Northern hemisphere atmospheric response to changes of atlantic ocean SST on decadal time scales: a GCM experiment

Analyses indicate that the Atlantic Ocean seasurface temperature (SST) was considerably colder at the beginning than in the middle of the century. In parallel, a systematic change in the North Atlantic sea-level pressure (SLP) pattern was observed. To find out whether the SST and SLP changes analyzed are consistent, which would indicate that the SST change was real and not an instrumental artifact, a response experiment with a low-resolution (T21) atmospheric GCM was performed. Two perpetual January simulations were conducted, which differ solely in the Atlantic Ocean (40° S-60° N) SST: the cold simulation utilizes the SSTs for the period 1904–1913; the warm simulation uses the SSTs for the period 1951–1960. Also, a control run with the model's standard SST somewhat between the cold and warm SST was made. For the response analysis, a rigorous statistical approach was taken. First, the null hypothesis of identical horizontal distributions was subjected to a multivariate significance test. Second, the level of recurrence was estimated. The multivariate statistical approaches are based on hierarchies of test models. We examined three different hierarchies: a scale-dependent hierarchy based on spherical harmonics (S), and two physically motivated ones, one based on the barotropic normal modes of the mean 300 hPa flow (B) and one based on the eigenmodes of the advection diffusion operator at 1000 hPa (A). The intercomparison of the cold and warm experiments indicates a signal in the geostrophic stream function that in the S-hierarchy is significantly nonzero and highly recurrent. In the A-hierarchy, the low level temperature field is identified as being significantly and recurrently affected by the altered SST distribution. The SLP signal is reasonably similar to the SLP change observed. Unexpectedly, the upper level stream-function signal does not appear to be significantly nonzero in the B-hierarchy. If, however, the pairs of experiments warm versus control and cold versus control are examined in the B-hierarchy, a highly significant and recurrent signal emerges. We conclude that the cold versus warm response is not a small disturbance that would allow the signal to be described by eigenmodes of the linear system. An analysis of the three-dimensional structure of the signal leads to the hypothesis that two different mechanisms are acting to modify the model's mean state. At low levels, local heating and advection are dominant, but at upper levels the extratropical signal is a remote responce to modifications of the tropical convection.This paper was presented at the International Conference on Modelling of Global Climate Change and Variability, held in Hamburg 11–15 September 1989 under the auspices of the Meteorological Institute of the University of Hamburg and the Max Planck Institute for Meteorology. Guest Editor for these papers is Dr. L. Dilmenil.AWI Publication no. 254     

Thermal comfort of man in different urban environments

Summary On July 29, 1985, a hot summer day, biometeorological measurements were performed simultaneously in three different urban structures within the city of Munich and in the trunk space of a nearby tall spruce forest. Based on the results of these experiments the following thermophysiologically relevant biometeorological indices were calculated: Predicted mean vote, skin wettedness and physiologically equivalent temperature. These three indices are derived from different models for the human energy balance. They allow the assessment of the thermal components of the microclimates at the selected sites with regard to application in urban planning. The results quantitatively show the great heat stress in the urban structure street canyon, exposed to south, whereas in the trunk space of the tall spruce forest there is nearly an optimal climate even on hot summer days. Between these extremes the results for street canyon, exposed to north show a little higher heat load than for backyard with trees.

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Zusammenfassung An einem heißen Sommertag, dem 29. Juli 1985, wurden in drei Stadtstrukturen in München und im Stammraum eines nahegelegenen Fichtenhochwaldes zeitgleich biometeorologische Messungen durchgeführt. Mit den Meßergebnissen wurden folgende thermophysiologisch relevante biometeorologische Indizes berechnet: Predicted mean vote, Hautbenetzungsgrad und physiologisch äquivalente Temperatur. Diese drei Indizes beruhen auf verschiedenen Modellen zur menschlichen Energiebilanz. Mit den drei Indizes wurden die thermischen Komponenten der Mikroklimate an den ausgewählten Meßplätzen im Hinblick auf Stadtplanungsaufgaben bewertet. Die Ergebnisse zeigen quantitativ die relativ große Hitzebelastung bei der Stadtstruktur Straßenschlucht, nach Süd exponiert, während im Stammraum des Fichtenhochwaldes selbst an heißen Sommertagen nahezu optimale Bedingungen herrschen. Zwischen diesen Extremen liegen die Ergebnisse für die anderen Meßplätze, wobei für Straßenschlucht, nach Nord exponiert die Wärmebelastung etwas höher als für Innenhof mit Bäumen ist.

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With 6 Figures     

Development of sea surface temperature,surface wind and divergence anomalies during a composite ENSO episode

Summary The interannual variations in sea surface temperature (SST) in the equatorial east Pacific, which are dominated by the El Niño phenomenon, are shown for the period 1870–1983. Since 1870 25 significant warm events have occurred. These events are classified as weak, moderate, strong and very strong, according to the normalized SST anomalies in the region 130° W–80° W, 0°–5° S.The spatial and temporal development of a composite El Niño/Southern Oscillation (ENSO) episode, based on 10 very strong or strong events, is presented in terms of SST, surface wind and divergence anomalies for the tropical Pacific (10° N–30° S). During its evolution the following phases are distinguished: Antecedent Conditions, Onset Phase, Peak Phase, Mature Phase and Dissipation Stage.Some aspects of ocean-atmosphere interaction associated with this evolution and, more specifically, the initiation of the composite event, are described. Seasonally varying feedback processes between SST, surface wind and convergence anomaly patterns in the western Pacific/Indonesian region suggest a possible mechanism for the initiation of typical ENSO events.

