Einführung in die Meteorologie (met210) - Teil V: Synoptik

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1 Einführun in die Meteoroloie (met20) - eil V: Synotik Clemens Simmer

2 V Synotische Meteoroloie Synotik ist die Zusammenschau der Wetteroräne in Raum und Zeit mit dem Ziel der Wetteranalyse und Wetterorhersae. Die Synotik ist eil der Anewandten Meteoroloie.. Allemeines - Definitionen - Darstellunsweisen - dreidimensionale Sicht thermischer Wind 2. Synotische Systeme mittlerer Breiten - erschiedene Skalen - Frontentheorien 2

3 V. Allemeines zur Synotik Definition und Grundlaen Definition wissenschaftliche und technische Grundlaen Geschichte Darstellun synotischer Felder Bodenkarten öhenkarten Stationsmodell hermische Verknüfun on Boden- und öhenwetterkarten thermischer Wind Barotroe und barokline Felder 3

4 V.. Definition und Grundlaen Synotik: Zusammenschau der 4D-Verteilun der meteoroloischen Parameter mit dem Ziel der Wetteranalyse und der Pronose. Wetteranalyse umfasst die 4D-Verteilun aller meteoroloischen Größen im Sinne einer Prozessanalyse. Pronose erfordert quasi-echtzeiterfübarkeit lobaler Daten in den nationalen oder internationalen Vorhersaezentren meteoroloischen (synotischen) Sacherstand und/oder Pronosemodelle (Nutzun on Erkenntnissen der theoretischen Meteoroloie, Atmoshärenhysik und -chemie, ydroloie,, numerische Mathematik und Informatik 4

5 Synotische Skala 00 km 000 km Auflösun on iefdruckebieten (einschließlich Fronten) und ochdruckebieten andere Größenordnunen - U ~ 0 m/s - ~ h d zwischen lobaler Skala und Mesoskala notwendies Beobachtunsnetz: - < 50 km - ~3h 5

6 Beobachtunssysteme in quasi-echtzeit erfübare klassische Messunen Klimamessnetze Fernerkundunserfahren 6

7 Beobachtunssysteme () er Global elecommunication System (GS) in quasi- Echtzeit erfübar synotische Stationen ( ro 40 km, Land und Volontary Obserin Shis, VOS) Druck, emeratur und Feuchte in 2 m, Wind in 0 m öhe Niederschlasmessun (Ablesun nur 6 und 8 UC) Maximum- (8 UC) und Minimumtemeratur (6 UC) Wolkenbeobachtunen und allemeine Wetterbeobachtunen um 00, 03, 06, U lobal leichzeiti aeroloische Stationen ( ro 200 km, orw. Land, Wetterschiffe) (z), (z), R(z), ff(z), dd(z) um 00, 06, 2, 8 U (iele auch nur 00) asynotisch teilweise über GS in Echtzeit erfübar Fluzeumessunen ((z), (z)) Satelitenmessunen (fast alle Parameter mit unterschiedlicher Qualität) 7

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9 Beobachtunssysteme (2) ca. x ro Monat erfübar, u.a. für Validierun Klimastationen ( ro 20 km, Land und Voluntary Obserin Shis (VOS)) alle meteoroloischen Parameter ähnlich synotische Stationen Beobachtunszeiten an Lokalzeiten orientiert Niederschlasmessnetz ( ro 0 km über Land) nur aessummen werden stark ausedünnt zunehmend Ersatz durch in Echtzeit meldende zeitlich hochauflösende Reenmesser, z.b. zur Eichun on Radarniederschläen Radarnetzwerke (alle 5-0 Minuten, quasi-echtzeit) derzeit nur nationale Netzwerke Eichun mit Reenmessern Qualität ca. 00% zunehmenden Nutzun für Pronose 9

10 Karten 0

11 Radarnetzwerk DWD DWD- Radarerbund - orizontabtastunen alle 5 min - Auflösun 2x2 km 2-6 Reflektiitätsklassen X-Band Radar Bonn Bonn - Volumenscans alle 5 min - orizontabtastunen a 5 min - Auflösun 0.25x0.25 km 2 - Reflektiität oll aufelöst

