The seasonal cycle of the global zonally averaged energy balance

Summary The annual and seasonal cycle of the global zonally averaged storage and transport of moist static energy (MSE), the surface eddy flux of MSE, and the radiation budget at the top of the atmosphere (TOA) and surface are investigated in this paper. We use the GFDL (Geophysical Fluid Dynamics Laboratory) zonal mean data to compute the storage rate, divergence, and poleward flux of MSE. Surface eddy fluxes are determined based on an empirical formula developed from available climatological data. Radiative fluxes at the TOA and surface are computed from a radiation model. A number of significant features are illustrated by the present analysis in regard to the global annual and seasonal energy balance of the earth-atmosphere system. The storage/release rate of MSE is greater in spring and autumn than in summer and winter. The rate of poleward transport of MSE has a maximum at ~40°N and ~35°S with a value of ~3 × 10¹⁵ W. In terms of the radiation budget, the persistent ITCZ minimum and subtropical maxima of the IR flux distribution are reproduced well in the radiation parameterization program. The incoming solar flux maximum shifts from ~20°N in spring to ~40°N in summer due to the poleward increase in the fraction of daytime. Finally, an examination of the global surface energy balance reveals that the surface net fluxes derived from parameterizations for eddy and radiative fluxes agree well with values derived from observations. This agreement appears to imply that on the global mean, the physical parameterizations used in the present study are reliable in modeling the seasonal surface flux components.

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Zusammenfassung Der jährliche und jahreszeitliche Gang der globalen Zonenmittel der Speicherung und des Transports von latenter Energie (MSE), des Oberflächen-Eddy-Flusses der MSE und des Einstrahlungsbudgets an der Atmosphärengrenze (TOA) als auch auf der Erdoberfläche werden untersucht.Wir verwenden die GFDL Zonenmitteldaten, um die Ladung, Divergenz und den polgerichteten Fluß der MSE zu errechnen. Die Oberflächen-Eddy-Flüsse werden aufgrund einer empirischen Formel bestimmt, die mittels verfügbarer klimatologischer Daten erstellt wurde. Strahlungsflüsse auf der Oberfläche und der Atmosphärengrenze werden mittels eines Einstrahlungsmodells errechnet. Eine Reihe signifikanter Erscheinungen werden in der vorliegenden Analyse dargestellt mit Hinblick auf das globale jährliche und jahreszeitliche Energiegleichgewicht des Erde-Atmosphäre-Systems. Die Ladungs- und Entladungsrate des MSE ist im Frühjahr und Herbst größer als im Sommer und Winter. Die Spitzen des polgerichteten Transports der MSE liegen bei 40° N und 35° S mit einem Wert von ca. 3 × 10¹⁵ W. In bezug auf das Einstrahlungsbudget werden die persistenten ITKZ-Minima und die subtropischen Maxima der IR-Flußverteilung gut von dem Einstrahlungsparameterisierungsprogramm dargestellt. Die Sonneneinstrahlungsflußspitzen verschieben sich von 20° N im Frühjahr nach 40° im Sommer aufgrund der gegen den Pol hin zunehmenden Tageslänge. Zuletzt zeigen die Untersuchungen des globalen Oberflächenenergiegleichgewichts auf, daß die Oberflächennettoflüsse, abgeleitet von der Parameterisierung für Eddy- und Einstrahlungsflüsse, mit den beobachteten Werten gut übereinstimmen. Diese Übereinstimmung impliziert offensichtlich, daß im globalen Durchschnitt die physikalische Parametrisierung, die in dieser Studie angewendet wurde, verläßliche Modelle der jahreszeitlichen Oberflächenflußkomponenten liefern kann.

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With 8 Figures     

A simplified hydrodynamic mesoscale model suitable for use over high plateau regions

Summary A simplified hydrodynamic primitive equation model in -coordinates is described. This model includes the main physical processes that influence development and motion of mesoscale vortices over plateau regions: elevated terrain effects, effects of large-scale and synoptic-scale systems on the mesoscale systems, sensible heating from the earth's surface, moisture cycle and condensation heating released by both large-scale stable precipitation and cumulus convective precipitation, evaporation and the feedback effect of precipitation on evaporation, friction in the planetary boundary layer, horizontal diffusion by subgrid scale eddies and vertical eddy flux of meteorological elements (momentum, temperature, moisture, etc.) due to turbulence, cumulus convection and other smaller-scale physical processes. The model incorporates observed data as much as possible and equations are simplified so that it may be run using either a high-speed computer or a desktop computer.Two developing vortices that originated over the Qinghai-Xizang (Tibet) Platau and moved eastward producing heavy precipitation over the lower elevations are used to test the model. It is shown that the model is capable of simulating the major features of the vortices including the precipitation distribution and may be used for studies of mesoscale and synoptic scale weather systems over plateau regions.

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Ein vereinfachtes für hochländer geeignetes hydrodynamisches mesoscale-modell

Zusammenfassung Es wird ein vereinfachtes hydrodynamisches Grundgleichungsmodell in -Koordinaten be schrieben. Dieses Modell beinhaltet die wichtigsten physikalischen Prozesse, die die Entwicklung und Bewegung von mesoskaligen Wirbeln über Hochplateaus beeinflussen: Effekte der Hochfläche, Effekte von großräumigen und synoptischen Systemen, die fühlbare Wärme von der Erdoberfläche, den Feuchtigkeitskreislauf und die Kondensationswärme, sowohl von großräumigen als auch von Konvektionsniederschlägen, die Evaporation und die Beeinflussung der Evaporation durch den Niederschlag, die Reibung in der planetaren Grenzschicht, die horizontale Diffusion durch Turbulenzen, die kleiner als die Gitterkonstante sind und den vertikalen Fluß meteorologischer Elemente (Impuls, Temperatur, Feuchte etc.) durch Turbulenzen, Konvektion und andere kleinräumige Prozesse. In das Modell sind die Beobachtungswerte weitestgehend integriert und die Gleichungen soweit vereinfacht, daß es sowohl auf einem Hochleistungs- als auch auf einem Mikrocomputer laufen kann.Zum Testen des Modells wurden zwei sich entwickelnde Wirbel verwendet, die vom Qinghai-Xizang-Plateu (Hochland von Tibet) ausgingen, sich ostwärts bewegten und dabei zu schweren Niederschlägen in den Tiefländern führten. Es wird gezeigt, daß das Modell die wichtigsten Eigenschaften der Wirbel und die Niederschlagsverteilung simulieren und für Untersuchungen von mesoskaligen und synoptischen Wettersystemen über Hochländern herangezogen werden kann.

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With 18 figures     

Long circumpolar atmospheric waves

Summary The periods of long waves in the circumpolar atmosphere are considerably longer than at lower latitudes because the variation of the Coriolis parameter with latitude decreases from the equator to the poles. The period length increases with decreasing meridional extent of the oscillation and with increasing meridional wave number. Numerical examples of period lengths for different longitudinal and meridional wave numbers and for different meridional extents of the oscillations are shown in Figs. 1–3. The vertical variation of the oscillations is considered only for the simple case of an isothermal atmosphere in order to illustrate the role of the vertical structure of the atmosphere in determining the free oscillations and in regulating the atmospheric response to a forcing function. As a specific example a periodic heating function has been assumed whose intensity decreases upward exponentially. With plausible values for the amplitude of this heating function reasonable values are obtained for the wind and pressure disturbance due to the heating.

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Lange Wellen in der polaren Atmosphäre

Zusammenfassung Die Perioden langer Wellen in der polaren Atmosphäre sind wesentlich länger als in den niederen Breiten, da die Änderung des Coriolisparameters mit der Breite vom Äquator zu den Polen abnimmt. Die Periodenlänge nimmt zu mit abnehmender meridionaler Ausdehnung der Schwingung und mit zunehmender meridionaler Wellenzahl. Numerische Werte von Periodenlängen sind aus Abb. 1–3 zu ersehen. Die Vertikalstruktur der Schwingungen ist für den einfachen Fall einer isothermen Atmosphäre behandelt, um zu zeigen, wie die vertikale Schichtung der Atmosphäre die freien Schwingungen bestimmt und die Ansprechung auf erzwungene Schwingungen reguliert. Als konkretes Beispiel wird eine periodische Erwärmung und Abkühlung angenommen, die mit der Höhe exponentiell abnimmt. Mit realistischen Werten für diese periodische Erwärmung ergeben sich plausible Wind- und Druckwerte.

