Further results of the analysis of central England temperature data

Summary Central England temperature data for 1659–1986 are analysed using a new procedure for separating the trend from monthly mean temperatures. The method has been developed without any important assumption relating to the trend function. The monthly trends are illustrated. It is suggested that a general warming tendency underlies various cooling and warming periods. Several autoregressive-moving average (ARMA) processes have been fitted to the stationarized time series of which an ARMA (2, 1) process proved to be the most appropriate model. Calculations on the data after adjustment to remove non-linear trends show much lower autocorrelations of yearly and individual monthly mean temperatures than estimated before.

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Zusammenfassung In vorliegender Studie werden Temperaturdaten von Mittelengland des Zeitraums 1659 bis 1986 unter Zuhilfenahme eines neuen Verfahrens zur Trennung von Trend und Monatsmittel analysiert. Die Methode wurde ohne besondere Annahme für die Temperaturtrendfunktion entwickelt. Die Monatstrends werden illustriert. Daraus ergibt sich eine allgemeine Tendenz der Erwärmung, der Perioden der Abkühlung und der Erwärmung überlagert sind. Verschiedene Verfahren mit autoregressiven gleitenden Mitteln (ARMA) wurden an die stationären Zeitserien angepaßt, wobei sich ein bestimmter ARMA-Prozeß (2, 1) als besonders geeignet erwies. Nach einer Anpassung durch Entfernung der nichtlinearen Trends ergaben die Berechnungen weit niedrigere Autokorrelationen der jährlichen und monatlichen Temperaturmittelwerte als bislang angenommen.

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With 6 Figures     

Heating of a small Alpine valley

Summary Two- and three-dimensional fields of meteorological variables are constructed from measurements in a small Alpine end valley during daytime of two fine weather days. These are fields of the surface energy balance, of temperature and wind. With these data the energy budget of the valley atmosphere is calculated. In the morning, the sensible heat which is released on the valley surface is used to heat the valley atmosphere. The advection terms are rather small. In the afternoon, the energy gain is nearly completely exported out of the valley region. The transport is managed by advection with the valley wind and the related upward motion, which are branches of the valley wind system which overlap into the next larger valley. The role of a small valley in the interplay of the thermal circulation systems in the heating of the mountainous boundary layer is discussed.

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Erwärmung eines kleinen Alpentals

Zusammenfassung Messungen in einem kleinen alpinen Endtal gestatten die Berechnung zwei- und dreidimensionaler Felder meteorologischer Größen tagsüber an zwei Schönwettertagen. Dies sind Felder der Terme der Energiebilanz am Untergrund, der Temperatur und des Windes. Daraus läßt sich der Energiehaushalt der Talatmosphäre berechnen. Am Vormittag wird die am Untergrund freigesetzte fühlbare Wärme zur Erwärmung des Tals genutzt, die Advektionsterme sind ziemlich klein. Am Nachmittag wird dieser Wärmegewinn nahezu vollständig aus dem Talbereich exportiert. Dieser Transport wird durch die Advektion mit dem Talwind und dem resultierenden Aufwind bewerkstelligt, die Zweige eines ins nächste Tal übergreifenden Talwindsystems sind. Die Rolle eines kleinen Alpentals im Zusammenspiel der verschiedenen thermischen Zirkulationssysteme bei der Erwärmung der Gebirgsgrenzschicht wird diskutiert.

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With 6 Figures     

Seasonal heat storage in the ocean and heating of the atmosphere

Summary One method of computing the seasonal heat budget of the atmosphere involves the seasonal heat storage in the oceans. On the basis of bathythermograph data and ocean surface temperatures, the heat added to, or released by the ocean was computed month by month. The heat stored in the ocean was then compared withGabites' estimate of the heat added by radiation and by means of the latent heat of water vapor. From this comparison, the heating of the atmosphere was approximated. In middle latitudes, the net heating of the atmosphere is close to zero during most of the year, so that even the sign of the atmospheric heating is in doubt there. During most of the year, the atmosphere undergoes net heating in low latitudes, and net cooling in high latitudes. The excess is removed by motions of the atmosphere and the ocean.

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Zusammenfassung Eine Methode, das jahreszeitliche Wärmebudget der Atmosphäre zu berechnen, hat auch der Wärmespericherung in den Ozeanen Rechnung zu tragen. Auf Grund von Wasserthermographenwerten und Ozeanoberflächentemperaturen wurden die dem Ozean zugeführten oder von ihm abgegebenen Wärmemengen monatsweise berechnet. Die im Ozean gespeicherte Wärme wurde dann mit der vonGabites aufgestellten Schätzung der durch Strahlung und durch die latente Wärme des Wasserdampfs zugeführten Wärmeenge verglichen und von dieser Vergleichung wurde auf die Erwärmung der Atmosphäre geschlossen. In mittleren Breiten liegt der Erwärmungszuwachs der Atmosphäre während des Großteils des Jahres bei Null, so daß sogar das Vorzeichen der Erwärmung zweifelhaft ist. Während des Großteils des Jahres erfährt die Atmosphäre dagegen in niederen Breiten einen Wärmezuwachs, in hohen Breiten einen Überschuß an Abkühlung. Diese Überschüsse werden durch Bewegungsvorgänge in der Atmosphäre und im Ozean verfrachtet.

