Synoptische Meteorologie

Synoptische Meteorologie

Andreas Bott Synoptische Meteorologie Methoden der Wetteranalyse und -prognose 123

Prof. Dr. Andreas Bott Meteorologisches Institut Universität Bonn Auf dem Hügel 20 D-53121 Bonn ISBN 978-3-642-25121-4 e-isbn 978-3-642-25122-1 DOI 10.1007/978-3-642-25122-1 Springer Heidelberg Dordrecht London New York Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de 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 (www.springer.com)

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.

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.

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

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 (www.wetter3.de)bietet 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 (www.wetteronline.de), 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

Inhaltsverzeichnis 1 Einführung 1 1.1 Historische Entwicklung der Meteorologie... 2 1.2 Raumzeitliche Skalen atmosphärischer Phänomene... 3 1.3 Das Vorhersageproblem... 5 2 Wetterbeobachtungen 11 2.1 Messmethoden... 12 2.2 Wolken, Klassifikation und Eigenschaften... 14 2.3 Radarmeteorologie... 18 2.4 Satellitenmeteorologie... 24 2.4.1 Die Kanäle im solaren Spektralbereich... 26 2.4.2 Die Kanäle im terrestrischen Spektralbereich... 28 2.4.3 Beispielfür die Interpretation von Satellitenbildern 31 2.5 Datenassimilation, numerische Wettervorhersage... 36 3 Mathematische Beschreibung atmosphärischer Prozesse 41 3.1 Skalare und Vektoren... 41 3.2 Differentialoperatoren... 44 3.3 Bilanzgleichungen... 45 3.4 Koordinatensysteme... 46 3.4.1 Das geographische Koordinatensystem... 46 3.4.2 Das natürliche Koordinatensystem... 47 3.4.3 Das thermische Koordinatensystem... 50 3.4.4 Die generalisierte Vertikalkoordinate... 50 3.4.5 Die Tangentialebene... 52 3.5 Das prognostische Gleichungssystem... 52 3.5.1 Die thermo-hydrodynamischen Zustandsvariablen 53 3.5.2 Die Wärmegleichung... 54 3.5.3 Die Kontinuitätsgleichungen... 56 3.5.4 Die Bewegungsgleichung... 58 3.6 Die Skalenanalyse... 60

xii Inhaltsverzeichnis 4 Grundlagen der Dynamik und Thermodynamik 65 4.1 Hydrostatische Instabilität... 66 4.2 Barotropie und Baroklinität... 70 4.3 Horizontale Gleichgewichtswinde... 74 4.3.1 Der geostrophische Wind... 75 4.3.2 Der Gradientwind... 77 4.3.3 Der Reibungswind... 78 4.3.4 Der zyklostrophische und der antitriptische Wind 80 4.4 Der thermische Wind... 81 4.5 Schichtungsstabilität und Temperaturadvektion... 83 4.6 Der ageostrophische Wind... 85 4.6.1 Approximationsformen der horizontalen Bewegungsgleichung... 86 4.6.2 Der ageostrophische Wind bei horizontaler Bewegung... 89 4.6.3 Der Einfluss der Vertikalbewegung auf v ag... 93 4.7 Trajektorien und Stromlinien... 93 4.8 Die vertikale Neigung von Druckgebilden... 100 5 Kinematik horizontaler Strömungen 105 5.1 Die lokale Geschwindigkeitsdyade...105 5.2 Die Divergenz... 109 5.3 Die Vorticity... 113 5.4 Die Vorticitygleichung... 115 5.5 Trägheitsinstabilität und dynamische Instabilität... 120 5.5.1 Trägheitsinstabilität...123 5.5.2 Dynamische Instabilität...126 6 Die quasigeostrophische Theorie 129 6.1 Die Grundannahmen der quasigeostrophischen Theorie. 129 6.2 Die quasigeostrophischen Modellgleichungen... 131 6.2.1 Der erste Hauptsatz der Thermodynamik...133 6.2.2 Die Vorticitygleichung... 133 6.2.3 Die ω-gleichung... 137 6.3 Die Trenberth Form der ω-gleichung...140 6.4 Die Q-Vektor Form der ω-gleichung... 143 6.5 Beispiele zur Interpretation der ω-gleichung... 154 6.6 Stabilitätsbetrachtungen...162 7 Die potentielle Vorticity 165 7.1 Definition und Erhaltungseigenschaften der PV...166 7.2 Charakteristische Werte, Anomalien der PV...168 7.3 Das PV-Invertierungsprinzip...173

