Einführung in die Meteorologie (met210) - Teil III: Thermodynamik und Wolken -
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Clemens Simmer
Einführung in die Meteorologie (met210)
- Teil III: Thermodynamik und Wolken -
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III Thermodynamik und Wolken1. 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- Nebel- Niederschlag
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III.5.1 Wolken• Wolkenentstehung – makroskalig• Wolkenentstehung – mikroskalig
– Krümmungs- und Lösungseffekt beim Sättigungsdampfdruck– Aerosol und Wolkenbildung (Köhler-Kurve)
• Wolkenklassen
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Wolkenentstehung - makroskalig• Voraussetzung: Wasserdampfübersättigung (e≥e*)
– Sättigungsdampfdruck hängt vom Radius der Tropfen und von den gelösten Stoffen ab (Köhler-Kurve).
– Sättigungsdampfdruck ist in Wasserwolken höher als in Eiswolken
• Prozesse, die zur Übersättigung führen können:– Abkühlung durch adiabatisches Aufsteigen (Konvektion,
Überströmen von Hindernissen)– Abkühlung durch Ausstrahlung (z. B. in der Nacht, Nebelbildung)– Vermischung von Luftmassen unterschiedlicher Feuchte und
Temperatur (Mischungsnebel)
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Sättigungsdampfdruck des Wasserdampfes
• Über einer ebenen Oberfläche reinen Wassers stellt sich ein nur von der Temperatur abhängiger Dampfdruck des Wasserdampfes e* ein (Sättigungsdampfdruck, Clausius-Clapeyron-Gleichung (differentiell), Magnus-Formel (integral)).
• In diesem Zustand hält sich die Anzahl der Wassermoleküle, die pro Zeiteinheit die Oberfläche verlassen (verdunsten), die Waage mit denjenigen, die in die Oberfläche eindringen (kondensieren).
warme*e*(T)
T
flüssig
gasförmig
Über-sättigung
kalte*
6
Wolkenentstehung durch Vermischung (Mischungsnebel)
Temperatur
Dam
pfdr
uck
maximaler Dampfdruck e*(T)(= Sättigungsdampfdruckkurve)
Wasser istflüssig
Wasser istgasförmig
Bei der Mischung von zwei „trockenen“ Luftmassen kann
Übersättigung (Nebel, Wolken) entstehen
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Sättigungsdampfdruck e*
• e* an der Tropfenober-fläche steigt mit der Krümmung.
• e* an der Tropfenoberfläche steigt mit der Reinheit.
• e* ist über Wasser größer als über Eis
e* e*<
< e*e*
e*<e*
nspannungOberfläche
serflächeebenen Waseiner
dampfdruckSättigungs
12exp*
*
*
e
rTRee
www
Wasserbzw.
Stoffgelöster Molzahlen
Faktor, Hofft van'
1)(**1
s,w
w
s
n
f
n
nfreinee
siehe Magnus-Formel
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Wie (be)entsteht ein Wolkentropfen?• Im Gleichgewicht
(Tropfenradius bleibt konstant) gilt e=e*
• Ein Wolkentropfen wächst (verschwindet), wenn der Dampfdruck an der Oberfläche kleiner (größer) ist, als in der Luft.
• Unterschiedlich große Tropfen: → die großen Tropfen wachsen auf Kosten der kleinen Tropfen.
• Unterschiedlich verschmutzte Tropfen: → die schmutzigen Tropfen wachsen auf Kosten der sauberen Tropfen.
• Eis- und Wasserpartikel: → Eiskristalle wachsen auf Kosten der Tropfen.
e*
e
e* e*<
< e*e*
e*<e*
9
Köhlerkurve (a)• Wir betrachten ein Aerosolpartikel in einem Luftpaket.• Im Gleichgewicht mit der Umgebungsluft wird es soviel
Wasserdampf absorbieren (dabei geht das Aerosol in Lösung), bis der Sättigungsdampfdruck an der Oberfläche gleich dem Dampfdruck der Luft ist.
Es existieren also schon „Tropfen“ bei relativen Feuchten unter 100% bezogen auf eine ebene Oberfläche reinen Wassers (endlicher Radius, Dampfdruckerniedrigung durch gelöste Stoffe).
