Einführung in die Meteorologie (met210) - Teil V: Synoptik Clemens Simmer V Synoptische Meteorologie Synoptik ist die Zusammenschau der Wettervorgänge in Raum und Zeit mit dem Ziel der Wetteranalyse und Wettervorhersage. Die Synoptik ist Teil der Angewandten Meteorologie. 1. Allgemeines - Definitionen - Darstellungsweisen - dreidimensionale Sicht – thermischer Wind 2. Synoptische Systeme mittlerer Breiten - verschiedene Skalen - Frontentheorien 2 V.1 Allgemeines zur Synoptik • Definition und Grundlagen – – – • Darstellung synoptischer Felder – – – • Bodenkarten Höhenkarten Stationsmodell Thermische Verknüpfung von Boden- und Höhenwetterkarten – • Definition wissenschaftliche und technische Grundlagen Geschichte thermischer Wind Barotrope und barokline Felder 3 V.1.1 Definition und Grundlagen • Synoptik: Zusammenschau der 4D-Verteilung der meteorologischen Parameter mit dem Ziel der Wetteranalyse und der Prognose. • Wetteranalyse umfasst die 4D-Verteilung aller meteorologischen Größen im Sinne einer Prozessanalyse. • Prognose erfordert – quasi-Echtzeitverfügbarkeit globaler Daten in den nationalen oder internationalen Vorhersagezentren – meteorologischen (synoptischen) Sachverstand – und/oder Prognosemodelle (Nutzung von Erkenntnissen der theoretischen Meteorologie, Atmosphärenphysik und -chemie, Hydrologie, …, numerische Mathematik und Informatik 4 Synoptische Skala • Auflösung von Tiefdruckgebieten (einschließlich Fronten) und Hochdruckgebieten • andere Größenordnungen - U ~ 10 m/s - T~ h–d • zwischen globaler Skala und Mesoskala • notwendiges Beobachtungsnetz: - < 50 km - ~3h 5 Beobachtungssysteme • in quasi-Echtzeit verfügbare klassische Messungen • Klimamessnetze • Fernerkundungsverfahren 6 Beobachtungssysteme (1) • per Global Telecommunication System (GTS) in quasiEchtzeit verfügbar – synoptische Stationen (1 pro 40 km, Land und Volontary Observin Ships, 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) 7 8 Beobachtungssysteme (2) • ca. 1 x pro Monat verfügbar, u.A. für Validierung – Klimastationen (1 pro 20 km, Land und Voluntary Observing Ships (VOS)) • alle meteorologischen Parameter ähnlich synoptische Stationen • Beobachtungszeiten an Lokalzeiten orientiert – Niederschlagsmessnetz (1 pro 10 km über Land) • nur Tagessummen • werden stark ausgedünnt • zunehmend Ersatz durch in Echtzeit meldende zeitlich hochauflösende Regenmesser, z.B. 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 9 Karten 10 Radarnetzwerk DWD DWD- Radarverbund - Horizontabtastungen alle 5 min - Auflösung 2x2 km2 - 16 Reflektivitätsklassen X-Band Radar Bonn Bonn - Volumenscans alle 15 min - Horizontabtastungen a 5 min - Auflösung 0.25x0.25 km2 - Reflektivität voll aufgelöst 11 Europäische Wetterradarnetze 12 Prognosemodelle • In Europa derzeit noch vier nationale Prognosemodellsysteme – DWD et al./COSMO (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, kein Globalmodell) • Europäisches Zentrum für Mittelfristige Wettervorhersage (EZMW, ECMWF, Reading, UK) – – – – getragen von fast allen nationalen europäischen Wetterdiensten „Beschränkung“ auf Mittelfrist, Jahreszeitenvorhersage international bestes Vorhersagesystem für synoptische Skala erstellt globale Reanalysen (z.B. ERA40), alternativ die USamerikanischen NCEP Reanalysen 13 Historische Entwicklung 1833 Erfindung der Telegraphie • 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 1950 erste brauchbare numerische Wettervorhersage (Charney, Fjortoft, v. Neuman auf ENIAC) 1954 Erste operationelle numerische Wettervorhersage durch Rossby (Schweden) 1960 erster meteorologischer Satellit 14 Bausteine der modernen Wettervorhersage 1. Online-Datensammlung 2. Datenassimilation ->aktueller Zustand der Atmosphäre