Lerninhalte 5. Vorlesung

Transkript

1 Lerninhalte 5. Vorlesung Wie entstehen Graupel und Hagel? Welche Prozesse müssen bei der Erzeugung von Niederschlag berücksichtigt werden? Wovon hängt es ab, wie genau ein Radar zwei Ziele unterscheiden kann und wie eindeutig die Entfernungsbestimmung ist? Wie ist dre Radarreflektivitätsfaktor z definiert? Wie bestimmt sich die Regenrate am Boden R aus z? Welche Probleme treten bei der Niederschlagsbestimmung mittels Radar auf? Was ist der Doppler-Effekt und welche Information kann ein Radar dadurch liefern? 1

2 Gliederung der Vorlesung 1. Aerosol- und Wolkenphysik (Aerosole, mikrophysikalische Wolken- und Niederschlagsbildung) 2. Wolken und Gewitter (Wolkenbildung durch Aufsteigen, Luftmassengewitter, single/multi/super cells, squall lines, Böenwalzen) 3. Strahlung und Strahlungsgesetze (Spektrum, Absorption/Emission, Strahlungsgrößen, Strahlungsgesetze, 2-Schichtmodell, Strahlungstransport, Streuung in der Atmosphäre, optische Erscheinungen) 4. Globale Strahlungsbilanz (Globales Mittel, Heizraten, Rolle von Strahlung und turbulenten Wärmeflüssen, Grenzschicht, Strahlungsgleichgewicht, Bodeneffekte, Ozeaneinfluss, Tages- und Jahresgang) 5. Anthropogener Treibhauseffekt (natürlicher Treibhauseffekt, Spurengase, Emissionen, Verweilzeiten, Klimaänderungen, neuste Ergebnisse) 6. Stratosphärischer Ozonabbau (Ozonbildung, katalytische Zyklen, polare stratosphärische Wolken, beobachtete Ozonänderungen, Zukunftsaussichten) 7. Allgemeine Zirkulation (differentielle Erwärmung,thermisch ausgelöste Zirkulationen,Energieumwandlungen, Auswirkungen Erdrotation, Zirkulation in Tropen, Monsun, Hadley, barokline Störungen, Energiezyklus, hydrologischer Kreislauf) 2

3 Gliederung der Vorlesung Aerosole - Definition, Quellen und Senken, Größenverteilung Auswirkungen Aerosol, Wolkenbildung - Sättigung Entstehung von warmen Niederschlag Entstehung von kaltem Niederschlag Radarmeteorologie Niederschlag Wolkenbildung, Wolkentypen, Wolkendynamik Luftmassengewitter Gewittertypen Strahlung und Strahlungsgesetze Streuung in der Atmosphäre, optische Erscheinungen Globale Strahlungsbilanz Anthropogener Treibhauseffekt/Klimaänderungen Stratosphärischer Ozonabbau Allgemeine Zirkulation Hydrologischer Kreislauf 3

4 Wolkenklassifikation dynamische Wolkenbildungsprozesse - Konvektionswolken - Schichtwolken - orographischen Wolken Gewitterbildung aus Konvektionswolken - Luftmassengewitter - Frontgewitter - konvektive Systeme Wolken und Gewitter Hier: Alle Prozesse die zu Erzeugung von Sättigung (100% rh) führen 4

5 Verschiedene Hebungstypen 5

6 Wolkenbildungsprozesse Wolkenbildung durch Abkühlung bei adiabatischer Hebung kleinräumiges Aufsteigen warmer Luftpakete bei feuchtlabiler Schichtung Konvektionswolken Hebung von stabil geschichteter Luft Schichtwolken Erzwungene Hebung von stabil geschichteter (feuchter) Luft fuhrt beim Überqueren von Hindernissen orographischen Wolken Wolkenbildung durch diabatische Abkühlung Ausstrahlung (Strahlungsnebel) Überstreichen kalten Untergrundes (Advektionsnebel); Bodenturbulenz kann mehrere hundert Meter mächtige Schicht erfassen Wärmeabstrahlung von Dunstschichten (unterhalb von Inversion) Auskühlung von oben aus ausgedehnte Wolkenfelder unter Inversion (Stratocumulus- oder Altocumuluswolken) 6

