Okklusionen: Warm- oder Kaltfrontcharakter? - ACINN

Okklusionen:
Warm- oder Kaltfrontcharakter?
Fallstudien zur prä- und postfrontalen
Stabilität unter Verwendung der ECMWF
Analysedaten
Diplomarbeit eingereicht am
Institut für Meteorologie und Geophysik
an der
Universität Innsbruck
zur Erlangung des Titels
Magister der Naturwissenschaften
vorgelegt von
Martin Ortner
Betreuer
Dr. Georg Mayr
Innsbruck, Februar 2011
Der Zweifel ist der Beginn der Wissenschaft. Wer nichts anzweifelt,
prüft nichts. Wer nichts prüft, entdeckt nichts. Wer nichts entdeckt, ist
blind und bleibt blind.
Teilhard de Chardin (1881 -1955)
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Abstract
Whether an occluded front is a warm or cold occlusion used to be determined from
the cross-frontal temperature contrast (“temperature rule”). However, if a frontal
surface is not approximated as a zero-order but rather as a first-order discontinuity
in temperature, the occlusion type is determined by the cross-frontal static stability
contrast (“static stability rule”). Thereby an occluded front slopes over the statically
more stable air (Stoelinga et al. 2002). Searching through occlusions published in
peer-reviewed literature and applying the new stability criterion, Stoelinga et al.
(2002) found only warm occlusions. The thesis set out to discover whether cold or
neutral occlusions also occur if the “static stability rule” is applied.
In order to achieve this goal, case studies were conducted using ECMWF analysis
data on 91 model levels with a horizontal mesh width of about 25km.
A comparison of the frontal slopes with the pre- and postfrontal temperature and
static stability fields confirmed firstly, the inadequacy of the “temperature rule”
to diagnose the actual occlusion type, and secondly, the existence of cold and almost neutral occlusions, which can be correctly diagnosed by the “static stability rule”.
However, two limitations of the “static stability rule” were discovered. Since the
stability of air, which becomes saturated, changes, the determination of the stability
becomes cumbersome. Only by treating the air across the occlusion as either unsaturated or saturated, a warm occlusion definitely slopes over the statically more stable
air. A cold occlusion, on the other hand, can be diagnosed disregarding differences in
the cross-frontal saturation state. Furthermore, the requirement for the application
of the “static stability rule”, that an occluded front could be regarded as first-order
discontinuity in potential temperature with fairly uniform horizontal potential temperature gradient and static stability on either side of the frontal surface, is not always
fulfilled. The fields were found to be rather inhomogeneous, which makes the determination of the occlusion type especially difficult for occlusions with nearly vertical slope.
Additionally, the influence of kinematic-dynamic frontogenetic processes on static
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stability differences across the occlusions was studied. In the case of the analyzed warm
occlusion, the stretching term modified the stability contrast most. It decreased the
frontal slope with time. On the other hand, a variable vertical temperature-advection
dominated the modification of the stability contrast across the analyzed cold occlusion.
Zusammenfassung
Ob eine Okklusion Warm- oder Kaltfrontcharakter hat, wurde bis vor kurzem über den
Temperaturunterschied der Luftmassen auf beiden Seiten der okkludierten Frontfläche
bestimmt (“Temperaturkriterium“). Wird die okkludierte Frontfläche nicht als Temperaturdiskontinuität nullter Ordnung, sondern als solche erster Ordnung approximiert,
bestimmt der Stabilitätsunterschied den Okklusionstyp (“Stabilitätskriterium“).
Eine okkludierte Front neigt sich dabei über die statisch stabilere Luft (Stoelinga
et al. 2002). Bei der Recherche in publizierten Okklusionsstudien konnten Stoelinga
et al. (2002) jedoch nur Okklusionen mit Warmfrontcharakter ausfindig machen.
Das Ziel dieser Diplomarbeit war es daher, Okklusionen zu finden, die nach dem
“Stabilitätskriterium” als neutral oder mit Kaltfrontcharakter diagnostiziert werden.
Für die Fallstudien wurden ECMWF-Analysedaten auf 91 Modellflächen mit 0.25◦
Maschenweite verwendet.
Ein Vergleich der Frontflächenneigungen mit den Temperatur- und Stabilitätsfeldern
bestätigte bei den ausgewählten okkludierten Fronten die von Stoelinga et al. (2002)
gefundene Unzulänglichkeit des “Temperaturkriteriums” und ergab nach dem “Stabilitätskriterium” korrekterweise als neutral beziehungsweise mit Kaltfrontcharakter
diagnostizierte Okklusionen.
Zwei Mängel des “Stabilitätskriteriums” wurden offensichtlich. Die Ergebnisse hängen
davon ab, ob bei der Stabilitätsanalyse eine eventuelle Sättigung der Atmosphäre
mitberücksichtigt wird. Eine Okklusion mit Warmfrontcharakter neigt sich nur unter
Annahme einer homogen ungesättigten oder gesättigten Atmosphäre zwangsläufig
über die stabiler geschichtete Luftmasse. Überdies wird die Voraussetzung für die
Anwendung des “Stabilitätskriteriums”, nämlich dass eine Okklusion als Temperaturdiskontinuität erster Ordnung betrachtet werden kann, welche breite Zonen mit
nahezu einheitlichen Temperaturgradienten voneinander trennt, nicht immer erfüllt.
Dadurch wird vor allem bei Okklusionen mit geringer Frontneigung eine qualitative
Analyse des Okklusionstyps nach dem “Stabilitätskriterium” erschwert.
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Weiteres Ziel dieser Arbeit war es, anhand von Fallstudien den Einfluss kinematischdynamischer Frontogenese-Prozesse auf die für die Frontneigung relevanten Stabilitätsunterschiede quer zur okkludierten Front zu prüfen. Ein zunehmender prä- und
postfrontaler Stabilitätsunterschied spricht dafür, dass die Okklusion mit der Zeit
stärker “kippt”. Es konnte gezeigt werden, dass bei einer Okklusion mit Warmfrontcharakter hauptsächlich die unterschiedlich starke Streckung beziehungsweise
Stauchung der Luftsäule zur Ausbildung modifizierter Stabilitätsgegensätze führt.
Dabei wird eine zeitliche Abnahme der Vorwärtsneigung unterstützt. Bei einer
Okklusion mit Kaltfrontcharakter scheint hingegen nicht zuletzt auf Grund der
geringeren Frontneigung vor allem die vertikal unterschiedliche Temperaturadvektion
für zeitliche Änderungen von Stabilitätsunterschieden verantwortlich zu sein. Die
kinematisch-dynamischen Frontogenese-Prozesse führten bei der analysierten nach
hinten geneigten Okklusion dazu, dass die Front stärker “kippte”.
Inhaltsverzeichnis
Abstract
iii
Zusammenfassung
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Inhaltsverzeichnis
vii
1 Einleitung
1.1 Motivation und Stand der Forschung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Methodik und Zielsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 Gliederung der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2 Theoretischer Hintergrund
2.1 Stabilitätsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Okklusionen: konzeptionelle Modelle . . . . . . .
2.2.1 Die Polarfront-Theorie . . . . . . . . . . .
2.2.2 Das Shapiro-Keyser Modell . . . . . . . .
2.3 Methoden zur Bestimmung des Okklusionstyps . .
2.3.1 Temperaturkriterium (Luftmassentheorie)
2.3.2 Stabilitätskriterium (Feld-Theorie) . . . .
2.4 Frontogenetische und frontolytische Prozesse . . .
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4 Analyse von ausgewählten Okklusionen
4.1 Okklusion mit Warmfrontcharakter vom 13.09.2006 . . . . . . . . . . .
31
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3 Datengrundlage und Bearbeitungsmethode
3.1 ECMWF-Analysedaten . . . . . . . . . . . .
3.2 Datenverarbeitung . . . . . . . . . . . . . .
3.3 Berechnungen und Lösungsansätze . . . . .
3.3.1 Die virtuelle potentielle Temperatur .
3.3.2 Die äquivalentpotentielle Temperatur
3.3.3 Finite-Differenzen-Methode . . . . .
3.4 Subjektive Frontenanalyse . . . . . . . . . .
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INHALTSVERZEICHNIS
4.2
4.3
4.1.1 Synoptische Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.2 Mesoskalige Struktur und Stabilitätsanalyse in Frontnähe . . . .
4.1.3 Frontogenetische Prozesse und zeitliche Änderung der Stabilität
Neutrale Okklusion vom 21.04.2008 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.1 Synoptische Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.2 Mesoskalige Struktur und Stabilitätsanalyse in Frontnähe . . . .
4.2.3 Frontogenetische Prozesse und zeitliche Änderung der Stabilität
Okklusion mit Kaltfrontcharakter vom 26.01.2009 . . . . . . . . . . . .
4.3.1 Synoptische Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.2 Mesoskalige Struktur und Stabilitätsanalyse in Frontnähe . . . .
4.3.3 Frontogenetische Prozesse und zeitliche Änderung der Stabilität
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71
5 Diskussion und Schlussfolgerung
79
Literaturverzeichnis
87
Abbildungsverzeichnis
90
Danksagung
99
Lebenslauf
103
Kapitel 1
Einleitung
1.1
Motivation und Stand der Forschung
Die klassische Okklusions-Hypothese von Bjerknes und Solberg (1922) hat breiten Eingang in zahlreiche Lehrbücher gefunden. Viele Studien über Okklusionen (Market und
Moore 1998; Reed et al. 1994; Martin 1998; Thompson 1995) haben gezeigt, dass der von
Bjerknes und Solberg beschriebene klassische Okklusions-Prozess, bei dem die Warmfront von der Kaltfront eingeholt wird, stattfindet. Eine Okklusion entspricht laut Bjerknes und Solberg (1922) dabei einem von zwei Typen: Entweder einer Okklusion mit
Warmfrontcharakter oder mit Kaltfrontcharakter. (vgl. Stoelinga et al. 2002, S.709)
Die ursprüngliche Vorstellung war, dass sich im Zuge des Okklusionsprozesses die
kältere Luftmasse unter die weniger kalte schiebt beziehungsweise die weniger kalte
Luftmasse auf die kältere aufgleitet (siehe Abbildung 1.1 a). Da bei dieser Klassifikation der prä- und postfrontale Temperaturunterschied den Okklusionstyp bestimmt,
wird in der vorliegenden Arbeit in diesem Zusammenhang vom “Temperaturkriterium”
die Rede sein. Eine Okklusion mit Kaltfrontcharakter bildet sich demnach, wenn sich
die kältere Luft hinter der Kaltfront befindet, sodass sich die Kaltfront unter die
Warmfront schiebt. Eine Okklusion mit Warmfrontcharakter liegt hingegen dann vor,
wenn die kältere Luft vor der Warmfront liegt und die ursprüngliche Kaltfront entlang
der Frontfläche der Warmfront aufgleitet. Die Frontfläche einer Okklusion neigt sich dieser klassischen Definition zufolge - immer über die kältere Luft. (vgl. Huschke 1959,
S.401)
Die Studie von Stoelinga et al. (2002) zeigt, dass die eben angeführte Betrachtungsweise
zur Bestimmung des Okklusionstyps zu stark vereinfacht und daher ungeeignet ist. In
diesem Artikel wird vorgeschlagen, eine Frontfläche als Temperaturdiskontinuität erster
Ordnung anstatt nullter Ordnung zu approximieren. Der Okklusionstyp wird folglich
nicht über den horizontalen Temperaturunterschied quer zur Front, sondern über die
1
2
Einleitung
prä- und postfrontale statische Stabilität bestimmt, wobei sich die Front über die stabiler geschichtete Luftmasse neigt (siehe Abbildung 1.1 b). Dieses “Stabilitätskriterium”
führt also zu einer Modifikation der klassischen Definition des Okklusionstyps, indem
der Ausdruck “eine Okklusion neigt sich über die kältere Luft” durch folgenden ersetzt
wird: “Eine Okklusion neigt sich über die stabiler geschichtete Luft.”(vgl. Stoelinga
et al. 2002, S.713)
(a)“Temperaturkriterium”:
(b)“Stabilitätskriterium”:
Abbildung 1.1: Schematische Darstellungen von Okklusionen mit Warmfrontcharakter
(links) und Kaltfrontcharakter (rechts). In den oberen Abbildungen erfolgt die Bestimmung
des Okklusionstyps gemäß dem “Temperaturkriterium”, in den unteren anhand des “Stabilitätskriteriums”. Θ steht dabei für die potentielle Temperatur.
Da in der Vergleichsstudie von Stoelinga et al. (2002) bei den neun aufgelisteten und
analysierten Fällen lediglich Okklusionen mit Warmfrontcharakter gefunden werden
konnten, stellt sich natürlich die Frage, ob es dem “Stabilitätskriterium” zufolge auch
Okklusionen mit Kaltfrontcharakter gibt.
Da erst wenige Okklusionen unter Anwendung des “Stabilitätskriteriums” analysiert
worden sind, werden weitere Fallstudien benötigt, um diese Frage beantworten zu
können. Die Analyse der statischen Stabilität in der Umgebung von Okklusionen
beziehungsweise deren zeitliche Entwicklung könnte überdies neue Einblicke in den
Okklusionsprozess gewähren und somit ein besseres Verständnis von Okklusionen schaffen.
1.2 Methodik und Zielsetzung
1.2
3
Methodik und Zielsetzung
Primäres Ziel dieser Studie ist es, festzustellen, ob es dem “Stabilitätskriterium”
zufolge auch Okklusionen mit Kaltfrontcharakter gibt. Um dies herauszufinden,
baut die vorliegende Arbeit auf Fallstudien auf. Die ausgewählten Fälle beziehen
sich dabei auf okkludierte Fronten mit Verdacht auf Kaltfrontcharakter, was bedeuten soll, dass sie dem “Temperaturkriterium” entsprechend Okklusionen mit
Kaltfrontcharakter darstellen. Die Datengrundlage für die Fallstudien stellen dabei
ECMWF-Analysedaten dar. Die Analyse beschränkt sich auf den Atlantikausschnitt,
um ungestörte Entwicklungen mariner Zyklonen mittlerer Breiten betrachten zu
können.
Des Weiteren werden frontogenetische und frontolytische Prozesse analysiert, um das
sekundäre Ziel zu erreichen. So soll anhand der Frontogenese-Funktion gezeigt werden,
welche Prozesse im Bereich der Okklusionen zu einer Verschärfung oder zu einer Abschwächung des Gradienten der potentiellen Temperatur führen können (vgl. Pichler
1997, S.293). Wichtiges Detail dabei ist, die unmittelbare zeitliche Entwicklung der
statischen Stabilität in der Umgebung der okkludierten Fronten anhand der Wind- und
Temperaturfelder zur Zeit von “Momentaufnahmen” zu analysieren. So soll herausgefunden werden, ob der für den Okklusionstyp entscheidende Stabilitätsunterschied
quer zur Front auch nach dem Okklusionsprozess aus kinematisch-dynamischen
Frontogenese-Prozessen hervorgehen könnte. Es gäbe somit entgegengesetzt der
Hypothese von Stoelinga et al. (2002) einen Indikator dafür, dass der ursprüngliche
Kontrast der statischen Stabilität zwischen den beiden kalten Luftmassen vor der
Warm- und hinter der Kaltfront nicht zwingend den späteren Okklusionstyp bestimmt.
1.3
Gliederung der Arbeit
In Kapitel 2 werden die theoretischen Grundlagen behandelt. Dabei wird die Stabilitätsanalyse ins Auge gefasst, da sich nach Stoelinga et al. (2002) eine okkludierte
Front immer über die statisch stabilere Luft neigt. Überdies widmet sich das Kapitel
2 den Modellvorstellungen in Bezug auf Okklusionen, den Methoden zur Bestimmung
des Okklusionstyps und den frontogenetischen Prozessen.
Das Kapitel 3 beinhaltet Wissenswertes zur Datenauswertung, nämlich verwendete Daten, Datenverarbeitung, Berechnungen und Lösungsansätze sowie eine Beschreibung
der subjektiven Frontenanalyse.
Im Auswertungsteil und zugleich 4. Kapitel meiner Arbeit werden ausgewählte
Okklusionen analysiert. Um die Okklusionstypen nach dem “Stabilitätskriterium” be-
4
Einleitung
stimmen zu können, wird bei den Fallstudien das Hauptaugenmerk auf die Analyse der
prä- und postfrontalen statischen Stabilität gelegt.
In Kapitel 5 werden die Ergebnisse diskutiert.
Kapitel 2
Theoretischer Hintergrund
Im Theorieteil werden die Stabilitätskriterien, die konzeptionellen Modelle zu
Okklusionen, die Methoden zur Bestimmung des Okklusionstyps sowie die frontogenetischen und frontolytischen Prozesse vorgestellt, die bei der Analyse der Okklusionen
in Kapitel 4 ihre Anwendung finden.
Im ersten Abschnitt 2.1 werden die theoretischen Grundlagen der Schichtungsstabilität
in einer trockenen, feuchten und gesättigten atmosphärischen Luftmasse beleuchtet.
Diese sind wichtig, da die in Abschnitt 2.3 beschriebene moderne Methode zur
Bestimmung des Okklusionstyps Stabilitätsanalysen vorsieht.
Da eine klassische “echte” Okklusion das Reifestadium einer Zyklone mittlerer Breiten
widerspiegelt, werden in Abschnitt 2.2 die zwei wichtigsten konzeptionellen Modelle
vorgestellt, welche die Entwicklung von Zyklonen mittlerer Breiten beschreiben. Durch
ihre Anwendung können “echte” Okklusionen von okklusionsähnlichen Frontenstrukturen unterschieden werden.
Neben den diagnostischen Beziehungen zur Analyse des Okklusionstyps in Abschnitt
2.3 widmet sich das vorliegende Kapitel im letzten Abschnitt 2.4 frontogenetischen
und frontolytischen Prozessen. Diese könnten die für die Frontneigung entscheidenden
Stabilitätsgegensätze quer zu einer Okklusion ausbilden.
2.1
Stabilitätsanalyse
In diesem Abschnitt werden die Stabilitätskriterien für eine trockene, feuchte
und gesättigte atmosphärische Luftmasse behandelt, da für die Bestimmung des
Okklusionstyps die prä- und postfrontale Stabilität entscheidend ist.
5
6
Theoretischer Hintergrund
Wie in weiterer Folge gezeigt wird, ist es zweckmäßig, für Stabilitätsanalysen in einer
ungesättigten Atmosphäre die potentielle Temperatur Θ heranzuziehen. Diese ist wie
folgt definiert:
Rcpd
P0
Θ=T
(2.1)
P
In Gleichung 2.1 ist T die Trockentemperatur in K, P0 = 1000hPa, P der Luftdruck
in hPa, Rd = 287Jkg−1 K−1 die spezifische Gaskonstante für trockene Luft und
cp = 1005Jkg−1 K−1 die spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck. Θ ist
dabei jene Temperatur, die ein Luftpaket annimmt, wenn es unter adiabatischen
reversiblen Bedingungen auf das 1000hPa Niveau gebracht wird. Ein adiabatisch
reversibler oder isentroper Prozess beschreibt eine Zustandsänderung, bei welcher
weder Wärme noch Masse mit der Umgebung ausgetauscht wird (vgl. Pichler 1997,
S.85). Die potentielle Temperatur bleibt also bei isentropen Vorgängen erhalten,
während bei diesen die Temperatur in einer ungesättigten Atmosphäre mit der Höhe
gemäß dem trockenadiabatischen Temperaturgradienten (Γd ≈ 0.98K/100m) abnimmt
(vgl. Pichler 1997, S.166).
Ein Maß für die Stabilität der Luftschichtung im Schwerefeld der Erde ist die sogenannte Brunt-Vaisala-Frequenz N. Diese beschreibt die Oszillationsfrequenz eines Luftteilchens, welches durch eine beliebige, kleine Störung vertikal ausgelenkt worden ist. Umso
höher N ist, umso stabiler ist die Luft geschichtet. Ist die Luft labil geschichtet, wird
N imaginär.
Die Brunt-Vaisala-Frequenz N kann durch die Auftriebsbeschleunigung B eines ausgelenkten Partikels wie folgt beschrieben werden:
N2 = −
δB
δz
(2.2)
δz ist die vertikale, infinitesimale Auslenkung und δB
beschreibt die Änderung der Aufδz
triebsbeschleunigung des Partikels. Nach dem griechischen Mathematiker und Physiker
Archimedes erfährt ein ausgelenktes Luftpartikel mit der Dichte ρp , die sich von der
Dichte der Umgebungsluft ρ unterscheidet, eine Auftriebsbeschleunigung, welche gegeben ist durch:
ρp − ρ
B = −g
(2.3)
ρp
Unter der Annahme, dass der Druck des Luftpartikels demjenigen in der Umgebung
gleicht sowie mit der Anwendung der idealen Gasgleichung und der Definition der
potentiellen Temperatur in Gleichung 2.1 folgt:
Tp − T
Θp − Θ
=g
(2.4)
T
Θ
Der Vorteil, die Auftriebskraft über eine konservative Größe wie die potentielle Temperatur zu beschreiben, liegt laut Emanuel (1994) darin, dass Θp bei adiabatischer
B=g
7
2.1 Stabilitätsanalyse
vertikaler Auslenkung erhalten bleibt und sich daher bei isentropen Prozessen nur die
potentielle Temperatur der Umgebung ändert. Daher folgt mit Θp = Θ − ∂Θ
δz aus
∂z
Gleichung 2.4:
−g ∂Θ
δB =
δz
(2.5)
Θ ∂z
Die Brunt-Vaisala-Frequenz kann daher über die potentielle Temperatur folgendermaßen ausgedrückt werden:
g ∂Θ
N2 =
(2.6)
Θ ∂z
Die statische Stabilität in trockener Luft ist also proportional zum vertikalen Gradienten der potentiellen Temperatur. (vgl. Emanuel 1994, S.165f.)
Für trockene Luft wird die Schichtungsstabilität dabei durch folgende Kriterien beschrieben (Etling 2002, S.78):
∂Θ
>0
∂z
∂Θ
=0
∂z
∂Θ
<0
∂z
stabile Schichtung,
neutrale oder indifferente Schichtung,
instabile oder labile Schichtung
Für Stabilitätsanalysen in einer feuchten, ungesättigten atmosphärischen Luftmasse
muss die Abhängigkeit der Luftdichte vom Wasserdampfgehalt berücksichtigt werden.
Die Dichte bei konstantem Druck und konstanter Temperatur ist umso geringer, je
feuchter die Luft ist. Es ist üblich, die Wasserdampfabhängigkeit der Luftdichte unter Verwendung modifizierter Temperaturen, der sogenannten virtuellen Temperatur
Tv und der virtuellen potentiellen Temperatur Θv , zu beschreiben. Tv ist dabei jene Temperatur, die trockene Luft haben müsste, um beim selben Druck die gleiche
Dichte wie die tatsächliche feuchte Luft zu haben. Sie kann über die effektive Gaskon0
stante R0 (Gaskonstante für feuchte ungesättigte Luft) durch die Gleichung Tv = RRdT
ausgedrückt werden, wobei R0 größer ist als Rd . Die virtuelle potentielle Temperatur
wird unter Vernachlässigung der Wasserdampfabhängigkeit des Exponenten wie folgt
beschrieben (vgl. Emanuel 1994, S.111f.):
Θv = Tv
P0
P
Rcpd
(2.7)
Die virtuelle potentielle Temperatur bezeichnet dabei jene virtuelle Temperatur, die
ein ungesättigtes feuchtes Luftpaket annimmt, wenn es unter adiabatischen reversiblen
Bedingungen auf das 1000hPa Niveau gebracht wird (vgl. Pichler 1997, S.85).
Werden in den Gleichungen 2.4 und 2.5 die Temperaturen T und Θ durch die virtuelle
Temperatur Tv und die virtuelle potentielle Temperatur Θv beschrieben, ist die BruntVaisala-Frequenz für eine feuchte ungesättigte Atmosphäre wie folgt definiert (Emanuel
8
Theoretischer Hintergrund
1994, S.166):
N2 =
g ∂Θv
Θv ∂z
(2.8)
Für feuchte ungesättigte Luft erhalten wir daher folgende Stabilitätskriterien:
∂Θv
>0
∂z
∂Θv
=0
∂z
∂Θv
<0
∂z
stabile Schichtung,
neutrale oder indifferente Schichtung,
instabile oder labile Schichtung
Nachdem gezeigt worden ist, wie die statische Stabilität in einer ungesättigten atmosphärischen Luftmasse definiert ist, wird in der Folge der Einfluss von gesättigter
Luft auf die Stabilität beschrieben. Während bei trockenadiabatisch verlaufenden Prozessen die potentielle Temperatur Θ eines Partikels konserviert wird, bleibt in einer
gesättigten Luftmasse bei “feuchtadiabatisch” verlaufenden Vorgängen die gesättigte
äquivalentpotentielle Temperatur Θes erhalten (vgl. Pichler 1997, S.543).
Θes kann nach Bohren und Albrecht (1998) wie folgt berechnet werden:
lv ms
Θes = Θe cp T
(2.9)
Wobei lv
= 2.501 × 106 Jkg−1 die Verdunstungsenthalpie und ms das
Sättigungsmischungsverhältnis in kgkg−1 ist. Bei einem pseudoadiabatischen Prozess,
bei welchem angenommen wird, dass das kondensierte Wasser sofort nach der Bildung
ausfällt, ist die spezifische Wärmekapazität durch cp = cpd + ms (T, P )cw gegeben.
Dabei ist cpd = 1005Jkg−1 K−1 die spezifische Wärmekapazität für trockene Luft und
cw = 4218Jkg−1 K−1 jene für Wasser. (vgl. Bohren und Albrecht 1998, S.294f.)
Bleibt bei vertikaler Auslenkung gesättigter Luft Θes konstant, so nimmt die
Temperatur mit zunehmender Höhe gemäß dem feuchtadiabatischen Temperaturgradienten Γm ab. Dieser ist kleiner als der trockenadiabatische Temperaturgradient
(Γd ≈ 0.98K/100m), da beim Aufsteigen eines gesättigten Luftpakets freiwerdende
Kondensationswärme die adiabatische Abkühlung reduziert (vgl. Kurz 1990, S.14).
Γm nimmt dabei mit zunehmender Temperatur und mit abnehmendem Luftdruck ab
(vgl. Kraus 2004, S.161).
Ist der vertikale Temperaturgradient der Atmosphäre Γ größer als Γm , jedoch kleiner als Γd , so ist die Schichtung für ein ausgelenktes ungesättigtes Luftpartikel stabil,
aber für ein gesättigtes instabil. Folglich kann die Atmosphäre durch den Vergleich von
Γ, Γd und Γm oder anhand der vertikalen Gradienten der potentiellen und gesättigten
9
2.1 Stabilitätsanalyse
äquivalentpotentiellen Temperatur auf bedingte Instabilität getestet werden. Dazu werden folgende Stabilitätskriterien verwendet (vgl. Bohren und Albrecht 1998, S.311f.):
∂Θes
>0
∂z
∂Θes
Γd > Γ > Γm oder
<0
∂z
∂Θv
Γ > Γd oder
<0
∂z
Γ < Γm oder
absolut stabile Schichtung,
bedingt instabile Schichtung,
absolut instabile Schichtung
Durch die Hebung von ganzen Luftschichten (z.B. entlang einer Front) können auf
Grund unterschiedlicher Abkühlungsraten auch anfänglich stabile Schichten instabil
werden. In diesem Fall spricht man von potentieller Instabilität. Die Abbildung 2.1
Abbildung 2.1: Die schematische Abbildung zeigt, wie aus einer potentiell instabilen Schicht
AB durch Hebung eine bedingt instabile Schicht A”B” wird (nach Bohren und Albrecht 1998,
S.313). Zu Beginn ist die isotherme Schicht AB absolut stabil. Da die untere Luftmasse A
feuchter ist als die obere B, ist A im Zuge der Hebung schneller gesättigt als B. A erreicht
also das Hebungskondensationsniveau A’ rascher als B das Hebungskondensationsniveau B’.