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Résumé Une méthode visant à calcular le bilan thermique annuel de l'atmosphère doit tenir compte de la chaleur mise en réserve dans les mers. Des mesures de température de l'eau de mer en profondeur et en surface permettent d'établir les quantités de chaleur fournies mensuellement à la mer ou enlevée à celle-ci. La chaleur accumulée fut alors comparée à celle qu'estimeGabites en considérant la chaleur fournie par rayonnement et par la chaleur latente de la vapeur d'eau; on en a tiré une conclusion relative au réchauffement de l'atmosphère. Aux latitudes moyennes, l'accroissement de chaleur de cette dernière est voisine de zéro la plus grande partie de l'année, de sorte que même le signe est douteux. Aux latitudes basses par contre l'atmosphère reçoit de la chaleur pendant la plus grande partie de l'année; elle en perd aux latitudes élevées. Ces gains et ces pertes s'équilibrent in globo par les mouvements de l'air et de l'eau.

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With 4 Figures

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Presented at the 11th General Assembly, IUGG (IAM), Toronto, Septemer 1957.

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Dedicated to Dr.Anders K. Ångström on the occasion of his 70th birthday.     

Simple models of the valley-plain circulation Part I: Minimum resolution model

Summary A minimum resolution model of thermally induced valley-plain circulations is presented. Slope winds and cross-valley circulations are treated as subgrid motions and are incorporated via aK-ansatz. Using this model one can determine the dependence of the valley-plain circulation on the valley's geometry, on the effectivity of the subgrid motions and on stratification. The relative importance of advective processes is assessed and the response to heating with a diurnal cycle is examined.

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Einfache Modelle der Ausgleichströmung zwischen Gebirgstälern und dem Vorland. Teil I: Modell mit minimaler Auflösung

Zusammenfassung Ein Modell mit extrem niedriger Auflösung wird auf das Problem der thermisch induzierten Ausgleichsströmung zwischen einem Gebirgstal und einer vorgelagerten Ebene angesetzt. Hangwinde und die zugehörigen Zirkulationen in der Talatmosphäre werden im Modell als subskalige Bewegungen angesehen und durch einenK-Ansatz erfaßt. Das Modell erlaubt es, Aussagen über die Abhängigkeit der Talwinde zum Zuschnitt des Tals, von der Wirksamkeit der subskaligen Bewegungen und von der Schichtung zu machen. Die Bedeutung der Temperaturadvektion läßt sich abschätzen. Ferner wird die Reaktion der Zirkulation auf Antriebe mit Tagesgang untersucht.

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With 3 Figures     

A subtropical episode of production of kinetic energy from condensation heating

Summary The mutually interacting pressure wave and diabatic heating wave originally cause the observed tropical disturbances. The equivalent barotropic models relate the tendency of vorticity with the convective heating effect directly, and so these models elucidate the roles of these mutually interacting waves on the development of observed tropical disturbances readily. The exact solution for the complex frequency adequately explains the growth and movement of tropical disturbances during summer. The results are divided into two parts 1) for the upper atmosphere 2) for the lower atmosphere. For the upper atmosphere during summer, the standing and amplifying natures of wave numbers 1 and 2 are satisfactorily interpreted. So the standing natures and the intensity variations of Atlantic trough, African high, Tibetan high, Pacific trough, and Mexican high etc. are also explained thereby. Also, the amplification and westward movement of short wave number 8 are interpreted. For the lower atmosphere during summer, the amplifications and westward movements of Carribean easterly wave, African monsoon cyclone, Indian monsoon depression, west Pacific ITCZ wave etc. are explained.

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Die Entstehung tropischer Störungen

Zusammenfassung Die sich gegenseitig beeinflussende Druckwelle und diabatische Erwärmungswelle verursachen ursprünglich die beobachteten tropischen Störungen. Die äquivalentbarotropen Modelle verbinden die Vorticity-Tendenz mit dem konvektiven Erwärmungseffekt direkt, und damit erklären diése Modelle die Bedeutung dieser sich gegenseitig beeinflussenden Wellen für die Entwicklung der beobachteten tropischen Störungen. Die exakte Lösung für den Häufigkeitskomplex erklärt hinreichend die Entwicklung und die Bewegung tropischer Störungen im Sommer.Die Ergebnisse werden in solche für die obere Atmosphäre und für die untere Atmosphäre unterteilt. Für die obere Atmosphäre im Sommer sind die beständigen und sich verstärkenden Formen der Wellenzahl 1 und 2 befriedigend interpretiert. Damit sind auch die beständigen Formen und die Intensitätsänderungen des atlantischen Troges, des afrikanischen Hochs, des tibetischen Hochs, des pazifischen Troges und des mexikanischen Hochs erklärt. Auch die Verstärkung und Westwärtsbewegung der kurzen Wellenzahl 8 sind erklärt. Für die untere Atmosphäre im Sommer sind die Verstärkung und Westwärtsbewegung der karibischen östlichen Welle, der afrikanischen Monsun-Zyklone, der indischen Monsun-Depression, der westpazifischen ITCZ-Welle und der zentralpazifischen ITCZ-Welle erklärt.

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1 Figure     

Der Tagesgang des Energiehaushaltes der bodennahen Luftschicht

Zusammenfassung Die Vorgänge in der bodennahen Luftschicht, wie Erwärmung, Abkühlung, Nebelbildung und-auflösung, werden durch die Divergenz der Strahlungsbilanz und die Divergenzen der durch Austausch bedingten Ströme fühlbarer und latenter Wärme verursacht. Diese Divergenzen besitzen wie die Temperatur und die Wärmeströme selbst einen charakteristischen Tagesgang. Für eine Luftschicht hängen die Tagesgänge dieser Divergenzen und der zeitlichen Änderung von fühlbarer und latenter Wärme über den Satz von der Erhaltung der Energie eng miteinander zusammen; sie bilden in ihrer Gesamtheit den Tagesgang des Energiehaushaltes der Luftschicht. Für zwei verschiedene Fälle wird der Tagesgang des Energiehaushaltes für die untersten 6 m der Atmosphäre berechnet und diskutiert. Dabei wird das Zusammenspiel von Strahlungs- und Austauschvorgängen bei den Ereignissen in der bodennahen Luftschicht deutlich.

