Synoptische Meteorologie

Transkript

1 Synoptische Meteorologie

2 Andreas Bott Synoptische Meteorologie Methoden der Wetteranalyse und -prognose 123

3 Prof. Dr. Andreas Bott Meteorologisches Institut Universität Bonn Auf dem Hügel 20 D Bonn ISBN e-isbn DOI / Springer Heidelberg Dordrecht London New York Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. c Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2012 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Einbandentwurf: Gedruckt auf säurefreiem Papier Springer ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media (

4 Das vorliegende Buch befasst sich mit der synoptischen Meteorologie mittlerer Breiten. Der Schwerpunkt der Untersuchungen liegt vornehmlich auf dem europäischen Raum. Im ersten Teil werden zunächst verschiedene Beobachtungs- und Messmethoden zur Beschreibung großräumiger Wetterlagen geschildert. Danach erfolgt eine Zusammenfassung der wichtigsten mathematischen und physikalischen Grundlagen, die zum Verständnis der in der Atmosphäre ablaufenden thermo-hydrodynamischen Prozesse unerlässlich sind. Hierzu gehören die kinematischen Eigenschaften des horizontalen Windfelds in Form der Divergenz, der Vorticity und der Deformation, die statische und dynamische Stabilität, die quasigeostrophische Theorie zusammen mit der Q-Vektor Diagnostik sowie die potentielle Vorticity als bereicherndes Hilfsmittel der Wetteranalyse. Der zweite Teil des Buchs widmet sich der Interpretation synoptischskaliger Wetterphänomene mit Hilfe der zuvor beschriebenen mathematisch-physikalischen Methoden. Ausgehend von der planetaren Skala werden zuerst die charakteristischen Merkmale der globalen Zirkulation dargestellt. Hierauf folgt eine ausführliche Untersuchung der Rossby-Wellen, bevor die Zyklonen und Antizyklonen mittlerer Breiten detailliert erörtert werden. Von besonderem Interesse ist eine eingehende Diskussion der mit der Zyklogenese verbundenen Frontensysteme. Abschließend wird ein kurzer Einblick in sub-synoptische atmosphärische Prozesse, wie Gewitter, mesoskalige konvektive Systeme, Konvergenzlinien und die Entstehung von Nebel, gegeben.

5 Vorwort Der Mensch besaß schon immer ein lebhaftes Interesse am Wetter und dessen künftiger Entwicklung, da viele seiner Aktivitäten in starkem Maße vom Wettergeschehen beeinflusst werden. Heutzutage beginnt dies bei der Planung von Freizeitaktivitäten, geht über kommerzielle Interessen in der Landwirtschaft, der Tourismusindustrie, der Schifffahrt, dem Straßen- und Luftverkehr bis hin zur existenziellen Bedeutung der Wettervorhersage beim Auftreten von Extremereignissen, wie heftigen Unwettern, tropischen Wirbelstürmen, starken Monsunniederschlägen oder langanhaltenden Dürreperioden. Seit man weiß, dass die in der Atmosphäre ablaufenden Prozesse auf physikalischen Gesetzmäßigkeiten beruhen, versucht man, den atmosphärischen Zustand mit Hilfe der diese Gesetze formulierenden mathematischen Gleichungen zu beschreiben und zu prognostizieren. Mittlerweile ist es möglich, durch aufwendige Computerberechnungen dieses atmosphärische Gleichungssystem numerisch zu integrieren und dadurch das Wetter über einen gewissen Zeitraum und mit relativ hoher Genauigkeit vorherzusagen. In diesem Zusammenhang erscheint eine Klärung der Begriffe Wetter und Wettervorhersage angebracht. Unter Wetter versteht man den Zustand der Atmosphäre an einem bestimmten Ort und zu einer bestimmten Zeit, der durch verschiedene meteorologische Parameter, wie Temperatur, Luftdruck, Feuchte, Wind, Strahlung, Bewölkung, Niederschlag etc., beschrieben wird. Folglich handelt es sich bei der Wettervorhersage um die Prognose der raumzeitlichen Änderungen dieser Parameter. Das bedeutet insbesondere, dass hierbei detaillierte Angaben über den tageszeitlichen Verlauf aller meteorologischen Größen gemacht werden müssen, und zwar in einer räumlichen Auflösung, in der die lokale Heterogenität der verschiedenen Parameter angemessen abgebildet wird. So ist beispielsweise eine mehrwöchige oder gar -monatige Vorhersage der Temperatur nur in Form von Tagesmittelwerten für ganz Deutschland nicht als eine Wetterprognose zu verstehen. Vielmehr handelt es sich hierbei um eine Abschätzung des langfristigen Witterungsverlaufs.