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Zusammenfassung Die interannuären Variationen der Meeresoberflächentemperatur (SST) im äquatorialen Ostpazifik, die von dem El Niño-Phänomen dominiert werden, werden für die Periode 1870–1983 aufgezeigt. Seit 1870 traten 25 signifikante Ereignisse auf. Diese Ereignisse werden entsprechend den normierten SST-Anomalien in der Region 130° W–80° W, 0°–5° S als schwach, mittel, stark und sehr stark klassifiziert.Die räumliche und zeitliche Entwicklung einer Komposit-El Niño/Southern Oscillation (ENSO)-Episode, die auf 10 sehr starken bzw. starken Ereignissen basiert, wird anhand von SST-, Bodenwind- und Divergenzanomalien für den tropischen Pazifik (10° N–30° S) dargestellt. Während ihrer Entwicklung werden die folgenden Phasen unterschieden: Vorausgehende Bedingungen, Einsetzphase, Spitzenphase, Reifestadium und Auflösungsstadium.Einige Aspekte der Wechselbeziehungen Ozean—Atmosphäre werden im Zusammenhang mit der Entwicklung und insbesondere der Auslösung des Komposit-Ereignisses beschrieben. Jahreszeitlich variierende Rückkopplungsprozesse zwischen SST-, Bodenwind- und Konvergenzanomalien in der westpazifischen/indonesischen Region stellen einen möglichen Mechanismus für die Auslösung typischer ENSO-Ereignisse dar.

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With 9 Figures     

A note on the frequency of occurrence of severe winters as evidenced in monastery and historical records from Greece during the period 1200–1900 A.D.

Summary Monastery and historical records for Greece during the period 1200–1900 A.D. have been used to obtain the number of severe winters which occurred during this time period. A winter was considered as being severe if long duration of snow cover and/or freezing of lakes in Greece were archived. Evidence is presented that the coldest periods in Greece during the period 1200–1900 A.D. occurred in the first half of the 15th century, in the second half of the 17th and in the 19th century. Geographical coherence is indicated with other areas in Europe, e.g., with The Netherlands, where historical records exist over the same period. The number of severe winters in 50-year intervals does show a positive correlation with the volcanic dust veil index.

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Zusammenfassung Kloster- und andere historische Aufzeichnungen Griechenlands über den Zeitraum 1200 – 1900 wurden herangezogen, um die Anzahl der strengen Winter zu ermitteln. Ein Winter wurde als streng eingestuft, wenn lang anhaltende Schneedecke und/oder das Einfrieren von Seen in Griechenland verzeichnet wurden.Deutlich erweisen sich hierbei die erste Hälfte des 15. Jahrhunderts, die zweite Hälfte des 17. Jahrhunderts und das 19. Jahrhundert als kälteste Perioden in Griechenland während des genannten Zeitraums. Dies erwies sich als geographisch kohärent mit anderen Teilen Europas, z. B. mit den Niederlanden, für die historische Aufzeichnungen über den selben Zeitraum existieren. Die Anzahl der strengen Winter in 50-Jahr-Intervallen weist eine positive Korrelation mit dem Vulkanstaub-Index auf.

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With 3 Figures     

Plötzlicher Herztod und Wetter

Zusammenfassung An einem Material von 100 Fällen eindeutig gesicherten Herztodes, die im Institut für Gerichtliche und Soziale Medizin in Frankfurt am Main aus einem bestimmten Bereich — Raum Frankfurt am Main — und einer bestimmten zeit—Kalenderjahre 1948 bis 1950—zur Autopsie gelangten, einerseits und den bioklimatischen Daten für den gleichen Raum und die gleiche Zeit anderseits, wurde der Zusammenhang von Herztodesfällen und Wettervorgängen mit der Wahrscheinlichkeitsüberlegung, dem Wahrscheinlichkeitsintegral und formalstatistischen Methoden überprüft. Die Auswertung ergab, daß eine starke Abhängigkeit des Herztodes vom Wettergeschehen besteht. Die Häufung der Herztodesfälle konnte für die Sammelgruppe Wetterstörungen, für labiles Aufgleiten, Warmfront mit Aufgleiten und Kaltfront mit Turbulenz ebenso eindeutig gesichert werden, wie die Verminderung der Herztodesfälle in störungsfreien Zeiten. Die hohe Wahrscheinlichkeit einer Beziehung besteht ferner für Kaltfront mit Aufgleiten und in geringerem Maße auch für Föhndurchbruch. Während bei Okklusion das Material zu einem abschließenden Urteil zu gering war, konnte bei allen übrigen Wetterlagen eine Beziehung zum plötzlichen Herztod nicht nachgewiesen werden. Auch für die Gruppen, bei denen eine enge Beziehung statistisch gesichert werden konnte, sei betont, daß die Wettervorgänge nicht die alleinige Ursache des plötzlichen Herztodes, sondern nur ein auslösendes Moment bei schon vorher schwer geschädigten Herzen darstellen.

