Lerninhalte 6. Vorlesung

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1 Lerninhalte 6. Vorlesung Welche Wolkentypen entstehen bei adiabatischer Hebung? Wie sind deren typische Lebensdauer, Wassergehalte und Vertikalgeschwindigkeiten? Welche weiteren Prozesse können zur Wolkenbildung führen? Was bezeichnen HKN und KKN? Welche Typen von Nebel gibt es? Welche Wolkentypen werden klassifiziert? 1

2 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 2

3 Wolken mit vertikaler Entwicklung Cumulus haufenförmige Wolken Cumulonimbus - Gewitterwolken Cumulus Cumulonimbus 3

4 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. 4

5 Der Übergang vom unsichtbaren Thermikelement Eingemischte Umgebungsluft vermindert die Auftriebskraft. Eine Kumuluswolke besteht aus zahlreichen Thermikelementen in den verschiedenen Entwicklungsstadien. 5

6 Konvektion Die Verdunstung an Wolkenrändern führt in der Umgebungsluft zu Abkühlung und Absinken (Abwinde). 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 6 Auftriebskraft schwächt sich langsamer ab.

7 Messungen in Kumuluswolken Innerhalb der Wolke ist die Luftbewegung fast überall nach oben gerichtet Die Luft sinkt in der Umgebung der Wolke ab. H. Siebert, IfT Leipzig 7

8 Stärke der Konvektion Um die Stärke der Konvektion abzuschätzen, wird häufig die Größe CAPE (convective available potential energy) verwendet. CAPE = kinetische Energie pro kg Luft wenn Luft vom LCL (lifted condensation level) bis zum LNB (level of neutral buoancy) aufsteigt. LNB CAPE = = LNB LFC LNB LFC Bdz T g p T T e e dz CAPE~2000J/kg CAPE = ½ w² => (mit CAPE = 2000 J/kg) => w = 63 m/s LCL LFC CAPE = ( T T p p LNB p e ) Rd ln p ABER: in Wirklichkeit ist w nur etwa halb so groß! 8

9 Konvektion im Labor Eine instabile Temperaturschichtung wird in der Flüssigkeit aufgebaut, beispielsweise durch Erwärmung von unten her. Der englische Wissenschaftler Lord Rayleigh zeigte, daß es für ein bestimmtes Distanz d ab einer kritischen Temperaturdifferenz in der Schicht zu zellularen Bewegungen kommt (Rayleigh-Konvektion). Die Konvektionszellen bezeichnet man nach dem französischen Physiker H. Bénard als Bénard-Zellen. 9

10 Wolkenstraßen Wenn die Flüssigkeit von unten erwärmt wird und wenn eine horizontale Strömung mit einer vertikalen Scherung herrscht, können die klassischen Bénard-Zellen zusammenbrechen. Es bilden sich lange, walzenähnliche Zirkulationen, orientiert in Richtung des Schervektors; d.h. in Richtung des Differenzvektors der Geschwindigkeitsvektoren benachbarter Flüssigkeitsschichten Die Wolken reihen sich nahezu parallel zur Windrichtung auf, die im allgemeinen nur wenig von der Richtung der Windscherung abweicht. 10

11 Gewitter Einzelzellengewitter Multizellengewitter Superzellengewitter - feuchte, instabile Luftmasse - starke Aufwinde - heftiger Regen, Blitze und Hagel Dabei nimmt von der Einzel- zur Superzelle die Langlebigkeit und Heftigkeit des Gewitters zu. Einzelzellen erzeugen kaum Tornados, Superzellen relativ oft. 11

12 Gewitter Luftmassengewitter besonders häufig meist nachmittags zur wärmsten Tageszeit (lokale Sommergewitter) auch orographische Gewitter sind Luftmassengewitter nicht mit Fronten assoziiert Lebenszeit individueller Zellen kleiner als 1 Stunde Drei Lebensstadien: 12