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Summary The phenomena in the air layer near the ground like heating, cooling, formation and dissolution of fog, are caused by the divergence of the radiation balance and the divergences of fluxes effected by exchange of sensible and latent heat. These divergences show a characteristic daily variation like temperature and heat fluxes. The daily variations of these divergences and of the variations of sensible and latent heat in a given air layer are in close relation according to the law of the maintenance of energy. In their totality they constitute the daily variation of the energy economy of that air layer. The author computes and discusses the daily variation of the energy economy of the six first meters of the atmosphere for two different cases. The combined acting of the processes of radiation and exchange is thus demonstrated by the phenomena in the air layer near the ground.

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Résumé Les phénomènes qui peuvent être observés dans les couches d'air voisines du sol, tels que réchauffement, refroidissement, formation et dissolution du brouillard, sont provoqués par des divergences du bilan radiatif et par des divergences des flux provoqués par l'échange de chaleurs soit sensible soit latente. Ces divergences présentent une évolution journalière caractéristique tout comme la température et les courants de chaleur euxmêmes. Dans une couche d'air déterminée, les courbes journalières de ces différences ainsi que dos variations des chaleurs sensible et latente sont en étroite relation par l'équation du maintient de l'énergie. Elles constituent dans leur ensemble la variation journalière de l'économie d'énergie de la dite couche d'air. L'auteur calcule et discute l'évolution journalière de l'économie énergétique des six premiers mètres de l'atmosphère et cela pour deux cas différents. L'action combinée des processus de rayonnement et d'échange est ainsi démontrée par les phénomènes se produisant dans les couches d'air proches du sol.

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Mit 4 Textabbildungen     

Der Verlauf der jährlichen Erwärmung und Abkühlung im Klima Europas

Zusammenfassung Unter Verwendung der vonKöppen eingeführten relativen Temperaturen wird die Form der Jahresgänge der Temperatur in Europa untersucht. Für diesen Zweck werden die Änderungen der 30jährigen Normalwerte der Temperatur von Monat zu Monat in Prozenten der Jahresamplitude ausgedrückt.Es wird festgestellt, daß die Frühjahrserwärmung im Mitteleuropa zwischen Januar und April von Südwesten gegen Nordosten fortschreitet und im Siebenbürger Becken verhältnismäßig am stärksten ausgeprägt ist. Die relative sommerliche Erwärmung im Juni ist in der westlichen Ukraine am schwächsten. Das Zentrum der stärksten Abkühlung schreitet von Nordeuropa stufenweise gegen Südwesten fort. Für die Entwicklung der Erwärmungs-und Abkühlungszentren sind außer der Einstrahlung auch advektive und besonders monsunale Einflüsse von Bedeutung.

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Summary Using the relative temperature introduced byKöppen the shape of the annual variations of temperature in Europe is investigated. To do this, the variations from month to month of the 30-year normal values are expressed in percents of the annual amplitude.It is found that in Central Europe the warming between January and April proceeds from southwest to northeast, and is most pronounced in the Basin of Transylvania (Roumania). Relative heating in June has a minimum in the western Ukraine. The center of cooling proceeds from Northern Europe towards southwest. The development of warming and cooling centers is determined by insolation, advection, and particularly by monsoon effects.

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Résumé Etude de la marche annuelle de la température en Europe en utilisant la température relative introduite parKöppen. On exprime dans ce but les variations de mois en mois des moyennes trentenaires en pourcent de l'amplitude annuelle.On constate qu'en Europe centrale le réchauffement printanier, entre janvier et avril, se propage du Sud-Ouest au Nord-Est et se manifeste plus nettement qu'ailleurs sur le Plateau de Transylvanie. Le réchauffement relatif d'été, en juin, est le plus faible en Ukraine occidentale. Le centre du refroidissement maximum se déplace progressivement du Nord de l'Europe vers le Sud-Ouest. Le développement des centres de réchauffement et de refroidissement dépend du rayonnement, mais aussi des processus advectifs, en particulier de ceux qui relèvent de la mousson.

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Mit 6 Textabbildungen.     

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     

Simple models of the valley-plain circulation Part II: Flow resolving model

Summary In extension of the work presented in the first part of this paper a simple two-level grid point model for valley-plain flow is described where basic horizontal flow structures can be resolved. Except for the increased horizontal resolution this flow resolving model (FR-model) bears strong resemblance to the MR-model discussed in the first part.The FR-model is mainly used to study the profiles of wind and temperature along the valley axis. To better understand the valley flows in the FR-model the linear theory of forced flow in infinitely wide valleys is presented. This theory predicts a characteristic length of decay of the response with distance to the valley mouth for steady-state flow. If the forcing has a diurnal cycle the response shows the characteristics of damped wave motion. At the mouth there is a jump of the temperature.It is shown that the valley flow in the FR-model can be understood qualitatively on the basis of the linear theory. It is demonstrated that the FR-model is capable of reproducing the gross characteristics of observed flows near the mouth of valleys.

