KAP3_EMAGRAMM

KAPITEL III : DAS EMAGRAMM
Grenzschichtsonde (S.B.C.)
an Super-Dimona der Flugvereinigung Val d’Essonne (F).
und seine Anwendung für die Segelflugvorhersage.
Kapitel III: Das Emagramm
und seine Anwendung für die Segelflugvorhersage.
III-1: Die Emagrammdarstellung
III-2: Die Thermikvorhersage
III-3: Die Darstellung der Luftfeuchte und Vorhersage der
Kondensation
III-4: Die Feuchtemessung und die Bestimmung des
Taupunktes und des Kondensationsniveaus
(Untergrenze der Quellwolken)
III-5: Die Luftmasse «auf einen Blick»
III-6: Das Emagramm 761 von MeteoFrance und typische
Beispiele von Grenzschichtsondierungen.
Anhang 3 : Die Psychrometer-Formel
Das Emagramm stellt den Zustand der
Atmosphäre graphisch dar.
• an
einem Ort
•auf verschiedenen Höhen
und erlaubt die Vorhersage der Entwicklung
im Tagesverlauf.
KONSTRUKTION DES EMAGRAMMS
1. Höhenskala
(oder Druckniveaus)
2. Temperaturskala
Rechtwinkliges EMAGRAMM
Das Emagramm ist
ein Gitter mit einer
Höhenachse
(oder Druckachse)
und einer
Temperatureachse.
Im klassischen
Emagramm ist die
Höhe durch das
Druckniveau
ersetzt.
Der Zustand eines
Gases wie Luft ist
durch drei Grössen
charakterisiert:
Druck P,
Temperatur T,
Dichte L,
die durch die
Zustandsgleichung
verknüpft werden:
P= L RLT
Druck
[hPa]
750 -
800 -
900 -
RL ist die spezifische
Gaskonstante trockener
Luft.
1000 -
Rechtwinkliges
EMAGRAMM
Rechtwinkliges EMAGRAMM
Druck
[hPa]
Die Druckflächen
weisen leider
unterschiedliche
Abstände auf.
750 -
Folglich werden
wir in dieser
Einführung
vorerst mit der
Höhenskala
arbeiten.
800 -
900 -
1000 -
Rechtwinkliges EMAGRAMM
Ein
«Zustandspunkt»
ist eine gemessene
Temperatur, die auf
der Messhöhe (oder
beim Messdruck) im 765 hPa
Emagramm
eingetragen wird.
2300 m
Zustandspunkt
21°
Rechtwinkliges EMAGRAMM
Die
Verbindungslinie
aller
Zustandspunkte
heisst
Zustandskurve
Sie stellt eine
erste
Charakterisierung
der Luftmasse
dar.
Rechtwinkliges EMAGRAMM
Durch die
Temperaturabnahme
mit der Höhe ist die
Zustandskurve nach
links geneigt und
verlässt rasch das
Emagramm.
Spitzwinkliges EMAGRAMM
Damit die
Zustandskurve
eher senkrecht
verläuft, wurde
das schiefe
Emagramm
geschaffen.
Die
Temperaturachse ist
um 45° nach oben
geneigt.
Schiefes EMAGRAMM
Das Diagramm ist
durch eine grün
ausgezogene
Kurvenschar ergänzt.
Damit kann die
Temperaturänderung
einer Luftblase unter
adiabatischer
Kompression oder
Expansion verfolgt
werden.
Bemerkung: in den folgenden Diagrammen werden die Trockenadiabaten nur
qualitativ dargestellt. Die daraus abgelesenen numerischen Werte können
Diese
Kurven
sich
von den
exakten Werten leicht unterscheiden. Das Verständnis des
Emagrammes wird dadurch nicht beeinträchtigt.
heissen
«Trockenadiabaten».
Schiefes EMAGRAMM
Beispiel :
Trockene Luftblase
(0 m , 23°)
Welche Temperatur
erreicht sie bei
adiabatischem Aufstieg
auf 2500 m ?
-5°
Antwort:
-5 °
23°
Schiefes EMAGRAMM
2. Beispiel :
Luftblase bei 3000m
und -10°
-10°
Welche Temperatur erreicht
sie beim Abstieg auf 500m ?