6 viii Vorwort Seit einigen Jahrzehnten besteht ein Schwerpunkt meteorologischer Forschung darin, herauszufinden, über welche Zeiträume eine Wettervorhersage theoretisch möglich ist. Nach heutigem Wissensstand geht man davon aus, dass dies höchstens für etwa zwei Wochen der Fall sein kann. Alle deutlich über diesen Zeitraum hinausgehenden Wetterprognosen entbehren entweder jeder wissenschaftlichen Grundlage, oder sie sind allenfalls als eine Witterungsprognose anzusehen. Die Ursachen für die zeitliche Limitierung von Wettervorhersagen werden gleich zu Beginn dieses Buchs näher diskutiert. Trotz der mittlerweile vorliegenden Möglichkeiten, das Wetter über mehrere Tage relativ gut zu prognostizieren, hat das Interesse am Phänomen Wetter und dessen künftiger Entwicklung nichts an Bedeutung verloren. Im Gegenteil, bei einem kurzen Blick ins Internet gewinnt man schnell den Eindruck, dass dort nicht nur die Anzahl der kommerziellen Anbieter von Wetterinformationen permanent zunimmt, sondern auch die Diskussionsforen zum Thema Wetter. Auf der anderen Seite fällt auf, dass zumindest im deutschsprachigen Raum in den letzten Jahren nur relativ wenige Lehrbücher zum Themengebiet der synoptischen Meteorologie erschienen sind. Diese Gegebenheiten waren eine wichtige Motivation dafür, das vorliegende Lehrbuch zu erstellen, dessen Schwerpunkt auf der Beschreibung großräumiger Wetterereignisse liegt, die der sogenannten synoptischen Skala zugeordnet werden. Die Einschränkung auf den Großraum Europa hat zur Folge, dass außereuropäische Wetterphänomene, wie die Tropenmeteorologie, die Meteorologie der Südhalbkugel oder die für Nordamerika typischen Wettersituationen, nur am Rande erwähnt werden. Die Tatsache, dass die in der Atmosphäre ablaufenden Prozesse auf physikalischen Gesetzmäßigkeiten beruhen und mit entsprechenden mathematischen Gleichungen formuliert werden können, wird nicht als lästig, sondern als äußerst hilfreich angesehen, so dass im vorliegenden Buch intensiv von der Möglichkeit Gebrauch gemacht wird, das mathematische Gleichungssystem zur Interpretation der Vorgänge heranzuziehen. Da es jedoch nicht das Ziel war, alle benutzten Gleichungen immer vollständig herzuleiten, richtet sich dasbuch vornehmlich an Studierende und solche Personen, die bereits über gewisse mathematische Grundkenntnisse zur Beschreibung meteorologischer Prozesse verfügen. Im ersten Teil des Buchs werden zunächst die wichtigsten, den thermo-hydrodynamischen Zustand der Atmosphäre wiedergebenden, mathematischen Gleichungen kurz zusammengefasst, bevor sie dann im zweiten Teil des Buchs zur Interpretation synoptisch-skaliger Prozesse verwendet werden. Hierbei wird jedoch ständig versucht, die Ergebnisse und Schlussfolgerungen theoretischer Ableitungen anhand von Fallbeispielen zu veranschaulichen. In den meisten Fällen sind die

