Clemens Simmer - Meteo Uni Bonn

Einführung
in die Meteorologie (met210)
- Teil VII: Synoptik
Clemens Simmer
VII 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
2. Synoptische Systeme mitterer Breiten, oder
„Wie entstehen Tiefs und Hochs“
- verschiedene Skalen
- Vorticitygleichung
- Frontentheorien
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VII.2.4 Fronten und Luftmassen
• Die Begriffe „Fronten“ und „Luftmassen“ wurden in den 20iger Jahren
von skandinavischen Meteorologen (Bjerknes et al.) zum Verständnis
des Aufbaus der Troposphäre in den mittleren und hohen Breiten
eingeführt.
• Fronten kennzeichnen Zonen, in denen sich die Temperatur (und
andere Größen) horizontal sehr stark ändert; sie grenzen also
Luftmassen voneinander ab.
• Die Fronten der Tiefs erstrecken sich über mehrere 10 km
(→Frontalzone).
• Durch ihre starke Neigung mit der Höhe kann die gesamte Frontalzone
jedoch über einen Bereich von 1000 km reichen.
• Nach der thermischen Windrelation nimmt der Wind in Frontalzonen mit
der Höhe zu. Das Maximum ergibt sich am oberen Rand der
Frontalzone (meist die Tropopause) und bildet die bekannten
Strahlströme (Jets).
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Schnitt durch eine Front - idealisiert
• Eine Front hat eine Frontfläche.
• Deren Schnitt mit dem Boden ergibt die Bodenfront.
• Schwere Kaltluft schiebt sich unter die wärmere Warmluft.
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Schnitt durch eine Frontalzone mit
Strahlstrom
Beachte:
• starke Überhöhung der
Vertikalen in der Abbildung
• ausgedehnte Frontalzone
• Jet oberhalb der Frontalzone
als Resultat des thermiuschen
Windes und unterhalb der
Tropopause (wieder
Temperaturzunahme)
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Polarfront (1)
• Die Polarfront wurde gedacht als Trennung zwischen
tropischer Luftmasse und polarer Luftmasse
• Idealerweise reicht sie einmal um jede Hemisphäre herum.
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Polarfront (2)
• In den unteren Troposphäre ist die Temperaturgradient
an der Front häufig stärker als in der Höhe, allerdings
nur an einigen Stellen.
• Dazwischen liegen größere Gebiete, in denen die
Polarfront fehlt. Hierfür gibt es zwei Gründe:
1. Im Bereich von Tiefdruck- und Hochdruckgebieten der
mittleren Breiten entstehen Luftmassen, deren Temperaturen
zwischen denen von tropischer und polarer Luft liegen. Die
Polarfront wird dadurch in mehrere Teile aufgespalten.
2. Kontinente können weniger Wärme speichern als Ozeane. Wo
kalte kontinentale Luftmassen auf warme maritime Luftmassen
treffen (z.B. an den Ostküsten von Nordamerika und Asien), ist
deshalb der Temperaturgegensatz in der Atmosphäre
besonders hoch.
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Polarfront (3)
• Dazu hat man dann die sogenannte gemäßigte Luftmasse
eingeführt.
• Tatsächlich ist das Bild aber wesentlich komplexer.
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Polarfront (4)
• Rossby (1950) hat darauf aufbauend die 3-Zellenstruktur
eingeführt.
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Polarfront (5)
• Das Bild von Defant (1958) macht die tatsächliche
Variabilität deutlicher.
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Hauptluftmassen (1)
• Reine Tropikluft kann bis in mittleren Breiten nur sehr
selten vorstoßen, da der subtropische Hochdruckgürtel
ihre Ausbreitung nach Norden verhindert.
• Auch stammt die Polarluft oft nicht direkt aus den
Polargebieten (nun arktische Polarluft genannt),
sondern häufig aus Grönland oder Skandinavien.
 Die Polarfront trennt damit meist subtropische von
subpolarer Luft.
• In mittleren Breiten werden durch die rasche
Verlagerung von Hochdruck - und Tiefdruckgebieten
mit ständiger Änderung von Windgeschwindigkeit und
Windrichtung die Luftmassen vermischt und
umgewandelt -> gemäßigte Luft.
• Es lassen sich somit 5 Hauptluftmassen
unterscheiden.
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Hauptluftmassen (2)
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Luftmassentransformationen
• Luftmassen ändern ständig ihre Eigenschaften – sie
werden transformiert.
• Relevante Prozesse:
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Strukturen von Fronten
• Phänomene an Fronten
• Margules-Modell
• Querzirkulation
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Schnitt durch Fronten - Phänomene
BEACHTE DIE STARKE
ÜBERHÖHUNG!
Die Zunahme des Windes mit
der Höhe steilt Kaltfronten
auf; sie können sich
„überschlagen.
Die Labilisierung (in der
Höhe kalt) führt zu
konvektiven Niederschlägen
und durch intensiveren
Impulsaustausch zum
schnellen Voranschreiten
(aus Roedel, 1994)
Die Zunahme des Windes mit der Höhe verflacht Warmfronten, macht die
Luft eher stabil (unten kalt oben warm). Der damit reduzierte
Impulsaustausch verlangsamt das Voranschreiten. Der Niederschlag
entsteht vorwiegend durch langsames Aufgleiten, ist lang andauernd und
i.a. weniger intensiv.
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Margules-Modell (2)
• Das einfachste Frontenmodell stellt eine frontale
“Unstetigkeit” dar.
• Die Front wird idealisert als eine scharfe, flache
Unstetigkeit der Temperatur, die zwei reibungsfreie,
homogene, geostrophische Strömungen voneinander
trennt.
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Margules-Modell (2)
Die Windscherung an einer Front ist immer zyklonal
(Isobarenknick in Wetterkarten).
tan  
Ableitung (siehe Abbildung) :
dp Front 
f v w  v k f v
 T
g
 k  w
g T
Je größer der Temperatursprung, desto flacher die
Front; Je größer der Windsprung, desto steiler.
p
p
p
p
dy 
dz 
dy 
dz (dp entlang der Frontfläche)
y w
z w
y k
z k
 tan 
dz
dy Front
p
p

