étude expérimentale de la couche limite interne associée à la brise de mer

Résumé Sur un site de la côte méditerranéenne française, à l'aide d'un avion spécialement équipé pour les mesures atmosphériques et d'une installation fixe (pylône de 50 m), ont été observées, dans des cas de brise de mer, des caractéristiques essentielles de la couche limite interne à caractère convectif formée à partir de la ligne côtière au sein d'un écoulement stable: particularités du champ de vitesse, discontinuité du champ thermique, contraste des flux verticaux, turbulence induite dans la couche stable. Pour compenser le caractère pseudo-eulérien des mesures par avion, les données de plusieurs expériences menées dans des conditions semblables ont été regroupées: on établit ainsi un schéma moyen du sommet de la couche interne pouvant être exprimé comme une puissance 0,4 de la distance à la côte.

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The sea-breeze has been observed at a site along the French Mediterranean coast, using an aircraft specially fitted for atmospheric instruments and a fixed 50 m tower. The essential characteristics of the convective internal boundary layer, formed downwind from the coast in the primarily stable flow include the following: wind field distortions, a thermal field discontinuity, contrasts in vertical fluxes, turbulence induced in the stable layer. In order to compensate for the pseudo-eulerian feature of aircraft measurements, the data of several experiments obtained in similar circumstances have been grouped: this yields a height for the internal layer top, which can be expressed as the 0.4 power of the fetch.

     

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     

Utilisation du radon comme indicateur de l'intensite des echanges pres du sol (0–100 M)

Resumé Les donées moyennes relatives à deux années de mesures continues du radon à 1.5–30 et 100 m au-dessus du sol sont présentées sous forme de variations diurnes standard; ces dernières sont étudiées par une analyse de Fourier (amplitude et phase). On précise l'évolution des variations au cours du cycle annuel.Le but de l'étude des donées moyennes étant d'accéder aux informations relatives à la variation diurne des échanges, on a recherché des relations entre la variation diurne standard des concentrations et celles des échanges; d'autre part on a défini des critères, déduits des paramètres météorologiques, classiques susceptibles de caracteriser l'intensité de la variation diurne des échanges.

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Continuous measurement of radon concentrations at, 1.5, 30 and 100 m has been carried out for 2 years, from October 1966 to October 1968. The mean diurnal variations of the concentrations are characterized in a simple manner using a Fourier analysis, revealing the diurnal and annual waves, and showing the variations with altitude of the radon concentrations. The amplitude of this diurnal wave can be considered as representative of the mean diurnal variation of the intensity of the vertical exchange processes.This method of analysis is applied to the study of influence of standard meteorological elements measured at the site on the diurnal variation of the exchanges. Additional indicators are derived from temperature, humidity and wind (speed and direction) measurements, and their daily cycles (mean winds, mean direction, temperature diurnal variation amplitude...) are shown to be related to the cycles of radon concentrations.The mean diurnal variations of the radon concentrations classified according to several meteorological parameters are used to characterize the intensity of mixing, in terms of a mixing coefficient.This characterization is achieved both from the average gradients (local value) and from the diurnal wave at the soil.

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Equipe de Recherche Associée au CNRS, No. 378.     

Die dritteljährliche Luftdruckwelle auf der Nordhalbkugel und höhere Harmonische

Zusammenfassung Parameterfreie statistische Tests werden zur Untersuchung der Struktur des Luftdruckjahresganges angewendet. Es läßt sich im Luftdruckgang eine stehende und eine fortlaufende dritteljährliche Welle nachweisen, die über die Nordhalbkugel verfolgt werden. Eine, von einigen Autoren angenommene, 16,5tägige persistente Welle erweist sich als quasipersistent. Sie wird im Winter vor allem über Mitteleuropa beobachtet.

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Summary Statistical nonparametric tests have been used to analyze the structure of the annual pressure variation. There are a one third year standing wave and a similar progressive wave; the behaviour of these pressure waves on the northern hemisphere is described. It is shown, that a pressure wave of 16,5 days, which is supposed by some authors to be persistent, is in fact quasipersistent. It is chiefly observed in winter over Central Europe.

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Résumé L'auteur se sert de tests statistiques exempts de paramètres pour étudier la structure des variations annuelles de la pression atmosphérique. Il constate alors l'existence d'une onde stationnaire et d'une onde mobile de la pression, ondes dont la fréquence est d'un tiers d'année. Ces deux ondes se propagent sur tout l'hémisphère nord. L'auteur fait en outre remarquer que l'onde de pression de 16,5 jours, admise comme permanente par quelques auteurs, n'est, en réalité, que quasipermanente. On la rencontre surtout en hiver sur l'Europe centrale.

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Mit 11 Textabbildungen     

Interaction between the different layers of the homosphere

Summary Some years ago,W. Attmannspacher and the author found at a height of about 20 km a layer that separates two regions of the homosphere. Each of these regions forms an entity, each possesses a energy-supplying heating level (the earth's surface resp, the upper boundary of the ozone layer) and a maximum wind layer (10 km resp. 60 km). Empirical findings show however, that vertical influences penetrate the separating layer. The temperature and pressure fields in the regions above the separating layer and the troposphere are not independant of one another. Generally, the vertical motions resulting from the null layer concept, bring about an interaction between all the layers of the homosphere. In winter the vertical interaction seems to be strongest in cases, where the winter separating layer is completely dissolved. Probably such cases are caused by intense sudden stratospheric warmings and strong Aleutian high pressure areas.

