V Synoptische Meteorologie

Einführung

in die Meteorologie

- Teil V: Synoptische Meteorologie -

Clemens Simmer

Meteorologisches Institut

Rheinische Friedrich-Wilhelms Universität Bonn Sommersemester 2008

V Synoptische Meteorologie

1. Allgemeines

– Definitionen

– Darstellungsweisen – Dreidimensionale Sicht

2. Synoptische Systeme mitterer Breiten

– verschiedene Skalen – Frontentheorien

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

Wettervorhersage. Die Synoptik ist Teil der Angewandten Meteorologie.

V.1 Allgemeines zur Synoptik

• Definition, wissenschaftliche und technische Grundlagen, Geschichte

• Darstellung synoptischer Felder

– Bodenkarten – Höhenkarten – Stationsmodell

• Thermische Verknüpfung von Boden- und Höhenwetterkarten, thermischer Wind

• Barotrope und barokline Felder

V.1.1 Definition und Grundlagen

• Synoptik: Zusammenschau der 4D-Verteilung der meteorologischen Parameter mit dem Ziel der

Wetteranalyse und der Prognose.

• Wetter: 4D-Zustand der meteorologischen Parameter (Vorauss.: 4D-Beobachtungen der meteorologischen Parameter)

• Prognose erfordert

– quasi-Echtzeitverfügbarkeit globaler Daten in den nationalen oder internationalen Vorhersagezentren

– meteorologischer (synoptischer) Sachverstand

– und/oder Prognosemodelle (Nutzung von Erkenntnissen der theoretischen Meteorologie, numerische Mathematik und

Synoptische Skala

1000 km 100 km

Auflösung von Tiefdruckgebieten (einschließlich Fronten) und

Hochdruckgebieten andere

Größenordnungen U ~ 10 m/s

T ~ h – d

zwischen globaler Skala und Mesoskala notwendiges

Beobachtungsnetz:

< 50 km

Beobachtungssysteme (1)

• per Global Telecommunication System (GTS) in quasi- Echtzeit verfügbar

– synoptische Stationen (1 pro 40 km, Land und VOS)

• Druck, Temperatur und Feuchte in 2 m, Wind in 10 m Höhe

• Niederschlagsmessung (Ablesung nur 6 und 18 UTC)

• Maximum- (18 UTC) und Minimumtemperatur (6 UTC)

• Wolkenbeobachtungen und allgemeine Wetterbeobachtungen

• um 00, 03, 06, …UT global gleichzeitig

– aerologische Stationen (1 pro 200 km, vorw. Land, Wetterschiffe)

• T(z), p(z), RH(z), ff(z), dd(z)

• um 00, 06, 12, 18 UT (viele auch nur 00)

– asynoptisch teilweise über GTS in Echtzeit verfügbar

• Flugzeugmessungen (T(z), p(z))

• Satelitenmessungen (fast alle Parameter mit unterschiedlicher

Karten

Beobachtungssysteme (2)

• ca. 1 x pro Monat verfügbar, u.A. für Validierung

– Klimastationen (1 pro 20 km, Land und VOS)

• alle meteorologischen Parmeter ähnlich synoptische Stationen

• Beobachtungszeiten an Lokalzeiten orientiert

– Niederschlagsmessnetze (1 pro 10 km, Land)

• nur Tagessummen

• werden stark ausgedünnt

• teilweise Ersatz durch in Echtzeit meldende zeitlich hochauflösende Regenmesser zur Eichung von Radarniederschlägen

• Radarnetzwerke (alle 5-10 Minuten, quasi-Echtzeit)

– derzeit nur nationale Netzwerke – Eichung mit Regenmessern – Qualität ca. 100%

Karten

Radarnetzwerk DWD

Bonn

DWD- Radarverbund

- Horizontabtastungen a 5 min - Auflösung 2x2 km²

-16 Reflektivitätsklassen

X-Band Radar Bonn

- Volumenscans alle 15 min - Horizontabtastungen a 5 min - Auflösung 0.25x0.25 km²

-Reflektivität voll aufgelöst

Europäische Wetterradarnetze

Prognosemodelle

• In Europa derzeit noch vier nationale Prognosemodellsysteme

– DWD et al. (GME, 50 km Aufl., LM 7km Aufl., LMK 2,8 km Aufl.