7 Vorwort ix hierfür verwendeten Wetterkarten nicht eigens dafür erstellt worden. Vielmehr war es ein wichtiges Anliegen, hierzu, wenn möglich, Karten zu benutzen, die für jeden Interessenten frei verfügbar sind. Auf diese Weise soll der Leser dazu animiert werden, zusätzlich zu den im Buch beschriebenen Wettersituationen selbstständig auch andere ähnliche Wetterlagen zu suchen, um das Gelernte weiter zu vertiefen. Deshalb wurde bei der Auswahl der Wetterkarten häufig auf das im Internet frei verfügbare Angebot von Wetterinformationen der Firma wetter3.de zurückgegriffen. Dieses von Dipl.-Met. R. Behrendt und Dipl.-Met. H. Mahlke betriebene Internetportal ( eine Fülle von unterschiedlichen Wetterkarten, die insbesondere für die synoptische Interpretation von Wetterlagen eine enorme Bereicherung darstellen. Daher gebührt an erster Stelle mein Dank den beiden Betreibern von wetter3.de, insbesondere aber Herrn Mahlke, der alle im Buch benutzten Wetterkarten, die von wetter3.de stammen, noch einmal eigens in der benötigten technischen Qualität nachproduziert und mir zur Verfügung gestellt hat. Weiterhin gilt mein spezieller Dank Herrn Dipl.-Met. J. Hoffmann, Mitarbeiter der Firma WetterOnline Meteorologische Dienstleistungen GmbH ( der mich seit mehreren Jahren in den am Meteorologischen Institut der Universität Bonn gehaltenen Vorlesungen zur Synoptik und Wetterbesprechung aktiv unterstützt. Darüber hinaus bin ich den Mitarbeitern meiner Arbeitsgruppe zu großem Dank verpflichtet, nicht nur für die kritische Durchsicht des Manuskripts, sondern auch für die spürbare Entlastung in vielen Belangen des universitären Alltags. Erst dadurch wurde mir der Freiraum zur Arbeit am vorliegenden Buch ermöglicht. Hier sind zu nennen: Dipl.-Phys. Dr. V. Küll, Dipl.-Met. W. Schneider, Dipl.-Met. C. Thoma, Dipl.-Met. M. Übel, B. Sc. S. Knist sowie insbesondere B. Sc. A. Kelbch, der mich bei der Lösung der unterschiedlichsten technischen Probleme immer tatkräftig unterstützte. Schließlich gilt ein besonderer Dank meiner Frau Dipl.-Met. B. Bott, deren zahlreiche fachliche Anmerkungen bei der Erstellung dieses Buchs eine unentbehrliche Hilfe darstellten. Bonn, März 2012 Andreas Bott

8 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung Historische Entwicklung der Meteorologie Raumzeitliche Skalen atmosphärischer Phänomene Das Vorhersageproblem Wetterbeobachtungen Messmethoden Wolken, Klassifikation und Eigenschaften Radarmeteorologie Satellitenmeteorologie Die Kanäle im solaren Spektralbereich Die Kanäle im terrestrischen Spektralbereich Beispielfür die Interpretation von Satellitenbildern Datenassimilation, numerische Wettervorhersage Mathematische Beschreibung atmosphärischer Prozesse Skalare und Vektoren Differentialoperatoren Bilanzgleichungen Koordinatensysteme Das geographische Koordinatensystem Das natürliche Koordinatensystem Das thermische Koordinatensystem Die generalisierte Vertikalkoordinate Die Tangentialebene Das prognostische Gleichungssystem Die thermo-hydrodynamischen Zustandsvariablen Die Wärmegleichung Die Kontinuitätsgleichungen Die Bewegungsgleichung Die Skalenanalyse... 60

