenz po-larer Kontinente ist vielleicht eine
einfache Folgeder mit der Abplattung der Erde zusammenhängen-den
Polfluchtkraft.
+30'
Abb. 5. Aktuelles Jahresmittel der Temperatur,
rekonstruierteMitteltemperatur in der letzten Eiszeit (E) und in
den Warm-
zeiten (W) der Erdgeschichte (Lit. 12).
Für das Modell eines eisfreien Klimas gehen wiraus (12) von zwei
Gruppen von Meßdaten, die mitdem 016/018-Thermometer von EMILIANI
und anderenForschern aus Tiefsee-Bohrkernen gewonnen wor-den sind.
Sie liefern für die Oberflächentemperaturder tropischen Ozeane den
oben schon erwähntenWert von 25—27 °C, dagegen für die
Tiefseetempe-raturen + 8—10° (gegenüber heute 0 bis + 2°).Wenn wir
eine ungestörte ozeanische Zirkulationentsprechend der heutigen
annehmen, dann ent-spricht der letztgenannte Wert der
Oberflächentem-peratur der polaren Meere. Damit ergibt sich das
me-ridionale Temperaturgefälle Äquator-Pol an der Erd-oberfläche zu
rund 16° anstatt 40—60° wie heute;hieraus kann man den Maximalwert
von
-
392 FLOHN: Probleme der theoretischen KlimatologieNaturw.
Rdsch.
— (7) H. FLOHN, H. TKENKLE, Arch. Meteor. Geophys. Biokl. A 7,85
(1954). — (8) H. FLOHN, Ber. Dt. Wetterdienst 59, 9 (1959). —(9) H.
FLOHN, Naturw. Rdsch. 12, 375 (1959). — (10) H. FLOHN,Meteor.
Rundsch. 17, 83 (1964). — (11) H. FLOHN, Beitr. Phys.Atmos. 37, 17
(1964). — (12) H. FLOHN, Geol. Rundsch. (im Druck).— (13) D. FULTZ
and Coll., Meteor. Monogr. 4, No. 21 (1959). —(14) R. GEIGER, Das
Klima der bodennahen Luftschicht (4. Aufl.).Braunschweig 1961. —
(15) E. HESSELBEKG, Beitr. Phys. Atmos. 19,291 (1932). — (16) J. A.
KIBEL, An introduction to the hydro-dynamical methods of short
period weather forecasting. Russ.Moskau 1957, engl. Oxford 1963. —
(17) K. KNOCH, Ber. Dt. Wet-terdienst 12, Nr. 85 (1963). — (18) H.
LETTAU, Ber. Dt. WetterdienstUS-Zone 38, 127 (1952); Arch. Meteor.
Geophys. Biokl. A 7, 133(1954). — (19) J. LONDON, A study on the
atmospheric heat ba-lauce. Final Report AF 19 (122) — 165. New York
1957. — (20)S. MANABE, F.MÖLLER, Monthly Weather Review 89, 503
(1961).
— (21) M. MILANKOWITSCH, Handb. Klimatologie I A. Berlin 1930.—
(22) Y. MINTZ, Bull. Res. Council Israel G 7, 67 (1958). — (23)Y.
MINTZ, Proc. Lunar and Planet, Explor. Coll. (1961) 1—21. —(24) F.
MÖLLER, Gerl. Beitr. Geophys. 42, 252 (1934). — (25) R. L.PFEFFER,
Dynamics of Climate. Oxford 1960. — (26) H. PHILIPPS,Z. f. Meteor.
16, 131 (1962); 17, 5 (1964). — (27) N. A. PHILLIPS,Quart. Journ.
Roy. Meteor. Soc. 82, 123 (1956). — (28) C. G.ROSSET, in Rossby
Memorial Volume (1959), 9—50. — (29) J.SMAGORINSKY, Monthly Weather
Review 91, 99 (1963). — (30)J. SMAGORINSKY, Quart. Journ. Roy.
Meteor. Soc. 90, l (1964). —(31) V. P. STARR, R. M. WHITE, Final
Report Contr. AF (19)122—153. Cambridge, Mass. 1954. — (32) PH. D.
THOMPSON, Nu-merical weather analysis and forecasting. New York
1961. —(33) G. TREWARTHA, The earth's problem climates. Madison,
Wis.1961. — (34) World Meteorological Organization, Technical
NoteNo. 66 (1965). (Abgeschlossen August 1964.)
Die NATURWISSENSCHAFTLICHE RUNDSCHAU erscheint monatlich.
Bestellungen nimmt jede Buchhandlung des In- undAuslandes, die Post
oder der Verlag entgegen. In den Ländern Belgien, Dänemark,
Großbritannien, Italien, Luxemburg, Nie-derlande, Norwegen,
Portugal, Schweden, der Schweiz und der Vatikanstadt ist der Bezug
durch die Post ebenfalls möglich.Bezugspreis: viertel]. DM 9.60,
Einzelheft DM 3.80. Studenten u. Assistenten in nicht voll
bezahlter Stellung viertel]. DM 7.80.
Probsheit: kostenlos durch den Verlag.
Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft m. b. H., Stuttgart N,
Birkenwaldstraße 44, Postlach 40.