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Summary On the basis of 100 ascertained cases of cardiac death from a certain region—province Frankfort on-the-Main—and a certain period—calendar years 1948 to 1950—, submitted to autopsy in the Institute for Legal and Social Medicine at Frankfort on-the-Main, and of bioclimatic data from the same region and period, the relation between cardiac death and meteorological phenomena was examined by means of probability considerations, the probability integral, and methods of formal statistics. Evaluation of this material showed cardiac death to be strongly dependent on weather conditions. Increase of frequency of cardiac death could be established without any doubt for the collective groups weather disturbances, unstable ascending motion, warm front with ascending motion, cold front with turbulence, whereas decrease of frequency was found in undisturbed periods. Furthermore, high probability of an existing relation was found for cold front with ascending motion and, to a lesser degree, also for foehn invasion. As to occlusion no definite conclusions could be drawn for scarcity of observations. For all the other weather types no relation to sudden cardiac death could be proved. Meteorological phenomena are by no means the only cause of sudden cardiac death, not even for the groups in which a close relation could be established statistically. They have but an initiatory effect in case of prior severe heart diseases.

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Résumé Disposant d'un matériel médical de 100 cas de mort cardiaque qui ont fait l'objet d'autopsies à l'Institut de médecine légale et sociale de Francfort sur le Mein (région de Francfort et période de 1948 à 1950), et disposant d'autre part pour la même région et pour la même période d'observations bioclimatologiques, l'auteur a étudié la relation de ces décès avec les phénomènes météorologiques à l'aide des méthodes modernes de statistique, de l'intégrale de probabilité etc. Le résultat montre une étroite dépendance centre les cas de mort cardiaque et les conditions météorologiques. On a pu vérifier sans doute possible l'augmentation des décès lors de «perturbations», d'«ascendances labiles», de «fronts chauds avec glissement ascendant», de «fronts froids avec turbulence», de même que leur diminution lors de périodes non troublées. La forte corrélation subsiste avec les «fronts froids avec ascendance» et à un moindre degré avec «l'invasion du foehn». Tandis que pour les «occlusions» le matériel disponible était trop restreint pour aboutir à une conclusion, l'examen des situations autres que les précédentes n'a pas conduit à une relation intime. Il convient de remarquer que pour tous les groupes de météores ayant donné une corrélation statistique très nette, les phénomènes météorologiques n'ont joué qu'un rôle déclancheur chez des malades déjà gravement atteints.

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Mit 2 Textabbildungen.     

Analyse dreier Forschungsflüge des „Project Jet Stream”

Zusammenfassung Aus detaillierten Analysen der Project Jet Stream-Flüge Nr. 9 (10. Januar 1957), Nr. 12 (18. Januar 1957) und Nr. 19 (16. Februar 1957) können einige interessante Schlußfolgerungen auf die Feinstruktur der Atmosphäre im Bereich von Strahlströmen gezogen werden. Aus den Analysen der potentiellen Temperatur geht eine blättrige Struktur der Troposphäre unterhalb und rechts des Strahlstromkernes deutlich hervor. Flug Nr. 9 zeigt die Bildung stehender Leewellen mit maximalen Amplituden im Bereich stabiler Zonen. Flug Nr. 12 läßt besonders gut die lang anhaltende Erhaltungstendenz der mesostrukturellen Temperatur- und Geschwindigkeitsschwankungen erkennen, während bei der Analyse des Fluges Nr. 19 ein Verlagerungsmechanismus festzustellen war, der eine Verschiebung des Strahlstromkernes gegen höhere Niveaus hin zu bewirken scheint.

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Summary From detailed analyses of Project Jet Stream Flights No. 9 (10 January 1957), No. 12 (18 January 1957) and No. 19 (16 February 1957) several interesting conclusions may be drawn as to the detailed structure of the atmosphere near jet streams. The leaf-like structure of the troposphere below and to the right of the jet-stream core can be seen from the analyses of potential temperature. Flight No. 9 shows the formation of standing lee-waves with maximum amplitudes within stable layers. Flight No. 12 gives an exceptionally good account of the long-lasting conservation of meso-scalar fluctuations in temperature and wind speed. Flight No. 19 reveals a mechanism of progression of the jet core, which enables the jet axis to proceed towards higher levels.

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Résumé L'analyse détaillée de trois vols effectués dans le cadre du Project Jet Stream 1957 permet de tirer quelques conclusions intéressantes relatives à la structure fine de l'atmosphère dans le domaine du jet. la température potentielle fait apparaître une structure feuilletée de la troposphère sous le jet et à sa droite. Le vol No 9 montre la formation d'ondes stationnaires à amplitude maximum dans le domaine de zones stables. Le vol No 12 met en évidence la persistance de variations de température et de vitesse à l'échelle moyenne, tandis que le vol No 19 décèle un mécanisme tendant à déplacer l'axe du jet vers le haut.

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Mit 24 Textabbildungen

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Die hier vorgelegten Analysen wurden unter Anleitung von Dozent Dr.E. R. Reiter in einem Seminar über Meteorologische Analyse angefertigt.     

What is the “sign” of the atmospheric-electric field?

Summary The sign of the vector representing the atmospheric electric field has recently been subject of debate. For the sake of clarity, it is recommended to refer only to a normal or reversed clear-weather potential gradient.

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Zusammenfassung Eine in letzter Zeit entstandene Diskussion darüber, welches Vorzeichen dem Vektor des atmosphärisch-elektrischen Feldes bzw. des Potentialgefälles zuerkannt werden soll, erscheint wenig sinnvoll. Zur Vermeidung künftiger Unklarheiten wird empfohlen, bei der atmosphärischen Elektrizität nur von normaler Schönwetterrichtung und umgekehrter Schönwetterrichtung des Feldes bzw. des Potentialgefälles zu sprechen.

