Mesoscale Heat Transport Over Complex Terrain By Slope Winds – A Conceptual Model And Numerical Simulations

Vertical heat fluxes induced by mesoscale thermally driven circulations maycontribute significantly to the subgrid-scale fluxes in large-scale models (e.g.,general circulation models). However, they are not considered in these modelsyet. To gain insight into the importance and possible parameterisation of themesoscale flux associated with slope winds, an analytical (conceptual) modelis developed to describe the relationship between the mesoscale heat flux andatmospheric and land-surface characteristics. The analytical model allows usto evaluate the mesoscale flux induced by slope winds from only a few profilemeasurements within a domain. To validate the analytical model the resultingheat flux profiles are compared to profiles of highly resolved wind and temperaturefields obtained by simulations with a mesoscale numerical model.With no or moderate synoptic wind the mesoscale heat flux generated by the slopewind circulation may be as large as, or even larger than, the turbulent fluxes at thesame height. At altitudes lower than the crest of the hills the mesoscale flux is alwayspositive (upward). Generally it causes cooling within the boundary layer and heatingabove. Despite the simplifications made to derive the analytical model, it reproducesthe profiles of the mesoscale flux quite well. According to the analytical model, themesoscale heat flux is governed by the temperature deviation at the slope surface, thedepth of the slope-wind layer, the large-scale lapse rate, and the wavelength of thetopographical features.     

Experimental investigation of zoisite–clinozoisite phase equilibria in the system CaO–Fe2O3–Al2O3–SiO2–H2O

The system Ca₂Al₃Si₃O₁₁(O/OH)-Ca₂Al₂FeSi₃O₁₁(O/OH), with emphasis on the Al-rich portion, was investigated by synthesis experiments at 0.5 and 2.0 GPa, 500-800 °C, using the technique of producing overgrowths on natural seed crystals. Electron microprobe analyses of overgrowths up to >100 µm wide have located the phase transition from clinozoisite to zoisite as a function of P-T-X_ps and a miscibility gap in the clinozoisite solid solution. The experiments confirm a narrow, steep zoisite-clinozoisite two-phase loop in T-X_ps section. Maximum and minimum iron contents in coexisting zoisite and clinozoisite are given by X_ps^zo (max) = 1.9*10 ^{- 4} T+ 3.1*10 ^{- 2} P - 5.36*10 ^{- 2}{\rm X}_{{\rm ps}}^{{\rm zo}} {\rm (max) = 1}{\rm .9*10}^{ - 4} T{\rm + 3}{\rm .1*10}^{ - 2} P - {\rm 5}{\rm .36*10}^{ - 2} and X_ps^czo (min) = (4.6 * 10 ^{- 4} - 4 * 10 ^{- 5} P)T + 3.82 * 10 ^{- 2} P - 8.76 * 10 ^{- 2}{\rm X}_{{\rm ps}}^{{\rm czo}} {\rm (min)} = {\rm (4}{\rm .6} * {\rm 10}^{ - {\rm 4}} - 4 * {\rm 10}^{ - {\rm 5}} P{\rm )}T + {\rm 3}{\rm .82} * {\rm 10}^{ - {\rm 2}} P - {\rm 8}{\rm .76} * {\rm 10}^{ - {\rm 2}} (P in GPa, T in °C). The iron-free end member reaction clinozoisite = zoisite has equilibrium temperatures of 185ᇆ °C at 0.5 GPa and 0ᇆ °C at 2.0 GPa, with (H_r⁰=2.8ǃ.3 kJ/mol and (S_r⁰=4.5ǃ.4 J/mol2K. At 0.5 GPa, two clinozoisite modifications exist, which have compositions of clinozoisite I ~0.15 to 0.25 X_ps and clinozoisite II >0.55 X_ps. The upper thermal stability of clinozoisite I at 0.5 GPa lies slightly above 600 °C, whereas Fe-rich clinozoisite II is stable at 650 °C. The schematic phase relations between epidote minerals, grossular-andradite solid solutions and other phases in the system CaO-Al₂O₃-Fe₂O₃-SiO₂-H₂O are shown.     

