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

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Präsentation zum Thema: "Clemens Simmer Einführung in die Meteorologie (met210) - Teil V: Synoptik."—  Präsentation transkript:

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

2 2 V Synoptische Meteorologie Synoptik ist die Zusammenschau der Wettervorgänge in Raum und Zeit mit dem Ziel der Wetteranalyse und Wettervorhersage. Die Synoptik ist Teil der Angewandten Meteorologie. 1. Allgemeines - Definitionen - Darstellungsweisen - dreidimensionale Sicht – thermischer Wind 2. Synoptische Systeme mittlerer Breiten - verschiedene Skalen - Frontentheorien

3 3 V.1 Allgemeines zur Synoptik Definition und Grundlagen –Definition –wissenschaftliche und technische Grundlagen –Geschichte Darstellung synoptischer Felder –Bodenkarten –Höhenkarten –Stationsmodell Thermische Verknüpfung von Boden- und Höhenwetterkarten –thermischer Wind Barotrope und barokline Felder

4 4 V.1.1 Definition und Grundlagen Synoptik: Zusammenschau der 4D-Verteilung der meteorologischen Parameter mit dem Ziel der Wetteranalyse und der Prognose. Wetteranalyse umfasst die 4D-Verteilung aller meteorologischen Größen im Sinne einer Prozessanalyse. Prognose erfordert –quasi-Echtzeitverfügbarkeit globaler Daten in den nationalen oder internationalen Vorhersagezentren –meteorologischen (synoptischen) Sachverstand –und/oder Prognosemodelle (Nutzung von Erkenntnissen der theoretischen Meteorologie, Atmosphärenphysik und -chemie, Hydrologie, …, numerische Mathematik und Informatik

5 5 Synoptische Skala 1000 km 100 km Auflösung von Tiefdruckgebieten (einschließlich Fronten) und Hochdruckgebieten andere Größenordnungen -U ~ 10 m/s -T ~ h – d zwischen globaler Skala und Mesoskala notwendiges Beobachtungsnetz: -< 50 km -~ 3 h

6 6 Beobachtungssysteme in quasi-Echtzeit verfügbare klassische Messungen Klimamessnetze Fernerkundungsverfahren

7 7 Beobachtungssysteme (1) per Global Telecommunication System (GTS) in quasi- Echtzeit verfügbar –synoptische Stationen (1 pro 40 km, Land und Volontary Observin Ships, VOS) Druck, Temperatur und Feuchte in 2 m, Wind in 10 m Höhe Niederschlagsmessung (Ablesung nur 6 und 18 UTC) Maximum- (18 UTC) und Minimumtemperatur (6 UTC) Wolkenbeobachtungen und allgemeine Wetterbeobachtungen um 00, 03, 06, …UT global gleichzeitig –aerologische Stationen (1 pro 200 km, vorw. Land, Wetterschiffe) T(z), p(z), RH(z), ff(z), dd(z) um 00, 06, 12, 18 UT (viele auch nur 00) –asynoptisch teilweise über GTS in Echtzeit verfügbar Flugzeugmessungen (T(z), p(z)) Satelitenmessungen (fast alle Parameter mit unterschiedlicher Qualität)

8 8

9 9 Beobachtungssysteme (2) ca. 1 x pro Monat verfügbar, u.A. für Validierung –Klimastationen (1 pro 20 km, Land und Voluntary Observing Ships (VOS)) alle meteorologischen Parameter ähnlich synoptische Stationen Beobachtungszeiten an Lokalzeiten orientiert –Niederschlagsmessnetz (1 pro 10 km über Land) nur Tagessummen werden stark ausgedünnt zunehmend Ersatz durch in Echtzeit meldende zeitlich hochauflösende Regenmesser, z.B. zur Eichung von Radarniederschlägen Radarnetzwerke (alle 5-10 Minuten, quasi-Echtzeit) –derzeit nur nationale Netzwerke –Eichung mit Regenmessern –Qualität ca. 100% –zunehmenden Nutzung für Prognose

10 10 Karten

11 11 Radarnetzwerk DWD Bonn DWD- Radarverbund - Horizontabtastungen alle 5 min - Auflösung 2x2 km Reflektivitätsklassen X-Band Radar Bonn - Volumenscans alle 15 min - Horizontabtastungen a 5 min - Auflösung 0.25x0.25 km 2 - Reflektivität voll aufgelöst