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With 5 Figures     

Analysis of the vortivity and divergence of the thermal wind in pure geostrophic flow

By applying the horizontal del operator to the thermal wind equation in vectorial form and considering only horizontal geostrophic motion, expressions are found for the vorticity and divergence of thermal wind. It is shown that vorticity, in the case of pure geostrophic flow at all levels, depends upon four factors, namely: latitude, horizontal distribution of temperature, temperature lapse rate and divergence of horizontal temperature gradient. The divergence of the thermal wind, on the other hand, depends only upon the orientation of the mean isotherms of an isobaric layer relative to the parallel circles. These terms are evaluated and it is shown that the latitude term and the lapse rate term are far greater than the remaining terms of the vorticity equation for geostrophic flow. A criterion is then given which enables to determine the conditions for irrotational horizontal motion with vertical geostrophic wind shear.

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Zusammenfassung Durch Anwendung des horizontalenNabla-Operators auf die thermische Windgleichung in vektorieller Form und bei ausschließlicher Berücksichtigung der geostrophischen Horizontalbewegung lassen sich Ausdrücke für die vorticity und die Divergenz des thermischen Windes herleiten. Es wird gezeigt, daß die vorticity im Falle einer rein geostrophischen Strömung in allen Niveaus von folgenden vier Faktoren bedingt ist: Breite, horizontale Temperaturverteilung, vertikaler Temperaturgradient und Divergenz des horizontalen Temperaturgradienten. Andrerseits hängt die Divergenz des thermischen Windes nur von der Orientierung der mittleren Isothermen einer in Bezug auf die Parallelkreise isobaren Schicht ab. Diese vier Terme werden ausgewertet und es wird gezeigt, daß das Breitenglied und der Term für den Vertikalgradienten viel größer sind als die übrigen Terme der vorticity-Gleichung für geostrophische Strömung. Schließlich wird ein Kriterium entwickelt, das gestattet, die Bedingungen für rotorfreie Horizontalbewegung mit vertikaler geostrophischer Windscherung zu bestimmen.

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Résumé On peut déduire des équations sur la rotationelle et la divergence du vent thermique en appliquant l'opérateur nabla horizontal à l'équation du vent thermique sous une forme vectorielle et en ne considérant que le mouvement géostrophique horizontal. On démontre que la rotationelle, dans le cas d'un courant géostrophique pur, dépend dans tous les niveaux des quatre facteurs suivants: latitude, répartition horizontale de la température, gradient vertical de la température et divergence du gradient horizontal de température. D'autre part, la divergence du vent thermique ne dépend que de l'orientation des isothermes moyennes d'une couche isobare par rapport aux parallèles. En évaluant ces quatre termes, on montre que les termes relatifs à la latitude et au gradient vertical sont beaucoup plus grands que les autres termes de l'équation de la rotationelle pour un courant géostrophique. Pour terminer, l'auteur développe un critère qui permet de déterminer les conditions pour un mouvement horizontal irrotationel mais avec un cisaillement vertical géostrophique du vent.

     

On the meridional distribution of climate changes due to doubling of CO2 content in the atmosphere

Summary A two-dimensional radiative-convective model has been developed to calculate mean annual zonally-averaged temperature profiles for 18 latitudinal belts each of 10° width. The model includes meridional heat transport and impacts of surface albedo and lapse rate feedback mechanisms. In view of its flexibility and computational efficiency compared to a three-dimensional general circulation model, this model may serve as a useful tool in studying the climate sensitivity to external forcings.The model has been successfully applied to reproduce the meridional variation of climatic elements for the standard atmosphere. Next, the climate sensitivity to a doubling of atmospheric CO₂ has been examined. The surface temperature response ranges from 1.6 °C near the equator to 4 °C in polar regions with a global mean of 2.1 °C. The meridional distribution of surface warming due to doubled CO₂ simulated by our model agrees qualitatively with those obtained by NCAR and GFDL global circulation models in that the largest warmings in all three simulations are found at high latitudes in the Northern Hemisphere. An interesting feature of our findings is that the maximum response due to doubled CO₂ tends to descend from the upper troposphere at low latitudes to the surface at high latitudes. The responses of the transport of sensible and latent heat are in opposite direction thus leading to only slight but positive changes in the total meridional heat flux.

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Zusammenfassung Es wurde ein zweidimensionales Strahlungs-Konvektions-Modell entwickelt, um zonal gemittelte Temperaturprofile für 10° breite Gürtel zu berechnen. Das Modell beinhaltet meridionalen Wärmetransport, Einflüsse der Albedo und des vertikalen Temperaturgradienten. Aufgrund seiner Flexibilität und rechnerischen Effizienz im Vergleich zu dreidimensionalen Modellen der allgemeinen Zirkulation, kann dieses Modell gut zum Studium der Sensitivität des Klimas auf äußere Antriebe verwendet werden.Das Modell wurde zuerst erfolgreich angewandt, um die meridionale Variabilität der Klimaelemente für die Standardatmosphäre zu reproduzieren. Dann wurde die Sensitivität gegenüber einer Verdoppelung des atmosphärischen CO₂ untersucht. Die Veränderungen an der Erdoberfläche reichten von 1.6 °C nahe dem Äquator bis zu 4 °C in Polnähe mit einem globalen Mittel von 2.1 °C. Die meridionale Verteilung stimmt qualitativ mit den Modellergebnissen von NCAR und GFDL überein. Alle prognostizieren die größten Erwärmungen in den hohen Breiten der Nordhemisphäre. Ein interessantes Ergebnis dieser Untersuchung ist, daß die größte Erwärmung von der oberen Troposphäre in niedrigen Breiten in hohen Breiten zur Oberfläche absinkt. Die Prognosen für die Änderung des Transports von fühlbarer und iatenter Wärme zeigen den umgekehrten Effekt. Das führt zu einem geringen Anstieg des meridionalen Wärmeflusses.

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With 9 Figures     

Clear sky ultraviolet-B radiation in the English Midlands: A comparison of measured and modelled values

Summary Spectral measurements were made of solar ultraviolet-B (UVB) irradiance at Sutton Bonington (52° 50N, 1° 15W) under cloudless skies using a Licor LI 1800 scanning spectroradiometer. The finite bandpass of the instrument and the steep shape of the UVB spectra caused overestimation of irradiance at short wavelengths. Spectra were corrected mathematically for these effects.The corrected spectra were compared to estimates of global UVB irradiance as a function of zenith angle and amount of ozone. Comparisons were made at 300 nm, 310 nm and 320 nm. Estimates were significantly greater (p = 0.05) than the measurements except at 320 nm where differences were not significant. The differences may have been the result of overestimation of UVB at short wavelengths, since some of the assumptions on which the estimates were based may not be valid for Sutton Bonington conditions.

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Zusammenfassung Unter wolkenlosem Himmel wurden in Sutton Bonington (52° 50N, 1° 15W) mittels eines Licor LI 1800 Spektroradiometer-Scanners Spektralmessungen von Ultraviolett-B (UVB)-Strahlung durchgeführt. Die endliche Bandbreite des Instruments und der steile Anstieg der UVB-Spektren führten zu einer Überschätzung der Strahlung im kurzwelligen Bereich. Die Spektren wurden in dieser Hinsicht mathematisch korrigiert.Die korrigierten Spektren wurden mit den Schätzwerten der globalen UVB-Strahlung — als Funktion von Zenithwinkel und Ozonmenge — bei 300nm, 310nm und 320nm verglichen. Hiebei erwiesen sich die Schätzwerte wesentlich höher (p = 0,05) als die Meßwerte, nur bei 320nm waren die Unterschiede nicht signifikant. Die Unterschiede könnten aus der Überschätzung von UVB im kurzwelligen Bereich resultieren, da einige der Schätzungsvoraussetzungen auf die Bedingungen in Sutton Bonington nicht zutreffen dürften.

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On leave from Department of Agronomy and Soils, Washington State University, Pullman, WA, U.S.A.