Über den Einfluß fluktuierender Windfelder auf ein stetig geschichtetes Meer

Zusammenfassung Am geschichteten Meer werden die erzwungenen Schwingungen theoretisch untersucht, die ein an der Oberfl?che angreifender Wind hervorruft. Grunds?tzlich entsteht an der Oberfl?che eine Grenzschicht mit gro?er Horizontalgeschwindigkeit. Für den Fall, da? ihre Ausdehnung klein gegenüber der inneren Region ist, werden die erzwungenen Schwingungen (Abschnitt 2) analytisch berechnet. Interne Wellen oberhalb der Tr?gheitsperiode sind klein und auf sehr kleine Wellenzahlen beschr?nkt. Die physikalische Erl?uterung sowie die Tatsache, da? einige spezielle Windfelder keine internen Wellen anregen k?nnen, bringt Abschnitt 3, die numerische L?sung für beliebige Frequenzen und Wellenzahlen Abschnitt 4. Interne Wellen unterhalb der Tr?gheitsperiode werden haupts?chlich durch die Divergenz des Windfeldes hervorgerufen, solche oberhalb der Tr?gheitsperiode durch die Rotation des Windfeldes, und es ergeben sich unterschiedliche funktionale Zusammenh?nge zwischen Wind und internen Wellen. Die hier vorgelegten Ergebnisse k?nnen nur mit Hilfe einer tangential an der Oberfl?che angreifenden Kraft erhalten werden und weisen wesentliche Unterschiede gegenüber ?hnlichen Ergebnissen auf, die für den Windeinflu? eine Volumenkraft annehmen.

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On the influence of fluctuating winds on a continuously stratified ocean

Summary The model of a stratified ocean is used for a theoretical study of the forced oscillations caused by the wind acting upon the surface. A boundary layer with high horizontal velocity is principally generated at the surface. If it is narrow as compared with the inner region, the forced oscillations (section 2) are computed analytically. Internal waves above the inertia period are small and confined to very small wave numbers. The physical explanation and the fact that special wind fields cannot generate internal waves, are given in section 3; the numerical solution for arbitrary frequences and wave numbers is treated in section 4. Internal waves below the inertia period are mainly caused by the divergence of the wind field; those above the inertia period by the rotation of the wind field; and different functional connections between the wind and the internal waves are the results. The results presented here can be obtained only by means of a force acting tangentially upon the surface. They differ essentially from similar results based upon the assumption of a volume force for the wind effect.

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Influence de champs de vent fluctuants sur une mer contin?ment stratifiée

Résumé On étudie et on calcule analytiquement (paragraphe 2) pour une mer stratifiée, les oscillations provoquées par un vent s'attaquant à la surface. En principe, il se forme à la surface une couche-limite à grande vitesse horizontale. Les ondes internes au-dessus de la période d'inertie sont petites et se limitent à de très petits nombres d'ondes. Le paragraphe 3 donne l'explication physique et signale le fait que quelques champs de vent spéciaux ne peuvent pas provoquer d'ondes internes; le paragraphe 4 apporte une solution numérique pour des fréquences et des caractéristiques numériques d'ondes quelconques. Les ondes internes au-dessous de la période d'inertie sont dues principalement à la divergence du champ de vent, celles au-dessus de la période d'inertie, à la rotation de ce champ; et on trouve des rapports fonctionnels distincts entre le vent et les ondes internes. Les résultats exposés ici ne peuvent être obtenus qu'à l'aide d'une force attaquant tangentiellement la surface, ils diffèrent notablement des résultats correspondants obtenus en admettant que l'influence du vent s'exerce sous forme d'une force non tangentielle.

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Mit der — hier gekürzt — vorliegenden Arbeit promovierte der Verfasser bei der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakult?t der Christian-Albrechts-Universit?t Kiel.     