• Nimmt die Luftfeuchtigkeit zu, so wird mehr Wasserdampf absorbiert und das Aerosol quillt auf (Dunstentstehung).
• Wird das Luftpaket adiabatisch gehoben, so kühlt es ab und das Aerosolteilchen quillt weiter auf, weil die relative Feuchte zunimmt (sein Sättigungsdampfdruck nimmt schneller als der Dampfdruck der Umgebungsluft).
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Köhlerkurve (b)
r
e/e*
1
e/e*(T,r)
e/e*(T,Konz.)
rA
• Bei löslichen Aerosolen existieren Tropfen auch unterhalb der Sättigung (bzgl. glatter Oberfläche reinen Wassers)
• Ab dem Aktivierungsradius überwiegt der Krümmungseffekt den Lösungseffekt.
• e/e* bei dem ein „dreckiges“ Teilchen mit Radius r im Gleichgewicht mit Umgebung ist.
• Es folgt: Aerosol (Dreck) ist notwendig zur
Tropfenbildung. Bis zur kritischen relativen Feuchte
(e/e*)krit gibt es nur Tropfen kleiner als der Aktivierungsradius rA.
• Tropfen größer als rA wachsen selb-ständig weiter. Dabei reduzieren sie e/e* und schneiden die kleineren Tropfen von der weiteren Entwicklung ab (da e/e*< (e/e*)krit.
(e/e*)krit
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Köhlerkurve (c)
• Der beschriebene Mechanismus funktioniert nur bei identischen Aerosolpartikeln.
• Bei unterschiedlichen Aerosolpartikeln bestimmen die Aerosolteilchen, die zuerst aktiviert werden, die maximale Übersättigung (e/e*)krit . Sie schneiden andere Aerosole von der Wolkentropfenbildung ab.
• Steigt die Wolkenluft weiter auf, so nehmen die bereits bestehenden Wolkentropfen den kondensierenden Wasserdampf auf – es entstehen keine neuen Wolkentropfen.
• Die Aerosolverteilung bestimmt damit die Anzahldichte der Wolkentropfen – und damit bei gleichem Wasserdampfgehalt der Luft, die Tropfengröße.
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Köhlerkurve (d)• Bei Reinluft (z.B. über Ozeanen) sind die Wolkentropfen
größer als in verschmutzter Luft.• Kleinere Wolkentropfen reflektieren (bei gleicher
Wassermenge) mehr Sonnenlicht als größere Wolkentropfen (1. indirekter Aerosoleffekt)
• Größere Wolkentropfen führen eher zur Niederschlagsbildung (d.h. Wolken mit größeren Tropfen leben kürzer (2. indirekter Aerosoleffekt)
• Der Einfluss des Aerosols auf die Wolkenbildung ist derzeit eines der am meisten kontrovers diskutierten Probleme der Meteorologie.
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Wolkenklassen• Einteilungsmöglichkeiten
– 3(4) Merkmale– 3 Stockwerke– 10 Gattungen– 14 Arten– 9 Unterarten– Sonderformen– Bildungsgeschichte
überlappend
nähere Bezeichnungen zu Gattungen
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Merkmale• st: Stratus (Schichtwolken)• cu: Cumulus (Haufenwolken)• sc: Stratocumulus (Schichtwolken mit wesentlichen
Helligkeitsunterschieden)• (ci: Cirrus (Eiswolken))
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Stockwerke
km polare Breiten
mittlere Breiten
Tropen
hoch 3 - 8 5 - 13 6 - 18
mittel-hoch 2 - 4 2 - 7 2 - 8
niedrig 0 - 2 0 - 2 0 - 2
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Gattungen
st Stratus
cu Cumulus
sc Stratocumulus
cb Cumulonimbus
ac Altocumulus
as Altostratus
ns Nimbostratus
ci Cirrus
cs Cirrostratus
cc Cirrocumulus
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Stockwerke, Merkmale, Gattungen und Zusammensetzung
hoch
mittel-
hoch
niedrig
Stratus Stratocumulus Cumulus
cs cc ci
ns as ac
cu cbscst
nicht unterkühltes Wasserunterkühltes WasserHagel und GraupelSchneesterneEisnadelnGriesel
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Arten (Gestalt)fibratus (fib) = faserig
uncinus (unc) = hakenförmig
castellanus (cas) = türmchenf.