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With 4 Figures     

On the estimation of surface radiation using satellite data

Summary Model calculations are used to investigate the uncertainties in the surface radiative flux empirically derived from satellite radiation measurements and theoretically calculated from radiation models using satellite-inferred cloud parameters. The empirical approach depends upon how well the satellite-measured radiances (represented here by the top-of-the-atmosphere flux) correlate with the net flux at the surface. The model calculations show that while the TOA flux and the net surface flux are correlated with respect to changes in optical thickness, they are not correlated with respect to changes in cloud height and negatively correlated with respect to changes in water vapor content. It is also found that the solar zenith angle has a strong effect on these relationships. It is, therefore, important to correct for the effects of atmospheric water vapor content and the solar zenith angle in the empirical estimation of surface radiative flux.The theoretical approach depends upon the net effect of the uncertainty in satellite-inferred cloud parameters. In the solar spectral region, the effects of the uncertainty in satellite retrieval of could cover and optical thickness on the net downward surface flux are systematically in opposite directions, so that the combined effects is typically small (< 7 Wm^–2). In the thermal infrared region, an error of 7 Wm^–2 could be induced by an uncertainty of 100 mb in the cloud-base height or an uncertainty of 0.1 in the fractional cloud cover. As opposed to what is commonly perceived, the error in the surface flux is likely to be larger in the IR region than in the solar spectral region.

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Zusammenfassung In der vorliegenden Arbeit werden mit Hilfe von Modellberechnungen die Unsicherheiten in den durch Satellitenmessungen empirisch gewonnenen Strahlungsflüssen an der Oberfläche und jene, die bei der Benützung von Strahlungsmodellen, die auf mit Satelliten abgeleiteten Wolkenparametern beruhen, verglichen. Die Gültigkeit des empirischen Näherungsverfahren ist davon abhängig, wie sehr die vom Satelliten gemessene Strahlung (im weiteren als top-of-the-atmosphere flux — TOA — bezeichnet) mit dem Nettostrahlungsfluß an der Oberfläche korreliert. Die Modellberechnungen zeigen, daß TOA-Fluß und Nettostrahlungsfluß an der Oberfläche zwar in bezug auf Änderungen der optischen Dicke, nicht aber in bezug auf Änderungen der Wolkenhöhe korreliert sind, während sie in bezug auf Veränderungen des Wasserdampfgehalts negativ korreliert sind. Es zeigt sich weiters, daß der Zenithwinkel der Sonne einen wesentlichen Einfluß auf diese Zusammenhänge hat. Daher ist es wichtig, die Auswirkungen des atmosphärischen Wasserdampfgehalts und des Sonnenzenithwinkels in den empirischen Berechnungen des Strahlungsflusses an der Oberfläche zu korrigieren.Der theroretische Ansatz ist abhängig vom Einfluß der Unsicherheiten der satellitenermittelten Wolkenparameter. Im solaren Spektralbereich wird der zur Oberfläche gerichtete Nettofluß durch die Unsicherheiten in der satellitenermittelten Wolkendecke und der optischen Dicke systematisch in entgegengesetzter Richtung beeinflußt, so daß der gemeinsame Effekt im allgemeinen gering bleibt (< 7 Wm^–2). Im thermischen Infrarotbereich kann ein Fehler von 7 Wm^–2 durch eine Unsicherheit von 100 mb in der Wolkenbasishöhe oder von 0.1 in der Bedeckung hervorgerufen werden. Im Gegensatz zur weitverbreiteten Ansicht ist also der Fehler bei Berechnungen des Flusses an der Oberfläche im thermischen Infrarotbereich aller Wahrscheinlichkeit nach größer als im solaren Spektrum.

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With 11 Figures     

Untersuchungen an Sternpyranometern

Zusammenfassung Entwicklung, Aufbau und Funktionsweise der in Österreich verwendeten Sternpyranometer werden besprochen. Die drei gebräuchlichen Modelle werden eine strengen experimentellen Prüfung unterzogen. Augenmerk wird auf die Erfüllung bestimmter Forderungen für ein einwandfreies Funktionieren der Geräte gelenkt.Es wird gezeigt, daß die kurzwelligen Strahlungsströme in der Atmosphäre im Spektralbereich zwischen 0,3 und 3 nahezu unabhängig von der Wellenlänge und unter Erfüllung des Cosinus-Gesetzes bis zu Einfallswinkeln von 75° einwandfrei und bei Winkeln größer als 75° besser als bei anderen Pyranometern erfaßt werden. Einwirkungen der Temperatur auf die Anzeige können durch entsprechende Wahl der Kombination Geber/Leitung/Pyranometer ausgeschaltet werden. Lage des Gerätes, langwellige Temperaturstrahlungsströme und Witterungseinflüsse üben keinen Einfluß auf die Anzeige aus. Die Einstelldauer beträgt 20 Sekunden. Der Nullpunkt stellt sich ohne Depression nach Abschattung exakt ein. Die Stromausbeute ist der Bestrahlungsintensität streng proportional. Die einzelnen Geräte sind untereinander gut vergleichbar.Die Ausführungen zeigen, daß die Genauigkeit der Anzeige der hier beschriebenen Sternpyranometer den Anforderungen entspricht und daß die Instrumente sowohl bei Momentanmessungen der Globalstrahlung, der Himmelsstrahlung und der Albedo als auch bei Dauerregistrierungen einwandfreie Ergebnisse erwarten lassen.

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Summary Development, construction, and operation of star pyranometers used in Austria are discussed. The three usual models have been tested by rigorous experiments as to whether certain requirements for a correct functioning are fulfilled. It is shown that the short-wave radiation of the atmosphere in the spectral range between 0,3 and 3 is nearly independent on the wavelength and that it can be measured, in accordance with the cosine law, precisely up to angles of incidence of 75° and better than by other pyranometers with angles greater than 75°. Temperature influence on the indication of the instrument can be eliminated by choosing the right combination: receiver, circuit, pyranometer. The position of the instrument, long-wave temperature radiation, and weather conditions do not influence the indication. The time of reaction is 20 seconds. After obturation, the pointer returns exactly to zero. There is a strict proportionality between the amount of current and the radiation mtensity. Different instruments are well comparable among each other. The study shows that the accuracy of measurement of the described star pyranometers is sufficiently high and that these instruments offer correct results in case of momentaneous measurements of the global radiation, of the sky radiation, and of the albedo, as well as in case of continous recording.

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Résumé Développement, construction et fonctionnement des pyranomètres stellaires utilisés en Autriche. Contrôle expérimental sévère des trois modèles en usage. Les oxigences concernant un fonctionnement correct des instruments sont étudiées.On montre que les flux de rayonnement à courte longuer d'onde entre 0,3 et 3 de l'atmosphère sont mesurés correctement jusqu'à un angle d'incidence de 75° indépendament de la longueur d'onde et en accord avec la loi du cosinus; pour des angles supérieurs à 75° ils sont mieux mesurés qu'avec des autres pyranomètres. L'effet de température peut être éliminé par un choix convenable de la combinaison récepteur/circuit/pyranomètre. La position de l'instrument, le rayonnement à grande longueur d'onde et les phénomènes météorologiques n'ont pas d'effet sur les mesures. La durée de réaction est de 20 secondes. L'instrument revient exactement au zéro après obturation. Le courant mesuré est rigoureusement proportionnel à l'intensité de rayonnement. Les différents instruments sont aisément comparables entre eux.Ces faits montrent que l'exactitude des pyranomètres stellaires ici décrits répond aux exigences et que ces instruments fournissent d'excellents résultats tant pour la mesure instantanée du rayonnement global, du rayonnement céleste et de l'albédo que pour les enregistrements de longue durée.

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Mit 12 Textabbildungen

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Herrn Dr.Anders K. Ångström zu seinem 70. Geburtstag gewidment.     

Statistical-climatological investigations concerning the heat content of air (enthalpy)

Summary The aim of this paper is to investigate the heat content of air (enthalpy) in a statistical-climatological manner. The knowledge of the heat content of air is useful especially for technical meteorology and air conditioning techniques.Enthalpy depends linearely on air temperature and water vapor pressure. Assuming that these factors are independent of each other and that the temperature follows a Gaussian distribution and the vapor pressure a Gamma distribution, it is possible to derive a theoretical distribution function. A critical examination of this independence for two observation stations (Hohe Warte, Vienna; 48° N, 16° E and Sonnblick; 47° N, 12° E) showed that there exists a linear relationship between temperature and vapor pressure at the selected 5%-level.Furthermore it was established that a Gaussian distribution or the sum of up to a maximum of three Gaussian distributions may be fitted to the empirical distribution of temperature. Contrary to the general assumption, it was not always possible to fit a Gamma distribution to the empirical distribution of vapor pressure.Taking into consideration the above-mentioned dependence, the enthalpy was interpreted as a linear transformation of temperature. Consequently, a Gaussian distribution or a sum of up to a maximum of three Gaussian distributions has been fitted to the empirical distribution of enthalpy. By this method, bimodal distributions may also be fitted. The Fisher-Test showed that this type of fitting may be considered significant at the 5%-level for all observation times except one at the investigated observation stations.