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Einfache Modelle der Ausgleichströmung zwischen Gebirgstälern und dem Vorland. Teil II: Model mit Strömungsstrukturen

Zusammenfassung In Fortführung der Modellentwicklung, wie sie im ersten Teil dieser Arbeit vorgetragen wurde, wird ein Gitterpunktmodell mit zwei Schichten in der Vertikalen (FR-Modell) für die Ausgleichströmung zwischen Ebene und Vorland vorgestellt, das horizontale Strömungsstrukturen wesentlich besser aufzulösen gestattet, als dies im MR-Modell von Teil I möglich war. Mit Ausnahme der Auflösung in der Horizontalen stimmen beide Modelle ansonsten fast exakt überein.Das FR-Modell wird hauptsächlich zum Studium der Strömungs- und Temperaturprofile am Talausgang und im Tal benutzt. Die Modellresultate werden mit den Aussagen einer linearen Theoric für ein sehr breites Tal verglichen. Es ergibt sich eine gute qualitative Übereinstimmung. Insbesondere findet man für stationäre Talwinde in Modell und Theorie eine Übergangszone am Talausgang mit starken Temperaturgradienten und einer exponentiellen Abnahme der Windintensität ins Tal hinein. Hat der Antrieb einen Tagesgang, so reagiert das Windsystem mit einer Verzögerung und dem exponentiellen Abfall überlagert sich eine Wellenbewegung.Das FR-Modell ist in der Lage, den nächtlichen Strahlstrom, wie er an Talausgängen beobachtet wird, in Grundzügen nachzubilden.

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With 12 Figures     

An elementary valley wind model

Summary With the typical geometry of a large Alpine valley in mind, a box-type model consisting of only one (Alpine) basin, the forelands, and one valley tube connecting those two has been set up. Using drastically simplified equations of motion, continuity and heat, and supposing weak-gradient synoptic conditions, a periodic solution for the daily wave of the valley wind regime is obtained.Fundamental concepts like the area-height distribution of valley segments, or the role of slope winds and other fast-reacting local circulations in heating or cooling the main valley and larger basins, are being incorporated. The solution has valley wind speeds correct in amplitude and phase, maximum upvalley wind occurring around 16 h local time. Valley winds attempt to equalize horizontal pressure differences, which are caused by the fact that the interior of valleys is being heated and cooled more strongly by a factor of 2 or more than the atmosphere over the adjacent plain = foreland. In this attempt, they reduce the temperature contrast somewhat, but not very much, because friction in the valley is a dominating process. The present model also nicely reproduces observed features of the daily pressure wave, including the existence of a level of pressure equalization (between the valley interior and the plain) at about crest height.

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Grundzüge eines Talwindmodells

Zusammenfassung Ich habe das typische Relief eines großen Alpentals vor Augen, und konstruiere ein Schachtel-Modell, das drei schematische Regionen umfaßt: ein inneralpines Becken, das Alpenvorland, und eine Talröhre, die diese beiden verbindet. Die Impuls-, Kontinuitäts- und thermodynamische Gleichung werden in stark vereinfachter Form angesetzt, wobei eine gradientschwache Wetterlage vorausgesetzt wird. Wir untersuchen die tagesperiodische Lösung dieses Systems für Talwind, Temperatur, Luftdruck. In diesen Gleichungsansatz wurden grundlegende Konzepte eingearbeitet: z.B. die Flächen-Höhenverteilung des Beckens, oder die Rolle der Hangwinde und anderer kleinräumiger, schnell reagierender thermischer Zirkulationen, die die lokale Erwärmung/Abkühlung dem Haupttal bzw. größeren Talbecken mitteilen. Die vorliegende Lösung zeigt Talwindgeschwindigkeiten, deren Amplitude und Phase mit den Beobachtungen gut übereinstimmen: der Taleinwind hat sein Maximum um ca. 16 Uhr Lokalzeit (MEZ). Die Talwinde sind ein Versuch, horizontale Druckdifferenzen auszugleichen, die wiederum auf Grund der Tatsache entstehen, daß die Erwärmung/Abkühlung des Taiinneren um mehr als den Faktor 2 stärker ist als die der Luftsäule über dem angrenzenden Vorland. Bei diesem Versuch reduzieren die Talwinde den Temperaturkontrast, aber nur um weniges, da die Ausgleichsströmung durch die Talröhre starker Reibung unterliegt. Schließlich reproduziert das vorliegende Modell in zufriedenstellender Weise den tagesperiodischen Druckgang, wie er in verschiedenen Höhen beobachtet wird, vor allem auch das sogenannte Druckausgleichsniveau, das ungefähr in Kammhöhe liegt.

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With 2 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     

Klimatische Tendenzen und Untersuchungen zur allgemeinen Zirkulation

Zusammenfassung Einige Beobachtungsdaten aus dem Winter 1962/63 werden sowohl in bezug auf neuere als auch auf langfristige klimatische Tendenzen diskutiert. Der Abkühlung der Weltklimate seit etwa 1940 ist bisher praktisch noch nicht viel Beachtung geschenkt worden, obwohl sie die Häufigkeit strengen Winterwetters beeinflußt hat. Dies ist vielleicht teilweise durch die künstliche Erwärmung der Städte zu erklären, die unter starken niedrig liegenden Temperaturinversionen im Winter am wirksamsten ist. Ferner wird über Untersuchungen der Änderungen der allgemeinen atmosphärischen Zirkulation berichtet. Diese zeigen den Mechanismus auf, durch den aufeinanderfolgende langfristige Klimaänderungen zustandegekommen sind: Die Abkühlung in den Jahren von 1300 bis 1600 und die Erwärmung in den Jahren von 1700 bis etwa 1930 werden mit einer Abschwächung beziehungsweise Verstärkung der Zirkulation bzw. mit entsprechenden Änderungen der Wellenlänge der zirkumpolaren Westdrift und einer Durchdringung der höchsten Breiten durch Warmluftzufuhr und Zyklonenzugbahnen in Verbindung gebracht. Eine Umkehr des Trends kann unter Verwendung dieser Zirkulations-Aspekte bereits früher entdeckt werden — schon 30 oder mehr Jahre früher — als durch Untersuchung der Temperaturen in der Arktis und anderswo, der Ausdehnung der Eisbedeckung usw. Es ist wahrscheinlich, daß die Abkühlung und die Zunahme des Eises, die jetzt speziell im europäischen Sektor zu beobachten sind, eine Reaktion darstellen auf die neuere Tendenz zu schwächerer zonaler Zirkulation hin und zu einer Westwärts-Verschiebung des Höhentroges im europäischen Sektor, die eine zunehmende Häufigkeit nördlicher Bodenwinde im Sektor zwischen Grönland und dem Ural begünstigt. Die Eislage in den nördlichen Meeren im Februar 1963 läßt sich nur mit den schlimmsten Jahren des 17. und 18. Jahrhunderts vergleichen.

