Meteorologie Landeswetterdienst. Überblick: Landeswetterdienst. Aufbau der Atmosphäre Landeswetterdienst. Wetterkunde - Physik der Atmosphäre

Transkript

1 Meteorologie Wetterkunde - Physik der Atmosphäre Meteorologie: die Lehre von den Dingen in der Luft Junge Disziplin Erfindung der Messgeräte 1. Messnetze im 19. Jhd Entwicklung der mathematischen Gleichungen Entwicklung der Computer Überblick: Einleitung Atmosphäre Luft Die Arbeit der Sonne Die Physik in der Meteorologie: Druck, Temperatur, Feuchte, Zyklogenese - Lebenszyklus eines Tiefdruckgebiets Drei unübersehbare Phänomene: Wind, Niederschlag & Wolken Aufbau der Atmosphäre Eckdaten: - Atmosphäre: dünne, die Erde umhüllende Gasschicht - ca. 100 km Dicke (Erdradius: 6372 km) - homogenes Gasgemisch = Homosphäre 1

2 Zusammensetzung der Luft Hauptbestandteile: 78 % Stickstoff 21 % Sauerstoff 1 % Spurengase (CO 2, H 2 O, ) 4% Wasser in der Troposphäre Aufbau der Atmosphäre Die Sonne als Energielieferant unterschiedliche Einstrahlung an den Polen und dem Äquator unterschiedliche Erwärmung der Luftmassen Energietransport vom Äquator nordwärts Temperaturausgleich über die gesamte Erde 2

3 Der Treibhauseffekt Sonne: Energielieferant Erde: strahlt Wärme ab Treibhauseffekt: mittlere Temperatur auf Erde +15 C statt -18 C Beschreibung der Atmosphäre: durch physikalische Gesetze: Bewegungsgleichungen Thermodynamische Gleichungen durch physikalische Parameter: Druck p [hpa = mbar] Temperatur T [ C] Feuchtigkeit r [%] durch zusätzliche Beobachtungen: Wind v [m/s; km/h; kn; bf] Niederschlag [mm] Wolken [ /8] Luftdruck Luft hat ein Gewicht! ~ 1,3 kg/m³ Gewicht der Luftsäule in Meeresniveau: ~ kg/m² km Höhe Druck: Kraft pro Fläche Luftdruck: Gewichtskraft pro Fläche Luftdruck in Meeresniveau: 1013,3 hpa 1000 hpa = 1 bar 11 km 5,5 km hpa = mbar Luftdruck Steigt man auf einen Berg, sinkt der Luftdruck! In 5000m liegt ca. die Hälfte der Luft darunter und die andere Hälfte darüber. 3

4 Luftdruckbestimmung an einem Ort Der Luftdruck wird mit einem Barometer bestimmt (E. Torricelli, ) Die Änderung des Luftdrucks an einem Ort weist auf eine Wetteränderung hin! Reduktion des Luftdrucks auf Meeresniveau zum Vergleich mehrerer Barometer. Bodendruckverteilung Beispiel: Wetterkarte H T H Lufttemperatur Lufttemperatur: - Ausdruck für den Wärmezustand der Luft - Definition über die Bewegung der Luftmoleküle warme Luft => schnelle Molekularbewegung kalte Luft => langsame Molekularbewegung Temperaturänderung durch: Wärmeleitung Wärmestrahlung 4

5 Vertikale Temperaturverteilung Troposphäre: - Temperaturabnahme 0,6 /100 m (Jahresmittel) - Trockene Luft: ca. 1 /100m Tropopause: km Höhe Stratosphäre Stratosphäre: (Ozonschicht) - Temperaturzunahme mit der Höhe wegen Absorption kurzwelliger Strahlung Tropopause Troposphäre - T + 0,6 /100m 1 /100m km Lufttemperatur Temperaturmessung: Flüssigkeitsthermometer Bimetallthermometer Widerstandsthermometer Temperatur in der Höhe durch Luftmassen bestimmt! in Südtirol: Tagesgang der Temperatur Jahresgang der Temperatur Temperaturextreme im Gebirge Polare bzw. arktische Luftmassen verursachen im Gebirge eisige Kälte. Extreme Temperaturen mit Werten bis unter -20 C treten oft mit kräftigem Nordwind auf. Schöntaufspitze: -30 C Sonnblick (1905): -37 C Bei Inversionslagen sinken auch im Tal die Werte unter -20 C (-29 Toblach) 5