Antwort:
17 °
17°
Schiefes EMAGRAMM
Das Emagramm
enthält eine
weitere grüne
Kurvenschar.
Diese Kurven stellen
die Feuchtadiabaten
dar.
Damit kann die
Temperaturänderung
einer gesättigten
Luftblase unter
Wie bei den Adiabaten können sich die daraus abgelesenen numerischen
adiabatischer
Werte von den exakten Werten leicht unterscheiden.
Kompression oder
Expansion verfolgt
werden.
Schiefes EMAGRAMM
Beispiel:
Gesättigtes Luftpaket bei
1000 m und 10°
-1°
Welche Temperatur ergibt
sich bei einem Aufstieg auf
3000 m ?
Antwort:
-1°
10°
Schiefes EMAGRAMM
Das Emagramm
enthält:
Trockenadiabaten
und
Feuchtadiabaten.
Sie zeigen den
Temperaturverlauf von
auf- und absteigenden
Luftblasen mit und
ohne Sättigung.
Schiefes EMAGRAMM
Beispiel:
Luftblase bei 0 m und
18°.
Welche Temperatur
wird erreicht beim
Aufstieg auf 3500 m,
wenn die Sättigung bei
2000 m erfolgt?
-15 °
Sättigung
Antwort:
- 15 °
18°
Kapitel III: Das Emagramm
und seine Anwendung für die Segelflugvorhersage.
III-1: Die Emagrammdarstellung
III-2: Die Thermikvorhersage
III-3: Die Darstellung der Luftfeuchte und Vorhersage der
Kondensation
III-4: Die Feuchtemessung und die Bestimmung des
Taupunktes und des Kondensationsniveaus
(Untergrenze der Quellwolken)
III-5: Die Luftmasse «auf den ersten Blick»
III-6: Das Emagramm 761 von MeteoFrance und typische
Beispiele von Grenzschichtsondierungen.
Anhang 3 : Die Psychrometer-Formel
Die Sonnenstrahlen ändern die Zustandskurve kaum.
Die Erwärmung der Luft
erfolgt in Bodennähe.
Durch die Erwärmung werden gewisse Luftblasen
spezifisch leichter und steigen auf…
bis ihre Temperatur der Umgebungsluft
entspricht.
Im Emagramm
folgt die Blasentemperatur der
Trockenadiabaten …
… bis zur Kreuzung mit der
Zustandskurve.
Mit der Emagrammdarstellung einer
Temperatursondierung sollte sich der
Tagesgang der Konvektion ermitteln lassen.
• der Konvektionsbeginn ,
• die Höhe der Aufwinde
• Unter- und Obergrenzen der
Quellwolken
Die Ausgangsgrössen sind:
• die Sondierung der Luftmasse,
• die Temperaturvorhersage am Boden.
Zustandskurve
Temperaturvorhersage
Zeit
T° C
8h
12°
(Sondierung)
10h
20°
12h
24°
14h
26°
16h T max
28°
Vorhersage der Konvektionshöhe
Beispiel:
T-12 h = 24°.
Konvektionshöhe um
12 h ohne
Kondensation ?
Man folgt der
Trockenadiabaten durch
die Temperatur.
Am Kreuzungspunkt mit
der Zustandskurve ist
der Temperaturausgleich
mit der Umgebung
erreicht.
Antwort:
1300 m
1300
Aufheizung der Bodeninversion
Bei welcher
Temperatur wird die
Bodeninversion
aufgeheizt ?
Man folgt der
Trockenadiabate durch
die Obergrenze der
Inversion.
Die gesuchte
Temperatur kann auf
der Höhe des Bodens
abgelesen werden.
Antwort:
21°
21°
Unter- und Obergrenze der
Quellwolken
Das Vorgehen ist identisch…
… nur muss man zusätzlich das
Sättigungsniveau kennen.
Das entsprechende Vorgehen werden
wir später kennenlernen.
Quellwolken: Unter- und Obergrenze
Unter- und Obergrenze um 15 h ?
T: 23°,
Sättigung bei 6°.