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Zusammenfassung Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, den Wärmeinhalt der Luft (Enthalpie) statistisch-klimatologisch zu untersuchen. Die Kenntnis des Wärmeinhalts der Luft ist besonders für die technische Meteorologie und die Klimatechnik von Bedeutung.Die Enthalpie setzt sich linear aus Temperatur und Dampfdruck zusammen. Nimmt man an, daß diese beiden Größen voneinander unabhängig sind und die Temperatur normalverteilt und der Dampfdruck gammaverteilt ist, so läßt sich eine theoretische Verteilungsfunktion ableiten. Die Überprüfung der Unabhängigkeit an zwei Beobachtungsstationen (Wien-Hohe Warte; 48° N, 16° E und Sonnblick; 47° N, 12° E) ergab einen linearen Zusammenhang zwischen den Ausgangsgrößen Temperatur und Dampfdruck auf dem gewählten 5%-Niveau. Außerdem wurde festgestellt, daß an die empirische Verteilung der Temperatur eine Normalverteilung oder die Summe von höchstens drei Normalverteilungen angepaßt werden kann. An die empirische Verteilung des Dampdruckes konnte nicht immer, wie üblicherweise angenommen wird, eine Gamma-Verteilung angepaßt werden.Unter Berücksichtigung der genannten Abhängigkeit wurde die Enthalpie als lineare Transformation der Temperatur aufgefaßt. Damit wurde an die empirische Verteilung der Enthalpie eine Normalverteilung oder die Summe von höchstens drei Normalverteilungen angepaßt. Mit dieser Methode lassen sich auch auftretende bimodale Verteilungen nachbilden. Der Test von Fisher ergab, daß diese Art der Anpassung für alle Termine an den untersuchten Beobachtungsstationen mit einer Ausnahme auf dem 5%-Niveau als insgesamt signifikant angesehen werden kann.

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With 1 Figure     

Anhlichkeitsbedingungen für geohydrodynamische Modellexperimente in rotierender Schale

Zusammenfassung Es liegt nahe und ist bereits vielfach (vonD. Fultz u. a.) versucht worden, die allgemeine Zirkulation der Atmosphäre als Flüssigkeitsstromfeld in einer rotierenden Schale nachzuahmen. Derartige Modellexperimente liefern aber nur dann richtige Einblicke in die atmosphärische Dynamik, wenn eine Reihe von Ähnlichkeitskennwerten im Modell denselben Betrag wie in der Atmosphäre haben. Hieraus ergeben sich praktische Konsequenzen für die vertikale Mächtigkeit der Modellfüssigkeit, für deren kinematische Zähigkeit und Wärmeausdehnungskoeffizient, für die Rotationsgeschwindigkeit und den Durchmesser der Schale, für die Temperaturunterschiede und schließlich für die Wärmebeträge, welche (z. B. mittels einerLinde-Maschine) am Rande der Schale zuzuführen und in ihrer Mitte zu entziehen sind. Es zeigt sich, daß ein erheblicher Aufwand für die Schalengröße (Durchmesser etwa 4 m) und erst recht für die Wärmebewegung (etwa 25 Kilokalorien pro Sekunde über eine Temperaturdifferenz von 30°C) notwendig sind, um alle Ähnlichkeitsforderungen zu erfüllen.

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Summary The attempt has been made many times (so byD. Fultz and others) to use the stream-field of a fluid in a rotating basin as a model for the general circulation of the earth. However, such experiments yield correct insight into atmospheric dynamics only if a number of analogy characteristics have the same value in the model and in the atmosphere. From this fact practical consequences must be drawn for the vertical extension of the model fluid, for the kinematic viscosity and the heat expansion coefficient, for the velocity of rotation and the diameter of the basin, the temperature differences and finally for the quantities of heat to be conveyed (for instance by means of aLinde machine) to the circumference of the basin and withdrawn from its centre. To fulfill all analogy conditions a rather big basin (diameter approx. 4 m) must be chosen; the heat transfer, too, must be great (about 25 kilogram-calories per second over a temperature difference of 30°C).

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Résumé On a été maintes fois tenté (commeD. Fultz p. ex.) de reproduire la circulation générale de l'atmosphère sous forme d'une circulation liquide dans un tambour tournant. De telles expériences ne peuvent fournir de comparaison utile que si certains rapports de similitude restent identiques à ceux de l'atmosphère. Des règles pratiques s'ensuivent pour fixer l'épaisseur du liquide, sa viscosité et son coefficient de dilatation, la vitesse de rotation, le diamètre du tambour, les différences de température et enfin pour les quantités de chaleur qu'il faut fournir au bord du récipient et enlever en son milieu. On constate que le tambour doit être assez grand (env. 4 m de diamètre) et qu'il faut d'assez grandes quantités de chaleur (env. 25 kilocalories par seconde pour une différence de température de 30°) pour que soient satisfaites les conditions de similitude.

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Mit 2 Textabbildungen     

Le problème des composantes verticales de la vitesse du vent

Résumé L'auteur, s'attachant en une première partie à la notion de divergence, montre, après avoir évoqué l'intérêt de l'hypothèse géostrophique, comment on peut compléter, sur la base d'une divergence totale non nulle du vent, une relation connue relative à la divergence à grande échelle. Cependant la divergence horizontale reste, couramment, considérablement plus importante en valeur absolue que la divergence totale. Puis la relation proposée, appliquée aux vitesses géostrophiques, conduit à une formule simple, permettant de suivre les variations dans l'espace de la composante verticale du vent.Une deuxième partie est consacrée à l'etude, à partir de l'hypothèse adiabatique, d'une relation entre les composantes horizontale et verticale de la vitesse, le gradient thermique vertical et le gradient thermique sur la projection horizontale de la trajectoire. On en déduit que le signe de ce dernier gradient est opposé à celui de la composante verticale du vent.

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Summary Proceeding from the significance of the geostrophical hypothesis and the notion of the divergence, the author shows in which way a known relation, refering to the large-scale divergence, can be developed on the basis of a total, from zero differing, divergence of the wind. The horizontal divergence usually remains, however, considerably larger in its absolute value than the total divergence. Applied to the geostrophic velocities, the proposed relation leads to a simple formula, which allows to determine the spatial variations of the vertical wind component.In a second part the author proceeds from the adiabatic hypothesis and examines a relation between the horizontal and vertical components of the velocity, the temperature gradient in vertical direction and in the direction of the horizontal projection of the trajectory. It can be concluded that the sign of this latter gradient is opposite to that of the vertical component of the wind.

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Zusammenfassung Ausgehend von der Bedeutung der geostrophischen Hypothese und vom Begriff der Divergenz zeigt der Verfasser, in welcher Weise eine bekannte Beziehung, die sich auf die großräumige Divergenz bezieht, sich aus der Annahme einer von Null verschiedenen totalen Divergenz des Windes weiterentwickeln läßt. Dabei bleibt die horizontale Divergenz in ihrem Absolutwert gewöhnlich beträchtlich größer als die totale Divergenz. Bei Anwendung auf die geostrophischen Geschwindigkeiten führt die vorgeschlagene Beziehung auf eine einfache Formel, die gestattet, die räumlichen Unterschiede der Vertikalkomponente des Windes zu verfolgen.Im zweiten Teil wird auf Grund der Hypothese eines adiabatischen Verlaufs eine Beziehung zwischen der Horizontal- und der Vertikalkomponente der Geschwindigkeit und dem thermischen Gradienten in vertikaler Richtung sowie auf die Horizontalprojektion auf die Trajektorie untersucht. Es ergibt sich dabei, daß das Vorzeichen des thermischen Gradienten auf die Horizontalprojektion der Trajektorie umgekehrt ist als dasjenige der Vertikalkomponente des Windes.

