Einführung in die Meteorologie

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Einführung

in die Meteorologie

- Teil III: Thermodynamik und Wolken -

Clemens Simmer Meteorologisches Institut

Rheinische Friedrich-Wilhelms Universität Bonn Sommersemester 2006

Wintersemester 2006/2007

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III Thermodynamik und Wolken

1. Adiabatische Prozesse mit Kondensation

-

Trocken- und Feuchtadiabaten

2. Temperaturschichtung und Stabilität

- Auftrieb und Vertikalbewegung

- Wolkenbildung und Temperaturprofil

3. Beispiele

-

Rauchfahnenformen

-

Wolkenentstehung

-

Struktur der atmosphärischen Grenzschicht

4. Thermodynamische Diagrammpapiere

-

Auswertehilfe für Vertikalsondierungen (Radiosonden)

5. Phänomene

-

Wolken

(3)

III.2 Temperaturschichtung und Stabilität

• III.2.1 Ursachen für Vertikalbewegungen

• III.2.2 Stabilitätskriterien

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III.2.1 Ursachen für Vertikalbewegungen

• Erzwungenes Aufsteigen an Orographie

• Querzirkulation an Fronten

• Bodennahe Konvergenz

• Allgemeine Zirkulation

• Spontane Umlagerungen

• Auftrieb

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Erzwungenes Aufsteigen am Gebirge

HKN

Berge zwingen bei der Umströmung einen Teil der Strömung nach oben. Adiabatische Abkühlung dabei erzeugt Wolken. Beim Abstieg verschwinden diese wieder durch adiabatische Erwärmung. Bei recht

stabilen Luftschichten kommt es hinter

dem Berg zu Wellenbildung durch die

Trägheit der Luft (Lenticularis, auch

Föhnwolken)

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Querzirkulation an Fronten

k ä lt e r e L u f t w ä r m e r e L u f t

F r o n t - F lä c h e

An Frontalzonen entsteht nach dynamischen Gesetzen eine schwache

Strömung quer zur Front mit Aufsteigen in der Warmluft und Absteigen in der

Kaltluft. Diese Stömung führt z.B. zu den Niederschlägen in der Warmluft

nahe der Front (Aufsteigen) und Aufklaren hinter der Front (Abstieg).

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Bodennahe Konvergenz

durch Rauhigkeitsunterschiede

Bodenrauhigkeitsunterschiede „bremsen“ die Strömung in Bodennähe

unterschiedlich. Über glattem Wasser ist die Strömung schneller als über dem rauhen Wald. Entsprechend „staut“ oder divergiert die Luftströmung bei

Rauhigkeitswechsel. Kompensierend muss dann Luft aufsteigen (Wolkenbildung)

oder absteigen (Wolkenauflösung)

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Hadley-Zirkulation und

Innertropische Konvergenzzone (ITCZ)

Die Hadley-Zirkulation wird wesentlich durch die beim Aufstieg in den Tropen in

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Spontane vertikale Umlagerungen

unten als

schwerer oben

ist Luft

,

 0



 z



re Atmosphä homogener

bei -

hung Grundgleic

statische

0

g z g

p







 



Wenn schwere Luft über leichter Luft liegt tritt spontane Umlagerung ein.

Dies erfolgt ab dem T-Gradient bei homogener (=gleiche Dichte) Atmosphäre

 K/100m

,

Aus

42 3

1

0 0







 

 



 

 

 





L

gleichung Grundstatische L

L

R g z

T

p z z

T R

p T T

R

p   „autoconvective

lapse rate“

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Auftrieb (Beschleunigung, dw/dt) eines

Luftvolumens in dichterer (=kälterer) Luft

Umgebung

,

_U



U

 

Coriolis

ohne

leichung Bewegungsg

3. : Teilchen

z g p

dt dw

z

g p

^U

U



 







 









 1 0 1

Annahme: Für die Umgebung gelte die hydrostatische Grundgleichung

Annahme: p=p

_U

, instantaner Druckausgleich

 

 



 











 g g

_U

g

^U

dt dw



 

 1 1

(11)

