Wettersysteme HS 2012

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1 Wettersysteme HS 2012 Fallstudie zur extratropischen Zyklogenese (aus Wallace and Hobbs, Atmospheric Science, Kapitel 8) 3. Oktober 2012

2 1. Überblick - Bestimmung der Struktur und Dynamik von Wettersystemen und des assoziierten Wetters Fallstudie: Zyklone über den zentralen USA mit starken Winden und Niederschlägen im November Zyklone war stärker als normal weist aber typische Merkmale extratropischer Zyklonen auf IR Satellitenbild vom 10. November 17 UTC

3 2. Grossskalige Struktur der Zyklone hpa am 10. Nov. 00 UTC - Polarer Wirbel aufgespalten in 2 Teile - typischer Abstand zwischen 2 Trögen ~ 4000 km Wellenlänge einer baroklinen Welle (bw) - bw bewegen sich nach Osten - bw am häufigsten und stärksten über den Ozeanen (Ausnahmen möglich) - bw Aktivität am stärksten im Winter meridionaler Temperatur gradient in mittl. Breiten am stärksten Rücken Trog

4 2. Grossskalige Struktur der Zyklone - Höhe 500 hpa 10. Nov. - ostwärts - Bewegung und Intensivierung des Troges Bildung eines cutoff lows (geschlossene zyklonale Zirkulation) 00 UTC 09 UTC 18 UTC - Intensivierung des Windes (Abstand Isohypsen)

5 2. Grossskalige Struktur der Zyklone - SLP + Schichtdicke ( hpa (Farbe)) - Intensivierung des Tiefdruckzentrums ( hpa) Tief am Boden markiert Zentrum einer geschlossenen zyklonalen Zirkulation 00 UTC extratropische Zyklone - Verstärkung des West-Ost Gradienten der Schichtdicke 09 UTC - Höhentrog und Tiefdruck an Oberfläche zuerst versetzt, später vertikal übereinander 18 UTC

6 2. Grossskalige Struktur der Zyklone 00 UTC 09 UTC 18 UTC Zyklone im Nov hpa 1000 hpa Schichtdicke idealisierte Zyklone

7 2. Grossskalige Struktur der Zyklone - Höhe 500 hpa + Vertikalwind auf 700 hpa 9 UTC 18 UTC - Vertikalbewegungen bestimmen die für extratropische Zyklonen typische spiralförmige Struktur der Wolken sowie die Bildung von Niederschlag Absinken Aufsteigen

8 3. Fronten und Wettergeschehen a) Wind 00 UTC 09 UTC 18 UTC aus der Sicht eines ortsfesten Beobachters: - an Kaltfront starke Winddrehung von süd auf west (nordwest) - an Warmfront Winddrehung von südost auf süd (weniger markant als an Kaltfront) - an Okklusion Winddrehung von südost aud südwest

9 3. Fronten und Wettergeschehen b) Temperatur 00 UTC 09 UTC 18 UTC - östlich der Kaltfront warme Luft vom Golf von Mexiko bis zu den grossen Seen Warmsektor der Zyklone - hinter Kaltfront starker Temperaturrückgang Kaltfront definiert als Grenze zur warmen Luft die sich in Richtung der warmen Luft bewegt. - hier: zusätzliche Kaltfront in frontaler Zone

10 3. Fronten und Wettergeschehen c) Fronten - Fronten erstrecken sich bis in einige Kilometer Höhe - sie sind in Richtung der kalten Luft geneigt - die Luft konvergiert an der Front und warme Luft wird nach oben abgelenkt - dieses vereinfachte Bild vernachlässigt dynamische Prozesse die für die Entstehung und Aufrechterhaltung der Fronten wichtig sind

11 3. Fronten und Wettergeschehen c) Fronten - dieses vereinfachte Bild vernachlässigt dynamische Prozesse die für die Entstehung und Aufrechterhaltung der Fronten wichtig sind. - nicht nur Fronten sind für die Veränderung der Lufttemperatur verantwortlich - zusätzliche Faktoren: - Tageszeit - Bedeckungsgrad - Höhe der Station - Nähe zu Gewässern diese Faktoren können den Einfluss der Fronten auf die Bodentemperatur maskieren

12 3. Fronten und Wettergeschehen c) Fronten - manchmal können Fronten nicht anhand der Temperaturgradienten am Boden erkannt werden weil: - über Ozeanen Lufttemperatur stark abhängig von Wassertemperatur - in Gebirgen werden grosse Differenzen in hor. Temperaturgradienten durch unterschiedl. Höhe der Stationen maskiert - Einfluss des Terrains, Inversionen, Konvektion, städt. Hitzeinseln.. können zu massiver Änderung der Bodentemperatur führen so dass Fronten nicht mehr erkannt werden können