>30 Schichten)

– MeteoFrance et al. (ALADIN) – UK MetOffice et al. (UM)

– Schweden et al. (HIRLAM)

• Europäisches Zentrum für Mittelfristige Wettervorhersage (EZMW, ECMWF, Reading, UK)

– getragen von fast allen nationalen europäischen Wetterdiensten – Beschränkung auf Mittelfrist

– international bestes Vorhersagesystem für synoptische Skala – erstellt globale Reanalysen (z.B. ERA40), alternativ die US-

amerikanischen NCEP Reanalysen

Historische Entwicklung

1842 erste aktuelle synoptische Karte aus per Telegraph übermittelten Messungen (USA)

1849 erste aktuelle Zeitungswetterkarte (UK)

1854 erster deutscher meteorologischer Dienst (Einrichtung nach Schiffskatastrophe durch Wettereinwirkungen)

1873 International Meteorological Organisation (IMO, heute World Meteorological Organisation, WMO)

1877 Internationale Vereinbarungen über globale Wetterdatenübermittlung

1922 Richardson macht die erste numerische Wettervorhersage für 6 Stunden (braucht dazu Monate)

1923 Polarfronttheorie von Bjerknes und Solberg 1950 erster brauchbarer Computer

1960 erster meteorologischer Satellit

V.1.2 Darstellung synoptischer Felder (Wetterkarten)

• Kodierung synoptischer Beobachtungen

• Aufbau des „Stationsmodells“

• Bodenwetterkarten

• Höhenkarten

• Relative Topographie

synoptische Wetterbeobachtung

IIiii Nddff VVwwW PPPTT N_LC_LhC_MC_H T_dT_dapp 7RRT_nT_n 7RRT_xT_x

10111 81020 ccccc 12754 4cccc 55+06 7cc57 7cc51

6 UTC

18 UTC

II Zonenbezeichnung iii Stationskennung N Bedeckungsgrad

dd Windrichtung in Dekagrad

ff Windgeschwindigkeit in Knoten (1 kn =ca. 0,5 m/s) VV Sichtweite (kodiert)

ww Wetter zum Beobachtungszeitpunkt

W Wetter seit letztem Haupttermin (6 oder 3 Stunden) PPP Luftdruck ohne 100er, reduziert, in 10tel hPa

TT Lufttemperatur in°C

NL Bedeckungsgrad der tiefen Wolken

C_L,M,H Art der tiefen, mittelhohe, hohen Wolken (kodiert)

h Unterkantenhöhe der tiefsten Wolken (kodiert) TD Taupunkttemperatur in °C

a Verlauf der Barographenkurve

pp Luftdruckänderung in 10tel hPa der letzten 3 Stunden RR Niderschalg der vergangenen 12 Stunden (kodiert)

p p P P P C

T T _H

C _M V V

w w

T d_TdTd C _L

a N_L W

h

ddff N

Aufbau des

Stationssymbols

Beispiel:

22°C Lufttemperatur, 18°C Taupunkt, 1021 hPa Luftdruck, um 0,5 hPa in den letzten 3 Stunden gestiegen, 2/8 Bewölkung, nur niedrige Wolken, Cumulus, Wind aus Ostsüdost mit 10 Knoten, die Sichtweite ist gering, es gibt und ab keine signifikanten

27.10.2002 00 UTC Einige Charaktersistika der Bodenwetterkarte

Charakteristika der Bodendruckkarte

1. Winde sind parallel zu Isobaren mit niedrigem Druck links und Richtungstendenz zum niedrigen Druck

2. Je enger die Isobaren, desto stärker der Wind

3. In Tiefs ist die Strömung links herum (zyklonal) in Hochs rechts herum (antizyklonal)

4. 1-3 folgen aus der geostrophischen Windrelation (Ausgleich von Druckgradient und Coriolisbeschleunigung)

5. Tiefs haben Frontalzonen (Warm- und Kaltfronten) an denen die Isobaren (und der Wind) einen zyklonalen Sprung

aufweisen (Margulessche Grenzflächenneigung).

6. In Tiefs – besonders an Fronten – tritt vermehrt Bewölkung und Niederschlag auf (folgt u.a. aus Konvergenz

(=Zusammenströmen) der Luftströmung verbunden mit Aufsteigen) (Aufgleiten, Querzirkulation)

W a r m f r o n t m i t E r w ä r m u n g i n a l l e n S c h i c h t e n W a r m f r o n t m i t E r w ä r m u n g n u r a m B o d e n W a r m f r o n t m i t E r w ä r m u n g n u r i n d e r H ö h e M a s k i e r t e W a r m f r o n t m i t A b k ü h l u n g a m B o d e n Q u a s i s t a t i o n ä r e F r o n t

K a l t f r o n t m i t A b k ü h l u n g i n a l l e n S c h i c h t e n K a l t f r o n t m i t A b k ü h l u n g n u r a m B o d e n K a l t f r o n t m i t A b k ü h l u n g n u r i n d e r H ö h e