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Résumé Une récente discussion a porté sur le signe qui devait être attribué au vecteur du champ électrique atmosphérique respectivement de son gradient de potentiel. On recommande, pour éviter à l'avenir toute confusion, de ne parler en électricité atmosphérique et quand il s'agit du champ ou du gradient de potentiel, que de «direction normale de beau temps» et de «direction inversée de beau temps».

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Dedicated to Dr.W. Mörikofer on the occasion of his 70th birthday.     

Numerische Integrationen einer Gleichung für die turbulente Diffusion in der Atmosphäre

Zusammenfassung Es werden numerische Integrationen der dreidimensionalen Fickschen Diffusionsgleichung mit höhenabhängigen Diffusionskoeffizienten und Windgeschwindigkeit für den stationären Fall und eine kontinuierlich emittierende Punktquelle durchgeführt. Für die drei typischen Ausbreitungsverhältnisse Starke Durchmischung, Bodeninversion und Inversion über der Quelle, charakterisiert durch die Diffusionskoeffizienten und die Windgeschwindigkeit, werden die Einflüsse unterschiedlicher Quellhöhe, Sinkgeschwindigkeit und Ablagerungsgeschwindigkeit studiert.

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Summary Numerical integrations of the threedimensional Fickean diffusion equation with height dependent diffusion coefficients and wind velocity are performed in the stationary case with a continuous point source. For the three typical cases strong mixing, surface inversion and inversion above the source characterized by the diffusion coefficients and wind velocity, the effects of source height, sinking velocity and deposition velocity are discussed.

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Résumé Les auteurs ont procédé à l'intégration numérique de l'équation à trois dimensions de la diffusion, équation établie par Fick. Ils ont, pour cela, utilisé des coefficients de diffusion variant avec l'altitude et la vitesse du vent et distingué l'état stationnaire et le cas d'une source d'émission ponctuelle et continue. Ils étudient en outre les influences de hauteurs différentes de la source, de la rapidité de subsidence et de la vitesse de sédimentation. Ils ont tenu compte pour cela des trois conditions typiques de diffusion mélange très accentué, inversion au sol et inversion au-dessus de la source.

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Mit 7 Textabbildungen     

Bodendruckänderung und Winddivergenz auf isobaren Flächen

Zusammenfassung In der synoptischen Praxis, insbesondere bei der Konstruktion von Vorhersagekarten, hat sich die Methode, Intensitätsänderungen des Bodendruckfeldes aus der geometrischen Konfiguration der Isopotentialen höher gelegener isobarer Flächen abzuschätzen, vornehmlich mittels derScherhagschen Divergenztheorie, vielfach bewährt, wenngleich mitunter auch erhebliche Abweichungen vomScherhagschen Konzept zu vermerken sind. Bei Annahme einer weitgehend stationären Höhenströmung folgt aus der Tendenzgleichung in Verbindung mit der Vorticitygleichung, daß ein Beitrag zur Bodendruckänderung nur dann von der betreffenden Schicht geliefert wird, wenn die (absolute) Vorticity ein entsprechendes Gefälle stromabwärts aufweist. Bei einem idealisierten Stromlinienverlauf im Bereich von Frontalzonen zeigt sich, daß die Vorticity im Zentralbereich hauptsächlich infolge Windscherung, im Delta und Einzugsgebiet dagegen vor allem durch das Verhältnis der Windgeschwindigkeit zum Krümmungsradius gegeben ist. Ohne daher auf die im allgemeinen zeitraubende Konstruktion der Linien gleicher absoluter Vorticity zurückgreifen zu müssen, läßt sich für die Praxis die Regel angeben, daß im Delta nur dann Druckfall zu erwarten ist, wenn das Verhältnis von Windgeschwindigkeit zum Krümmungsradius daselbst kleiner ist als die Windscherung im Zentralbereich. Es gibt daher auch einen Grenzfall für die Krümmung im Auffächerungsgebiet, bei dem keine Divergenz mehr auftritt. Dies dürfte im wesentlichen bei der als Blocking Action bekannten Aufspaltung einer zonalen Strömung in zwei nach Norden und Süden reichende Äste der Fall sein. Die hier abgeleitete Regel deckt sichnicht mit derScherhagschen Auffassung, daß für die Größe des im Delta auftretenden Druckfalles die Differenz der Geschwindigkeitsquadrate zwischen Zentrum und Delta maßgebend sei. Vor allem läßt sich bei dieser Anschauung niemals der eben erwähnte Grenzfall erkennen. Die theoretischen Betrachtungen werden an Hand einer Wetterlage überprüft und im wesentlichen als richtig befunden.

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Summary In synoptic procedures mainly as regards the construction of forcast maps the method frequently is used to estimate changes of surface pressure tendencies considering the shape of contours of upper constant pressure surfaces according toScherhag's well known Divergence Theory, though some cases may show serious divergences withScherhag's theory. Assuming a stationary upper flow the tendency equation combined with the vorticity equation shows that a contribution to surface pressure changes from the level under consideration can only be expected if the (absolute) vorticity decreases downstream. Considering the shape of streamlines (which practically coincide with the contours) in the vicinity of a frontal zone we may recognize that the vorticity in the central zone is mainly given by the wind shear, whereas in the entrance and exit area the quotient of wind velocity to radius of curvature prevails against the windshear. From this the conclusion is drawn that pressure fall in the exit or delta of a frontal zone can only be expected in practice if the quotient of wind velocity to radius of curvature in this area is less than the wind shear in the center. Furthermore these considerations show that there exists a limit value for the radius of curvature in the delta where actually no divergence and therefore no contribution to pressure fall occurs. This case may be realized in the so called Bloking action where contours show a well marked split of an originally zonal current towards south and north and where usually no pressure fall below is observed. The here derived rule cannot be brought into accordance withScherhag's idea that the magnitude of pressure fall in the delta of a frontal zone is given by the square of wind velocity in the center minus that in the delta. Finally the theoretical considerations are checked in an actual weather situation and found to be useful for short range forecast procedures.