12 12 Europäische Wetter- radarnetze

13 13 Prognosemodelle In Europa derzeit noch vier nationale Prognosemodellsysteme –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. (HIRLAM, kein Globalmodell) Europäisches Zentrum für Mittelfristige Wettervorhersage (EZMW, ECMWF, Reading, UK) –getragen von fast allen nationalen europäischen Wetterdiensten –Beschränkung auf Mittelfrist, Jahreszeitenvorhersage –international bestes Vorhersagesystem für synoptische Skala –erstellt globale Reanalysen (z.B. ERA40), alternativ die US- amerikanischen NCEP Reanalysen

14 14 Historische Entwicklung 1833 Erfindung der Telegraphie erste aktuelle synoptische Karte aus per Telegraph übermittelten Messungen (USA) 1849erste aktuelle Zeitungswetterkarte (UK) 1854erster deutscher meteorologischer Dienst (Einrichtung nach Schiffskatastrophe durch Wettereinwirkungen) 1873International Meteorological Organisation (IMO, heute World Meteorological Organisation, WMO) 1877Internationale Vereinbarungen über globale Wetterdatenübermittlung 1922Richardson macht die erste numerische Wettervorhersage für 6 Stunden (braucht dazu Monate) 1923Polarfronttheorie von Bjerknes und Solberg 1950erster brauchbarer Computer 1950erste brauchbare numerische Wettervorhersage (Charney, Fjortoft, v. Neuman auf ENIAC) 1954Erste operationelle numerische Wettervorhersage durch Rossby (Schweden) 1960erster meteorologischer Satellit

15 15 Bausteine der modernen Wettervorhersage 1.Online-Datensammlung 2.Datenassimilation ->aktueller Zustand der Atmosphäre Verschmelzen von Beobachtungen und alter Vorhersage Methoden -Nudging -3-dimensionale variationelle Datenassimilation -4-dimensionale variationelle Datenassimilation -Sequential Importance Resampling Filter -… 3.Vorhersagelauf mit Modell -deterministische Vorhersage -Ensemble-Vorhersage 4.Interpretation der Modellausgabe –Model Output Statistics (MOS)

16 16 V.1.2 Darstellung synoptischer Felder (Wetterkarten) Kodierung synoptischer Beobachtungen Aufbau des Stationsmodells Bodenwetterkarten Höhenkarten Relative Topographie

17 17 TdTdTdTd a W NLNL h ddff N Aufbau des Stationssymbols Beispiel: 22°C Lufttemperatur, 18°C Taupunkt, 1021 hPa Luftdruck, um 0,5 hPa in den letzten 3 Stunden gestiegen, 2/8 Bewölkung, nur niedrige Wolken, Cumulus, Wind aus Ostsüdost mit 10 Knoten, die Sichtweite ist gering, es gibt und ab keine signifikanten Wettererscheinungen,…

18 18 synoptische Wetterbeobachtung IIiii Nddff VVwwW PPPTT N L C L hC M C H T d T d app 7RRT n T n 7RRT x T x ccccc cccc cc57 7cc51 6 UTC 18 UTC IIZonenbezeichnung iiiStationskennung NBedeckungsgrad ddWindrichtung in Dekagrad ffWindgeschwindigkeit in Knoten (1 kn =ca. 0,5 m/s) VVSichtweite (kodiert) wwWetter zum Beobachtungszeitpunkt WWetter seit letztem Haupttermin (6 oder 3 Stunden) PPPLuftdruck ohne 100er, reduziert, in 10tel hPa TTLufttemperatur in°C NLBedeckungsgrad der tiefen Wolken C L,M,H Art der tiefen, mittelhohe, hohen Wolken (kodiert) hUnterkantenhöhe der tiefsten Wolken (kodiert) TDTaupunkttemperatur in °C aVerlauf der Barographenkurve ppLuftdruckänderung in 10tel hPa der letzten 3 Stunden RRNiderschalg der vergangenen 12 Stunden (kodiert) Tn,xMinimum bzw. Maximumtemperatur