7 Wolkenbildungsprozesse Wolkenbildung durch Wasserdampfzunahme Strömen von sehr kalte Luft über warmes Wasser (starkes Taupunktsgefälle) Verdunstung von warmen Wasser in die kalte Luft und Tröpfchenbildung von unten erwärmte labile Kaltluft führt zu Aufwärtstransport (Seerauch). Verdunstungswolken entstehen, wenn warmer Niederschlag aus höheren Schichten in kältere darunter fällt und verdunstet; auch unter aufgleitender Warmluft Die plötzliche Zunahme von Wasserdampf verursacht auch Kondensstreifen Die Flugzeuge stoßen heiße und mit Wasserdampf angereicherte Abgase in die kalte Umgebungsluft aus. Durch die starke Abkühlung ist der Wasserdampf schnell übersättigt und kondensiert bzw. sublimiert schlagartig. Wolkenbildung durch adiabatische Abkühlung bei starkem Druckabfall In Tornados und Wasserhosen herrscht auf engstem Raum ein sehr niedriger Druck Die von außen einströmende Luft dehnt sich deshalb adiabatisch aus und kühlt sich ab, was zur Bildung von trichterförmigen Wolken ( Rüssel ) führt. 7

8 Wolkenbildung durch Abkühlung bei adiabatischer Hebung Konvektionswolken - horizontale Ausdehnung von 100 m bis 10 km - Vertikalgeschwindigkeit einige m/s (max 30 m/s) - Wolkenwassergehalt ca. 1 gm 3 - Lebensdauer von Minuten bis Stunden. Schichtwolken - horizontale Ausdehnung von 1000 km - Vertikalgeschwindigkeit der Luft ist mit 1 cm s 1 bis 10 cm s 1 - Wassergehalt beträgt i. A. nur 0.1 gm 3 bis 0.5 gm 3 - Lebensdauer ca. Tag/e Photo: M. Quante orographischen Wolken angeregte Wellenbewegung - Vertikalgeschwindigkeit hängt von Geschwindigkeit, Strömungsrichtung, Barrierehöhe und von der Stabilität der Luftschichtung ab (bis einigen ms 1 ) - Wassergehalt beträgt i. A. nur 0.1 gm 3 bis 0.5 gm 3 - Lebensdauer ist kurz; nur länger, wenn Strömung konstant gegen Hindernis Photo: John Asztalos 8

9 Atmosphärische Stabilität Stabilität bezeichnet die Tendenz eines Luftpakets zum Aufsteigen Mögliche Stabilitätszustände der Luft: - absolut stabil - absolut instabil - bedingt instabil Temperaturprofile - der Umgebung Γ - eines trockenadabatisch aufsteigenden Luftpakets Γ d =0.98 K/100 m - eines (gesättigten) feuchtadiabatisch aufsteigenden Luftpakets Γ w ~0.6 K/100 m 9

10 Hebungskonsensationsniveau (HKN) Wie hoch muss ein Luftvolumen aufsteigen, bis Wasserdampf kondensiert? T = T d HKN = LCL = Lifting level of condensation z z K erzwungene Hebung т do dt dz tr. ad dtd dz 1 K/100m tr. ad T o HKN LCL 0,2 K/100m T, т T( z) = T dτ Td ( z) = Tdo dz T ( z ) T( z ) d K o z K Γ K = d 120( T o z Γ d tr. ad. T do ) z To T dtd + dz do tr. ad., m 10

11 Kondensationsniveaus Trockenadiabatische Abkühlung bei Hebung: Luft steigt nicht freiwillig hoch, sondern wird gehoben (z.b. an Front oder Gebirge) Taupunktänderung entsprechend konstanten Mischungsverhältnisses. Schnittpunkt definiert Hebungskondensationsniveau (HKN=LCL). Der Wolkentyp ist Stratus oder Stratocumulus. Stüwe-Diagramm Skew-T-Diagramm Atmospheric Stability Was ist das Kumulus/Konvektions Kondensationsniveau (KKN)? Schnittpunkt der zum Bodentaupunkt gehörigen Linie konstanten Sättigungsmischungsverhältnisses mit der aktuellen Temperaturkurve Verfolgt man die Trockenadiabate durch diesen Schnittpunkt zurück bis zum Bodenniveau, so erhält man die Auslösetemperatur. 11

12 Absolute Stabilität Ein Luftpaket kann nicht aufsteigen, da es immer kälter als seine Umgebung sein wird 12

13 Absolute Instability Ein aufsteigendes Luftpaket wird weiter aufsteigen, da es immer wärmer als seine Umgebung sein wird 13

14 Bedingte Instabilität Ein Luftpaket ist stabil solange die Luft ungesättigt ist; tritt Sättigung ein wird das Luftpaket instabil 14

15 Atmosphärische Stabilität Atmospheric Stability 15

16 Nebel Was ist das? Nebel ist eine Wolke an der Erdoberfläche Strahlungsnebel durch nächtliche Abkühlung des Bodens, der bodennahe Luft bis zum Taupunkt kühlt; Hochnebel entsteht durch bodennahen Wind und Turbulenz Abkühlung eine mehrere hundert Meter mächtige Schicht erfassen. Advektionsnebel warme, feuchte Luft überstreicht kalte Oberflächen, verliert Wärme und wird auf Taupunkt abgekühlt 16