13 3. Fronten und Wettergeschehen e) stündliche Beobachtungen Kaltfront, Gage, Oklahoma 1. Kaltfront (22 UTC) - Drehung des Windes - Temperaturen fallen - Druck steigt an 2. Kaltfront (3 UTC) - erneutes Drehen des Windes - schwaches Minimum im Druck - verstärkte Abnahme von Temperatur und Taupunkt 00 UTC

14 3. Fronten und Wettergeschehen e) stündliche Beobachtungen Warmfront, Bowling Green, Kentucky Warmfront (05 UTC) - Drehung des Windes von ost auf süd - Anstieg von Temperatur und Taupunkt - Druck nimmt ab wegen Näherung und Intensivierung des Tiefs

15 3. Fronten und Wettergeschehen f) 3-h Drucktendenz - Annäherung und Intensivierung des Tiefs - Druckanstieg nach Kaltfront höhere Dichte der kalten Luft - starker Druckabfall vor Okklusion, dahinter gleichbleibend positive Drucktendenz durch Kaltluftadvektion beinahe balanciert durch fallende Tendenz durch die Intensivierung des Tiefs

16 3. Fronten und Wettergeschehen g) Wettergeschehen - grossflächiger leichter Niederschlag - moderater bis starker Regen nahe der grossen Seen - Stationen entlang Kaltfront melden Regen - moderater bis starker Schneefall über Great Plains - Gewitter an Kaltfront - Absinkende Luft hinter 2. Kaltfront führt zu Regenende

17 3. Fronten und Wettergeschehen g) Wettergeschehen + IR Satellitenbilder

18 3. Fronten und Wettergeschehen g) Wettergeschehen + WV Satellitenbilder

19 3. Fronten und Wettergeschehen h) Radarbild - Kaltfront klar erkennbar - Radarbild zeigt ähnliches Muster wie Satellitenbilder: kommaförmiges Wolkenband und wolkenfreies Gebiet südl. und östl. des Tief-Zentrums Yin-Yang Muster entsteht durch die unterschiedlichen aufund absteigenden Luftströmungen 15 UTC 18 UTC Absinken Aufsteigen

20 4. Vertikalstruktur a) Höhenkarten Δ=60 m - Zunahme der Gradienten in der geopotentiellen Höhe von hpa - Zunahme der Windgeschwindigkeit - ausgeprägte Kaltluft / Warmluft - Advektion in Δ=30 m unteren Schichten barokline Struktur - bei 500 hpa Windvektoren und Isothermen gleichgerichtet eher barotrope Struktur Δ=30 m

21 4. Vertikalstruktur a) Höhenkarten Δ=60 m - weitere Zunahme des Windes bis ca. 250 hpa Jet stream - Luft in Trögen wärmer, Luft in Rücken kälter als Umgebung Amplitude der Rücken und Tröge nimmt mit zunehmender Höhe ab Δ=120 m Δ=120 m

22 4. Vertikalstruktur b) Tropopause Denver: niedrige Temperaturen in Troposphäre, klar definierte Tropopause bei 350 hpa Davenport: hohe Temperatur in Troposphäre, kältere und klar definierte Tropopause Amarillo: hohe Temperatur in Troposhäre, keine klar definierte Tropopause welche dieser Stationen liegt im Trog /Rücken?

23 4. Vertikalstruktur b) Tropopause x x x Linien: Höhe 250 hpa Farben: Schichtdicke hpa

24 4. Vertikalstruktur b) Tropopause - Rücken: hohe Temperaturen in Troposphäre - Trog: kalte Temperaturen in Troposphäre - Jet Stream über barokliner Zone x x - Absenkung der Tropopause in Trog über kalter x Luftmasse in Troposphäre gross-skaliges Absinken hohe Tropopausentemperatur durch adiabatische Erwärmung (Absinken) - Anhebung der Tropopause in Rücken tiefe Tropopausentemperatur Linien: Höhe 250 hpa Farben: Schichtdicke hpa (Mass für Temperatur in dieser Schicht) - Amarillo liegt an Jet Stream Achse Tropopause nicht klar definiert

25 4. Vertikalstruktur b) Vertikale Querschnitte - horizontaler Temperatur gradient: Wind ändert sich mit der Höhe - horizontaler T-Gradient proportional zu vertikaler Windscherung

26 4. Vertikalstruktur b) Vertikale Querschnitte - horizontaler Temperatur gradient: Wind ändert sich mit der Höhe - horizontaler T-Gradient proportional zu vertikaler Windscherung - Barotropie: horizontale Isothermen Isotachen vertikal

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