Während sich die Temperatur der ungesättigten Luft zwischen A und A’ beziehungsweise B
und B’ mit dem trockenadiabatischen Temperaturgradienten ändert, nimmt die Temperatur
der gesättigten Luft zwischen A’ und A” sowie B’ und B” mit dem feuchtadiabatischen
Temperaturgradienten ab. Nach der Hebung ist die Schicht A”B” potentiell instabil.
veranschaulicht, wie eine potentiell instabile Schicht durch Hebung destabilisiert wird.
10
Theoretischer Hintergrund
Wird eine Schicht gehoben, deren untere Luftmasse A feuchter (geringere Taupunktsdifferenz) ist als die obere B, so ist die Luft A früher gesättigt als B. Bei weiterer
Hebung kühlt der untere gesättigte Teil der Schicht mit dem feuchtadiabatischen Temperaturgradienten ab, während die Abkühlung des oberen Teils noch solange dem trockenadiabatischen Temperaturgradienten entspricht, bis auch die Luft B gesättigt ist.
Der obere Teil der Schicht kühlt im Zuge der Hebung folglich stärker ab als der untere,
wodurch es zu einer Destabilisierung kommt. Da bei dem eben beschriebenen Vorgang
die äquivalentpotentielle Temperatur sowohl vor als auch nach Eintreten der Sättigung
erhalten bleibt, wird diese für die Bestimmung der potentiellen Instabilität herangezogen. (vgl. Bohren und Albrecht 1998, S.312)
Die äquivalentpotentielle Temperatur Θe kann nach Bolton (1980) wie folgt berechnet
werden (Bolton 1980, S.1052):
Θe = T
1000
P
0.2854(1−0.28m)
e
3376
−2.54
TL
m(1+0.81m)
(2.10)
In Gleichung 2.10 beschreibt Θe die äquivalentpotentielle Temperatur in K, T die
Temperatur in K, m das Mischungsverhältnis in kgkg−1 und TL die Temperatur im
Hebungskondensationsniveau (“Lifting Condensation Level”) in K. TL wird dabei unter Verwendung der von Bolton (1980) beschriebenen Beziehung bestimmt (vgl. Bolton
1980, S.1048 - Gleichung 21).
Die äquivalentpotentielle Temperatur wird über einen Prozess als die Temperatur definiert, welche ein Luftpaket annimmt, wenn es zunächst trockenadiabatisch bis zum
Hebungskondensationsniveau gehoben wird, dann sättigungsadiabatisch so lange steigt,
bis alles Wasser auskondensiert ist und schlussendlich trockenadiabatisch auf 1000hPa
absinkt (vgl. Kraus 2004, S.160). Der sättigungsadiabatische Aufstieg erfolgt dabei
pseudoadiabatisch, das heißt es wird angenommen, dass das kondensierte Wasser sofort nach der Bildung ausfällt (vgl. Bolton 1980, S.1049). In diesem Zusammenhang
sollte darauf hingewiesen werden, dass in gesättigter Luft die äquivalentpotentielle
Temperatur der gesättigten äquivalentpotentiellen Temperatur entspricht.
Die Stabilitätskriterien für die Bestimmung der potentiellen Instabilität werden durch
e
den vertikalen Gradienten der äquivalentpotentiellen Temperatur ∂Θ
wie folgt ausge∂z
drückt (vgl. Bohren und Albrecht 1998, S.312f.):
∂Θe
>0
∂z
∂Θe
=0
∂z
∂Θe
<0
∂z
potentiell stabile Schichtung,
potentiell neutrale Schichtung,
potentiell labile Schichtung
Bei diesen Stabilitätskriterien für die Hebung einer Schicht werden lediglich pseudoadiabatische Prozesse betrachtet. Das heißt, die Temperaturänderungen, welche durch
2.2 Okklusionen: konzeptionelle Modelle
11
das Speichern von Wärme im Wolkenwasser und durch Sublimationswärme bei der
Eisbildung in Wolken entstehen, werden vernachlässigt (vgl. Bolton 1980, S.1052). Die
vertikalen Gradienten der äquivalentpotentiellen Temperatur sind also kein exaktes
Stabilitätsmaß in gesättigter Luft, da die vertikalen Gradienten des Gesamtwassermischungsverhältnisses in einer Wolke nicht berücksichtigt werden. So führt beispielsweise
eine Abnahme des Gesamtwassermischungsverhältnisses mit der Höhe zu einer Stabilisierung, eine Zunahme bewirkt hingegen eine Labilisierung (vgl. Emanuel 1994, S.168).
Zusammengefasst ist eine gesättigte Luftmasse unter Vernachlässigung des Gesamtwassermischungsverhältnisses umso stabiler geschichtet, je stärker Θe mit der Höhe
v
ausfällt.
zunimmt, während eine ungesättigte umso stabiler ist, je positiver ∂Θ
∂z
2.2
2.2.1
Okklusionen: konzeptionelle Modelle
Die Polarfront-Theorie
Die Polarfront-Theorie wurde 1922 von J. Bjerknes und H. Solberg publiziert. Wichtige Erweiterungen stammen von Bergeron (1928). Diese besagte Theorie beschreibt
die Entwicklung von Frontensystemen zusammen mit jener von Zyklonen mittlerer
Breiten mittels dem sogenannten “Norwegischen Modell” (vgl. Kraus 2004, S.292).
Die Polarfront-Theorie besagt:
“Aus einer schon vorhandenen Front (in der Polarfront-Theorie verstanden als
Temperaturdiskontinuität oder enge Übergangszone zwischen warmer Luft im Süden
und kälterer im Norden, das ist die ”Polarfront”) entwickelt sich eine Welle, in der
auf der Vorderseite wärmere Luft nach Norden und auf der Rückseite kältere nach
Süden strömt und in der sich so aus der vorhandenen Temperaturdiskontinuität eine
Warmfront und eine Kaltfront bilden.” (Kraus 2004, S.294)
Die Welle entwickelt sich dabei so, wie es die Abbildung 2.2 zeigt. In dieser wird
nämlich der von Bjerknes und Solberg (1922) beschriebene idealisierte Lebenslauf
einer Zyklone mittlerer Breiten dargestellt. Es ist ersichtlich, dass die Kaltluft an der
Rückseite des Tiefdruckgebietes rascher nach Osten vorankommt als die Warmluft.
Während die Welle nach Osten wandert, verkleinert sich der Warmsektor, bis die
Kaltfront schließlich die Warmfront einholt.
In der Vertikalen holt die Kaltfront die Warmfront zuerst direkt über der Erdoberfläche
ein, der Warmsektor wird angehoben und unter diesem ist von den beiden Fronten
nur noch eine übrig geblieben, nämlich die sogenannte Okklusions-Front.
Die okkludierte Front stellt dabei eine “Luftmassengrenze” zwischen zwei kalten, in
12
Theoretischer Hintergrund
Abbildung 2.2: “Norwegisches Modell”: Der Lebenslauf einer (Mittelbreiten-)Zyklone aus
der Publikation von Bjerknes und Solberg (1922); Fronten sind gestrichelt dargestellt. Ausgezogen erscheinen die Stromlinien bei der Warmluft mit roten, bei der Kaltluft mit blauen
Pfeilen. Die Niederschlagsgebiete sind gepunktet dargestellt. (nach Kraus 2004, S.293)
sich einheitlichen Luftmassen dar, die zuvor vor der Warm- und hinter der Kaltfront
gewesen sind.
Die okkludierten Teile des Tiefdruckgebietes verwirbeln schließlich vollständig und die
Luftmassengegensätze verschwinden zunehmend, bis das “sterbende” Tief schlussendlich zur Gänze mit kalter Luft gefüllt ist. (vgl. Kraus 2004, S.294ff.)
Bjerknes und Solberg (1922) befassten sich in Bezug auf die Okklusion zuerst mit
einer “idealen” Struktur, in welcher keine thermische Grenzfläche vorlag und räumten
ein, dass diese Form, eine sogenannte neutrale Okklusion, gewöhnlich nicht beobachtet
werden könne (vgl. Schultz und Mass 1993, S.919f.).
Eine okkludierte Front muss daher ihren Vorstellungen zufolge einem von zwei
Typen entsprechen, entweder jenem mit nach vorne geneigter oder jenem mit nach
hinten geneigter Frontfläche. Weist die Okklusion mit zunehmender Höhe eine
Vorwärtsneigung auf, liegt eine Okklusion mit Warmfrontcharakter vor, andernfalls
eine mit Kaltfrontcharakter. Dabei schiebt sich, der damaligen Vorstellung zufolge,
entweder die kältere Luftmasse im Zuge des Okklusionsprozesses unter die weniger
kalte (Okklusion mit Kaltfrontcharakter) oder die weniger kalte Luftmasse gleitet
auf die kältere auf (Okklusion mit Warmfrontcharakter). Da bei dieser klassischen
Definition des Okklusionstyps der prä- und postfrontale Temperaturunterschied für
die Frontneigung ausschlaggebend ist, wird in der Folge in diesem Zusammenhang
vom “Temperaturkriterium” die Rede sein. (vgl. Stoelinga et al. 2002, S.709ff.)
Bjerknes und Solberg (1922) deuteten an, dass es, dem soeben angeführten “Tem-
2.2 Okklusionen: konzeptionelle Modelle
13
peraturkriterium” zufolge, zu einer Häufung von Okklusionen mit Kaltfrontcharakter
kommen müsse, da die Luft westlich der okkludierten Front beziehungsweise des Tiefdruckkerns direkter aus nördlicher Richtung einströmt als jene östlich davon und daher
meist kälter ist (vgl. Schultz und Mass 1993, S.920). Die Literaturstudie von Schultz
und Mass (1993) beinhaltet jedoch beispielsweise keinen einzigen gut dokumentierten
Fall, bei dem eine beobachtete Okklusion mit Kaltfrontcharakter vorliegt. Das ist so,
obwohl der klassischen Definition des Okklusionstyps zufolge in manchen Fällen eine
nach hinten geneigte Frontfläche vorliegen müsste.
Nicht zuletzt auf Grund der eben angeführten Diskrepanz ist bei der Anwendung des
von Bjerknes und Solberg (1922) begründeten konzeptionellen Modells Vorsicht geboten. Auch wenn zahlreiche Studien über Okklusionen (Market und Moore 1998; Reed
et al. 1994; Martin 1998; Thompson 1995) gezeigt haben, dass der von Bjerknes und Solberg beschriebene klassische Okklusions-Prozess, bei dem die Kaltfront die Warmfront
einholt, in vielen Fällen stattfindet und der Grundgedanke der Polarfront-Theorie richtig ist, müssen einige Aspekte und Folgerungen im Licht neuer Erkenntnisse betrachtet
sowie korrigiert werden. Die wichtigsten Modifikationen sind folgende:
• Fronten sollten nicht als Temperaturdiskontinuität nullter Ordnung, sondern erster Ordnung approximiert werden (vgl. Stoelinga et al. 2002, S.711).
• Fronten sollten nicht als materielle Grenzflächen betrachtet werden, die keinen
Luftmassenaustausch und keine Querzirkulation erlauben.
• Die Niederschlagsbildung steht in engem Zusammenhang mit der Querzirkulation
und wird nicht durch Vertikalwinde an materiellen Grenzflächen induziert (vgl.
Kraus 2004, S.298).
• Bei der klassischen Okklusions-Hypothese sollte - wie im Kapitel 1 beschrieben der Ausdruck “kältere Luft” durch “statisch stabilere Luft” ersetzt werden (vgl.
Stoelinga et al. 2002, S.719).
Neben diesen Modifikationen durch die moderne meteorologische, mesoskalige Forschung sollte man sich im Klaren sein, dass der vom “Norwegischen Modell” beschriebene ideale Lebenslauf einer Zyklone mittlerer Breiten nur einen Spezialfall möglicher
Entwicklungen darstellt. Darauf verweist beispielsweise auch die Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik auf ihrer Homepage im “MANUAL OF SYNOPTIC SATELLITE METEOROLOGY”1 vom 13.2.2007 und ergänzt, dass die Satellitenmeteorologie aufgezeigt hat, dass diese idealisierte Theorie nicht im Detail beobachtet werden
kann. So gibt es beispielsweise neben den “echten” Okklusionen, die auf Grund des
Einholens der Warmfront durch die Kaltfront entstehen, auch Okklusionen, bei denen
1
http://www.zamg.ac.at/docu/Manual/SatManu/main.htm?/docu/Manual/
14
Theoretischer Hintergrund
dieser klassische “Einhol-Prozess” nicht stattfindet. Aus diesem Grund ist es wichtig,
ausgewählte Fälle nicht nur unter Anwendung einer einzigen Modellvorstellung zu studieren, sondern dieselben auch mit anderen konzeptionellen Modellen abzugleichen. Ein
Pendant zum klassischen norwegischen Konzept der Zyklonenentwicklung in mittleren
Breiten samt Okklusionshypothese stellt etwa das im nächsten Kapitel vorgestellte
Shapiro-Keyser-Modell dar (vgl. Neiman und Shapiro 1993, S.2174).
2.2.2
Das Shapiro-Keyser Modell
Das Shapiro-Keyser Modell (1990) beschreibt die Entwicklung einer extratropischen
Zyklone über dem Ozean in 4 Phasen (siehe Abbildung 2.3). Die Hauptunterschiede zum “Norwegischen Modell” sind das Ablösen der Kalt- von der Warmfront
(Bruch der Kaltfront), das Fortschreiten der Kaltfront im Warmsektor, das nahezu
normal zur Warmfront erfolgt, sowie das Gleichsetzen von Okklusionen mit Warmfrontcharakter und Warmfronten, da der klassische Okklusionsprozess nicht stattfindet.
Basierend auf der Beschreibung von Schultz et al. (1998) wird in der Folge das ShapiroKeyser-Modell detaillierter erläutert:
Der Lebenslauf einer Shapiro-Keyser Zyklone beginnt mit einer kleinen Störung im
Bereich einer breiten, baroklinen Zone in der unteren Troposphäre. Im Zuge der Intensivierung der Zyklone kommt es zu einer Verengung der baroklinen Zone und somit
zur Frontogenese. Im Gegensatz zu einer Norwegischen Zyklone, bei der die Kaltfront
die Warmfront schließlich einholt, bewegt sich die Kaltfront bei einer Shapiro-Keyser
Zyklone nahezu orthogonal zur Warmfront. Dies verleiht der sogenannten HammerkopfFront (“T-bone-front”) ihr charakteristisches Aussehen. Ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal ist weiters die Abschwächung des horizontalen Temperaturgradienten (Frontolyse) entlang des polwärts gerichteten Bereichs der Kaltfront in der Nähe des Tiefdruckkernes (Bruch der Kaltfront). Dieser “Fronten-Bruch” wurde bereits von Godske et al.
(1957) erwähnt, wobei die Frontolyse in diesem Bereich mit Absinken in der unteren
Troposphäre in Verbindung gebracht wurde (vgl. Godske et al. 1957, S.536). Während
der Entwicklung einer Shapiro-Keyser Zyklone transportieren Luftpakete im Bereich
der Warmfront ihre Baroklinität in Regionen westlich des Wirbelzentrums. Das daraus resultierende Merkmal wurde von Shapiro und Keyser (1990) als “bent-back warm
front” (zurückgebogene Warmfront) bezeichnet. Diese zurückgebogene Front wurde bereits von Bjerknes (1930) identifiziert und von Bergeron (1937) “retrograde Okklusion”
genannt. Die stark zonal ausgerichtete Baroklinität entlang der Warmfront und der
zurückgebogenen Front sowie die Abschwächung des nördlichen Teils (auf der Nordhalbkugel) der Kaltfront führen bei der Shapiro-Keyser Zyklone zu einer zonalen Elongation der Front. Im Gegensatz dazu kommt es bei der typischen Norwegischen Zyklone
2.2 Okklusionen: konzeptionelle Modelle
15
zu einer meridionalen Dehnung der Fronten. Im Reifestadium der Shapiro-Keyser Zyklone wickelt sich die zurückgebogene Warmfront schließlich um das Tiefdruckzentrum,
wobei ein Pool mit relativ wärmerer Luft (warmer Kern) umschlossen wird. Dies ist
die Phase der “warm-core frontal seclusion”.
Abbildung 2.3: Shapiro-Keyser Modell: Der Lebenslauf einer marinen, extratropischen Zyklone: (I) Ausgangszustand bei der Bildung der Frontalzyklone; (II) Fronten-Bruch (Bruch
der Kaltfront); (III) zurückgebogene Warmfront und Hammerkopf-Front (“T-bone-front”);
(IV) “warm-core frontal seclusion”; obere Abbildung: Isobaren auf Meeresniveau, Fronten
(Warmfront - rot, Kaltfront - blau) und Wolken-Signaturen; untere Abbildung: Isothermen
und Stromlinien (bei der Warmluft mit roten, bei der Kaltluft mit blauen Pfeilen); (nach
Schultz und Mass 1993, S.925)
Die erläuterten konzeptionellen Modelle beschreiben, wie man sich leicht vorstellen
kann, stark vereinfachte und idealisierte Lebensläufe von Zyklonen mittlerer Breiten.
Je nach Anfangs- und Randbedingungen entsprechen die tatsächlichen Entwicklungen
eher der einen oder der anderen Modellvorstellung. Es gibt auch Zyklonen, bei denen der Lebenslauf beiden zuvor beschriebenen Modellen zugeordnet werden kann. So
haben Shapiro und Donall Grell (1994) und Thompson (1995) aufgezeigt, dass es bei
manchen Zyklonen, die zu Beginn die Merkmale des Shapiro-Keyser Modells aufweisen,
im Zuge der weiteren Entwicklung zu einem, dem klassischen “Norwegischen Modell”
ähnlichen, Okklusionsprozess kommen kann. (vgl. Schultz et al. 1998, S.1770)
16
2.3
2.3.1
Theoretischer Hintergrund
Methoden zur Bestimmung des Okklusionstyps
Temperaturkriterium (Luftmassentheorie)
Frontflächen wurden einst als Temperaturdiskontinuität nullter Ordnung, das heißt die
Temperatur ändert sich an der Grenzfläche zwischen zwei Luftmassen sprunghaft, approximiert (vgl. Petterssen 1940, S.276; vgl. Malberg 2001, S.127). Die kältere Luft
kommt dabei auf Grund der höheren Dichte immer unter der wärmeren zu liegen (vgl.
Pichler 1997, S.290). Dieses Kriterium wird in der vorliegenden Arbeit als “Temperaturkriterium” bezeichnet. Die Neigung der Front als Diskontinuität nullter Ordnung
wird durch Margules’ Formel (1906) wie folgt beschrieben:
f T̄ (vg2 − vg1 )
dz
=−
(2.11)
dx
g (T2 − T1 )
Dabei steht die x-Achse normal zur Front und die Indizes 1 und 2 beziehen sich bei
Blickrichtung entlang der Front zum Tiefdruckkern auf die Luftmasse links und rechts
dz
der Luftmassengrenze. In Margules’ Formel ist dx
die Neigung der Frontfläche, f der
−1
Coriolisparameter in s , T̄ die Mitteltemperatur der Luft an den zwei Seiten der
Front in K, vg die geostrophische Windkomponente entlang der Front in ms−1 , T die
Temperatur in K und g die Schwerebeschleunigung in ms−2 . Die Frontneigungs-Formel
von Margules (Gleichung 2.11) ordnet die Neigung einer Front also dem Temperaturunterschied quer zur Front und der Änderung der frontparallelen, geostrophischen
Windkomponente quer zur Front zu. (vgl. Stoelinga et al. 2002, S.710)
Die Beziehung in Gleichung 2.11 kann unter Voraussetzung stationärer Verhältnisse
von der thermischen Windgleichung abgeleitet werden:
∂vg
vg ∂T
g ∂T
=
−
∂z
T ∂z
f T ∂n
(2.12)
∂T
∂n
gibt dabei die Änderung der Temperatur orthogonal zur Stromlinie des geostrophischen Windes an.
Wird der erste Term auf der rechten Seite dieser Gleichung vernachlässigt, folgt bei
Übergang zu endlichen Differenzen:
g ∆n T
∆z vg
=−
∆z
f T̄ ∆n
(2.13)
Daraus ergibt sich Margules’ Frontneigungs-Formel in ähnlicher Form (vgl. Pichler
1997, S.290f.):
∆z
f T̄ ∆z vg
tan α =
=−
(2.14)
∆n
g ∆n T
17
2.3 Methoden zur Bestimmung des Okklusionstyps
Unter der Annahme von in sich einheitlichen Luftmassen vor und hinter der Front
kann die Gleichung 2.14 meiner Meinung nach gut mit 2.11 verglichen werden. Der
geostrophische Wind ist nämlich in Gebieten ohne horizontalen Temperaturgradienten
und unter Vernachlässigung des ersten Terms in Gleichung 2.12 nicht von der Höhe
abhängig. Die vertikale Änderung des geostrophischen Windes in Gleichung 2.14
entspricht somit näherungsweise der horizontalen Änderung quer zur Front.
Wenn sich die Frontfläche über die kältere Luftmasse neigt (“Temperaturkriterium”),
fordert die Formel von Margules (Gleichung 2.11) positiv geostrophische Vorticity. Die
Tatsache, dass an der Front stets positiv geostrophische Vorticity beobachtet wird, hat
in der Vergangenheit zur Anerkennung von Margules’ Formel und der Beschreibung
der Front als Diskontinuität nullter Ordnung geführt (vgl. Stoelinga et al. 2002, S.711).
2.3.2
Stabilitätskriterium (Feld-Theorie)
Eine weniger radikale Approximation ist die Darstellung atmosphärischer Fronten als
Temperaturdiskontinuität erster Ordnung (vgl. Bluestein 1993, S.245). Wie bereits von
Palmén und Newton (1969) erstmals vorgeschlagen worden ist, wird die Frontalzone
dabei als Diskontinuitätsfläche approximiert, an welcher der Gradient der potentiellen
Temperatur “springt” (vgl. Palmén und Newton 1969, S.170). Eine solche Diskontinuitätsfläche erster Ordnung zeigt die Abbildung 2.4, in der ein schematischer Vertikalschnitt der potentiellen Temperatur durch eine idealisierte Okklusion dargestellt ist.
Werden prä- und postfrontal der horizontale Temperaturgradient quer zur okkludierten Front sowie der vertikale Temperaturgradient zur Bestimmung der Frontneigung
herangezogen, ergibt sich nach Stoelinga et al. (2002) folgende Beziehung:
dz
dx
=
f ront
∂Θ
∂x 1
∂Θ
∂z 2
−
−
∂Θ
∂x 2
∂Θ
∂z 1
(2.15)
Die x- und z-Achse spannen dabei den Vertikalschnitt, der die Front im rechten Winkel
schneidet, auf. Die Indizes 1 und 2 beziehen sich bei Blickrichtung entlang der Front
zum Tiefdruckkern auf die Luftmasse links und rechts der Luftmassengrenze.
Da die Frontfläche einer Okklusion mit den Maxima der potentiellen Temperatur auf
horizontalen Schnittflächen zusammenfällt, ist der Zähler auf der rechten Seite der
Gleichung 2.15 immer positiv. Aus diesem Grund wird das Vorzeichen der Neigung
ausschließlich durch den Nenner in Gleichung 2.15 und somit durch die Änderung der
statischen Stabilität quer zur Front bestimmt, wobei sich die Front über die statisch
stabilere Luftmasse neigt. (vgl. Stoelinga et al. 2002, S.713)
Da Fronten, wie bereits von Bluestein (1993) beschrieben, in Bezug auf die Temperatur besser als Diskontinuitäten erster Ordnung dargestellt werden können, sollte die
18
Theoretischer Hintergrund
Abbildung 2.4: Schematischer Vertikalschnitt orthogonal zu einer idealisierten Okklusion
(nach Stoelinga et al. 2002, S.715): Linien gleicher potentieller Temperatur (Isentropen) sind
schwarz eingezeichnet, Fronten sind in Farbe dargestellt (Okklusion - magenta; Kaltfront blau; Warmfront - rot). Die potentielle Temperatur Θ nimmt mit ansteigendem Index zu.
klassische Definition zur Beschreibung des Okklusionstyps laut Stoelinga et al. (2002)
modifiziert werden. Dies geschieht, indem der Ausdruck “eine Okklusion neigt sich
über die kältere Luft” durch jenen des sogenannten “Stabilitätskriteriums” ersetzt
wird: “Eine Okklusion neigt sich über die statisch stabilere Luft!” (vgl. Stoelinga et al.
2002, S.713)
Das “Stabilitätskriterium” basiert auf der diagnostischen Beziehung in Gleichung 2.15,
die sich auf die momentane Verteilung der potentiellen Temperatur bezieht. Daher kann
daraus nicht zwingend abgeleitet werden, dass vor dem Okklusionsprozess der Kontrast
der statischen Stabilität zwischen den beiden kalten Luftmassen vor der Warm- und
hinter der Kaltfront den Okklusionstyp bestimmt.
Als Indikator für den kausalen Zusammenhang führen Stoelinga et al. (2002) jedoch
an, dass idealisierte, auf primitiven Gleichungen basierende Modell-Simulationen von
baroklinen Wellen, die typischerweise mit horizontal konstanter statischer Stabilität
initialisiert werden, dazu tendieren, nahezu neutrale Okklusionen zu produzieren.
Ist der kausale Zusammenhang also gegeben, muss das Übergewicht von Okklusionen
mit Warmfrontcharakter darauf zurückgeführt werden, dass die Luft hinter der Kaltfront weniger stabil geschichtet ist als vor der Warmfront.
Der Kontrast der statischen Stabilität kann von verschiedenen potentiellen Mechanis-
19
2.4 Frontogenetische und frontolytische Prozesse
men herrühren. Mögliche Ursachen für die Ausbildung des Stabilitätskontrastes sind:
• differentielle diabatische Erwärmung durch unterschiedlichen Bedeckungsgrad;
• variable turbulente Wärmeflüsse über einer Wasseroberfläche;
• Kippen (“Tilting”) der Isentropen durch vertikale Scherung des Horizontalwindes
quer zur Front; (vgl. Stoelinga et al. 2002, S.717f.)
2.4
Frontogenetische und frontolytische Prozesse
Da Fronten durch starke, horizontale Temperaturänderungen gekennzeichnet sind, ist
der horizontale Temperaturgradient ein Maß für die Intensität einer frontalen Zone.
Üblicherweise wird die potentielle Temperatur anstelle der Temperatur für die Berechnung des Gradienten herangezogen, um Auswertungen im Falle möglicher Vertikalbewegungen zu erleichtern (vgl. Stull 2000, S.267). Physikalische Prozesse, die zu
einer Zunahme des Gradienten der potentiellen Temperatur führen, werden als frontogenetische und jene, die eine Abnahme des Θ-Gradienten bewirken, als frontolytische
Vorgänge bezeichnet (vgl. Pichler 1997, S.292). Um die Frontogenese und Frontolyse
zu quantifizieren, ist es erforderlich, sich der sogenannten Frontogenese-Funktion, die
als totalzeitliche Ableitung des Gradienten der potentiellen Temperatur definiert ist,
zu bedienen (vgl. Kraus 2004, S.304).