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Zusammenfassung Vor einigen Jahren fandenW. Attmannspacher und der Verfasser in einer Höhe von rund 20 km eine Schicht, die zwei weitgehend selbständige Regionen der Homosphäre voneinander trennt. Jede dieser Regionen besitzt eine energieliefernde Heizfläche (Erdboden bzw. Obergrenze der Ozonschicht) und eine Windmaximumschicht (10 bzw. 60 km). Durch die Trennschicht gehen jedoch vertikale Einflüsse hindurch. Temperatur und Luftdruck oberhalb der Trennschicht stehen in einem lockeren Zusammenhang mit Temperatur und Druck in der Troposphäre. Die Windgeschwindigkeiten in beiden Maximalwindschichten sind positiv korreliert. Die Mitführungsreibung bringt eine physikalisch plausible vertikale Beeinflussung. Allgemein wird durch die aus der Nullschichtkonzeption folgenden Vertikalbewegungen eine vertikale Interaktion bewerkstelligt. Im Winter scheint eine solche am deutlichsten in den Fällen gegeben zu sein, wo die Trennschicht völlig aufgelöst ist: bei starken Stratosphärenerwärmungen und bei Existenz eines Aleutenhochs.

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Résumé Il y a quelques années,W. Attmannspacher et l'auteur ont trouvé à environ 20 km d'altitude une couche qui sépare deux régions en grande partie indépendantes de l'homosphère. Chacune de ces régions possède en propre une surface de réchauffement qui lui fournit de l'énergie (surface du sol dans un cas, surface supérieure de la couche d'ozone dans l'autre) et une zone de vents maximums (à 10, respectivement 60 km). Des influences verticales traversent cependant cette couche de transition. La température et la pression atmosphérique au-dessus de la dite couche sont en rapport plus ou moins étroit avec les mêmes éléments de la troposphère. La vitesse du vent des deux zones de vents maximums présente un coefficient de corrélation positif. Le frottement d'entraînement implique de façon plausible, physiquement parlant, une influence verticale. En général, on constate une inter-action verticale en raison des mouvements verticaux résultants de la conception des couches nulles. En hiver, cette inter-action est la plus marquée, surtout dans le cas où la surface de séparation est complètement dissoute, c'est à dire lors d'un fort réchauffement stratosphérique et de l'existence d'un anticyclone sur les Aléoutiennes.

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With 10 Figures

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Expanded version of a paper read at the IAMAP-WMO-COSPAR Symposium on Interactions between Upper and Lower Layers of the Atmosphere in Vienna, May 3–7, 1966.

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This study has been supported by the European Research Office, Frankfurt, under Contract DA-91-591-EUC-3765.     

Harmonische Analyse des Jahresganges der Windgeschwindigkeit bis 30 km über Wien

Zusammenfassung Es werden harmonische Analysen des Jahresganges der skalaren Mittelwerte, der zonalen Komponente und der meridionalen Komponente der Windgeschwindigkeit für verschiedene Höhen bis 30 km über Wien bis zum vierten Glied durchgeführt und die Ergebnisse im besonderen im Hinblick auf die Höhenabhängigkeit der Eintrittszeiten der Maxima und der Amplituden der einzelnen Teilwellen besprochen. Es zeigt sich, daß durch die Ergebnisse der harmonischen Analyse die Schichtungen im Windsystem der freien Atmosphäre und seiner Struktur deutlich zum Ausdruck gebracht werden können und daß damit auch die Bedeutung der aus dem Jahresgang der Strahlung und der meridionalen Temperaturverteilung zu erwartenden ganzjährigen Welle sowie der Anteil der zum Teil überwiegenden halbjährigen Welle für die verschiedenen Höhenbereiche quantitativ klargelegt werden kann.

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Summary The author presents a Fourier analysis of the annual variation of the scalar means, the zonal and the meridional components of the upper wind speed in various altitudes up to 30 km above Vienna. The analysis has been conducted up to terms of fourth order and the results are discussed especially with regard to the dependence on altitude of the times of the maxima and of the amplitudes of the various partial waves. It turns out that by means of the results of the harmonic analysis the stratification of the wind systems of the free atmosphere and its structure can be shown most clearly and that, with this, also the importance of the annual wave, which is to be expected from the annual variation of radiation and of the meridional temperature distribution, and the influence of the semi-annual wave, which predominates in some altitudes, can be clarified quantitatively.

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Résumé On procède ici à l'analyse harmonique de l'évolution annuelle des moyennes scalaires de la vitesse du vent et des moyennes des composantes zonale et méridienne. Ces analyses furent faites jusqu'au quatrième degré et pour différents niveaux jusqu'à 30 km d'altitude au-dessus de Vienne (Autriche). On en discute les résultats, en particulier en ce qui concerne la dépendance de l'altitude du moment des maximums et de l'amplitude des différentes ondulations partielles. Par le truchement des analyses harmoniques, il est possible d'exprimer de façon explicite l'étagement et la structure des systèmes de vents en altitude dans l'atmosphère libre. Il est également possible d'exprimer clairement l'importance de l'onde annuelle qui découle de l'évolution annuelle du rayonnement et de la répartition méridionale des températures. On peut également exprimer quantitativement la part de l'ondulation semestrielle qui revient aux différents niveaux, ondulation qui prédomine parfois.

