met210-111-VII-2-4_Synoptik

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 leichtere 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 thermischen
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 der 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“. Z.B. 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. Dazu hat man
dann die sogenannte gemäßigte Luftmasse eingeführt.
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Polarfront (3)
• Rossby (1950) hat darauf aufbauend die 3-Zellenstruktur
eingeführt.
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Polarfront (4)
• 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 (1)
• Das einfachste Frontenmodell stellt eine frontale
“Unstetigkeit” dar.
• Die Front wird idealisiert 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 
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.
Ableitung (siehe Abbildung):
dp Front 
p
p
p
p
dy 
dz 
dy 
dz (dp entlang der Frontfläche,
y w
z w
y k
z k
w/k in der Warm/Kaltluft)

dz
dy Front
p
p

y w y k
p
p
 tan 
, weiter mit
   g und
 f  v
p
p
z
y

statische
geostrophischer
z k z w
Grundgleichung
Wind
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 an den Fronten.
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Margules-Modell (3)
• Es gibt mehrere 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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