Übung 4: Potentielle Vorticity Lösung

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1 Übung 4: Potentielle Vorticity Lösung Wettersysteme, HS Aufgabe Wie heisst die 2 PV Einheiten Isolinie? Nach der Definition der Dynamik ist das die Tropopause. Wie nennt man die Luft nördlich der 2 PV Einheiten Linie? Die Luft nördlich der 2 PV Linie ist bereits stratosphärische Luft welche in diesen Breiten tiefer liegt als in südlicheren Breitengraden. Warum hat sie viel höhere Werte als die Luft weiter südlich? Dies hat hauptsächlich mit der grösseren Schichtung in der Stratosphäre zu tun, der Gradient der potentiellen Temperatur ist in diesen Höhen grösser als in tieferen Troposphären Schichten. Die Karte zeigt einen August Tag. Nehmen wir an wir würden im Februar exakt die selbe grossskalige Wetter Situation vorfinden und Sie würden erneut eine Karte der PV auf der 330 Kelvin Fläche betrachten. Welche Hauptunterschied würden Sie erwarten und warum? Die Flächen gleicher potentieller Temperatur sind nicht das ganze Jahr über konstant, sondern sie verschieben sich im Winter tendenziell Richtung Süden und steigen in der Höhe und somit ihr Schnittpunkt mit der Tropopause. Wir würden die Tropopause also weiter südlich der Schweiz erwarten. Um das aktuelle Wettergeschehen an einem Wintertag zu beurteilen würden wir daher eine tiefere Isentrope Fläche nutzen z.b. 320 K. 1

2 Abbildung 1: Isentropen Winter (links) und Sommer (rechts) 2 Aufgabe Zeichnen Sie einen Höhenschnitt an der markierten Stelle. Wie könnte dieser Aussehen? Zeichnen sie vorallem Regionen hoher und tiefer PV ein und markieren sie besonders die 2 PVU Linie, die Isentropen (Linien konstanter potentieller Temperatur) und überlegen sie sich dann die Stabilität der Luftschichtung in den verschiedenen Höhen. Wichtig ist zu erkennen, dass sich Luft mit hohen PV Werten innerhalb des Streamers nach unten ausbreitet. Darum haben wir bei einem Bild entlang einer Isentrope die beobachteten Veränderungen der PV. Durch die Erhaltung der PV müssen sich daher die Abstände Isentropen verringern was zu einer Stabilisierung führt. Im Gegenzug wird dann weiter unten die Luft destabilisiert da die Isentropen sich auseinander bewegen. Folglich hat es vor der Anomalie Hebung und dahinter absinken der Luft.

3 Abbildung 2: Potentielle Vorticity Höhenschnitt 3 ET - Extratropical Transition of Tropical Cyclones Hurricanes entstehen nur in subtropischen geographischen Breiten (allerdings können sie nicht exakt am Äquator entstehen). Dynamisch sind sie sehr verschieden von den aussertropischen Tiefdruckgebieten. Sie weisen eine symmetrische Wolkenstruktur, spiralförmige Wolkenbänder, ein wolken- und windstilles Auge auf. Die Energiequelle für die beträchtlichen Winde stammen aus einer Wechselwirkung zwischen Ozean und Atmosphäre. In der folgenden Abbildung 3 ist der Hurricane Andrew auf der 320 K-Isentropen erkennbar. 1. Diskutiere die verschiedenen Strukturen, welche auf dieser Karte erkennbar sind: Cutoffs, PV- Streamer, Rossby-Wellen, Hurricane Andrew. Dazu betrachten wir die Regionen zwischen hohen und niedrigen PV Werten, entlang der Dynamischen Tropopause. Geht man diese entlang bewegt man sich nicht geradlinieg sondern in wellenförmigen Bewegegungen, diese bezeichnet man als Rossby Wellen. Wie bei Meereswellen kann es auch hier zu einer irreversiblen Veränderung der Form kommen, man spricht von einem Wellenbrechen, zu beobachten genau über Europa. Dabei entstehen ob Bänder hoher PV Werte welche sich teilweise mehrere Breitengrade richtung Süden erstrecken. Ein solches Band erkennen wir quer über Europa bis an die Nordküste Afrikas, man bezeichnet es auch als PV Streamer. PV Streamer sind entscheidende Strukturen, sie haben Einfluss auf das Bodendruck Feld, die damit verbundene Zyklogenese, sowie auf das Windfeld. Starke Niederschläge auf der Alpensüdseite sind oft (aber nicht immer!) mit PV Streamern verbunden. Unter umständen kann sich ein PV Streamer auch bildlich ablösen und eine Anomalie höhere PV Werte in einer Umgebung niedrigere Werte bilden, man sieht ein Beispiel vo der Iberischen Halbinsel. Die bezeichnen wir als Cut Off. Da sich die PV Anomaly des Hurrikanes nie abgelöst hat sondern lokal entanden ist wird sie nicht als Cut off sondern als PV Anomaly bezeichnet. Zyklonen sind immer mit einer PV Anomlay verbunden, man findet solche, sehr symetrische Anomalien auf der PV Karte auch im Pazifik. 2. Auf welcher ungefähren Höhe (in km oder hpa) befindet sich die 320 K-Isentrope über dem Nordpol und beim Hurricane? Verwende dazu die Unterlagen aus der Vorlesung. Hurrikane Saison ist Ende Frühjahr (Mai) bis hinhein in den Spätherbst, sogar zu Winterbeginn möglich. Wir können uns also an der Verteilung der Isentropen im Sommer orientieren. Die 320

4 Abbildung 3: Potentielle Vorticity Karte: Hurricane Andrews K Isentropne befindet sich am Nordpol auf einer Höhe von 300 hpa (9 km) und beim Hurrikane welcher sich bei einer Breite von ca. 20 Nord befindet, auf 600 hpa (4 km). 3. Wie entsteht die positive PV-Anomalie des Hurricanes? Die positive PV Anomlie des Hurricanes entsteht duch diabatische Prozesse. Dadurch verstehen wir physikalische Vorgänge bei denen latente Wärme frei gesetzt wird wie der Phasenübergang des Wassers von Wasserdampf zu flüssigem Wasser oder auch die Umwandlungen zu gefrorenem Wasser wie bei der Bildung von Eis und Schnee. Umgekehrt gilt dies natürlich auch, bei Verdunstung und dem Schmelzen wird Energie verbraucht und dem System das diese Arbeit leistet somit entzogen. Über dem Ozean verdunstet nun Wasser, dabei kühlt sich der Ozean lokal ab, da Energie für die Verdunstung benötigt wird. Hingegen gewinnt die darüber liegende Luft diese Energie hinzu. Der Druck sinkt und die Entropy steigt. Diese Heizrate generiert nun positive PV, ganz exakt ist es der Gradient der Heizrate welcher die PV Bildung bestimmt. 4. Die wichtisten Merkmale welche die Extra-Tropen von den Tropischen Breiten unterscheiden sind - grössere Baroklinität (meridionale Temperaturgradienten) - stärkere vertikale Windschärung - höhere meridionale Feuchtegradienten - niedrigere Meeresoberflächentemperatur - grössere Einfluss der Coriolis Kraft - möglicher Einfluss durch Höhentröge - über Land, geringerer latenter und sensibler Wärmefluss vom Boden sowie Reibungsunterschiede und Orographie

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