y w y k
p
p

, weiter mit
  g und
 fv
p
p
z
y

z k z w
Fazit:
• Fronten sind geneigt, wenn die abgegrenzten Luftmassen
unterschiedliche Temperaturen haben.
• Eine Windscherung an der Front ist notwendig und zyklonal.
• Die Windscherung erzeugt den Isobarenknick ian den Fronten.
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Margules-Modell (3)
• Es gibt mögliche Konfigurationen, um die Differenz der
Fronten-parallelen Winde (Warm-Kalt) positiv zu halten
(beachte den Druckgradienten senkrecht zur Front):
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Schnitt durch Fronten - Querzirkulation
z
kalt
Fläche des Maximums
von grad
warm
x
Eine Front induziert durch die horizontalen
Temperaturgradienten horizontale
Druckgradienten, die eine direkte
thermische Zirkulation quer zur Front
bewirken (Solenoidterm in Vorticitygl.).
Diese ageostrophische Strömung führt
immer zu Aufsteigen in der Warmluft
und Absteigen in der Kaltluft.
Damit lässt sich alternativ der
Niederschlag an Fronten, aber auch das
deutliche Aufklaren unmittelbar hinter
einer Kaltfront erklären
Modellschnitte
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Übungen zu VII.2.4
1. Warum gibt es oberhalb von Frontalzonen einen
Strahlstrom?
2. Leite die Margulessche Grenzflächenbedingung ab.
3. Berechne die Frontenneigung für einen Temperatursprung
von 10 K und einen Windsprung von 1 m/s.
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