Ab der vorhergesagten
Temperatur folgt man der
Trockenadiabate bis zur
Sättigungstemperatur.
Man folgt der
Feuchtadiabate bis zur
Kreuzung mit der
Zustandskurve.
Untergrenze : 1500 m
Obergrenze : 3300 m
3300 m
1500 m
Kapitel III: Das Emagramm
und seine Anwendung für die Segelflugvorhersage.
III-1: Die Emagrammdarstellung
III-2: Die Thermikvorhersage
III-3: Die Darstellung der Luftfeuchte und Vorhersage der
Kondensation
III-4: Die Feuchtemessung und die Bestimmung des
Taupunktes und des Kondensationsniveaus
(Untergrenze der Quellwolken)
III-5: Die Luftmasse «auf den ersten Blick»
III-6: Das Emagramm 761 von MeteoFrance und typische
Beispiele von Grenzschichtsondierungen.
Anhang 3 : Die Psychrometer-Formel
Die Luftfeuchte im Emagramm
Das Emagramm
enthält noch eine
Kurvenschar.
Sie stellt das
Sättigungsmischungsverhältnis rs
dar und ist in g/kg
beschriftet.
1
2
3
4
5
Bemerkung:
rs heisst auch rw
10
20
30
Die Luftfeuchte im Emagramm
Ein Luftblase mit der Temperatur T = 12°C
und der Höhe Z (oder Druck p),
wäre gesättigt, wenn
das Mischungsverhältnis
12 g/kg wäre.
Sein Mischungsverhältnis
sei r = 8g/kg,
5
6
7
Man verschiebt die
Lufttemperatur auf
gleicher Höhe zum
Mischungsverhältnis von
rs = 8 g/kg .
8
9
10
11
12
T= 12 °C
.
rs = 8 g/kg
rs = 12 g/kg
Die Luftfeuchte im Emagramm
Ein Luftpaket der Temperatur T = 12°C in der Höhe Z (beim Druck p)
und dem Mischungsverhältnis r = 8g/kg,
würde gesättigt,
wenn seine Temperatur
bei konstantem Druck
(gleiche Höhe),
auf T = 4 °C gesenkt
würde, wo r = rs wäre
Diese Temperatur
heisst
«Taupunkttemperatur»
oder Td .
Hier ist Td = 4 °C
5
6
7
8
9
10
11
12
Td =4 °C
T= 12 °C
.
r =rs = 8 g/kg
Die Luftfeuchte im Emagramm
Im Emagramm wird eine
Luftblase durch zwei
Temperaturen
charakterisiert:
1-Der Zustandspunkt mit
T = 12 °C und Z (oder p),
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6
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8
9
10
11
12
2-Td – dem Schnittpunkt
des (Sättigungs-)
Mischungsverhältnisses
rs = 8 g/kg mit der
Höhen- oder Drucklinie
Td
rs
T
Die Taupunkttemperatur
ist die
Sättigungstemperatur
einer Luftblase,
unter Abkühlung bei
konstantem Druck.
Die Luftfeuchte im Emagramm
Wenn das Mischungsverhältnis durch
Feuchtezufuhr von 8
auf 12g/kg anstiege,
würde ebenfalls
Sättigung auftreten.
12g/kg ist das
Sättigungsmischungs
verhältnis rs.
5
6
7
8
9
10
11
12
Td
T
rs
Das geschieht
beim Duschen
und
ungenügender
Lüftung.
Die Luftfeuchte im Emagramm
Steigt die Luftblase
auf, tritt Sättigung ein,
wenn die Temperatur
und der Druck dem
Sättigungsmischungsverhältnis von
8 g/kg entsprechen.
Der Kondensationspunkt
entspricht dem Schnittpunkt zwischen dem
Sättigungsmischungsverhältnis r=8 g/kg
und der Trockenadiabate
durch T.
Tc ist die Temperatur
des
Kondensationspunktes.
Tc
5
6
7
8
9
10
11
12
Td
T
Am
Kondensationspunkt
tritt Sättigung ein
nach einer
adiabatischen
Expansion.
Wenn man das mittlere
Sättigungsverhältnis «rm» der
konvektiv durchmischten
Schicht kennt,
ist es ein Leichtes, die Unterund Obergrenze der
Quellwolken zu bestimmen.