humilis (hum) = niedrig
mediocris (med) = mittelmäßig
congestus (con) = angehäuft
lenticularis (len) = linsenförmig
…
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Unterarten (Anordung, Durchlässigkeit)undulatus (un) = wogenförmig
translucidus (tr) = durchscheinend
opacus (op) = dicht
vertebratus (ve) = gegliedert
lacunosus (la) = lückenhaft
intortus (in) = gedreht
…
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Sonderformen und Begleitwolkenpileus (pil) = mit Kappe
virga (vir) = mit Fallstreifen
…
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Bildungsgeschichtecirrocumulogenitus ccgen gebildet aus noch bestehenden cc
acgen etc.
stratocumulomutatus scmut umgewandelt aus nicht mehr bestehenden sc
acmut etc.
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FlüssigwassergehalteLiquid Water Content (LWC)
Wolkenart LWC, g/m-3
cb
cu
Ambosscirrus
ci
as/ac
st/sc
1,5
1,0
0,035
0,02 q*ρ
0,01 q*ρ
0,05-0,20 (breitenabhängig)
aus Vorgaben in einem Wettervorhersagemodell
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Übungen zu III.5.11. Bei welcher relativer Feuchte (bzgl. einer ebenen
Wasseroberfläche) können bei -20°C, -30°C und -40°C Eiswolken existieren? Vernachlässige dabei die Effekte durch Krümmung und Lösung.
2. Zeichne schematisch im Vergleich Köhlerkurven für ein gut lösliches und ein weniger gut lösliches Aerosol gleicher Stoffmenge (gleiche Molzahlen). Ein gut lösliches Aerosol hat einen höheren Van‘t Hoff Faktor als ein schlechter lösliches Aerosol.
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III.5.2 Nebel• =Wolken in Bodennähe mit Sichtweiten < 1 km• Tropfendurchmesser 10 – 20 µm• bei 100 m Sichtweite lWC=0,1 – 0,2 g/m-3
• Nebel ≠ Wolke, da der Boden eine wichtige Rolle bei der Nebelentstehung spielt
• Entstehungsursachen:– A: Abkühlung
– B: Wasserdampfanreicherung
– C: Vermischung
– D: Advektion
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Haushaltsgleichung für Taupunktdifferenz (siehe Kraus)
z
Wqv
p
dt
dp
z
H
z
Q
cTv
t
T
p 1
6220
11 ,
)(
Warm/Kaltluftadvektion Strahlungsdivergenz turb. vert. fühl. Wärmeflussdivergenz Auf/Absteigen Feuchteadvektion turbul. vertikaler Wasserdampffluss
Nebelbildung ist ein extrem komplexer Prozess, der zu seiner Prognose die genaue Erfassung und Modellierung der Wechselwirkungsprozesse zwischen Landoberfläche und unterer Atmosphäre erfordert (siehe Arbeiten AG Bott)
Achtung: α ist dabei die Steigung der Sättigungsdampfdruckkurve de*/dT
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A: Abkühlung• Bodennebel• Talnebel• Hochnebel• Warmluftnebel• Bergnebel
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Bodennebel
z
(3) (2) (1)
H
H
H
H
θ
• Negative Strahlungsbilanz am Boden kühlt untere Luftschicht ab.
• Der H-Fluss ist dann auch nach unten gerichtet; die Divergenz von H führt zur Abkühlung der ganzen unteren Schicht und damit zur Nebelbildung.
• Ist der Nebel dicht, so verschwindet die H-Flussdivergenz (Strahlungsabkühlung am Boden wird gestoppt), doch am Nebeloberrand herrscht weiterhin eine negative Strahlungsbilanz und kann über die Nacht zu weiterer vertikaler Ausdehnung führen.
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Nebel
Talnebel
• Negative Strahlungsbilanz der Hänge (exponierter im Vergleich zu Talsole) führt zur Abkühlung und Abfluss ins Tal (mit weiterer Abkühlung).
