Die Globale Zirkulation
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Wettersysteme HS 2012 Kapitel 6 Die globale Zirkulation 24. Oktober 2012 1. Antrieb für globale Zirkulation - Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre: Bewegungen im globalen Massstab mit einer Zeitdauer von ~ Monaten - Energiequelle für Zirkulation ist die Sonne → differentielle Erwärmung der Erde Überschuss Defizit - Überschuss in Tropen, Defizit in mittl. Breiten und Polargebieten → Wärmetransport nötig 1. Antrieb für globale Zirkulation - Strahlungsgleichgewichts-Temperatur (Trad) und beobachtete Temperatur Strahlungsfluss Temperatur beobachtet Trad (Stefan-Boltzmann) - Trad weist stärkeren T-Gradient auf als Beobachtung → polwärtiger Transport von Wärme im System Ozean – Atmosphäre - Strahlung erhält Pol-Äquator T-Gradient, Zirkulation reduziert ihn 2. Globale Zirkulation - wie kommt dieses Zirkulationsmuster zustande und woher kommt die kinetische Energie der Strömungen? 2. Beschreibung der globalen Zirkulation 500 hPa Winter 15. Januar 1983 Monatsmittel Januar 1983 - tägl. Karten zeigen mehr kleinskalige Strukturen → verbunden mit kürzeren Zeitskalen (als ein Monat) 2. Beschreibung der globalen Zirkulation 300 hPa Winter 15. Januar 1983 Monatsmittel Januar 1983 - zonale Winde auf 300 hPa stärker als auf 500 hPa 2. Beschreibung der globalen Zirkulation Jets (15 Jahre Mittel) 200 hPa 300 hPa - 2 ausgeprägte Maxima am Westrand des Pazifik und Atlantiks → Regionen für die Entstehung von Tiefdruckgebieten - Jetsruktur häufig viel komplizierter als gemitteltes Bild 2. Beschreibung der globalen Zirkulation 500 hPa Sommer 15. Juli 1983 - zonaler Wind im Sommer schwächer Monatsmittel Juli 1983 2. Beschreibung der globalen Zirkulation 300 hPa Sommer 15. Juli 1983 Monatsmittel Juli 1983 9350 8900 - Westwind stärker als auf 500 hPa - Geopotential nimmt vom Äquator zum Pol ab → Westwinde 2. Beschreibung der globalen Zirkulation 15 Jahre zonales Mittel Winter (DJF) Sommer (JJA) 3. Energetik der globalen Zirkulation a) Einleitung Einteilung atmosphärischer Strömungen in 2 Bereiche: 1) Strömungen, angetrieben durch horizontale Heizgradienten in einer stabil geschichteten Atmosphäre → synoptische und planetare Windfelder (enthalten 98% der atm. kinetischen Energie) 2) Strömungen, angetrieben durch vertikale Heizgradienten → konvektive Instabilitäten (~ 2% der atm. Kinetischen Energie) → wichtig für vertikalen Transport von latenter und sensibler Wärme 3. Energetik der globalen Zirkulation a) Einleitung Der kinetische Energie Zyklus: - kin. Energie der Strömungen kommt aus Reservoir an potentieller Energie - räuml. Verteilung der atmosph. Masse bestimmt die potentielle Energie - kin. Energie der Strömungen wird in innere Energie (Teilchenbewegung) umgewandelt - pot. Energie der Atmosphäre wir durch räuml. Gradienten des diabatischen Heizens aufrechterhalten → Schwerpunkt der Atmosphäre wird angehoben 3. Energetik der globalen Zirkulation a) Einleitung Der kinetische Energie Zyklus: - niedrige Breiten: Kin. Energie enthalten in thermisch angetriebener Zirkulation → direkt verbunden mit geographischer Verteilung von Hitzequellen und Senken Beispiele: Monsoon, innertropische Konvergenzzone, Hadleyzelle - mittlere und hohe Breiten: Kin. Energie enthalten in baroklinen Wellen(in Zonen mit starken horizontalen Temperaturgradienten) → Verlust der kin. Energie durch Dissipation 3. Energetik der globalen Zirkulation b) verfügbare kinetische Energie (available potential energy, APE) a) Fluide sind durch Wand getrennt b) Trennwand wird entfernt, dichteres Fluid schiebt sich unter leichteres c) stabiler Endzustand, bei dem