Unter- und Obergrenze
Das mittlere Mischungsverhältnis rm zwischen 0
und 3000 m sei 6g/kg.
1
Unter- und Obergrenze für
T=24° bei z = 0 ?
Die Untergrenze
ergibt
Untergrenze
= 2000
m
sich aus
Obergrenze
= dem
3000 m
Schnittpunkt des
Mischungsverhältnisses
Und
vonfür
=6 32°
g/kg ?
mit der
Trockenadiabaten
Untergrenze
= 2700 m
durch
T=24 °C und Z=0 m.
Obergrenze =
Die Tropopause
Obergrenze folgt
aus dem Schnittpunkt
der Feuchtadiabate
den
Wenn durch
keine Inversion
Kondensationspunkt
mit
den weiteren Aufstieg
der Zustandskurve.
bremst !
2
3
4
5
10
20
30
Das Emagramm beim Apero
Wieviele Flaschen
Pastis braucht es für
das kondensierte
Wolkenwasser ?
1
Verdünnung : 1 Teil Pastis
auf 5 Teile Wasser.
Untergrenze r = 6 g/kg,
Obergrenze r = 4 g/kg.
2 g/kg werden in
Tropfen und
Eiskristalle
umgewandelt.
(Obergrenze T=-5°)
2
3
4
5
Wolkenvolumen:
rund 100 000 000 m3
Kondensat:
75 000 l
10
20
30
Antwort:
rund 15 000 Flaschen !
Zur Messung der Luftfeuchtigkeit dient das
«Psychrometer ».
Es besitzt ein «Trockenthermometer»,
an dem man
T
abliest,
und ein Feuchtthermometer,
an dem man
Tm
abliest.
Hier ein klassisches Psychrometer aus
einer Wetterhütte.
Das Feuchtthermometer ist mit einem
feuchten Strumpf bedeckt.
R. Vaillant
Weitere Einzelheiten
Bei feuchter Umgebungsluft,
verdunstet wenig Wasser …
… und das Feuchtthermometer
kühlt nur wenig ab.
Tm und T unterscheiden sich nur wenig.
Bei sehr trockener Umgebungsluft
verdunstet viel Waser vom Strumpf…
… und das Feuchtthermometer
kühlt stärker ab.
Tm und T unterscheiden sich stark.
Während langer Zeit war
das Psychrometer
Das Basisinstrument für
Flugzeugsondierungen.
Heute wird eher ein elektronisches Hygrometer
benützt, das die Taupunkttemperatur misst.
Durch ein Sondierung kennt man auf vielen Höhen (oder
Druckniveaus) :
die Temperatur T
den
Taupunkt
Td
(vom Hygrometer)
oder die Feuchttemperatur
Tm
(vom Psychrometer)
Mit dem Emagramm bestimmt man (graphisch) :
Den
Kondensationspunkt
Tc
Bestimmung des Kondensationspunktes
aus T und Td
Zeichne T und Td.
Zeichne die Trockenadiabate durch T
und das
Mischungsverhältnis
durch Td.
Tc
Tc liegt an deren
Schnittpunkt.
Von Tc folgt man
der Feuchtadiabete
zum Ausgangsniveau
zurück und findet
Tm .
Td
X
Tm
T
Bestimmung des Mischungsverhältnisses aus
T
und
T
m
Zeichne T et T .
m
Zeichne die Trockenadiabate durch T
und die Feuchtadiabate
durch Tm.
Tc liegt an deren
Schnittpunkt.
Tc
Zeichne "rs"
(Mischungsverhältnis)
durch Tc.
Td
Folge «rs»,
zu Td.
X
Tm
T
Bestimmung des mittleren Mischungsverhältnisses
aus T und Tm
Bestimme Td für
einige Messpunkte in
den unteren
Schichten.
So bestimmt man ein
mittleres r
… für eine robuste
Bestimmung der
Quellwolken !
Kapitel III: Das Emagramm
und seine Anwendung für die Segelflugvorhersage.