• Aufwölbung durch Hangwindsystem
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Hochnebel
• …ist kein Nebel, sondern eine nach unten gewachsene st oder sc-Decke am Oberrand der Grenzschicht.
• Dort ist die Wolke entstanden durch Strahlungsabkühlung und/oder vertikale Durchmischung innerhalb der Grenzschicht verbunden mit unterbundener Durchmischung durch die Grenzschichtinversion.
Absinkentrockener Luft Fre ie A tm osphäre
(fast ke ine Turbu lenz)
Inversions-Schicht
W olken-Sch.
gut durchm ischte Sch.St oder Sc
turbu lente F lüsseH (z) und E (z)
R eibung
M ischen
Kaltlu ft-Advektion
Entra inm entm it Verdam pfenvon W olkentröpfchen
(starke Turbulenz)
qProzesse Schichten
z
w olkenfre ie Schicht
- Q / z
Profileq
30
Warmluftnebel
• Warme, feuchte Luft strömt über kalten Untergrund.– Bodenwärmestrom kühlt die untere Luftschicht ab– analog: warme, feuchte Meeresluft strömt über kaltes Festland – analog: warme, feuchte Golfstromluft strömt über kalten
Neufundlandstrom
31
Bergnebel=orographische Wolken durch Überströmen
32
B: Wasserdampfanreicherung• Dampfnebel (Verdunstung vom Boden bei vermindertem Abtransport nach
oben)– „Rauchen“ von Flüssen und Seen im Herbst
– „Rauchen“ von Wäldern nach Niederschlag
• Warmfrontnebel– zurückhängende Kaltluftschleppe
wird mit Niederschlag aus der Warmfront mit Wasserdampf angereichert
>
>>
<
<
<
Ns
As
C s
C i
W arm
K altlu ft-S ch leppe
Kalt
z
33
C: Mischungsnebel
(q ,T )
(q ,T )
m
T T T T1 m 2
m
K K
q
q
q
2
m
1
q D am pfspannungkurve
an Fronten
34
Advektionsnebel• bereits gebildeter Nebel (über Wiesen, Mooren, Seen,
kalten Meeresströmungen…) wird durch leichten Wind mit der Luftmasse verfrachtet
35
III.5.3 Niederschlag1. Fallender Niederschlag (Kondensation in der Atmosphäre)
– Niederschlagsbildung• warmer Regenprozess• Bergeron-Findeisenprozess (Mischphase)
– Niederschlagsverteilung– Extreme Niederschläge
2. Aufgewirbelter Niederschlag (kein Phasenübergang)
3. Abgesetzter Niederschlag (Kondensation am Boden)
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III.5.3.1 Fallender Niederschlag – Niederschlagsbildung -• Tropfenwachstum durch Kondensation ist viel zu langsam, um in
Minuten Regentropfen bilden zu können.• Wachstum durch Tropfenkollision alleine vermag in mittleren Breiten
nur Niesel zu erzeugen (warmer Regen).• In mittleren Breiten geht die Niederschlagsbildung daher immer über
die Eisphase (Bergeron-Findeisen-Prozess).