6 Zusammenhang Temperatur - Druck Warme Luft hat eine geringere Dichte als kalte Luft Warme Luft steigt auf kalte Luft sinkt ab Bsp. Heißluftballon Gasgleichung: direkter Zusammenhang zwischen Druck, Temperatur, Volumen. Volumenänderung: Ausdehnung => Abkühlung Komprimierung => Erwärmung Luftfeuchtigkeit In der Atmosphäre sind große Mengen an Wasserdampf enthalten! Verdunstung: Wasserdampf gelangt in die Atmosphäre Kondensation und Niederschlag: Wasserdampfgehalt sinkt Die Aufnahmefähigkeit ist stark Temperaturabhängig: hohe Temperatur: große Wasserdampfmenge tiefe Temperatur : geringe Wasserdampfmenge z.b. bei 30 C => 30 g/m³ bei 20 C => 17 g/m³ bei 10 C => 9 g/m³ Relative Luftfeuchtigkeit Die Luftfeuchtigkeit wird meist in relativer Luftfeuchte (r) gemessen: aktueller Wasserdampfgehalt r = max. Wasserdampfgehalt b. aktueller Temperatur Gesättigte Luft: r = 100% z. B. 9 g/m³ bei 30 -> 9/30 = 0,3 -> r = 30% 9 g/m³ bei 20 -> 9/17 = 0,53 -> r = 53% 9 g/m³ bei 10 -> 9/ 9 = 1 -> r = 100% 6

7 Feuchtemessung: Verschiedene Messgeräte, genaue Messung oft kompliziert und aufwändig. Haarhygrometer Taupunkt Hygrometer Psychrometer Feuchtesensoren Auch die Luftfeuchtigkeit hat einen Tagesgang Luftfeuchtigkeit: Kondensation Was passiert also wenn Luft aufsteigt? Aufsteigende Luft kühlt ab und kann weniger Feuchte aufnehmen! Plötzlich ist die Luft gesättigt, die rel. Luftfeuchtigkeit beträgt 100% Der Wasserdampf kondensiert, es bilden sich Wolken Feuchtigkeit im Gebirge Die gefühlte Temperatur hängt von der Luftfeuchtigkeit ab: bei feuchter Luft empfinden wir tiefe Temperaturen viel kälter als bei trockener Luft. (höherer Verlust von Wärme durch die Feuchtigkeit) 7

8 Synoptik Altgriechisch sýnopsis (aus syn- zusammen und opsis das Sehen ) Synoptik = Interpretation meteorologischer Informationen: Luftmassen Frontensysteme Tiefdruckgebiete Hochdruckgebiete Frontalzonen Temperaturgegensätze zwischen unterschiedlichen Luftmassen an den Frontalzonen konzentriert => hohe Wetteraktivität => Entwicklung von Tiefdruckgebieten Lebenszyklus eines Tiefdruckgebietes Anfangsstadium: Konzentration von Temperaturgegensätzen zwischen warmer Luft im Süden und kalter Luft im Norden => Frontalzone Entwicklung: Verschiebung von warmer Luft auf der Vorderseite des Tiefs nach Norden und von kalter Luft auf der Rückseite des Tiefs nach Süden 8

9 Lebenszyklus eines Tiefdruckgebietes Weitere Entwicklung: Kaltfront schneller als Warmfront => Okklusion => Abbau der Temperaturgegensätze Altersstadium: kleine Temperaturgegensätze => keine Bewegungsenergie => Abschwächung der Tiefdruckgebietes Querschnitt durch ein Tiefdruckgebiet Warmluft leichter als Kaltluft: Aufgleiten der Warmluft auf die Kaltluft an der Warmfront Keilförmiges Vorschieben der Kaltluft unter die Warmluft an der Kaltfront Idealbild nur gültig ohne Hindernisse! Veränderung der Fronten durch die Topographie (Alpen) Fronten im Satellitenbild Meteoschweiz 9

10 Zusammenspiel von Hoch und Tief Bewegung der Luftmassen um ein Hoch mit dem Uhrzeiger = antizyklonale Rotation Bewegung der Luftmassen um ein Tief gegen den Uhrzeiger = zyklonale Rotation Zusammenströmen der Luft im Tief => Aufsteigen Auseinanderströmen der Luft aus dem Hoch => Absinken Wind Wind entsteht um Druckunterschiede in der Atmosphäre auszugleichen. Der Wind bläst von hohem zu niedrigem Druck! Thermische Zirkulation: z.b. offenes Fenster (kalte Luft ist schwerer als warme) Land See Wind Talwind => Umwandlung von potentieller Energie in kinetische Energie => Luftbewegungen Windmessung Wind ist eine vektorielle Größe: Windgeschwindigkeit Windrichtung Messung mittels Anemometer: Windrichtung: Jene Richtung aus der der Wind weht ; N E S - W Windgeschwindigkeit wird in m/s, km/h oder kn gemessen (1 m/s = 1,944 kn = 3,6 km/h) Subjektive Schätzung: Beaufortskala 10