III-1: Die Emagrammdarstellung
III-2: Die Thermikvorhersage
III-3: Die Darstellung der Luftfeuchte und Vorhersage der
Kondensation
III-4: Die Feuchtemessung und die Bestimmung des
Taupunktes und des Kondensationsniveaus
(Untergrenze der Quellwolken)
III-5: Die Luftmasse «auf den ersten Blick»
III-6: Das Emagramm 761 von MeteoFrance und typische
Beispiele von Grenzschichtsondierungen.
Anhang 3 : Die Psychrometer-Formel
Instabilität in ungesättigter Luft
Eine ungesättigte Blase
(17,5° bei 500m),
steige adiabatisch auf
2000 m.
und erreicht die
Temperatur 0°C.
Die Umgebungstemperatur
liegt dort bei -3°C.
Durch die höhere
Temperatur wird die
Blase weitersteigen.
Instabilität in ungesättigter Luft
Wenn in einer
ungesättigten Schicht der
Atmosphäre
die Zustandskurve «links»
der Trockenadiabaten
verläuft ,
ist diese Schicht
«INSTABIL »
Beispiel:
Schicht zwischen
500m und 2000m,
und oberhalb 3000 m.
Instabilität in gesättigter Luft
Steigt ein gesättigtes
Luftpaket von 17,5° in
500 m
feuchtadiabatisch auf
2000m,
erreicht es die
Temperatur von 11°C.
Die Umgebungstemperatur
beträgt -3°C.
Durch die höhre
Temperatur des
aufgestiegenen Paketes
wird es nicht ins
Ausgangsniveau
zurücksinken sondern
weitersteigen.
Absolute Instabilität
Die Schicht zwischen 500
und 2000 m ist sowohl
für gesättigte wie
ungesättigte Luft
instabil.
Diese Schicht ist
«absolut instabil».
Liegt die Zustandskurve
links der Trocken- und
der Feuchtadiabate ist
die Instabilität
absolut.
Stabilität ungesättigter Luft
Ungesättigte Luft von
14 °C,
die adiabatisch vom
Boden aufsteigt,
ist in jeder Höhe kälter
und somit spezifisch
schwerer als die
Umgebungsluft.
Sie wird wieder in die
Ausgangshöhe absinken.
Die
Schichtung
ist
trockenstabil.
Stabilität gesättigter Luft
Gesättigte Luft von
14 °C, die feuchtadiabatisch vom Boden
aufsteigt,
ist in diesr
Zustandskurve in jeder
Höhe kälter und somit
spezifisch schwerer als
die Umgebungsluft.
Sie wird wieder in die
Ausgangshöhe absinken.
Die
Schichtung ist
feuchtstabil.
Absolute Stabilität
Liegt die Zustandskurve
rechts der Trocken- und
der Feuchtadiabate ist
die Schichtung
absolut stabil.
Feuchtlabile Schichtung
Liegt die Zustandskurve
in einer Schicht zwischen
der Trocken- und der
Feuchtadiabate,
Ist die
Schichtung nur
bedingt stabil.
Die Instabilität
tritt nur bei
Sättigung auf.
Das Emagramm auf einen Blick…
• Eine Sondierung kann in groben Zügen oft
rasch analysiert werden wenn sie einer gut
ausgeprägten, typischen Wetterlage entspricht:
• zu trocken oder zu feuchte Luft,
• Luftmassenwechsel,
• diverse Hochdruckbedingungen,
• und … die ideal Sondierung !
Das Emagramm auf einen Blick
Grosse Differenz
zwischen
T und Tm:
TROCKENE
LUFT
Trockenthermik.
Das Emagramm auf einen Blick
Geringe Differenz
zwischen
T und Tm:
FEUCHTE
LUFT
bewölkt,
tiefe
Untergrenzen
Absinkinversion
Bei hohem Druck in den
oberen Luftschichten.
Merkmale:
* trockene und warme
Luft in der Höhe.
* deutliche Inversion
mit Abtrocknung
(grosser Unterschied
zwischen T und Tm).
•Vorteil:
Kein
Gewitterrisiko
Inversion bei Luftmassenwechsel in der Höhe
Anstieg von T und Tm
in der Inversion
Nachteil: oft mit
Wolken verbunden, die
die Konvektion
beeinträchtigen.