Composition of soluble organic matter in coals: relation to rank and liptinite fluorescence

Study of a series of twenty-six German high volatile bituminous B to low volatile bituminous coals of Upper Carboniferous age by recently refined analytical methods (‘flow-blending’ extraction, medium pressure liquid chromatography, HPLC, glass capillary gas chromatography and spectral fluorescence microscopy) reveals that yield and composition of soluble organic matter are strongly controlled by rank. In particular, the following points of inflection are noted in rank trends around 0.9% vitrinite reflectance: a maximum in yields of total soluble organic matter, aromatic hydrocarbons and n-alkanes; the most pronounced change in aromatic hydrocarbon composition; a trend reversal for pristane/ phytane ratios; a gradient change in the odd/even-predominance of long chain n-alkanes; appearance of a bimodal n-alkane distribution; and a sharp drop in concentration of individual n-, and isoprenoid alkanes. This discontinuity in rank trends around 0.9% Rm is interpreted to reflect a major change in reaction types, i.e. a shift from predominantly hydrocarbon generating to predominantly fragmentation reactions. Rank trends of maceral fluorescence exhibit the following pronounced changes over a similar but broader rank range: Different types of the maceral sporinite show a relatively abrupt shift of the fluorescence colour from yellow towards red between 0.8–0.9% Rm while up to about 1.0% Rm a sharp increase is recorded in the proportion of fluorescent vitrinite. This coincidence at a near-equal rank stage suggests a common cause for changes in yield and composition of the soluble organic matter and the maceral fluorescence of these coals.     

Die Abhängigkeit des Großwetters von solaren Erscheinungen

Zusammenfassung Im ersten Abschnitt werden Einwände gegen die bisherigen Untersuchungen entkräftet. Im zweiten Abschnitt werden neue Belege für die doppelte Schwankung des Großwetters in der gemäßigten Zone während des Sonnenfleckenzyklus erbracht. Es wird gezeigt, daß die Sommer in Neuengland, die 3 bis 1 1/2 Jahre vor einem Fleckenminimum liegen, fast durchweg wärmer als normal sind und alle Hochsommer, die 2,8 bis 1,9 Jahre vor einem Fleckenextrem (Minimum oder Maximum) liegen und in denen weitere solare Bedingungen erfüllt sind, in Mitteleuropa trockener und wärmer als normal sind und übernormalen Luftdruck in Mittel- und Westeuropa aufweisen. Das gleiche gilt in den meisten dieser Jahre auch für den ganzen Sommer und auch für die südlicheren Teile Nordeuropas. Die relative Häufigkeit des Zusammentreffens dieser Großwettererscheinungen mit bestimmten solaren Bedingungen wird als überzufällig erwiesen; die Zusammenhänge werden physikalisch gedeutet.Im dritten Abschnitt wird ein überzufälliger Zusammenhang des Verlaufs der Sonnenflecken vom Vorwinter bis zum Herbst mit dem Temperaturgepräge des Folgewinters in Mitteleuropa dargestellt und erklärt.Im vierten Abschnitt wird aus der zur Erklärung der Doppelschwankung des Großwetters innerhalb des Sonnenfleckenzyklus aufgestellten Hypothese eine logische Folgerung gezogen, die sich auf die Stärke der zonalen Zirkulation in den gemäßigten Breiten in der Höhe der 500 mb-Flächevor einer länger anhaltenden Vermehrung der Sonnenflecken bis zur nächsten Sonnenrotation bezieht. Es wird festgestellt, daß diese rein theoretisch gezogene Schlußfolgerung in der Wirklichkeit mindestens im Winterhalbjahr tatsächlich erfüllt ist, womit ein neues Argument für die Richtigkeit der aufgestellten Theorie des Einflusses der von der Sonne ausgehenden Strahlungsschwankungen auf das Großwetter gewonnen wird. Die Beeinflussung des Großwetters geschieht nicht durch die korpuskularen Strahlungen der Sonne, die auf ionosphärische Vorgänge und dadurch auch auf den Erdmagnetismus wirken, sondern durch länger anhaltende Intensitätsänderungen der Wellenstrahlung, vor allem der ultravioletten Strahlung der Sonne.