M a s k i e r t e K a l t f r o n t m i t E r w ä r m u n g a m B o d e n

O k k l u s i o n s f r o n t ( Z u s a m m e n s c h l u ß v o n W a r m - u n d K a l t f r o n t ) G e a l t e r t e O k k l u s i o n s f r o n t

K a l t f r o n t - O k k l u s i o n m i t A b k ü h l u n g a m B o d e n K o n v e r g e n z l i n i e

W a r m f r o n t - O k k l u s i o n m i t E r w ä r m u n g a m B o d e n

Frontenkennzeichnung

Druckverteilung und Niederschlag aus Vorhersagemodell

Höhenkarten

• sind Topographien von isobaren Flächen, angegeben in geopotentiellen Metern (gpm)

– absolute Topographien, z.B. 850 hPa, 700 hPa, 500 hPa, 300 hPa, … enthalten

• h₈₅₀, h₇₀₀, … als Isolinien (sog. Isohypsen) in gpd(eka)m (warum, siehe später)

• Isothermen

• relevante Messwerteintragungen (Radiosonden, Flugzeuge, Satellit) als reduziertes Stationsmodell – relative Topographien, z.B. h₃₀₀ – h₇₀₀

• geben Informationen über die mittlere virtuelle Temperatur in den Schichten (niedrige

Höhendifferenz = kalt, große Höhendifferenz =

Beispiel einer 500 hPa Höhenkarte (oben, ohne Stationseintragungen)

Kennzeichen:

• kaum abgeschlossene Isohypsen

• Drängung der Isohypsen im Bereich der Polarfront

• keine eingezeichnete Fronten

• Tröge gegenüber Tiefs am Boden nach Westen

verschoben

Zusammenhang Isobaren - Isohypsen

• Beim Übergang zu Isohypsen vereinfacht sich die Gleichung für den geostrophischen Wind weil die Dichte entfällt.

• Dadurch entsprechen gleicher Isohypsendrängung der gleiche geostrophische Wind – und zwar unabhängig von der Höhe

h f k

v g

x g h

dx g dh x

p dx

dp

x g h

g x x

gz x

g z x

p p f k

v

p g

p y z

y

gzg h

g









 

 

 



 

 

 



 



 



 





 

 

0

0 ,

0 ,

0 0

h schließlic und

damit folgt

Es Meter.

elles geopotenti

h mit

,

1 ₀











 

z+Δz z p

p-Δp

Δp=-ρgΔz Δx

Zusammenhang Relative Topographie – mittlere virtuelle Schichttemperatur

Die (geopotentielle) Dicke einer Schicht zwischen zwei festen Druckflächen ist direkt proportional zur mittleren virtuellen

 

) ln

(ln )

ln (ln

) (

ln ln

mit n

Integratio

ln

ng Gasgleichu ideale

, :

GG statische

2 1

1 2

0 2

1

1 2

1 2

1 2

p p

R

h h

g p

p R

gz T gz

z T z

R p g

p

T T

T dz R p g

p d dp

T dz R

pg

T R p

gdz dp

L L

v

v L

v v

v L

v L

v L



 



 

























  

V.1.3 Thermische Verknüpfung von Boden und Höhenwetterkarten - thermischer Wind -

z

x p_j-3Δp

p_j-Δp p_i-2Δp p_j-2Δp

p_i p_j-Δp

p_j

kalte Luft warme Luft

horizontale Druckgradienten

höhenabhängiger geostrophischer

Wind

= p_i=p_j

Horizontale Temperaturunterschiede erzeugen horizontale Druckunterschiede in der Höhe und damit unterschiedlichen geostrophischen Wind in der

Grenzzone

Thermischer Wind (1)

vg

p_o S, warm N, kalt

p_o-p p_o-2p

vg

Selbst bei Druckgleichheit am Boden (kein geostrophischer

Wind am Boden) nimmt der Wind durch horizontale Temperaturänderungen mit

der Höhe zu

Beispiel für die Entstehung von Strahlströmen über

Frontalzonen

Durch horizontale Temperaturunterschiede entsteht ein (geostrophischer)

Thermischer Wind (2)

vg

p_o S, H, warm N,T, kalt

p_o-p p_o-2p

vg

Haben wir im Süden ein warmes Hoch und im Norden ein kaltes Tief, so wird mit der

Höhe der am Boden schon herrschende Westwind mit zunehmender Höhe verstärkt.

Beispiel für die Westwinddrift der mittleren Breiten

vg

Thermischer Wind (3)

vg

p_o S, T, warm N,H, kalt

p_o-p p_o-2p

vg

Haben wir im Süden ein warmes Tief und im Norden ein kaltes Hoch, so haben wir

am Boden Ostwinde und in der Höhe Westwinde.