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Avec 4 Figures     

On the frequency of cyclones over the North Atlantic related to the sunspot cycle

Summary C. J. Kullmer andH. H. Clayton found shifts in the latitudetracks of low pressure areas in North America with change in sunspot activity. These remarkable results called for an extension of their investigations to other parts of the globe and this was made possible by the U. S. Weather Bureau Northern Hemisphere Historical Map Series published lately and was all the more justified since no statistical tests of significance had been applied so far.Owing to the material used, onlyfrequencies of cyclonic centres for three solar cycles between 1899 and 1932 were subjected to a search for a relationship to the solar activity and the area investigated has for the time being been restricted to the North Atlantic. Our results are based on 12 418 weather maps for 1300 G. M. T.In spite of the fact that track-frequencies and frequencies of cyclonic centres of different periods have been combined (Fig. 1) agreement in the characteristic features of the average annual frequency in the overlapping part of the areas investigated by previous authors and ourselves exists. The maximum frequency of the cyclonic tracks occurs over the United States in a belt around 50° N. which continues in approximately the same latitude up to 55° W. and then over the Atlantic turns northwards, reaching 62° N. between 10° and 0° W. Isopleths of the total frequency (Fig. 2) of the cyclonic centres describe this belt in greater detail and show the three well known frequency maxima in the regions of Newfoundland, Greenland and Iceland.During the period 1899 to 1929, generally three belts of maximum frequency (in high, middle and low latitudes) appear in a single year. Figs. 3 and 4 show two characteristic specimen maps. The movement of these belts (Figs. 5 and 6) along the mid-Atlantic meridian seems to indicate a correlation to the solar activity although its interpretation is ambiguous.The plotting of the differences of the cyclonic frequencies (for three year periods) at the maximum and minimum solar activity and forKullmer's selected and test years respectively doesnot reveal any conspicuous pattern. The considerable differences in the cyclonic frequencies at the maximum and minimum solar activity in the Greenland area (Fig. 7) might indicate a solar influence. The application of thet test to the frequencies of low pressure centres over the North Atlantic indicates a solar influence at least in the latitudes 50° to 60° N., which is supported by the results of our application of thet test toKullmer's track frequencies over the United States.

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Zusammenfassung C. J. Kullmer undH. H. Clayton haben Breitenverschiebungen der Bahnen der Tiefdruckgebiete in Nordamerika mit der Sonnenfleckentätigkeit gefunden. Diese bemerkenswerten Resultate legten eine Ausdehnung ihrer Untersuchungen auf andere Teile der Erde nahe, welche jetzt durch die kürzlich vom Wetterbureau der Vereinigten Staaten veröffentlichte Reihe historischer Wetterkarten der nördlichen Halbkugel ermöglicht wurde. Eine solche Untersuchung war um so mehr gerechtfertigt, als die früher genannten Autoren keine Wahrscheinlichkeitskriterien angewendet, sordern ihre Feststellungen auf rein graphischem Wege abgeleitet hatten.Da das von uns benützte Material nur eine Wetterkarte per Tag gibt, haben wir bloß dieHäufigkeit der Tiefdruckzentren während dreier Sonnenfleckenzyklen im Zeitraum von 1899 bis 1932 auf ihre Beziehung zur Sonnentätigkeit hin untersucht und das Untersuchungsgebiet vorläufig auf den nördlichen Atlantischen Ozean beschränkt. Unsere Resultate gründen sich auf 12418 Wetterkarten, welche für 1300 M. G. Z. entworfen sind.Trotzdem in Abb. 1 Häufigkeiten von Zyklonenbahnen und Tiefdruckzentren von sogar verschiedenen Epochen zusammengestellt sind, besteht gute Übereinstimmung in den charakteristischen Zügen der durchschnittlichen jährlichen Häufigkeit in den übergreifenden Teilen der von den obengenannten Forschern und uns untersuchten Gebiete. Die größte Häufigkeit der Tiefdruckbahnen tritt über den Vereinigten Staaten von Nordamerika in einem Gürtel in ungefähr 50° n. Br. auf, der sich bis 65° westlicher Länge erstreckt und dann über dem Atlantik nordwärts wendet; er erreicht 62° n. Br. zwischen 10° und 0° westlicher Länge. Isoplethen der Gesamthäufigkeit (Abb. 2) der Tiefdruckzentren geben Einzelheiten über die Ausdehnung und Gestalt dieses Gürtels und zeigen die drei wohlbekannten Häufigkeitszentren in der Gegend von Neufundland, Grönland und Island.Im allgemeinen treten in einzelnen Jahren des Zeitraums 1899 bis 1929 drei Gürtel größter Häufigkeit auf, und zwar in hohen, mittleren und niedrigen Breiten; in manchen Jahren ist allerdings der Gürtel südlich von 20° n. Br. schlecht ausgeprägt. Abb. 3 und 4 bringen zwei charakteristische Beispiele. Die Verschiebung dieser Gürtel in der Mitte des Atlantischen Ozeans, entlang dem Meridian von 35° westlicher Länge, deutet eine Korrelation mit der Sonnenaktivität an, wenn auch die Interpretation dieser Beziehung noch unsicher ist. Es ist möglich, die Nord-Süd-Verschiebung dieser Gürtel so der Sonnentätigkeit zuzuordnen, daß die Minima der Sonnenflecken-Relativzahlen der größten Südwärtsverschiebung der Häufigkeitsgürtel entsprechen und die Maxima der Sonnentätigkeit ihrer größten Verlagerung nach Norden (Abb. 5). Man kann aber auch, wenn auch nicht so zwanglos, die in Abb. 6 wiedergegebene, umgekehrte Zuordnung versuchen.Die Mappierung der Differenzen der Häufigkeit der Lage der Tiefdruckzentren zur Zeit der Maxima und Minima der Sonnentätigkeit und für die vonKullmer definierten ausgewählten und Probe-Jahre ergibt komplizierte Anordnungen der Häufigkeitskurven über dem nordatlantischen Ozean und zeigt, im Gegensatz zu jenen über dem nordamerikanischen Kontinent,keine auffallende Anordnung. Die beträchtlichen Unterschiede in den Häufigkeiten der Tiefdruckzentren im Gebiete von Grönland zwischen den Maxima und den Minima der Sonnentätigkeit (Abb. 7) könnten immerhin einen solaren Einfluß andeuten. Die Anwendung des sogenannten t-Test auf die Häufigkeitsverteilung der Zyklonen über dem Nordatlantik läßt einen solaren Einfluß wenigstens in den Breiten von 50° bis 60° N. erkennen, ein Befund, der durch die Anwendung desselben Tests auf die vonKullmer für Nordamerika mitgeteilten Häufigkeiten der Zyklonenbahnen gestützt wird.