11 Wind & Beaufort Skala Der Wind hat einen großen Einfluss auf den Aufbau der Schneedecke! Die Gefahrenstellen bleiben über Wochen erhalten. Wind auf den Bergen Auf den Bergen erreicht der Wind oft Sturmstärke! Windböen von über 200 km/h sind möglich. Vorsicht auf Graten und Kämmen! Sturmtief Emma Windböen bis 215 km/h! Windrekord im Tal: 24. Juli 2009 Raas bei Brixen 135 km/h Wind Wind chill: Die gefühlte Temperatur ist durch starken Wind viel tiefer als die gemessene Temperatur: Der Wind in der Höhe wird durch die großräumige Wetterlage bestimmt. In den Tälern weist der Talwind einen Tageszyklus auf. 11

12 Wolken Wasserdampf kondensiert in der Atmosphäre zu Wolkentropfen wenn: Hohe Wolken sind immer Eiswolken Tiefe und mittelhohe Wolken enthalten meist Wassertropfen Cumulonimbuswolken bestehen aus Wasser und Eis ausreichend hohe relative Luftfeuchtigkeit vorhanden ist genügend Kondensationskeime in der Luft schweben Wolkeneinteilung Wolken unentliches Formenreichtum WMO: Internationaler Wolkenatlas Begrenzte Anzahl von charakteristischen Erscheinungsbildern 4 Wolkenfamilien (Wolkenstockwerke) 10 Wolkengattungen (Ci, Cc, Cs, Ac, As, Sc, St, Ns, Cu, Cb) 14 Wolkenarten (fibratus, lenticularis, humilis ) 9 Wolkenunterarten (translucidus, opacus ) 9 Sonderformen und Begleitwolken (incus, mamma, virga ) Wolkeneinteilung Bestimmte Wolken zeigen die weitere Wetterentwicklung an! (Cirren, Cumulus, ) 12

13 Sichtweite Wolken schränken auf den Bergen häufig die Sicht ein! Die horizonztale Sichtweite wird in km angegeben. 1-8 km Sichtweite = Dunst Unter 1 km Sichtweite = Nebel Befindet man sich innerhalb der Wolke ist sie von Nebel nicht zu unterscheiden! Niederschlag Regen : flüssiger Niederschlag Schnee : fester Niederschlag FÄLLT NIEDERSCHLAG Schauer (Schnee- oder Regenschauer ): Nicht anhaltender Niederschlag aus Quellwolken. Die Niederschläge sind lokal sehr unterschiedlich und treten bevorzugt im Frühjahr und Sommer auf. Gewitterzelle nördlich von Bozen am Typisch bei Gewittern (Achtung! 6. Juli Sind 2004, im ca. Winter zwar Uhr mit bis zu selten aber möglich -> Blitzschlag!!) 30cm Hagel in Mölten Auch Eisregen, Tau, Reif, Rauhreif und Schneefegen sind Arten von Niederschlag Niederschlag in Südtirol Jahresniederschlag in Südtirol zwischen mm Durchschnittlicher Jahresniederschlag

14 Niederschlag im Alpenraum südl. Alpenvorland: Niederschlagsreich mit einem Maximum im Frühjahr und Herbst. Inneralpin: Niederschlagsarm, mit einem Sommermaximum (Gewitter) [mm] J F M A M J J A S O N D In Südtirol ist der Winter relativ trocken! Das Klima der Alpen im Raume von Tirol Franz Fliri,1975 Bildung von Schneekristallen Unterschiedliche atmosphärische Bedingungen führen zu gänzlich verschiedenen Schneekristallformen. 0 bis -3 dünne hexagonale Platten -3 bis -5 Nadeln -5 bis -8 Prismen mit Höhlungen -8 bis -12 hexagonale Platten -12 bis -16 dendritische Kristalle -16 bis -25 Platten -25 bis -50 Prismen mit Höhlungen Mischform Plättchen Dendritischer Schneestern Die Schneefallgrenze Definition Schneefallgrenze: Jene Höhe in der Niederschlag zu gleichen Teilen aus Schnee und Regen besteht Bei 0 beginnt Schnee zu schmelzen, die Schneefallg renze liegt also stets unterhalb der Nullgradgrenze (meist zwischen 300m und 500m). 14

15 Die Schneefallgrenze Abhängig von: -Lufttemperatur (vertikale Temperaturschichtung) -Luftfeuchtigkeit -Niederschlagsintensität -Windgeschwindigkeit Fällt Schnee in trockene Luftmassen, entzieht die Verdunstung der Schneeflocke Wärme, so ist Schneefall bis 1000m unter die Nullgradgrenze möglich. Niederschlag mit katastrophalen Folgen Extremereignisse: Schnalstal: Starke Schneefälle im Gebirge lassen die Lawinengefahr stark ansteigen (mehr als 50cm in 24h) Schneefälle in tiefen Lagen verursachen Probleme im Straßenverkehr (mehr als 10cm unterhalb von 500m) Kaunertal, Nordtirol 15