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Mit 6 Abbildungen     

The vertical transfer of momentum in the general circulation

Summary A simplified scheme of the transfer of zonal momentum in the general circulation is first summarised. Observational evidence in support of the pattern of vertical transfer is then provided from the relation between the fields of pressure and wind over the oceans in the Trades and westerlies, with large down-gradient motion in the former and very little cross-isobar motion in the latter. In neither case are the concepts of the classical (barotropic) friction layer valid. The vertical gradients of downwind and cross-wind shear stress are evaluated and from them climatological values of eddy viscosity are deduced for the surface layers. Values of eddy viscosity at levels of a few hundred metres are also deduced and found to be greater than at lower levels, consistent with the pattern of momentum transfer advanced. The transfer in the lower troposphere is probably mainly convective above the layer of mechanical turbulence. There is a concluding discussion on the nature of the vertical transfer of momentum in the middle and upper troposphere.

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Zusammenfassung Zunächst wird ein vereinfachtes Schema für den Transport der zonalen Bewegungsgröße in der allgemeinen Zirkulation skizziert. Hierauf werden auf Grund der Beziehungen zwischen Druck- und Windfeld über den Ozeanen in den Gebieten der Passatwinde und der Westströmung auf Beobachtungsmaterial beruhende Beweise für den Vertikaltransport entwickelt; dabei erweist sich der Winkel zwischen Isobaren und Windrichtung in den Passatgebieten als groß, in der Westströmung als klein. In keinem der beiden Fälle haben die Anschauungen über die klassische (barotrope) Reibungsschicht Gültigkeit. Die Vertikalgradienten der Schubspannung in Richtung wie auch senkrecht zum Winde werden berechnet und daraus klimatologische Mittelwerte der scheinbaren Viskosität (Austausch) für bodennahe Schichten abgeleitet. Werte der scheinbaren Viskosität werden auch für Niveaus von einigen 100 m berechnet und größer als in niedrigeren Schichten gefunden, was in Übereinstimmung mit der entwickelten Anschauung über das Schema der Fortpflanzung der Bewegungsgröße steht. Der Austausch in der unteren Troposphäre oberhalb der Schicht mechanischer Turbulenz ist wahrscheinlich in der Hauptsache konvektiv. Zum Schluß wird das Wesen des Vertikalaustausches der Bewegungsgröße in der mittleren und oberen Troposphäre diskutiert.

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Résumé Un schéma simplifié du transport, dans la circulation générale, de la quantité de mouvement zonal est d'abord esquissé. Des arguments en faveur du transport vertical proposé sont alors fournis par les relations des champs de pression et du vent au-dessus des océans dans les zones des alizés et du courant d'ouest; dans la première, l'angle entre l'isobare et la direction du vent est grande, dans la seconde il est petit. Dans aucun des deux cas, la conception de la couche de friction classique (barotropique) n'est valable. Les gradients verticaux des tensions internes sont évalués dans la direction et normalement à la direction du vent et des valeurs climatologiques de la viscosité apparente due à la turbulence en sont déduites pour les couches voisines du sol. Les valeurs de la viscosité apparente calculées pour des niveaux de quelques centaines de mètres sont plus grandes que celles des niveaux bas, concordant ainsi avec le transport vertical proposé. Dans la basse troposphère le transport est probablement surtout convectif au-dessus de la couche de turbulence. En conclusion l'auteur discute la nature du transport vertical de la quantité de mouvement dans la troposphère moyenne et supérieure.

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With 1 Figure.     

Micro-climatological investigations in India

Summary The paper summarises some of the interesting results regarding the climate of the air layers near the ground at Poona (India), under subtropical conditions. The shimmering phenomenon, the thickness of the shimmering layer as estimated from the decay of short period temperature fluctuations with height, the diurnal variation of temperature in the soil and in the air layers near the ground surface, and the growth and decay of the inversion layer in relation to the shimmering layer are discussed. An instrument for recording the heat loss by convection from the insolated ground and the phenomenon of the invisible condensation of water vapour in the soil surface compensating the loss by evaporation during a part of the day are next referred to. The correlation between the vertical gradient of temperature and of wind velocity is found to be quite significant.Considerable progress has also been made in investigating the microclimates of plant communities like crops. Each crop shows a typical microclimate. The canopy effect in sugarcane resulting in a forced inversion of temperature during day time is of particular interest. Variations of wind velocity and evaporation both with height above ground and from crop to crop are also discussed.

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Zusammenfassung Es wird ein Überblick über einige interessante Resultate über das Klima der bodennahen Luftschicht in Poona (Indien) in subtropischen Verhältnissen gegeben. Der Szintillationseffekt, die Dicke der Schlieren bildenden Schicht, die sich aus der Abnahme der kurzperiodischen Temperaturschwankungen mit der Höhe abschätzen läßt, die Tagesschwankung der Temperatur im Boden und in den bodennahen Luftschichten sowie die Zu- und Abnahme der Inversionsschicht im Vergleich mit der Szintillationsschicht werden diskutiert. Sodann wird ein Instrument zur Registrierung des Wärmeverlusts durch Konvektion vom besonnten Boden beschrieben und die Erscheinung der unsichtbaren Wasserdampfkondensation an der Bodenoberfläche besprochen, durch die der Wärmeverlust durch Verdunstung während eines Teils des Tages kompensiert wird. Die Korrelation zwischen vertikalem Temperaturgradienten und Windgeschwindigkeit erweist sich als ziemlich signifikant.Bedeutende Fortschritte konnten auch bei der Erforschung der Mikroklimate von Pflanzengesellschaften, wie Getreide, erzielt werden; jede Getreideart zeigt ein typisches Mikroklima. Der Oberflächeneffekt bei Zuckerrohr, der zu einer erzwungenen Temperaturinversion während des Tages führt, bietet besonderes Interesse. Auch Schwankungen von Windgeschwindigkeit und Verdunstung mit der Höhe über dem Boden wie auch für Getreidearten werden diskutiert.