Verschmelzen von Beobachtungen und „alter“ Vorhersage Methoden - Nudging 3-dimensionale variationelle Datenassimilation 4-dimensionale variationelle Datenassimilation Sequential Importance Resampling Filter … 3. Vorhersagelauf mit Modell - deterministische Vorhersage Ensemble-Vorhersage 4. Interpretation der Modellausgabe – Model Output Statistics (MOS) 15 V.1.2 Darstellung synoptischer Felder (Wetterkarten) • • • • • Kodierung synoptischer Beobachtungen Aufbau des „Stationsmodells“ Bodenwetterkarten Höhenkarten Relative Topographie 16 Aufbau des Stationssymbols TT CH PPP VV CM pp ww N TddTd h CL NL Beispiel: a W 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,… 17 synoptische Wetterbeobachtung IIiii Nddff VVwwW PPPTT NLCLhCMCH TdTdapp 7RRTnTn 7RRTxTx 10111 81020 ccccc 12754 4cccc 55+06 7cc57 7cc51 6 UTC 18 UTC II Zonenbezeichnung iii Stationskennung N Bedeckungsgrad dd Windrichtung in Dekagrad ff Windgeschwindigkeit in Knoten (1 kn =ca. 0,5 m/s) VV Sichtweite (kodiert) ww Wetter zum Beobachtungszeitpunkt W Wetter seit letztem Haupttermin (6 oder 3 Stunden) PPP Luftdruck ohne 100er, reduziert, in 10tel hPa TT Lufttemperatur in°C NL Bedeckungsgrad der tiefen Wolken CL,M,H Art der tiefen, mittelhohe, hohen Wolken (kodiert) h Unterkantenhöhe der tiefsten Wolken (kodiert) TD Taupunkttemperatur in °C a Verlauf der Barographenkurve pp Luftdruckänderung in 10tel hPa der letzten 3 Stunden RR Niderschalg der vergangenen 12 Stunden (kodiert) Tn,x Minimum bzw. Maximumtemperatur 18 Einige Charaktersistika der Bodenwetterkarte 27.10.2002 00 UTC 19 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 ist 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). 20 Frontenkennzeichnung Warmfront mit Erwärmung in allen Schichten Warmfront mit Erwärmung nur am Boden Warmfront mit Erwärmung nur in der Höhe Maskierte Warmfront mit Abkühlung am Boden Quasistationäre Front Kaltfront mit Abkühlung in allen Schichten Kaltfront mit Abkühlung nur am Boden Kaltfront mit Abkühlung nur in der Höhe Maskierte Kaltfront mit Erwärmung am Boden Okklusionsfront (Zusammenschluß von Warm- und Kaltfront) Gealterte Okklusionsfront Warmfront-Okklusion mit Erwärmung am Boden Kaltfront-Okklusion mit Abkühlung am Boden Konvergenzlinie 21 Höhenkarten • sind Topographien von isobaren Flächen, angegeben in geopotentiellen Metern (gpm) h=(g/g0)z – 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) 22 Beispiel einer 500 hPa Höhenkarte (oben, ohne Stationseintragungen) mit Bodenkarte Kennzeichen: • Isohypsen in gpm (~550 gpm bei 500 hPa) • kaum abgeschlossene Isohypsen • Drängung der Isohypsen im Bereich der Polarfront • keine eingezeichnete Fronten • Tröge gegenüber Bodentiefs am Boden nach Westen oder Nordwesten verschoben • Rückenzentren gegenüber Bodenhochs nach Westen oder Südwesten verschoben 23 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 1 k h p vg f gz g 0 h gz z p p g 0 g 0 g x x x x x x x mit gz Φ Geopotenti al, h gz/g 0 geopotenti elles Meter. Es folgt p dp x dx g 0 y,z dh dx g 0 y, p und schließlic h g0 1 k p h k p vg f f h x x z+Δz Δp=-ρgΔz p-Δp Δx z p 24 Zusammenhang Relative Topographie – mittlere virtuelle Schichttemperatur statische GG : dp gdz , ideale Gasgleichu ng p RLTv pg dz RLTv g dp dz d ln p RLTv p Integratio n mit Tv Tv g ( z2 z1 ) ln p2 ln p1 RLTv Tv g 0 h2 h1 2 1 gz2 gz1 RL (ln p1 ln p2 ) RL (ln p1 ln p2 ) RL (ln p1 ln p2 ) Die (geopotentielle) Dicke einer Schicht zwischen zwei festen Druckflächen ist direkt proportional zur mittleren virtuellen Temperatur der Schicht. 