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Résumé Dans la pratique synoptique, en particulier par le dessin de cartes de prévision, la méthode consistant à estimer l'importance des variations de pression au sol à partir de la configuration géométrique des isopotentielles des surfaces isobares d'altitude, cela surtout au moyen de la théorie de la divergence deScherhag, a été employée avec succès même s'il a fallu parfois s'écarter passablement du concept primitif de son auteur. En admettant un courant stationnaire d'altitude, l'équation de tendance combinée avec celle de vorticity montre qu'il y a effet de la couche considérée sur la variation de pression au sol seulement lorsque la vorticity (absolue) présente un gradient dirigé vers l'aval du vent. Au sein d'un système de lignes de courant idéalisées dans le domaine de zones frontales, on constate que la vorticity dans la partie centrale résulte essentiellement du cisaillement du vent, mais par contre du rapport du vent au rayon de courbure dans le delta et dans la région d'alimentation. Au lieu de recourir au tracé pénible des lignes d'égale vorticity absolue, on peut dans la pratique se fonder sur la règle qu'il n'y aura baisse de pression dans le delta que lorsque le rapport de la vitesse du vent au rayon de courbure y est plus petit que le cisaillement dans la zone centrale. Il y a donc aussi un cas limite pour la courbure des lignes de courant pour lequel il n'y a plus de divergence. Cela doit se produire lors du partage (blocking action) d'un courant zonal en deux branches dirigées vers le Nord et vers le Sud. La règle énoncée ici ne correspond pas à la conception deScherhag selon laquelle la grandeur de la baisse de pression du delta dépend de la différence des carrés des vitesses au centre et au delta; selon ce point de vue, le cas limite mentionné n'apparaît pas. Ces considérations théoriques sont vérifiées par un exemple.

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Mit 4 Textabbildungen.     

Über den zweidimensionalen Impulsaustausch rotierender Systeme

Zusammenfassung Meteorologie, Ozeanographie und Astrophysik haben es mit weiträumigen Austauschbewegungen (weniger treffend Turbulenz genannt) zu tun, welche in einem rotierenden System durch Wärmewirkungen (meist Bestrahlung) entstehen und an eine mitrotierende Fläche, z. B. an die Erdoberfläche oder an eine andere Gleitfläche gebunden sind. Wenn man diese, durch Wärmewirkungen angetriebenen Bewegungen und Vermischungen als isotrope Turbulenz (bei der beide Koordinaten gleichberechtigt sind) behandelt, so entkleidet man sie ihrer wesentlichen Eigenschaften. Denn meistens bedingt der Wärmeantrieb eine bevorzugte Achse der Austauschbewegungen; die Turbulenzquanten werden überwiegend in beiden Richtungen dieser Vorzugsachse angestoßen (Kap. I).Derartige (zweidimensionale) Austauschbewegungen bewirken nun einen charakteristischen Transport der Drehimpulse. Dieser Transport fließt in Richtung der Vorzugsachse. Er wird nachstehend berechnet, und zwar zunächst (in Kap. II) unter der Voraussetzung, daß das einzelne Austauschquantum durch seine Bewegung kein eigenes Druckfeld erzeugt (Massenpunktaustausch), weiterhin (in Kap. III) ohne diese Einschränkung (Gradientwindaustausch). Die in der Meteorologie geostrophisch genannten Winde können also in diesem Sinne als Austauschbewegungen der Atmosphäre gelten.Schließlich werden die Bedingungen untersucht, denen die Eigenrotation (vorticity) der einzelnen (großen) Austauschquanten in der Atmosphäre (und im Meer) unterliegt, wenn Reibung und Vermischung ausgeschlossen werden. Es zeigt sich, daß in diesem Fall die großen rotierenden Austauschquanten ihre vorticity (die Vertikalkomponente des absoluten Geschwindigkeitsrotors) fast unverändert behalten (Kap. IV).Die zweidimensionale Austauschtheorie, die an und für sich auf vielen Gebieten der Geophysik und Astrophysik Anwendung finden kann, bewährt sich zunächst in bezug auf die planetarische Zirkulation der Erdatmosphäre. Wenn man die Reibung am Erdboden mitberücksichtigt, gelingt es, die wertvollen BefundeC. G. Rossbys und seiner Mitarbeiter hinsichtlich der allgemeinen Zirkulation höherer Schichten in eine Gesamtschau aller Zirkulationserscheinungen einzufügen (Kap. V).