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Résumé On expose quelques résultats intéressants concernant le microclimat des basses couches d'air à Poona (Inde) dans des conditions subtropicales. On discute l'effet de scintillation, l'épaisseur de la couche produisant des stries, épaisseur que l'on peut estimer grâce à la diminution avec la hauteur des variations de température à courte période, la variation diurne de la température dans le sol et dans la couche d'air voisine de celui-ci, et enfin l'accroissement et l'amincissement de la couche d'inversion comparée à la couche de scintillation. Puis on décrit un appareil enregistreur de la perte de chaleur par convection du sol exposé au soleil; on discute le phénomène de la condensation invisible de la vapeur d'eau dans la surface du sol grâce à la quelle la perte de chaleur par condensation est compensée pendant une partie du jour. La corrélation entre le gradient vertical de température et la vitesse du vent se révèle assez significative.On a pu également enregistrer d'importants progrès dans l'étude du microclimat d'associations végétales telles que les céréales; chaque espèce de céréale présente un microclimat typique. Un intérêt particulier s'attache à l'effet de surface chez la canne à sucre qui conduit à une inversion forcée de température pendant le jour. On discute encore les variations de la vitesse du vent et de l'évaporation selon la verticale au-dessus du sol et cela en rapport avec les espèces de céréales.

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With 13 figures.     

Der Wind als Klimafaktor und als Indikator für Klimaschwankungen

Zusammenfassung Im ersten Abschnitt werden die wichtigsten Kennzeichen des Windklimas von Wien auf Grund der 50jährigen Stundenauswertungen des Anemographen an der Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik, Hohe Warte, abgeleitet, wobei auch der Vektornatur des Windes entsprechend Rechnung getragen wird. Der zweite Abschnitt handelt von den lagjährigen Schwankungen im Windklima und deren Zusammenhang mit Änderungen anderer Klimaelemente (Temperatur und Niederschlag).

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Summary Principal characteristics of the wind climate of Vienna are derived on the basis of hourly evaluations of anemographic records of 50 years at the Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik, Hohe Warte, with due consideration of the vector nature of wind. In a second part the longterm variations of wind climate and their relation to variations of other climatic elements (temperature and precipitation) are dealt with.

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Résumé Dans la première partie on établit les principau caractères du climat venteux de Vienne sur la base des valeurs horaires moyennes de 50 ans fournies par l'anémographe placé à la Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik, Hohe Warte, en tenant compte de la nature vectorielle du vent. La deuxième partie traite des variations séculaires du climat venteux et de leurs relations avec les variations d'autres éléments climatiques tels que la température et la pluie.

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Mit 10 Textabbildungen.     

The Ekman Spirals

Summary It is shown that some of the principal features of theEkman Spirals are valid even if the coefficient of friction is variable and that the theory with good approximation gives the explanation of the mean variation of the wind with the height from the anemometer height upwards and for the currents caused in the sea by the wind from the surface waves downwards. The relations between these two phenomena are discussed.

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Zusammenfassung Es wird gezeigt, daß einige der wichtigsten Eigenschaften der Ekman-Spiralen auch für einen variablen Reibungskoeffizient Geltung behalten und daß die Theorie mit guter Annäherung eine Erklärung für die mittlere Windänderung mit der Höhe von Anemometerhöhe aufwärts und für die windbedingten Strömungen im Meer von der Wellenfläche abwärts gibt. Die Beziehungen zwischen diesen zwei Erscheinungen werden diskutiert.

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Résumé L'auteur démontre que certaines des principales propriétés des spirales d'Ekman restent valables même avec un coefficient de frottement variable. En outre, cette théorie explique avec une bonne approximation la variation moyenne du vent avec l'altitude au-dessus de la hauteur de l'anémomètre et les courants occasionnés dans la mer par le vent de la surface des vagues vers le bas. L'auteur discute les relations existant entre les deux phénomènes.

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With 5 Figures.     