Da die Frontogenese-Funktion ein dreidimensionaler Vektor ist, es jedoch bei einer
Frontogenese auf die Zunahme und bei einer Frontolyse auf die Abnahme des Betrages des Temperaturgradienten ankommt, wird zur Untersuchung von frontogenetischen
sowie frontolytischen Prozessen folgende Beziehung verwendet:

> 0...Frontogenese
d
d
|∇Θ|2 = 2 ∇Θ · ∇Θ
< 0...Frontolyse
dt
dt
(2.16)
Die totalzeitliche Änderung des Gradienten der potentiellen Temperatur lässt sich nun
= 0) anhand der Zusammenhänge zwischen dem
unter Annahme von Adiabasie ( dΘ
dt
Wind- und Temperaturfeld bestimmen:
20
Theoretischer Hintergrund
" 2
2 #
d
∂u
∂Θ
∂v
∂Θ
|∇Θ|2 = −2
+
+
dt
∂x ∂x
∂y ∂y
|
{z
}
I
∂v ∂Θ ∂Θ ∂u ∂Θ ∂Θ
+
+
−2
∂x ∂y ∂x
∂y ∂x ∂y
{z
}
|
II
∂w ∂Θ ∂Θ ∂w ∂Θ ∂Θ
−2
+
+
∂x ∂z ∂x
∂y ∂z ∂y
|
{z
}
III
∂u ∂Θ ∂Θ ∂v ∂Θ ∂Θ ∂w ∂Θ ∂Θ
−2
+
+
∂z ∂x ∂z
∂z ∂y ∂z
∂z ∂z ∂z
|
{z
}
(2.17)
IV
In den Gleichungen 2.16 und 2.17 steht Θ für die potentielle Temperatur, u und v sind
die horizontalen Komponenten der Windgeschwindigkeit in x- und y-Richtung und
w ist definiert als die Vertikalkomponente der Windgeschwindigkeit in z-Richtung.
Die Terme I, II und III in Gleichung 2.17 beschreiben die zeitliche Änderung des
horizontalen Gradienten der potentiellen Temperatur ( dtd |∇h Θ|2 ). Der Term IV spiegelt
die zeitliche Änderung des vertikalen Θ-Gradienten wider ( dtd | ∂Θ
|2 ). (vgl. Pichler 1997,
∂z
S.292f.)
Die kinematisch-dynamische Frontogenese und Frontolyse in der Horizontalen setzt
sich zusammen aus dem horizontalen Konfluenzterm I, dem horizontalen Scherungsterm II und dem vertikalen Scherungsterm (“Tilting”) III (vgl. Stull 2000, S.268).
Die frontogenetischen Prozesse I, II und III werden in der Abbildung 2.5 von Kraus
(2004) schematisch dargestellt, wobei der Einfachheit halber nur die x-Komponente
der Frontogenese-Funktion betrachtet wird (vgl. Kraus 2004, S.304).
Neben der in Gleichung 2.17 beschriebenen kinematisch-dynamischen Vorgänge, die
unter der Annahme adiabatischer Advektion (potentielle Temperatur bleibt während
der Verfrachtung konstant) zu einer Verstärkung beziehungsweise Abschwächung eines
bereits vorhandenen Temperaturgradienten führen können, kommt es auch durch
diabatische thermodynamische Prozesse ( dΘ
6= 0) zu Frontogenese und Frontolyse
dt
(vgl. Stull 2000, S.269). Zu diesen nicht-adiabatischen Vorgängen zählen Strahlungsprozesse, Bodenwärmeströme, turbulente Vermischung (quer zur Front) und
latente Wärmeflüsse. In der Abbildung 2.5 werden diese Prozesse mit dem Begriff
“Heizungsterm” zusammengefasst.
Die in der Gleichung 2.17 beschriebenen Prozesse lassen sich in einen geostrophischen
2.4 Frontogenetische und frontolytische Prozesse
21
Abbildung 2.5: Zur Verdeutlichung der unterschiedlichen Frontogenese-Prozesse (I horizontaler Konfluenzterm, II horizontaler Scherungsterm, III vertikaler Scherungsterm, IV
Heizungsterm) sind diese für die x-Komponente der Frontogenese-Funktion dargestellt. (aus
Kraus 2004, S.305)
sowie einen ageostrophischen Anteil aufspalten, indem die horizontalen Windkomponenten durch die Beziehung u = ug + uag und v = vg + vag ausgedrückt werden.
Der ageostrophische Wind stellt dabei die Abweichung des tatsächlichen Windes vom
geostrophischen Gleichgewicht dar und “[...] resultiert aus den in die geostrophische Balance zwischen horizontaler Druckgradientkraft und horizontaler Corioliskraft nicht eingehenden Kräften der Bewegungsgleichung” (Kraus 2004, S.301). Im Bereich von Frontalzonen treten solche ageostrophische Zusatzwinde als Zirkulation quer zur Frontfläche
auf. Diese ageostrophische Querzirkulation kann durch Inhomogenitäten im großskaligen Temperatur- und Windfeld, durch Bodenreibung sowie durch differentielle Heizung
vor und hinter einer Front ausgelöst werden (vgl. Kraus 2004, S.302). Wie dieser Vorgang ablaufen kann, wird in der Folge basierend auf der Beschreibung von Stull (2000)
erklärt:
Wenn es durch einen der soeben beschriebenen externen Einflüsse (“Forcing”) - wie zum
Beispiel kinematische Konfluenz im Zuge einer durchziehenden Rossby-Welle - zu einer
Erhöhung des Temperaturgradienten an einer Front kommt (Frontogenese), erhöht sich
auf Grund der hypsometrischen Beziehung auch der Druckgradient (siehe Abbildung
2.6(a)). Während sich der tatsächliche Wind dem neuen geostrophischen Gleichgewicht
allmählich anpasst, weicht dieser temporär von der geostrophischen Windrichtung ab,
da Druckgradient- und Corioliskraft nicht ausbalanciert sind. Diese Abweichung des
22
Theoretischer Hintergrund
tatsächlichen Windes vom geostrophischen Wind wird durch den ageostrophischen
Wind ausgedrückt. Da dieser in konvergenten und divergenten Bereichen vor und hinter der Front nach dem Prinzip der Massenerhaltung Vertikalbewegungen induziert,
wird eine ageostrophische Querzirkulation in Gang gesetzt (siehe Abbildung 2.6(b)).
Die so entstandene Sekundärzirkulation [Sawyer-Eliassen Zirkulation (Sawyer 1956)]
kann zu einer Vervielfachung des horizontalen Temperaturgradienten an einer Front
führen (Frontogenese), kann die Frontfläche kippen (siehe Abbildung 2.6(c)) und im
aufsteigenden Ast Konvektion und Niederschlag triggern. (vgl. Stull 2000, S.270)
Abbildung 2.6: Die Vertikalschnitte zeigen eine idealisierte, dynamische Frontogenese (aus
Stull 2000, S.270): (a) Der Ausgangszustand (dünne Linien) wird durch Konfluenz modifiziert (dicke Linien). (b) Ageostrophische Querzirkulation (Sawyer-Eliassen Zirkulation), (c)
Endzustand (“Gleichgewichtszustand”); Frontalzonen sind schattiert, Isobaren als Linien und
ageostrophische Winde als Pfeile dargestellt.
Die Querzirkulation beeinflusst neben der horizontalen Frontogenese auch die zeitliche
Änderung des vertikalen Gradienten der potentiellen Temperatur. Wird der Term IV in
Gleichung 2.17 in einen geostrophischen und ageostrophischen Anteil aufgeteilt, wird
ersichtlich, dass die Änderung der statischen Stabilität nicht nur auf geostrophische
Kalt- und Warmluftadvektion, sondern auch auf die ageostrophische Querzirkulation
zurückzuführen ist. Zur Verdeutlichung wird diese Zerlegung nun durchgeführt:
d ∂Θ 2
∂u ∂Θ ∂Θ ∂v ∂Θ ∂Θ ∂w ∂Θ ∂Θ
|
| = −2
+
+
dt ∂z
∂z ∂x ∂z
∂z ∂y ∂z
∂z ∂z ∂z
{z
}
|
IV
∂ug ∂Θ ∂Θ ∂vg ∂Θ ∂Θ ∂w ∂Θ ∂Θ
= −2
+
+
+
∂z ∂x ∂z
∂z ∂y ∂z
∂z ∂z ∂z
{z
}
|
IVg
∂uag ∂Θ ∂Θ ∂vag ∂Θ ∂Θ ∂w ∂Θ ∂Θ
−2
+
+
+
∂z ∂x ∂z
∂z ∂y ∂z
∂z ∂z ∂z
|
{z
}
−2
∂w
∂z
∂Θ
∂z
2
IVag
(2.18)
Die Ausdrücke IVg und IVag in Gleichung 2.18 beschreiben die geostrophische beziehungsweise ageostrophische Komponente der zeitlichen Änderung des vertikalen Gra-
2.4 Frontogenetische und frontolytische Prozesse
23
dienten der potentiellen Temperatur. Die ersten beiden geostrophischen und ageostrophischen Terme zeigen, dass eine vertikal unterschiedliche Temperaturadvektion zu
einer Stabilitätsänderung führt (“Advektionsterm”). Bei trockenstabiler Schichtung
( ∂Θ
> 0) ist dtd | ∂Θ
| > 0 (Erhöhung der Schichtungsstabilität!), wenn Warmluftadvekti∂z
∂z
on mit der Höhe zunimmt, Kaltluftadvektion mit der Höhe abnimmt oder Warmluftadvektion über Kaltluftadvektion stattfindet. Eine Labilisierung tritt hingegen dann auf,
wenn Warmluftadvektion mit der Höhe abnimmt, Kaltluftadvektion mit der Höhe zunimmt oder Kaltluftadvektion über Warmluftadvektion erfolgt. Im dritten Term wird
beeinflusst (“Stretching-Term”). Bei einer vorausgedie statische Stabilität über ∂w
∂z
setzten trockenstabilen Schichtung in Gleichung 2.18 kommt es zu einer Zunahme der
Schichtungsstabilität, wenn mit ∂w
< 0 die Luftsäule vertikal schrumpft. Eine Labi∂z
∂Θ
lisierung erfolgt hingegen bei ∂z > 0 dann, wenn die Luftsäule mit ∂w
> 0 vertikal
∂z
gestreckt wird. Dies wird erreicht, wenn die Hebung gegebenenfalls mit der Höhe zunimmt oder das Absinken mit der Höhe schwächer wird. (vgl. Kurz 1990, S.22f.)
Wie soeben gezeigt worden ist, ermöglicht die Untersuchung der Zusammenhänge zwischen dem dreidimensionalen Wind- und Temperaturfeld (unter Annahme von Adiabasie) die Bestimmung der zeitlichen Änderung der statischen Stabilität. Da sich Stoelinga et al. (2002) zu Folge die Frontfläche einer Okklusion über die statisch stabilere
Luftmasse neigt und die Front umso stärker “kippt”, je höher der prä- und postfrontale
Stabilitätsunterschied ist, lässt die in Gleichung 2.18 beschriebene zeitliche Änderung
des vertikalen Gradienten der potentiellen Temperatur Rückschlüsse auf die Entwicklung der Frontneigung zu.
24
Kapitel 3
Datengrundlage und
Bearbeitungsmethode
In diesem Kapitel werden die für die für die Datenauswertung verwendeten ECMWFAnalysedaten, die Datenverarbeitung, wichtige Lösungsansätze sowie die subjektive
Frontenanalyse kurz vorgestellt.
3.1
ECMWF-Analysedaten
Für die Fallstudien der vorliegenden Arbeit wurden operationelle Analysen vom
ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) verwendet. Die
Analysedaten der spektralen Modellversion TL 799L91 sind zu den Zeiten 00, 06,
12 und 18UTC verfügbar. Bei dieser Version liegt eine spektrale Auflösung bis
zur zonalen Wellenzahl 799 vor. Die Maschenweite des dazugehörigen Gaußgitters
beträgt durchschnittlich etwa 25km (0.25◦ ). Die vertikale Auflösung wird durch 91
Modellniveaus zwischen der Erdoberfläche und einer Höhe von 80km bestimmt.
Als Analyseverfahren kommt die vierdimensionale Variationsanalyse zum Einsatz. Dabei wird ein optimal an die Beobachtungsdaten angepasster atmosphärischer Zustand
errechnet, der mit dem ECMWF-Vorhersagemodell über eine längere Zeitspanne konsistent ist (vgl. Pichler 1997, S.508). Bei der ECMWF-Analyse werden sowohl In-situDaten als auch Satellitendaten herangezogen.
3.2
Datenverarbeitung
Die Datengrundlage für die Fallstudien zur prä- und postfrontalen Stabilität von
Okklusionen stellen ECMWF-Analysedaten für den Atlantikausschnitt dar, die in
GRIB-Files (GRIded Binary format) abgelegt sind. Die horizontale Auflösung auf
25
26
Datengrundlage und Bearbeitungsmethode
den 91 Modellniveaus beträgt 0.25◦ . Die Grenzen des Definitionsbereiches sind
in zonaler Richtung durch die Meridiane 86◦ westliche und 20◦ östliche Länge und
in meridionaler Richtung durch die Breitenkreise 20◦ und 80◦ nördliche Breite gegeben.
Die für die Datenauswertung benötigten meteorologischen Parameter wurden aus
den GRIB-Files ausgelesen und die geopotentielle Höhe sowie der Luftdruck auf den
ECMWF-Modellflächen bestimmt. Aus den primären Modellvariablen wurden die
virtuelle potentielle Temperatur und die äquivalentpotentielle Temperatur, wie in
Abschnitt 3.3 beschrieben, berechnet.
Die ausgelesenen und ermittelten Daten (Temperaturen, Feuchte-Parameter, Wind,
natürlicher Logarithmus des Luftdrucks) wurden zur weiteren Verarbeitung linear auf
z-Flächen interpoliert. Dadurch wurde ein aus ca. 15 Mio. Gitterpunkten bestehendes
regelmäßiges, dreidimensionales Gitter mit einer unveränderten horizontalen Maschenweite von 0.25◦ sowie einem vertikalen Gitterpunktsabstand von 100m zwischen 100m
und 15000m gebildet.
Nach der Interpolation der meteorologischen Parameter auf z-Flächen erfolgte die
Berechnung der horizontalen und vertikalen Gradienten unter Anwendung der in
Abschnitt 3.3 beschriebenen zentrierten Differenzenapproximation für die 1.Ableitung
von der Genauigkeit 4.Ordnung.
Für die Erstellung der Vertikalschnitte wurden die auf den z-Flächen vorliegenden
meteorologischen Parameter und berechneten Gradienten auf die entsprechenden
Höhenlinien der Querschnitte bilinear interpoliert. Dafür wurde die Matlab-Funktion
“interp2” verwendet.
Frontogenetische und frontolytische Prozesse wurden unter Annahme von Adiabasie
mittels der in Abschnitt 2.3 vorgestellten Methode bestimmt. Um den Beitrag des
Wasserdampfs zur Luftdichte zu berücksichtigen, wurde dabei anstelle der potentiellen
Temperatur die virtuelle potentielle Temperatur für die Berechnungen herangezogen.
3.3
Berechnungen und Lösungsansätze
Im Folgenden werden die im Zuge der Datenauswertung angewandten Methoden zur
Berechnung der virtuellen potentiellen Temperatur Θv und der äquivalentpotentiellen
Temperatur Θe kurz vorgestellt. Überdies widmet sich dieser Abschnitt der räumlichen
Diskretisierung, wobei auf die zur Datenauswertung herangezogene zentrierte Differenzenapproximation der 1.Ableitung von der Genauigkeit 4.Ordnung näher eingegangen
wird.
27
3.3 Berechnungen und Lösungsansätze
3.3.1
Die virtuelle potentielle Temperatur
Unter Verwendung des iterativen Lösungsansatzes nach Bolton (1980) ergibt sich für
die Bestimmung von Θv folgende Beziehung:
(0.2854(1−0.28m))
1000
Θv = Tv
(3.1)
P
Dabei ist P der Luftdruck in hPa, Tv die virtuelle Temperatur und m das Mischungsverhältnis. Θv bezeichnet dabei jene virtuelle Temperatur, die ein ungesättigtes feuchtes Luftpaket annimmt, wenn es unter adiabatischen reversiblen Bedingungen auf das
1000hPa Niveau gebracht wird. Es wird also angenommen, dass kein Massen- und
Wärmeaustausch mit der Umgebung stattfindet. Der absolute Fehler von Θv in Gleichung 3.1 liegt bei unter 0.2K und resultiert aus der Vernachlässigung der Variationen
der spezifischen Wärmekapazität für trockene Luft. (vgl. Bolton 1980, S.1047)
Die virtuelle Temperatur Tv in Gleichung 3.1 ist durch folgende Beziehung gegeben:
1 + m
Tv = T
1+m
(3.2)
Die virtuelle Temperatur in den Gleichungen 3.1 und 3.2 ist jene Temperatur,
die trockene Luft haben müsste, um bei selbem Druck die gleiche Dichte wie die
tatsächliche feuchte Luft zu haben. Das Verhältnis der Gaskonstante für trockene
Luft zur Gaskonstante für feuchte Luft wird in Gleichung 3.2 durch = 0.62198
ausgedrückt. (vgl. Bluestein 1992, S.206ff.)
3.3.2
Die äquivalentpotentielle Temperatur
Der für die Bestimmung der äquivalentpotentiellen Temperatur Θe verwendete
Lösungsansatz nach Bolton (1980) lautet:
0.2854(1−0.28m) 3376
1000
−2.54 m(1+0.81m)
TL
Θe = T
e
(3.3)
P
P beschreibt den Luftdruck in hPa, T die Temperatur, m das Mischungsverhältnis
und TL die Temperatur im Hebungskondensationsniveau (Lifting Condensation Level).
TL ist dabei durch folgende Näherung gegeben:
2840
+ 55
(3.4)
3.5lnT − lne − 4.805
Dabei ist e der Dampfdruck in hPa, der über das Mischungsverhältnis m durch
pm
e = +m
ausgedrückt wird. TL wird durch die Beziehung in Gleichung 3.4 bis auf 0.1K
genau bestimmt. Der maximale Fehler bei der Bestimmung von Θe in Gleichung 3.3
liegt bei 0.3K. (vgl. Bolton 1980, S.1048ff.)
TL =
28
3.3.3
Datengrundlage und Bearbeitungsmethode
Finite-Differenzen-Methode
Grundidee ist, die Ableitungen an den Gitterpunkten über die Werte von benachbarten
Gitterpunkten zu approximieren. Die Differentialgleichung wird so auf ein System von
algebraischen Gleichungen für die Funktionswerte an den Gitterpunkten reduziert. Die
auf diese Weise formulierten Differenzengleichungen werden numerisch gelöst.
Die Approximation der räumlichen Ableitung eines Funktionswertes u an einem Gitterpunkt i kann dabei durch einseitige oder zentrierte Differenzen erfolgen. Zur Veranschaulichung der Methoden zur räumlichen Diskretisierung sind in Abbildung 3.1
die zentrierte Differenzenapproximation von der Genauigkeit zweiter Ordnung und die
einseitigen Differenzenapproximationen (Vorwärts- und Rückwärtsdifferenzen) von der
Genauigkeit erster Ordnung dargestellt. Die einseitigen Differenzenschemata sind da−ui
i−1
bei durch ∂u
| ≈ ui+1
sowie ∂u
| ≈ ui −u
gegeben und die zentrierten Differenzen
∂x i
∆x
∂x i
∆x
ui+1 −ui−1
∂u
, wobei ∆x den Gitterpunktsabstand beschreibt. (vgl. Smith und
durch ∂x |i ≈
∆x
Ulrich 1998, S.26)
Abbildung 3.1: Grafische Darstellung der einseitigen Differenzen (grün - vorwärts, blau rückwärts) und der zentrierten Differenzen (rot).
Um die im Zuge der Datenauswertung verwendete Differenzenapproximation für die
1.Ableitung von der Genauigkeit 4.Ordnung bestimmen zu können, ist entsprechend
der Vorlesung von Zängl (2007) folgender Ansatz zu wählen:
a (ui+1 − ui−1 ) + b (ui+2 − ui−2 )
∂u
|i ≈
∂x
∆x
(3.5)
Dabei wird die Ableitung eines Funktionswertes u an dem Gitterpunkt i über die Werte
von vier benachbarten Gitterpunkten approximiert. Um die gesuchte Differenzenapproximation definieren zu können, müssen die Funktionswerte an den externen Gitterpunk-
29
3.4 Subjektive Frontenanalyse
ten durch die Taylorentwicklung wie folgt ausgedrückt werden:
1
1
1
1
ui±1 = ui ± ux |i ∆x + uxx |i ∆x2 ± u3x |i ∆x3 + u4x |i ∆x4 ±
u5x |i ∆x5
2
6
24
120
4
2
4
ui±2 = ui ± 2ux |i ∆x + 2uxx |i ∆x2 ± u3x |i ∆x3 + u4x |i ∆x4 ± u5x |i ∆x5
3
3
15
(3.6)
(3.7)
Dabei steht ux für die 1.Ableitung von u nach x, uxx für die 2.Ableitung von u
nach x u.s.w. Durch Einsetzen der Taylorentwicklung in den Ansatz 3.5 können
nun die Bestimmungsgleichungen aufgestellt werden. Damit die Konsistenzbedingung
lim∆x→0 ∆u
| = ∂u
| erfüllt ist, muss die zu approximierende Ableitung (hier 1.Ablei∆x i
∂x i
tung) mit dem Vorfaktor 1 erscheinen. Die Bestimmungsgleichungen lauten:
1.Ableitung:
2a + 4b = 1
2.Ableitung:
4.Ableitung:
verschwindet automatisch
2
8
a + b = 0 (der quadratische Fehlerterm soll verschwinden)
6
3
verschwindet automatisch
5.Ableitung:
führender Fehlerterm ∼ (∆x)4
3.Ableitung:
Nach dem Lösen dieses Gleichungssystems ist die zentrierte Differenzenapproximation
für die 1.Ableitung von der Genauigkeit 4.Ordnung durch folgende Beziehung gegeben:
∂u
|i ≈
∂x
2
3
1
(ui+1 − ui−1 ) − 12
(ui+2 − ui−2 )
∆x
(3.8)
Diese Differenzenapproximation wurde sowohl für die Berechnung der Θv - und Θe Gradienten als auch für die Bestimmung der horizontalen und vertikalen Änderung der
Windgeschwindigkeit herangezogen. Anhand der berechneten Gradienten konnte einerseits die Analyse des Okklusionstyps nach dem “Stabilitätskriterium” durchgeführt
und andererseits konnten die frontogenetischen Prozesse ermittelt werden.
3.4
Subjektive Frontenanalyse
Die Fronten wurden als Approximation einer Temperaturdiskontinuität erster Ordnung
analysiert.
Die eingezeichneten okkludierten Frontflächen gehen mit Maxima der virtuellen
potentiellen Temperatur auf z-Flächen einher. Die Maxima wurden dabei anhand der
Nulllinie der horizontalen Θv -Gradienten lokalisiert. Anstelle der virtuellen potentiellen Temperatur könnte auch die äquivalentpotentielle Temperatur herangezogen
werden, womit vergleichbare Ergebnisse erzielt werden. Überdies wurde geprüft, ob
die eingezeichneten Okklusionen mit charakteristischen Frontmerkmalen (Feuchtemaxima, Hebungsvorgänge, zyklonale Windsprünge, konfluenz- und scherungsbedingte
Frontogenese-Prozesse) einhergehen.
30
Datengrundlage und Bearbeitungsmethode
Die subjektive Frontenanalyse bei Kalt- und Warmfronten wurde nach
Berücksichtigung charakteristischer Frontmerkmale durchgeführt. Es stellte sich
heraus, dass das Einzeichnen der Fronten auf der warmen Seite der stärksten horizontalen Θv -Gradienten in vielen Fällen zweckmäßig ist. Dabei neigen sich die Fronten
unter Annahme einer ungesättigten Atmosphäre über die jeweils stabiler geschichteten
Luftmassen. Die eingezeichneten Warm- und Kaltfronten gehen somit mit erhöhten
horizontalen und vertikalen Θv - und Θe -Gradienten einher.
Kapitel 4
Analyse von ausgewählten
Okklusionen
Dieses Kapitel widmet sich der Analyse von ausgewählten Okklusionen. Bei jedem
der drei Fälle wird für einen ersten Überblick die synoptische Entwicklung beleuchtet,
dann folgt der Abschnitt, in dem für die Bestimmung des Okklusionstyps nach dem
“Stabilitätskriterium” die Stabilitätsanalyse im Vordergrund steht und schließlich
werden die frontogenetischen und frontolytischen Prozesse analysiert, um dem “Stabilitätskriterium” mehr als nur eine diagnostische Beziehung abzugewinnen.
Die Fallstudien beziehen sich ausschließlich auf Okklusionen, deren Frontflächen sich
gemäß dem “Temperaturkriterium” nach hinten neigen müssten. Wie die Analysen
zeigen werden, liegt jedoch im ersten Fall eine Okklusion mit Warmfrontcharakter vor.
Das ist jener Okklusionstyp, der im Zuge der Fallstudien von Stoelinga et al. (2002)
als einziger identifiziert werden konnte. Im zweiten Fall handelt es sich um eine nahezu
neutrale Okklusion und im dritten Fall um eine Okklusion mit Kaltfrontcharakter.
Bei den drei Fällen werden die Neigungen der okkludierten Frontalzonen anhand
des Höhenverlaufs von definierten Frontflächen bestimmt. Bei einem Schnitt quer
durch die Okklusion geht die Schnittlinie der Frontfläche dabei mit Maxima der
virtuellen potentiellen Temperatur auf Höhenlinien einher. So kann anhand der
Nulllinie der horizontalen Θv -Gradienten die tatsächliche Frontneigung der Okklusion
ermittelt werden. Die so ermittelte Frontneigung wird als Referenz verwendet, um
anhand der prä- und postfrontalen Stabilität den Okklusionstyp zu validieren. Um
Missverständnisse zu vermeiden, sollte darauf hingewiesen werden, dass sich im
vorliegenden Kapitel die Ausdrücke “präfrontal” und “postfrontal” auf die Bereiche
stromab- und stromaufwärts der definierten Frontflächen und nicht auf jene stromabund stromaufwärts der Frontalzonen beziehen. Überdies wird von einer umso stärkeren
dz
in Gleichung 2.15 ist.
Frontneigung die Rede sein, je kleiner dx
f ront
31
32
Analyse von ausgewählten Okklusionen
4.1
Okklusion
mit
Warmfrontcharakter
vom
13.09.2006
4.1.1
Synoptische Entwicklung
Am 12.09.2006 kam es über dem Nordatlantik zu einer starken Zyklogenese. Die
Entwicklung begann mit der Vertiefung eines Troges, der sich ausgehend von einem
mächtigen Höhentief über Grönland nach Süden ausdehnte. In der oberen Troposphäre
wurde die Zyklogenese durch Divergenz im linken Auszugsbereich eines zonalen Jets
(siehe Abbildung 4.1 a) angetrieben (vgl. Stull 2000, S.292f.). Die mit dem entstehenden Tief einhergehende stark barokline Zone in der unteren Troposphäre kurbelte die
Zyklogenese weiter an (siehe Abbildung 4.1 b). Während sich das Tief nach Osten bis
vor die Küste Irlands verlagerte, fiel der Kerndruck im Bodenniveau am 13.09.2006
auf unter 975hPa. Nicht ganz trivial ist die Bildung der Fronten. Zu Beginn wurde
nämlich eine Okklusion in die Entwicklung eingebunden, aus der sich eine sekundäre
Warmfront bildete, die schließlich von der Kaltfront im Zuge eines charakteristischen
Okklusionsprozesses eingeholt wurde.
(a)
(b)
Abbildung 4.1: Horizontalschnitte (Atlantik- und Europaausschnitt), am 12.09.2006
(00UTC): in (a) geopotentielle Höhe in dm und Isotachen in ms−1 der 300hPa-Druckfläche
und in (b) äquivalentpotentielle Temperatur in ◦ C und geopotentielle Höhe in dm der 850hPaDruckfläche; Fronten auf der 850hPa-Druckfläche (Kaltfront - blau; primäre Warmfront - rot;
alte Okklusion mit allmählichem Übergang in eine sekundäre Warmfront - schwarz). Quelle:
ECMWF-Analysearchiv des Instituts für Meteorologie und Geophysik Innsbruck (IMGI).
