Zyklogenese

Wettersysteme HS 2012
Fallstudie zur extratropischen
Zyklogenese
(aus Wallace and Hobbs, Atmospheric Science, Kapitel 8)
3. Oktober 2012
1. Überblick
- Bestimmung der Struktur und Dynamik von Wettersystemen und des
assoziierten Wetters
Fallstudie: Zyklone über den zentralen USA mit starken Winden und Niederschlägen im
November 1998
- Zyklone war stärker als “normal” weist aber typische Merkmale
extratropischer Zyklonen auf
IR Satellitenbild vom 10. November 17 UTC
2. Grossskalige Struktur der Zyklone
- 500 hPa am 10. Nov. 00 UTC
- Polarer Wirbel aufgespalten in 2
Teile
- typischer Abstand zwischen 2
Trögen ~ 4000 km
→ Wellenlänge einer baroklinen
Welle (bW)
- bW bewegen sich nach Osten
- bW am häufigsten und stärksten
über den Ozeanen (Ausnahmen
möglich)
- bW Aktivität am stärksten im
Winter
→ meridionaler Temperatur gradient in mittl. Breiten am
stärksten
Rücken
Trog
2. Grossskalige Struktur der Zyklone
- Höhe 500 hPa 10. Nov.
- ostwärts - Bewegung und Intensivierung des Troges
→ Bildung eines cutoff lows
(geschlossene zyklonale Zirkulation)
00 UTC
09 UTC
18 UTC
- Intensivierung des Windes (Abstand Isohypsen)
2. Grossskalige Struktur der Zyklone
- SLP + Schichtdicke (1000 – 500 hPa (Farbe))
- Intensivierung des Tiefdruckzentrums
(998 – 978 – 968 hPa)
→ Tief am Boden markiert Zentrum einer
geschlossenen zyklonalen Zirkulation
00 UTC
→ extratropische Zyklone
- Verstärkung des West-Ost Gradienten der
Schichtdicke
09 UTC
- Höhentrog und Tiefdruck an Oberfläche zuerst
versetzt, später vertikal übereinander
18 UTC
2. Grossskalige Struktur der Zyklone
00 UTC
09 UTC
18 UTC
Zyklone im
Nov. 1998
500 hPa
1000 hPa
Schichtdicke
idealisierte
Zyklone
2. Grossskalige Struktur der Zyklone
- Höhe 500 hPa + Vertikalwind auf 700 hPa
9 UTC
18 UTC
- Vertikalbewegungen bestimmen die für extratropische Zyklonen typische
spiralförmige Struktur der Wolken sowie die Bildung von Niederschlag
Absinken
Aufsteigen
3. Fronten und Wettergeschehen
a) Wind
00 UTC
09 UTC
18 UTC
aus der Sicht eines ortsfesten Beobachters:
- an Kaltfront starke Winddrehung von süd auf west (nordwest)
- an Warmfront Winddrehung von südost auf süd (weniger markant als an Kaltfront)
- an Okklusion Winddrehung von südost aud südwest
3. Fronten und Wettergeschehen
b) Temperatur
00 UTC
09 UTC
18 UTC
- östlich der Kaltfront warme Luft vom Golf von Mexiko bis zu den grossen Seen
→ Warmsektor der Zyklone
- hinter Kaltfront starker Temperaturrückgang
→ Kaltfront definiert als Grenze zur warmen Luft die sich in Richtung der warmen
Luft bewegt.
- hier: zusätzliche Kaltfront in frontaler Zone
3. Fronten und Wettergeschehen
c) Fronten
- Fronten erstrecken sich bis in einige Kilometer Höhe
- sie sind in Richtung der kalten Luft geneigt
- die Luft konvergiert an der Front und warme Luft wird nach oben abgelenkt
- dieses vereinfachte Bild vernachlässigt dynamische Prozesse die für die Entstehung
und Aufrechterhaltung der Fronten wichtig sind
3. Fronten und Wettergeschehen
c) Fronten
- dieses vereinfachte Bild vernachlässigt dynamische Prozesse die für die Entstehung
und Aufrechterhaltung der Fronten wichtig sind.