Wasserdampfschichtung über dem Meer und „Rauhigkeit” der Meeresoberfläche

Zusammenfassung Es werden die Schwierigkeiten erörtert, die der Anwendung derPrandtlschen Mischungswegtheorie auf das Problem der maritimen Verdunstung und der Windreibung an der Meeresoberfläche entgegenstehen. Sie sind bedingt einerseits durch die Windabhängigkeit der Oberflächenform des Meeres, andererseits durch die meistens herrschende nichtadiabatische Temperaturschichtung, für die diePrandtlschen Gleichungen und alle aus ihnen abgeleiteten nicht gelten.Es wird der Einfluß der vertikalen Temperaturschichtung auf den Verdunstungskoeffizienten gezeigt und auf die Fälschungen hingewiesen, die entstehen können, wenn man den hydrodynamischen Charakter der Meeresoberfläche untersucht, ohne die Temperaturschichtung zu beachten.Aus 164 Vertikalprofilen der Wasserdampfschichtung über dem Meer (Ostsee, Atlantik, Pazifik), die veröffentlicht vorliegen, wird die Abhängigkeit des Verdunstungskoeffizienten von der Windgeschwindigkeit und von der vertikalen Temperaturschichtung untersucht, und es werden adiabatische Werte des Verdunstungskoeffizienten abgeleitet. Diese nehmen mit der Windgeschwindigkeit zu von Werten, die etwa hydrodynamisch glatten Grenzflächen bei kleinen Windgeschwindigkeiten entsprechen, bis zu solchen über einer rauhen Fläche, deren Rauhigkeitsparameter mit der Windstärke wächst. Eine kritische Windgeschwindigkeit wird nicht beobachtet; der Übergang zu größerer Rauhigkeit scheint stetig vor sich zu gehen. Ergebnisse anderer Autoren werden diskutiert.

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Summary Difficulties in applyingPrandtls mixing length theory to the problem of maritime evaporation and of wind friction at the surface of the ocean are discussed. They are due, on the one hand, to the surface form of the ocean being dependent on the wind and on the other hand to the prevailing non-adiabatic temperature distribution for whichPrandtls equations and all those derived from them are not valid. The influence of the vertical temperature distribution on the evaporation coefficient is shown and the errors are indicated likely to arise if the hydrodynamic character of the surface of the ocean is studied without taking account of the temperature distribution. On the basis of 164 vertical profiles of the water vapor distribution above the ocean (Baltic Sea, Atlantic, Pacific) taken from publications the dependence of the evaporation coefficient on wind velocity and vertical temperature distribution is examined. Furthermore adiabatic values of the evaporation coefficient are deduced. These are shown to increase with the wind velocity from values corresponding to a hydrodynamically smooth boundary surface in case of small wind velocities to such occurring over a rough surface the roughness parameter of which is growing with the wind velocity. No critical wind velocity can be observed; the transition to greater roughness seems to be steady. Results found by other authors are discussed.

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Résumé L'auteur mentionne les difficultés que rencontre l'application de la théorie du parcours de mélange dePrandtl au problème de l'évaporation marine et du frottement du vent à la surface de la mer. Ces difficultés sont conditionnées d'une part par l'effet de la forme de la surface liquide sur le vent et d'autre part par la stratification thermique de l'air, en général non adiabatique, et pour laquelle les équations dePrandtl et toutes celles qu'on en déduit ne sont pas valables.On montre l'influence de la stratification thermique verticale sur la valeur du coefficient d'évaporation et les erreurs pouvant se produire lorsqu'on étudie le caractère hydrodynamique de la surface de la mer sans considérer la stratification thermique.164 profils verticaux de la teneur en vapeur d'eau au-dessus de la mer (Mer Baltique, océans Atlantique et Pacifique) permettent d'étudier le coefficient d'évaporation en fonction de la vitesse du vent et de la stratification thermique; on en déduit des valeurs adiabatiques de ce coefficient. Ces valeurs croissent avec la vitesse du vent en partant du cas d'une surface liquide unie jusqu'à celui d'une surface rugueuse et dont le paramètre de rugosité croît avec le vent. On n'observe pas de vitesse critique du vent, le passage à de plus fortes rugosités paraissant se faire d'une manière continue. Discussion de résultats d'autres auteurs.

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Mit 8 Textabbildungen.

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Herrn o. ö. Prof. Dr. GeorgWüst, Direktor des Institutes für Meereskunde, Kiel, zum 65. Geburtstag gewidmet.     

Grundschicht und Nullschicht,zwei polare Schichtbildungen in der Troposphäre

Zusammenfassung Nach einer summarischen Behandlung der Grundschicht wird die Einführung der Nullschicht der Troposphäre begründet. Ihre E genschaften werden ausführlich dargelegt, insbesondere der hier stattfindende Massentransport vom Tief zum Hoch. Der Massenfluß ist sowohl in der Grundschicht als auch in der Nullschicht ageostrophisch. Ist der Wind in der Grundschicht hypogeostrophisch, so ist er umgekehrt in der Nullschicht hypergeostrophisch. Der Nullschichteffekt wird durch die frühesten Beobachtungen über den Cirrenzug bestätigt. Zwischen den aktiven Schichten, der Grundschicht und der Nullschicht, gruppiert sich um das divergenzfreie Niveau (bei 4–5 km) die Adaptationsschicht, die durch die großen interdiurnen Vertikalbewegungen bei gleichzeitig fast vollständigem geostrophischem Gleichgewicht ausgezeichnet ist. Aus der Kohärenz von Hoch und Tief läßt sich ein Schema des zusätzlichen ageostrophischen Massenflusses, das zur Entwicklung von Hoch- und Tiefdruckgebieten führt, angeben.

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Summary After a short discussion of the ground layer (Grundschicht) the introduction of the neutral layer (Nullschicht) is accounted for. Its properties are given in detail, with particular consideration of the mass transport from low to high taking place in this region. The mass flow is ageostrophic in the ground layer as well as in the neutral layer. If the wind is hypogeostrophic in the ground layer it is, conversely, hypergeostrophic in the neutral layer. The effect of the neutral layer is confirmed by the oldest observations on the movement of cirrus. Between the active layers, i. e. ground layer and neutral layer, the adaptation layer is found at a level free of divergence (at 4–5 km) which is characterized by great interdiurnal vertical movements in the presence of a nearly perfect geostrophic equilibrium. From the coherence of low and high a model can be derived for the additional ageostrophic mass flow leading to the development of high and low pressure regions.