Auch wenn auf Grund der atypischen Frontenentwicklung der Lebenslauf dieser
Zyklone mittlerer Breiten nicht eindeutig einer der in Abschnitt 2.2 beschriebenen
Modellvorstellung zugeordnet werden kann, zeigt der Okklusionsprozess bei dieser
33
4.1 Okklusion mit Warmfrontcharakter vom 13.09.2006
Entwicklung eine recht gute Übereinstimmung zur klassischen Okklusionshypothese
des “Norwegischen Modells”. Die Bildung der okkludierten Front ist nämlich auf
das Einholen einer Warmfront durch eine Kaltfront zurückzuführen. Aus diesem
Grund kann auch im vorliegenden Fall von einer, wie in Kapitel 2 definierten “echten
Okklusion” gesprochen werden, wenngleich keine primäre, sondern eine sekundäre
Warmfront in den Okklusionsprozess involviert gewesen ist.
4.1.2
Mesoskalige
Frontnähe
Struktur
und
Stabilitätsanalyse
in
In Abbildung 4.2 ist die bereits okkludierte Front vom 13.09.2006 dargestellt, welche
sich westlich von Irland eingedreht hat. Diese geht mit einem zyklonalen Windsprung,
einer Warmluftzunge und einer Konvergenz- und Scherungszone einher. Nordwestlich
des Wirbelzentrums führt eine konvergente Strömung zu frontogenetischen Prozessen
entlang einer nahezu stationären Front. Dieser Frontfortsatz geht aus der primären
Warmfront hervor und führt in Verbindung mit der Okklusion, die sich westlich von Irland nach Südosten fortsetzt, zu einem der Hammerkopf-Front ähnlichen Erscheinungsbild. Im Gegensatz zu einer Shapiro-Keyser Zyklone ist aber die primäre Warmfront
nicht mit einer Okklusion gleichzusetzen und geht nicht mit einer sich abschwächenden
Kaltfront einher, sondern berührt die Okklusion. Diese okkludierte Front ist dabei auf
Grund des Einholens der sekundären Warmfront durch die Kaltfront entstanden.
Die Abbildung 4.3 verdeutlicht die charakteristischen Frontmerkmale der eingedrehten Okklusion anhand der Isoflächen der relativen Feuchte von 98% und 100% sowie
der virtuellen potentiellen Temperatur von 295K. Im Bereich der Okklusion, welche mit
gesättigten Luftmassen einhergeht, bildet die dargestellte Isentropen-Fläche ein Tal. Da
die synoptisch-skaligen Bewegungen in guter Näherung adiabatisch und quasistatisch
(reversibel) verlaufen, bewegen sich Luftpakete in den ungesättigten Luftmassen vor
und hinter der Frontalzone näherungsweise auf solchen Θv -Isoflächen. Somit ist leicht
vorstellbar, dass die postfrontalen Luftmassen entlang der dargestellten IsentropenFläche leicht absteigen und im Bereich der Frontalzone mit der präfrontalen Luft zusammenströmen können. In dieser Konvergenzzone werden Aufwinde getriggert, die
zur Wolkenbildung und in weiterer Folge zur Niederschlagsbildung führen.
Die Abbildung 4.2 zeigt bei sehr genauer Betrachtung, dass die horizontalen Θv Gradienten quer zur Okklusion, wie zum Beispiel entlang der roten Linie zwischen
A und B, trotz der schwachen Ausprägung gemäß der klassischen Definition des
Okklusionstyps eher auf eine Okklusion mit Kaltfrontcharakter hindeuten. Aufgrund
34
Analyse von ausgewählten Okklusionen
Abbildung 4.2: Horizontalschnitt durch die Okklusion (13.09.2006, 00UTC) in 1500m Höhe:
Isolinien der virtuellen potentiellen Temperatur (in K; Konturlinien); relative Feuchte zwischen 80% und 100% in Grüntönen; Horizontalwind in ms−1 mit roten Pfeilen; Lage des zu
analysierenden Vertikalschnittes zwischen A und B - rote Linie; Fronten - strichlierte Farblinien (Okklusion - magenta; Kaltfront - blau; sekundäre Warmfront, die am Okklusionsprozess
beteiligt ist - hellrot; primäre Warmfront - dunkelrot).
der etwas kälteren postfrontalen Luftmassen in 1500m sollte sich nämlich die Front
gemäß dem “Temperaturkriterium” zumindest in diesem Niveau leicht nach hinten
neigen. Ob dies tatsächlich der Fall ist, soll in weiterer Folge anhand der Analyse des
Vertikalschnittes zwischen A und B gezeigt werden.
Die Abbildung 4.4 zeigt den Vertikalschnitt, dessen Lage in Abbildung 4.3 und
im Horizontalschnitt der Abbildung 4.2 markiert ist. Es sei darauf hingewiesen,
dass bei diesem Querschnitt eine etwa achtzigfache Überhöhung vorliegt, wodurch
die eingezeichnete okkludierte Front in Realität viel stärker nach vorne geneigt ist
als abgebildet. Die Okklusion trennt die prä- und postfrontalen Kaltluftmassen.
Diese weisen in den untersten 1500m vor und hinter der Front ähnliche mittlere
horizontale Θv -Gradienten auf, was dem “Temperaturkriterium” zufolge für eine
nahezu neutrale Okklusion sprechen würde. Zwischen 1500m und dem Tripelpunkt
4.1 Okklusion mit Warmfrontcharakter vom 13.09.2006
35
Abbildung 4.3: Okklusion vom 13.09.2006 (00UTC): Isoflächen der relativen Feuchte f von
98% und 100% in Grüntönen; Isentropen-Fläche der virtuellen potentiellen Temperatur (Θv =
295K) in blau - Regionen mit tieferen Θv -Werten in hellblau; Horizontalwind in 1000m Höhe
in Form von roten Pfeilen; Lage der Kalt- und sekundären Warmfront auf Meeresniveau - blau
und rot strichlierte Linien; Lage des zu analysierenden Vertikalschnittes quer zur Okklusion
- schwarz.
(Punkt in dem Okklusion, Kalt- und Warmfront zusammenstoßen) strömen hinter
der okkludierten Front etwas kältere Luftmassen nach. Dies ist in Abbildung 4.5 a
an den stärkeren postfrontalen Gradienten, welche hinter der Frontalzone auf über
2K(100km)−1 ansteigen, während sie präfrontal deutlich niedriger sind, ersichtlich.
Gemäß der klassischen Definition des Okklusionstyps müsste also eine Okklusion
mit Kaltfrontcharakter vorliegen. Das ist aber nicht der Fall, da sich die okkludierte
Front, welche im vorliegenden Vertikalschnitt durch die Nulllinie der horizontalen
Θv -Gradienten gekennzeichnet ist, nach vorne neigt. Es handelt sich also um eine
Okklusion mit Warmfrontcharakter. Gemäß dem “Stabilitätskriterium” müssen die
präfrontalen Luftmassen daher stabiler geschichtet sein als die postfrontalen. Um
diese Forderung prüfen zu können, ist eine Stabilitätsanalyse vor und hinter der
okkludierten Front erforderlich. Diese wird folglich durchgeführt.
36
Analyse von ausgewählten Okklusionen
Abbildung 4.4: Vertikalschnitt durch die Okklusion (13.09.2006, 00UTC) entlang Achse
AB: Isolinien der virtuellen potentiellen Temperatur (in K; Konturlinien); relative Feuchte
zwischen 80% und 100% in Grüntönen; Horizontalwind entlang des Querschnitts (in ms−1 ;
blaue und weiße Pfeile); Vertikalwind (in Pas−1 ; rote Pfeile); Fronten - strichlierte Farblinien
(Okklusion - magenta, Kaltfront - blau, Warmfront - rot).
Die Abbildung 4.5 b zeigt deutlich, dass vor der eingezeichneten Okklusion die
Schichtung unter Annahme ungesättigter Luft stabiler ist als hinter derselben. Daher
ist die Front nach vorne geneigt, wie es das “Stabilitätskriterium” fordert. In diesem
Zusammenhang sollte jedoch folgendes in Erinnerung gerufen werden: Die Schichtung
ist bei einem gegebenen vertikalen Temperaturgradienten der Atmosphäre für ein
ausgelenktes, gesättigtes Luftpartikel weniger stabil als für ein ungesättigtes (siehe
4.1 Okklusion mit Warmfrontcharakter vom 13.09.2006
37
(a)
(b)
Abbildung 4.5: Vertikalschnitte entlang Achse AB: Isolinien der virtuellen potentiellen
Temperatur Θv (in K; Konturlinien) mit (a) horizontalen Θv -Gradienten entlang des Querschnitts in K(100km)−1 und (b) vertikalen Θv -Gradienten in K(100m)−1 - Konturflächen;
Fronten wie in Abbildung 4.4.
38
Analyse von ausgewählten Okklusionen
Abschnitt 2.1). Eine Sättigung der Luft führt also zu einer Abnahme der statischen
Stabilität. Da die Maxima der relativen Feuchte vor der okkludierten Front liegen
und hinter derselben die relative Feuchte abnimmt, kann angenommen werden, dass
präfrontal ein größeres Luftvolumen gesättigt ist als postfrontal. Aus diesem Grund
könnte die Kondensationswärme im Zuge von Hebungsvorgängen vor der Front (im
vorderen Bereich der Frontalzone) zu einer stärkeren Labilisierung führen als hinter
derselben. Diese könnte unter Umständen sogar so stark sein, dass sich die Okklusion
nicht mehr über die stabiler geschichtete Luftmasse neigt. Um unter anderem diese
Hypothese zu prüfen, bedarf es im nächsten Schritt genauerer Stabilitätsanalysen,
die anhand der Abbildung 4.6 veranschaulicht werden. Darüberhinaus soll gezeigt
werden, ob die dem “Stabilitätskriterium” zu Grunde liegende Beziehung 2.15 unter
Verwendung von mittleren prä- und postfrontalen Θv -Gradienten auch eine quantitative Analyse der Frontneigung ermöglicht.
Wird die im letzten Absatz angesprochene Labilisierung vernachlässigt, ist die Luftmasse vor der eingezeichneten Okklusion, wie bereits erwähnt, deutlich stabiler geschichtet
als hinter derselben. In Abbildung 4.6 a ist ersichtlich, dass der mittlere vertikale
Gradient der virtuellen potentiellen Temperatur in einem etwa 60km breiten Streifen
zwischen 300m und 2000m über dem Meeresspiegel hinter der okkludierten Front
bei ungefähr 0.42K(100m)−1 liegt, während dieser vor der Okklusion 0.54K(100m)−1
v
beträgt. In denselben post- und präfrontalen Bereichen ist ( dΘ
) = 1.68K(100km)−1
dx 1
v
) = −1.17K(100km)−1 , wodurch dem “Temperaturkriterium” zufolge
und ( dΘ
dx 2
eine Okklusion mit Kaltfrontcharakter vorliegen müsste. Die zur Bestimmung der
Frontneigung von Stoelinga et al. (2002) vorgeschlagene Beziehung in Gleichung 2.15
liefert unter Verwendung der soeben angeführten Θv -Gradienten eine Vorwärtsneigung
von etwa 76 Kilometern zwischen 300m und 2100m. Dieser Wert ermöglicht aber nur
eine ungefähre Abschätzung der Frontneigung, da die Mittelung im vorliegenden Fall
eigentlich nicht weit über jenen Streifen (Rechteck) hinausgehen sollte, der horizontal
durch das untere und obere Ende der Okklusion begrenzt wird. Grund dafür ist,
dass die eingezeichnete Okklusion nicht breite Zonen mit einheitlichen Temperaturgradienten voneinander trennt und die prä- und postfrontalen Inhomogenitäten
der statischen Stabilität somit vor allem außerhalb dieses Streifens das Ergebnis
verfälschen. So “kippt” die okkludierte Front zwischen 300m und 2100m gemäß der
Nulllinie der horizontalen Θv -Gradienten tatsächlich etwa 53km nach vorne und nicht
- wie berechnet - 76km. Auch wenn anhand der mittleren Gradienten keine präzise
quantitative Analyse der Vorwärtsneigung durchgeführt werden kann, zeigen die mittleren vertikalen Θv -Gradienten zumindest folgendes: Die Frontfläche dieser Okklusion
mit Warmfrontcharakter neigt sich unter Annahme ungesättigter Luft über die stabiler geschichtete Luftmasse vor der Okklusion, wie es das “Stabilitätskriterium” fordert.
4.1 Okklusion mit Warmfrontcharakter vom 13.09.2006
39
Der Ausdruck des “Stabilitätskriteriums”, die Okklusion müsse sich über die statisch
stabilere Luftmasse neigen, ist im Falle verschieden großer, gesättigter Luftvolumina
vor und hinter der Front nicht zwingend richtig. Diese Schlussfolgerung wird in der
Abbildung 4.6 b veranschaulicht, indem im gesättigten Luftvolumen (ab einer relativen
Feuchte von 100%) für die Berechnung der Stabilität nicht der Gradient der virtuellen potentiellen Temperatur, sondern jener der äquivalentpotentiellen Temperatur
herangezogen wird. Dies ist legitim, da somit der Einfluss von gesättigter Luft auf
die Stabilität berücksichtigt wird. Dadurch kommt es zu einer so starken Abnahme
der über einen etwa 60km breiten Streifen gemittelten präfrontalen Stabilität, dass
die Luft in diesem Bereich im Mittel weniger stabil geschichtet ist als postfrontal.
Diese qualitative Analyse der Stabilität zeigt, dass die Sättigungsunterschiede quer
zur Front dazu führen können, dass sich eine Okklusion mit Warmfrontcharakter nicht
zwangsläufig über die stabiler geschichtete Luftmasse neigen muss. Ist nämlich vor der
Okklusion ein größeres Luftvolumen gesättigt als hinter ihr, kommt es präfrontal - im
Vergleich zu einer ungesättigten Atmosphäre - zu einer stärkeren Destabilisierung. Wie
gezeigt werden konnte, kann diese Labilisierung sogar zu einer Vorzeichenänderung der
mittleren prä- und postfrontalen Stabilitätsdifferenz führen. Folglich würde sich eine
nach vorne geneigte Okklusion über die statisch weniger stabil geschichtete Luftmasse
neigen.
Da Okklusionen fast immer mit einem größeren gesättigten präfrontalen als postfrontalen Luftvolumen einhergehen, wirkt sich eine Berücksichtigung des Einflusses von
gesättigter Luft auf die Stabilität wie folgt aus: Die Stabilitätsunterschiede quer zu
einer Okklusion mit Warmfrontcharakter schwächen sich ab oder kehren sich sogar um.
Des Weiteren kann es durch die Hebung von ganzen Luftschichten auf Grund unterschiedlicher Abkühlungsraten zu einer Stabilitätsänderung kommen (“potentielle
Instabilität”). Ist die untere Luftmasse einer Schicht beispielsweise gesättigt (oder
sehr feucht), die obere jedoch nicht, kommt es zu einer Labilisierung. Ist hingegen die
obere Luftmasse einer Schicht gesättigt (oder sehr feucht), die untere aber nicht, führt
eine Hebung zu einer Erhöhung der Stabilität.
In Abbildung 4.6 c ist ersichtlich, dass postfrontal in einem etwa 60km breiten Streifen
e
= −0.15K(100m)−1 im Mittel eine potentiell labile Schichtung vorliegt. Die
mit dΘ
dz
durchschnittliche Abnahme der äquivalentpotentiellen Temperatur mit der Höhe
ist dabei hauptsächlich auf die potentiell stark labile Schichtung in den untersten
Hektometern zurückzuführen. Verantwortlich für diese potentiell labile Schichtung
ist die Abnahme der relativen Feuchte mit zunehmender Höhe in der ohnehin nur
schwach trockenstabilen Schicht. In diesem Bereich ist der prä- und postfrontale
e
- folglich sehr stark ausgeprägt.
Stabilitätsunterschied - bezogen auf dΘ
dz
40
Analyse von ausgewählten Okklusionen
(a)
(b)
(c)
Abbildung 4.6: Vertikalschnitte entlang Achse AB: in (a) vertikale Θv -Gradienten, in (b)
vertikale Θv -Gradienten in ungesättigter sowie vertikale Θe -Gradienten in gesättigter Luft
(ab einer relativen Feuchte von 100%) und in (c) vertikale Θe -Gradienten in K(100m)−1 Konturflächen; Isentropen (a, b: Θv in K; c: Θe in K) - Konturlinien; mittlere horizontale und
vertikale Θv - und Θe -Gradienten: hinter der Front im Bereich der blau und schwarz markierten
Gitterpunkte (Region 1), vor der Front im Bereich der rot markierten Gitterpunkte (Region
2); okkludierte Front wie in Abbildung 4.4.
4.1 Okklusion mit Warmfrontcharakter vom 13.09.2006
41
Durch die Vorwärtsneigung der Okklusion sind auch die gesättigten Luftvolumina mit
zunehmender Höhe eher nach vorne geneigt. Da, wie in Abbildung 4.4 ersichtlich, die
präfrontalen Luftmassen typischerweise ein größeres gesättigtes Luftvolumen aufweisen als die postfrontalen, kommt es entlang und hinter einer nach vorne geneigten
Okklusion gewöhnlich zu einer Abnahme der relativen Feuchte mit der Höhe. Wird
also entlang oder hinter der Front eine Schicht, in der die relative Feuchte mit der
Höhe abnimmt, gehoben, passiert folgendes: Die untere Luftmasse der Schicht ist
früher gesättigt als die obere, wodurch es bei weiterer Hebung zu einer Abnahme der
Stabilität kommt. Diese mögliche Destabilisierung entlang und hinter einer Okklusion
mit Warmfrontcharakter wird durch den Vergleich von Abbildung 4.6 c und 4.6 a
sichtbar. Der Unterschied zwischen den mittleren prä- und postfrontalen vertikalen
Θe -Gradienten ist nämlich größer als jener zwischen den vertikalen Θv -Gradienten.
Auch wenn die Analyse der Stabilität anhand der vertikalen Θe -Gradienten auf den
ersten Blick sinnvoll erscheint, beschreiben diese nicht die wirklich vorherrschenden
Stabilitätsunterschiede vor und hinter der Front. Grund dafür sind die größtenteils ungesättigten postfrontalen Luftmassen, in denen anhand der vertikalen Θe -Gradienten
nur eine potentielle Instabilität beschrieben werden kann.
Zusammenfassend können anhand der prä- und postfrontalen Stabilitätsanalyse bei
dieser Okklusion mit Warmfrontcharakter folgende Schlussfolgerungen gezogen werden:
• Eine okkludierte Front mit Warmfrontcharakter neigt sich unter Annahme ungesättigter Luft über die präfrontale stabiler geschichtete Luftmasse, wie es das
“Stabilitätskriterium” fordert.
• Unter Berücksichtigung des Einflusses von gesättigter Luft auf die Stabilität neigt
sich eine Okklusion mit Warmfrontcharakter nicht zwangsläufig über die stabiler
geschichtete Luftmasse.
• Die Einbeziehung der potentiellen Instabilität führt bei einer nach vorne geneigten Okklusion gewöhnlich zu einer Erhöhung der prä- und postfrontalen Stabilitätsunterschiede, sofern sich die Front über die statisch stabiler geschichtete
Luftmasse neigt.
Eine Präzisierung des “Stabilitätskriteriums” ist angebracht: Eine Okklusion neigt sich
unter Annahme ungesättigter Luft über die statisch stabilere Luftmasse.
4.1.3
Frontogenetische Prozesse und zeitliche Änderung der
Stabilität
Wird eine Okklusion in Bezug auf die potentielle Temperatur als Diskontinuitätsfläche
erster Ordnung betrachtet, die breite Zonen mit nahezu einheitlichen Temperatur-
42
Analyse von ausgewählten Okklusionen
gradienten voneinander trennt, bestimmen die horizontalen und vertikalen prä- und
postfrontalen Θ-Gradienten die Frontneigung einer Okklusion (siehe Abschnitt 2.3,
Gleichung 2.15). Folglich müsste es möglich sein, anhand der totalzeitlichen Änderung
der horizontalen und vertikalen Θv -Gradienten die zeitliche Änderung der Frontneigung zu beschreiben. Unter Annahme von Adiabasie kann daher meiner Meinung
nach anhand der Frontogenese-Funktion festgestellt werden, ob sich die Neigung
einer okkludierten Front auf Grund der Zusammenhänge zwischen dem Wind- und
Temperaturfeld eher verstärkt oder nicht. Ein zunehmender prä- und postfrontaler
Stabilitätsunterschied sowie abnehmende horizontale Θv -Gradienten sprechen dafür,
dass die Okklusion stärker “kippt”.
Wie in Abschnitt 2.4 beschrieben wird die totalzeitliche Änderung der horizontalen
Θv -Gradienten durch Konfluenz- und Scherungsterme bestimmt. Bei der vorliegenden
Okklusion gibt es frontogenetische und frontolytische Prozesse.
In der Abbildung 4.7 ist der horizontale Scherungsterm der Frontogenese-Funktion
dargestellt. Die Scherung des Horizontalwindes trägt hauptsächlich entlang der
Kaltfront zu einer Erhöhung der horizontalen Θv -Gradienten bei. Die Windscherung
stellt dabei in der Frontalzone der Kaltfront den stärksten Frontogenese-Prozess
dar. Dies ist typisch, da Beobachtungen gezeigt haben, dass für die Entstehung und
Intensivierung einer Kaltfront gewöhnlich das horizontale Scherungsfeld entscheidend
ist (vgl. Hoskins und Bretherton 1972, S.11f.).
Im Gegensatz dazu hat entlang der Warmfront und der Okklusion die Konfluenz
den stärksten frontogenetischen Einfluss in der Horizontalebene. Die Abbildung 4.8
zeigt, dass im Bereich der okkludierten Front die aus der konfluenten Strömung
hervorgehende prä- und postfrontale Frontogenese im Mittel größer ist als die scherungsbedingte Erhöhung der horizontalen Θv -Gradienten. Gleichzeitig liegt jedoch bei
den frontogenetischen Prozessen eine starke räumliche Variabilität vor. So überwiegt
in der unteren Schicht der okkludierten Frontalzone die Frontogenese, während sowohl
der Konfluenzterm als auch der horizontale Scherungsterm darüber zum Teil eine
leichte Frontolyse bedingen. Die leichte konfluenzbedingte Frontolyse beschränkt sich
dabei jedoch hauptsächlich auf den hinteren Teil der Frontalzone. Vor der eingezeichneten Okklusion, die mit Θv -Maxima auf Höhenlinien einhergeht, führt nämlich
die Konfluenz des Horizontalwindes auch in der oberen Schicht meist zur Frontogenese.
Die mit horizontaler Scherung und Konfluenz einhergehenden schwachen, mittleren
Frontogenese-Prozesse werden von einer starken horizontalen Frontolyse, die auf den
vertikalen Scherungsterm zurückzuführen ist, überlagert. Der Grund, aus dem der
vertikale Scherungsterm zur Frontolyse führt, wird folglich erläutert: Die okkludierte
4.1 Okklusion mit Warmfrontcharakter vom 13.09.2006
43
Abbildung 4.7: Vertikalschnitt entlang Achse AB: horizontaler Scherungsterm der
Frontogenese-Funktion (in 10−13 K2 m−2 s−1 ; Konturflächen); Isolinien der virtuellen potentiellen Temperatur (in K; Konturlinien in Grautönen); Fronten wie in Abbildung 4.4.
Front fällt nicht nur mit Θv -Maxima, sondern auch näherungsweise mit der stärksten
Hebung zusammen, wodurch die Vertikalgeschwindigkeit mit zunehmender Entfernung
zur Front abnimmt. Daher werden die geneigten Isentropen im Bereich der Okklusion
in die Richtung der Horizontalebene gekippt, was zu einer Abschwächung der horizontalen Θv -Gradienten führt. Wie die Abbildung 4.8 c zeigt, überwiegt aufgrund dieses
frontolytischen Prozesses in Summe nahezu in der gesamten okkludierten Frontalzone
die Abnahme der horizontalen Θv -Gradienten. Im vorliegenden Fall vom 13.09.2006
deuten also nicht nur die eher schwachen Gradienten, sondern auch die frontolytischen
Vorgänge darauf hin, dass es sich um eine ältere, zunehmend schwächer werdende
Okklusion handelt.
Die Abschwächung der horizontalen Θv -Gradienten spricht unter Annahme unveränderter prä- und postfrontaler Stabilität für eine mit der Zeit zunehmende
Frontneigung. Die folgende Analyse der totalzeitlichen Änderung der vertikalen
Θv -Gradienten soll klären, wie sich die Frontogenese-Prozesse auf die prä- und
postfrontalen Stabilitätsunterschiede auswirken. Somit soll qualitativ gezeigt werden,
ob die frontogenetischen Vorgänge unter Vernachlässigung pseudoadiabatischer
und diabatischer Prozesse (Phasenübergänge, Ausfallen von Niederschlag, latente
44
Analyse von ausgewählten Okklusionen
Wärmeflüsse, Strahlungsprozesse, turbulente Vermischung,...) bei dieser Okklusion mit
Warmfrontcharakter insgesamt eher eine Zunahme oder Abnahme der Vorwärtsneigung
bewirken.
Da eine Okklusion mit maximaler Hebung einhergeht, kommt es in Verbindung mit
einer nach vorne geneigten Front präfrontal eher zu einer Zunahme der Vertikalgeschwindigkeit mit der Höhe, postfrontal hingegen meist zu einer Abnahme derselben.
Dadurch wird die Luftsäule vor der Front vertikal gestreckt, was zu einer Erhöhung
des vertikalen Abstandes zwischen den Isentropen führt. Präfrontal nimmt also
die Stabilität, wie in Abbildung 4.9 a ersichtlich, durch den “Stretching-Term” ab.
Demgegenüber steht eine mittlere Zunahme der vertikalen Θv -Gradienten hinter der
in Abbildung 4.9 a eingezeichneten okkludierten Front. Diese postfrontale, vertikale
Frontogenese ist in den oberen Schichten der Okklusion durch eine starke Abnahme
der Vertikalgeschwindigkeit mit der Höhe am stärksten ausgeprägt.
Wie die Abbildung 4.9 b zeigt, führt neben dem “Stretching-Term” auch der
“Advektionsterm” hinter der Okklusion zu einer, wenn auch nur sehr schwachen,
mittleren Erhöhung der Stabilität. Grund dafür ist die mit der Höhe im Mittel
leicht abnehmende Kaltluftadvektion. Präfrontal bewirkt die vertikal unterschiedliche
Temperaturadvektion eine wesentlich stärkere, mittlere Zunahme der vertikalen
Θv -Gradienten. Die vertikale Frontogenese vor der Front ist dabei auf die mit der
Höhe meist stark zunehmende Warmluftadvektion zurückzuführen.
Vor der Front wirkt die mit der vertikal unterschiedlichen Temperaturadvektion
einhergehende vertikale Frontogenese der durch die vertikale Streckung der Luftsäule
bedingten vertikalen Frontolyse entgegen. Dennoch kommt es, wie die Abbildung 4.9
c bestätigt, durch die kinematisch-dynamischen Frontogenese-Prozesse insgesamt zu
einer mittleren präfrontalen Abnahme der Stabilität, während diese postfrontal eher
erhöht wird. Die prä- und postfrontalen Stabilitätsgegensätze werden somit bei dieser
Okklusion mit Warmfrontcharakter im Mittel etwas abgebaut.