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Summary Meteorology, oceanography and astrophysics have to deal with wide, there and back flowing motions of exchange (less characterized in the word turbulence) which are caused in a rotating system by supply of heat (mostly insolation) and are associated with a surface rotating with it, e. g. the surface of the earth, or with another gliding surface. In treating these motions and mixings, moved by heat effects, like an isotropic turbulence (where the two co-ordinates are equivalent) they get deprived of their essential properties. For, the impetus of heat mostly involves a preferred axis of the exchange movements; the turbulence quanta chiefly are pushed in both directions of this predominating axis (Chap. I).Such (two-dimensional) turbulent exchanges cause a characteristic transport of impulses. These are carried in both directions of the axis of preference. This transport is computed, in chapter II, on the assumption that the individual quantum of exchange does not form by its motion an own field of pressure (exchange of mass points), in chapter III without this restriction (exchange by gradient wind). Therefore in meteorology the so-called geostrophic winds may be considered in this sense as turbulent exchange motions of the atmosphere.Finally, in chapter IV, the conditions are examined, from which depends the vorticity of the individual exchange quanta in the atmosphere (and in the sea), if friction and mixing are excluded. It is shown that in this case the big rotating exchange quanta keep almost unaltered their vorticity (the vertical component of the curl of the absolute velocity).The two-dimensional theory of exchange, which may be applied in many problems of geophysics and astrophysics, holds good with regard to the planetary circulation of the earth's atmosphere. In taking into consideration also the friction on the soil, it is possible to insert in a general aspect of all phenomena of circulation the precious results ofC. G. Rossby and his collaborators as to the general circulation of the upper layers (Chap. V).

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Résumé En météorologie, en océanographie et en astrophysique on a affaire à de vastes «mouvements d'échange», courants çà et là, connus sous le terme moins adéquat de «turbulence», engendrés dans un système en rotation par des sources de chaleur (en général le rayonnement) et qui sont liés à une surface en rotation comme par exemple la surface terrestre ou quelque surface de glissement. Si l'on traite ces mouvements et mélanges d'origine calorique comme turbulence «isotrope» (pour laquelle les deux coordonnées sont équivalentes), on les dépouille de leurs caractères essentiels, car la source de chaleur impose en général aux mouvements d'échange turbulents un axe préférentiel selon lequel les quanta de turbulence sont principalement activés (Chap. I).De tels mouvements d'échange turbulents (à deux dimensions) créent un transport d'impulse caractéristique. Ce transport va dans les deux directions de l'axe préférentiel. Il est calculé dans ce qui suit, tout d'abord (Chap. II) en admettant que chaque quantum d'échange ne crée pas de champ propre de pression par son mouvement, puis sans cette restriction (Chap. III). Les vents appelés «géostrophiques» peuvent donc être considérés dans ce sens comme des mouvements d'échange turbulent de l'atmosphère.Enfin on étudie les conditions auxquelles est soumise la rotation propre («vorticity») des quanta d'échange individuels dans l'atmosphère (et dans la mer) lorsque l'on exclut le frottement et le mélange. On trouve que dans ce cas les grands quanta d'échange rotationnels conservent presque inchangée leur «vorticity» (Chap. IV).La théorie d'échange turbulent à deux dimensions qui trouve son application dans maints domaines de la géophysique et de l'astrophysique s'applique en premier lieu à la circulation «planétaire» de l'atmosphère terrestre. Si l'on tient compte du frottement au sol, on peut introduire les précieux résultats obtenus parC. G. Rossby et ses collaborateurs sur la circulation générale des hautes couches dans une vue d'ensemble de tous les phénomènes de circulation (Chap. V).

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Mit 5 Textabbildungen.     

ALPEX-Simulation

Summary In a project ALPEX-Simulation, sponsored by the Österreichischer Fond zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF), all eight cases of ALPEX-SOP cyclones were numerically simulated with a fine mesh isentropic model of the atmosphere. These numerical simulations in six-hourly intervals allow a deeper insight into the synoptics and dynamics of the cyclogeneses in the Western Mediterranean, especially into the genesis of the two basic types of cyclones: the so-called Überströmungs-type and Vorderseiten-type. In the first phase of cyclogenesis of the Überströmungs-type, the blocking and flow splitting of the cold air due to the Alps and the canalization between the Alps and the Massif Central are important. Cold air flows cyclonically around the western part of the Alps, creating a vorticity maximum at the south western edge of the Alpine, bow and leads also to an enhanced PV. In connection with warm air in the Mediterranean, a strong baroclinic zone is generated. The interaction between the arriving PV maximum in the upper troposphere and the enhanced PV at the bottom leads to cyclogenesis in the Western Mediterranean. In the case of the Vorderseiten-type warm air advection dominates with the exception of a shallow layer of cold air in the inner Po-Valley, which is shielded by the Alpine ridge. A well-pronounced PV maximum builds up and couples with the PV maximum arriving at upper levels, even before the cold air, coming from the north-west, has surrounded the Alps. The cold air only intensifies the development by raising the baroclinity. Therefore, the Vorderseiten-cyclogenesis is an orographically modified cyclogenesis, in the course of which the cyclonic development is triggered by the Alps, whereas the Überströmungs-cyclogenesis is an orographically induced cyclogenesis i.e. a true lee cyclogenesis.With 14 FiguresDied in a tragic traffic accident on June 6, 1993.     

Bioaccumulation of Cobalt in Parmelia sulcata

Six locations across mainland Portugal were selected for exposing Parmelia sulcata, for a one-year period (8 months for one site), with simultaneous measurement of total (dry + wet) deposition (one-month periods). The exposed lichens and the total (dry + wet) deposition were analysed for cobalt contents by INAA (instrumental neutron activation analysis) and ICP-MS (inductively coupled plasma mass spectroscopy), respectively. The designated wet deposition was evaluated through the collected water volume; the designated dry deposition was assessed after the (dried) residual mass of the wet deposition. An excellent agreement between Co contents in exposed lichens and the cumulative (1) Co contents in the dry deposition, (2) dry deposition, and (3) wet deposition has been found for the locations with alternate drought and precipitation months, high dry deposition, and high Co contents in the latter. Continuous rainfall was found to hinder the Co accumulation in the lichen due to its release from the lichen and/or lower Co contents in the dry deposition. At three locations, P. sulcata Co contents, after subtraction of the background (before exposure), equalled or exceeded the Co contents in the cumulative dry deposition at the end of the exposure time. The optimal exposure period for this species likely depends on the exposure conditions.     