25 V.1.3 Thermische Verknüpfung von Boden und Höhenwetterkarten - thermischer Wind Horizontale Temperaturunterschiede erzeugen horizontale Druckunterschiede in der Höhe und damit unterschiedlichen geostrophischen Wind in der Grenzzone z warme Luft kalte Luft pj-3Δp pj-2Δp pi-2Δp pi=pj pj-Δp pj pj-Δp pi horizontale Druckgradienten x höhenabhängiger geostrophischer Wind = thermischer Wind 26 Thermischer Wind (1) vg po-2Δp vg po-Δp po S, warm 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 N, kalt Durch horizontale Temperaturunterschiede entsteht ein (geostrophischer) Wind, der die kalte Luft umströmt, wie der geostrophische Wind das Tief. 27 Thermischer Wind (2) vg po-2Δp vg po-Δp vg po S, H, warm 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 N,T, kalt 28 Thermischer Wind (3) vg vg po-2Δp po-Δp po S, T, warm 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) N,H, kalt Beispiel für die HadleyZirkulation der Tropen/Subtropen 29 Formale Ableitung des thermischen Windes im z-System 1 p p R T p ln p v g k H p , , g , g L v RLTv f RLTv z p z z RLTv RLTv 1 RLTv k H p k H p k H ln p fp f p f z v g RLTv T ln p RL k H k H ln p v z f z z f 1 1 T RLTv g 1 Tv gTv v g k H k H v g v f z f z RLTv Tv Tv Tv gTv 1 1 Tv g 1 Tv k 2 HTv v g k HTv v g Tv f Tv z fT Tv v 10 1z 10 10 Skalenanalyse 4 100000 100 0,03 0,003 10 300 v g 1 300 g k HTv z Tv f 30 Der thermische Wind - Zusammenfassung - 1 vg : k H p f vg g k H Tv z Tv f 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. T H W T K H 31 Der thermische Wind - Indikator für Temperaturadvektion und Möglichkeit des Nowcasting von Temperaturänderungen- T T H W T H Rechtsdrehung mit der Höhe = Es wird wärmer K K T H W H Linkssdrehung mit 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! 32 Formale Ableitung des thermischen Windes im p-System 1 v g k p f , gz Geopotenti al RLTv 1 z g p p , stat. GG v g RLTv 1 1 1 1 k k k p p p p f p f p Annahme f g const RL k pTv fp v g RL k pTv p f p idealeGasG v g RL k pTv ln p f 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 33 geostrophischen Windes bilden. Barotrope und barokline Felder • barotrop: Isoflächen von Druck und Temperatur sind parallel zueinander pTv 0 v g ln p 0 geostrophischer Wind mit der Höhe konstant • baroklin: Isoflächen von Druck und Temperatur sind gegeneinander geneigt pTv 0 v g ln p 0 geostrophischer Wind ändert sich mit der Höhe 34 Barokline Felder - 2 Fälle h1 < h2 < … Isohypsen einer Druckfläche , T1 < T2 < … die Temperaturen N N h 1 T 1 T 2 T 3 T 4 a h 2 v g h 3 h 4 E a: Es herrscht keine Temperaturadvektion. Dieser Fall ist typisch für Höhenkarten ab 500 hPa. Es ist ein Initialfeld für barokline Wellen h 1 T 1 T 2 T 3 T4 h 2 v g h 3 h 4 E b b: Es herrscht Temperaturadvektion. Dieser Fall ist typisch für die Bodenwetterkarten. Sie sind verantwortlich z.B. für die Intensivierung von Wellen in den Höhenkarten. 35 Zusammenhang zwischen Boden- und Höhenkarten • Gegeben sei das Isohypsenfeld der 1000 hPa Druckfläche (untere Abb., durchgezogene Linien) mit Isothermen (untere Abb., gestrichelte Linien). • 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. 36 Übungen zu V.1 1. Das Druckfeld am Boden weise eine Druckzunahme von 5 hPa auf 100 km von Süd nach Nord auf. Weiter herrsche ein Temperaturgradient von West nach Ost von 5 K auf 100 km. Schätze den geostrophischen Wind am Boden und in 5 km Höhe ab. 2. Verifiziere den Übergang zwischen den beiden Druckfeldern (unten → oben) der Folie „Zusammenhang zwischen Boden- und Höhenkarten“ qualitativ mit der thermischen Windgleichung (qualitatives Einzeichnen des thermischen Windevektors). 3. Welches Höhenfeld ergäbe sich qualitativ, wenn am Boden Hoch und Tief vertauscht wären bei gleicher Temperaturverteilung? 4. Vollziehe durch ungefähres Einzeichnen des thermischen Windvektors die Zusammenhänge zwischen Boden- und Höhenkarte auf den folgenden Wetterkarten nach. 37 38