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Auftrieb Verdunstung
CCN-Aktivierung
Kondensationskerne
Kal
te W
olke
nW
arm
e W
olke
nKollision-Koaleszenz
HeterogeneNukleation
BergeronProzess
Wasserdampf-Deposition
Homogenegefrierende Nukleation
Aggregation
Reif-Absatz
Schmelzen
KontinuierlicheKollektionZerfall
SekundäresEis
Kalt-Nieder-schlag-Prozess
Warm-Niederschlag-
Prozess
Niederschlag
Kondensation
Niederschlagsprozess
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Tropfengrößen und Formen
Große RegentropfenR ~ 3 mm
v ~ 10 m/s
Kleine Regentropfen
R ~ 1 mmv ~ 7 m/s
NieseltropfenR ~ 100 μmv ~ 70 cm/s
WolkentropfenR ~ 10 μmv ~ 1 cm/s
DunsttropfenR ~ 1 μmv ~ 0.1 mm/s
Kondensations-kerneR ~ 0.1 μmv ~ 2 μm /s
fallende Tropfen
Tropfenspektrum
39
Ausfluss
Mikrophysik warmer Wolken
Mikrophysik kalter Wolken
Niederschlag
Einfluss
Aerosole
Spurengase
Niederschlag,das Ergebnis einer Kette dynamischer
und mikrophysikalische(Zufalls-)prozesse
40
Wasserdampf
Wolken-Wasser Wolkeneis
Schnee
Regen Graupel/Hagel
Niederschlag am Boden
Niederschlagsprozessin Wettervorhersagemodellen
41
Regen
Schnee
Schneeregen
unterkühlter Regen
Eiskörner
Schneegriesel
Eisnadeln
Hagel
Hagelschauer
Frostgraupel
Frostgraupelschauer
Reifgraupel
Reifgraupelschauer
Niederschlagsarten
Mischwolkenohne
Vertikalbewegung
Mischwolkenmit
Vertikalbewegung (mehrfaches Gefrieren und Schmelzen möglich)
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Niederschlagsmessung
• direkte Niederschlagsmessung• Fernerkundung des Niederschlags vom Boden (Radar)• Satellitenfernerkundung
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Hollanda: 400 cm²h: 40 cm
Belgiena: 100 cm²h: 35cm
Englanda: 127 cm²h: 46 cm
Englanda: 127 cm²h: 69 cm
Portugala: 200 cm²h: 43 cm
Schwedena: 200 cm²h: 35 cm
Hollanda: 200 cm²h: 29 cm
Rußlanda: 200 cm²h: 40 cm
Islanda: 200 cm²h: 56 cm
Norwegena: 225 cm²h: 25 cm
a: Auffangfläche, h: Höhe der Auffangfläche
Beispiele für in Europa benutzten Niederschlagsmesser
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Konventionelle Messungen
Fehlerquellen:
Anzahl der Stationen pro 1° x 1°; insgesamt ca. 30 000 Stationen
Niederschlagsmessnetz 2002
GPCC = Global Precipitation Climatology Center (DWD, Offenbach)
45
In situ beobachteter Niederschlagmittlerer Jahresniederschlag 1961-1990
mm/Monat
Quelle: Global Precipitation Climatology Center, DWD, Offenbach Räumliche Auflösung: 1° x 1°
46
Niederschlagsradar• Aufbau eines Niederschlagsradars• Z-R-Beziehung• Radaraneichung
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Aufbau eines Radarsystems
Sender
steuert Zeitpunkt des Aussendens
- Pulslänge τ (0.1-10μs) - Pulswiederholungs-
frequenz PRF (100-3000 Hz)
Modulator
Hohlleiter- rechteckiges Rohr zur verlustarmen Wellenleitung- Dämpfung muss gemessen werden
Empfänger
Transmit/Receive Schalterschützt den Empfänger vor hohen Leistungen, schnelles, zuverlässiges Schalten!
T/R Limiter
legt Sende- bzw. Empfangs-charakteristik fest
i
ie
or DVr
KhGPP 6
22
2223 1
2ln1024
48
3D Radarinformation
49
Bonner X-Band RadarMessungen mit 50 km und 100 km
Radius um Bonn im 5-Minuten-Zyklus
Erkennbar sind - Dämpfungseffekte- Abschattungen- Bodenechos- Reflexionen
Online-Zugriff überwww.radar-bonn.dewww.bonn-radar.de(3500 Internet-Zugriffe pro Tag)
Radarbilder für Mobiltelefone
www.meteo.uni-bonn.de/forschung/gruppen/radar/radar.xhtml
Radarprozessor von GAMIC, Aachen
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Z-R Beziehung
Radarreflektivitätsfaktor Z [mm6/m3]
dDDDNV
D
e
ii
0
6
6
)(
Z-R wird meist empirisch aus der Korrelation zwischen Reflektivität und Regenrate bestimmt:
bARZ Nach Marshall-Palmer (ca. 1950) ist A=200 und b=1.6 (immer noch am häufigsten verwendet)
Es gibt allerdings mehr als 100 (1973 waren es ~60) verschiedene experim. bestimmte Z-R Beziehungen (meist auf Situation bezogen).