Auch wenn die totalzeitliche Abschwächung der horizontalen Θv -Gradienten für
eine Zunahme der Vorwärtsneigung sprechen würde, wird durch die Abnahme der
mittleren Stabilitätsunterschiede vor und hinter der okkludierten Front diesem nach
“Vorne-Kippen” der Okklusion entgegengewirkt. Durch den stärkeren Abbau der
Stabilitätsgegensätze im Vergleich zur horizontalen Frontolyse wird die mit der
Abschwächung der horizontalen Θv -Gradienten einhergehende Tendenz der stärkeren
Vorwärtsneigung sogar überkompensiert. So führen die kinematisch-dynamischen
frontogenetischen Prozesse zum analysierten Zeitpunkt zu einer Abnahme der
Vorwärtsneigung der Okklusion.
4.1 Okklusion mit Warmfrontcharakter vom 13.09.2006
45
(a)
(b)
(c)
Abbildung 4.8: Vertikalschnitte entlang Achse AB mit horizontalen Frontogenese-Prozessen
(in 10−13 K2 m−2 s−1 ; Konturflächen): in (a) - horizontaler Scherungsterm der FrontogeneseFunktion, in (b) - Konfluenzterm der Frontogenese-Funktion und in (c) - horizontale Frontogenese (horizontaler Konfluenzterm + horizontaler Scherungsterm + vertikaler Scherungsterm); Isolinien der virtuellen potentiellen Temperatur Θv (in K; Konturlinien); Mittelwerte
der horizontalen Frontogenese-Prozesse (in 10−13 K2 m−2 s−1 ): hinter der Front im Bereich der
schwarz markierten Gitterpunkte (Region 1), vor der Front im Bereich der weiß markierten
Gitterpunkte (Region 2); okkludierte Front wie in Abbildung 4.6.
46
Analyse von ausgewählten Okklusionen
(a)
(b)
(c)
Abbildung 4.9: Vertikalschnitte entlang Achse AB mit vertikalen Frontogenese-Prozessen
(in 10−8 K2 m−2 s−1 ; Konturflächen): in (a) - “Stretching-Term”, in (b) - “Advektionsterm”
und in (c) - vertikale Frontogenese (“Stretching-Term” + “Advektionsterm”); Isolinien
der virtuellen potentiellen Temperatur Θv (in K; Konturlinien); Mittelwerte der vertikalen
Frontogenese-Prozesse (in 10−13 K2 m−2 s−1 ): hinter der Front im Bereich der schwarz markierten Gitterpunkte (Region 1), vor der Front im Bereich der weiß markierten Gitterpunkte
(Region 2); okkludierte Front wie in Abbildung 4.6.
4.2 Neutrale Okklusion vom 21.04.2008
47
Zusammengefasst kann durch die Analyse der frontogenetischen Prozesse in Bezug auf
die Okklusion vom 13.09.2006 (Okklusion mit Warmfrontcharakter) folgendes gesagt
werden:
• Die mit der horizontalen Scherung des Vertikalwindes einhergehende horizontale
Frontolyse ist bei der im analysierten Bereich vorliegenden älteren Okklusion vom
13.09.2006 stärker ausgeprägt als die durch Scherung und Konfluenz des Horizontalwindes auftretende horizontale Frontogenese. Daher kommt es bei einer älteren
Okklusion, wie auch im vorliegenden Fall, typischerweise zu einer Abschwächung
der Front.
• Eine zeitliche Abschwächung der horizontalen Θv -Gradienten führt nicht
zwangsläufig zu einer Zunahme der Vorwärtsneigung. Der Gleichung 2.15 ist
nämlich zu entnehmen, dass neben den horizontalen Θv -Gradienten quer zur
Front auch die prä- und postfrontalen vertikalen Θv -Gradienten für die Frontneigung entscheidend sind. So führen die kinematisch-dynamischen FrontogeneseProzesse bei der analysierten Okklusion mit Warmfrontcharakter trotz horizontaler Frontolyse insgesamt eher zu einer Abnahme der Vorwärtsneigung.
• Da eine Okklusion mit maximaler Hebung einhergeht, kommt es bei einer nach
vorne geneigten Okklusion vor der Front typischerweise zu einer Streckung der
Luftsäule, während diese hinter derselben eher gestaucht wird. Die präfrontale
Zunahme der Schichtdicke führt bei einer stabilen Schichtung zu einer Abnahme
der vertikalen Θv -Gradienten, die postfrontale Abnahme der Schichtdicke hingegen zu einer Zunahme der vertikalen Θv -Gradienten. Da sich eine Okklusion mit
Warmfrontcharakter unter Annahme einer ungesättigten Atmosphäre über die
stabiler geschichtete Luftmasse vor der Front neigt, wird die prä- und postfrontale Stabilitätsdifferenz dadurch verringert. Der “Stretching-Term” kann folglich für
die Abnahme der Vorwärtsneigung bei einer Okklusion mit Warmfrontcharakter
verantwortlich sein.
4.2
4.2.1
Neutrale Okklusion vom 21.04.2008
Synoptische Entwicklung
Am 20.04.2008 kam es über dem Nordatlantik zu einer starken Zyklogenese. Die
Entwicklung begann im Bereich einer stark baroklinen Zone (untere Troposphäre)
stromabwärts einer Trogachse (mittlere Troposphäre), die sich ausgehend von einem
mächtigen Höhentief südlich von Grönland bis vor die Küste Neufundlands erstreckte (siehe Abbildung 4.10 a und b). Am Anfang war die Zyklogenese - nicht zuletzt
48
Analyse von ausgewählten Okklusionen
auf Grund einer nur geringen positiven relativen Vorticity-Advektion in der mittleren Troposphäre - eher schwach. In Verbindung mit einer Drehung der Trogachse im
Gegenuhrzeigersinn verlagerte sich der südliche Teil derselben weiter nach Osten. Dadurch nahm die positive relative Vorticity-Advektion über dem nördlichen Bereich der
baroklinen Zone zu, wodurch die Zyklogenese immer stärker angekurbelt wurde (siehe Abbildung 4.10 c und d). Auf Grund einer blockierenden “Hoch-über-Tief-Lage”
stromaufwärts (Nordamerika) und einem Keil stromabwärts (Atlantik) wurde überdies
eine rasche zonale Verlagerung des Tiefdruckgebietes unterbunden und eine ungestörte
Entwicklung ermöglicht. Während sich der Tiefdruckkern am 20.04. in der unteren
Troposphäre Richtung Norden verlagerte, fiel der Kerndruck im Bodenniveau auf unter 975hPa. Die Zyklogenese endete am 21.04. mit einem Druckminimum von unter
970hPa auf Meeresniveau.
Der Lebenslauf dieser Zyklone mittlerer Breiten samt Okklusionsprozess zeigt bei
dieser Entwicklung eine recht gute Übereinstimmung mit der in Abschnitt 2.2 beschriebenen norwegischen Modellvorstellung. Neben der für eine Norwegische Zyklone
typischen meridionalen Dehnung der Fronten kam es jedoch auch zur Ausbildung einer
“retrograden Okklusion”. Im Gegensatz zu einer Shapiro-Keyser Zyklone ergab sich
aber kein Bruch der Kaltfront.
Durch die Analyse der synoptischen Entwicklung kann sichergestellt werden, dass
es sich bei diesem ausgewählten Fall um eine “echte” Okklusion, wie in Kapitel 2
erläutert, handelt. Die Bildung der okkludierten Front ist also, mit Ausnahme des
Bereichs der “retrograden Okklusion”, auf das Einholen der Warmfront durch die
Kaltfront zurückzuführen.
4.2.2
Mesoskalige
Struktur
und
Stabilitätsanalyse
in
Frontnähe
Abbildung 4.11 zeigt die okkludierte Front, welche in diesem Abschnitt analysiert wird.
Südlich von Grönland liegt das Tiefdruckzentrum, um welches sich die zurückgebogene
Okklusion wickelt, wobei ein “Pool” mit relativ wärmerer Luft umschlossen wird. Ausgehend von diesem Tiefdruckkern setzt sich die Okklusion Richtung Südosten bis zum
Okklusionspunkt fort, die - wie in der Polarfront-Theorie in Abschnitt 2.2 beschrieben
- auf Grund des Einholens der Warmfront durch die Kaltfront entstanden ist. Die
okkludierte Front geht dabei mit Maxima der virtuellen potentiellen Temperatur auf
Schnittlinien quer zu derselben einher. Die Temperaturgradienten vor und hinter der
Okklusion zeigen deutlich, dass eine Front keineswegs als Luftmassengrenze zwischen
zwei kalten, in sich einheitlichen Luftmassen approximiert werden sollte, wie es die
49
4.2 Neutrale Okklusion vom 21.04.2008
(a)
(b)
(c)
(d)
Abbildung 4.10: Horizontalschnitte (Atlantik- und Europaausschnitt), am 20.04.2008 um
00 UTC (oben) und 12 UTC (unten): in (a) und (c) geopotentielle Höhe in dm und relative
Vorticity in 10−5 s−1 der 500hPa-Druckfläche; in (b) und (d) äquivalentpotentielle Temperatur in ◦ C und geopotentielle Höhe in dm der 850hPa-Druckfläche; Fronten auf der 850hPaDruckfläche: in (b) und (d) in Farbe (Okklusion - magenta, Kaltfront - blau, Warmfront rot), in (a) und (c) mit schwarz strichlierten Linien. Quelle: ECMWF-Analysearchiv (IMGI).
Frontneigungsformel von Margules (Gleichung 2.11) fordert. Entlang der eingezeichneten Linie zwischen A und B ist ersichtlich, dass hinter (westlich) der Okklusion
der Temperaturgradient stärker ausgeprägt ist als vor (östlich) der Okklusion.
Aufgrund der kälteren postfrontalen Luftmassen müsste daher der klassischen
Okklusions-Hypothese von Bjerknes und Solberg (1922) zufolge (siehe Abschnitt 2.2)
eine Okklusion mit Kaltfrontcharakter vorliegen. Wie der in weiterer Folge analysierte Vertikalschnitt AB quer zur Okklusion zeigen wird, ist dies jedoch eine Fehldiagnose.
Im besagten Querschnitt der Abbildung 4.12 ist ersichtlich, dass die okkludierte Front
eine Konvergenzzone, in der Aufwinde induziert werden, darstellt. Außerdem geht
50
Analyse von ausgewählten Okklusionen
Abbildung 4.11: Horizontalschnitt durch die Okklusion (21.04.2008, 00UTC) in 500m Höhe:
Isolinien der virtuellen potentiellen Temperatur (in K; Konturlinien); relative Feuchte zwischen 80% und 100% in Grüntönen; Horizontalwind in ms−1 mit roten Pfeilen; Lage des zu
analysierenden Vertikalschnittes zwischen A und B - rote Linie; Fronten - strichlierte Farblinien (Okklusion - magenta; Kaltfront - blau; Warmfront - rot).
die Okklusion mit Maxima der virtuellen potentiellen Temperatur auf Höhenlinien
einher. Die damit verbundenen Übergänge von positiven zu negativen horizontalen
Gradienten der virtuellen potentiellen Temperatur sind in der Abbildung 4.13 a
durch den Farbübergang “rot-blau” leicht zu erkennen und kennzeichnen die Lage
der eingezeichneten Okklusion. Die Minima der Isentropen im Vertikalschnitt fallen
dabei nicht genau mit der Nulllinie der horizontalen Θv -Gradienten zusammen. Grund
dafür ist, dass die Θv -Werte von den umliegenden Gitterpunkten bilinear auf die Gitterpunkte des Vertikalschnittes interpoliert worden sind, während die Gradienten vor
der bilinearen Interpolation - wie in Abschnitt 3.3 beschrieben - berechnet worden sind.
Wie die Abbildung 4.13 b zeigt, neigt sich die Warmfront unter Annahme einer
ungesättigten Atmosphäre über die stabiler geschichteten Luftmassen vor der Front.
Auf Grund der geringeren mittleren Frontneigung und deren Variabilität sowie
der Inhomogenitäten der Stabilität vor und hinter der Kaltfront, gestaltet sich die
4.2 Neutrale Okklusion vom 21.04.2008
51
Abbildung 4.12: Vertikalschnitt durch die Okklusion (21.04.2008, 00UTC) entlang Achse
AB: Isolinien der virtuellen potentiellen Temperatur (in K; Konturlinien); relative Feuchte
zwischen 80% und 100% in Grüntönen; Horizontalwind entlang des Querschnitts (in ms−1 ;
blaue und weiße Pfeile); Vertikalwind (in Pas−1 ; rote Pfeile); Fronten - strichlierte Farblinien
(Okklusion - magenta, Kaltfront - blau, Warmfront - rot).
Anwendung des “Stabilitätskriteriums” im Fall der Kaltfront etwas schwieriger. Bei
der näherungsweise neutralen Okklusion muss dem Kriterium zu Folge prä- und
postfrontal eine ähnlich stabile Schichtung vorliegen.
Wie ersichtlich ist, trennt die Okklusion keinesfalls breite Zonen, in denen die horizontalen oder vertikalen Θv -Gradienten näherungsweise konstant sind. Um etwaige geringe
Frontneigungen derselben auch anhand des “Stabilitätskriteriums” prüfen zu können,
52
Analyse von ausgewählten Okklusionen
muss sich die Stabilitätsanalyse daher auf schmale Streifen unmittelbar stromaufund stromabwärts der Nulllinie der horizontalen Θv -Gradienten beschränken. Die
weitere genaue Analyse der okkludierten Front erfolgt anhand von Abbildung 4.14.
In dieser sind die horizontalen und vertikalen Θv -Gradienten sowie die vertikalen
Θe -Gradienten entlang desselben Vertikalschnittes wie in Abbildung 4.12 mit einer
geringeren Überhöhung dargestellt.
Auch wenn die vorliegende Okklusion sowohl mit erhöhten horizontalen als auch vertikalen Temperaturgradienten einhergeht, liefert das “Temperaturkriterium” in Bezug
auf die Frontneigung - ebenso wie bei der Okklusion mit Warmfrontcharakter in Abschnitt 4.1 - in einigen Niveaus ein anderes Ergebnisse als das “Stabilitätskriterium”.
Grund dafür ist erneut die oft schlechte Korrelation zwischen dem horizontalen
Temperaturgradienten und der Stabilität (vgl. Stoelinga et al. 2002, S.713). Die
Abbildungen 4.13 a und b sowie 4.14 a und b zeigen beispielsweise, dass postfrontal
die horizontalen Θv -Gradienten in den unteren Hektometern stark ausgeprägt sind,
während die Atmosphäre in diesem Bereich nahezu neutral beziehungsweise mäßig
stabil geschichtet ist. Darüber sind hinter der Front eine Inversion und ein nicht mehr
so starker horizontaler Gradient der virtuellen potentiellen Temperatur zu erkennen.
Zwischen 300m und 500m weist die Okklusion trotz des starken Temperaturabfalls und
dadurch kälteren Luftmassen hinter der Front keine ersichtliche Rückwärtsneigung,
wie es das “Temperaturkriterium” fordern würde, auf (siehe Abbildung 4.14 a). Die
okkludierte Front neigt sich in diesem Bereich eher leicht nach vorne, da die Stabilität
unter Annahme ungesättigter Luft präfrontal etwas höher ist als postfrontal (siehe
Abbildung 4.14 b). Zwischen 500m und 700m weist die Okklusion keine erkennbare
Neigung auf. Darüber kippt sie der Nulllinie der horizontalen Θv -Gradienten zufolge
etwas nach hinten. Diese leichte Rückwärtsneigung ist aber - ebenso wie die geringe
Vorwärtsneigung zwischen 300m und 500m - aufgrund der im Vergleich zur Horizontalerstreckung der Okklusion deutlich größeren Gitterpunktsabstände eher unsicher.
Um einerseits die Robustheit des “Stabilitätskriteriums” zu testen und andererseits die
Frontenstruktur mittels der Analyse des numerischen Gitterboxmodells ausreichend
zu erfassen, ist trotz der Inhomogenitäten der Θv -Gradienten vor und hinter der
Front eine Mittelung der Temperaturgradienten über zumindest 2 Gitterpunkte
stromauf- und stromabwärts der Okklusionen durchgeführt worden. Inwieweit anhand
der über breitere Streifen gemittelten Θv -Gradienten gemäß Gleichung 2.15 geringe
Frontneigungen quantifiziert werden können und ob auch anhand der Mittelwerte
eine qualitative Beschreibung des Okklusionstyps möglich ist, soll in der Folge gezeigt
werden.
Wird die Neigung der Nulllinie der horizontalen Θv -Gradienten als Frontneigung
4.2 Neutrale Okklusion vom 21.04.2008
53
(a)
(b)
Abbildung 4.13: Vertikalschnitte entlang Achse AB: Isolinien der virtuellen potentiellen
Temperatur Θv (in K; Konturlinien) mit (a) horizontalen Θv -Gradienten entlang des Querschnitts in K(100km)−1 und (b) vertikalen Θv -Gradienten in K(100m)−1 - Konturflächen;
Fronten wie in Abbildung 4.12.
54
Analyse von ausgewählten Okklusionen
(a)
(b)
(c)
Abbildung 4.14: Vertikalschnitte entlang Achse AB: in (a) horizontale Θv -Gradienten entlang des Querschnitts in K(100km)−1 , in (b) vertikale Θv -Gradienten in K(100m)−1 und in
(c) vertikale Θe -Gradienten in K(100m)−1 - Konturflächen; Isentropen (a, b: Θv in K; c: Θe
in K) - Konturlinien; mittlere horizontale und vertikale Θv - und Θe -Gradienten: hinter der
Front im Bereich der schwarz markierten Gitterpunkte (Region 1), vor der Front im Bereich
der rot markierten Gitterpunkte (Region 2); okkludierte Front wie in Abbildung 4.12.
4.2 Neutrale Okklusion vom 21.04.2008
55
spezifiziert, kippt die Okklusion zischen 100m und 300m etwa 1km nach hinten (im
Vertikalschnitt nicht dargestellt), während dieselbe zwischen 300m und 900m einen Kilometer nach vorne verschoben ist. In der zuletzt angeführten, höher liegenden Schicht
müsste daher dem “Stabilitätskriterium” zufolge die Stabilität vor der Front, wenn
auch nur minimal, durchschnittlich höher sein als hinter derselben. Wie ersichtlich
ist, nimmt aber die statische Stabilität zwischen 300m und 900m über dem Meeresspiegel ab einer horizontalen Entfernung von ein bis zwei Gitterpunktsabständen zur
Okklusion postfrontal durchschnittlich zu, während sie präfrontal abnimmt. Das führt
schließlich zu einer Vorzeichenänderung der prä- und postfrontalen Stabilitätsdifferenz.
Bei einer horizontalen Mittelung der statischen Stabilität über größere Distanzen
quer zur Front sind folglich die Luftmassen in dieser Schicht postfrontal stabiler
geschichtet als präfrontal. Die Abbildung 4.14 b zeigt, dass in der besagten Schicht
unter Annahme einer ungesättigten Atmosphäre die statische Stabilität hinter der
Front bereits bei einer Mittelung über zwei Gitterpunktsabstände größer ist als vor
der Front. Das “Stabilitätskriterium” würde also bei einer Mittelung über zu große
Horizontalentfernungen nicht nur eine quantitativ, sondern auch qualitativ falsche
Frontneigung ergeben.
Damit konnte gezeigt werden, dass die mittleren Stabilitätsunterschiede vor und hinter
der Front ab horizontalen Entfernungen, die deutlich größer sind als die Distanz, über
die sich eine Front neigt, zur Bestimmung des Okklusionstyps ungeeignet sein können.
Wird nämlich eine Okklusion als Temperaturdiskontinuität erster Ordnung betrachtet,
müsste für eine zuverlässige Analyse der Frontneigung und des Okklusionstyps anhand
der über breitere Streifen gemittelten prä- und postfrontalen Stabilität folgende
Voraussetzung erfüllt sein: Die approximierte Diskontinuitätsfläche muss breite Zonen
mit nahezu einheitlichen Temperaturgradienten voneinander trennen (vgl. Stoelinga
et al. 2002, S.719). Diese Voraussetzung ist bei der Okklusion am 21.04.2008 jedoch
nicht zureichend erfüllt.
Die Stabilitätsanalyse bei einer nahezu senkrechten Okklusion muss sich, wie bereits
erklärt, auf einen Teil der Frontalzone beschränken, um eine ungefähre Analyse der Frontneigung zu ermöglichen. Da in diesem Bereich die Luft größtenteils
gesättigt beziehungsweise nahezu gesättigt ist, stellt der vertikale Gradient der
äquivalentpotentiellen Temperatur im Vergleich zu jenem der virtuellen potentiellen
Temperatur ein besseres Maß zur Beschreibung der Stabilität in der unmittelbaren
Umgebung der eingezeichneten Front dar.
Die in Abbildung 4.14 c angeführten mittleren vertikalen Θe -Gradienten stromaufund stromabwärts der eingezeichneten okkludierten Front deuten aufgrund der
gleichen Werte und daher derselben mittleren prä- und postfrontalen Stabilität (unter
Annahme einer gesättigten Atmosphäre!) auf eine neutrale Okklusion hin. Da sich die
56
Analyse von ausgewählten Okklusionen
okkludierte Front auch gemäß der Nulllinie der horizontalen Θv -Gradienten und der
positiven relativen Vorticity (nicht dargestellt) im Mittel kaum neigt, beschreibt das
Ergebnis des “Stabilitätskriteriums” - unter Anwendung dieser mittleren Θe - anstelle
der Θv -Gradienten - die vorliegende, nahezu senkrechte Okklusion recht gut.
Es sei aber noch einmal darauf hingewiesen, dass das “Stabilitätskriterium” bei dieser
nahezu senkrechten Okklusion auf Grund der prä- und postfrontalen Inhomogenitäten
der Stabilität bei einer Anwendung auf breitere Zonen keinesfalls zuverlässig ist. Somit
ist die Zweckmäßigkeit des “Stabilitätskriterium” vor allem bei nahezu senkrechten
Okklusionen fraglich. Überdies können auf Grund der unzureichenden Modellauflösung
geringe Frontneigungen anhand der Temperaturverteilung und somit auch anhand des
“Stabilitätskriteriums” nicht eindeutig quantifiziert werden.
Die vorangegangene Analyse der prä- und postfrontalen Stabilität hat gezeigt, dass
eine neutrale Okklusion keinesfalls mit horizontal konstanter statischer Stabilität vor
und hinter der Frontalzone einhergeht. Es darf folglich bezweifelt werden, dass der
Kontrast der statischen Stabilität zwischen den beiden Luftmassen vor der Bildung der
Okklusion der Schlüsselfaktor für die Bestimmung des Okklusionstyps ist. Stoelinga
et al. (2002) deutet jedoch an, dass es ein Anzeichen für die Richtigkeit des eben
angeführten Schlüsselfaktors gibt. So tendieren die mit typischerweise horizontal
konstanter statischer Stabilität initialisierten, idealisierten und auf primitiven Gleichungen basierenden Modellsimulationen von baroklinen Wellen dazu, nahezu neutrale
Okklusionen zu produzieren.
Wie bereits zuvor gezeigt werden konnte, ist bei prä- und postfrontaler Mittelung
der statischen Stabilität über größere horizontale Distanzen die Luftmasse hinter der
Okklusion im vorliegenden Fall stabiler geschichtet als vor derselben. Basierend auf
der Okklusion vom 21.04.2008 kann daher auch folgende These aufgestellt werden:
Luftmassen hinter der ursprünglichen Kaltfront, die eine höhere statische Stabilität
als jene vor der anfänglichen Warmfront aufweisen, könnten im Zuge vom Okklusionsprozess nicht nur für die Bildung von Okklusionen mit Kaltfrontcharakter, sondern
auch für die Entstehung neutraler Okklusionen entscheidend sein.
Zusammenfassend können anhand der prä- und postfrontalen Stabilitätsanalyse bei
dieser neutralen Okklusion folgende Schlussfolgerungen gezogen werden:
• Bei einer Okklusion sollte nicht angenommen werden, dass sie breite Zonen mit
nahezu einheitlichen vertikalen Temperaturgradienten trennt. Im vorliegenden
Fall ist die statische Stabilität vor und hinter der Frontalzone beispielsweise stark
inhomogen.
4.2 Neutrale Okklusion vom 21.04.2008
57
• Die Aussage des “Stabilitätskriteriums”, eine Okklusion müsse sich über die statisch stabilere Luftmasse neigen, ist nur bedingt gültig. Wird die okkludierte
Front als Frontfläche approximiert, was die Darstellung der Front als Temperaturdiskontinuität erster Ordnung vorsieht, ist diese Schlussfolgerung richtig.
Wird die Okklusion jedoch als Frontalzone betrachtet, so neigt sich diese nicht
zwangsläufig über die stabiler geschichtete Luft.
• Ist die Luft hinter der Frontalzone stabiler geschichtet als vor der Frontalzone,
muss es sich nicht zwangsläufig um eine Okklusion mit Kaltfrontcharakter handeln. Es kann auch, wie gezeigt werden konnte, eine nahezu neutrale Okklusion
vorliegen.
• Für die quantitative Bestimmung der Frontneigung einer nahezu neutralen
Okklusion muss sich die Stabilitätsanalyse auf einen engen Teil der Frontalzone beschränken. In dieser sollten - zur Beschreibung der Stabilität auf Grund der
gesättigten beziehungsweise nahezu gesättigten Luftmassen - die vertikalen Θe anstelle der Θv -Gradienten herangezogen werden.
4.2.3
Frontogenetische Prozesse und zeitliche Änderung der
Stabilität
Wie in Abschnitt 4.1.3 beschrieben, kann bei einer Okklusion anhand der zeitlichen
Änderung der prä- und postfrontalen Stabilität und der horizontalen Θv -Gradienten
festgestellt werden, ob die Front mit der Zeit eher stärker “kippt” oder nicht. In weiterer
Folge werden daher auch bei der vorliegenden Okklusion die frontogenetischen Prozesse analysiert um etwaige Auswirkungen der kinematisch-dynamischen FrontogeneseProzesse auf die Frontneigung beschreiben zu können.
Die Abbildung 4.15 zeigt, dass die konfluente Strömung vor allem im Bereich der
Okklusion zu einer signifikanten Frontogenese führt. Während der Konfluenzterm
die horizontalen Θv -Gradienten in der Frontalzone der Okklusion verstärkt, hat der
vertikale Scherungsterm in diesem Bereich einen stark frontolytischen Charakter.
Der soeben angesprochene frontolytische Prozess im okkludierten Bereich, welcher
durch die horizontale Scherung des vertikalen Windes auftritt, ist in Abbildung
4.16 a dargestellt. Da die okkludierte Front sowohl mit Maxima der Temperatur als
auch der Vertikalgeschwindigkeit einhergeht, muss der vertikale Scherungsterm in
diesem Bereich gemäß Gleichung 2.17 stets negativ sein. Der Betrag dieses Terms
ist dabei in der okkludierten Frontalzone im Mittel größer als die Summe aus dem
horizontalen Scherungsterm und dem Konfluenzterm. Daher kommt es insgesamt zu
einer mittleren Abschwächung der horizontalen Θv -Gradienten. In Abbildung 4.16
b ist ersichtlich, dass sich die Okklusion in Bezug auf die mittleren, horizontalen
58
Analyse von ausgewählten Okklusionen
Abbildung 4.15: Vertikalschnitt entlang Achse AB: Konfluenzterm der FrontogeneseFunktion (in 10−12 K2 m−2 s−1 ; Konturflächen); Isolinien der virtuellen potentiellen Temperatur (in K; Konturlinien in Grautönen). Fronten wie in Abbildung 4.12.