17 Weitere Nebeltypen Seerauch bildet sich, wenn kalte Luft über warme (Wasser-) Oberflächen streicht; verdunstendes Wasser steigt auf und wird durch kalte Luft auf Taupunkt abgekühlt Hangnebel Luft wird hangaufwärts transportiert und kühlt sich adiabatisch bis zum Taupunkt ab Verdunstungsnebel Niederschlag erhöht relative Feuchte bis zur Sättigung durch Verdunstung/Abkühlung 17

18 Klassifikation von Wolken 1802 publizierte Jean-Baptiste Lamarck die erste wissenschaftliche Wolkenklassifikation, sie basierte auf morphologischen Betrachtungen Luke Howard, F.R.S. ( ) nach einem Gemälde von John Opie Bilder von Luke Howard 1803 publizierte Luke Howard seine Wolkenklassifikation, er benutzte lateinische Namen. Sie überlebte (nur Modifikationen)! Heute: International Cloud Atlas der World Meteorological Organization (1975 [1995], 1987) 18

19 Basis über: 7 bis 16 km 3 bis 7 km Wolkentypen stratiform konvektiv 0 bis 3 km Stockwerkhöhe unterschiedlich zwischen polaren, mittleren und niedrigen Breiten 10 Wolkengattungen: Cirrus (Ci), Cirrocumulus (Cc), Cirrostratus (Cs) Altocumulus (Ac), Altostratus (As), Nimbostratus (Ns) Stratocumulus (Sc), Stratus (St), Cumulus (Cu), Cumulonimbus (Cb) Phase: Flüssigwasser-, Eis- und Mischwolken 19

20 Wolkenstockwerke Stockwerk Polargebiet Mittlere Breiten Tropen Hohe Wolken 3-8 km 5-13 km 6-18 km Mittelhohe Wolken 2-4 km 2-7 km 2-8 km Tiefe Wolken 0-2 km 0-2 km 0-2 km 20

21 Unterteilung in: Klassifikationsschema 10 Wolkengattungen (Großschrift) 14 Wolkenarten (3 Buchstaben, Kleinschrift) 9 Wolkenunterarten (2 Buchstaben, Kleinschrift) 9 Sonderformen und Begleitwolken (3 Buchstaben, Kleinschrift)» Herkunft (5 Buchstaben: Art+ gen, Kleinschrift) Theoretisch: Klassen + 10 Herkunftsarten Aber: es existieren nicht alle Kombinationen! Beispiele: Karlsruher Wolkenatlas! 21

22 Klassifikationsschema Eine ausführliche Beschreibung der Wolkenklassifikation findet sich im "Internationalen Wolkenatlas" (herausgegeben von der Weltorganisation für Meteorologie, WMO), der auch charakteristische Wolkenbilder enthält. Empfehlenswert ist das Buch "Clouds of the World" von R. S. Scorer (mit Wolkenbildern und physikalischen Erläuterungen) und in den "Wolkenatlas" von de Bont. Wasserhose mammatus 22

23 Niedrige Wolken < 2 km (Mittlere Breiten) Stratus flache, geschichtete Wolken, grauer Himmel Nimbostratus Stratuswolken mit Niederschlag Stratocumulus Stratus mit etwas vertikaler Entwicklung Stratus Stratocumulus 23

24 2-7 km (Mittlere Breiten) Mittelhohe Wolken Alto- Vorsilbe impliziert mittlere Höhe Altostratus Schichtwolken im mittleren Niveau Altocumulus Konvektive Wolken im mittleren Niveau; Schafsrücken Altostratus Altocumulus 24

25 Hohe Wolken > 5 km (mittlere Breiten); Eiswolken Cirrus dünn, faserige Pferdeschweife Cirrostratus dünne Totalbedeckung; Halos um Sonne und Mond Cirrocumulus hohe puffige Wolken; Makarelenhimmel Photo: M. Quante Cirrus Cirrostratus 25

26 Flugzeugabgase g/kg CO O 2 C n H m N, S 3-6 g/kg NO x 3160 g/kg CO g/kg Ruß 1230 g/kg H 2 O 1 g/kg SO 2 Emissionsindices in Gramm Emission pro kg Kerosin Quelle: Stefan Borrmann 26

27 Kondensstreifen Isobare Mischung von heissem Abgas mit kalter, trockener Umgebungsluft Ruß H 2 SO 4 H 2 O n. H 2 O S SO 2 OH, H 2 O H2 SO 4 X ± Ionen- Cluster Eiskristalle H 2 SO 4 H 2 O H 2 SO 4 H 2 O n. H 2 O 0.01 s 0.1 s 1s Quelle: Stefan Borrmann Abgasalter 27