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Summary In the first part objections against the former investigations are refuted. In the second part new arguments are given for the double variation of the large scale weather conditions (Großwetter) in the temperate zone during the sun spot cycle. It is shown that the summers in New England which lie 3 to 1 1/2 years before a sun spot minimum are almost without exception warmer than normal, and all midsummers which lie 2,8 to 1,9 years before a sun spot extremum (minimum or maximum) and in which further solar conditions are satisfied are drier and warmer than normal in Central Europe and show supernormal atmospheric pressure in Central and Western Europe. The same is true during most of the years also for the whole summer and also for the more southern parts of Northern Europe. The relative frequency of meeting of these large scale occurences with certain solar conditions are proved to be beyond chance; the relations are physically interpreted.In the third part a relation beyond chance of the course of the sun spots from the foregoing winter until autumn with the temperature-character of the following winter in Central Europe is described and explained.In the fourth part a logical conclusion is drawn from the hypothesis for explaining the double oscillation of the Großwetter within the sun spot cycle. This conclusion regards to the strength of the zonal circulation in the middle latitudes in the height of the 500 mb-area before a longer increasing of the sun spots until the next rotation of the sun. It is stated that this conclusion is fulfilled in the reality. This is a new argument for the correctness of the used theory concerning the influence of the variations of the sun's radiation upon the Großwetter. This influence is not caused by the corpuscular radiations of the sun which have an effect on the ionospheric occurences and by these also on the terrestrial magnetism, but by assiduous changes of the intensity of the undulatory radiation, especially of the ultra-violet radiation of the sun.

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Résumé La première partie de l'article réfute des objections soulevées par les études précédentes. La deuxième partie apporte de nouvelles preuves de la double variation du temps (à grande échelle) de la zone tempérée pendant le cycle des taches solaires. On montre qu'en Nouvelle-Angleterre les étés précédant de 3 à 1,5 ans un minimum de taches sont presque tous trop chauds et que tous les pleins-étés précédant de 2,8 à 1,9 ans un extremum de taches (minimum ou maximum) et pour lesquels d'autres conditions solaires sont remplies sont en Europe centrale trop secs et trop chauds avec pression supra-normale sur le centre et l'Ouest de l'Europe. La même relation existe dans la plupart de ces années également pour tout l'été et dans les régions plus méridionales de l'Europe septentrionale. La fréquence relative de ces conjonctures s'avère comme supérieure à celle du hasard pur; l'auteur en expose les bases physiques.La troisième partie traite d'une relation signifiante entre l'évolution des taches solaires du début de l'hiver à l'automne et l'allure de la température de l'hiver suivant en Europe centrale.Dans la quatrième partie, l'auteur tire de l'hypothèse expliquant la variation double du temps dans l'espace du cycle solaire une conséquence logique se rapportant à l'intensité de la circulation zonale aux latitudes moyennes, à l'altitude de la surface de 500 mb, avant l'augmentation durable des taches solaires jusqu'à la rotation suivante du soleil. Il montre que cette conséquence purement théorique se réalise en fait, au moins pendant le semestre hivernal, et qu'elle fournit ainsi un nouvel argument en faveur de la théorie qui prétend une influence des variations du rayonnement solaire sur la situation météorologique générale. Cette situation n'est pas influencée par le rayonnement corpusculaire du soleil qui intervient dans les phénomènes ionosphériques et dans le magnétisme terrestre, mais bien par les variations à longue période du rayonnement ondulatoire, et avant tout de l'ultra-violet solaire.

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Mit 3 Textabbildungen.     

Über den „Taucheffekt” bei der Lichtmessung über und unter Wasser

Zusammenfassung Das Verhältnis der meßbaren Intensitäten in einem Lichtmeßgerät flacher Bauart dicht unter und über Wasser wird Taucheffekt genannt. Dieses Verhältnis weicht von der wahren Relation der Lichtintensitäten innerhalb weiter Grenzen ab. Entsprechend den verschiedenen optisch-geometrischen Bedingungen bei Opal-, Klarglas- und Mattscheiben gibt es drei verschiedenartige Taucheffekte.Opal- und Mattscheiben verhalten sich gegensätzlich, ihre Taucheffektbereiche liegen unterhalb, bzw. oberhalb des gut definierbaren Klarglaswertes. Dieser bildet für Opalglas die obere, für Mattglas die untere Grenze. Die untere Grenze für Opalglas ist annähernd bestimmt, die obere Grenze für Mattglas nicht. Kunststoffgläser mit ihren niedrigeren Brechungszahlen ergeben noch breitere Taucheffektbereiche als Silikatgläser.Das Verhältnis der tatsächlichen Intensitäten liegt im Bereich des Opalglas-Taucheffekts. Es muß daher möglich sein, ein Opalglas herzustellen, mit dem ein Lichtmeßgerät über und unter Wasser richtig zeigt.Opal- und Mattgläser weisen einen Oberflächeneffekt, d. h. einen Totalreflexionsfehler in der Nähe der Wasseroberfläche auf, dessen Zusammenhang mit dem Taucheffekt geklärt wird.Es wird eine einfache Vorrichtung angegeben, um bei Taucheffekt-Bestimmungen den Totalreflexionsfehler zu vermeiden.