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Summary Some figures for winter 1962/63 are examined in relation to both recent and long-term climatic trends. The cooling of world climates since about 1940 has not yet received much notice from the practical point of view, though it has affected the frequency of difficult winter weather. The oversight is perhaps partly explained by the increasing artificial warmth of the cities, which is most effective under strong low-level temperature inversions in winter. Studies of changes in the general atmospheric circulation are described. These show the mechanism by which successive long-term changes of climate have been achieved—cooling from 1300 to 1600 and warming from 1700 to about 1930—was associated respectively with weakening and strengthening circulation and corresponding changes of (a) wavelength in the circumpolar westerlies (b) penetration of the highest latitudes by advected warm air and depression tracks. Reversal of trend is detected earlier, already 30 years or more ago, in these aspects of the circulation than when one examines temperatures in the Arctic and elsewhere, extent of ice etc. It seems probable that the cooling and increase of ice now to be observed particularly in the European sector are a response to the recent trend towards weaker zonal circulation and a westward shift of the upper trough in the European sector which favours increased frequency of northerly surface winds in the sector between Greenland and the Urals. The ice situation on the northern seas in February 1963 appears fully comparable only with the worst years of the 17th and 18th centuries.

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Résumé On discute ici quelques observations de l'hiver 1962–1963 à la lumière de tendances climatologiques tant récentes qu'à long terme. Jusqu'ici, on n'a pas accordé beaucoup d'attention au refroidissement des climats de notre globe depuis 1930, bien que ce refroidissement ait influencé déjà le nombre des hivers rigoureux. Ce peu d'attention s'explique peutêtre par le chauffage artificiel des villes, chauffage qui est particulièrement efficace au-dessous de fortes inversions thermiques situées en hiver à basse altitude. On rapporte en outre sur des recherches concernant des changements de la circulation atmosphérique générale. Ces changements montrent le mécanisme par lequel les modifications successives du climat à long terme se sont produites. On met le refroidissement des années 1300 à 1600 en relation avec un ralentissement de la circulation et le réchauffement de 1700 à 1930 avec une accélération de cette circulation. On peut faire le même raprochement pour des modifications similaires de la longueur d'ondes du courant circumpolaire d'ouest et la pénétration des afflux d'air chaud et des trajectoires des cyclones aux latitudes les plus grandes. Une inversion de la tendance du climat peut être reconnue bien à l'avance—30 ans et plus—en utilisant ces nouveaux aspects de la circulation, qu'en utilisant les températures de l'arctique et d'ailleurs, l'extension de la calotte glaciaire, ou d'autres critères. Il est probable que le refroidissement et l'augmentation de la glace, visibles actuellement surtout dans le secteur européen, ne sont qu'une réaction aux nouvelles tendances de ralentissement de la circulation zonale et d'un déplacement vers l'ouest du creux dépressionnaire en altitude du secteur européen, ce qui favorise une fréquence accrue des vents du nord au sol entre le Groenland et l'Oural. La position des glaces dans les mers du nord en février 1963 ne peut être comparée qu'aux pires années des 17ème et 18ème siècles.

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Mit 5 Textabbildungen     

The control of the electrical conductivity of the lower atmosphere

Summary The electrical conductivity of the atmosphere at any part of the earth's surface depends on the local concentration of small ions. This in turn depends 1. on their rate of production and 2. on their rate of removal. The removal is due principally to attachment to condensation nuclei. Methods are described for counting the nuclei and for determining their sizes and masses. The ratios of charged to uncharged nuclei, when they are in equilibrium with the small ions, are determined for nuclei of various sizes. Observations on nuclei in the free atmosphere show that they are usually not in equilibrium. The difficulty of establishing any simple relation between atmospheric conductivity, rate of ion-production and nucleus concentration is increased by the discovery that the air-borne radioactive matter which contributes to the small-ion production tends to increase with increase of nucleus concentration.

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Zusammenfassung Die elektrische Leitfähigkeit der Atmosphäre an einer beliebigen Stelle der Erdoberfläche hängt von der örtlichen Konzentration kleiner Ionen ab; diese ist ihrerseits bedingt 1. durch die Ionisierungsstärke und 2. durch die Geschwindigkeit ihrer Vernichtung. Die Vernichtung von Kleinionen ist vor allem auf die Anlagerung an Kondensationskerne zurückzuführen. Es werden Methoden für die Kernzählung und für die Bestimmung von Größe und Maße der Kerne beschrieben. Das Verhältnis von geladenen zu ungeladenen Kernen wird für den Fall, daß sie im Gleichgewicht mit den kleinen Ionen sind, für Kerne verschiedener Größe bestimmt. Kernbeobachtungen in der freien Atmosphäre ergeben, daß dieses Gleichgewicht gewöhnlich nicht besteht. Die Aufstellung einer einfachen Beziehung zwischen der atmosphärischen Leitfähigkeit, dem Prozentsatz der Ionenbildung und der Kernkonzentration wird noch erschwert durch die Feststellung, daß die aus der Luft stammenden radioaktiven Substanzen, die zur Bildung von Kleinionen beitragen, mit einer Zunahme der Kernkonzentration ihrerseits ebenfalls eine Zunahme zeigen.