Θv -Gradienten zwar etwas abschwächt, diese frontolytische Tendenz jedoch keineswegs
homogen ist. So überwiegt zwischen 300m und 500m über Meeresniveau unmittelbar
hinter der eingezeichneten Front sogar die horizontale Frontogenese, während die
restliche Frontalzone von unterschiedlich starken frontolytischen Prozessen geprägt
wird. Die Intensivierung der Front in der unteren Schicht ist dabei hauptsächlich auf
die konvergente Strömung, das heißt auf den Konfluenzterm, zurückzuführen. Da die
Frontfläche in dieser Schicht, wenn auch nur geringfügig, eher nach vorne geneigt
ist, wirkt die Zunahme der horizontalen Θv -Gradienten der Vorwärtsneigung gemäß
Gleichung 2.15 entgegen. In den Schichten darüber werden etwaige bestehende leichte
Vorwärts- und Rückwärtsneigungen der okkludierten Front durch die Abnahme der
horizontalen Θv -Gradienten mit der Zeit eher verstärkt.
Die im vorangegangenen Absatz angesprochene Horizontalkonvergenz des Massenflusses bewirkt eine Vertikaldivergenz. Da die Vertikalbewegung am Boden gleich
Null ist, muss sich diese Vertikaldivergenz in Form einer mit der Höhe zunehmenden
Aufwärtsbewegung widerspiegeln. Die stärker werdende Hebung mit zunehmender
Höhe in der okkludierten Frontalzone ist einerseits in Abbildung 4.12 erkennbar und
wird andererseits durch die folgende Analyse der zeitlichen Änderung der vertikalen
4.2 Neutrale Okklusion vom 21.04.2008
59
(a)
(b)
Abbildung 4.16: Vertikalschnitte entlang Achse AB mit horizontalen FrontogeneseProzessen (in 10−12 K2 m−2 s−1 ; Konturflächen): in (a) - vertikaler Scherungsterm der
Frontogenese-Funktion und in (b) - horizontale Frontogenese (horizontaler Konfluenzterm
+ horizontaler Scherungsterm + vertikaler Scherungsterm); Isolinien der virtuellen potentiellen Temperatur Θv (in K; Konturlinien); Mittelwerte der horizontalen Frontogenese-Prozesse
(in 10−12 K2 m−2 s−1 ): hinter der Front im Bereich der grau markierten Gitterpunkte (Region
1), vor der Front im Bereich der weiß markierten Gitterpunkte (Region 2); okkludierte Front
wie in Abbildung 4.14.
Θv -Gradienten augenscheinlich.
Die Abbildung 4.17 a zeigt, dass entlang der eingezeichneten Okklusion die Änderung
der Vertikalgeschwindigkeit mit der Höhe zu einer Labilisierung führt. Bei Betrach
∂Θ 2
tung des für die Analyse verwendeten Terms −2 ∂w
(“Stretching-Term”) aus
∂z
∂z
Gleichung 2.18 wird klar, dass die Abnahme der Stabilität auf ∂w
> 0 zurückzuführen
∂z
ist. Die mit der Höhe zunehmende Aufwärtsbewegung führt also im Bereich der
vorliegenden Okklusion zu einer vertikalen Streckung der Luftsäule, was bei einer
trockenstabilen Schichtung eine Destabilisierung bewirkt.
60
Analyse von ausgewählten Okklusionen
(a)
(b)
(c)
Abbildung 4.17: Vertikalschnitte entlang Achse AB mit vertikalen Frontogenese-Prozessen
(in 10−8 K2 m−2 s−1 ; Konturflächen): in (a) - “Stretching-Term”, in (b) - “Advektionsterm”
und in (c) - vertikale Frontogenese (“Stretching-Term” + “Advektionsterm”); Isolinien
der virtuellen potentiellen Temperatur Θv (in K; Konturlinien); Mittelwerte der vertikalen
Frontogenese-Prozesse (in 10−8 K2 m−2 s−1 ): hinter der Front im Bereich der grau markierten
Gitterpunkte (Region 1), vor der Front im Bereich der weiß markierten Gitterpunkte (Region
2); okkludierte Front wie in Abbildung 4.14.
4.2 Neutrale Okklusion vom 21.04.2008
61
Neben der Beeinflussung der Stabilität über ∂w
führen aber auch vertikal unter∂z
schiedliche Temperaturadvektionen zu einer zeitlichen Änderung der vertikalen
Θv -Gradienten (“Advektionsterm”). So zeigt die Abbildung 4.17 b, dass es unmittelbar vor der eingezeichneten Okklusion zu einer Erhöhung der statischen Stabilität
kommt, da Warmluftadvektion über Kaltluftadvektion stattfindet. Im Gegensatz dazu
ändert sich die Stabilität in einigen Kilometern hinter der Front nur wenig. Erst
hinter der Frontalzone kommt es durch die mit der Höhe größtenteils abnehmende
Kaltluftadvektion zu einer starken Stabilisierung. In diesem Bereich dürfte aber eine
Stabilitätsänderung für die Neigung der Frontfläche bereits bedeutungslos sein.
Werden sowohl die Auswirkungen des “Stretching-Terms” als auch jene des “Advektionsterms” auf die zeitliche Änderung der vertikalen Θv -Gradienten berücksichtigt,
ergibt sich das in Abbildung 4.17 c dargestellte Bild. Es ist ersichtlich, dass die
kinematisch-dynamischen Frontogenese-Prozesse unmittelbar hinter der eingezeichneten Front eine stärkere Destabilisierung bewirken als vor der Front.
Da sich die Okklusion gemäß dem “Stabilitätskriterium” über die stabiler geschichtete Luftmasse neigt und die Neigung proportional zum prä- und postfrontalen
Stabilitätsunterschied ist, hat eine stärkere “postfrontale” Labilisierung folgende Auswirkung: Eine Rückwärtsneigung der Frontfläche würde gegebenenfalls abgeschwächt,
eine Vorwärtsneigung hingegen verstärkt werden. Die Mittelung über die in Abbildung
4.17 c eingezeichneten Gitterpunkte vor und hinter der Frontfläche zwischen 300m
und 800m liefert in Bezug auf die zeitliche Änderung der Frontneigung das gleiche
qualitative Ergebnis. Die durch die unterschiedliche Streckung der Luftsäule und
die vertikal variable Temperaturadvektion bedingte Stabilitätsänderung ist vor der
eingezeichneten Okklusion positiver als hinter derselben. Dadurch würde der prä- und
postfrontale Stabilitätsunterschied im Falle einer nach vorne geneigten Frontfläche
verstärkt werden, wodurch die Okklusion mit der Zeit stärker nach vorne “kippen”
würde. Bei einer nach hinten geneigten Frontfläche würde der Stabilitätsunterschied
hingegen abgeschwächt werden, was eine Abschwächung der Rückwärtsneigung
zur Folge hätte. Da es sich im vorliegenden Fall jedoch um eine nahezu neutrale
Okklusion handelt, erscheint folgende Interpretation sinnvoll: Unter der Annahme
einer anfänglich gleich großen Stabilität unmittelbar vor und hinter der eingezeichneten
Okklusion könnte die stärkere Labilisierung hinter der Front dazu führen, dass die
Frontfläche mit der Zeit nach vorne “kippt”. Somit besteht im vorliegenden Fall
auf Grund der kinematisch-dynamischen Frontogenese-Prozesse eher die Tendenz,
dass aus der nahezu neutralen Okklusion eine Okklusion mit Warmfrontcharakter wird.
Bei der vorangegangenen Schlussfolgerung ist jedoch aus folgenden Gründen Vorsicht
geboten: Erstens ist das “Stabilitätskriterium” bei einer neutralen Okklusion, wie
62
Analyse von ausgewählten Okklusionen
bereits im letzten Abschnitt erklärt, nur bedingt anwendbar. Zweitens werden jene
Frontogenese-Prozesse, die für die Frontneigung entscheidend sind, vom Modell
unzureichend aufgelöst. Drittens werden die diabatischen Frontogenese-Prozesse
vernachlässigt und viertens werden die kinematisch-dynamischen Vorgänge, die zur
Frontogenese oder Frontolyse führen, in der vorliegenden Arbeit nur im Zuge einer
Momentaufnahme erfasst.
Zusammengefasst konnte anhand der Analyse der Frontogenese-Prozesse bei dieser nahezu neutralen Okklusion folgendes herausgefunden werden:
• Während die Konfluenz in der Frontalzone zu einer Erhöhung der horizontalen Θv -Gradienten (Frontogenese) führt, wirkt der vertikale Scherungsterm stark
frontolytisch. Der Konfluenzterm ist dabei vor allem in tiefen Schichten stärker
ausgeprägt. Dadurch kommt es im unteren Bereich der Okklusion eher zu einer
Zunahme der horizontalen Θv -Gradienten, darüber hingegen zu einer Abnahme.
• Der Gleichung 2.15 zufolge werden im Falle von prä- und postfrontalen Stabilitätsunterschieden etwaige bestehende leichte Frontneigungen - bedingt durch
die kinematisch-dynamische horizontale Frontogenese - in den tieferen Schichten
mit der Zeit eher abgeschwächt. In den höheren Schichten werden diese jedoch
aufgrund der horizontalen Frontolyse eher verstärkt.
• Durch die Horizontalkonvergenz des Massenflusses entlang der Okklusion wird
eine Vertikaldivergenz induziert, die in Form einer Zunahme der Hebung mit der
Höhe auftritt. Dadurch kommt es zu einer Streckung der Luftsäule (“Stretching”)
und so zu einer Labilisierung.
• Streckungen der Luftsäule und vertikal variable Temperaturadvektionen sind quer
zur Front keinesfalls homogen. Dadurch kommt es prä- und postfrontal zu unterschiedlich starken zeitlichen Änderungen der statischen Stabilität.
• Bei einer anfänglich gleich großen prä- und postfrontalen Stabilität ist die unterschiedliche Änderung der vertikalen Θv -Gradienten vor und hinter der neutralen Okklusion dem “Stabilitätskriterium” zufolge dafür ausschlaggebend, ob die
Frontfläche mit der Zeit eher nach vorne oder hinten “kippt”. Im vorliegenden
Fall wird durch Frontogenese-Prozesse unter Annahme von Adiabasie eher ein
nach “Vorne-Kippen” der Okklusion unterstützt.
4.3 Okklusion mit Kaltfrontcharakter vom 26.01.2009
4.3
Okklusion
mit
Kaltfrontcharakter
63
vom
26.01.2009
4.3.1
Synoptische Entwicklung
Am 25.01.2009 kam es über der Labradorsee zu einer Zyklogenese. In der oberen Troposphäre wurde diese, wie in Abbildung 4.18 a ersichtlich, durch Divergenz im linken
Auszugsbereich eines Jetstreaks angetrieben. Dieser Auszugsbereich des Starkwindbandes war zwischen einem Höhentief westlich und einem Keil südöstlich desselben
“eingeklemmt”. In der unteren Troposphäre gingen Warm- und Kaltfront mit stark
baroklinen Zonen einher, die sich im okkludierten Bereich bereits abschwächten (siehe
Abbildung 4.18 b). Während sich der Tiefdruckkern in tiefen Niveaus nur sehr langsam
Richtung Nordosten zur Südspitze Grönlands verlagerte, fiel der Kerndruck bis zum
26.01. auf unter 955hPa.
(a)
(b)
Abbildung 4.18: Horizontalschnitte (Atlantik- und Europaausschnitt), am 25.01.2009
(12UTC): in (a) geopotentielle Höhe in dm und Isotachen in ms−1 der 300hPa-Druckfläche
und in (b) äquivalentpotentielle Temperatur in ◦ C und geopotentielle Höhe in dm der 850hPaDruckfläche; Fronten auf der 850hPa-Druckfläche - in (b) in Farbe (Kaltfront - blau, Warmfront - rot, Okklusion - violett) und in (a) mit schwarz strichlierten Linien. Quelle: ECMWFAnalysearchiv (IMGI).
Der Lebenslauf dieser Zyklone mittlerer Breiten samt Okklusionsprozess entspricht bei
dieser Entwicklung eher der norwegischen Modellvorstellung. Im Gegensatz zu einer
typischen Norwegischen Zyklone kam es jedoch vor allem bei der Okklusion zu einer
zonalen Dehnung. Trotz dieser Elongation ergab sich kein Bruch der Kaltfront, wie
es bei einer Shapiro-Keyser Zyklone der Fall ist. Die Okklusion entstand folglich auf
Grund des Einholens der Warmfront durch die Kaltfront. Es liegt also auch in diesem
64
Analyse von ausgewählten Okklusionen
Fall eine “echte” Okklusion vor, deren Frontneigung in der Folge gemäß dem “Stabilitätskriterium” analysiert wird.
4.3.2
Mesoskalige
Struktur
und
Stabilitätsanalyse
in
Frontnähe
In Abbildung 4.19 ist die Okklusion dargestellt, die sich - ausgehend vom Tiefdruckkern an der Südspitze Grönlands - bogenförmig nach Osten zieht. Die okkludierte Front
geht mit einem zyklonalen Windsprung sowie mit einer Konvergenz- und Scherungszone einher. Im Bereich der Linie zwischen A und B, welche die Lage des in Abbildung
4.20 dargestellten Vertikalschnittes kennzeichnet, ist eine für eine Okklusion typische
Warmluftzunge zu erkennen. Außerdem sind die Gradienten der virtuellen potentiellen
Temperatur postfrontal stärker ausgeprägt, was dem “Temperaturkriterium” zufolge
eine Okklusion mit Kaltfrontcharakter ergibt. Entlang der Kalt- und Warmfront weisen
die Isentropen eine starke Drängung auf, wodurch gezeigt wird, dass Fronten Gebiete
sind, in denen die skaligen horizontalen Gradienten deutlich höhere Werte annehmen als
in der Umgebung (vgl. Kraus 2004, S.294). Es ist offensichtlich, dass Fronten keine materiellen Grenzflächen, sondern mehr oder weniger breite Übergangszonen - sogenannte
Frontalzonen - darstellen, in welchen skalare Größen wie Temperatur und Feuchte kontinuierlich verteilt sind (vgl. Kurz 1990, S.48).
Während die baroklinen Frontalzonen der Kalt- und Warmfront sowie des “jungen”,
okkludierten Bereichs (Nahe dem Okklusionspunkt) im vorliegenden Fall stark ausgeprägt sind, ist die Baroklinität im älteren, okkludierten Bereich bereits schwächer.
Grund für die Abschwächung der Temperaturgradienten ist die Konvergenz der im
Vergleich zum ursprünglichen Warmsektor kälteren Luftmassen vor und hinter der
Okklusion. Dieses Zusammenströmen triggert Aufwinde und führt zur Anhebung des
sogenannten Warmlufttroges (TROWAL=TROugh of Warm air ALoft), der zwischen
der angehobenen Kalt- und Warmfront liegt. Die Untergrenze des “Pools” mit potentiell wärmerer Luft (TROWAL) ist im Bereich des in weiterer Folge analysierten
Vertikalschnittes der Abbildung 4.20, dessen Lage in Abbildung 4.19 durch die Linie
AB gekennzeichnet ist, bereits auf über 1000m angehoben worden. Unter diesem ist die
okkludierte Front nach hinten geneigt. Es handelt sich bei dieser Okklusion also um eine Okklusion mit Kaltfrontcharakter, was in weiterer Folge durch die Stabilitätsanalyse
verifiziert wird.
Die in den Vertikalschnitten eingezeichnete Okklusion geht mit Maxima der virtuellen
potentiellen Temperatur auf Höhenlinien einher. Diese Maxima werden in Abbildung
4.21 a durch die Nulllinie der horizontalen Θv -Gradienten quer zur Front gekennzeichnet. Die höheren postfrontalen, horizontalen Θv -Gradienten verdeutlichen, dass es sich
4.3 Okklusion mit Kaltfrontcharakter vom 26.01.2009
65
Abbildung 4.19: Horizontalschnitt durch die Okklusion (26.01.2009, 12UTC) in 500m Höhe:
Isolinien der virtuellen potentiellen Temperatur (in K; Konturlinien); relative Feuchte zwischen 80% und 100% in Grüntönen; Horizontalwind in ms−1 mit roten Pfeilen; Lage des zu
analysierenden Vertikalschnittes zwischen A und B - rote Linie; Fronten - strichlierte Farblinien (Okklusion - magenta; Kaltfront - blau; Warmfront - rot).
- auch dem “Temperaturkriterium” zufolge - um eine Okklusion mit Kaltfrontcharakter
handeln muss. Wie aber schon wiederholt gezeigt werden konnte, ist eine eindeutige
Bestimmung des Okklusionstyps nach diesem besagten Kriterium nicht möglich.
Die Abbildung 4.21 b veranschaulicht, dass sich die okkludierte Front unter Annahme
einer ungesättigten Atmosphäre über die statisch stabiler geschichtete Luftmasse
neigt. Das größere gesättigte Luftvolumen vor der Front führt unter Berücksichtigung
des Einflusses der Sättigung auf die Stabilität sogar zu einer Erhöhung der prä- und
postfrontalen Stabilitätsgegensätze.
Die Abbildung 4.22 a zeigt, dass in der Schicht zwischen 300m und 500m die Luft unter
Annahme einer ungesättigten Atmosphäre entlang und unmittelbar vor der eingezeichneten Okklusion nahezu neutral beziehungsweise nur schwach trockenstabil geschichtet
ist. Wird die Luft in diesem Bereich auf bedingte Instabilität getestet, liegt sogar,
66
Analyse von ausgewählten Okklusionen
Abbildung 4.20: Vertikalschnitt durch die Okklusion (26.01.2009, 12UTC) entlang Achse
AB: Isolinien der virtuellen potentiellen Temperatur (in K; Konturlinien); relative Feuchte
zwischen 80% und 100% in Grüntönen; Horizontalwind entlang des Querschnitts (in ms−1 ;
blaue und weiße Pfeile); Vertikalwind (in Pas−1 ; rote Pfeile); Fronten - strichlierte Farblinien
(Okklusion - magenta, Kaltfront - blau, Warmfront - rot).
wie in Abschnitt 2.1 beschrieben, eine bedingt instabile Schichtung vor. Postfrontal
nimmt die statische Stabilität mit zunehmendem Abstand zur Front in dieser Schicht
etwas rascher zu als präfrontal. Daher liegt bei einer Mittelung über einen etwa 50km
breiten Streifen zwischen 300m und 500m hinter der Front eine etwas höhere statische
Stabilität vor als präfrontal. Das Vorzeichen der mittleren Stabilitätsdifferenz der Luftmassen vor und hinter der Front ändert sich bis zum oberen Ende der Okklusion nicht.
Die Stabilitätsunterschiede sind zwischen 500m und 900m sogar noch etwas stärker aus-
4.3 Okklusion mit Kaltfrontcharakter vom 26.01.2009
67
geprägt. Zwischen 300m und 900m liegt der mittlere vertikale Θv -Gradient präfrontal
bei etwa 0.35K(100m)−1 , während derselbe postfrontal ungefähr 0.58K(100m)−1 beträgt. Werden die mittleren vertikalen und horizontalen Θv -Gradienten der Abbildung
4.22 a in Gleichung 2.15 eingesetzt, ergibt sich folgende mittlere Frontneigung: dx
≈
dz
-2.3km(100m)−1 . Wird die Neigung der Nulllinie der horizontalen Θv -Gradienten als
tatsächliche Frontneigung definiert, ergibt sich für diese zwischen 300m und 1000m ein
Mittelwert von etwa -1.8km(100m)−1 . Die berechnete Rückwärtsneigung der Okklusion
mit Kaltfrontcharakter ist also stärker ausgeprägt als die analysierte. Grund dafür
sind die mit zunehmendem Abstand zur Okklusion größer werdenden mittleren präund postfrontalen Stabilitätsunterschiede. Die mittleren horizontalen und vertikalen
Θv -Gradienten erlauben folglich auch in diesem Fall keine quantitative Analyse der
Frontneigung. Für eine solche müsste die okkludierte Front nämlich breite Zonen mit
nahezu einheitlichen Temperaturgradienten voneinander trennen, was bei der vorliegenden Okklusion nicht der Fall ist (vgl. Stoelinga et al. 2002, S.719). Eine qualitative
Analyse, sprich die Bestimmung des Okklusionstyps, ist aber trotz der Mittelung über
die breiteren prä- und postfrontalen Streifen möglich.
Bei einer Okklusion mit Kaltfrontcharakter kann davon ausgegangen werden, dass
sich die Front nicht nur unter der Annahme einer homogen ungesättigten oder
gesättigten Atmosphäre über die stabiler geschichtete Luftmasse neigt. Auch unter
Berücksichtigung des Einflusses unterschiedlicher prä- und postfrontaler gesättigter
Volumina auf die Stabilität vor und hinter der okkludierten Front sollte sich die
Okklusion über die Luft mit der höheren Stabilität neigen. Grund dafür ist das typischerweise größere gesättigte Luftvolumen vor der Okklusion, welches auch in diesem
Fall vorliegt. Wird so in gesättigter Luft anstelle von Θv die äquivalentpotentielle
Temperatur für die Stabilitätsanalyse herangezogen, kommt es vor der okkludierten
Front zu einer stärkeren Abnahme der mittleren statischen Stabilität. Folglich werden
die prä- und postfrontalen Stabilitätsunterschiede verstärkt. Dies wird in Abbildung
4.22 b anhand einer qualitativen Analyse, bei welcher ab einer relativen Feuchte von
v
als Stabilitätsmaß herangezogen wird,
100% der vertikale Θe -Gradient anstelle von dΘ
dz
veranschaulicht.
Die Abbildung 4.22 c zeigt, dass sich bei der Betrachtung der potentiellen Instabilität
zwischen 300m und 450m das Vorzeichen der prä- und postfrontalen Stabilitätsdifferenz
umkehrt. Grund dafür ist die Zunahme der relativen Feuchte mit der Höhe vor der
Okklusion und die Abnahme hinter derselben. So liegt postfrontal ab einer Entfernung
von ein bis zwei Gitterpunktsabständen zur eingezeichneten Okklusion eine potentiell
labile Schichtung vor, während die Luft vor der Front potentiell stabil geschichtet ist.
Diese potentielle Labilität kann aber aus zwei Gründen nicht beziehungsweise nur sehr
68
Analyse von ausgewählten Okklusionen
(a)
(b)
Abbildung 4.21: Vertikalschnitte entlang Achse AB: Isolinien der virtuellen potentiellen
Temperatur (in K; Konturlinien) mit (a) horizontalen Θv -Gradienten entlang des Querschnitts in K(100km)−1 und (b) vertikalen Θv -Gradienten in K(100m)−1 - Konturflächen;
Fronten wie in Abbildung 4.20.
4.3 Okklusion mit Kaltfrontcharakter vom 26.01.2009
69
(a)
(b)
(c)
Abbildung 4.22: Vertikalschnitte entlang Achse AB: in (a) vertikale Θv -Gradienten, in (b)
vertikale Θv -Gradienten in ungesättigter sowie vertikale Θe -Gradienten in gesättigter Luft
(ab einer relativen Feuchte von 100%) und in (c) vertikale Θe -Gradienten in K(100m)−1 Konturflächen. Isentropen (a, b: Θv in K; c: Θe in K) - Konturlinien; mittlere horizontale
und vertikale Θv - und Θe -Gradienten: hinter der Front im Bereich der schwarz markierten
Gitterpunkte (Region 1), vor der Front im Bereich der rot markierten Gitterpunkte (Region
2); okkludierte Front wie in Abbildung 4.20.
70
Analyse von ausgewählten Okklusionen
begrenzt freigesetzt werden: Erstens sinken die Luftmassen hinter der Okklusion mit
zunehmender Entfernung zur Front mehr und mehr ab, wodurch der Hebungsantrieb
für die Destabilisierung der potentiell labilen Schicht fehlt. Zweitens ist die statische
Stabilität über der potentiell instabilen Schicht so hoch, dass die potentielle Labilität
bei Hebung nur sehr begrenzt, nämlich lediglich unter der stabilen Schicht, freigesetzt
werden kann.
Die Abbildung 4.22 c zeigt überdies, dass in den darüberliegenden Schichten die präe
größer sind als
und postfrontalen Stabilitätsunterschiede unter Verwendung von dΘ
dz
dΘv
unter Verwendung von dz . Grund dafür ist die stärkere mittlere postfrontale Zunahme
der relativen Feuchte mit der Höhe. Diese ist für eine Okklusion mit Kaltfrontcharakter
typisch, da durch die Rückwärtsneigung der Okklusion die gesättigten Luftvolumina
mit zunehmender Höhe eher nach hinten geneigt sind.
e
präfrontal größer ist als postMit Ausnahme der untersten Schicht, in welcher dΘ
dz
frontal, erscheint eine Analyse der Stabilität anhand der vertikalen Θe -Gradienten im
e
Bereich der Frontalzone sinnvoll. Die Beschreibung der Stabilität anhand dΘ
ist in
dz
dieser Zone zweckmäßig, da in derselben die Luftmassen nahezu oder völlig gesättigt
sind. Da aber eine quantitative Bestimmung der Frontneigung anhand der über
größere Distanzen gemittelten prä- und postfrontalen Stabilitätsunterschiede ohnehin
nicht möglich ist, ergibt sich gegenüber der qualitativen Bestimmung der Frontneigung
unter Verwendung der vertikalen Θv -Gradienten kein nennenswerter Vorteil.
e
Auch unter Verwendung von dΘ
für die Stabilitätsanalyse neigt sich eine Okklusion
dz
mit Kaltfrontcharakter gewöhnlich über die statisch stabiler geschichtete Luftmasse.
Wie im vorliegenden Fall ist dabei jedoch die unterste Schicht, welche von turbulenten Grenzschichtprozessen stark beeinflusst wird, eher auszunehmen. Durch die
Rückwärtsneigung wird der anhand der vertikalen Θe -Gradienten berechnete mittlere
prä- und postfrontale Stabilitätsunterschied, wie gezeigt werden konnte und wie in
Abbildung 4.22 c ersichtlich ist, typischerweise sogar verstärkt. Daher kann davon
ausgegangen werden, dass sich eine Okklusion mit Kaltfrontcharakter tatsächlich über
die statisch stabilere Luftmasse neigt.
Die prä- und postfrontale Stabilitätsanalyse lässt bei dieser Okklusion mit Kaltfrontcharakter folgende allgemeine Schlussfolgerungen zu:
• Die Frontfläche neigt sich bei einer Okklusion mit Kaltfrontcharakter über die
postfrontale stabiler geschichtete Luftmasse, wie es das “Stabilitätskriterium”
fordert.
• Unter Berücksichtigung des Einflusses von gesättigter Luft werden die prä- und
postfrontalen Stabilitätsunterschiede bei einer nach hinten geneigten Okklusion
4.3 Okklusion mit Kaltfrontcharakter vom 26.01.2009
71
gewöhnlich verstärkt.
• Die Einbeziehung der potentiellen Instabilität führt bei einer Okklusion mit Kaltfrontcharakter typischerweise zu einer Erhöhung der prä- und postfrontalen Stabilitätsunterschiede (Ausnahme: bodennahe Grenzschicht).
4.3.3
Frontogenetische Prozesse und zeitliche Änderung der
Stabilität
Ähnlich wie bei den bereits analysierten Okklusionen führt die konfluente Strömung
auch in den vorliegenden Frontalzonen (Okklusion, Warm- und Kaltfront) zur horizontalen Frontogenese. Da die Hebung vor und hinter dem angehobenen Warmlufttrog
(TROWAL) stark abnimmt, muss es bei der vorherrschenden Temperaturverteilung
im Zuge der horizontalen Scherung des Vertikalwindes (siehe vertikaler Scherungsterm
in Gleichung 2.17) zu einer Abnahme der horizontalen Θv -Gradienten kommen.
Dieser frontolytische Vorgang ist stärker als jene Frontogenese vor und hinter dem
Warmlufttrog, die aus der horizontalen Scherung und Konfluenz des Horizontalwindes
hervorgeht. Daher überwiegt bei der in Abbildung 4.23 eingezeichneten Warmfront
präfrontal die horizontale Frontolyse und auch hinter der Kaltfront führen die
kinematisch-dynamischen Frontogenese-Prozesse insgesamt zu einer Abnahme der
horizontalen Θv -Gradienten.