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Summary The ratio of light intensities just below and above a water surface as measured by a light meter of disk-shaped design is called immersion effect. This ratio differs within a wide margin from the ratio of the true intensities. According to the different optical-geometrical conditions of light transmission through opal, clear and ground glass three different types of the immersion effect can be distinguished.The immersion effect of opal glass is lower, and that of ground glass higher than the (well defined) value for clear glass. The latter is the upper margin for opal glass, and the lower margin for ground glass. The lower margin for opal glass is approximately defined while the upper margin for ground glass is indefinite. Plastic glasses with their low index of refraction cause an even wider range of the immersion effect than silicate glasses.The true ratio of light intensities lies within the range of the immersion effect of opal glass. Therefore, it should be possible to design a light meter with an opal filter which gives correct readings above and below the water surface.When placed closely beneath the water surface opal and ground glass show an additional surface effect. It is caused by total reflection at the water surface. Its relation to the immersion effect is discussed.A simple device is described which eliminates the surface effect and permits accurate determinations of the immersion effect.

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Résumé Le rapport entre les intensités mesurées par un photomètre plat directement sous la surface de l'eau et au-dessus de celle-ci est appelé «effet de plongée»; il diffère de la relation véritable des intensités lumineuses dans de larges limites. Par suite des propriétés optiques différentes des disques de verre opalin, transparent ou mat, il existe trois effets de plongée différents.Les disques opalins et mats se comportent de façon contraire; leurs domaines d'effet de plongée se trouvent au-dessous et au-dessus de la valeur bien définie correspondant au verre transparent. Celle-ci constitute pour le verre opalin la limite supérieure, pour le verre mat la limite inférieure. La limite inférieure pour le verre opalin est à peu près définie, la limite supérieure pour le verre mat ne l'est pas. Les verres synthétiques à indices bas ont des domaines d'effet de plongée encore plus larges que les verres à silicates.Le rapport véritable des intensités se trouve dans le domaine de l'effet de plongée du verre opalin. Il doit donc être possible de préparer un verre opalin à l'aide duquel un photomètre fonctionne correctement dans et sur l'eau.Les verres opalins et mats présentent un «effet de surface», c'est-àdire une erreur de réflexion totale au voisinage de la surface de l'eau, dont on explique la relation avec l'effet de plongée.On donne un dispositif simple permettant d'éviter l'erreur de réflexion totale.

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Mit 11 Textabbildungen

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Diese Arbeit ist dem Andenken anFranz Sauberer gewidmet. Sie enthält manche Antwort auf methodische Grundfragen, um deren KlärungSauberer stets gewissenhaft bemüht war. Dem lieben, unvergessenen Kollegen sei damit wenigstens in memoriam der Dank erstattet, den ihm der Verfasser für Anregung und Kritik schuldet.     

Cluster analysis applied to regional geochemical data: Problems and possibilities

Cluster analysis can be used to group samples and to develop ideas about the multivariate geochemistry of the data set at hand. Due to the complex nature of regional geochemical data (neither normal nor log-normal, strongly skewed, often multi-modal data distributions, data closure), cluster analysis results often strongly depend on the preparation of the data (e.g. choice of the transformation) and on the clustering algorithm selected. Different variants of cluster analysis can lead to surprisingly different cluster centroids, cluster sizes and classifications even when using exactly the same input data. Cluster analysis should not be misused as a statistical “proof” of certain relationships in the data. The use of cluster analysis as an exploratory data analysis tool requires a powerful program system to test different data preparation, processing and clustering methods, including the ability to present the results in a number of easy to grasp graphics. Such a tool has been developed as a package for the R statistical software. Two example data sets from geochemistry are used to demonstrate how the results change with different data preparation and clustering methods. A data set from S-Norway with a known number of clusters and cluster membership is used to test the performance of different clustering and data preparation techniques. For a complex data set from the Kola Peninsula, cluster analysis is applied to explore regional data structures.