Ausbildung 3: Suche nach den schwachen, periodischen Signalen atmosphärischer Gezeiten im Oberflächenluftdruck in Bern

Geschichte und Hintergrund der Gezeiten

Ozeanische Gezeiten sind von der Meeresseite her gut bekannt, wo Ebbe und Flut (Ebbe und Flut) etwa 6 Stunden und 12,5 Minuten voneinander entfernt sind. Die Gezeitenperiode beträgt 12 Stunden und 25 Minuten, was der Hälfte eines Mondtages entspricht. Seit mehreren hundert Jahren ist bekannt, dass ozeanische Gezeiten durch die Gravitations- und Zentrifugalkräfte des Erde-Mond-Systems angetrieben werden (Zusätzlicher Gravitationsantrieb durch die Sonne kann die ozeanischen Gezeiten verstärken).

Der Ursprung der atmosphärischen Gezeiten war bis in die 1960er Jahre unklar! Abb. 1.1 zeigt eine alte Messung des Bodenluftdrucks in Batavia, Indonesien (mit freundlicher Genehmigung von Lindzen und Chapman, Space Science Reviews, 1969):

Die barometrischen Schwankungen in Batavia zeigen deutlich eine halbtägige Schwankung (Zeitraum: 12 Stunden). Aus diesem Grund gingen einige Forscher davon aus, dass die atmosphärischen Gezeiten einen ähnlichen Ursprung haben wie die ozeanischen Gezeiten. Andere Forscher glaubten, dass die periodische Erwärmung der Atmosphäre durch die Sonne der Hauptgrund für die Gezeiten sei. Aber sie konnten nicht erklären, warum es in Batavia offenbar keine tägliche Flut (mit 24-Stunden-Periode) gibt?

In den 1960er Jahren wurde gezeigt, dass atmosphärische Gezeiten in der Stratosphäre zu etwa 60 % (Absorption der Sonnenstrahlung durch Ozon) und zu etwa 40 % in der Troposphäre (Absorption der Infrarotstrahlung durch troposphärischen Wasserdampf) angeregt werden. Die vertikale Struktur der Atmosphäre begünstigt jedoch die Ausbreitung der halbtägigen Flutwelle. Oberhalb von 70 km Höhe sind die Sonnengezeiten recht groß und dominant (horizontale Windamplituden der Gezeiten betragen etwa 50 m/s). In der oberen Atmosphäre können die Mondgezeiten (aufgrund des Antriebs durch den Mond) gemessen werden und spielen ebenfalls eine Rolle. Im Allgemeinen handelt es sich bei atmosphärischen Sonnengezeiten um Planetenwellen mit Perioden (24 Stunden/n) mit n=1, 2, 3 ...

Messung des Oberflächenluftdrucks

Abbildung 3: Links: Quecksilberbarometer. Dies erklärt die „760 mm“ an der Achse in Abb. 1.1. Wenn der Druck zunimmt, erhöht sich die Höhe der Quecksilbersäule. Rechts: Mikromechanischer BAROCAP-Sensor.

Das Institut für Angewandte Physik (Universität Bern) betreibt eine Vaisala WXT-536 Wetterstation mit einem BAROCAP-Sensor. Schwankungen des Luftdrucks führen zu Änderungen der Kapazität des Sensors, die ein messbares elektrisches Signal erzeugen.

Wie viele Kilogramm Luft schweben über Ihnen?

Der Oberflächendruck ergibt sich aus dem vertikalen Integral von der Oberfläche zur Oberfläche der Atmosphäre: p=∫ ρgdz. Unter Annahme einer Erdbeschleunigung g von 9.81 m/s² und einem typischen Flächendruck p von 950 hPa (=95'000 (kgm/s²)/m²)) in Bern beträgt die Säulenmassendichte der Luft: ρ=9684 kg/m².

Hinweise:

• Wie immer: Wenn Sie ernsthafte Python-Probleme haben, schauen Sie bitte im Verzeichnis master_solution von p2.zip (Bitte klicken Sie darauf, um es herunterzuladen).
• Doppelklicken Sie auf das Python-Programm, z. B. p2a.py, dann öffnet sich der Python Editor IDLE. Klicken Sie auf „Modul ausführen“. Möglicherweise erhalten Sie Fehlermeldungen, da einige Softwarepakete (Bibliotheken für die Programmiersprache Python) fehlen. Das ist normal. Sie können die Pakete in wenigen Sekunden in Ihrem Terminalfenster installieren. z.B, pip3 install matplotlib

Aufgabe 1a. „Zeichnen Sie die Druckreihe als Funktion der Zeit grafisch auf“

Laden Sie die Programme und Materialien herunter ( p2.zip) und kopieren Sie sie in Ihr Arbeitsverzeichnis. Bitte schauen Sie sich das Programm an p2a.py.

Versuchen Sie, das Programm zu verstehen. Bitte fügen Sie einige Programmzeilen zur Darstellung der p-Reihe im Sommer 2021 hinzu (pressure_Bern_2021.csv; csv steht für durch Kommas getrennte Werte). Es ist immer wichtig, vor Beginn der Datenanalyse einen Blick auf die Daten zu werfen. Sehen Sie in der Zeitreihe des Drucks (hPa) periodische Signale?

Aufgabe 1b. „Herleitung des mittleren täglichen Druckverlaufs im Sommer 2021“

Bitte schauen Sie sich das Programm an p2b.py. Versuchen Sie zu verstehen, wie die p-Werte als Funktion der Weltzeit (0, 1, 2, ... 23 Stunden) gemittelt werden. Fügen Sie einige Programmzeilen hinzu und zeichnen Sie den Tageszyklus pm (UT) auf.

Aufgabe 1c. „Wiederholen Sie Aufgabe 1 und 2, aber für Pressure_Bern_2011.csv“

Bitte versuchen Sie, den 813 hPa-Ausreißer zu entfernen! z.B:

Finden Sie den/die Ausreißer mit weniger als 850 hPa

inan=np.where(p < 850)

p[inan]=float('NaN')

Benutzen Sie bitte np.nanmean Funktion statt np.mean (In der Druckreihe 2011 gibt es mehrere NaN-Werte (Keine Zahl).) Ein NaN-Wert reicht bereits aus, um den Mittelwert zu zerstören (wenn Sie ihn verwenden np.mean).

Sind die mittleren täglichen Zyklen von p für beide Jahre ähnlich?

Glauben Sie, dass der tägliche Zyklus von p auf die Gezeiten der Sonne zurückzuführen ist?

Bonusaufgabe (Dies ist bereits auf Universitätsniveau! Machen Sie sich keine Sorgen, wenn Sie keine eigene Lösung finden, aber schauen Sie sich vielleicht die Masterlösung an): Zerlegung des täglichen Druckzyklus.

Bitte führen Sie das Programm aus p2c.py. Es erfolgt eine Zerlegung des täglichen Zyklus von p in die tägliche und halbtägige Gezeitenkomponente. Passt die Passform?

Sind die Amplituden und Phasen denen des Artikels ähnlich? schindelegger_ray_2014.pdf in Ihrem p2-Ordner (Abbildungen 10 und 11 zeigen die Jahresmittelwerte der Gezeiten im Druck)?

Bitte beachten Sie, dass die lokale Sonnenzeit LST=UT + 7,44*24/360 ist, wobei 7,44 der Längengrad von Bern ist. Zusätzlich gilt: 100 Pa = 1 hPa =1 mbar.

Vielen Dank, dass Sie dieses Schulungsmodul getestet haben! Hat es Ihnen gefallen? Haben Sie Ideen für Verbesserungen? Sie erreichen uns per E-Mail: