Einf¼hrung in die Meteorologie - Teil V: Synoptische Meteorologie

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Einführung in die Meteorologie - Teil V: Synoptische Meteorologie -. Clemens Simmer Meteorologisches Institut Rheinische Friedrich-Wilhelms Universität Bonn Sommersemester 2005 Wintersemester 2004/2006. V Synoptische Meteorologie. - PowerPoint PPT Presentation

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  • Einfhrung in die Meteorologie

    - Teil V: Synoptische Meteorologie -Clemens Simmer

    Meteorologisches InstitutRheinische Friedrich-Wilhelms Universitt Bonn

    Sommersemester 2005Wintersemester 2004/2006

  • V Synoptische MeteorologieAllgemeinesDefinitionenDarstellungsweisenDreidimensionale SichtSynoptische Systeme mitterer Breiten oder wie entstehen Hochs und Tiefsverschiedene Skalen im westlichen GrundstromFrontenSynoptik ist die Zusammenschau der Wettervorgnge in Raum und Zeit mit dem Ziel der Wetteranalyse und Wettervorhersage. Die Synoptik ist Teil der Angewandten Meteorologie.

  • Beispiel: 27.10.2002, 12 UTCVISIRTiefs sind durch ausgeprgte Wirbelstrukturen in den Wolken zu erkennen. Fronten erscheinen oft als isolierte Bnder. Hochs sind weniger auffllig oft nur durch wolkenfreie Gebiete kenntlich.

  • Einige BeobachtungenTiefdruckgebiete wandern meist von West nach Ost.Tiefdruckgebiete entstehen meist in bestimmten geographischen Regionen; sie entstehen oft in ganzen Familien.Tiefdruckgebiete wirken dynamisch und haben einen Lebenszyklus (mehrere Tage) whrend Hochdruckgebiete eher passiv wirken; manche Hochs knnen Wochen existieren.Tiefs haben Fronten whrend Hochs i.a. keine Fronten besitzen.

  • Inhaltthermische und dynamische Hochs und Tiefsdie Westwinddriftbarotrope Rossby-Wellenbarokline Rossby-Wellen Lage von Hochs und TiefsStruktur von FrontenTiefs sind destabilisierte barokline Rossby-WellenStruktur von Tiefdrucksystemen thermische Antriebe dynamischer TiefsHochdruckgebieteandere Tiefdruckgebiete

  • Thermische Druckgebilde- Hitzetief -Erwrmung der unteren Atmosphre Ausbeulen der Isobarenflchen Druckgradienten in der Hhe fhren zu seitlichem Abflieen In Folge Druckfall im Zentrum Einflieen zum Zentrum am Boden

    Thermische Tiefs haben einen warmen Kern!Hurrikane (tropische Zyklonen) sind auch thermische Tiefs

  • Thermische Druckgebilde- Kltehoch -Abkhlung der unteren Atmosphre Ausbeulen der Isobarenflchen Druckgradienten in der Hhe fhren zu seitlichem Einflieen In Folge Druckanstieg im Zentrum Ausflieen aus Zentrum am Boden

  • Globale atmosphrischeZirkulation am Boden im Nordwinter und NordsommerIsolinien: Bodendruck; Pfeile: horizontaler WindDatenquelle: NCEP-Reanalysen; Entwurf: H. MchelKontinentale Kltehochs im Winter

    Kontinentale Hitztiefs im Sommer

  • dynamische Tiefs und HochsthermischgetriebenDivergenzTKonvergenzHdynamische Tiefs und Hochs werden i. w. durch Strmungs-strukturen in der Hhe angetrieben

  • Die Westwinddrift zirkumpolare WellenDie mittleren Breiten sind durch vorherrschende westliche Winde in allen Hhen gekennzeichnet.

    Eine Frontalzone in der Troposphre umzieht in Wellen die Hemisphren.

    Die Bodenfronten setzen sich dabei i.a. in die Troposphre fort und sind dabei zur kalten Luft geneigt.(aus Roedel, 1994)Isohypsen der 300 hPa FlcheBodenfronten

  • Die Westwinddrift lsst sich aus der Hhen-abhngigkeit des geostrophischen Windes erklrenpoH, warm T, kaltpo-Dppo-2DpZwischen den warmen subtropischen Breiten mit ihrem Hochdruckgrtel und den kalten hohen Breiten bildet sich ein Westwindband aus.Die Temperatur nimmt im Mittel zwischen 3 und 10 K pro 1000 km ab (differentielle Strahlungserwrmung).Daraus folgen Windzunahmen mit der Hhe zwischen 1 und 3 m/s pro km Hhendifferenz (thermischer Wind).

  • Barotrope Rossby-WellenDie Westwinddrift wre unter idealen Bedingungen breitenkreisparallel.U.a. durch die Land-Meer-Verteilung und Gebirge wird die Strmung nach N oder S ausgelenkt.Bei Annahme einer krftefreien Strmung konserviert die Strmung ihren Drehimpuls (Vorticity) im Absolutsystem; dieser setzt sich aus der Drehbewegung der Erde (zyklonal) und der Drehbewegung der Strmung relativ zur Erdoberflche (zunchst Null) zusammen.Bei einer Ablenkung der Strmung nach Sden (auf der NH) reduziert sich der Anteil der Erddrehung am Drehimpuls; aus Drehimpulserhaltung folgt, dass die Strmung in zyklonale Drehbewegung zur Erdoberflche kommt die Strmung kommt zum Ausgangsbreitenkreis zurck.Wird der Ausgangsbreitenkreis wieder berschritten, so wird der Drehimpulsanteil durch die Erddrehung wird hher die Strmung muss durch eine antizyklonale Gegendrehung reagieren.

  • Barotrope Rossby-WellenNSInitial-strungDrehimpuls einer wirbelfreien Strmung durch die ErddrehungDurch Breitennderung initiierte Drehbewegung der StrmungBei Erhaltung des Drehimpulses muss sich eine relativ zur Erde zunchst ruhende Luftmasse bei Verlagerung Richtung quator durch die nachlassende zyklonale Drehung im absoluten Raum in zyklonale Rotation versetzen.Drehung einer ruhendenLuftmasse in Abhngig-keit von der Breite

  • Barotrope Rossby-Wellen - formalDer Drehimpuls einer Strmung im Raum ist (wir vernachlssigen hier Rotation durch Scherung!) proportional zur absoluten Rotation , die sich aus relativer Rotation und Erdrotation zusammensetzt.

    Der Drehimpuls bleibt erhalten, wenn keine ueren Krfte angreifen (Erhaltung des Drehimpulses). Dies gilt dann auch fr die Vertikalkomponente der absoluten Rotation der absoluten Vorticity

  • Barotrope Rossby-Wellen - -Effektty,t0Auslenkung aus GrundstromAchtung: Gilt bei dieser Bewegung nur genhert, da sich ja auch die Normale der Tangentialebene bei Nord-Sd-Verschiebungen kippt.

  • Barotrope Rossby-Wellen - AusbreitungRossby-Wellen wandern mit einer Geschwindigkeit, die von der Strmungsgeschwindigkeit und der Wellenlnge abhngt.

    d.h. die Wellen pflanzen sich mit Grundstromgeschwindigkeit aus, vermindert um /KBei 45 und > 7000 km Wellenlnge wandern sie bei einer Grundstromgeschwindigkeit = 10 m/s nach Westen, sonst nach Osten. Oft sind die langen Wellen quasi-stationr.Genauer: Alle Rossby-Wellen laufen nach Westen, je lnger desto schneller (K~1/).Wichtig: Rossby-Wellen erfordern neben der Erdrotation auch die Kugelgestalt der Erde (-Effekt)!

  • Barotrope Rossby-Wellen - AusbreitungMacht man eine Betrachtung relativ zum Grundstrom (zieht man den Grundstrom von der Geschwindgkeit ab) so laufen alle Rossby-Wellen nach Westen - je lnger desto schneller (c~).

  • Rossby-Wellen - allgemein

    Die hier beschriebenen barotropen Rossby-Wellen (Erhaltung des absoluten Drehimpulses) findet man in guter Nherung in der mittleren Troposphre.Sie bestimmen aber das Strmungsgeschehen in allen Atmosphrenschichten mit, d.h. die Atmosphrenschichten darber und darunter sind dynamisch eng miteinander verknpft.Barotrop heisst dass Druck und Temperaturflchen parallel sind diese Annahme ist notwendig um diese Wellen mathematisch einfach zu beschreiben. Da Barotropie aber gerade in der Westwindzone durch den zonalen Temperaturgradienten nicht erfllt ist (thermischer Wind!), spricht man meist von quasi-barotropen Rossby-Wellen. Eigentlich sollte es ja keine Rossby-Wellen auf einer sich drehenden Scheibe geben (-Effekt war ja notwendige Bedingung). Dennoch bilden sich dort ebenfalls Wellen aus, die Rossby-Wellen sehr hnlich sind (barokline Rossby-Wellen)

  • Barokline Rossby Wellen (Tankexperiment)Khlung

    Heizung

  • Barokline Rossby-WellenWir gehen von Annahme einer quasi-barotropen Rossby-Welle in der Mitte der Troposphre aus.Aus der Betrachtung des thermischen Windes folgen niedrigere Windgeschwindigkeiten in tieferen Schichten und hhere Windgeschwindigkeiten in hheren Schichten.Aus den unterschiedlichen Geschwindigkeiten folgt sofort eine unterschiedliche absolute Vorticity , wenn die Strmung eine Wirbelstruktur hat (in Trgen und Rcken) durch die variierende relative Vorticity.Hierdurch ist die Strmung in den Schichten oberhalb und unterhalb der quasi-barotropen Strmung in der Mitte der Troposphre gezwungen ihre absolute Vorticity stndig zu verndern (Reduktion des Betrags der relativen Vorticity in hohen Schichten, Erhhung in niedrigen Schichten).Sie erreicht dies durch den Pirouetteneffekt: Durch Zusammenstrmen (Konvergenz) erhht die Strmung die Vorticity; durch Auseinanderstrmen (Divergenz) reduziert sie sie.

  • Vorticity Gleichung (1)Differenziere die x-Komponente der Bewegungsgleichung nach y und die y-Komponente nach x:

    Subtrahiere die obere Gleichung von der unteren und ersetze

  • Vorticity Gleichung (2)Absolute Vorticity wird erzeugt durch:

    Horizontale Konvergenz

    Kombination von horizonaler nderung des Vertikalwindes mit einer vertikalen nderung des Horizontalwindes

    3.Isolinien von Druck und Temperatur schneiden sich

  • Divergence termPirouetteneffekt

    Coriolis

  • Tilting termVertikale Zunahme der horizontalen Windgeschwindigkeit.Das heit: Vorticitykomponente in West-RichtungWird durch Scherung des Vertikalwindes aufgerichtet.

  • Solenoid termHufiges Erklrungsmuster:Land-Seewind-Zirkulation.

    Auch hier schneiden sich die Isobaren mit den Isothermenund es entsteht eine Zirkukation.

  • Barokline Rossby-Wellen(aus Roedel, 1994)Aus dem Divergenz/Konvergenz-muster ergibt sich Aufsteigen auf der Trogvorderseite und Absteigen auf der Trogrckseite.Da die Geschwindigkeiten in der Hhe viel hher sind als in Bodennhe, berkompensieren die Vergenzen in der Hhe die Vergenzen in Bodennhe.Daraus folgen Druckfall (Tief) auf der Trogvorderseite und und Druckanstieg (Hoch) auf der Trogrckseite.

  • Bedeutung der Rossby-WellenSteuerung von Hochdruck und TiefdruckgebietenAustausch von Wrme zwischen hohen und niedrigen Breiten: In den Wellen wird warme Luft zu den Polen und kalte Luft zu den Subtropen gebracht.Transport von Zonalimpuls (Drehimpuls durch u-Komponente des Windes) von den Subtropen (Aufnahme von u-Impuls der Atmosphre durch vorherrschende Ostwinde am Boden) in die mittleren und hohen Breiten (Abgabe von u-Impuls der Atmosphre durch vorherrschende Westwinde am Boden).