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Résumé C. J. Kullmer etH. H. Clayton avaient constaté un déplacement en latitude des trajectoires de dépressions en Amérique du Nord en relation avec l'activité des taches solaires. Ces résultats remarquables suggéraient une extension des recherches dans d'autres régions du globe, recherches facilitées par la publication récente par le Weather Bureau américain de séries de cartes du temps rétrospectives de l'hémisphère nord. Une telle étude était d'autant plus justifiée que les auteurs cités n'avaient pas appliqué de critères probabilistes et n'avaient conclu que sur la base de méthodes graphiques.Comme le matériel utilisé ici ne comporte qu'une carte par jour, nous nous sommes borné à étudier la fréquence des centres de basse pression en relation avec l'activité solaire durant trois cycles de taches solaires, soit dans la période de 1899 à 1932; nous n'avons en outre considéré que la région de l'Atlantique nord en utilisant 12418 cartes synoptiques dessinées pour 13 hs. T. M. G.Bien que la fig. 1 représente des fréquences de trajectoires et de centres de basse pression de périodes différentes, elle montre cependant un bon accord des traits caractéristiques des fréquences moyennes annuelles dans les régions communes étudiées par les auteurs cités et par nous. La plus grande fréquence de trajectoires dépressionnaires s'observe aux États-Unis, dans une zone de latitude voisine de 50° N s'étendant du méridien de 55° W à l'Atlantique septentrional; ici, elle se tourne vers le N et atteint 62° de latitude N entre les longitudes occidentales de 10° à 0°. Les isoplèthes de la fréquence totale (fig. 2) des centres de basse pression décrivent l'étendue et la forme de cette zone, et mettent en relief les trois centres de fréquence bien connus de Terre-Neuve, du Groenland et de l'Islande.D'une façon générale, trois zones de fréquence maximum apparaissent dans la période 1899–1929, et cela aux latitudes hautes, moyennes et basses; certaines années, la zone au sud du 20me parallèle N est à vrai dire mal définie. Les figures 3 et 4 fournissent deux exemples caractéristiques. Le déplacement de cette zone au milieu de l'Atlantique, le long du méridien de 35° W, fait pressentir une corrélation avec l'activité solaire, bien qu'une incertitude plane encore sur cette interprétation.La corrélation pourrait s'établir dans ce sens qu'au minimum de taches solaires correspond le plus grand déplacement vers le Sud de la zone de fréquences, et au maximum de taches le plus grand déplacement vers le Nord (fig. 5). Mais il est aussi possible de renverser les rôles, comme l'indique la fig. 6, bien que cela paraisse moins naturel.Si l'on reporte sur la carte les différences de fréquences des positions des centres de basse pression aux époques respectives des maxima et des minima de l'activité solaire pour les années classées parKullmer (comme sélectives ou de contrôle) on obtient des courbes compliquées sur l'Atlantique nord et on ne retrouve plus les dispositions régulières apparaissant sur le continent américain. Toutefois les différences importantes de fréquences des centres dépressionnaires dans la région du Groenland entre les maxima et les minima de l'activité solaire (fig. 7) pourraient faire supposer une influence solaire. L'application du «testt» à la distribution des fréquences des cyclones sur l'Atlantique nord fait apparaître une influence solaire, au moins aux latitudes comprises entre 50° et 60° N; ce fait est confirmé par l'application de la même méthode aux fréquences de trajectoires dépressionnaires en Amérique du Nord parKullmer.

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With 7 Figures.     

Eddy flux of sensible heat at different levels in the stratosphere

Summary Covariances of temperature and meridional wind component at 18 stations in the Northern Hemisphere were computed at 2km-intervals from the surface to 28 km. These covariances are proportional to the northward flux of sensible heat resulting from transient eddies. Cross sections of covariance of temperature and meridional wind component during January and July were constructed for 80°W. At this longitude during January a minimum of eddy heat flux occurred near an altitude of 20 km at all latitudes, and in the higher latitudes a sharp increase began somewhere between 18 km and 22 km. Eddy heat fluxes were generally quite small, in the part of the stratosphere below 20 km. A similar pattern was found at the French station of Chateauroux. The layer which separates the regions of small and large eddy heat fluxes appears to coincide with a null layer described byFaust. However, this sharp dividing line between a lower stratosphere with small eddy heat fluxes and an upper stratosphere with large eddy heat fluxes does not appear at all longitudes. Over Alaska one finds maximum eddy heat fluxes between 20 km and 22 km, and values in the lower stratosphere are much larger than those near 80° W.

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Zusammenfassung Die Kovarianz zwischen Temperatur und meridionaler Windkomponente wurde für 18 Stationen der nördlichen Hemisphäre für 2km-Intervalle vom Boden bis 28 km berechnet. Diese Kovarianzen sind dem nach Norden gerichteten mittleren Strom der Wärme proportional, verursacht durch wandernde Wirbel. Für 80°W wurden Querschnitte der Kovarianz zwischen Temperatur und meridionaler Windkomponente konstruiert. In diesem Meridianschnitt tritt ein Minimum des turbulenten Wärmeflusses in nahezu 20 km Höhe in allen Breiten im Januar auf; in höheren Breiten beginnt eine plötzliche Zunahme mit der Höhe zwischen 18 und 22 km. Dieser turbulente Wärmefluß ist im allgemeinen in der unteren Stratosphäre unterhalb 20 km ziemlich klein. Ein ähnliches Verhalten wird bei der französischen Station Chateauroux gefunden. Die Schicht, welche die Regionen des kleinen und des großen turbulenten Wärmeflusses trennt, scheint mit einer vonFaust besprochenen Nullschicht zusammenzufallen. Diese scharfe Trennungslinie zwischen unterer Stratosphäre mit kleinem turbulenten Wärmefluß und der oberen Stratosphäre mit größeren Wirbelköpern der Wärme tritt jedoch nicht an allen Längengraden auf. Über Alaska findet man einen maximalen turbulenten Wärmestrom zwischen 20 und 22 km; auch die Werte in der unteren Stratosphäre sind dort viel größer als diejenigen um 80°W.

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Résumé On a calculé la covariance existant entre la température et la composante méridionale du vent. Ces calculs, ont été effectués pour des intervalles de 2 km du sol à 28 km et cela pour 18 stations, de l'hémisphère nord. Ces nord et provoqués par des tourbillons mobiles. On a construit des sections de la covariance entre température et composante méridionale du vent à 80° de longitude W. Sous cette longitude, on constate en janvier un minimum du flux turbulent de chaleur à environ 20 km d'altitude et cela sous toutes les latitudes. Dans les latitudes élevées, on constate en outre une brusque augmentation de ce flux avec l'altitude et cela entre 18 et 22 km. Ce flux turbulent de chaleur est en général assez faible dans les basses couches de la stratosphère, c'est à dire au-dessous de 20 km. On trouve des conditions similaires, à la station française de Chateauroux. La couche qui sépare les régions présentant des flux turbulents de chaleur faible et important semble coïncider avec la couche nulle deFaust. Cette nette ligne de séparation entre la stratosphère inférieure présentant un faible flux turbulent de chaleur et la stratosphère supérieure comportant des corps tourbillonnaires de chaleur importants ne se rencontre cependant pas sous toutes les longitudes. Au-dessus de l'Alaska, on rencontre un courant turbulent de chaleur maximum entre 20 et 22 km. Les valeurs de la stratosphère inférieure y sont aussi beaucoup plus grandes que celles trouvées à 80° de longitude ouest.

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With 4 Figures     

Aspects of the occurrence of persistent surface inversions over Athens basin,Greece

Summary In this study the climatology and the effects of persistent nocturnal surface temperature inversions and their relationship to the meteorological processes are discussed. Emphasis is given to the importance of the relevant synoptic situations, the sea-breeze, the stability and the temperature characteristics. The application of some inversions characteristics to local pollution potential is also examined. The results show that many aspects of Athens air quality reflect the pronounced effect of persistent inversions, e.g. the frequency of pollution episodes, the accumulation of pollutants etc.

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Zusammenfassung Vorliegende Studie beschäftigt sich mit der Klimatologie und den Auswirkungen von andauernden nächtlichen Temperaturinversionen in Bodennähe sowie deren Zusammenhang mit meteorologischen Prozessen. Besonderes Augenmerk ist dabei den relevanten synoptischen Bedingungen — der Seebrise, der Stabilität und den Temperaturcharakteristika — gewidmet. Auch die Auswirkungen von manchen Inversionseigenschaften auf das Potential zu örtlicher Luftverschmutzung werden untersucht. Die Ergebnisse zeigen, daß in wesentlichen Aspekten die Luftqualität über Athen die Auswirkungen persistenter Inversionen widerspiegelt, so zum Beispiel in Häufigkeit und Intensität von Luftverschmutzungen.

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With 11 Figures     

Der Einfluß der Polarisation auf die Reflexion an Wasserflächen

Zusammenfassung Nach Ableitung der in der Arbeit zur Verwendung gelangenden mathematischen Formeln werden die Lösungsmöglichkeiten und bisherigen Lösungsversuche besprochen. Die Ergebnisse der Berechnung der Abhängigkeit derFresnelschen Reflexionskoeffizienten von der Brechzahl wurden mitgeteilt. Der Einfluß der Brechzahl wurde als vernachlässigbar festgestellt. Die Reflexionskoeffizienten des Himmelslichts wurden für Sonnenhöhen von 0°, 20°, 40°, 60° ausDornos Messungen und für 90° aus einer empirisch korrigierten Strahlungs- und Polarisationsverteilung nachRayleigh berechnet. Der Einfluß der Polarisation auf die Reflexion an Wasserflächen ergab sich zu –1,13% für 0°, –0,55% für 20°, +0,18% für 40°, +0,47% für 60° und +0,83% für 90°, wobei allerdings der Wert für 90° als nicht ganz gesichert angesehen werden muß. Die Polarisation ist demnach als nicht unbedingt vernachlässigbar anzusehen, da ihr Einfluß in Extremfällen 8–10% des Endwertes ausmachen kann. Die Reflexionsverhältnisse wurden als sehr verschieden von denjenigen eines gleichmäßig diffusen Himmels gefunden.Die Berechnung der Reflexionskoeffizienten der Globalstrahlung an einer Wasserfläche wurde nach Messungen vonDorno, Kimball undLunelund, die Berechnung der Reflexion an einer Wasserkugel nach Messungen vonDorno undKimball durchgeführt. Es zeigte sich, daß infolge der günstigeren Verteilung des Himmelslichts die reflektierten Anteile desselben von ähnlicher Größe sind wie die der Sonnenstrahlung; die Reflexionskoeffizienten der Globalstrahlung sind sehr verschieden von denjenigen der Sonnenstrahlung. Die Reflexion der Globalstrahlung an einer Wasserkugel wurde zu ca. 5,8% berechnet.Der Einfluß der Polarisation auf die Reflexion an wellenbewegten Wasserflächen wurde im allgemeinen als vernachlässigbar gefunden. Schließlich wurden einige neuere Arbeiten auf dem Gebiete der Polarisation und der Reflexion an Wasserflächen besprochen.