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Résumé La conductibilité électrique de l'atmosphère en un endroit quelconque de la terre dépend de la concentration locale des petits ions; celle-ci est à son tour commandée 1. par l'intensité de l'ionisation et 2. par la vitesse de leur disparition. La destruction des petits ions est due surtout à leur dépôt sur des noyaux de condensation. On expose des méthodes de dénombrement des noyaux et de détermination de leur grosseur et de leur masse. On établit le rapport des noyaux chargés aux noyaux non chargés dans le cas où ils sont en équilibre avec les petits ions, et cela pour des noyaux de différentes grosseurs. Des observations de noyaux de l'atmosphère libre prouvent que cet équilibre n'est généralement pas réalisé. Dans la recherche d'une relation simple entre la conductibilité atmosphérique, le taux de formation d'ions et la concentration en noyaux, on se heurte à la difficulté suivante: les substances radioactives provenant de l'air et qui contribuent à la formation de petits ions augmentent en même temps que la concentration des noyaux.

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Dedicated to Professor Dr.H. Benndorf on the occasion of his eightieth birthday.     

A study of interacting multi-scale wind systems, Canterbury plains, New Zealand

Summary The wind regime of the Canterbury region, New Zealand, is composed of several interacting multi-scale wind systems all of which show strong diurnal periodicity. The dynamic orographic effect of the Southern Alps on the prevailing westerly flow results in perturbations to the pressure field and localized antitriptic airflow. Superimposed on this larger scale process are thermotopographic effects resulting from both regional and local land-sea thermal contrasts and slope heating. These processes act within an hierarchy of scales to produce a complex wind regime characterized by marked temporal variability, a layered vertical structure and the frequent occurrence of convergence lines and shear zones. The synergistic nature of the forcing mechanisms and the tendency for nocturnal decoupling of the boundary layer due to stability variations makes it difficult to differentiate and label discrete wind components.Attempts to simulate this regime using the Colorado State University mesoscale model showed that the model was unable to adequately resolve both the dynamic orographic effect and the local thermotopographic effect because of their differing scales of influence. These results suggest that a more holistic approach to both empirical and theoretical studies in such environments is required if more accurate wind field forecasting is to be achieved.

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Eine Studie zusammenwirkender Windsysteme verschiedener Größenordnungen, Canterbury Plains, Neuseeland

Zusammenfassung Das Windregime des Gebiets von Canterbury, Neuseeland, setzt sich aus verschiedenen zusammenwirkenden Windsystemen verschiedener Größenordnungen zusammen, die alle einen starken Tagesgang aufweisen. Der dynamisch-orographische Effekt der neuseeländischen Alpen auf die vorherrschende Westströmung führt zu Störungen im Druckfeld und lokalen Luftbewegungen im Lee. Diesem großräumigen Prozeß sind thermisch-topographische Effekte überlagert, die sowohl durch regionale als auch lokale thermische Unterschiede zwischen Land und Meer und die Erwärmung der Hangregion hervorgerufen werden. Die Vorgänge spielen sich in einer Hierarchie von Größenordnungen ab. Sie erzeugen ein kompliziertes Windsystem, das durch hohe zeitliche Variabilität, eine schichtweise thermische Struktur und häufige Konvergenz- und Scherungszonen gekennzeichnet ist. Die synergetische Natur der Antriebe und die Tendenz zum nächtlichen Entkoppeln der planetaren Grenzschicht aufgrund von Stabilitätsschwankungen macht es schwer, die einzelnen Windkomponenten zu trennen und zuzuordnen.Die Versuche, dieses Regime mit Hilfe des Mesoscale-Modells der Colorado State University zu simulieren, zeigten, daß es aufgrund der verschiedenen Größenordnungen des Einflusses nicht geeignet war, gleichzeitig den dynamisch-orographischen und den thermo-topographischen Effekt zu reproduzieren. Diese Ergebnisse legen sowohl für empirische wie für theoretische Untersuchungen einen holistischeren Ansatz nahe, um eine genauere Prognose des Windfeldes zu ermöglichen.

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With 11 Figures     

Turbidity measurements of Saharan aerosol and their effects on atmospheric heating and planetary reflectivity

Summary Eleven months of atmospheric turbidity measurements were made in Tozeur, Southern Tunisia, located at the northern edge of the Sahara. These measurements were done with a Linke-Feussner actinometer equipped with broad band Schott filters (OG1, RG2, RG8). These filters were chosen, as they have demonstrated a good stability with time. The lowest values of turbidity were found in winter, which is the rainy season for this area. In spring (April) the largest number of sand storms were observed, but the turbidity remained high for the whole summer. A mean Linke turbidity factor of 5.39 was derived, which is a value otherwise generally found only in industrial areas. Mean values of Ångström coefficients were = 0.34 and = 1.20.Aerosol particles were also sampled with nucleopore membrane filters. The chemical analyses of the particles with an X-ray spectrometer showed that most of the smaller ones had a chemical composition similar to sand. Other, larger ones showed high amounts of Ca and Cl; these are believed to have originated in Chott Djerid, the largest dried-out salt lake in Tunisia, which is located 20 km southeast of Tozeur.Model calculations of the radiative transfer for the solar spectrum were carried out, taking the turbidity measurements and ground truth measurements of albedo [33] into account. A perturbation experiment was carried out, changing turbidity and surface reflectivity. It was found that an increased surface reflectivity had a cooling effect at the surface, and a warming effect on the lowest kilometer of the atmosphere. Further, increases in turbidity resulted again in cooling at the surface, but with additional warming of the atmosphere. The combined increases of surface reflectivity and turbidity had a somewhat balancing effect as far as planetary albedo was concerned.