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Résumé Après un bref aperçu de la couche de base (Grundschicht), l'auteur justifie l'introduction de la notion de couche neutre (Nullschicht) de la troposphère; il en expose les propriétés, en particulier le transport de masse de la dépression à l'anticyclone qui s'y produit. Le flux de masse est agéostrophique tant dans la couche de base que dans la couche neutre. Si le vent de la première est hypogéostrophique, il est par contre hypergéostrophique dans la seconde. L'effet de la couche neutre est confirmé par les anciennes observations du mouvement des cirrus. Entre ces deux couches actives s'intercale la couche d'adaptation exempte de divergence (vers 4 à 5 km.), caractérisée par les grands mouvements verticaux interdiurnes par équilibre géostrophique quasi complet. A partir de la relation anticyclone-dépression, on peut dresser un schéma du flux de masse agéostrophique complémentaire conduisant au développement des régions de haute et de basse pression.

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Mit 1 Textabbildung     

Der Einfluß der Vegetation auf die Schwankungen des CO2-Gehaltes der Atmosphäre

Zusammenfassung Mit Hilfe des Ultrarot-Absorptionsschreibers wurden Tagesgänge des CO₂-Gehaltes in verschiedenen Höhen über einem Weizenfeld registriert. Während sich nachts durch die Atmung der Vegetation CO₂ am Boden anreichert, verarmt die bodennahe Luftschicht tagsüber infolge der Assimilation an CO₂. Das CO₂-Gefälle wechselt demnach zweimal täglich (morgens und abends) sein Vorzeichen. Infolge größerer Turbulenz ist das Gefälle bei Tag kleiner als bei Nacht; nach Multiplikation mit der Windgeschwindigkeit als Relativmaß des Austausches ergeben sich aber glaubhafte Relativwerte für den vertikalen CO₂-Strom und damit für die Kohlenstoffbindung und-entbindung durch die Pflanzendecke.

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Summary With the help of an infrared absorption-recorder the daily variation of CO₂ content in different heights above a wheat field has been recorded. During the night the CO₂ content is accumulated at the plant level by respiration, during the day diminished by photosynthesis. The CO₂ gradient thus changes its sign (+ or –) twice a day in the morning and evening. The CO₂ gradient is smaller during the day than in the night due to the stronger turbulence of the air. In multiplying gradients with wind velocities (used as a measure for the eddy exchange) one gets reasonable relative values for the vertical CO₂-stream, and thus also for photosynthesis and respiration of vegetation.

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Résumé La variation diurne de la teneur de l'air en CO₂ a été mesurée à différentes hauteurs au-dessus d'un champ de froment à l'aide d'un appareil enregistreur de l'absorption à l'infra-rouge. Tandis que cette teneur augmente de nuit au voisinage du sol par la respiration végétale, elle diminue au cours du jour par suite de l'assimilation. Le gradient vertical de la teneur en CO₂ change par conséquent de signe deux fois par jour, le matin et le soir; il est plus faible de jour à cause de la turbulence accrue que de nuit. Après multiplication par la vitesse du vent, mesure relative de l'échange turbulent, on obtient des valeurs relatives mais vraisemblables du courant vertical de CO₂ et par conséquent de la fixation et de la libération du carbone par la végétation.

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Mit 7 Textabbildungen.

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Nach einem am 15. Oktober 1951 auf der Meteorologentagung in Bad Kissingen gehaltenen Vortrag.     

Beobachtungen und Überlegungen zum tagesperiodischen Luftmassenaustausch

Zusammenfassung An Hand von gleichzeitigen Messungen des Dampfdruckes und aktinometrischen Bestimmungen des Gesamtwasserdampfgehaltesw über mehreren Stationen wird gezeigt, welche Bedeutung den aerologisch nur schwer zu erfassenden großräumigen tagesperiodischen Zirkulationen wie Gebirgswind, Seewind und tagesperiodischem Monsun für den Feuchtigkeitstransport bei antizyklonaler Wetterlage zukommt. In Jahren wie 1947 und 1949 mit besonders stabilen Hochdruckgebieten über dem Kontinent erweist sich die große klimatologische und ökologische Bedeutung dieser Zirkulation, indem dann bei großer Trockenheit im Alpenvorland im Alpengebiet nahezu normale Niederschläge fallen.

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Summary Actinometric determinations of the daily period of the quantityw of precipitable water in the atmosphere and observations of the vapour pressurew _D at the same places give a possibility to study the daily period of exchange of airmasses in mountainous regions, near the coasts and of whole continents in the case of anticyclonic weather. The smaller components of periodic circulation as wind along slopes, along valleys, between different surfaces and pure convection or turbulence seem to have only secondary importance in airmass exchange and affect only the vertical distribution in the groundlayer of the atmosphere, but are manifested by the daily period of direction and velocity of wind. The extraordinary drought in Central European lowlands in the summer 1947 and 1949 with nearly normal precipitation in the mountainous regions show the climatological importance of daily airmass exchange by the great mountain circulation in anticyclonal weather situations.