12 Euroäische Wetterradarnetze 2

13 Pronosemodelle In Euroa derzeit noch ier nationale Pronosemodellsysteme DWD et al./cosmo (GME, 50 km Aufl., LM 7km Aufl., LMK 2,8 km Aufl. >30 Schichten) MeteoFrance et al. (ALADIN) UK MetOffice et al. (UM) Schweden et al. (IRLAM, kein Globalmodell) Euroäisches Zentrum für Mittelfristie Wetterorhersae (EZMW, ECMWF, Readin, UK) etraen on fast allen nationalen euroäischen Wetterdiensten Beschränkun auf Mittelfrist, Jahreszeitenorhersae international bestes Vorhersaesystem für synotische Skala erstellt lobale Reanalysen (z.b. ERA40), alternati die USamerikanischen NCEP Reanalysen 3

14 istorische Entwicklun 833 Erfindun der elerahie erste aktuelle synotische Karte aus er elerah übermittelten Messunen (USA) 849 erste aktuelle Zeitunswetterkarte (UK) 854 erster deutscher meteoroloischer Dienst (Einrichtun nach Schiffskatastrohe durch Wettereinwirkunen) 873 International Meteoroloical Oranisation (IMO, heute World Meteoroloical Oranisation, WMO) 877 Internationale Vereinbarunen über lobale Wetterdatenübermittlun 922 Richardson macht die erste numerische Wetterorhersae für 6 Stunden (braucht dazu Monate) 923 Polarfronttheorie on Bjerknes und Solber 950 erster brauchbarer Comuter 950 erste brauchbare numerische Wetterorhersae (Charney, Fjortoft,. Neuman auf ENIAC) 954 Erste oerationelle numerische Wetterorhersae durch Rossby (Schweden) 960 erster meteoroloischer Satellit 4

15 Bausteine der modernen Wetterorhersae. Online-Datensammlun 2. Datenassimilation ->aktueller Zustand der Atmoshäre Verschmelzen on Beobachtunen und alter Vorhersae Methoden - Nudin - 3-dimensionale ariationelle Datenassimilation - 4-dimensionale ariationelle Datenassimilation - Sequential Imortance Resamlin Filter - 3. Vorhersaelauf mit Modell - deterministische Vorhersae - Ensemble-Vorhersae 4. Interretation der Modellausabe Model Outut Statistics (MOS) 5

16 V..2 Darstellun synotischer Felder (Wetterkarten) Kodierun synotischer Beobachtunen Aufbau des Stationsmodells Bodenwetterkarten öhenkarten Relatie oorahie 6

17 Aufbau des Stationssymbols Beisiel: C PPP VV C M ww d d d h ddff N C L N L a W 22 C Lufttemeratur, 8 C auunkt, 02 hpa Luftdruck, um 0,5 hpa in den letzten 3 Stunden estieen, 2/8 Bewölkun, nur niedrie Wolken, Cumulus, Wind aus Ostsüdost mit 0 Knoten, die Sichtweite ist erin, es ibt und ab keine sinifikanten Wettererscheinunen, 7

18 synotische Wetterbeobachtun IIiii Nddff VVwwW PPP N L C L hc M C d d a 7RR n n 7RR x x ccccc cccc cc57 7cc5 6 UC 8 UC II Zonenbezeichnun iii Stationskennun N Bedeckunsrad dd Windrichtun in Dekarad ff Windeschwindikeit in Knoten ( kn =ca. 0,5 m/s) VV Sichtweite (kodiert) ww Wetter zum Beobachtunszeitunkt W Wetter seit letztem auttermin (6 oder 3 Stunden) PPP Luftdruck ohne 00er, reduziert, in 0tel hpa Lufttemeratur in C NL Bedeckunsrad der tiefen Wolken C L,M, Art der tiefen, mittelhohe, hohen Wolken (kodiert) h Unterkantenhöhe der tiefsten Wolken (kodiert) D auunkttemeratur in C a Verlauf der Barorahenkure Luftdruckänderun in 0tel hpa der letzten 3 Stunden RR Niderschal der eranenen 2 Stunden (kodiert) n,x Minimum bzw. Maximumtemeratur 8

19 Einie Charaktersistika der Bodenwetterkarte UC 9

20 Charakteristika der Bodendruckkarte. Winde sind arallel zu Isobaren mit niedriem Druck links und Richtunstendenz zum niedrien Druck. 2. Je ener die Isobaren, desto stärker ist der Wind. 3. In iefs ist die Strömun links herum (zyklonal) in ochs rechts herum (antizyklonal) folen aus der eostrohischen Windrelation (Ausleich on Druckradient und Coriolisbeschleuniun). 5. iefs haben Frontalzonen (Warm- und Kaltfronten), an denen die Isobaren (und der Wind) einen zyklonalen Srun aufweisen (Marulessche Grenzflächenneiun). 6. In iefs besonders an Fronten tritt ermehrt Bewölkun und Niederschla auf (folt u.a. aus Konerenz (=Zusammenströmen) der Luftströmun erbunden mit Aufsteien) (Aufleiten, Querzirkulation). 20