Regenintensität R dDDDN
0
5,3)(
51
Dynamik der Z-R-Beziehung
gemessene Tropfenspektren am
Boden (Symbole)im Vergleich zum Modell
(Linien)
1 mm/h 10 mm/h 100 mm/h
52
Z der Radarmessung und Niederschlag am Boden
Die mit der Höhe varierende Hydrometeorverteilung stellt einen der größten Fehler in der Radarmessung dar!
53
DWD-RADOLAN-Produkt
54
Wettersatelliten
55
Strahlungscharakteristik des Niederschlags
Quelle: Encyclopediea of Atmospheric Science, 2002, S. 1973
56
Winter (DJF) 1987-1998
Sommer (JJA) 1987-1998
Mittlere Verdunstungin mm/Tag
abgleitet aus AVHRR- und SSM/I-Daten
Mittlerer Niederschlagin mm/Tag
Quelle: J. Schulz
Satellitenbeobachtungen
57
1 10 100 1000 10000 100000 1000000
Z e itin te rva ll in m in
100
1000
10000
30
50
200
300
500
2000
3000
5000
20000
30000
50000
Nie
de
rsch
lag
s-S
um
me
in m
m
1 h 1 d 1 M onat 1 a
C herrapunji-W erte
Füssen
58
III.5.3.2 Aufgewirbelter NiederschlagSchneefegen Windverfrachtung unterhalb der Augenhöhe
Schneetreiben Windverfrachtung auch oberhalb der Augenhöhe
Gischt aufgewirbeltes Wasser über Wasseroberflächen
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III.5.3.3 Abgesetzter Niederschlag (1)• Bildung am Boden (Tau, Reif)
Q+LE+H+B=0 LE wird abgeführt durch
neg. Q B H
Kondensation Strahlungstau Advektionstau nicht möglich
weißer Tau (warme und da TB < TL
feuchte Luft
üb. k. Boden)
Sublimation Strahlungsreif Advektionsreif Rauhreif
• Bildung in der Atmosphäre– abgesetzte Nebeltropfen d.h. ohne Phasenumw. bei Bildung– Glatteis d.h. mit Phasenumw. bei Bildung
(Gefrierwärme geht in B)
60
weißer Tau und Reif
61
Rauhreifbildung1. Luft ist nahezu gesättigt bzgl. Wasser
2. Wasserdampf sublimiert als Eis an der Oberfläche
3. Latente Wärme (Sublimationswärme) wird als fühlbare Wärme an die Luft abgeführt
LE
H
TL
eL
TB eBVoraussetzung:
eB = e*E(TB) < eL
undTB > TL
TL < TB 0°C
e*
e*w
e*weL > e*B
62
Rauhreifbildung
** )(,
wBEp
ELLBL eTe
pc
LTTLEH
6220
Maximaler Eisansatz, wenn TB-TL maximal
TL -20°C -18 -15 -12 -8 -4TB-TL 0,33°C 0,35 0,36 0,35 0,30 0,18
Maximaler Eisansatz an Spitzen wegen
d
vL 3
63
III.5.3.3 Abgesetzter Niederschlag (2)• Mischformen
– Rauhfrost wie Rauhreif, zus. Absetzen von Hydrometeoren aus der Luft (flüssig, fest), Sublimation
überwiegt
– Rauheis wie rauhfrost, Absetzen von Hydrometeoren aus der Luft überwiegt
– Klareis wie Rauheis, doch bei Temperaturen um 0°C, Schmelzen und Gefriern erzeugen
kompaktes Eis
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Übungen zu III.5.31. Was ist das Hauptproblem bei der quantitativen
Niederschlagsbestimmung mittels Radar (3 Sätze)?
2. Beschreibe den Weg eines Aerosolteilchen von seiner Entstehung bis es als Kondensationskern eines Regetropfens zu Boden fällt (1/2 Seite).
3. Warum ist bei der Rauhreifbildung ein leichter Wind notwendig?
4. Schätze ab, wieviel Eis bei -8°C einem Wind von 1 m/s in einer Stunde an einer Spitze von ca. 1 mm Durchmesser abgesetzt werden kann.