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Resumé Des mesures actinométriques du contenu intégral d'humidité et des observations de la pression de vapeur d'eau dans l'atmosphère audessus de diverses stations révèlent la grande importance de la circulation journalière étendue dans les alpes, aux côtes marines et pour des continents entiers au jours de temps anticyclonal. Quant aux circulations plus locales comme les vents le long des pentes, dans les vallées, entre différentes surfaces dans la plaine et la convection ou la turbulence qui se manifestent si sensiblement dans les périodicités du vent, ils sont seulement d'une importance secondaire dans le transport des masses d'air. Les étés 1947 et 1949 avec la grande sécheresse dans les plaines de l'Europe centrale et avec des précipitations presque normales dans les Alpes sont une démonstration impressionante de l'importance de cet échange périodique par temps anticyclonal.

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Mit 2 Textabbildungen.     

Zur harmonischen Analyse

Zusammenfassung Für die Anwendung der harmonischen Analyse in der Meteorologie wird ein einfaches Berechnungsschema angegeben. Weiters wird die Felddarstellung der ungeteilten Periodenvektoren als anschaulichstes Mittel der regionalen Verteilung des periodischen Ablaufs einer Erscheinung propagiert. Schließlich wird die bisher etwas vernachlässigte Anwendung der harmonischen Analyse auf Vektorgrößen (Wind) ausführlich expliziert.

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Summary A simple procedure of calculation for the application of the harmonic analysis in meteorology is given. For showing the geographic distribution of a periodic phenomen the representation by the field of the undivided periodic vector is proposed. Finally the application of the harmonic analysis upon vectors (as the wind) is demonstrated together in detail.

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Résumé L'auteur donne un schéma de calcul simple pour l'application de l'analyse harmonique à la météorologie. Puis il recommande l'usage de la représentation du champ des vecteurs périodiques inséparés comme moyen expressif d'exposer la distribution régionale de la marche périodique d'un phénomène. Il expose enfin l'emploi un peu négligé de l'analyse harmonique à des grandeurs vectorielles telles que le vent.

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Mit 1 Textabbildung.     

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.     

Bemerkungen zur Wolkenhöhenmessung mittels eines Vertikalradars im Vergleich zu optischen Wolkenhöhenmessungen

Zusammenfassung Anhand eines Beobachtungsmaterials von 700 Fällen optischer Wolkenhöhenmessungen und 443 Fällen, bei denen die Wolkenhöhe mittels eines X-Band-Vertikalradars bestimmt wurde, wird ein Vergleich zwischen beiden Verfahren angesgellt. Es zeigt sich, daß das optische Verfahren unterhalb 1000 bis 1500 m Wolkenbasishöhe dem Radarverfahren überlegen ist; darüber ist jedoch die Wolkenhöhenmessung mittels Radars wegen der Transparenz tiefer Wolken für die Radarfrequenzen zuverlässiger.

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Summary By means of 700 optical measurements of cloud ceiling and 443 soundings made with a X-band vertical radar a comparison is made between these two methods. One finds out that the optical method gives better results for ceilings below 1000 through 1500 m, whereas above this level the radar method is more reliable. The reason for this is that low clouds have a high transparency for radar waves.

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Résumé Au moyen de 700 déterminations optiques de la hauteur des nuages et de 443 cas où cette hauteur fut mesurée au moyen d'un radar vertical de bande X, on compare ces deux méthodes. Il en résulte que la détermination optique est préférable à celle au radar pour les bases des nuages inférieurs à 1000–1500 m. Au-dessus, la mesure au radar est plus sûre, puisque les nuages bas sont perméables aux fréquences utilisées.

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Mit 5 Textabbildungen     

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.

     

The effect of zonal winds on the atmospheric lunar tide

Summary Lunar tidal oscillations of an atmosphere with zonal winds are discussed theoretically. The main effect comes from vertical wind shears of middle latitude zonal winds. If, however, the zonal wind system is strictly antisymmetric with respect to the equator, there is no effect of the wind system. It is the equator-symmetric component of zonal wind systems that plays an important role. The meridional temperature gradient has no pronounced influence. There is a possibility that the observed annual variations of the lunar tide can be interpreted as a result of seasonal variations of zonal wind systems. But the proof requires information about the zonal winds in the southern hemisphere which is not yet available. Another possibility, namely the interpretation of the seasonal variation as a result of annual variations of global mean vertical temperature profile remains to be investigated and compared to the present result.

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Zusammenfassung Die Theorie der Mondgezeiten in einer Atmosphäre mit zonalen Winden zeigt, daß der stärkste Einfluß vonvertikalen Windänderungen in mittleren Breiten herrührt. Wenn das zonale Windsystem aber genau antisymmetrisch zum Äquator ist, hat es keinen Einfluß; nur der Teil mit äquatorieller Symmetrie wirkt auf die Gezeiten. Es besteht die Möglichkeit, daß die beobachtete jahreszeitliche Schwankung der Mondgezeit durch jahres-zeitliche Schwankungen des zonalen Windsystems erklärt werden kann; aber für den Beweis würde man mehr Information über die zonalen Winde in der Südhemisphere brauchen, als bis jetzt vorhanden ist. Eine andere mögliche Erklärung der jahreszeitlichen Änderung der Mondgezeit, nämlich als eine Folge jahreszeitlicher Schwankungen der mittleren vertikalen Temperatur-verteilung für die ganze Erde, muß noch untersucht und mit den vorliegenden Resultaten verglichen werden.

