Wettersysteme HS 2011

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Wettersysteme HS 2011
Kapitel 1
Grundlegendes zur Erdatmosphäre
21. September 2011
1. Vertikaler Aufbau
- Einteilung nach dem Temperaturverlauf
- Einteilung in 4 Schichten:
- Troposphäre
- Stratosphäre
- Mesosphäre
- Thermosphäre
Temperaturverlauf
wesentlich mitbestimmt durch
chemische Zusammensetzung
der Luft
Vertikaler Temperaturverlauf in der Erdatmosphäre (aus Wallace
and Hobbs. S.10)
1. Vertikaler Aufbau
- Einteilung nach dem Temperaturverlauf
a) Troposphäre (griech. trepein = wenden, kehren)
- Temperaturabnahme mit der Höhe (~6.5 °C km-1)
- starke Durchmischung
- Wolken- und Niederschlagsbildung
- Grossteil des Wasserdampfes befindet sich
in der Troposphäre
1. Vertikaler Aufbau
- Einteilung nach dem Temperaturverlauf
a) Troposphäre (griech. trepein = wenden, kehren)
- Vernachlässigung von Konvektion in Troposphäre
→ starke Temperaturabnahme mit der Höhe
mit Konvektion
reines
Strahlungsgleichgewicht
1. Vertikaler Aufbau
- Einteilung nach dem Temperaturverlauf
a) Stratosphäre (lat. stratus = geschichtet)
- Temperaturzunahme mit der Höhe
- sehr geringer Wasserdampfgehalt (fast keine Wolken)
- sehr hoher Ozongehalt → beeinflusst Temperaturprofil
- Ozon Maximum bei ~ 25 km
Stratopause
Höhe [km]
- Ozon absorbiert einfallende UV-Strahlung
Tropopause
- Temperatur Maximum bei ~ 50 km
- Temperaturmaximum = Stratopause
1. Vertikaler Aufbau
- Einteilung nach dem Temperaturverlauf
a) Mesosphäre
- Abnahme der Temperatur bis zur Mesopause (~ 85 km Höhe)
- Mesopause = Grenze der Homosphäre (Luft mit konstanter Zusammensetzung)
(Molmasse der Luft M = 28.964 x 10 -3 kg mol -1)
b) Thermosphäre
- bis ~ 800 km Höhe
- Temperatur steigt an bis ~ 1000 K in 400 km Höhe
- Achtung: Wirkung der Temperatur verschieden zu dichteren Medien
- Gase sind teilweise dissoziiert, ionisiert
- Entmischung der Gase anhand Ihrer Molmasse (Heterosphäre)
1. Vertikaler Aufbau
Druck [hPa]
- ausgeprägte regionale und zeitl. Unterschiede im Vertikalprofil
2. Nord/Süd - Variabilität
A
B
January
Nordpol
Südpol
July
ΔThor ≈ 15 K
schwache Baroklinität
ΔThor ≈ 23 K
starke Baroklinität
2. Nord/Süd - Variabilität
- Ursache für meridionale Variabilität → Breitenabhängigkeit der einfallenden Strahlung
Strahlungsüberschuss
in Tropen
einfallende
solar- Strahlung
emittierte
Strahlung
Wärmetransport durch
Ozean
- Wasserdampf in Atmosphäre wichtig
für Wärmetransport
→ latente Wärme
Wärmetransport durch
Atmosphäre
2. Nord/Süd - Variabilität
- keine kontinuierliche Abnahme der Temperatur zum Pol hin
→ verschiedene Luftmassen sind durch Fronten getrennt
Nordpol
mittl. Breiten
Äquator
2. Nord/Süd - Variabilität
- ECMWF – Analyse bei 170° O am 1. Januar 1990, 00 UTC
→ starke Abweichungen vom schematischen Bild möglich
