Synoptische Meteorologie

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1 Synoptische Meteorologie

2 Andreas Bott Synoptische Meteorologie Methoden der Wetteranalyse und -prognose 2. Auflage 2016

3 Andreas Bott Bonn, Deutschland ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Spektrum Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2012, 2016 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. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Spektrum ist Teil von Springer Nature Die eingetragene Gesellschaft ist Springer-Verlag GmbH Berlin Heidelberg

4 Vorwort zur ersten Auflage 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

5 vi zu verstehen. Vielmehr handelt es sich hierbei um eine Abschätzung des langfristigen Witterungsverlaufs. 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 Ergeb-

6 nisse und Schlussfolgerungen theoretischer Ableitungen anhand von Fallbeispielen zu veranschaulichen. In den meisten Fällen sind die 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. vii Bonn, im März 2012 Andreas Bott

7 Vorwort zur zweiten Auflage Die im April 2012 erschienene erste Auflage des Buchs hat beim Leser erfreulicherweise eine sehr positive Resonanz gefunden. Da es sich hierbei um ein Lehrbuch handelt, das als Grundlage zu den an der Universität Bonn stattfindenden Lehrveranstaltungen der synoptischen Meteorologie dient, ist es selbstverständlich, dass dessen Inhalt kontinuierlich überarbeitet und aktualisiert wird. Die dabei vorgenommenen Modifikationen des Textes resultieren aus der ständigen Arbeit mit dem Buch, sie sind aber auch auf zahlreiche Änderungsvorschläge der Studierenden während und nach den Lehrveranstaltungen zurückzuführen. Nachdem auf diese Weise in den vergangenen Jahren der Inhalt des Buchs an mehreren Stellen teilweise erheblich geändert worden ist, entstand der Wunsch, eine zweite Auflage anzufertigen. Dieses Anliegen wurde von Springer direkt befürwortet, wofür ich dem Verlag sehr dankbar bin. Den wichtigsten Überarbeitungsschwerpunkt stellt zweifelsohne die Behandlung der isentropen potentiellen Vorticity (PV) dar. Hierbei sollte in erster Linie der in den letzten Jahren ständig wachsenden Bedeutung des sogenannten PV-Denkens in der synoptischen Meteorologie verstärkt Rechnung getragen werden. Um die Leistungsfähigkeit der PV-Analyse zur Beschreibung atmosphärischer Prozesse besser zu veranschaulichen, wurde nicht nur das entsprechende Kapitel nahezu vollständig umgeschrieben, sondern auch einige andere Kapitel um Anwendungsbeispiele aus der PV-Perspektive erweitert. Ein besonderes Anliegen bestand auch darin, die zentrale Rolle des ageostrophischen Winds in der atmosphärischen Dynamik noch deutlicher hervorzuheben. Dazu wurde das vierte Kapitel in weiten Teilen überarbeitet und erweitert, so dass jetzt eine theoretische Grundlage vorliegt, die als gemeinsame Basis für die Ableitung der quasigeostrophischen und der semigeostrophischen Theorie sowie der Sawyer-Eliassen- Zirkulation dient. Ebenso sollte die zentrale Bedeutung der hochtroposphärischen Starkwindbänder für die atmosphärische Dynamik stärker betont werden, so dass in der vorliegenden Auflage des Buchs eine

8 x ausführlichere Beschreibung der charakteristischen Eigenschaften des polaren und subtropischen Jetstreams erfolgt. Bei der detaillierten Analyse der präsentierten Wetterlagen konnte auch dieses Mal wieder auf das ausgezeichnete Kartenmaterial des Internetanbieters wetter3.de zurückgegriffen werden. Dafür bedanke ich mich herzlich bei den beiden Betreibern von wetter3.de, Dipl.- Met. R. Behrendt und Dipl.-Met. H. Mahlke. Weiterhin gebührt mein ausdrücklicher Dank der Firma WetterOnline Meteorologische Dienstleistungen GmbH, die seit vielen Jahren eng mit dem Meteorologischen Institut der Universität Bonn kooperiert. Die unter wetteronline.de im Internet präsentierten umfangreichen Messwerte meteorologischer Größen sind für die Wetteranalyse von herausragendem Wert. Darüber hinaus bin ich wiederum den Mitarbeitern meiner Arbeitsgruppe zu großem Dank für die tatkräftige Unterstützung während der Erstellung des Buchs verpflichtet. Besonders hervorheben möchte hierbei die sehr hilfreichen Beiträge von M. Sc. A. Kelbch und M. Sc. M. Langguth. Meiner Frau Dipl.-Met. B. Bott danke ich erneut für ihre überaus konstruktiven Anregungen, die entscheidend zum Gelingen dieses Vorhabens beigetragen haben. Schließlich bedanke ich mich für die ausgezeichnete Zusammenarbeit mit M. Behncke- Braunbeck und B. Saglio vom Springer-Verlag. Bonn, im Februar 2016 Andreas Bott