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Messungen der Trübung des Aerosols der Sahara und ihre Auswirkungen auf die Erwärmung der Atmosphäre und auf die planetare Reflexionsfähigkeit

Zusammenfassung Elf Monate hindurch wurden in Tozeur in Süd-Tunesien am Nordrand der Sahara Messungen der atmosphärischen Trübung durchgeführt. Diese Messungen wurden mit einem Linke-Feussner gemacht, das mit Breitband Schott-Filter OG1, RG2 und RG8 ausgerüstet ist. Die kleinsten Trübungswerte wurden im Winter gefunden, der für dieses Gebiet die Regenzeit ist. Im Frühling (April) wurde die größte Zahl von Sandstürmen beobachtet und die Trübung blieb auch im ganzen Sommer groß. Es wurde ein mittlerer Trübungsfaktor nach Linke von 5.39 bestimmt. Das ist ein Wert, der im allgemeinen nur in Industriegebieten gefunden wird. Die Mittelwerte der Ångström-Koeffizienten betrugen = 0,34 und = 1,20.Mit Membranfiltern wurden auch Aerosolteilchen gesammelt. Die mit einem Röntgenstrahlen-Spektrometer durchgeführten chemischen Analysen der Teilchen zeigten, daß die kleineren Teilchen meist eine dem Sand ähnliche chemische Zusammensetzung haben. Größere Teilchen zeigten hohe Beträge von Ca und Cl. Diese haben ihren Ursprung scheinbar im Chott Djerid, dem größten ausgetrockneten Salzsee in Tunis, der 20 km südöstlich von Tozeur liegt.Es wurden Modellrechnungen der Strahlungsübertragung für das Sonnenspektrum durchgeführt, wobei die Trübungsmessungen und die Albedomessungen in Rechnung gezogen worden sind. Es wurden auch Störungsexperimente mit geänderter Trübung und Oberflächenreflexion durchgeführt. Es wurde gefunden, daß zunehmende Oberflächenreflexion einen Abkühlungseffekt an der Oberfläche und einen Erwärmungseffekt im untersten Kilometer der Atmosphäre zeigt. Ferner bewirkt eine Zunahme der Trübung ebenfalls eine Abkühlung der Oberfläche, aber zusätzliche Erwärmung der Atmosphäre. Die kombinierte Zunahme der Oberflächenreflexion und der Trübung hatte einen etwas ausgleichenden Effekt, soweit die planetare Albedo betroffen war.

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With 13 Figures     

Sensitivity analysis of the 1-D convective cloud model outputs on the dynamical parameters

Summary Forced 1-D time-dependent numerical model of Cb cloud is used to analyse the sensitivity of the model products on dynamical parameters. The model considers the processes of horizontal entrainment, forced lifting through the cloud base as well as the six forms of water substance: water vapour, cloud water, cloud ice, rain, snow and hail. Atmospheric soundings for deep storm situation are used as initial and evironmental conditions.The maxima model values of vertical velocity, cloud water, rain water and ice mixing ratios, temperature excess, cloud top height and radar reflectivity are under the strong influence of the parameters of entrainment, amplitude of initial vertical velocity and forced vertical velocity. The most visible influence is that of forced vertical velocity on the ice content.The model values agree well with observations in one case for selected dynamical conditions.

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Zusammenfassung Ein 1-D-zeitabhängiges numerisches Modell einer Cumulonimbuswolke wird für eine Sensitivitätsanalyse der Modellergebnisse nach dynamischen Parametern herangezogen. Im Modell werden Prozesse des horizontalen Entrainments und der erzwungenen Hebung durch die Wolkenbasis sowie Wasser in sechs Erscheinungsformen beachtet: Wasserdampf, Wolkenwasser, Wolkeneis, Regen, Schnee und Hagel. Atmosphärische Sondierungen von heftigen Sturmsituationen werden als Anfangs- und Randbedingungen verwendet.Die maximalen Modellwerte der Vertikalgeschwindigkeit, des Wolken- und Regenwassers und des Eismischungsverhältnisses, des Temperaturüberschusses, der Höhe der Wolkenobergrenze und der Radarreflektivität werden stark von den Entrainmentparametern und der Amplitude der ursprünglichen wie der erzwungenen Vertikalgeschwindigkeit beeinflußt. Am sichtbarsten ist der Einfluß der erzwungenen Vertikalgeschwindigkeit auf den Eisgehalt.Die Modellwerte stimmen gut mit Beobachtungen für einen Fall mit ausgesuchten dynamischen Bedingungen überein.

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With 7 Figures     

Das bewegliche Luftvolumen des Erdbodens

Zusammenfassung Das für die Bodenatmung wesentliche, bewegliche Luftvolumen wird in Abhängigkeit von der Tiefe aus der Absorption von Druckwellen im Boden abgeleitet. Zur Prüfung werden periodische Druckwellen künstlich erzeugt und in verschiedenen Erdbodentiefen gemessen und registriert.

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Summary The volume of moving air, which is essential for the respiration of the soil, has been calculated with the dependency on depth from absorption of pressure waves in the soil. The results have been controlled by experiments with artificial periodic pressure waves which are measured and registered at different depths in the soil.

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Résumé Le volume d'air mouvant qui est d'importance essentielle pour la respiration du sol, est déduit de l'absorption d'ondes de pression dans le sol et de leur dépendance de la profondeur. Pour vérifier la théorie, l'auteur produit des ondes de pression artificielles et périodiques qui sont ensuite mesurées et enregistrées à diverses profondeurs.

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Mit 5 Textabbildungen.

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Die Arbeit wurde mit Unterstützung des Bundesministeriums für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten und der Karlsruher Hochschulvereinigung durchgeführt.     