dichteres Fluid vollständig unter leichterem liegt → Schwerpunkt hat sich leicht gesenkt → Unwandlung von potentieller in kinetische Energie 3. Energetik der globalen Zirkulation c) verfügbare kinetische Energie in der realen Atmosphäre - potentielle Temperatur übernimmt Rolle der Dichte a) geneigte Isentropen → Baroklinität c) stabiler Endzustand → freigesetzte Energie kann in kin. Energie umgewandelt werden je grösser Baroklinität (hor. Temperaturgradient), desto mehr verfüg. pot. Energie 3. Energetik der globalen Zirkulation d) kinetischer Energie Zyklus verfügbare potentielle Energie (APE) kinetische Energie interne Energie - nur kleiner Teil der anfänglichen potentiellen Energie kann in kinetische Energie umgewandelt werden (available potential energy) - Schwerpunkt des Systems kann nicht beliebig stark absinken - in Atmosphäre wird potentielle Energie ständig aufgefüllt durch diabatisches Heizen → kontinuierlicher Fluss durch den kinetischen Energie-Zyklus 3. Energetik der globalen Zirkulation e) thermische Zirkulation - Heizgradienten treiben Zirkulation im Uhrzeigersinn an - vertikaler Austausch von gleichen Volumina mit unterschiedl. Dichte erniedrigt den Schwerpunkt → Konvertierung von potentieller in kinetische Energie - kin. Energie zerstört durch Dissipation/Reibung - diabatisches Heizen wirkt der Schwerpunktserniedrigung entgegen 3. Energetik der globalen Zirkulation e) thermische Zirkulation Emission infraroter Strahlung ins All Äquator (Erwärmung) Pol (Abkühlung) Abs. solarer Strahlung,sensible und latente Wärme Differentielle Erwärmung der Erde durch Strahlung 3. Energetik der globalen Zirkulation e) thermische Zirkulation - thermische Zirkulation viel stärker in feuchter als in trockener Atmosphäre → freiwerdende latente Wärme erhöht horizontalen Temperaturgradienten - gross-skalige thermisch angetriebene Zirkulationen benötigen horizontale und vertikale Heizgradienten. - ohne horizontale Heizgradienten → Entstehung von kleinskaligen konvektiven Zellen. 3. Energetik der globalen Zirkulation f) Beispiele für thermische Zirkulation - Monsun - Aufsteigen von warmer Luft über Land - am Boden Strömung vom Ozean aufs Land - freiwerdende latente Wäme erhöht Heizen über Land → verstärkt die Monsunzirkulation 3. Energetik der globalen Zirkulation f) Beispiele für thermische Zirkulation - ITCZ und Hadley-Zelle - Aufsteigen von warmer Luft über Äquator (bzw. ITCZ) - Absinken von kalter Luft über Subtropen - Am Boden Strömung vom Subtropenhoch zur äquatorialen Tiefdruckrinne - Ablenkung durch Corioliskraft → Passatwinde 3. Energetik der globalen Zirkulation g) Baroklinität - viel verfügbare Energie bei grosser Baroklinität potentielle Temperatur dynamische Tropopause horizontaler Temperaturgradient auf einer Druckfläche = Baroklinität Äquator Pol 3. Energetik der globalen Zirkulation g) Baroklinität Winter Sommer Wie kommt es zu einem Abbau der Baroklinität und somit zu einer Umwandlung von potentieller in kinetische Energie ? 3. Energetik der globalen Zirkulation g) Baroklinität Wie kann der horizontale Wind das Temperaturfeld beeinflussen ? Advektion von warmer Luft nach Norden Advektion von kalter Luft nach Süden Advektion von warmer Luft nach Norden 3. Energetik der globalen Zirkulation h) Barokline Wellen Entstehung einer baroklinen Welle - T Abnahme von Süd nach Nord kalt - Geopotential sinusförmige Auslenkung → führt zur Ausbildung einer TWelle 1/4 Wellenlänge hinter dem Geopotential (gestrichelte Linie) warm GeopotentialWelle Temperatur-Welle 3. Energetik der globalen Zirkulation h) Barokline Wellen Entstehung einer baroklinen Welle kalt - T Abnahme von Süd nach Nord - Geopotential