Statistische Untersuchungen des Jet Stream über Europa und über dem Ostatlantik

Zusammenfassung Aus der 300mb-Fläche der täglichen Wetterkarte des deutschen Wetterdienstes wurden für den Zeitraum von 1955 bis 1963 Lage, Richtung und Geschwindigkeit der hochtroposphärischen Strahlströme bestimmt. Die jahreszeitlichen Änderungen der Positionen, Intensitäten und Richtungen des Polarfront-Jet (PFJ) und des Subtropen-Jet (STJ) werden für den Bereich von 20° W bis 20° E und von 35° N bis 70° N angegeben und diskutiert.

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Summary The position, direction and speed of the high-tropospheric jet-streams in the years 1955 to 1963 were determined from the 300 mb chart of the Daily Weather Map of the German Weather Service. The seasonal variations of the positions, intensities and directions of the polarfront jet (PFJ) and subtropic jet (STJ) in the region between 20° W and 20° E and between 35° N and 70° N have been evaluated and are discussed here.

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Résumé En partant des cartes journalières de la surface de 300 mb éditées par le service météorologique de la République fédérale d'Allemagne, on a déterminé la position, la direction et la vitesse des courants jets de la troposphère supérieure et cela pour la période 1955 à 1963. On indique et on discute les variations saisonnières de la position, de l'intensité et de la direction du jet accompagnant le front polaire (PFJ) et du Jet subtropical (STJ). La zone étudiée s'étend entre le 20ème méridien E et le 20ème méridien W, respectivement entre les 35ème et 70ème paralèlles N.

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Mit 6 Textabbildungen     

A mechanism of Alpine lee cyclogenesis as revealed by a quasigeostrophic variational filter

Summary Mechanisms associated with Alpine lee cyclogenesis during the early phase of their generation are investigated using a variational quasigeostrophic filter technique. It was possible to extract the quasigeostrophic signal from the available analyzed real data set.The results presented here are for the 11–12 March 1982, an example of so-called orographically induced lee cyclogenesis. Non-quasigeostrophic fields, calculated as a difference between observations and the quasigeostrophic fields, show significant magnitudes indicating the possible importance of non-quasigeostrophic processes. A dipole structure in the residual geopotential field was observed, similar to the results of numerical model experiments. Also, a strong upper-level non-quasigeostrophic divergence was found in the Alpine region 24 hours prior to lee cyclogenesis, lasting for 6–12 hours. On the other hand, quasigeostrophic results indicate only a local effect of mountain slopes, suggesting possibly a dominant role of the low-level blocking. A hypothetical scenario of Alpine lee cyclogenesis is proposed, based on results obtained here.With 14 Figures     

Charakteristische Zirkulationstypen in mittleren Breiten der nördlichen Hemisphäre

Zusammenfassung In der vorliegenden Arbeit werden neue Klassifikationsprinzipien für Großwetterlagen entwickelt. Bisher wurde bei Wetterlagenklassifikationen das Druckfeld zugrunde gelegt, wobei quasistationären Druckzentren eine nicht berechtigte Vorrangstellung eingeräumt wurde. In der hier versuchten Klassifikation wird vom Strömungsfeld ausgegangen, das in elementare Formen zerlegt wird. Eine zu diesem Zweck durchgeführte statistische Untersuchung ergab, daß alle im Strömungsfeld auftretenden Zirkulationstypen auf drei Grundformen zurückgeführt werden können. Diese Grundformen sind:Driften, Wellen undWirbel.Die Untersuchung ergab im einzelnen, daß in mittleren Breiten der nördlichen Hemisphäre bei 49% aller untersuchten Fälle Driften, bei 23% Wellen und bei 28% Wirbel auftraten.In der hier durchgeführten Klassifikation wird das Druckfeld durch das Strömungsfeld und der Begriff Großwetterlage durch den umfassenderen Begriff des Zirkulationstyps ersetzt. Damit wird der unberechtigte Vorrang der Druckformen bei der Wetterlagenklassifikation aufgegeben. Die Klassifizierung der Zirkulationstypen ergibt sich schließlich durch Kombination der drei Zirkulationselemente: Drift, Welle und Wirbel.

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Summary New principles of classification for large-scale weather situations are outlined in this paper. Hitherto the pressure-field has been taken as a basis for such classifications by conceding a precedence of an unjustified position to semi-permanent centres of pressure. The new classification starts from the field of large-scale motions, which is dissected in elementary models. A statistical test yielded the possibility to reduce all types of atmospheric circulations in the following three elementary models:drifts, waves andeddies.In detail it was found out, that drifts occur in 49%, waves in 23% and eddies in 28% of all cases investigated.In the new classification the term pressure-field is substituted by field of motion and the expression large-scale weather situation by the more comprehensive conception type of circulation. By that the unjustified priority of pressure-centers in classifying weather situations is abolished. At last the classification of the types of circulation follows from a combination of the three elementary models: drift, wave and eddy.