dynamische Tropopause
200 hPa
500 hPa
Äquator
Nordpol
Windgeschwindigkeit [m/s]
100 hPa
3. Horizontale Variabilität
kalte maritime
Luft
Ka
ltfr
on
t
- Satellitenbild für 30. Januar 2009, 00 UTC
warme subtropische
Luft
http://www.neodaas.ac.uk
3. Horizontale Variabilität
- falschfarben-infrarot Satellitenbild
für 10. Nov. 1998, 18 UTC
- idealisierte Darstellung der
mesoskaligen Regenbänder in einer
extratropischen Zyklone
warm
cold
augeprägte horizontale mesoskalige Wolken,- und
Niederschlagsstruktur
aus Wallace and Hobbs
3. Horizontale Variabilität
- hohe Komplexität der Phänomene → einfache Modellsysteme
- z.Bsp. Geopotential-Temperatur-Bild
geopotentielle Höhe einer Druckfläche = geometrische Höhe dieser Druckfläche
geopotentielle Höhe auf 500 hPa
3. Horizontale Variabilität
- Höhe 500 hPa im Tief = 5370 m
- Höhe 500 hPa im Hoch = 5900 m
- Wind parallel zu den Isolinien des Geopotentials → Isohypsen
- Windstärke proportional zur Dichte der Isolinien
3. Horizontale Variabilität
- mathematische Beschreibung
geostrophischer Wind
= geostrophischer Wind
f = Coriolisparameter (beschreibt Erdrotation)
= Einheitsvektor der lokal senkrecht nach oben zeigt
Φ = Geopotential = geopotentielle Höhe z * Erdbeschleunigung g
3. Horizontale Variabilität
- Beispielkarten der geopotentiellen Höhe
Farbe = Niederschlag
3. Horizontale Variabilität
- Beispielkarten der geopotentiellen Höhe
250 hPa
Farbe = Niederschlag
500 hPa
3. Horizontale Variabilität
- äquivalente Betrachtungsweise:
Druckverteilung auf einer bestimmten Höhe → Isobaren
geostrophischer Wind
= geostrophischer Wind
f = Coriolisparameter (beschreibt Erdrotation)
= Einheitsvektor der lokal senkrecht nach oben zeigt
p = Druck
ρ = Dichte
- Wind parallel zu Isobaren und nicht von hohem zu niedrigem Druck
- Windstärke proportional zur Dichte/Gradient der Isobaren
3. Horizontale Variabilität
- Beispielkarte des Bodendrucks
- Wind zyklonal um Tief (Gegenuhrzeigersinn)
- Wind antizykonal um Hoch (Uhrzeigersinn)
4. Verschiedene Skalen
Zeit
Makro
Meso
Länge
Mikro
4. Verschiedene Skalen
- einige Beispiele
Phänomen
Extratropische Zyklone
Staubteufel
Hurricane
Antizyklone
Kaltfront
Warmfront
Tornado
Hangwinde
Jet stream
Cumulus
Längenskala
Dauer
4. Verschiedene Skalen
- einige Beispiele
Phänomen
Längenskala
Dauer
Extratropische Zyklone
500 - 2000 km
3 – 15 Tage
Staubteufel
Hurricane
Antizyklone
Kaltfront
Warmfront
Tornado
Hangwinde
Jet stream
Cumulus
4. Verschiedene Skalen
- einige Beispiele
Phänomen
Längenskala
Dauer
Extratropische Zyklone
500 - 2000 km
3 – 15 Tage
Staubteufel
1 - 100 m
0.2 – 15 min
Hurricane
Antizyklone
Kaltfront
Warmfront
Tornado
Hangwinde
Jet stream
Cumulus
4. Verschiedene Skalen
- einige Beispiele
Phänomen
Längenskala
Dauer
Extratropische Zyklone
500 - 2000 km
3 – 15 Tage
Staubteufel