Weather Observation and Hail Suppression system in Slovenia

Summary A computer supported system for Weather Observation and Hail Suppression at Lisca (Slovenia, Yugoslavia) is presented. The described system is of an operational type, where the hail prevention is based on launching anti-hail rockets. The system consists of a C-band meteorological radar, computers, a grid of rocket launchers and a communication subsystem between the radar computer center and the launchers, the weather forecast service and the air traffic control.The main emphasis is given to system functions and algorithms for computer weather monitoring, severe cloud detection, cloud movement recognition and rocket launching computation. The software part of the system is discussed in detail, while technical data of the radar and the computer hardware equipment are included for better understanding of the system as a whole. The efficiency estimation of the hail damage reductions is not the topic of the presented article, it is only briefly mentioned.

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Zusammenfassung Es wird ein rechnerunterstütztes System zur Wetterbeobachtung und Hagelabwehr in Lisca (Slowenien, Jugoslawien) vorgestellt. Das beschriebene System ist ein operationelles mit einer auf Hagelraketen beruhenden Abwehr. Das System besteht aus einem C-Band-Radar, Rechnern, einem Netz von Raketenstartplätzen und einem Kommunikationssystem zwischen dem Radarcomputerzentrum und den Startplätzen, dem Wettervorhersagedienst und der Flugsicherung.Die Betonung liegt auf den Systemfunktionen und den Algorithmen zur automatischen Wetterbeobachtung, zur Erkennung von Hagelwolken, zur Feststellung der Wolkenbewegung und zur Berechnung der Raketenstarts. Die Software des Systems wird genau erläutert, während die technischen Werte des Radars und der Rechner zum besseren Verständnis des Gesamtsystems erwähnt werden. Die Abschätzung der Wirksamkeit des Systems bei der Verringerung von Hagelschäden ist nicht Gegenstand des Artikels und wird daher nur kurz erwähnt.

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With 6 Figures     

Calculations of the transpiration rate and temperature of a leaf

Summary Sample calculations of the water-loss rate and the temperature of a leaf have been made in terms of three climatic factors (i. e. net radiation intensity, ambient temperature and ambient vapour pressure) and two diffusion resistances, respectively within and outside the leaf tissue. The results indicate the variability of the ratio of the respective water losses from a leaf and a water surface. Increasing the external diffusion resistance, e. g. by lowering the wind speed, is shown to lead to either an increase or a decrease of transpiration, depending on atmospheric humidity. The cooling of a leaf resulting from transpiration is shown to increase as the ambient air becomes more dry and calm.

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Zusammenfassung Der Wasserverlust und die Temperatur eines Blattes wurden in Abhängigkeit von drei meteorologischen Faktoren (Strahlungsbilanz, Umgebungstemperatur und Umgebungsfeuchte) und zwei Diffusionswiderständen (innerhalb und außerhalb des Blattes) berechnet. Die Ergebnisse zeigen die Veränderlichkeit des Verhältnisses zwischen dem gleichzeitigen Wasserverlust von einem Blatt und von einer Wasseroberfläche. Wird der äußere Diffusionswiderstand erhöht, z. B. durch Verminderung der Windgeschwindigkeit, so äußert sich das entweder in einer Erhöhung oder einer Verminderung der Transpiration, je nach dem Wassergehalt der Luft. Die Abkühlung des Blattes durch die Transpiration wird um so größer, je trockener und ruhiger die Umgebungsluft ist.

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Résumé On a calculé la perte d'eau et la température d'une feuille en partant de trois éléments météorologiques (bilan de radiation, température et humidité du milieu ambiant) ainsi que de deux résistances de diffusion (à l'intérieur et à l'extérieur de la feuille). Les chiffres obtenus montrent la variabilité du rapport existant entre les pertes d'eau simultanées d'une feuille et d'une surface d'eau libre. Si la résistance à la diffusion augmente à l'extérieur, par exemple par suite d'une diminution de la vitesse du vent, la transpiration augmente ou diminue selon la teneur en eau de l'air ambiant. Le refroidissement de la feuille par suite de la transpiration est d'autant plus marqué que l'air ambiant est plus sec et plus calme.

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With 3 Figures     

Frequency of fronts in the Northern Hemisphere

Summary It is pointed out that there are two distinct ways of defining the frequency of the occurence of fronts. Tables and charts are presented showing frontal frequency during winter and summer for the greater part of the Northern Hemisphere, the values being based on daily synoptic charts for a period of ten years.The variation of average frequency of fronts with latitude is illustrated graphically, and it is shown to have a significant relation with the average temperature and pressure gradients.

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Zusammenfassung Es wird gezeigt, daß es zwei verschiedene Arten gibt, die Häufigkeit des Vorkommens von Fronten zu definieren. Es werden Tabellen und Karten mitgeteilt, die die Häufigkeit von Fronten während des Winters und Sommers für den größeren Teil der nördlichen Halbkugel zeigen; diese Werte gründen sich auf tägliche synoptische Karten über eine Periode von zehn Jahren. Die Änderung der mittleren Häufigkeit von Fronten mit der Breite wird graphisch dargestellt, und es wird gezeigt, daß eine eindeutige Beziehung zu dem mittleren Temperatur- und dem mittleren Druckgradienten besteht.

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Résumé On montre qu'il y a deux façons de définir la fréquence d'apparition des fronts. Des tables et des cartes illustrent la fréquence des fronts pendant l'hiver et l'été pour la plus grande partie de l'hémisphère nord; ces valeurs résultent de cartes synoptiques journalières s'étendant sur une période de dix ans. La variation des fréquences moyennes des fronts en fonction de la latitude est représentée graphiquement. Il existe une relation nette avec les gradients moyens de température et de pression.

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With 5 Figures.