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résumé La présente étude développe de nouveaux principes de classification des situations météorologiques. Alors que jusqu'ici on s'est fondé sur le champ de pression ce qui conduisait à attribuer aux centres d'action quasi stationnaires un rôle trop important, l'auteur part ici du champ de mouvement décomposé en formes élémentaires. Un examen statistique lui a montré que tous les types de circulation peuvent se ramener à trois formes fondamentales:courants, ondulations ettourbillons.Aux latitudes moyennes de l'hémisphère Nord les courants représentent le 49%, les ondulations le 23% et les tourbillons le 28%.Au champ de pression se substitue donc le champ de courant, et les situations météorologiques se groupent en types de circulation ce qui supprime le rôle prépondérant des formes isobariques. Le classement final des types de circulation résulte de la combinaison des trois types mentionnés:courants, ondulations ettourbillons.

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Mit 15 Textabbildungen     

A study of the sensitivity of bare soil evaporation schemes to soil surface wetness,using the coupled soil moisture and surface temperature prediction model,BARESOIL

Summary The performance of evaporation schemes with and approach and their combination within resistance representation of evaporation from bare soil surface is discussed. For this purpose nine schemes, based on different functions of or , on the ratio of the volumetric soil moisture content and its saturated value are used.The quality of the chosen schemes has been evaluated using the results of time integration by the coupled soil moisture and surface temperature prediction model, BARESOIL, using in situ data. A sensitivity analysis was made using two sets of data derived from the volumetric soil moisture content of the top soil layer. One with values below the wilting point (0.17 m³m^–3) and the second with values above 0.20m³m^–3. Data sets were obtained at the experimental site Rimski anevi, Yugoslavia, from the bare surface of a chernozem soil.With 4 Figures     

On the synoptics and dynamics of orographically induced cyclones in the Mediterranean

Summary In the first part of the present paper all cases of orographically induced cyclogeneses in the Western Mediterranean (40 cases) during the whole 13 months of the ALPEX Observing Period (AOP: 1 September 1981–30 September 1982) are investigated statistically to find similarities between them. It can be shown that essentially there exist two different types of such cyclogeneses: the Vorderseiten-type (southwesterly upper-level flow) and the Überströmungs-type (northwesterly upper-level flow). Both types are accompanied by low level blocking of cold air by the Alps. The second part of the paper is concerned with the understanding of the explosive development of an orographically induced cyclone in the Western Mediterranean by means of vorticity dynamics on isentropic surfaces. Budget equations for the shear and curvature vorticity allow us to find out the reasons for the increase of curvature vorticity, locally as well as individually. Such growth rates are caused by corresponding convergences and by transformation from shear into curvature vorticity, respectively. Case studies of some ALPEX-SOP cyclogeneses illustrate the vorticity-dynamical considerations.

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Zur Synoptik und Dynamik orographisch induzierter Zyklogenesen im Mittelmeerraum

Zusammenfassung In der vorliegenden Studie werden zunächst alle orographisch induzierten Zyklogenesen im westlichen Mittelmeerraum (40 Fälle) während der gesamten 13 monatigen ALPEX-Beobachtungsperiode (AOP: 1. September 1981–30. September 1982) einer statistischen Untersuchung unterzogen, um Gemeinsamkeiten herauszufinden. Dabei zeigte es sich, daß im wesentlichen zwei Typen von derartigen Zyklogenesen auftreten: der Vorderseiten-Typus und der Überströmungs-Typus. In beiden Fällen kommt es dabei in den unteren Luftschichten zur Blockierung der Kaltluft durch die Alpen. Im weiteren wird dann die vielfach explosionsartige Entwicklung der orographisch induzierten Zyklogenese im westlichen Mittelmeer mit Hilfe der Vorticitydynamik auf isentropen Flächen zu verstehen versucht. Die Aufspaltung der Bilanzgleichung für die Vorticity in eine Bilanzgleichung für die Scherungs- und in eine Bilanzgleichung für die Krümmungsvorticity, erlaubt das genaue Wachstumsstudium der Krümmungsvorticity sowohl lokal als auch individuell. Derartige Wachstumsraten kommen durch entsprechende Konvergenzen bzw. durch die Umwandlung von Scherungs- in Krümmungsvorticity zustande Mehrere Fallstudien von ALPEX-SOP veranschaulichen diese wirbeldynamischen Überlegungen.

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With 9 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     

On some new statistical characteristics of the wind “Koshava”

Summary Koshava is a gusty wind of moderate to strong intensity, blowing from the south-eastern direction, over the area of the Republic of Serbia. It is caused by the interaction between the synoptic circulation and the orography of the Carpathian and the Balkan mountains. The Koshava wind can damage buildings, factories and industrial plants or city infrastructure. Therefore it is important to estimate its gust and the gustiness factor on the basis of the measured data.This paper discusses a statistical analysis of wind data in the maximum influence area of the Koshava wind in the periods of maximum duration of Koshava. The focus of the paper is the examination of urban and suburban effects on Koshava wind and the correlation between the instantaneous maximum wind speed and the hourly mean wind speed. The best fitting with various empirical distributions is proposed.With 10 Figures     

Periodicity of annual precipitation in different climate regions of Croatia

Summary The periodicity of a 100-year series of annual precipitation over Croatia has been studied by means of power spectrum analysis at 3 stations representing the different climatic regions of Croatia. The annual precipitation variance spectra in the continental lowland (Osijek) and at the north East Adriatic coast (Crikvenica) can be fitted by Markov white noise continuum, but in the transitional region between the Dinaric Alps and the Pannonian lowland (Zagreb-Gri) a non-white noise continuum is necessary. Quasi-periodic oscillations appear in two spectra ranges: short (2.2 and 4.7 years) and medium (25.0 and 33.3 years). These results are compared with those of other authors for other parts of the Europe.With 2 Figures