1 - 100 m
0.2 – 15 min
Hurricane
300 – 2000 km
1 – 7 Tage
Antizyklone
Kaltfront
Warmfront
Tornado
Hangwinde
Jet stream
Cumulus
4. Verschiedene Skalen
- einige Beispiele
Phänomen
Längenskala
Dauer
Extratropische Zyklone
500 - 2000 km
3 – 15 Tage
Staubteufel
1 - 100 m
0.2 – 15 min
Hurricane
300 – 2000 km
1 – 7 Tage
Antizyklone
500 – 2000 km
3 – 15 Tage
Kaltfront
Warmfront
Tornado
Hangwinde
Jet stream
Cumulus
4. Verschiedene Skalen
- einige Beispiele
Phänomen
Längenskala
Dauer
Extratropische Zyklone
500 - 2000 km
3 – 15 Tage
Staubteufel
1 - 100 m
0.2 – 15 min
Hurricane
300 – 2000 km
1 – 7 Tage
Antizyklone
500 – 2000 km
3 – 15 Tage
Kaltfront
500 – 2000 km
3 – 7 Tage
Warmfront
Tornado
Hangwinde
Jet stream
Cumulus
4. Verschiedene Skalen
- einige Beispiele
Phänomen
Längenskala
Dauer
Extratropische Zyklone
500 - 2000 km
3 – 15 Tage
Staubteufel
1 - 100 m
0.2 – 15 min
Hurricane
300 – 2000 km
1 – 7 Tage
Antizyklone
500 – 2000 km
3 – 15 Tage
Kaltfront
500 – 2000 km
3 – 7 Tage
Warmfront
300 – 1000 km
1 – 3 Tage
Tornado
Hangwinde
Jet stream
Cumulus
4. Verschiedene Skalen
- einige Beispiele
Phänomen
Längenskala
Dauer
Extratropische Zyklone
500 - 2000 km
3 – 15 Tage
Staubteufel
1 - 100 m
0.2 – 15 min
Hurricane
300 – 2000 km
1 – 7 Tage
Antizyklone
500 – 2000 km
3 – 15 Tage
Kaltfront
500 – 2000 km
3 – 7 Tage
Warmfront
300 – 1000 km
1 – 3 Tage
Tornado
30 – 3000 m
0.5 – 90 min
Hangwinde
Jet stream
Cumulus
4. Verschiedene Skalen
- einige Beispiele
Phänomen
Längenskala
Dauer
Extratropische Zyklone
500 - 2000 km
3 – 15 Tage
Staubteufel
1 - 100 m
0.2 – 15 min
Hurricane
300 – 2000 km
1 – 7 Tage
Antizyklone
500 – 2000 km
3 – 15 Tage
Kaltfront
500 – 2000 km
3 – 7 Tage
Warmfront
300 – 1000 km
1 – 3 Tage
Tornado
30 – 3000 m
0.5 – 90 min
Hangwinde
10 – 100 km
2 – 12 Stunden
Jet stream
Cumulus
4. Verschiedene Skalen
- einige Beispiele
Phänomen
Längenskala
Dauer
Extratropische Zyklone
500 - 2000 km
3 – 15 Tage
Staubteufel
1 - 100 m
0.2 – 15 min
Hurricane
300 – 2000 km
1 – 7 Tage
Antizyklone
500 – 2000 km
3 – 15 Tage
Kaltfront
500 – 2000 km
3 – 7 Tage
Warmfront
300 – 1000 km
1 – 3 Tage
Tornado
30 – 3000 m
0.5 – 90 min
Hangwinde
10 – 100 km
2 – 12 Stunden
Jet stream
1000 – 8000 km
5 – 15 Tage
Cumulus
4. Verschiedene Skalen
- einige Beispiele
Phänomen
Längenskala
Dauer
Extratropische Zyklone
500 - 2000 km
3 – 15 Tage
Staubteufel
1 - 100 m
0.2 – 15 min
Hurricane
300 – 2000 km
1 – 7 Tage
Antizyklone
500 – 2000 km
3 – 15 Tage
Kaltfront
500 – 2000 km
3 – 7 Tage
Warmfront
300 – 1000 km
1 – 3 Tage
Tornado
30 – 3000 m
0.5 – 90 min
Hangwinde
10 – 100 km
2 – 12 Stunden
Jet stream
1000 – 8000 km
5 – 15 Tage
Cumulus
2 – 5 km
10 – 100 min
4. Verschiedene Skalen
Atmosphäre = komplexes System mit vielen internen Wechselwirkungen
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