9 xii Inhaltsverzeichnis 4 Grundlagen der Dynamik und Thermodynamik Hydrostatische Instabilität Barotropie und Baroklinität Horizontale Gleichgewichtswinde Der geostrophische Wind Der Gradientwind Der Reibungswind Der zyklostrophische und der antitriptische Wind Der thermische Wind Schichtungsstabilität und Temperaturadvektion Der ageostrophische Wind Approximationsformen der horizontalen Bewegungsgleichung Der ageostrophische Wind bei horizontaler Bewegung Der Einfluss der Vertikalbewegung auf v ag Trajektorien und Stromlinien Die vertikale Neigung von Druckgebilden Kinematik horizontaler Strömungen Die lokale Geschwindigkeitsdyade Die Divergenz Die Vorticity Die Vorticitygleichung Trägheitsinstabilität und dynamische Instabilität Trägheitsinstabilität Dynamische Instabilität Die quasigeostrophische Theorie Die Grundannahmen der quasigeostrophischen Theorie Die quasigeostrophischen Modellgleichungen Der erste Hauptsatz der Thermodynamik Die Vorticitygleichung Die ω-gleichung Die Trenberth Form der ω-gleichung Die Q-Vektor Form der ω-gleichung Beispiele zur Interpretation der ω-gleichung Stabilitätsbetrachtungen Die potentielle Vorticity Definition und Erhaltungseigenschaften der PV Charakteristische Werte, Anomalien der PV Das PV-Invertierungsprinzip...173

10 Inhaltsverzeichnis xiii 7.4 Die Leezyklogenese Beispiele zur PV-Analyse Zyklogenese über dem Atlantik Bildung eines Kaltlufttropfens Alpenüberströmung Die globale Zirkulation Thermisch direkte und indirekte Zirkulation Vereinfachtes Schema der globalen Zirkulation Jetstreams und Jetstreaks Luftmassentransformationen Wetterlagen unter dem Einfluss unterschiedlicher Luftmassen Nordwestlage Ostlage Südwestlage Europäische Großwetterlagen Großwetterlagen, -typen und Zirkulationsformen Beispiele europäischer Großwetterlagen Rossby-Wellen Raumzeitliche Variabilität planetarer Wellen Barotrope Wellen Barokline Wellen Das Zweischichtenmodell barokline Instabilität Das Zweischichtenmodell Barokline Instabilität Energetische Betrachtungen Stabilitätsverhalten barokliner Wellen Stabile und gedämpfte Wellen Instabile Wellen Abschließende Bemerkungen Zyklonen und Antizyklonen Zyklogenese und Antizyklogenese Die Drucktendenzgleichung Die lokale zeitliche Änderung der Vorticity Die Verlagerung der Druckgebilde Vergenzen in der Höhenströmung Zyklogenese an einer Frontalwelle Auflösung der Druckgebilde Ekman-Pumping..331

11 xiv Inhaltsverzeichnis 11.2 Die Polarfronttheorie Der Lebenszyklus einer Idealzyklone Kalte und warme Okklusion Teiltiefs und Zyklonenfamilien Kritische Anmerkungen zur Polarfronttheorie Weitere Zyklonenmodelle Das Shapiro-Keyser Zyklonenmodell Das STORM Zyklonenmodell Rapide Zyklogenese Fronten und Frontalzonen Materielle Diskontinuitätsfläche und Feldtheorie Kinematische Eigenschaften von Fronten und Frontalzonen Ana- und Katafronten Frontogenese Die Sawyer-Eliassen Zirkulation Fronten und Conveyor Belts Die Warmfront Die Ana-Kaltfront Die Kata-Kaltfront Die Okklusionsfront Frontenanalyse Konzeptionelle Modelle Fluch oder Segen? Mesoskalige meteorologische Prozesse Gewitter Einzel-, Multi- und Superzellen Voraussetzungen für die Gewitterbildung Mesoskalige konvektive Systeme Größenordnungen und Formen Squall Lines Konvergenzlinien Nebel Entstehungsmechanismen Nebelprognose Literaturverzeichnis 455 Sachverzeichnis 475