Auch in den oberen Schichten der okkludierten Frontalzone ist der horizontale
Frontolyse-Prozess des vertikalen Scherungsterms am stärksten. Lediglich im unteren
Bereich der Okklusion überwiegt auch insgesamt die horizontale Frontogenese.
Diese starke totalzeitliche Zunahme der horizontalen Θv -Gradienten ist zu einem
beträchtlichen Teil auf die konvergente Strömung in dieser Region zurückzuführen.
Diese Horizontalkonvergenz des Massenflusses führt entlang der Okklusion zu einer
Vertikaldivergenz, die sich, wie in Abbildung 4.20 ersichtlich, in Form einer mit der
Höhe zunehmenden Hebung zeigt. Das Zusammenströmen der prä- und postfrontalen
Luftmassen in der okkludierten Frontalzone triggert also Aufwinde.
Die Abbildung 4.24 a zeigt, dass es durch die horizontale Scherung des Horizontalwindes hinter der eingezeichneten Okklusion zu einer Abschwächung und vor derselben
zu einer Zunahme der horizontalen Θv -Gradienten kommt. Da in der okkludierten
∂v
positiv und ∂u
negativ ist, lassen die
Frontalzone durch den zyklonalen Windsprung ∂x
∂y
scherungsbedingte präfrontale horizontale Frontogenese und die postfrontale horizontale Frontolyse gemäß Gleichung 2.17 folgende Rückschlüsse zu: Vor der okkludierten
Front muss die meridionale Änderung der u-Komponente der Windgeschwindigkeit
stärker sein als die zonale Änderung der v-Komponente. Hinter der Okklusion muss
72
Analyse von ausgewählten Okklusionen
Abbildung 4.23: Vertikalschnitt entlang Achse AB: horizontale Frontogenese (horizontaler
Konfluenzterm + horizontaler Scherungsterm + vertikaler Scherungsterm der FrontogeneseFunktion) in 10−12 K2 m−2 s−1 - Konturflächen; Isolinien der virtuellen potentiellen Temperatur (in K; Konturlinien in Grautönen); Fronten wie in Abbildung 4.20.
hingegen die meridionale Änderung der u-Komponente kleiner sein als die zonale
Änderung der v-Komponente.
Die zuvor angeführte horizontale Windscherung zeigt auf, dass die okkludierte
∂v
Frontalzone mit positiver relativer Vorticity ( ∂x
− ∂u
> 0) einhergeht. Die mit der
∂y
Okklusion einhergehenden Maxima der scherungsinduzierten relativen Vorticity (auf
Höhenlinien quer zur Front) sind dabei ebenso wie die Θv -Maxima mit zunehmender
Höhe nach hinten geneigt (nicht dargestellt). Daher kann die Rückwärtsneigung
bei dieser Okklusion mit Kaltfrontcharakter auch anhand der Analyse der relativen
Vorticity bestätigt werden.
Die Abbildung 4.24 b deutet auf den von Bjerknes und Solberg (1922) beschriebenen
klassischen Okklusions-Prozess hin, bei dem die Kaltfront die Warmfront einholt. Es ist
nämlich ersichtlich, dass die Frontalzonen der Warm- und Kaltfront, die bei isolierter
Betrachtung des Konfluenzterms mit horizontaler Frontogenese einhergehen, im okkludierten Bereich zusammenlaufen und verschmelzen (vgl. Schultz und Mass 1993, S.933).
Bei Betrachtung aller horizontaler Frontogenese-Prozesse ergibt sich das in Abbildung
4.3 Okklusion mit Kaltfrontcharakter vom 26.01.2009
73
4.24 c dargestellte Bild. Es ist offensichtlich, dass in den tieferen Schichten der
okkludierten Frontalzone die Frontogenese überwiegt und somit die horizontalen
Θv -Gradienten zunehmen. Wie bereits erwähnt ist für diese die Konfluenz entscheidend. Die starke horizontale Frontogenese im bodennahen Bereich der Okklusion
widerspricht dabei jeder Ansicht, dass Okklusionen schwach und dynamisch inaktiv
sind (vgl. Schultz und Mass 1993, S.933ff.).
Die Mittelung über die durch die Gitterpunkte gekennzeichneten Streifen zwischen
300m und 900m Höhe vor und hinter der Front ergibt folgendes: Während hinter der
eingezeichneten okkludierten Front im Mittel die horizontale Frontolyse überwiegt,
kommt es vor der Front zu einer schwachen horizontalen Frontogenese. So sind
postfrontal die mit der Scherung einhergehenden horizontalen frontolytischen Prozesse
(horizontaler und vertikaler Scherungsterm) stärker ausgeprägt als die konfluenzbedingte horizontale Frontogenese. Präfrontal überwiegt jedoch die Zunahme der
horizontalen Θv -Gradienten auf Grund der horizontalen Scherung und Konfluenz. Die
zumeist stärkere horizontale Frontogenese beziehungsweise schwächere horizontale
Frontolyse vor der Okklusion sprechen dafür, dass die kinematisch-dynamischen
Frontogenese-Prozesse den prä- und postfrontalen mittleren Temperaturunterschied
etwas abschwächen. Die Ausgleichsbewegungen des Windes könnten also zu einer
Abnahme der Temperaturgegensätze vor und hinter der Front führen. Diese Abnahme würde im vorliegenden Fall - gemäß der Frontneigungsformel von Margules in
Abschnitt 2.3 (Gleichung 2.11) - für eine mit der Zeit zunehmend abgeschwächte
Rückwärtsneigung der Okklusion sprechen.
In der okkludierten Frontalzone wird aufgrund der Zunahme der Vertikalgeschwindigkeit mit der Höhe die Luftsäule vertikal gestreckt. Daher erfolgt bei einer
trockenstabilen Schichtung eine Labilisierung. Diese totalzeitliche Abnahme der
statischen Stabilität, die mit dem “Stretching-Term” einhergeht, ist in Abbildung 4.25
a dargestellt. Im Gegensatz dazu kommt es vor allem hinter der Frontalzone zu einer
Stauchung der Luftsäule. Da in diesem postfrontalen Bereich die Luftmassen über der
Grenzschicht deutlich stärker absinken als in der gut durchmischten Grenzschicht, wird
die Luftsäule am Oberrand der Grenzschicht am stärksten gestaucht. Diese Abnahme
des vertikalen Abstandes der Isentropen führt zu einer Zunahme der Stabilität.
Die durch den “Stretching-Term” bedingte vertikale Frontogenese zieht sich in den
tiefen Schichten bis in jenen etwa 50km breiten Streifen, der für die Mittelung
der Temperaturgradienten und der Frontogenese-Prozesse hinter der eingezeichneten
Okklusion herangezogen worden ist. Da dieser Streifen größtenteils von der Frontalzone
eingenommen wird, überwiegt aber auch in diesem Bereich im Mittel, ebenso wie
vor der Front, die vertikale Streckung der Luftsäule. In jenen Regionen, in denen die
Stabilität für die Frontneigung entscheidend sein dürfte, kommt es also durch die mit
74
Analyse von ausgewählten Okklusionen
(a)
(b)
(c)
Abbildung 4.24: Vertikalschnitte entlang Achse AB mit horizontalen FrontogeneseProzessen (in 10−12 K2 m−2 s−1 ; Konturflächen): in (a) - horizontaler Scherungsterm der
Frontogenese-Funktion, in (b) - Konfluenzterm der Frontogenese-Funktion und in (c) - horizontale Frontogenese (horizontaler Konfluenzterm + horizontaler Scherungsterm + vertikaler
Scherungsterm); Isolinien der virtuellen potentiellen Temperatur Θv (in K; Konturlinien);
Mittelwerte der horizontalen Frontogenese-Prozesse (in 10−12 K2 m−2 s−1 ): hinter der Front
im Bereich der schwarz markierten Gitterpunkte (Region 1), vor der Front im Bereich der
weiß markierten Gitterpunkte (Region 2); okkludierte Front wie in Abbildung 4.22.
4.3 Okklusion mit Kaltfrontcharakter vom 26.01.2009
75
der Höhe zunehmende Hebung zu einer Abnahme der Stabilität. Diese Labilisierung
ist im oberen Bereich der okkludierten Frontalzone hinter der eingezeichneten Front
sogar etwas stärker ausgeprägt. Grund dafür ist die Rückwärtsneigung der Okklusion.
Diese geht nämlich mit maximaler Hebung einher und führt somit durch die Neigung
nach hinten stromaufwärts der maximalen Vertikalgeschwindigkeit zu einer stärkeren
Streckung der Luftsäule als stromabwärts.
kann, wie bereits bei den anderen
Neben der Beeinflussung der Stabilität über ∂w
∂z
Fallstudien gezeigt werden konnte, auch die vertikal unterschiedliche Temperaturadvektion zu signifikanten Änderungen der Stabilität führen. So bewirkt die mit der
Höhe größtenteils abnehmende Kaltluftadvektion hinter der in Abbildung 4.25 b
eingezeichneten Okklusion eine relativ starke, zeitliche Zunahme der Stabilität. Im
Gegensatz dazu sind die vertikal unterschiedlichen Temperaturadvektionen im vorderen Bereich der Frontalzone beziehungsweise vor der Front nur schwach ausgeprägt.
Überdies zeigt die Abbildung 4.25 b, dass der “Advektionsterm” postfrontal zwischen
500m und 600m über Meeresniveau zur stärksten Zunahme der Schichtungsstabilität
führt. Grund dafür ist die in diesem Bereich vorliegende starke vertikale Abnahme
des Horizontalwindes quer zur Front in Verbindung mit starken Θv -Gradienten.
Mit abnehmendem Abstand zur Meeresoberfläche führt die vertikal unterschiedliche
Temperaturadvektion allmählich zu einer leichten Labilisierung. Es kann angenommen
werden, dass diese in der oberflächennahen Schicht auf den Reibungseinfluss der
Meeresoberfläche zurückzuführen ist. Durch die turbulente Schubspannung kommt es
nämlich zu einer Abnahme der Windgeschwindigkeit je näher die Meeresoberfläche
ist. Folglich nimmt die Kaltluftadvektion hinter der Okklusion in der untersten,
oberflächennahen Schicht mit der Höhe zu.
Wie in Abbildung 4.25 c ersichtlich ist, kommt es postfrontal durch die kinematischdynamischen Frontogenese-Prozesse im Mittel zu einer Zunahme der statischen
Stabilität, während sie präfrontal abnimmt. Für die zeitliche Änderung der mittleren Stabilitätsdifferenz zwischen den prä- und postfrontalen Luftmassen ist dabei
hauptsächlich die vertikal unterschiedliche Temperaturadvektion verantwortlich. Dies
wird aus dem Vergleich der Abbildungen 4.25 a und b ersichtlich.
Aus der Stabilitätsanalyse in Abschnitt 4.3.2 ist hervorgegangen, dass sich die
vorliegende Okklusion mit Kaltfrontcharakter über die statisch stabilere Luftmasse
neigt. Da sich die okkludierte Front gemäß Gleichung 2.15 umso stärker in Richtung
der Horizontalebene neigt, je größer der prä- und postfrontale Stabilitätsunterschied
ist und je kleiner die horizontalen Θv -Gradienten quer zur Front sind, bewirken
die kinematisch-dynamischen Frontogenese-Prozesse im vorliegenden Fall folgendes:
76
Analyse von ausgewählten Okklusionen
(a)
(b)
(c)
Abbildung 4.25: Vertikalschnitte entlang Achse AB mit vertikalen Frontogenese-Prozessen
(in 10−8 K2 m−2 s−1 ; Konturflächen): in (a) - “Stretching-Term”, in (b) - “Advektionsterm”
und in (c) - vertikale Frontogenese (“Stretching-Term” + “Advektionsterm”); Isolinien
der virtuellen potentiellen Temperatur Θv (in K; Konturlinien); Mittelwerte der vertikalen
Frontogenese-Prozesse (in 10−8 K2 m−2 s−1 ): hinter der Front im Bereich der schwarz markierten Gitterpunkte (Region 1), vor der Front im Bereich der weiß markierten Gitterpunkte
(Region 2); okkludierte Front wie in Abbildung 4.22.
4.3 Okklusion mit Kaltfrontcharakter vom 26.01.2009
77
Durch die totalzeitliche Zunahme der mittleren Stabilitätsdifferenz zwischen den
prä- und postfrontalen Luftmassen kippt die Okklusion mit Kaltfrontcharakter mit
der Zeit eher weiter nach hinten. Die Zunahme der Rückwärtsneigung wird dabei
durch die wesentlich kleinere zeitliche Änderung der horizontalen Θv -Gradienten nicht
signifikant modifiziert. So sollten vor allem die vertikalen Frontogenese-Prozesse unter
Vernachlässigung der diabatischen thermodynamischen Vorgänge zu einer mit der Zeit
zunehmenden Rückwärtsneigung führen.
Zusammengefasst ergibt die Analyse der Frontogenese-Prozesse bei dieser Okklusion
mit Kaltfrontcharakter folgendes:
• Während in den tieferen Schichten der okkludierten Frontalzone im vorliegenden Fall die horizontale Frontogenese überwiegt, ist im oberen Bereich der
Okklusion die horizontale Frontolyse stärker ausgeprägt. Die Zunahme der horizontalen Θv -Gradienten in Bodennähe wird dabei vor allem durch die stark konfluente Strömung bestimmt. Die Abnahme der horizontalen Θv -Gradienten ist
hauptsächlich auf die horizontale Scherung des Vertikalwindes zurückzuführen.
• Durch die mittlere horizontale Frontolyse an der Rückseite und die leichte, mittlere horizontale Frontogenese an der Vorderseite der Okklusion wird der mittlere
Temperaturunterschied zwischen dem vorderen und hinteren Bereich der Frontalzone etwas abgebaut.
• In der Frontalzone bewirkt die vertikale Streckung der Luftsäule eine Labilisierung.
• An der Rückseite der Okklusion führt die mit der Höhe abnehmende Kaltluftadvektion zu einer Erhöhung der Schichtungsstabilität, wodurch die Destabilisierung durch die Streckung der Luftsäule überkompensiert wird. An der Vorderseite
wird die Labilisierung durch vertikal unterschiedliche Temperaturadvektion hingegen kaum modifiziert. Dadurch kommt es insgesamt zu einer Erhöhung des
mittleren Stabilitätsunterschiedes quer zur Front.
• Die adiabatischen vertikalen Frontogenese-Prozesse sprechen gemäß dem “Stabilitätskriterium” bei dieser Okklusion mit Kaltfrontcharakter für eine mit der Zeit
zunehmende Rückwärtsneigung.
78
Kapitel 5
Diskussion und Schlussfolgerung
Die Fallstudien in Kapitel 4 beziehen sich auf Okklusionen, bei denen der klassische
Okklusions-Prozess (“Einhol-Prozess”) nach dem “Norwegischen Modell” stattgefunden hat. In Bezug auf dieses konzeptionelle Modell sind jedoch zwei wichtige Modifikationen, die auch aus den Fallstudien dieser Arbeit hervorgehen, notwendig. Diese
lauten:
• Fronten werden in Bezug auf die potentielle Temperatur durch eine Diskontinuitätsfläche erster Ordnung wesentlich besser beschrieben als durch eine Diskontinuitätsfläche nullter Ordnung (vgl. Stoelinga et al. 2002, S.711).
• Fronten dürfen nicht als materielle Grenzflächen, welche keinen Luftmassenaustausch, keine Frontogenese und keine Querzirkulation erlauben, betrachtet werden (vgl. Kraus 2004, S.298). Dabei können insbesondere die Vertikalwinde einer
Okklusion nicht über Prozesse erklärt werden, bei denen die weniger kalte Luft
entlang der Frontfläche auf die kältere aufgleitet oder bei denen sich die kältere
Luft entlang einer Grenzfläche unter die weniger kalte schiebt (vgl. Schultz und
Mass 1993, S.926). Die Vertikalbewegungen werden vielmehr durch Konvergenz
und Divergenz im Bereich der Frontalzone induziert.
Die erste Modifikation deutet darauf hin, dass das “Stabilitätskriterium”, welches auf
dem Prinzip einer Temperaturdiskontinuität erster Ordnung basiert, dem “Temperaturkriterium” vorzuziehen ist. Es muss aber bedacht werden, dass eine Analyse der
Frontneigung anhand der großräumigen prä- und postfrontalen Stabilität nur möglich
ist, wenn angenommen wird, dass die Diskontinuitätsfläche breite Zonen mit nahezu
einheitlichen Temperaturgradienten voneinander trennt. Diese Annahme wird Beispielen von mesoskaligen Modellsimulationen zufolge erfüllt (vgl. Stoelinga et al. 2002,
S.719). Anhand der Fallstudien konnte jedoch gezeigt werden, dass diese Annahme
nicht immer erfüllt wird und daher das “Stabilitätskriterium” nur bedingt für die Bestimmung des Okklusionstyps anwendbar ist. So haben etwa die Vertikalschnitte quer
79
80
Diskussion und Schlussfolgerung
zu den Okklusionen verdeutlicht, dass sowohl die Stabilität als auch der horizontale
Temperaturgradient vor und hinter der Front keinesfalls homogen sind. Trotzdem ist eine Mittelung der Temperaturgradienten über zumindest 2 Gitterpunkte stromauf- und
stromabwärts der Okklusionen durchgeführt worden, um anhand der mittleren Gradienten einerseits die Robustheit des “Stabilitätskriteriums” zu testen und andererseits
die Frontenstruktur mittels der Analyse des numerischen Gitterboxmodells ausreichend
zu erfassen. Die Fallstudien haben dabei folgende Grenzen beziehungsweise Schwächen
des “Stabilitätskriteriums” aufgezeigt:
• Bei einer nahezu neutralen Okklusion ist eine Analyse der mittleren Stabilität in
breiten Zonen vor und hinter der Frontalzone für die Bestimmung des Okklusionstyps nicht geeignet. Für die Erfassung geringer Frontneigungen anhand des “Stabilitätskriteriums” muss sich die Stabilitätsanalyse nämlich auf kleine Bereiche
der Frontalzone selbst beschränken. Im vorliegenden Fall in Kapitel 4 konnte diese
Analyse auf Grund der unzureichenden Modellauflösung jedoch nicht zufriedenstellend durchgeführt werden.
• Eine Okklusion mit Warmfrontcharakter neigt sich nicht zwangsläufig über die
stabiler geschichtete Luftmasse, wenn der Einfluss von gesättigter Luft auf die
Stabilität berücksichtigt wird. Eine gesättigte Luftmasse ist nämlich bei gleichem
vertikalen Temperaturgradienten weniger stabil geschichtet als eine ungesättigte.
So führen die typischerweise größeren gesättigten Luftvolumina vor der Front zu
einer stärkeren Abnahme der statischen Schichtungsstabilität als hinter derselben.
In Kapitel 4 konnte gezeigt werden, dass es nicht nur Okklusionen mit Warmfrontcharakter und nahezu neutrale Okklusionen gibt, sondern auch Okklusionen mit Kaltfrontcharakter. Die Fallstudien beinhalten somit im Gegensatz zur Studie von Stoelinga
et al. (2002) eine Okklusion mit nach hinten geneigter Frontfläche. So konnte durch die
ECMWF-Analysedaten vom 26.01.2009 nicht nur anhand klassischer Frontmerkmale, sondern auch dem “Stabilitätskriterium” zufolge eine Okklusion mit Kaltfrontcharakter identifiziert werden. Die Stabilitätsanalyse in der Umgebung der okkludierten
Front lässt dabei folgende Schlussfolgerung zu: Eine Okklusion mit nach hinten geneigter Frontfläche sollte sich nicht nur unter Annahme einer ungesättigten Atmosphäre
über die statisch stabiler geschichtete Luftmasse neigen. Die Analyse der Stabilität
im Bereich der Okklusion mit Kaltfrontcharakter hat nämlich gezeigt, dass die Stabilitätsunterschiede quer zur Front sogar größtenteils verstärkt werden, wenn
• der Einfluss von gesättigter Luft auf die Stabilität berücksichtigt oder
• die potentielle Instabilität miteinbezogen wird (Ausnahme: bodennahe Grenzschicht).
81
Zusammengefasst können anhand der Stabilitätsanalyse bei der Okklusion mit Warmfrontcharakter, der neutralen Okklusion und der Okklusion mit Kaltfrontcharakter in
Kapitel 4 folgende Schlussfolgerungen gezogen werden:
• Bei einer Okklusion sollte nicht angenommen werden, dass sie breite Zonen mit
nahezu einheitlichen vertikalen Temperaturgradienten voneinander trennt.
• Die Aussage des “Stabilitätskriteriums”, eine Okklusion müsse sich über die
stabiler geschichtete Luftmasse neigen, ist nur bedingt gültig. Wird die okkludierte Front als Frontfläche und Temperaturdiskontinuität erster Ordnung approximiert, ist diese Schlussfolgerung bei Okklusionen mit Kaltfrontcharakter
höchstwahrscheinlich richtig, bei Okklusionen mit Warmfrontcharakter trifft diese jedoch nicht zwingend zu.
• Bei Betrachtung einer Okklusion als Frontalzone neigt sich diese nicht
zwangsläufig über die stabiler geschichtete Luftmasse. Wie die Fallstudien gezeigt haben, kann bei einer stabileren Schichtung hinter der Frontalzone nämlich
auch eine nahezu neutrale (senkrechte) Okklusion vorliegen.
Wird eine Okklusion in Bezug auf die potentielle Temperatur als Diskontinuitätsfläche
erster Ordnung approximiert, sollte bei der Anwendung des “Stabilitätskriteriums”
nach Stoelinga et al. (2002) folgendes für die Bestimmung des Okklusionstyps bedacht
werden: Eine Okklusion neigt sich nur unter Annahme homogen ungesättigter oder
gesättigter Luft in jedem Fall über die stabiler geschichtete Luftmasse.
Die soeben diskutierten wichtigsten Ergebnisse, welche die Anwendung des “Stabilitätskriteriums” bei den analysierten Okklusionen geliefert hat, sind in Tabelle 5.1
noch einmal zusammengefasst.
Neben der Prüfung des Okklusionstyps nach dem “Stabilitätskriterium” konnte anhand
von Fallstudien der Einfluss kinematisch-dynamischer Frontogenese-Prozesse auf die
für die Frontneigung relevanten prä- und postfrontalen Θv -Gradienten geprüft werden.
Ein zunehmender prä- und postfrontaler Stabilitätsunterschied und abnehmende
horizontale Θv -Gradienten sprechen gemäß Gleichung 2.15 dafür, dass die Okklusion
mit der Zeit stärker “kippt”.
Anhand der frontogenetischen Prozesse konnte gezeigt werden, dass vor allem junge
Okklusionen keinesfalls schwach und dynamisch inaktiv sind (vgl. Schultz und Mass
1993, S.933ff.). In den oberflächennahen Schichten überwiegt in der okkludierten Frontalzone meist die horizontale Frontogenese, während in höher gelegenen Bereichen eher
die horizontale Frontolyse dominiert. Die Zunahme der horizontalen Θv -Gradienten
ist dabei vorwiegend auf den Konfluenzterm zurückzuführen, während die Abnahme
82
Diskussion und Schlussfolgerung
der horizontalen Θv -Gradienten hauptsächlich mit dem vertikalen Scherungsterm
einhergeht.
In der okkludierten Frontalzone ist die horizontale Massenflusskonvergenz in den tiefer
gelegenen Bereichen an eine vertikale Massenflussdivergenz gekoppelt. Diese drückt
sich durch mit der Höhe zunehmende Hebungsvorgänge aus. Neben der Modifikation
der Stabilität durch vertikale Divergenz und Konvergenz (“Stretching-Term” der vertikalen Frontogenese) können auch vertikal unterschiedliche Temperaturadvektionen
(“Advektionsterm”) zu einer signifikanten Änderung der vertikalen Temperaturgradienten im Bereich der okkludierten Front führen. Bei der analysierten Okklusion
mit Warmfrontcharakter ist der für die Frontneigung relevante prä- und postfrontale
Stabilitätsunterschied hauptsächlich durch den “Stretching-Term” modifiziert worden.
Im Gegensatz dazu ist bei der nahezu neutralen Okklusion und bei der Okklusion
mit Kaltfrontcharakter der “Advektionsterm” für die zeitliche Änderung der Stabilitätsgegensätze quer zur Front entscheidender gewesen. Folgende Schlussfolgerung
scheint naheliegend: Der für die Frontneigung relevante prä- und postfrontale Stabilitätsunterschied wird bei stärker geneigten Okklusionen hauptsächlich durch den
“Stretching-Term”, bei schwach geneigten Okklusionen hingegen entscheidender durch
den “Advektionsterm” modifiziert. Folgende Änderungen sind dabei für Okklusionen
mit Warm- und Kaltfrontcharakter typisch:
• Bei einer Okklusion mit Warmfrontcharakter kommt es auf Grund der
Vorwärtsneigung präfrontal eher zu einer Streckung der Luftsäule und somit zu
einer Abnahme der Stabilität, während postfrontal eher eine Stauchung und daher eine Zunahme der Stabilität erfolgt. Dadurch ergibt sich eine Abschwächung
der Stabilitätsunterschiede quer zur Front, wodurch dem “Stabilitätskriterium”
zu Folge eine mit der Zeit abnehmende Vorwärtsneigung unterstützt wird.
• Bei einer Okklusion mit Kaltfrontcharakter kann die mit der Höhe im Mittel
stark abnehmende postfrontale Kaltluftadvektion zu einer Erhöhung des präund postfrontalen Stabilitätsunterschiedes führen. Dadurch wird ein stärkeres
nach “Hinten-Kippen” der Okklusion unterstützt.
Da die kinematisch-dynamischen Frontogenese-Prozesse im Fall einer Okklusion
mit Warmfrontcharakter typischerweise eine Abschwächung des mittleren prä- und
postfrontalen Stabilitätsunterschiedes bewirken, im Fall einer Okklusion mit Kaltfrontcharakter hingegen durchaus zu einer Zunahme des mittleren prä- und postfrontalen
Stabilitätsunterschiedes führen können, erscheint es plausibel, folgende Hypothese
aufzustellen: Bei einer nach vorne geneigten Okklusion sprechen die vertikalen
frontogenetischen Prozesse eher dafür, dass der für den Okklusionstyp entscheidende
mittlere Stabilitätsgegensatz quer zur Front bereits vor dem Okklusionsprozess
83
vorhanden ist. Im Gegensatz dazu sprechen bei einer nach hinten geneigten Okklusion
die kinematisch-dynamischen Frontogenese-Prozesse dafür, dass sich der für die
Frontneigung relevante Stabilitätsgegensatz unter Umständen erst im Zuge des
Okklusionsprozesses ausbilden könnte.
Stoelinga et al. (2002) werfen in ihrer Studie indirekt eine interessante Frage auf
- nämlich ob es möglich ist, auf Basis der diagnostischen Beziehung des “Stabilitätskriteriums” auch eine prognostische Beziehung abzuleiten. So könnte laut Stoelinga et al. (2002) vor dem Okklusionsprozess der Kontrast der Schichtungsstabilität
zwischen den beiden kalten Luftmassen vor der Warm- und hinter der Kaltfront den
Okklusionstyp bestimmen. Anhand der Fallstudien konnten aber folgende Indikatoren,
die in Hinblick auf diesen einfachen kausalen Zusammenhang Zweifel schüren beziehungsweise die Ableitung einer prognostischen Beziehung erschweren, gefunden werden:
• Die prä- und postfrontale Stabilität ist keinesfalls homogen.
• Die für die Frontneigung relevanten horizontalen und vertikalen Temperaturgradienten unterliegen Veränderungen, die aus frontogenetischen und frontolytischen
Prozessen hervorgehen.