19 UTC Einige Charaktersistika der Bodenwetterkarte

20 20 Charakteristika der Bodendruckkarte 1.Winde sind parallel zu Isobaren mit niedrigem Druck links und Richtungstendenz zum niedrigen Druck. 2.Je enger die Isobaren, desto stärker ist der Wind. 3.In Tiefs ist die Strömung links herum (zyklonal) in Hochs rechts herum (antizyklonal) folgen aus der geostrophischen Windrelation (Ausgleich von Druckgradient und Coriolisbeschleunigung). 5.Tiefs haben Frontalzonen (Warm- und Kaltfronten), an denen die Isobaren (und der Wind) einen zyklonalen Sprung aufweisen (Margulessche Grenzflächenneigung). 6.In Tiefs – besonders an Fronten – tritt vermehrt Bewölkung und Niederschlag auf (folgt u.a. aus Konvergenz (=Zusammenströmen) der Luftströmung verbunden mit Aufsteigen) (Aufgleiten, Querzirkulation).

21 21 Frontenkennzeichnung

22 22 Höhenkarten sind Topographien von isobaren Flächen, angegeben in geopotentiellen Metern (gpm) h=(g/g 0 )z –absolute Topographien, z.B. 850 hPa, 700 hPa, 500 hPa, 300 hPa, … enthalten h 850, h 700, … als Isolinien (sog. Isohypsen) in gpd(eka)m (warum, siehe später) Isothermen relevante Messwerteintragungen (Radiosonden, Flugzeuge, Satellit) als reduziertes Stationsmodell –relative Topographien, z.B. h 300 – h 700 geben Informationen über die mittlere virtuelle Temperatur in den Schichten (niedrige Höhendifferenz = kalt, große Höhendifferenz = warm, siehe später)

23 23 Beispiel einer 500 hPa Höhenkarte (oben, ohne Stationseintragungen) mit Bodenkarte Kennzeichen: Isohypsen in gpm (~550 gpm bei 500 hPa) kaum abgeschlossene Isohypsen Drängung der Isohypsen im Bereich der Polarfront keine eingezeichnete Fronten Tröge gegenüber Bodentiefs am Boden nach Westen oder Nordwesten verschoben Rückenzentren gegenüber Bodenhochs nach Westen oder Südwesten verschoben

24 24 Zusammenhang Isobaren - Isohypsen Beim Übergang zu Isohypsen vereinfacht sich die Gleichung für den geostrophischen Wind weil die Dichte entfällt. Dadurch entsprechen gleicher Isohypsendrängung der gleiche geostrophische Wind – und zwar unabhängig von der Höhe z+Δz z pp-Δp Δp=-ρgΔz ΔxΔx

25 25 Zusammenhang Relative Topographie – mittlere virtuelle Schichttemperatur Die (geopotentielle) Dicke einer Schicht zwischen zwei festen Druckflächen ist direkt proportional zur mittleren virtuellen Temperatur der Schicht.

26 26 V.1.3 Thermische Verknüpfung von Boden und Höhenwetterkarten - thermischer Wind - z x p j -3Δp pj-Δppj-Δp p i -2Δp p j -2Δp pipi pj-Δppj-Δp pjpj kalte Luft warme Luft horizontale Druckgradienten höhenabhängiger geostrophischer Wind = thermischer Wind p i =p j Horizontale Temperaturunterschiede erzeugen horizontale Druckunterschiede in der Höhe und damit unterschiedlichen geostrophischen Wind in der Grenzzone

27 27 Thermischer Wind (1) popo S, warm N, kalt po-Δppo-Δp p o -2Δp Selbst bei Druckgleichheit am Boden (kein geostrophischer Wind am Boden) nimmt der Wind durch horizontale Temperaturänderungen mit der Höhe zu Beispiel für die Entstehung von Strahlströmen über Frontalzonen Durch horizontale Temperaturunterschiede entsteht ein (geostrophischer) Wind, der die kalte Luft umströmt, wie der geostrophische Wind das Tief.