9 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung Historische Entwicklung der Meteorologie Raumzeitliche Skalen atmosphärischer Phänomene Das Vorhersageproblem Datenassimilation, numerische Wettervorhersage Wetterbeobachtungen Messmethoden Wolken, Klassifikation und Eigenschaften Radarmeteorologie Satellitenmeteorologie Die Kanäle im solaren Spektralbereich Die Kanäle im terrestrischen Spektralbereich Beispielfür die Interpretation von Satellitenbildern 37 3 Mathematische Beschreibung atmosphärischer Prozesse Skalare und Vektoren Differentialoperatoren Koordinatensysteme Das geographische Koordinatensystem Die Tangentialebene Die generalisierte Vertikalkoordinate Die Tangentialebene mit physikalisch definierten Horizontalkoordinaten Das prognostische Gleichungssystem Die thermo-hydrodynamischen Zustandsvariablen Ideale Gasgleichung und Kontinuitätsgleichungen Die Wärmegleichung Die Bewegungsgleichung Skalenanalyse der Bewegungsgleichung... 67

10 xii Inhaltsverzeichnis 4 Grundlagen der Dynamik und Thermodynamik Hydrostatische Instabilität Schichtungsstabilität und Temperaturadvektion Barotropie und Baroklinität Horizontale Gleichgewichtswinde Der geostrophische Wind Der Gradientwind Der Reibungswind Der zyklostrophische und der antitriptische Wind Der thermische Wind Der ageostrophische Wind Approximationsformen der horizontalen Bewegungsgleichung Der ageostrophische Wind bei horizontaler Bewegung Der Einfluss der Vertikalbewegung auf v ag Geostrophische Antriebe ageostrophischer Bewegungen Trajektorien und Stromlinien Die vertikale Neigung von Druckgebilden Kinematik horizontaler Strömungen Die lokale Geschwindigkeitsdyade Divergenz und 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 der PV...188

11 Inhaltsverzeichnis xiii 7.3 Diabatische Prozesse Das PV-Invertierungsprinzip Fernwirkungen von PV-Anomalien Die globale Zirkulation Thermisch direkte und indirekte Zirkulation Vereinfachtes Schema der globalen Zirkulation Jetstreams und Jetstreaks Der Subtropenjetstream Der Polarfrontjetstream Weitere atmosphärische Starkwindfelder Luftmassentransformationen Europäische Großwetterlagen Wetterlagen unter dem Einfluss unterschiedlicher Luftmassen Nordwestlage Ostlage Südwestlage Rossby-Wellen Raumzeitliche Variabilität planetarer Wellen Barotrope Wellen Die Wellenverlagerung aus der PV-Perspektive Barokline Wellen Das Zweischichtenmodell barokline Instabilität Das Zweischichtenmodell Barokline Instabilität Energetische Betrachtungen Stabilitätsverhalten barokliner Wellen Neutrale und gedämpfte Wellen Instabile Wellen Zeitliche Änderungen der Phasenverschiebungen Wellenstabilitäten aus der PV-Perspektive Zyklonen und Antizyklonen Zyklogenese und Antizyklogenese Die Drucktendenzgleichung Die Verlagerung der Druckgebilde Vergenzen in der Höhenströmung Klassifikation von Zyklogenesen Zyklogenese an einer Frontalwelle Auflösung der Druckgebilde Ekman-Pumping Die Polarfronttheorie Der Lebenszyklus einer Idealzyklone

12 xiv Inhaltsverzeichnis Kalte und warme Okklusion Teiltiefs und Zyklonenfamilien Kritische Anmerkungen zur Polarfronttheorie Weitere Zyklonenmodelle Das Shapiro-Keyser-Zyklonenmodell Das STORM-Zyklonenmodell PV-Analyse und Zyklogenese Kurzwellentrog Leezyklogenese Rapide Zyklogenese Fronten und Frontalzonen Die Front als Diskontinuitätsfläche Kinematische Eigenschaften von Fronten Ana- und Katafronten Fronten und Conveyor Belts Die Warmfront Die Ana-Kaltfront Die Kata-Kaltfront Die Okklusionsfront Frontogenese Die Sawyer-Eliassen-Zirkulation Frontenanalyse PV-Analyse an der Polarfont Dry Intrusion und Tropopausenfaltung Cutoff-Prozess 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 499 Sachverzeichnis 523