21 Frontenkennzeichnun Warmfront mit Erwärmun in allen Schichten Warmfront mit Erwärmun nur am Boden Warmfront mit Erwärmun nur in der öhe Maskierte Warmfront mit Abkühlun am Boden Quasistationäre Front Kaltfront mit Abkühlun in allen Schichten Kaltfront mit Abkühlun nur am Boden Kaltfront mit Abkühlun nur in der öhe Maskierte Kaltfront mit Erwärmun am Boden Okklusionsfront (Zusammenschluß on Warm- und Kaltfront) Gealterte Okklusionsfront Warmfront-Okklusion mit Erwärmun am Boden Kaltfront-Okklusion mit Abkühlun am Boden Konerenzlinie 2

22 öhenkarten sind oorahien on isobaren Flächen, aneeben in eootentiellen Metern (m) h=(/ 0 )z absolute oorahien, z.b. 850 hpa, 700 hpa, 500 hpa, 300 hpa, enthalten h 850, h 700, als Isolinien (so. Isohysen) in d(eka)m (warum, siehe säter) Isothermen releante Messwerteintraunen (Radiosonden, Fluzeue, Satellit) als reduziertes Stationsmodell relatie oorahien, z.b. h 300 h 700 eben Informationen über die mittlere irtuelle emeratur in den Schichten (niedrie öhendifferenz = kalt, roße öhendifferenz = warm, siehe säter) 22

23 Beisiel einer 500 hpa öhenkarte (oben, ohne Stationseintraunen) mit Bodenkarte Kennzeichen: Isohysen in m (~550 m bei 500 hpa) kaum abeschlossene Isohysen Dränun der Isohysen im Bereich der Polarfront keine einezeichnete Fronten röe eenüber Bodentiefs am Boden nach Westen oder Nordwesten erschoben Rückenzentren eenüber Bodenhochs nach Westen oder Südwesten erschoben 23

24 Zusammenhan Isobaren - Isohysen Beim Überan zu Isohysen ereinfacht sich die Gleichun für den eostrohischen Wind weil die Dichte entfällt. Dadurch entsrechen leicher Isohysendränun der leiche eostrohische Wind und zwar unabhäni on der öhe k h f z z ρ ρ x x x x mit z = Geootential, h x ρ d dx y, z = ρ und schließlich 0 k h f 0 = dh dx f y, k = ρ z Φ h 0 = ρ = ρ0 = ρ0 x x x = z/ eootentielles Meter. Φ 0 h x 0 Φ = ρ x - x Es folt =-z z+z z 24

25 Zusammenhan Relatie oorahie mittlere irtuelle Schichttemeratur statische GG : d d ln d ln = 2 = ln R L = R z2 z (ln ln R L L = ρdz, ideale Gasleichun = ρr = 2 ) dz ( z = R 2 L R L z dz ) ( h h ) 0 (ln Interation mit 2 ln 2 ) = R L Φ2 Φ (ln ln 2 ) L Die (eootentielle) Dicke einer Schicht zwischen zwei festen Druckflächen ist direkt roortional zur mittleren irtuellen emeratur der Schicht. 25

26 V..3 hermische Verknüfun on Boden und öhenwetterkarten - thermischer Wind - orizontale emeraturunterschiede erzeuen horizontale Druckunterschiede in der öhe und damit unterschiedlichen eostrohischen Wind in der Grenzzone z kalte Luft warme Luft j -3 j -2 j - j i = j i -2 j - i horizontale Druckradienten x höhenabhänier eostrohischer Wind = thermischer Wind 26

27 hermischer Wind () S, warm N, kalt o -2 o - o Selbst bei Druckleichheit am Boden (kein eostrohischer Wind am Boden) nimmt der Wind durch horizontale emeraturänderunen mit der öhe zu Beisiel für die Entstehun on Strahlströmen über Frontalzonen Durch horizontale emeraturunterschiede entsteht ein (eostrohischer) Wind, der die kalte Luft umströmt, wie der eostrohische Wind das ief. 27