11

Auftrieb eines Luftvolumens bei T=T

_U

nach vertikaler Auslenkung

Ein Luftvolumen werde aus seiner Position (Ausgangslage z

₀

) vertikal ausgelenkt (z. B. durch Turbulenz). Abhängig von der Schichtung der Luft, wird es dann in die gleiche Richtung beschleunigt, oder abgebremst und in die Ausgangsposition zurückgelenkt:

  

₀



0

0 0

z T z

g dt

dw

T T g T

dt dw

z z T

z T

z z T

z T

v vU

vU

vU vU v

vU vU

vU

v v

v





 

 



 













  

gung Beschleuni

ergibt

in einsetzen

Umgebung

) (

Teilchen

) (

: Berechnung



z

T

_v

z

₀

T

_vU

(z

₀

) = T

_v

(z

₀

)

z T

_vU

vU



 

 

_labil

bei







 ^v _vU

v

vU dz

T  dT 

stabil bei







 ^v _vU

v

vU dz

T  dT 

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III.2.2 Stabilitätskriterien -Zusammenfassung

 

 



 

 



 

 









stabil neutral

labil

v vU



t

d

ungesättig :    

_s

: gesättigt



_vU



_U

,

_v



s U

d

U



 

 



 

 









 



 



 

 









stabil

neutral labil



0 neutral labil

0 

 





 











 





 









z z

eU

U



(13)

Bezeichnungen für Stabilitätszustände

stabil absolut

l feuchtlabi il

labil/stab bedingt

labil absolut













U s

s U

d

U



) , (

denn labil,

feucht K/100m

z , T

: mosphäre Standardat

stabil absolut

Inversion

stabil absolut

Isothermie

d U

55 0 98

0 65 0

0 0













 







s U

U U



(14)

Zustandskurve und Stabilität - ein Beispiel -

z

T(z) Zustandskurve T(z)

Trockenadiabaten (dT/dz=-1K/100m) Feuchtadiabaten

(dT/dz≈-0,6 K/100m) Stabilitätsbewertung:

absolut stabil

absolut stabil (Inversion) feucht labil

absolut stabil (Inversion)

absolut labil

(15)

Ü b e rs ic h t

s d =

z ₀ z ₀ z₀

z z z

T T T

z z z

A . A n a l o g i e a u s d e r M e c h a n i k D a s G l e i c h g e w i c h t d e r K u g e l

i s t r e l a t i v z u r U n t e r l a g e s t a b i l i n d i f f e r e n t l a b i l

B . D i e T r o c k e n - A d i a b a t e i s t d i e Z u s t a n d s k u r v e d e s T e i l c h e n s : Z u s t a n d s k u r v e d e r U m g e b u n g :

( T / z ) d e r U m g e b u n g = G l e i c h g e w i c h t d e s T e i l c h e n s S c h i c h t u n g d e r A t m o s p h ä r e

d d

t r o c k e n - s t a b i l t r o c k e n - i n d i f f e r e n t t r o c k e n - l a b i l u n t e r a d i a b a t i s c h a d i a b a t i s c h ü b e r a d i a b a t i s c h

C . D i e S ä t t i g u n g s - A d i a b a t e i s t d i e Z u s t a n d s k u r v e d e s T e i l c h e n s : Z u s t a n d s k u r v e d e r U m g e b u n g :

( T / z ) d e r U m g e b u n g =

D . Z u s t a n d s k u r v e d e s T e i l c h e n s i s t d i e T r o c k e n - A d i a b a t e

o d e r

d i e S ä t t i g u n g s - A d i a b a t e Z u s t a n d s k u r v e

d e r U m g e b u n g :

( T / z ) d e r U m g e b u n g = G l e i c h g e w i c h t d e s T e i l c h e n s

s = s

s s u n d _d d

a b s o l u t b e d i n g t a b s o l u t

U U U

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Übungen zu III.2

• Es herrsche ständig eine T-Differenz von 1 K zwischen einem Teilchen und seiner Umgebung mit einer Temperatur um 300 K.

Wie schnell steigt das Teilchen bei Vernachlässigung von

Reibung und Vermischung (Entrainment) nach 1 Minute; wie

hoch ist es über seinem Ausgangsniveau nach 5 Minuten?