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)
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