sinusförmige Auslenkung → führt zur Ausbildung einer TWelle 1/4 Wellenlänge hinter dem Geopotential (gestrichelte Linie) Kaltluft-Advektion Warmluft-Advektion warm 3. Energetik der globalen Zirkulation h) Barokline Wellen Entstehung einer baroklinen Welle kalt - T Abnahme von Süd nach Nord - Geopotential sinusförmige Auslenkung → führt zur Ausbildung einer TWelle 1/4 Wellenlänge hinter dem Geopotential (gestrichelte Linie) Kaltluft-Advektion Warmluft-Advektion warm Drucktendenzen → Welle wandert nach Osten 3. Energetik der globalen Zirkulation h) Barokline Wellen - Temperatur und Windfeld verschoben Transport von warmer Luft nach Norden Transport von kalter Luft nach Süden Abbau des horizontalen TGradienten 3. Energetik der globalen Zirkulation h) Barokline Wellen - Struktur eines Tiefdruckgebietes Windfeld Temperaturfeld Kaltluftadvektion Warmluftadvektion 3. Energetik der globalen Zirkulation i) Vertikale Bewegungen in baroklinen Wellen Aufsteigen von warmer Luft an Trog-Vorderseite Absinken von kalter Luft auf Trog-Rückseite → Umwandlung von potentieller in kinetische Energie der Störung 4. Extratropische Stormtracks a) zonal gemittelter Wärmetransport durch Wellen / Tiefdruckwirbel - Maximum: extratropische Zyklonen - Nordhalbkugel: starke saisonale Variabilität - Südhalbkugel: wenig saisonale Variabilität 4. Extratropische Stormtracks b) Nordwärtsgerichteter Wärmetransport * auf 850 hPa im Winter - starke Abhängigkeit von geogr. Länge - Maxima im Atlantik und Pazifik verbunden mit Tiefdruckgebieten * nur Wärmetransport durch Wirbel mit Periode < 6 Tage 4. Extratropische Stormtracks c) Zugbahnen der Tiefdruckgebiete über dem Atlantik (Dez 85 -Feb 86) 5. Die Energiekaskade 5. Die Energiekaskade Entstehung von potentieller Energie (APE): - vertikale Anordnung der Heizraten führt zu: - Erwärmung der bodennahen Schichten - Abkühlung in oberer Troposphäre → Anhebung des Schwerpunktes → Zunahme von APE - horizontale Gradienten der Heizrate führen zu: - baroklinen Zonen → Baroklinität enthält APE 5. Die Energiekaskade Konvektion: - APE wird in kin. Energie umgesetzt - konvektive Instabilität wird nur lokal erreicht - Konvektion stark lokalisiert → direkte Umwandlung von APE in kin. Energie kleinräumiger Bewegungen 5. Die Energiekaskade - Umwandlung von APE in in kin. Energie der grossräumigen Strömungen a) Windfeld direkt bestimmt durch unterschiedl. horizontale Heizraten (Bsp. Monsun, Hadley-Zelle) b) Barokline Instabilität: Grossskalige Temperaturgradienten führen zu synoptisch-skaligen Wirbeln (extratropischen Zyklonen) → bei a) und b) kommt es zum Aufsteigen warmer und zum Absinken kalter Luft 5. Die Energiekaskade Meso- und kleinskalige Störungen - Scherinstabilitäten in Regionen mit starker vertikaler Windscherung → Ausbildung von Wellen die gross-skaliger Strömung Energie entziehen - Irregularitäten in Erdoberfläche → z. Bsp. Ausbildung von Schwerewellen und Bildung von Turbulenz 5. Die Energiekaskade Kaskade: - Kaskade von immer kleineren Wirbeln → Energie wird auf thermische Bewegung der Luftmoleküle übertragen → Umwandlung von kin. In Innere Energie → Energiekaskade spielt untergeordnete Rolle im Gesamtbudget der inneren Energie 5. Die Energiekaskade Thermisch direkte Zirkulation a) in den Tropen z. Bsp. Monsun 5. Die Energiekaskade Baroklinität b) aufbrechen der grossskaligen Baroklinität → aussertropische Zyklonen 5. Die Energiekaskade c) Convective Instability of the second kind (Hurricanes) 5. Die Energiekaskade Kleinskalige Turbulenz, z.Bsp. bei Gebirgsüberströmung 5. Die Energiekaskade Kleinskalige Instabilitäten, z.Bsp. bei Windscherung (Kelvin-Helmholtz Instabilität)