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Résumé La théorie des marées lunaires agissant sur une atmosphère ne présentant que des vents zonaux montre que la plus forte influence modificatrice se produit par des variations verticales du vent dans les latitudes moyennes. Cependant, lorsque le système des vents zonaux est exactement antisymétrique par rapport à l'équateur, il n'y a pas d'influence. Seules les parties symétriques à l'équateur ont une influence sur les marées lunaires. Il est possible que les variations saisonnières de la marée lunaire observées puissent être expliquées par des variations également saisonnières du système des vents zonaux. Pourtant, pour le prouver, on devrait disposer de plus d'informations que jusqu'ici sur les vents zonaux de l'hémisphère sud. Une autre explication possible des variations saisonnières des marées lunaires serait celle d'une conséquence des variations saisonnières de la répartition verticale de la température moyenne pour la terre entière. Cette hypothèse doit encore être étudiée et comparée aux résultats de la présente étude.

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With 10 Figures     

Valley winds in the mount Rainier area

Summary Four summer seasons of field work near Mt. Rainier have shown that a well-developed valley wind system tends to have the following features: Airflow within a valley is up the valley during the day and down it at night and is compensated by a return flow (anti-wind) at a higher level. The layers occupied by the two flows are of approximately equal thickness, and the boundary between them is generally at, or somewhat below, ridgeheight. Above the anti-wind, the flow depends on the large-scale synoptic situation.Horizontal wind speed in these two layers is greatest slightly below the center of each layer. Speeds reach a maximum in early afternoon and just beforce sunrise. The reversal between day and nighttime flows is almost simultaneous everywhere in the valley, about an hour after sunnet and sunrise.Vertical transport of air between the two layers appears to be localized, mainly in the neighborhood of the ridges. Slope winds apparently feed the vertical currents. Speed fluctuations, having a period of about 20 minutes, were observed in drainage winds near the surface at night.When a well-developed wind system occured in one valley, well-developed systems tended to occur in other valleys in the same area.

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Zusammenfassung Beobachtungen im Verlaufe von vier Sommern im Mount-Rainier-Gebiet zeigten ein gutentwickletes Talwind-System mit folgenden Eigenschaften: Die Luft im Tale bewegt sich tags talaufwärts und nachts talabwärts; diese Strömung wird kompensiert durch ein Gegenwind-System in größerer Höhe. Die vertikale Erstreckung der übereinander liegenden Strömungen ist etwa gleich, und ihre Grenzfläche liegt, im allgemeinen, in oder etwas unter der Höhe der Bergkämme. Oberhalb des Gegenwindes beherrscht die weiträumige synoptische Situation die Strömung.Die Horizontalgeschwindigkeit ist für beide Windsysteme am größten etwas unter dem Zentrum der betreffenden Schicht. Geschwindigkeitsmaxima werden am frühen Nachmittag und kurz vor Sonnenaufgang erreicht. Der Umschlag von Tag- zu Nachtströmungen erfolgt nahezu gleichzeitig in allen Teilen des Tales, und zwar je etwa eine Stunde nach Sonnenaufgang bzw. Sonnenuntergang.Der vertikale Luftmassenaustausch zwischen beiden Schichten erfolgt im wesentlichen oberhalb der Bergkämme. Dieser vertikale Kammwind wird von unten durch den Hangwind ernährt. Im nächtlichen Fallwind wurden Geschwindigkeits-Variationen mit einer Periode von etwa 20 Minuten beobachtet.Wenn gut entwickelte Wind-Systeme in einem Tal vorkommen, kann man auch in anderen Tälern gut entwickelte Systeme erwarten.

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Résumé Des observations faites durant quatre étés dans la région du Mount Rainier ont montré la présence d'un système bien développé de brises de vallée et de montagne. Ce système a les particularités suivants: Le courant est dirigé vers l'amont durant la journée, vers l'aval durant la nuit. Ces courants sont compensés par un système de vents contraires à grande altitude. Le développement vertical des deux courants est à peu près identique et la surface qui les sépare est située, en général, à l'altitude des crêtes ou légèrement au-dessous. Le courant situé au-dessus du ven contraire est déterminé par la situation synoptique générale.La vitesse horizontale du vent est maximum pour les deux systèmes un peu au-dessous du centre de la couche correspondante. Les plus grandes vitesses se mesurent au début de l'après-midi et peu avent le lever du soleil. Le passage de la brise de vallée à la brise de montagne ou vice versa s'opère presque simultanément en tous les points de la vallée et cela approximativement une heure après le lever, respectivement le coucher du soleil.L'échange vertical des masses d'air entre les deux couches se fait principalement au-dessus des crêtes. Ce vent vertical de crêtes est alimenté d'en bas par le courant remontant les pentes. Dans le cas du vent nocturne descendant, on a observé des variations de vitesse ayant une périodicité de 20 minutes environ.Si l'on observe dans une vallée déterminée un système bien développé de brises de vallée et de montagne, on peut s'attendre à ce que des systèmes semblables se retrouvent également dans d'autres vallées de la même région.

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With 9 Figures

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Contribution No. 97, department of Atmospheric Sciences, University of Washington, Seattle, USA.

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This research was aided by the U.S. Air Force Cambridge Research Laboratories under AF Contract 19 (604)-7201, Project 7655, Task 7655.