- nicht nur Fronten sind für die Veränderung der Lufttemperatur verantwortlich
- zusätzliche Faktoren: - Tageszeit
- Bedeckungsgrad
- Höhe der Station
- Nähe zu Gewässern
→ diese Faktoren können den Einfluss der Fronten auf die Bodentemperatur
maskieren
3. Fronten und Wettergeschehen
c) Fronten
- manchmal können Fronten nicht anhand der Temperaturgradienten am Boden
erkannt werden weil:
- über Ozeanen Lufttemperatur stark abhängig von Wassertemperatur
- in Gebirgen werden grosse Differenzen in hor. Temperaturgradienten durch
unterschiedl. Höhe der Stationen maskiert
- Einfluss des Terrains, Inversionen, Konvektion, städt. Hitzeinseln .. können zu
massiver Änderung der Bodentemperatur führen so dass Fronten nicht mehr
erkannt werden können
3. Fronten und Wettergeschehen
e) stündliche Beobachtungen
Kaltfront, Gage, Oklahoma
1. Kaltfront (22 UTC)
- Drehung des Windes
- Temperaturen fallen
- Druck steigt an
2. Kaltfront (3 UTC)
- erneutes Drehen des Windes
- schwaches Minimum im Druck
- verstärkte Abnahme von
Temperatur und Taupunkt
00 UTC
3. Fronten und Wettergeschehen
e) stündliche Beobachtungen
Warmfront, Bowling Green, Kentucky
Warmfront (05 UTC)
- Drehung des Windes von ost auf süd
- Anstieg von Temperatur und
Taupunkt
- Druck nimmt ab wegen Näherung
und Intensivierung des Tiefs
3. Fronten und Wettergeschehen
f) 3-h Drucktendenz
- Annäherung und Intensivierung des
Tiefs
- Druckanstieg nach Kaltfront
→ höhere Dichte der kalten Luft
- starker Druckabfall vor Okklusion,
dahinter gleichbleibend
→ positive Drucktendenz durch
Kaltluftadvektion beinahe balanciert
durch fallende Tendenz durch die
Intensivierung des Tiefs
3. Fronten und Wettergeschehen
g) Wettergeschehen
- grossflächiger leichter
Niederschlag
- moderater bis starker Regen
nahe der grossen Seen
- Stationen entlang Kaltfront
melden Regen
- moderater bis starker Schneefall
über Great Plains
- Gewitter an Kaltfront
- Absinkende Luft hinter 2.
Kaltfront führt zu Regenende
3. Fronten und Wettergeschehen
g) Wettergeschehen + IR Satellitenbilder
3. Fronten und Wettergeschehen
g) Wettergeschehen + WV Satellitenbilder
3. Fronten und Wettergeschehen
h) Radarbild
- Kaltfront klar erkennbar
- Radarbild zeigt ähnliches Muster
wie Satellitenbilder:
kommaförmiges Wolkenband und
wolkenfreies Gebiet südl. und östl.
des Tief-Zentrums
→ “Yin-Yang” Muster entsteht
durch die unterschiedlichen aufund absteigenden Luftströmungen
15 UTC
18
UTC
Absinken
Aufsteigen
4. Vertikalstruktur
a) Höhenkarten
Δ=60 m
- Zunahme der Gradienten in der geopotentiellen
Höhe von 850 -500 hPa
- Zunahme der Windgeschwindigkeit
- ausgeprägte Kaltluft / Warmluft - Advektion in
Δ=30 m
unteren Schichten → barokline Struktur
- bei 500 hPa Windvektoren und Isothermen
gleichgerichtet → eher barotrope Struktur
Δ=30 m
4. Vertikalstruktur
a) Höhenkarten
Δ=60 m
- weitere Zunahme des Windes bis ca. 250 hPa
→ Jet stream
- Luft in Trögen wärmer, Luft in Rücken kälter als
Umgebung → Amplitude der Rücken und Tröge
nimmt mit zunehmender Höhe ab
Δ=120 m
Δ=120 m
4. Vertikalstruktur
b) Tropopause
Denver: niedrige Temperaturen in
Troposphäre, klar definierte
Tropopause bei 350 hPa
Davenport: hohe Temperatur in
Troposphäre, kältere und klar
definierte Tropopause
Amarillo: hohe Temperatur in
Troposhäre, keine klar definierte
Tropopause
welche dieser Stationen liegt im
Trog /Rücken ?
4. Vertikalstruktur
b) Tropopause
x
x
x
Linien: Höhe 250 hPa
Farben: Schichtdicke 1000- 500 hPa
4. Vertikalstruktur
b) Tropopause
- Rücken: hohe Temperaturen in
Troposphäre
- Trog: kalte Temperaturen in
Troposphäre
- Jet Stream über barokliner Zone
x
x
- Absenkung der Tropopause in Trog über kalter
x
Luftmasse in Troposphäre → gross-skaliges
Absinken → hohe Tropopausentemperatur
durch adiabatische Erwärmung (Absinken)
- Anhebung der Tropopause in Rücken → tiefe
Tropopausentemperatur
Linien: Höhe 250 hPa
Farben: Schichtdicke 1000- 500 hPa
(Mass für Temperatur in dieser Schicht)
- Amarillo liegt an Jet Stream Achse
→ Tropopause nicht klar definiert
4. Vertikalstruktur
b) Vertikale Querschnitte
- horizontaler Temperatur
gradient:
→ Wind ändert sich mit der
Höhe
- horizontaler T-Gradient
proportional zu vertikaler
Windscherung
4. Vertikalstruktur
b) Vertikale Querschnitte
- horizontaler Temperatur
gradient:
→ Wind ändert sich mit der
Höhe
- horizontaler T-Gradient
proportional zu vertikaler
Windscherung
- Barotropie: horizontale
Isothermen
→ Isotachen vertikal