Woken vom Typ
Stratocumulus
Zu feuchte Luft unter der Inversion
Wenn die Differenz von T
und Tm unterhalb der
Inversion zu gering ist,
kann es zu...
AUSBREITUNGEN
kommen.
Zu trockene Luft unterhalb der Inversion.
Die Kurven von T und Tm
liegen weit auseinander
(sehr trockene Luft)
=
Konvektion ohne Quellwolken
Trockenthermik…
Trocken Höhenluft
(wolkenfrei).
Hochliegende
Absinkinversion.
Ideale Feuchtekurve Tm
(Quellwolkenbildung,
hohe Untergrenze,
geringe Bedeckung,
keine Ausbreitungen).
Glatte Zustandskurve
zwischen Feucht- und
Trockenandiabate
(gleichmässige
Konvektion, kaum
Turbulenz).
Tiefliegende Bodeninversion (rasche
Aufheizung).
Die «ideale» Sondierung !
Kapitel III: Das Emagramm
und seine Anwendung für die Segelflugvorhersage.
III-1: Die Emagrammdarstellung
III-2: Die Thermikvorhersage
III-3: Die Darstellung der Luftfeuchte und Vorhersage der
Kondensation
III-4: Die Feuchtemessung und die Bestimmung des
Taupunktes und des Kondensationsniveaus
(Untergrenze der Quellwolken)
III-5: Die Luftmasse «auf den ersten Blick»
III-6: Das Emagramm 761 von MeteoFrance und typische
Beispiele von Grenzschichtsondierungen.
Anhang 3 : Die Psychrometer-Formel
Die Zustandsgrössen sind:
•der Luftdruck
•und die Temperatur.
Die Isobaren sind braune,
horizontale Geraden.
Die Isothermen sind braune,
um 45° geneigte Geraden
Die Trockenadiabaten sind grüne,
ausgezogene Linien..
Die Feuchtadiabaten sind grüne,
gestrichelte Linien..
Trocken- und Feuchtadiabaten
werden nach ihrem
Schnittpunkt mit der Isobare
1000 hPa benannt.
Die Linien mit konstantem
Mischungsverhältnis (iso-rs)
sind durch braune, geneigte,
gestrichelte Geraden dargestellt.
Sie sind mit g Wasserdampf pro kg
trockener Luft bezeichnet.
Die Höhenskala
auf der rechten
Seite ist für die
trockene Standardatmosphäre berechnet.
Typische Beispiele von
Grenzschichtsondierungen
Die Kurven dieser Sondierungen sind :
• Die Zustandskurve (T in °C in Abhängigkeit des
Luftdruckes),
• Die Kurve der Taupunkttemperatur (Td in
Abhängigkeit des Luftdruckes).
Grenzschichtsondierung am frühen Morgen
Beachten: nächtliche Bodeninversion
und rasche Fluktuation der Feuchte in der Höhe.
Grenzschichtsondierung am Abend
nach konvektiver Durchmischung.
Beachten: Quasi-adiabatisches Temperaturprofil und homogenes
Mischungsverhältnis in der Konvektionsschicht
(von 600 m bis zur Wolkenuntergrenze).
Sondierung in einem Aufwind.
Im Aufwind (von 1600 bis 3000 m) sind die
T und Td Profile durch die konvektive Durchmischung geglättet.
ENDE
Kapitel III
Anhang 3 :
Die Psychrometerformel
Die Luftfeuchtigkeit lässt sich wie folgt abschätzen:
•Die Wärme zur Verdunstung des Wassers aus dem feuchten
Strumpf wird der Luft um das Thermometer entnommen:
sprich:
dQ = cpL (T-Tm)
•Diese zugeführte Wärme sättigt die Luft bei der Feuchttemperatur:
sprich :
dQ = Lv(Tm)[rs(Tm) -r]
[(es(Tm) –e)]0,622
wobei dQ = Lv(Tm) ---------------------p
Daraus folgt:
es(Tm) - e
______________
mit A = cpL/0,622
und Lv= 0.00066 (°C)
p
-1
=
A (T - Tm)