28 Kondensstreifen isobare Mischung feuchter, heißer Abgase mit trockener kalter Umgebungsluft Nukleation bei Übersättigung bzgl. flüssigem Wasser, wobei Rußpartikel, bei Verbrennung entstandene, flüchtige Teilchen und Hintergrundaerosol als Kondensationskerne dienen können Diffusionswachstum der aktivierten Telichen Homogenes oder heterogenes Gefrieren der Tropfen Anwachsen der Eiskristalle (sehr schnell!) Verdampfen der untersättigten Teilchen in ungesättigter Umgebung z.b. in der Stratosphäre innerhalb von Sekunden HNO 3 kann Verdampfen verzögern Modellstudien zeigen, dass Kondensstreifen auch ohne Ruß entstehen können, Hintergrundaerosol reicht (dann größere Kristalle) 28

29 Ganz hohe Wolken Nur zwei Wolkenarten, deren genaue Zusammensetzung jedoch unbekannt ist, kommen gelegentlich in größeren Höhen vor: Die Perlmutterwolken zwischen 20 km und 30 km Höhe (polar stratospheric clouds) und die leuchtenden Nachtwolken in etwa 80 km Höhe. Die Perlmutterwolken und die leuchtenden Nachtwolken entstehen, wenn in der Stratosphäre bzw. Mesosphäre bei extrem tiefen Temperaturen der in geringen Konzentrationen vorhandene Wasserdampf auf Sublimationskernen gefriert. leuchtende Nachtwolken 29

30 Die Stärke der erzeugten Vertikalgeschwindigkeit hängt von der Geschwindigkeit und Richtung der Strömung gegen das Hindernis ab, von der Höhe der Barriere und von der Stabilität der Luftschichtung; Orographische Wolken es können Aufwinde von einigen m/s erreicht werden. Dadurch kann es in kurzer Ze zu Anhebungen bis 1 km (Abkühlungen bis ca. 10 K) und entsprechender Übersättigung kommen. 30

31 Wolken mit vertikaler Entwicklung Cumulus haufenförmige Wolken Cumulonimbus - Gewitterwolken Cumulus Cumulonimbus 31

32 Konvektive Wolken Photo: M. Quante Photo: M. Quante Photo: John Asztalos Photo: unknown 32

33 Vertikalerstreckung Höhe von weniger mächtigen Konvektionswolken wird meist durch stabile Schichten (Inversionen) in unterer Troposphäre begrenzt. Wenn sich diese Wolken unterhalb der Inversion horizontal ausbreiten, entstehen Stratocumuluswolken. Eisschirme von Cumulonimben/Stratocumuluswolken können die Aufheizung der Erdoberfläche stark abschwächen und deshalb die Bildung von neuen Konvektionswolken behindern. Konvektionswolken bestehen aus einzelnen Haufen oder Türmen, deren Wachstum und Auflösung innerhalb von Minuten abläuft. Sie werden alle durch aufsteigende Warmluftblasen (Thermikelemente) gebildet. Die Auftriebskraft der Luft in solchen Thermikelementen nützen Segelflugpiloten und Vögel zum Höhengewinn. 33

34 Der Übergang vom unsichtbaren Thermikelement a) Unterhalb des Konvektionskondensationsniveaus (KKN) nimmt der Durchmesser des aufsteigenden Thermikelements zu. b) Über dem KKN wird das Thermikelement als Wolkenturm sichtbar. Es wächst nicht mehr weiter, weil die eingemischte Umgebungsluft die Auftriebskraft vermindert. c) Der Wolkenturm hat seine maximale Höhe erreicht. Danach fällt er langsam in sich zusammen und verdunstet. Eine Kumuluswolke besteht aus zahlreichen Thermikelementen in den verschiedenen Entwicklungsstadien. 34

35 Konvektion Die Verdunstung an Wolkenrändern führt in der Umgebungsluft zu Abkühlung und Absinken. Thermikelemente können wegen der Abwinde über dem KKN nur innerhalb der Wolken aufsteigen. Cumuluswolken haben deshalb scharfe Umrisse. Absinkende Luftbewegungen beobachtet man jedoch nicht nur an den Wolkenrändern sondern im gesamten Bereich zwischen den Konvektionswolken. Durch großflächiges langsames Absinken wird die relativ starke aufwärts gerichtete Bewegung der Luft in den Kumuluswolken kompensiert. Die mit dem Absinken verbundene Erwärmung und Abtrocknung unterdrückt das Aufsteigen von Thermikelementen im Gebiet zwischen den Wolken. Neue Thermikelemente nehmen daher häufig den gleichen Weg wie ihre Vorgänger und geben bereits bestehenden Wolken neue Nahrung. Von jedem aufsteigendem Thermikelement bleibt etwas Feuchte zurück, wird die Verdunstung in den neuen Thermikelementen vermindert, d.h. deren 35 Auftriebskraft schwächt sich langsamer ab.