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Summary Following the derivation of the mathematical formulae used in this paper, possible solutions and prior attempts to solutions are discussed. Results are given of the calculated dependence of theFresnel reflection coefficient on the refraction number. The influence of the refraction number was found to be negligible. Reflection coefficients of the sky light were calculated, for sun heights of 0°, 20°, 40°, 60°, fromDorno's measurements, and for 90° from an empirically corrected distribution of radiation and polarization given byRayleigh. The influence of polarization on the reflection at water surfaces was found to be –1,13 per cent for 0°.

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Résumé Les formules mathématiques employées dans cet ouvrage sont dérivées, les solutions possibles et celles qui ont été tentées jusqu'à présent furent commentées. Puis les résultats du calcul de la dépendance des coefficients de réflexion deFresnel de l'indice de réfraction furent démontrés. Il fut constaté que l'influence de l'indice de réfraction peut être négligée. Les coefficients de réflexion de la lumière du ciel furent calculés pour des hauteurs de soleil de 0°, 20°, 40°, 60° à l'aide des mensurations deDorno et pour 90° au moyen d'une distribution d'irradiation et de polarisation d'aprèsRayleigh, corrigée empiriquement. Il en résulta une influence de la polarisation sur des surfaces d'eau de –1,13% pour 0°.

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Mit 1 Textabbildung

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Zur Zeit in Sydney, Australien.     

Marine climatology of the tropical Americas

Summary Surface circulation and climate in the sea areas surrounding the American Continents are discussed on the basis of ship observations for the period 1911–1970 compiled with a one degree latitude-longitude square spatial resolution. Charts depict sub-synoptic scale features in considerable detail, such as the wintertime intrusions of cold dry air from the Atlantic to the Pacific side of the Mexican-Central American land bridge at topographically favoured locations, manifesting themselves in plumes of high wind speed, anticyclonic vorticity, and low sea surface temperature far into the open Pacific. Double peaks in the rainy season are indicated for the Western Caribbean and the easternmost Pacific off the Central American coast, with the September/October maximum most dominant. Among the more significant large-scale features are the near-equatorial trough of low pressure, a kinematic axis, and zonally oriented bands of maximal cloudiness and precipitation frequency, with a seasonal migration of this ensemble from a most equatorward position in Northern winter farther northward during summer. The near-equatorial kinematic axis has the characteristics of a confluence zone over the Western Atlantic, whereas over the Eastern Pacific it is a discontinuity between the Southwesterly flow from the Southern hemisphere and the Northeast Trades. Most intense development is reached during Northern summer. The surface flow discontinuity is broadly embedded in the baric trough. The bands of maximal convergence, cloudiness and precipitation frequency stay well equatorward of the surface flow discontinuity in the Eastern Pacific throughout the year, whereas over the Western Atlantic they switch to the North of the kinematic axis during Northern winter.

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Maritime Klimatologie des tropischen Amerika

Zusammenfassung Klima und Luftzirkulation über den die amerikanischen Kontinente umgebenden Seegebieten werden aufgrund von in Eingradfeldern für den Zeitraum 1911–1970 ausgewerteten Schiffsbeobachtungen besprochen. Großräumige Karten sowie Diagramme und Tabellen des Jahresganges werden für Bodendruck, Wind, Divergenz, relative Wirbelgröße, Wasseroberflächentemperatur (SST), Bewölkung und Niederschlagshäufigkeit dargeboten. Die Karten geben Einzelheiten im subsynoptischen Bereich wieder, wie etwa die winterlichen Kaltlufteinbrüche von der atlantischen zur pazifischen Seite der mexikanischmittelamerikanischen Landbrücke, die sich an orographisch begünstigten Stellen in Zungen von hoher Windgeschwindigkeit, antizyklonaler Wirbelgröße, und niederer SST bis weit in den offenen Pazifik hinein abzeichnen. Eine doppelgipflige Regenzeit ist für das westliche Karibische Meer und den östlichsten Pazifik längs der mittelamerikanischen Küste angezeigt, wobei das Maximum im September/Oktober bei weitem überwiegt.Zu den bezeichnendsten großräumigen Erscheinungen gehören eine Tiefdruckzone in der Nähe des Äquators, eine kinematische Achse, und zonal angeordnete Bänder von maximaler Bewölkung und Niederschlagshäufigkeit; dieses System ist jahreszeitlichen Verlagerungen von einer äquatornächsten Lage im Nordwinter zu weiter nördlichen Breiten im Nordsommer unterworfen. Die kinematische Achse hat über dem westlichen Atlantik die Eigenheiten einer Konfluenzzone, während sie über dem östlichen Pazifik eine Diskontinuität zwischen der von der Südhemisphäre vordringenden Südwestströmung und dem Nordostpassat darstellt. Eine leichte Doppelwelle im Jahresgang ist nur in der Breitenlage der kinematischen Achse über dem Pazifik zu erkennen. Das System ist im Nordsommer am kräftigsten entwickelt. Die Diskontinuität der Bodenströmung ist in die Tiefdruckzone eingebettet. Die Bänder von maximaler Konvergenz, Bewölkung und Niederschlagshäufigkeit bleiben im östlichen Pazifik ganzjährig erheblich äquatorwärts von der Strömungsdiskontinuität während sie über dem westlichen Atlantik im Nordwinter auf die Nordseite der kinematischen Achse überwechseln. Die für das vorliegende Projekt verfügbare räumliche Auflösung dürfte zum Verständnis der sogenannten Intertropischen Konvergenzzone wesentlich sein.

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With 15 Figures     

The climatology of the lower stratosphere during the IGY and its implications for the regime of circulation

Summary Three-monthly mean statistics, show that throughout the year in the layer between about 200 and 30 mb large-scale eddies transport both heat and momentum against the north-south gradient of, respectively, the temperature and the angular rotation. Furthermore, it is found that in this layer, warm air masses tend to sink and cold air masses tend to rise, thereby converting kinetic into potential energy. The eddy circulations have, therefore, no source of energyin situ and must be forced by the circulation systems in the adjacent layers, probably in the troposphere. A comparison is drawn between the transport of angular momentum and heat by transient eddies in the lower troposphere, the upper troposphere and the lower stratosphere. Finally, the necessary sloping of the trajectories of the forced air parcels is discussed.

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Zusammenfassung Dreimonatige Durchschnitts-Statistiken zeigen, daß während des Jahres großräumige Wirbel in den Schichten zwischen ungefähr 200 und 30 mb Wärme und Bewegungsgröße gegen den Gradienten der Temperatur beziehungsweise der Winkelrotation transportieren. Ferner, wurde festgestellt, daß in diesen Schichten warme Luftmassen die Neigung haben abzusinken und kalte Luftmassen aufzusteigen und daß auf diese Art kinetische Energie in potentielle Energie umgewandelt wird. Die Wirbel-Zirkulation hat daher in sich keine Energiequelle und muß durch die Zirkulationssysteme in den anliegenden Schichten, vermutlich in der Troposphäre, angetrieben werden. Es wird ein Vergleich zwischen dem Transport von Drehimpuls und Wärme von wandernden Wirbeln in der unteren Troposphäre, der oberen Troposphäre und der unteren Stratosphäre angestellt. Schließlich wird die für das Zustandekommen der erzwungenen Bewegungen erforderliche Neigung der Trajektorien diskutiert.