Warme Tiefs und kalte Hochs sind „flach“ (denn sie

schlagen in Hochs bzw. Tief um mit der Höhe)

Beispiel für die Hadley- Zirkulation der

Tropen/Subtropen

Formale Ableitung des thermischen Windes im z-System

 

 

   











 



 









 



 

 



 







 

003 , 0

100 10 1 300

1

03 , 0

100000 10 300

10 10 2

1 1

1

1 1

1 ln ln

1 ln

ln ,

,

, 1

4

z v T T T

fT k g z

v T T T

k T f gT

z v T

T k T

f gT z

v T T T

R k g

f T R

z p T

f k R z

k p f

T R z

v

p z f k

T p R

k p f

T p R

fp k T R

z T p

z R p p

T g R

z g p T

R p p

f k v

v g v v

H v

v g v v

H v

v

v g v v

H v

v g v v

L H

v L

v H

L H

v g L

H v

L H

v L H

v L

v L v

L v

L H

g



 





 

 









 



 









 

 



 













 









 







 



 





 



















 



 





 

 











 

v H

g k T

f T

g z

v  



 

Skalenanalyse

Der thermische Wind

- Zusammenfassung - p

f k

v_g    _H



: 1 _{H v}

v

g k T

f T

g z

v   



  

Der thermische Wind

(= Änderung des

geostrophischen Windes mit der Höhe durch einen

horizontalen

Temperaturgradienten) „weht“

um ein Kaltluftgebiet, wie der geostrophische Wind um das

W T K

H T

Der thermische Wind

- Indikator für Temperaturadvektion und Möglichkeit des Nowcasting von Temperaturänderungen-

H

W T K

H T

H

K T HW

T

Rechtsdrehung mit der Höhe

=

Es wird wärmer

Linkssdrehung mit der Höhe

=

Es wird kälter

Achtung: Nicht mit der Rechtsdrehung des Windes in der Grenzschicht

Formale Ableitung des thermischen Windes im p-System





v p g L

v p L

v L p

p const

g p

g

v p L

g

T f k

R p

p v

T fp k

R

p T k R

k f f k p

f p

v

p T R p

g z gz

f k v







 













 



 





 



 









 



 









 



 









 

 













 







 







 

1 1

1 1

1 , al Geopotenti

, 1

Annahme

idealeGasG GG

stat.





v L p

g k T

f R p

v    



 

ln

Ableitung wesentlich einfacher im p-System.

Zudem gilt die „einfache“ Beziehung ohne Näherung.

Die Isohypsen der relativen Topographie bilden Stromlinien des

Zusammenhang zwischen Boden und Höhenkarten

Gegeben sei das Isohypsenfeld der 1000 hPa Druckfläche (untere Abb., durchgezogen) mit Isothermen (untere Abb., gestrichelt).

Bei gleicher Temperaturabnahme mit der Höhe folgen obige Isothermen und

Isohypsen der 500 hPa-Fläche.

• In der Höhe geht das Zellenfeld am Boden in eine Wellenform über

• Das Tief wird in der Höhe nach Nordwest und das Hoch nach Südwest verschoben.

Verifiziere den Übergang zwischen beiden Druchfeldern(unten → oben) qualitativ mit der thermischen

Windgleichung.

Was ergäbe sich qualitativ für ein Isohypsenfeld in der Höhe, wenn am Boden Hoch und Tief vertauscht wären bei gleicher Temperaturverteilung?

Versuchen Sie die

Zusammenhänge zwischen Boden- und Höhenkarte aus der letzten Folie in diesen Wetterkarten wieder zu finden.

Barotrope und barokline Felder

• barotrop: Isoflächen von Druck und Temperatur sind parallel zueinander

geostrophischer Wind mit der Höhe konstant

• baroklin: Isoflächen von Druck und Temperatur sind gegeneinander geneigt

geostrophischer Wind ändert sich mit der Höhe

ln 0

0





 





 p

T_v v^g

p



ln 0

0





 





 p

T_v v^g

p



Barokline Felder

- 2 Fälle -

h2 h1

h3 h4

h1 h2 h3 h4 T1

T2 T3 T1

T2 T3 T4 T4

E E N N

a b

vg vg

h₁ < h₂ < … Isohypsen einer Druckfläche , T₁ < T₂ < … die Temperaturen

a: Es herrscht keine Temperatur- advektion. Dieser Fall ist typisch für Höhenkarten ab 500 hPa. Es ist ein Initialfeld für barokline Wellen

b: Es herrscht Temperaturadvektion.

Dieser Fall ist typisch für die Bodenwetterkarten. S sind verantwortlich z.B. für die