13 Einzelne Zelle Ordinary or single cell storm Phasenübergang setzt Energie frei + unterstützt weiteres Wachstum Unterteilung in Phasen Cumulus-Stadium: Entwicklung; Aufwinde im größten Bereich der Zelle Reife-Stadium: Gleichzeitiges Auftreten von Auf- und Abwinden Fallendes Wasser (Niederschlag) initiert Abwinde durch viskose Reibung des Wassers an der Luft und mit Verdunstung verbundener Abkühlung Auflösungsphase: Abwinde verhindern weiteres Wachstum, starker Niederschlag und "downbursts" (durch Niederschlag gekühlte Luft fällt herab und wird am Boden horizontal umgelenkt und dabei verwirbelt) Selbstzerstörung 13

14 Einzelne Zelle min min ca. 30 min kalter Kern Änderung des Bodenwinds 14

15 Einzelzellengewitter nur ca. 20% des Wasserdampfs, der in der aufsteigenden Wolkenluft kondensiert, erreicht die Erdoberfläche in Form von Niederschlag Der übrige Teil verdunstet in der Abwindzone oder bleibt in den Wolkenresten (Amboß/Zirren) zurück, deren Wasserdampf in die Umgebungsluft verdunstet. 15

16 Frontengewitter Frontgewitter entstehen, wenn die Warmluft die an einer Front aufgleitet, feuchtlabil oder latent labil geschichtet ist. Frontgewitter sind deshalb an keine Tages- oder Jahreszeit gebunden, jedoch wird ihre Intensität von diesen beeinflußt. Es gibt wesentlich mehr Kaltfrontgewitter als Warmfrontgewitter, weil der Entwicklung von Gewittern an Warmfronten normalerweise die stabile Schichtung (Aufgleiten von Warmluft über kälterer Luft) entgegensteht. Kaltfrontgewitter sind im allgemeinen schwerer als Warmfrontgewitter, weil die vorgelagerte Warmluft durch die hinter der relativ steilen Frontfläche vorstoßende Kaltluft kräftig und rasch gehoben wird. Voreilen von Kaltluft in der Höhe führt zu einer zusätzlichen Labilisierung der Warmluft. Intensität von Kaltfrontgewitter abhängig von Stärke der Hebung, Feuchte und Aufheizung der vorgelagerten Warmluft entscheidend. 16

17 Spezielle Auslöser von Gewittern z.b. horizontale Walzen in der konvektiven Grenzschicht Gegenläufige Rotation der Walzen führt zu einer Konvergenz feuchtwarmer Luft An manchen Tagen werden durch sie Gewitter ausgelöst an manchen aber auch nicht! (Weckwerth, 2000) 17

18 Einzelzellen-Gewitter Überschreiten der Niederschlagsgrenze ist wichtig für die spätere Blitzentwicklung (Elektrifizierung bei Kollisionen der Eispartikel. Bei großer Auftriebsenergie (labiler Schichtung), aber kleiner Scherung, entstehen Gewitter, die aus nur einer ``Zelle bestehen. Typischen Wärmegewitter im Sommer: Einzelzellengewitter sind kurzlebig (ca. 30 min bis 1 h), bringen selten Hagel oder Sturmböen und treten isoliert auf 18

19 Strömungsmuster in einem Sturm 19

20 Multi-Zellen-Gewitter (multi-cell) Mehrere Einzelzellen mit Auf/Abwindbereich Vertikale Windscherung mit Rechtsdrehung notwendig. Einzelne Zellen ziehen mit Höhenwind, Gesamtsystem weicht nach rechts ab Überschwemmungen durch Überquerung des gleich Orts von mehreren Zellen. 20

21 Multizellengewitter Bei großer Scherung (Änderung des Umgebungswindes mit der Höhe) sind up- und downdraft horizontal verschoben und können so miteinander agieren und eine längerwährende Zirkulation aufbauen. Mehrere, nacheinander anwachsenden Zellen.Heftiger als normale Wärmegewitter: Sie sind längerlebig (ca. 1 h bis 3 h) Sie bringen häufiger Hagel oder Sturmböen Sie treten nicht unbedingt isoliert auf Tornados oder Downbursts können bei diesem Gewitter-typ durchaus vorkommen. 21

22 Multizellengewitter sehr komplexe Entwicklung in Zeit und Raum 22