28 hermischer Wind (2) o -2 o - o aben wir im Süden ein warmes och und im Norden ein kaltes ief, so wird mit der öhe der am Boden schon herrschende Westwind mit zunehmender öhe erstärkt. Beisiel für die Westwinddrift der mittleren Breiten S,, warm N,, kalt 28

29 hermischer Wind (3) S,, warm N,, kalt o -2 o - o aben wir im Süden ein warmes ief und im Norden ein kaltes och, so haben wir am Boden Ostwinde und in der öhe Westwinde. Warme iefs und kalte ochs sind flach (denn sie schlaen in ochs bzw. ief um mit der öhe) Beisiel für die adley- Zirkulation der roen/subtroen 29

30 30 Formale Ableitun des thermischen Windes im z-system ( ) ( ) ,, ln ln ln ln,,, z k f z k f z k f z R k f R z k f R z k f R z z k f R k f R k f R z R z R z R k f L L L L L L L L L L + = + = + = + = + = = = = = = = = = ρ ρ ρ k f z Skalenanalyse

31 Der thermische Wind - Zusammenfassun - : = ρ f k z f k Der thermische Wind (= Änderun des eostrohischen Windes mit der öhe durch einen horizontalen emeraturradienten) weht um ein Kaltluftebiet, wie der eostrohische Wind um das ief. W K 3

32 Der thermische Wind - Indikator für emeraturadektion und Mölichkeit des Nowcastin on emeraturänderunen- W K K W Rechtsdrehun mit der öhe = Es wird wärmer Achtun: Nicht mit der Rechtsdrehun des Windes in der Grenzschicht durch Reibun erwechseln. Obies ilt nur in der freien Atmoshäre! Linkssdrehun mit der öhe = Es wird kälter 32

33 Formale Ableitun des thermischen Windes im -System = k f = k f RL = f R = f L Φ k k Φ, Φ = Annahme = const z k f Geootential = k ρ f ln, z stat. GG R = f Ableitun wesentlich einfacher im -System. Zudem ilt die einfache Beziehun ohne Näherun. RL L = = ρ k RL idealegasg Die Isohysen der relatien oorahie bilden Stromlinien des thermischen Windes, wie die Isobaren und die Isohysen Stromlinien des eostrohischen Windes bilden. 33

34 Barotroe und barokline Felder barotro: Isoflächen on Druck und emeratur sind arallel zueinander 0 = 0 ln eostrohischer Wind mit der öhe konstant baroklin: Isoflächen on Druck und emeratur sind eeneinander eneit 0 0 ln eostrohischer Wind ändert sich mit der öhe 34

35 Barokline Felder - 2 Fälle - h < h 2 < Isohysen einer Druckfläche, < 2 < die emeraturen N h N h 2 h 2 2 h 2 3 h 3 3 h 3 4 a a: Es herrscht keine emeraturadektion. Dieser Fall ist tyisch für öhenkarten ab 500 hpa. Es ist ein Initialfeld für barokline Wellen h 4 E 4 b h 4 b: Es herrscht emeraturadektion. Dieser Fall ist tyisch für die Bodenwetterkarten. Sie sind erantwortlich z.b. für die Intensiierun on Wellen in den öhenkarten. E 35

36 Zusammenhan zwischen Boden- und öhenkarten Geeben sei das Isohysenfeld der 000 hpa Druckfläche (untere Abb., durchezoene Linien) mit Isothermen (untere Abb., estrichelte Linien). Bei leicher emeraturabnahme mit der öhe folen obie Isothermen und Isohysen der 500 hpa-fläche. In der öhe eht das Zellenfeld am Boden in eine Wellenform über. Das ief wird in der öhe nach Nordwest und das och nach Südwest erschoben. 36

37 Übunen zu V.. Das Druckfeld am Boden weise eine Druckzunahme on 5 hpa auf 00 km on Süd nach Nord auf. Weiter herrsche ein emeraturradient on West nach Ost on 5 K auf 00 km. Schätze den eostrohischen Wind am Boden und in 5 km öhe ab. 2. Verifiziere den Überan zwischen den beiden Druckfeldern (unten oben) der Folie Zusammenhan zwischen Boden- und öhenkarten qualitati mit der thermischen Windleichun (qualitaties Einzeichnen des thermischen Windeektors). 3. Welches öhenfeld eräbe sich qualitati, wenn am Boden och und ief ertauscht wären bei leicher emeraturerteilun? 4. Vollziehe durch unefähres Einzeichnen des thermischen Windektors die Zusammenhäne zwischen Boden- und öhenkarte auf den folenden Wetterkarten nach. 37

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