Einführung in die Meteorologie

- Teil V: Synoptische Meteorologie -

Clemens Simmer

Meteorologisches InstitutRheinische 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 Informatik

Synoptische Skala

1000 km

100 km

Auflösung von Tiefdruckgebieten (einschließlich Fronten) und Hochdruckgebieten

andereGrößenordnungenU ~ 10 m/sT ~ h – d

zwischen globalerSkala und Mesoskala

notwendiges Beobachtungsnetz:< 50 km~ 3 h

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 Qualität)

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%

– zunehmenden Nutzung für Prognose

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 Entwicklung1842 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 NLCLhCMCH TdTdapp 7RRTnTn 7RRTxTx

10111 81020 ccccc 12754 4cccc 55+06 7cc57 7cc51 6 UTC

18 UTCII Zonenbezeichnungiii StationskennungN Bedeckungsgraddd Windrichtung in Dekagradff Windgeschwindigkeit in Knoten (1 kn =ca. 0,5 m/s)VV Sichtweite (kodiert)ww Wetter zum BeobachtungszeitpunktW Wetter seit letztem Haupttermin (6 oder 3 Stunden)PPP Luftdruck ohne 100er, reduziert, in 10tel hPaTT Lufttemperatur in°CNL Bedeckungsgrad der tiefen WolkenCL,M,H Art der tiefen, mittelhohe, hohen Wolken (kodiert)h Unterkantenhöhe der tiefsten Wolken (kodiert)TD Taupunkttemperatur in °Ca Verlauf der Barographenkurvepp Luftdruckänderung in 10tel hPa der letzten 3

StundenRR Niderschalg der vergangenen 12 Stunden (kodiert)Tn,x Minimum bzw. Maximumtemperatur

pp

PPPCTT H

C MVV

w w

Td C LTdTd

a

WNLh

ddffN

Aufbau desStationssymbols

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 Wettererscheinungen,…

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 arm front m it E rw ärm ung in a llen Sch ichten

W arm front m it E rw ärm ung nur am Boden

W arm front m it E rw ärm ung nur in der H öhe

M askierte W arm front m it Abkühlung am Boden

Q uasista tionäre Front

Kaltfront m it Abkühlung in a llen Schichten

Kaltfront m it Abkühlung nur am Boden

Kaltfront m it Abkühlung nur in der H öhe

M askierte Kaltfront m it E rw ärm ung am Boden

O kklusionsfront (Zusam m enschluß von W arm - und Kaltfront)

G ealterte O kklusionsfront

Ka ltfront-O kklusion m it Abkühlung am Boden

Konvergenzlin ie

W arm front-O kklusion m it E rw ärm ung am Boden

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 = warm, siehe später)

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

hkf

gv

x

hg

dx

dhg

x

p

dx

dp

x

hg

xg

x

gz

x

zg

x

ppk

fv

pg

pyzy

ggz

hg

0

0,

0,

00

hschließlic und

damitfolgt Es Meter. ellesgeopotentih mit

, 1

0

z+Δz

z

pp-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 Temperatur der Schicht.

)ln(ln)ln(ln

)(lnln

mit n Integratio ln

ngGasgleichu ideale , :GG statische

21

120

21

12

1212

ppR

hhg

ppR

gzgzT

zzTR

gpp

TTdzTR

gpd

p

dp

dzTR

pg

TRpgdzdp

LLv

vL

vvvL

vL

vL

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

z

x

pj-3Δp

pj-Δp

pi-2Δp

pj-2Δp

pi

pj-Δp

pj

kalte Luft warme Luft

horizontaleDruckgradienten

höhenabhängigergeostrophischer

Wind=

thermischer Wind

pi=pj

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

Thermischer Wind (1)

gv

po

S, warm N, kalt

po-p

po-2p

gv

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) Wind, der die kalte Luft umströmt, die der geostrophische Wind das Tief.

Thermischer Wind (2)

gv

po

S, H, warm N,T, kalt

po-p

po-2p

gv

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

gv

Thermischer Wind (3)

gv

po

S, T, warm N,H, kalt

po-p

po-2p

gv

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

110

300

1

03,0

100000

10

30010

10

2

111

111

lnln

ln1

ln , , ,

1

4

z

Tv

TTk

fT

g

z

Tv

TT

Tk

f

gT

z

Tv

TTk

f

gT

z

Tv

TTR

gk

f

TR

z

Tpk

f

R

z

pk

f

TR

z

v

zpk

f

TRp

pk

f

TRpk

fp

TR

z

pTR

z

p

p

TRgg

z

p

TR

ppk

fv

vg

vvH

v

vg

vvH

v

v

vg

vvH

vvg

vvLH

vL

vH

LH

vLg

HvL

HvL

HvL

vLvL

vLHg

vHv

g TkfT

g

z

v

Skalenanalyse

Der thermische Wind- Zusammenfassung -

pkf

v Hg

1

: vHv

g TkfT

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 Tief.

H

TW KH

T

Der thermische Wind- Indikator für Temperaturadvektion und Möglichkeit des

Nowcasting von Temperaturänderungen-

H

TW KH

T

H

TK W

H

T

Rechtsdrehungmit der Höhe

=Es wird wärmer

Linkssdrehungmit der Höhe

=Es wird kälter

Achtung: Nicht mit der Rechtsdrehung des Windes in der Grenzschicht durch Reibung verwechseln. Obiges gilt nur in der freien Atmosphäre!

Formale Ableitung des thermischen Windes im p-System

vpLg

vpL

vLpp

constg

pg

vLpg

Tkf

R

p

vp

Tkfp

R

p

TRkf

kfp

kfp

v

p

TR

p

zggzk

fv

1111

1 , alGeopotenti ,

1

Annahme

idealeGasGGG stat.

vpLg Tkf

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 thermischen Windes, wie die Isobaren und die Isohypsen Stromlinien des geostrophischen Windes bilden.

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

0ln

0

p

vT gvp

0ln

0

p

vT gvp

Barokline Felder- 2 Fälle -

h2

h1

h3

h4

h1

h2

h3

h4

T1

T2

T3

T1

T2

T3

T4T4EE

NN

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 Intensivierung von Wellen in den Höhenkarten.