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Résumé En se basant sur des statistiques tri-mensuelles on montre que tout au long de l'année, dans la couche entre 200 et 30 mb environ, les perturbations à grande échelle transportent à la fois chaleur et quantité de mouvement contre le gradient de la température et de la rotation angulaire. En outre, on a trouvé que dans cette couche les masses d'air chaud ont la tendance à descendre et les masses d'air froid ont la tendance à monter, en transformant de cette manière l'énergie cinétique en énergie potentielle. Par conséquent, les circulations perturbées n'ont pas disponible de source d'énergie et doivent être, forcées par des systèmes de circulation dans des couches adjacentes, probablement dans la troposphère. On compare le transport du moment cinétique et de la chaleur par des perturbations transitoires dans la basse troposphère, la haute troposphère et la basse stratosphère. Einfin on discute la pente des trajectoires des parcelles d'air forcées.

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With 8 Figures

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The research reported in this paper was sponsored principally by the Atomic Energy Commission under Contract No. AT(30-1)2241; before March 1962, the research was supported jointly by the Atomic Energy Commission and the U.S. Air Force under Contracts No. AT(30-1)2241 and AF 19(604)-5223.     

Valley winds and slope winds — Observations and elementary thoughts

Summary This paper presents a state-of-the-art account of valley wind research, with a bias towards a typical large Alpine valley and towards weak-gradient synoptic conditions. At the center of our attention is the quasiperiodic thermal forcing mechanism which drives the local wind system, in particular the role of slope winds and of topographic relief.Slope winds are at the small-scale end of a whole spectrum of thermally direct circulations which act to transmit the sensible heat input along the slopes to the valley atmosphere via compensating vertical motions. We surmise that the dynamics of slope winds, which react instantly to changes of the insolation or radiation balance, is characterized by local, instantaneous equilibria, rather than by conventional entrainment and boundary layer concepts.As described by Steinacker, the area-height distribution of a valley segment is a fundamental geometric factor which affords a quantitative measure of the slope area available for heat exchange, and of the air volume which must be heated or cooled. Using this concept, one can easily explain why the daily range of the valley mean temperature is, on average, more than twice as large as that of the atmosphere over the adjacent plain. This horizontal temperature contrast between plain and valley, reversing sign twice daily, builds up a corresponding pressure contrast hydrostatically, thereby causing up- and downvalley winds.

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Berg- und Tal- bzw. Hangwinde — Beobachtungen und grundsätzliche Überlegungen

Zusammenfassung Wir berichten über den aktuellen Stand der Talwindforschung mit besonderer Betonung der Verhältnisse in den Alpen und vorzugsweise gradientschwache Wetterlagen betreffend. Einen Schwerpunkt unserer Darstellung bilden die quasiperiodischen thermischen Antriebskräfte der lokalen Windsysteme, vor allem die Rolle der Hangwinde und des Reliefs.Am kleinräumigen Ende eines Spektrums thermisch getriebener direkter Zirkulationsformen stehen die Hangwinde. Sie vermitteln der Talatmosphäre die an den Hängen umgesetzte fühlbare Wärme mittels kompensierender vertikaler Strömungen. Es wird vermutet, daß die Dynamik der Hangwinde eher durch lokale und spontane Gleichgewichtszustände beschrieben werden kann als durch die üblichen Entrainment- und Grenzschichtkonzepte.Steinacker hat gezeigt, daß die Flächen-Höhen-Verteilung von Talabschnitten ein quantitatives Maß der für die Wärmeumsätze zur Verfügung stehenden Hangflächen liefert, und gleichzeitig der abzukühlenden oder zu erwärmenden Luftvolumina. Die in einem Tal im Vergleich zum Vorland mehr als doppelt so große Tagesschwankung der vertikalen Mitteltemperatur kann damit leicht erklärt werden. Dieser horizontale Temperaturunterschied zwischen Ebene und Gebirge mit seinem täglich zweimaligen Vorzeichenwechsel baut hydrostatisch die entsprechenden Druckunterschiede auf, welche die Talein- und Talauswinde antreiben.

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With 14 Figures     

Subsynoptic vertical heat fluxes from high-resolution synoptic budgets

Summary A recently designed diagnostic model for synoptic heat budgets is reviewed and is applied to selected ALPEX-SOP dates. The model uses the conservation equations for moisture, (sensible) heat and mass. All synoptically observable terms (including moisture and heat tendencies and surface rain) are specified from objective analyses. Quasi-observable terms (including , radiation, surface evaporation and surface heat flux) are also considered synoptic and are specified close to observations. The non-observable terms: rain, moisture and heat fluxes in the free atmosphere are considered subsynoptic; they are determined as residuals. The model includes a submodel for the errors, a closure assumption which couples the vertical moisture and heat fluxes and a variational 3D-mass flux modification. This is the minimum parameterization level possible with these data.Results over the ALPEX-domain are shown for 5 dates from 4–6 March 1982. Each budget is a 24 h-average, each diagnostic box has a horizontal/vertical resolution of 100 km/100 hPa. The presentation focusses upon the three vertical heat fluxes. The model separates signal (=subsynoptic fluxes, 0–600 W m^–2) from error (0–60 W m^–2), the fields are coherent both in space and time, and the different stages of the synoptic development are reproduced by the subsynoptic fields. While the rain is downward and the moisture flux upward everywhere, the heat flux is upward in the trough, weak in the ridge and downward ahead of the next trough. The rain flux vector is usually divergent but can occasionally be convergent in lower levels which indicates reevaporation. The great detail in the fields of rain, moisture and heat flux proves that diagnostic models of this kind are potentially useful for further synoptic research.

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Subsynoptische vertikale Wärmeflüsse aus hochauflösenden synoptischen Haushalten

Zusammenfassung Ein kürzlich entwickeltes diagnotisches Modell für synoptische Wärmehaushalte wird dargestellt und auf ausgewählte ALPEX-SOP-Termine angewandt. Das Modell verwendet die Erhaltungsgleichungen für Feuchte, (fühlbare) Wärme und Masse. Alle synoptisch beobachtbaren Glieder (einschließlich Feuchte- und Wärmetendenz sowie Bodenniederschlag) werden aus objektiven Analysen spezifiziert. Quasi-beobachtbare Glieder (einschließlich , Strahlung, Bodenverdunstung und Bodenwärmefluß) werden ebenfalls als synoptisch angesehen und beobachtungsnahe spezifiziert. Die nicht-beobachtbaren Glieder: Regen, Feuchtefluß und Wärmefluß in der freien Atmosphäre werden als subsynoptisch angesehen und als Residuum bestimmt. Das Modell enthält ein Untermodell für die Fehler, eine Schließungsannahme, welche den vertikalen Feuchte- und Wärmefluß koppelt, sowie eine, auf dem Variationsprinzip beruhende, Modifikation des 3D-Massenflusses. Dies ist der minimale Parametrisierungsaufwand, der mit den vorliegenden Daten möglich ist.Ergebnisse über dem ALPEX-Gebiet werden gezeigt für 5 Termine vom 4.–6. März 1982. Jeder Haushalt ist ein 24 h-Mittel, jede Diagnosebox hat eine horizontale/vertikale Auflösung von 100 km/100 hPa. Die Darstellung konzentriert sich auf die drei vertikalen Wärmeflüsse. Das Modell trennt Signal (=subsynoptische Flüsse, 0–600 W m^–2) und Fehler (0–60 W m^–2), die Felder sind räumlich und zeitlich kohärent, und die verschiedenen Stadien der synoptischen Entwicklung werden durch die subsynoptischen Felder wiedergegeben. Während der Regen überall abwärts und der Feuchtefluß überall aufwärts gerichtet sind, ist der Wärmefluß aufwärts im Trog, praktisch Null im Rücken und abwärts vor dem nächsten Trog. Der Regenflußvektor ist gewöhnlich divergent, aber kann gelegentlich in unteren Schichten konvergent sein, was Wiederverdunstung anzeigt. Die vielen Einzelheiten der Felder von Regen, Feuchte- und Wärmefluß beweisen, daß diagnostische Modelle dieser Art von potentiellem Nutzen für die weitere synoptische Forschung sind.

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With 14 Figures