X-Band Radar Bonn
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Bisherige Vorlesung 20.4. Bedeutung von Wolken, Energie- und Wasserkreislauf, Definition Hydrometeore, 27.4. Momente des Tropfenspektrums, Wolkenklassifikation, Clausius-Clapeyron 4.5. Feuchtegrößen, Erzeugung von Übersättigung,adiabatischer Flüssigwassergehalt 11.5. Trocken- und feuchtadiabatische Bewegungen, Atmosphärische Stabilität 18.5. Homogene/heteorogene Nukleation, Köhlerkurven 25.5. Diffusionswachstum Tropfenwachstum 8.6. Koagulationswachstum, Kollisions- und Koaleszenzeffizienz 15.6. Bildung und Wachstum von Eiskristallen 22.6. Verschiedene Typen von Eiswolken, Niederschlagsentstehung 29.6. Mikrophysikalische Modellierung von Wolken 6.7. Messung + Modellierung von Wolken für Cabauw am 21.5.03 13.7. Wolken im Klimamodell 20.7. Zusammenfassung Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004 Niederschlagsprozess räumliche Ausdehnung, Intensität und Lebensdauer eines Niederschlagsereignisses werden im Wesentlichen durch - die Vertikalgeschwindigkeit und - die verfügbare Feuchte bestimmt Niederschlagsbildung bevorzugt bei - großen Variationen der Tropfengrößen - vertikaler Mächtigkeit der Wolken - starken Aufwinden Stratiformer Niederschlag: ausgedehnte, kontinuierlicher Niederschlag verbunden mit großskaligem Aufsteigen auf Grund frontaler oder orographischer Hebung oder horizontaler Konvergenz Konvektiver Niederschlag: lokale, schauerartiger Niederschlag verbunden mit Kumulus-skaliger Konvektion in instabiler Luftmasse In der Realität sind die Übergänge fliessend Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004 Charakteristische Skalen des Niederschlags Aufsteigen/Hebung wird ausgelöst durch O(1000 km) Synoptische Prozesse O(100 km) Orographische Hebung Stratiformer Niederschlag (30 %) O(10 km) Auftrieb / Sekundärzirkulation Konvektiver Niederschlag (70 %) Feuchtegehalt O(1000 km) Advektion QNV Bonn 12/03 Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell O(10 – 100 km) Modifikation durch Evapotranspiration und Sekundärzirkulation SS 20004 Charakteristische Skalen des Niederschlags Freie Troposphäre CAPE Turbulente Durchmischung Berganströmung Grenzschicht Orographie Wärme und Vegetation Feuchteflüsse BodenWolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell Mesoskalige Zirkulationen SS 20004 Sekundärzirkulationen S. Raasch and G. Harbusch, 2001: An Analysis of Secondary Circulations and their Effects Caused by Small-Scale Surface Inhomogeneities Using LES. Boundary-Layer Meteorol., 101, 31-59. Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004 Niederschlagsprozess stratiform Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell konvektiv SS 20004 Frontaler Niederschlag Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004 Frontaler Niederschlag getrennte Luftmassen: Aufgleiten warmer Luft auf kältere Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell Querzirkulation SS 20004 Niederschlagsprozess stratiform Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell konvektiv SS 20004 Gewitter Einzelzellengewitter Multizellengewitter Superzellengewitter - feuchte, instabile Luftmasse - starke Aufwinde - heftiger Regen, Blitze und Hagel Dabei nimmt von der Einzel- zur Superzelle die Langlebigkeit und Heftigkeit des Gewitters zu. Einzelzellen erzeugen kaum Tornados, Superzellen relativ oft. Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004 Einzelne Zelle Ordinary or single cell storm Phasenübergang setzt Energie frei + unterstützt weiteres Wachstum Unterteilung in Phasen Cumulus-Stadium: Entwicklung; Aufwinde im größten Bereich der Zelle Reife-Stadium: Gleichzeitiges Auftreten von Auf- und Abwinden Fallendes Wasser (Niederschlag) initiert Abwinde durch viskose Reibung des Wassers an der Luft und mit Verdunstung verbundener Abkühlung Auflösungsphase: Abwinde verhindern weiteres Wachstum, starker Niederschlag und "downbursts" (durch Niederschlag gekühlte Luft fällt herab und wird am Boden horizontal umgelenkt und dabei verwirbelt) Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004 Einzelne Zelle 10- 15 min 15-30 min http://www.crh.noaa.gov/mkx/slide-show/tstm/ Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell ca. 30 min kalter Kern Änderung des Bodenwinds SS 20004 Einzelzellen-Gewitter Überschreiten der Niederschlagsgrenze ist wichtig für die spätere Blitzentwicklung (Elektrifizierung bei Kollisionen der Eispartikel. Bei großer Auftriebsenergie (labiler Schichtung), aber kleiner Scherung, entstehen Gewitter, die aus nur einer ``Zelle´´ bestehen. Typischen Wärmegewitter im Sommer: Einzelzellengewitter sind kurzlebig (ca. 30 min bis 1 h), bringen selten Hagel oder Sturmböen und treten isoliert auf Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004 Strömungsmuster in einem Sturm Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004 Multizellengewitter Bei großer Scherung (Änderung des Umgebungswindes mit der Höhe) sind up- und downdraft horizontal verschoben und können so miteinander agieren und eine längerwährende Zirkulation aufbauen. Mehrere, nacheinander anwachsenden Zellen.Heftiger als normale Wärmegewitter: • Sie sind längerlebig (ca. 1 h bis 3 h) • Sie bringen häufiger Hagel oder Sturmböen • Sie treten nicht unbedingt isoliert auf Tornados oder Downbursts können bei diesem Gewitter-typ durchaus vorkommen. Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004 Multizellengewitter sehr komplexe Entwicklung in Zeit und Raum Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004 Superzellengewitter Im Gegensatz zu Multizellen-Gewittern zeichnen sich Superzellen durch große Rotation aus. Aufwind-Elemente vereinigen sich in einen rotierenden Aufwind und explodieren vertikal (kein Wettbewerb der Zellen!) . Langanhaltende, in sich rotierende Zelle bestehen. Sie können schwere Schäden durch Hagel, Sturm etc. hervorrufen: • Sie sind langlebig (ca. 1 h bis 6 h) • Sie bringen oft Hagel oder Sturmböen • Sie treten nicht unbedingt isoliert auf • Sie schreiten mit etwa 60 km/h fort Tornados oder Downbursts können bei diesem Gewittertyp am häufigsten vorkommen. http://www.hprcc.unl.edu/nebraska/spc_radar.html Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004 Niederschlagsproduktion M(t) = C(t) + P(t) + F(t) + E(t) M C P F E eines Gewitters Masse, die bis zum Zeitpunkt t kondensiert wurde Masse des Wolkenwassers Niederschlagsmasse über Grund Niederschlagsmasse, die den Grund erreicht hat Wolken- und Niederschlagswasser, das verdunstet wurde Aus Radarbeobachtungen Niederschlag P ist ungefähr 109 kg Ausflussrate (dF/dt) ist ca. 106 kg/s charakteristische Zeitskala des Niederschlags ist ca. 20 min Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004 Einflus des Aerosols Aersolkonzentration 1000 cm-3 10000 cm-3 100000 cm-3 starke Abhahme mit der Höhe (ceilometerabbildung) Reinluft: ca. 50-100 cm-3 Aitken große Riesen 106 102 100 10-2 10-4 10-6 Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell Kerne 104 dN/d(log D) [cm-3] über Ozeanen ca. über Kontinenten. in Städten maritimes Aerosol kontinent. Aerosol städtisches Aerosol 10-2 100 Durchmesser [µm] 102 SS 20004 Entstehung von kaltem Regen SPARC, NL 21 (03) Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004 Twomey - Mechanismus 1. indirekter Aersoleffekt seit mehr als 50 Jahren bekannt Änderung der Mikrophysik Tropfenkonzentration Toon, Science 2003 Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell verschmutzt: bis 1000 cm-3 Reinluft: ca. 50-100 cm-3 2. indirekter Aersoleffekt SS 20004 Reduktion der Niederschlagseffizienz Wechselwirkungen Aerosol-Wolken Ramanathan et al., Science 2001 Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004 Flugzeugmessungen in ACE N=75cm-3 51 Mittlerer Tropfendurchmesser als Funktion der Höhe über der Wolkenbasis Messungen im Passatwindbereich Pawlowska et al. [2000] 208 256 Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004 Grenzschichtbewölkung A=0.50 Entrainment-Mixing ql=0.2 g kg-1 q =20 g kg-1 Radiative Transfer T Microphysics CCN Activation Turbulent Fluxes rv 1st and 2nd Aerosol Indirect Effect Onset of Précipitation Précipitation Evaporation A=0.05 Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell J. L. Brenguier Météo-France SS 20004 Künstlicher Niederschlag von großem Interesse in trockenen Gebieten basiert auf dem Bergeron-Findeisen Mechanismus Selektion einer Wolke mit viel unterkühltem Wasser Freisetzen von Gefrierkernen (ice-freezing nuclei) wie z.B Trockeneis (Kohlensäure) oder Silberjodid (AgJ) nicht sehr zufriedenstellende Resultate auch zur Hagelabwehr eingesetzt (Rosenheim), da frühzeitig sich abregnende Wolken auch keine große Menge an unterkühlten Tropfen bilden können Silberjodid hat dem Eis sehr ähnliche Gitterstruktur und Gitterenergie und führt zu Gefrieren zwischen -2 und -4°C Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004 Niederschlagsmessung Observations at stations in Germany (~3900 points) 24-h precipitation at 6 UTC; average station distance: 10 km Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004 Niederschlagsklimatologie verstärkte Niederschläge treten vorallem - an den Stauseiten von Gebirgen auf - an Fronten von Tiefdrucksystemen - konvektiven Ereignissen Problem: Tagesgang Nachmittagsmaximum der Konvektion Mittlerer Niederschlag im Sommer Mittel zwischen 1901 und 2000 DWD Klimastatusbericht 2001 Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004 Niederschlagsklimatologie Global Precipitation Climatology Centre (GPCC) www.dwd.de/en/FundE/Klima/KLIS/int/GPCC/ Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004 Jahressumme des Niederschlags Observation Mittelwerte (mm) 1947-1975 Mittelwerte (mm) 1976-1999 Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell Differenz (1976-1999) in % von (1947-1975) SS 20004
