Einführung in die Meteorologie (met210)

Clemens Simmer

Einführung

in die Meteorologie (met210)

- Teil VII: Synoptik

VII Synoptische Meteorologie

Synoptik ist die Zusammenschau der Wettervorgänge in Raum und Zeit mit dem Ziel der Wetteranalyse und

Wettervorhersage. Die Synoptik ist Teil der Angewandten Meteorologie.

1. Allgemeines - Definitionen

- Darstellungsweisen

- Dreidimensionale Sicht

2. Synoptische Systeme mitterer Breiten, oder „Wie entstehen Tiefs und Hochs“

- verschiedene Skalen

VII.2.4 Fronten und Luftmassen

•  Die Begriffe „Fronten“ und „Luftmassen“ wurden in den 20iger Jahren von skandinavischen Meteorologen (Bjerknes et al.) zum

Verständnis des Aufbaus der Troposphäre in den mittleren und hohen Breiten eingeführt.

•  Fronten kennzeichnen Zonen, in denen sich die Temperatur (und andere Größen) horizontal sehr stark ändert; sie grenzen also Luftmassen voneinander ab.

•  Die Fronten der Tiefs erstrecken sich über mehrere 10 km (→Frontalzone).

•  Durch ihre starke Neigung mit der Höhe kann die gesamte Frontalzone jedoch über einen Bereich von 1000 km reichen.

•  Nach der thermischen Windrelation nimmt der Wind in Frontalzonen mit der Höhe zu. Das Maximum ergibt sich am oberen Rand der

Frontalzone (meist die Tropopause) und bildet die bekannten

Strahlströme (Jets).

Schnitt durch eine Front - idealisiert

•  Eine Front hat eine Frontfläche.

•  Deren Schnitt mit dem Boden ergibt die Bodenfront.

•  Schwere Kaltluft schiebt sich unter die leichtere Warmluft.

Schnitt durch eine Frontalzone mit Strahlstrom

Beachte:

•  starke Überhöhung der Vertikalen in der Abbildung

•  ausgedehnte Frontalzone

•  Jet oberhalb der Frontalzone als Resultat des thermischen Windes und unterhalb der Tropopause (wieder

Temperaturzunahme)

Polarfront (1)

•  Die Polarfront wurde zunächst gedacht als Trennung zwischen tropischer Luftmasse und polarer Luftmasse

•  Idealerweise reicht sie einmal um jede Hemisphäre herum.

Polarfront (2)

•  In der unteren Troposphäre ist die Temperaturgradient an der Front häufig stärker als in der Höhe, allerdings nur an einigen Stellen.

•  Dies liegt zum Teil an der konvergenten bodennahen Strömung die bestehende Gegensätze verstärkt.

•  Dazwischen liegen größere Gebiete, in denen die

Polarfront am Boden „fehlt“. Z.B. im Bereich von Tiefdruck- und Hochdruckgebieten der mittleren Breiten entstehen Luftmassen, deren Temperaturen durch Durchmischung zwischen denen von tropischer und polarer Luft liegen.

•  Die Polarfront wird dadurch in mehrere Teile aufgespalten.

Dazu hat man dann die sogenannte gemäßigte Luftmasse

eingeführt.

Polarfront (3)

Rossby (1950) hat darauf aufbauend die 3-Zellenstruktur

eingeführt.

Polarfront (4)

Das Bild von Defant (1958) unterstreicht die starke zeitliche

und auch räumliche Variabilität.

Hauptluftmassen (1)

•  Reine Tropikluft kann bis in mittleren Breiten nur sehr

selten vorstoßen, da der subtropische Hochdruckgürtel ihre Ausbreitung nach Norden verhindert.

•  Auch stammt die Polarluft oft nicht direkt aus den

Polargebieten (nun arktische Polarluft genannt), sondern häufig aus Grönland oder Skandinavien.

Ø  Die Polarfront trennt damit meist subtropische von subpolarer Luft.

•  In mittleren Breiten werden durch die rasche Verlagerung von Hochdruck - und Tiefdruckgebieten mit ständiger

Änderung von Windgeschwindigkeit und Windrichtung die Luftmassen vermischt und umgewandelt -> gemäßigte Luft.

•  Es lassen sich somit 5 Hauptluftmassen unterscheiden.

Hauptluftmassen (2)

Luftmassentransformationen

•  Luftmassen ändern ständig ihre Eigenschaften – sie werden transformiert.

•  Relevante Prozesse:

Strukturen von Fronten

•  Phänomene an Fronten

•  Margules-Modell

•  Querzirkulation

Schnitt durch Fronten - Phänomene

BEACHTE DIE STARKE ÜBERHÖHUNG!

•  Die Zunahme des Windes mit der Höhe steilt Kaltfronten auf; sie können sich

„überschlagen.

•  Die Labilisierung (in der Höhe kalt) führt zu

konvektiven

Niederschlägen und durch intensiveren Impulsaustausch zum schnellen

Voranschreiten.

(aus Roedel, 1994)

Margules-Modell (1)

•  Das einfachste Frontenmodell stellt eine frontale “Unstetigkeit” dar.

•  Die Front wird idealisiert als eine scharfe, flache Unstetigkeit der Temperatur, die zwei reibungsfreie, homogene, geostrophische Strömungen voneinander trennt.

•  Fronten-parallele Windkomponenten sind notwendig, um die Frontenneigung

durch die Coriolisbeschleunigung zu halten.

Margules-Modell (2)

Die Windscherung an einer Front ist immer zyklonal (Isobarenknick in Wetterkarten).

Je größer der Temperatursprung, desto flacher die Front; Je größer der Windsprung, desto steiler.

Fazit:

•  Fronten sind geneigt, wenn die abgegrenzten Luftmassen unterschiedliche

( ) ( )

T T v g

f v

v g

f

w k

k w

Δ

= Δ

−

= −

ρ ρ

ρ α ρ

tan

Ableitung für eine Front parallel zur x-Achse (siehe Abbildung):

dp

= ∂ p

∂ y

dy + ∂ p

∂ z

dz ≡ ∂ p

∂ y

dy + ∂ p

∂ z

dz (dp entlang der Frontfläche, w/k in der Warm/Kaltluft)

⇒ dz

dy

= tan α =

∂ p

∂ y

− ∂ p

∂ y

∂ p

∂ z

− ∂ p

∂ z

, weiter mit ∂ p

∂ z = − ρ ^g

statische Grundgleichung

! " # $ # und ∂ p

∂ y = − f ρ ^v

geostrophischer Wind

! " # # $

Margules-Modell (3)

•  Es gibt mehrere Konfigurationen, um die Differenz der

Fronten-parallelen Winde (Warm-Kalt) positiv zu halten

(beachte den Druckgradienten senkrecht zur Front):

Schnitt durch Fronten - Querzirkulation

Eine Front induziert durch die horizontalen Temperaturgradienten horizontale

Druckgradienten, die eine direkte

thermische Zirkulation quer zur Front bewirken (Solenoidterm in Vorticitygl.).

Diese ageostrophische Strömung führt immer zu Aufsteigen in der Warmluft und Absteigen in der Kaltluft.

z

x

kalt warm

Fläche des Maximums

von grad

Übungen zu VII.2.4

1.  Warum gibt es oberhalb von Frontalzonen einen Strahlstrom?

2.  Erläutere die Entstehung von Luftmassen.

3.  Leite die Margulessche Grenzflächenbedingung (alle Gleichungen in der entsprechenden Folie) ab.

4.  Berechne die Frontenneigung für einen Temperatursprung

von 5 K und einen Windsprung von 2 m/s.