Es konnte somit in dieser Arbeit gezeigt werden, dass sowohl bei Anwendung des
“Stabilitätskriteriums” als auch bei einfachen Schlussfolgerungen in Bezug auf etwaige
prognostische Beziehungen Vorsicht geboten ist. Trotzdem kann diese diagnostische
Beziehung dazu beitragen, ein besseres Verständnis über Okklusionen zu schaffen. Um
alle Möglichkeiten in Hinblick auf das “Stabilitätskriterium” ausschöpfen zu können,
müssen noch zahlreiche Fragen beantwortet werden. Zur Zeit sind beispielsweise noch
folgende herausfordernde Fragen offen:
• Welche der folgenden Prozesse sind für die Ausbildung der für die Frontneigung
relevanten Stabilitätsgegensätze am wichtigsten?
– Thermodynamische vertikale Frontogenese-Prozesse, die vor und hinter der
Front eine diabatische Zustandsänderung beschreiben (z.B. differentielle diabatische Erwärmungen durch unterschiedlichen Bedeckungsgrad; variable
turbulente Wärmeflüsse über einer Wasseroberfläche);
– kinematische vertikale Frontogenese-Prozesse (z.B. vertikal unterschiedliche
Temperaturadvektion durch Grenzschichtreibung und in Abhängigkeit von
der Grenzschichthöhe; differentielle vertikale Massenflusskonvergenz und divergenz);
84
Diskussion und Schlussfolgerung
– dynamische vertikale Frontogenese-Prozesse, die durch diabatische und kinematische Frontogenese-Prozesse ausgelöst werden (Sekundärzirkulationen);
• Wann bilden sich die für die Frontneigung relevanten Stabilitätsunterschiede bevorzugt aus (vor oder während dem Okklusionsprozess)?
• Welchen Einfluss haben die vor der Warm- und hinter der Kaltfront ausgebildeten
Stabilitätsunterschiede auf die Frontogenese-Prozesse?
• Bestimmen die prä- und postfrontalen Stabilitätsunterschiede vor dem
Okklusionsprozess auch unter Berücksichtigung frontogenetischer Prozesse den
späteren Okklusionstyp?
85
Qualitative Analyse des Okklusionstyps unter
Anwendung des “Stabilitätskriteriums” anhand von
∂Θv
∂Θe
∂Θv
e
Okklusionstyp
& ∂Θ
∂z
∂z
∂z
∂z
Warmfrontcharakter +
+
–
Kaltfrontcharakter
+
+
+
nahezu neutral
+/+/k.A.
+ ... zuverlässig, – ... nicht zuverlässig, +/- ... bedingt zuverlässig,
k.A. ... keine Angabe
∂Θv
... Annahme einer homogen ungesättigten Atmosphäre,
∂z
∂Θe
... Annahme einer homogen gesättigten Atmosphäre,
∂z
∂Θv
e
& ∂Θ
... Berücksichtigung der unterschiedlichen Stabilitätskriterien
∂z
∂z
in gesättigter und ungesättigter Luft
Tabelle 5.1: Die Tabelle zeigt die zwei Grenzen des “Stabilitätskriteriums” auf: Erstens ist
eine zuverlässige Identifizierung einer Okklusion mit Warmfrontcharakter anhand der präund postfrontalen Stabilität nur möglich, wenn angenommen wird, dass die Atmosphäre entweder homogen gesättigt oder ungesättigt ist. Zweitens darf das “Stabilitätskriterium” bei
einer nahezu neutralen Okklusion nur in sehr schmalen Streifen der Frontalzone selbst angewandt werden, um die Bestimmung einer etwaigen geringen Vorwärts- oder Rückwärtsneigung
der Front zu ermöglichen. Der Grund dafür ist, dass eine Okklusion keinesfalls breite Zonen
mit einheitlichen Temperaturgradienten voneinander trennt.
86
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90
Abbildungsverzeichnis
1.1
2.1
2.2
2.3
Schematische Darstellungen von Okklusionen mit Warmfrontcharakter
(links) und Kaltfrontcharakter (rechts). In den oberen Abbildungen erfolgt die Bestimmung des Okklusionstyps gemäß dem “Temperaturkriterium”, in den unteren anhand des “Stabilitätskriteriums”. Θ steht dabei
für die potentielle Temperatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
Die schematische Abbildung zeigt, wie aus einer potentiell instabilen
Schicht AB durch Hebung eine bedingt instabile Schicht A”B” wird
(nach Bohren und Albrecht 1998, S.313). Zu Beginn ist die isotherme
Schicht AB absolut stabil. Da die untere Luftmasse A feuchter ist als die
obere B, ist A im Zuge der Hebung schneller gesättigt als B. A erreicht
also das Hebungskondensationsniveau A’ rascher als B das Hebungskondensationsniveau B’. Während sich die Temperatur der ungesättigten
Luft zwischen A und A’ beziehungsweise B und B’ mit dem trockenadiabatischen Temperaturgradienten ändert, nimmt die Temperatur der
gesättigten Luft zwischen A’ und A” sowie B’ und B” mit dem feuchtadiabatischen Temperaturgradienten ab. Nach der Hebung ist die Schicht
A”B” potentiell instabil. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
“Norwegisches Modell”: Der Lebenslauf einer (Mittelbreiten-)Zyklone
aus der Publikation von Bjerknes und Solberg (1922); Fronten sind
gestrichelt dargestellt. Ausgezogen erscheinen die Stromlinien bei der
Warmluft mit roten, bei der Kaltluft mit blauen Pfeilen. Die Niederschlagsgebiete sind gepunktet dargestellt. (nach Kraus 2004, S.293) . .
12
Shapiro-Keyser Modell: Der Lebenslauf einer marinen, extratropischen
Zyklone: (I) Ausgangszustand bei der Bildung der Frontalzyklone; (II)
Fronten-Bruch (Bruch der Kaltfront); (III) zurückgebogene Warmfront
und Hammerkopf-Front (“T-bone-front”); (IV) “warm-core frontal seclusion”; obere Abbildung: Isobaren auf Meeresniveau, Fronten (Warmfront - rot, Kaltfront - blau) und Wolken-Signaturen; untere Abbildung:
Isothermen und Stromlinien (bei der Warmluft mit roten, bei der Kaltluft mit blauen Pfeilen); (nach Schultz und Mass 1993, S.925) . . . . .
15
91
92
ABBILDUNGSVERZEICHNIS
2.4
2.5
2.6
3.1
4.1
4.2
Schematischer Vertikalschnitt orthogonal zu einer idealisierten
Okklusion (nach Stoelinga et al. 2002, S.715): Linien gleicher potentieller Temperatur (Isentropen) sind schwarz eingezeichnet, Fronten
sind in Farbe dargestellt (Okklusion - magenta; Kaltfront - blau; Warmfront - rot). Die potentielle Temperatur Θ nimmt mit ansteigendem
Index zu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
Zur Verdeutlichung der unterschiedlichen Frontogenese-Prozesse (I horizontaler Konfluenzterm, II horizontaler Scherungsterm, III vertikaler
Scherungsterm, IV Heizungsterm) sind diese für die x-Komponente der
Frontogenese-Funktion dargestellt. (aus Kraus 2004, S.305) . . . . . . .
21
Die Vertikalschnitte zeigen eine idealisierte, dynamische Frontogenese
(aus Stull 2000, S.270): (a) Der Ausgangszustand (dünne Linien) wird
durch Konfluenz modifiziert (dicke Linien). (b) Ageostrophische Querzirkulation (Sawyer-Eliassen Zirkulation), (c) Endzustand (“Gleichgewichtszustand”); Frontalzonen sind schattiert, Isobaren als Linien und
ageostrophische Winde als Pfeile dargestellt. . . . . . . . . . . . . . . .
22
Grafische Darstellung der einseitigen Differenzen (grün - vorwärts, blau
- rückwärts) und der zentrierten Differenzen (rot). . . . . . . . . . . . .
28
Horizontalschnitte (Atlantik- und Europaausschnitt), am 12.09.2006
(00UTC): in (a) geopotentielle Höhe in dm und Isotachen in ms−1 der
300hPa-Druckfläche und in (b) äquivalentpotentielle Temperatur in ◦ C
und geopotentielle Höhe in dm der 850hPa-Druckfläche; Fronten auf der
850hPa-Druckfläche (Kaltfront - blau; primäre Warmfront - rot; alte
Okklusion mit allmählichem Übergang in eine sekundäre Warmfront schwarz). Quelle: ECMWF-Analysearchiv des Instituts für Meteorologie
und Geophysik Innsbruck (IMGI). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
Horizontalschnitt durch die Okklusion (13.09.2006, 00UTC) in 1500m
Höhe: Isolinien der virtuellen potentiellen Temperatur (in K; Konturlinien); relative Feuchte zwischen 80% und 100% in Grüntönen; Horizontalwind in ms−1 mit roten Pfeilen; Lage des zu analysierenden Vertikalschnittes zwischen A und B - rote Linie; Fronten - strichlierte Farblinien
(Okklusion - magenta; Kaltfront - blau; sekundäre Warmfront, die am
Okklusionsprozess beteiligt ist - hellrot; primäre Warmfront - dunkelrot). 34
ABBILDUNGSVERZEICHNIS
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
93
Okklusion vom 13.09.2006 (00UTC): Isoflächen der relativen Feuchte
f von 98% und 100% in Grüntönen; Isentropen-Fläche der virtuellen
potentiellen Temperatur (Θv = 295K) in blau - Regionen mit tieferen
Θv -Werten in hellblau; Horizontalwind in 1000m Höhe in Form von roten Pfeilen; Lage der Kalt- und sekundären Warmfront auf Meeresniveau
- blau und rot strichlierte Linien; Lage des zu analysierenden Vertikalschnittes quer zur Okklusion - schwarz. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
Vertikalschnitt durch die Okklusion (13.09.2006, 00UTC) entlang Achse
AB: Isolinien der virtuellen potentiellen Temperatur (in K; Konturlinien); relative Feuchte zwischen 80% und 100% in Grüntönen; Horizontalwind entlang des Querschnitts (in ms−1 ; blaue und weiße Pfeile); Vertikalwind (in Pas−1 ; rote Pfeile); Fronten - strichlierte Farblinien
(Okklusion - magenta, Kaltfront - blau, Warmfront - rot). . . . . . . . .
36
Vertikalschnitte entlang Achse AB: Isolinien der virtuellen potentiellen Temperatur Θv (in K; Konturlinien) mit (a) horizontalen Θv Gradienten entlang des Querschnitts in K(100km)−1 und (b) vertikalen
Θv -Gradienten in K(100m)−1 - Konturflächen; Fronten wie in Abbildung
4.4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37
Vertikalschnitte entlang Achse AB: in (a) vertikale Θv -Gradienten, in (b)
vertikale Θv -Gradienten in ungesättigter sowie vertikale Θe -Gradienten
in gesättigter Luft (ab einer relativen Feuchte von 100%) und in (c)
vertikale Θe -Gradienten in K(100m)−1 - Konturflächen; Isentropen (a, b:
Θv in K; c: Θe in K) - Konturlinien; mittlere horizontale und vertikale Θv und Θe -Gradienten: hinter der Front im Bereich der blau und schwarz
markierten Gitterpunkte (Region 1), vor der Front im Bereich der rot
markierten Gitterpunkte (Region 2); okkludierte Front wie in Abbildung
4.4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
Vertikalschnitt entlang Achse AB: horizontaler Scherungsterm der
Frontogenese-Funktion (in 10−13 K2 m−2 s−1 ; Konturflächen); Isolinien der
virtuellen potentiellen Temperatur (in K; Konturlinien in Grautönen);
Fronten wie in Abbildung 4.4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
94
ABBILDUNGSVERZEICHNIS
4.8
Vertikalschnitte entlang Achse AB mit horizontalen FrontogeneseProzessen (in 10−13 K2 m−2 s−1 ; Konturflächen): in (a) - horizontaler
Scherungsterm der Frontogenese-Funktion, in (b) - Konfluenzterm der
Frontogenese-Funktion und in (c) - horizontale Frontogenese (horizontaler Konfluenzterm + horizontaler Scherungsterm + vertikaler Scherungsterm); Isolinien der virtuellen potentiellen Temperatur Θv (in K;
Konturlinien); Mittelwerte der horizontalen Frontogenese-Prozesse (in
10−13 K2 m−2 s−1 ): hinter der Front im Bereich der schwarz markierten
Gitterpunkte (Region 1), vor der Front im Bereich der weiß markierten
Gitterpunkte (Region 2); okkludierte Front wie in Abbildung 4.6. . . .
45
Vertikalschnitte entlang Achse AB mit vertikalen FrontogeneseProzessen (in 10−8 K2 m−2 s−1 ; Konturflächen): in (a) - “StretchingTerm”, in (b) - “Advektionsterm” und in (c) - vertikale Frontogenese
(“Stretching-Term” + “Advektionsterm”); Isolinien der virtuellen potentiellen Temperatur Θv (in K; Konturlinien); Mittelwerte der vertikalen Frontogenese-Prozesse (in 10−13 K2 m−2 s−1 ): hinter der Front im
Bereich der schwarz markierten Gitterpunkte (Region 1), vor der Front
im Bereich der weiß markierten Gitterpunkte (Region 2); okkludierte
Front wie in Abbildung 4.6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46
4.10 Horizontalschnitte (Atlantik- und Europaausschnitt), am 20.04.2008 um
00 UTC (oben) und 12 UTC (unten): in (a) und (c) geopotentielle Höhe
in dm und relative Vorticity in 10−5 s−1 der 500hPa-Druckfläche; in (b)
und (d) äquivalentpotentielle Temperatur in ◦ C und geopotentielle Höhe
in dm der 850hPa-Druckfläche; Fronten auf der 850hPa-Druckfläche: in
(b) und (d) in Farbe (Okklusion - magenta, Kaltfront - blau, Warmfront
- rot), in (a) und (c) mit schwarz strichlierten Linien. Quelle: ECMWFAnalysearchiv (IMGI). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49
4.11 Horizontalschnitt durch die Okklusion (21.04.2008, 00UTC) in 500m
Höhe: Isolinien der virtuellen potentiellen Temperatur (in K; Konturlinien); relative Feuchte zwischen 80% und 100% in Grüntönen; Horizontalwind in ms−1 mit roten Pfeilen; Lage des zu analysierenden Vertikalschnittes zwischen A und B - rote Linie; Fronten - strichlierte Farblinien
(Okklusion - magenta; Kaltfront - blau; Warmfront - rot). . . . . . . . .
50
4.12 Vertikalschnitt durch die Okklusion (21.04.2008, 00UTC) entlang Achse
AB: Isolinien der virtuellen potentiellen Temperatur (in K; Konturlinien); relative Feuchte zwischen 80% und 100% in Grüntönen; Horizontalwind entlang des Querschnitts (in ms−1 ; blaue und weiße Pfeile); Vertikalwind (in Pas−1 ; rote Pfeile); Fronten - strichlierte Farblinien
(Okklusion - magenta, Kaltfront - blau, Warmfront - rot). . . . . . . . .
51
4.9
ABBILDUNGSVERZEICHNIS
95
4.13 Vertikalschnitte entlang Achse AB: Isolinien der virtuellen potentiellen Temperatur Θv (in K; Konturlinien) mit (a) horizontalen Θv Gradienten entlang des Querschnitts in K(100km)−1 und (b) vertikalen
Θv -Gradienten in K(100m)−1 - Konturflächen; Fronten wie in Abbildung
4.12. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53
4.14 Vertikalschnitte entlang Achse AB: in (a) horizontale Θv -Gradienten entlang des Querschnitts in K(100km)−1 , in (b) vertikale Θv -Gradienten in
K(100m)−1 und in (c) vertikale Θe -Gradienten in K(100m)−1 - Konturflächen; Isentropen (a, b: Θv in K; c: Θe in K) - Konturlinien; mittlere
horizontale und vertikale Θv - und Θe -Gradienten: hinter der Front im Bereich der schwarz markierten Gitterpunkte (Region 1), vor der Front im
Bereich der rot markierten Gitterpunkte (Region 2); okkludierte Front
wie in Abbildung 4.12. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54
4.15 Vertikalschnitt entlang Achse AB: Konfluenzterm der FrontogeneseFunktion (in 10−12 K2 m−2 s−1 ; Konturflächen); Isolinien der virtuellen potentiellen Temperatur (in K; Konturlinien in Grautönen). Fronten wie
in Abbildung 4.12. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
58
4.16 Vertikalschnitte entlang Achse AB mit horizontalen FrontogeneseProzessen (in 10−12 K2 m−2 s−1 ; Konturflächen): in (a) - vertikaler Scherungsterm der Frontogenese-Funktion und in (b) - horizontale Frontogenese (horizontaler Konfluenzterm + horizontaler Scherungsterm + vertikaler Scherungsterm); Isolinien der virtuellen potentiellen Temperatur Θv (in K; Konturlinien); Mittelwerte der horizontalen FrontogeneseProzesse (in 10−12 K2 m−2 s−1 ): hinter der Front im Bereich der grau markierten Gitterpunkte (Region 1), vor der Front im Bereich der weiß markierten Gitterpunkte (Region 2); okkludierte Front wie in Abbildung 4.14. 59
4.17 Vertikalschnitte entlang Achse AB mit vertikalen FrontogeneseProzessen (in 10−8 K2 m−2 s−1 ; Konturflächen): in (a) - “StretchingTerm”, in (b) - “Advektionsterm” und in (c) - vertikale Frontogenese
(“Stretching-Term” + “Advektionsterm”); Isolinien der virtuellen potentiellen Temperatur Θv (in K; Konturlinien); Mittelwerte der vertikalen Frontogenese-Prozesse (in 10−8 K2 m−2 s−1 ): hinter der Front im Bereich der grau markierten Gitterpunkte (Region 1), vor der Front im
Bereich der weiß markierten Gitterpunkte (Region 2); okkludierte Front
wie in Abbildung 4.14. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
60
96
ABBILDUNGSVERZEICHNIS
4.18 Horizontalschnitte (Atlantik- und Europaausschnitt), am 25.01.2009
(12UTC): in (a) geopotentielle Höhe in dm und Isotachen in ms−1 der
300hPa-Druckfläche und in (b) äquivalentpotentielle Temperatur in ◦ C
und geopotentielle Höhe in dm der 850hPa-Druckfläche; Fronten auf der
850hPa-Druckfläche - in (b) in Farbe (Kaltfront - blau, Warmfront - rot,
Okklusion - violett) und in (a) mit schwarz strichlierten Linien. Quelle:
ECMWF-Analysearchiv (IMGI). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
63
4.19 Horizontalschnitt durch die Okklusion (26.01.2009, 12UTC) in 500m
Höhe: Isolinien der virtuellen potentiellen Temperatur (in K; Konturlinien); relative Feuchte zwischen 80% und 100% in Grüntönen; Horizontalwind in ms−1 mit roten Pfeilen; Lage des zu analysierenden Vertikalschnittes zwischen A und B - rote Linie; Fronten - strichlierte Farblinien
(Okklusion - magenta; Kaltfront - blau; Warmfront - rot). . . . . . . . .
65
4.20 Vertikalschnitt durch die Okklusion (26.01.2009, 12UTC) entlang Achse
AB: Isolinien der virtuellen potentiellen Temperatur (in K; Konturlinien); relative Feuchte zwischen 80% und 100% in Grüntönen; Horizontalwind entlang des Querschnitts (in ms−1 ; blaue und weiße Pfeile); Vertikalwind (in Pas−1 ; rote Pfeile); Fronten - strichlierte Farblinien
(Okklusion - magenta, Kaltfront - blau, Warmfront - rot). . . . . . . . .
66
4.21 Vertikalschnitte entlang Achse AB: Isolinien der virtuellen potentiellen Temperatur (in K; Konturlinien) mit (a) horizontalen Θv Gradienten entlang des Querschnitts in K(100km)−1 und (b) vertikalen
Θv -Gradienten in K(100m)−1 - Konturflächen; Fronten wie in Abbildung
4.20. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
68
4.22 Vertikalschnitte entlang Achse AB: in (a) vertikale Θv -Gradienten, in (b)
vertikale Θv -Gradienten in ungesättigter sowie vertikale Θe -Gradienten
in gesättigter Luft (ab einer relativen Feuchte von 100%) und in (c)
vertikale Θe -Gradienten in K(100m)−1 - Konturflächen. Isentropen (a, b:
Θv in K; c: Θe in K) - Konturlinien; mittlere horizontale und vertikale Θv und Θe -Gradienten: hinter der Front im Bereich der schwarz markierten
Gitterpunkte (Region 1), vor der Front im Bereich der rot markierten
Gitterpunkte (Region 2); okkludierte Front wie in Abbildung 4.20. . . .
69
4.23 Vertikalschnitt entlang Achse AB: horizontale Frontogenese (horizontaler Konfluenzterm + horizontaler Scherungsterm + vertikaler Scherungsterm der Frontogenese-Funktion) in 10−12 K2 m−2 s−1 - Konturflächen;
Isolinien der virtuellen potentiellen Temperatur (in K; Konturlinien in
Grautönen); Fronten wie in Abbildung 4.20. . . . . . . . . . . . . . . .
72
ABBILDUNGSVERZEICHNIS
4.24 Vertikalschnitte entlang Achse AB mit horizontalen FrontogeneseProzessen (in 10−12 K2 m−2 s−1 ; Konturflächen): in (a) - horizontaler
Scherungsterm der Frontogenese-Funktion, in (b) - Konfluenzterm der
Frontogenese-Funktion und in (c) - horizontale Frontogenese (horizontaler Konfluenzterm + horizontaler Scherungsterm + vertikaler Scherungsterm); Isolinien der virtuellen potentiellen Temperatur Θv (in K;
Konturlinien); Mittelwerte der horizontalen Frontogenese-Prozesse (in
10−12 K2 m−2 s−1 ): hinter der Front im Bereich der schwarz markierten
Gitterpunkte (Region 1), vor der Front im Bereich der weiß markierten
Gitterpunkte (Region 2); okkludierte Front wie in Abbildung 4.22. . . .
4.25 Vertikalschnitte entlang Achse AB mit vertikalen FrontogeneseProzessen (in 10−8 K2 m−2 s−1 ; Konturflächen): in (a) - “StretchingTerm”, in (b) - “Advektionsterm” und in (c) - vertikale Frontogenese
(“Stretching-Term” + “Advektionsterm”); Isolinien der virtuellen potentiellen Temperatur Θv (in K; Konturlinien); Mittelwerte der vertikalen Frontogenese-Prozesse (in 10−8 K2 m−2 s−1 ): hinter der Front im Bereich der schwarz markierten Gitterpunkte (Region 1), vor der Front im
Bereich der weiß markierten Gitterpunkte (Region 2); okkludierte Front
wie in Abbildung 4.22. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
97
74
76
98
Danksagung
An dieser Stelle möchte ich mich bei all jenen bedanken, die mir bei meiner Diplomarbeit mit Rat und Tat zur Seite gestanden sind und die vorliegende Arbeit
in dieser Form ermöglicht haben. Ihnen gebührt gleichermaßen mein aufrichtiger Dank!
Ich bedanke mich herzlich bei meiner Familie, insbesondere bei meinen Eltern. Sie
haben mich während des gesamten Studiums sowohl moralisch als auch finanziell
unterstützt. Meinem Bruder Christoph, meiner Schwester Julia sowie meinen Eltern
möchte ich dafür danken, dass sie stets an mich geglaubt haben und mir immer wieder
folgendes klar gemacht haben: Das wichtigste Erfolgsrezept ist, sich Ziele zu setzen,
diese beharrlich zu verfolgen und sich durch Rückschläge nicht entmutigen zu lassen!
Ein großer Dank gilt Dr. Georg Mayr (IMGI) für die kompetente Betreuung, die
stets von großem Interesse und Hilfsbereitschaft geprägt gewesen ist sowie für das zur
Verfügung gestellte Datenmaterial. Danke für die zahlreichen Ideen und Ratschläge
bei jeder Art von Problemstellung sowie für die Beantwortung sämtlicher Fragen nach
dem Motto: Es gibt keine “blöden” Fragen.
Ein großes Dankeschön gebührt außerdem Dr. Johannes Vergeiner, Mag. Felix Schüller,
Mag. Susanne Drechsel, Mag. Jakob Messner und Reto Stauffer für die Hilfe bei
diversen Programmierproblemen. Auch möchte ich diesen Personen und allen anderen
danken, die mir im Zuge der Kaffeerunde unbezahlbare Motivation geschenkt haben
- in diesem Zusammenhang danke für die notwendige Ablenkung, die wertvollen
Informationen und die gute Unterhaltung.
Meinen Studienkollegen Karl Voglmeier, Johannes Wagner, Martin Schreiter, Markus
Höss, Erika Dautz, Veronika Schreiner, Andreas Gassner, Sebastian Glink, Anna Haberkorn, Oliver Pelzer, Sara Prantl, Alex Radlherr, Reto Stauffer, Anna Wirbel, Florian
Bilgeri, Ursula Blumthaler, Susanne Strauß und Florian Zimmer möchte ich für die
unvergesslich schöne Studienzeit danken und die Hilfestellung bei diversen, ärgerlichen
“Matlab-” oder “Latex-Problemen”. Meinem ehemaligen, guten Bürokollegen Mag.
Felix Welzenbach möchte ich dafür danken, dass er bei synoptischen Fragen stets ein
99
100
Danksagung
offenes Ohr für mich gehabt hat.
Auch meine besten Freunde aus Osttirol möchte ich in meiner Danksagung nicht unerwähnt lassen. Danke für den Ausgleich bei sportlichen Aktivitäten und gemütlichem
Beisammensein.
“Last but not least” möchte ich meiner liebevollen Freundin Andrea danken. Ich weiß,
dass ich sie zeitweilig sehr strapaziert und vieles unbewusst von ihr vorausgesetzt habe,
was nicht immer selbstverständlich gewesen ist. Sie hat mich trotzdem jederzeit, sei es
im Rahmen meiner Diplomarbeit oder meines Studiums, begleitet und mit voller Kraft
unterstützt. Dafür und für die unerschöpfliche Liebe, die sie mir entgegengebracht hat,
bedanke ich mich herzlich.
Eidesstattliche Erklärung
Ich erkläre an Eides statt, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig verfasst, andere
als die angegebenen Quellen/Hilfsmittel nicht benutzt und die den benutzten Quellen
wörtlich und inhaltlich entnommenen Stellen als solche kenntlich gemacht habe.
Ich versichere, dass ich dieses Diplomarbeitsthema bisher weder im In- noch im Ausland (einer Beurteilerin oder einem Beurteiler) in irgendeiner Form als Prüfungsarbeit
vorgelegt habe.
Innsbruck, im Februar 2011
..........................................................
102
Lebenslauf
Angaben zur Person:
Name
ORTNER Martin
Adressen
Studienadr.: Kapuzinergasse 10a, A-6020 Innsbruck
Heimatadr.: Lavanterstraße 68, A-9907 Tristach
Mobil-Telefon
0650 5607215
E-Mail
[email protected]
Staatsangehörigkeit
Österreich
Geburtsdatum
05.05.1986
Schul- und Berufsbildung:
2010–2011
Diplomarbeit unter der Leitung von Dr. Mayr Georg, Institut für Meteorologie und Geophysik, Universität Innsbruck: “Okklusionen: Warm- oder Kaltfrontcharakter?
Fallstudien zur prä- und postfrontalen Stabilität unter
Verwendung der ECMWF Analysedaten”.
2005–2010
Diplomstudium Meteorologie und Geophysik an der
Leopold-Franzens Universität Innsbruck
2000–2004
Bundesoberstufenrealgymnasium Lienz - Matura mit
ausgezeichnetem Erfolg
Berufserfahrung:
Wintersemester 2010/11
Tutor der Lehrveranstaltung “Wetterbesprechung”
Sommersemester 2009
Tutor der Lehrveranstaltung “Übungen zu Theoretische
Meteorologie I”
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