Inhaltsverzeichnis xiii 7.4 Die Leezyklogenese...177 7.5 Beispiele zur PV-Analyse...179 7.5.1 Zyklogenese über dem Atlantik...179 7.5.2 Bildung eines Kaltlufttropfens... 184 7.5.3 Alpenüberströmung... 190 8 Die globale Zirkulation 195 8.1 Thermisch direkte und indirekte Zirkulation...196 8.2 Vereinfachtes Schema der globalen Zirkulation...197 8.3 Jetstreams und Jetstreaks...205 8.4 Luftmassentransformationen...211 8.5 Wetterlagen unter dem Einfluss unterschiedlicher Luftmassen... 217 8.5.1 Nordwestlage...217 8.5.2 Ostlage...220 8.5.3 Südwestlage...223 9 Europäische Großwetterlagen 229 9.1 Großwetterlagen, -typen und Zirkulationsformen...230 9.2 Beispiele europäischer Großwetterlagen...234 10 Rossby-Wellen 265 10.1 Raumzeitliche Variabilität planetarer Wellen...266 10.2 Barotrope Wellen... 274 10.3 Barokline Wellen...277 10.4 Das Zweischichtenmodell barokline Instabilität...281 10.4.1 Das Zweischichtenmodell...283 10.4.2 Barokline Instabilität...285 10.4.3 Energetische Betrachtungen... 290 10.5 Stabilitätsverhalten barokliner Wellen...293 10.5.1 Stabile und gedämpfte Wellen...294 10.5.2 Instabile Wellen...309 10.6 Abschließende Bemerkungen...315 11 Zyklonen und Antizyklonen 319 11.1 Zyklogenese und Antizyklogenese...320 11.1.1 Die Drucktendenzgleichung...321 11.1.2 Die lokale zeitliche Änderung der Vorticity...324 11.1.3 Die Verlagerung der Druckgebilde... 325 11.1.4 Vergenzen in der Höhenströmung...326 11.1.5 Zyklogenese an einer Frontalwelle...328 11.1.6 Auflösung der Druckgebilde Ekman-Pumping..331

xiv Inhaltsverzeichnis 11.2 Die Polarfronttheorie... 335 11.2.1 Der Lebenszyklus einer Idealzyklone... 336 11.2.2 Kalte und warme Okklusion... 339 11.2.3 Teiltiefs und Zyklonenfamilien... 340 11.2.4 Kritische Anmerkungen zur Polarfronttheorie... 342 11.3 Weitere Zyklonenmodelle...346 11.3.1 Das Shapiro-Keyser Zyklonenmodell... 346 11.3.2 Das STORM Zyklonenmodell...348 11.4 Rapide Zyklogenese... 350 12 Fronten und Frontalzonen 365 12.1 Materielle Diskontinuitätsfläche und Feldtheorie...366 12.2 Kinematische Eigenschaften von Fronten und Frontalzonen...368 12.3 Ana- und Katafronten... 379 12.4 Frontogenese... 384 12.5 Die Sawyer-Eliassen Zirkulation...392 12.6 Fronten und Conveyor Belts... 399 12.6.1 Die Warmfront...400 12.6.2 Die Ana-Kaltfront...404 12.6.3 Die Kata-Kaltfront...406 12.6.4 Die Okklusionsfront... 412 12.7 Frontenanalyse... 419 12.8 Konzeptionelle Modelle Fluch oder Segen?...423 13 Mesoskalige meteorologische Prozesse 427 13.1 Gewitter...428 13.1.1 Einzel-, Multi- und Superzellen...429 13.1.2 Voraussetzungen für die Gewitterbildung... 432 13.2 Mesoskalige konvektive Systeme...436 13.2.1 Größenordnungen und Formen... 436 13.2.2 Squall Lines... 437 13.2.3 Konvergenzlinien...441 13.3 Nebel...447 13.3.1 Entstehungsmechanismen... 448 13.3.2 Nebelprognose...450 Literaturverzeichnis 455 Sachverzeichnis 475