28 28 Thermischer Wind (2) popo S, H, warm N,T, kalt po-Δppo-Δp p o -2Δp Haben wir im Süden ein warmes Hoch und im Norden ein kaltes Tief, so wird mit der Höhe der am Boden schon herrschende Westwind mit zunehmender Höhe verstärkt. Beispiel für die Westwinddrift der mittleren Breiten

29 29 Thermischer Wind (3) popo S, T, warm N,H, kalt po-Δppo-Δp p o -2Δp Haben wir im Süden ein warmes Tief und im Norden ein kaltes Hoch, so haben wir am Boden Ostwinde und in der Höhe Westwinde. Warme Tiefs und kalte Hochs sind flach (denn sie schlagen in Hochs bzw. Tief um mit der Höhe) Beispiel für die Hadley- Zirkulation der Tropen/Subtropen

30 30 Formale Ableitung des thermischen Windes im z-System Skalenanalyse

31 31 Der thermische Wind - Zusammenfassung - Der thermische Wind (= Änderung des geostrophischen Windes mit der Höhe durch einen horizontalen Temperaturgradienten) weht um ein Kaltluftgebiet, wie der geostrophische Wind um das Tief. H T W K H T

32 32 Der thermische Wind - Indikator für Temperaturadvektion und Möglichkeit des Nowcasting von Temperaturänderungen- H T W K H T H T K W H T Rechtsdrehung mit der Höhe = Es wird wärmer Linkssdrehung mit der Höhe = Es wird kälter Achtung: Nicht mit der Rechtsdrehung des Windes in der Grenzschicht durch Reibung verwechseln. Obiges gilt nur in der freien Atmosphäre!

33 33 Formale Ableitung des thermischen Windes im p-System Ableitung wesentlich einfacher im p-System. Zudem gilt die einfache Beziehung ohne Näherung. Die Isohypsen der relativen Topographie bilden Stromlinien des thermischen Windes, wie die Isobaren und die Isohypsen Stromlinien des geostrophischen Windes bilden.

34 34 Barotrope und barokline Felder barotrop:Isoflächen von Druck und Temperatur sind parallel zueinander geostrophischer Wind mit der Höhe konstant baroklin:Isoflächen von Druck und Temperatur sind gegeneinander geneigt geostrophischer Wind ändert sich mit der Höhe

35 35 Barokline Felder - 2 Fälle - h 2 h 1 h 3 h 4 h 1 h 2 h 3 h 4 T 1 T 2 T 3 T 1 T 2 T 3 T 4 T 4 E E N N ab v g v g h 1 < h 2 < … Isohypsen einer Druckfläche, T 1 < T 2 < … die Temperaturen a: Es herrscht keine Temperatur- advektion. Dieser Fall ist typisch für Höhenkarten ab 500 hPa. Es ist ein Initialfeld für barokline Wellen b: Es herrscht Temperaturadvektion. Dieser Fall ist typisch für die Bodenwetterkarten. Sie sind verantwortlich z.B. für die Intensivierung von Wellen in den Höhenkarten.

36 36 Gegeben sei das Isohypsenfeld der 1000 hPa Druckfläche (untere Abb., durchgezogene Linien) mit Isothermen (untere Abb., gestrichelte Linien). Bei gleicher Temperaturabnahme mit der Höhe folgen obige Isothermen und Isohypsen der 500 hPa-Fläche. In der Höhe geht das Zellenfeld am Boden in eine Wellenform über. Das Tief wird in der Höhe nach Nordwest und das Hoch nach Südwest verschoben. Zusammenhang zwischen Boden- und Höhenkarten

37 37 Übungen zu V.1 1.Das Druckfeld am Boden weise eine Druckzunahme von 5 hPa auf 100 km von Süd nach Nord auf. Weiter herrsche ein Temperaturgradient von West nach Ost von 5 K auf 100 km. Schätze den geostrophischen Wind am Boden und in 5 km Höhe ab. 2.Verifiziere den Übergang zwischen den beiden Druckfeldern (unten oben) der Folie Zusammenhang zwischen Boden- und Höhenkarten qualitativ mit der thermischen Windgleichung (qualitatives Einzeichnen des thermischen Windevektors). 3.Welches Höhenfeld ergäbe sich qualitativ, wenn am Boden Hoch und Tief vertauscht wären bei gleicher Temperaturverteilung? 4.Vollziehe durch ungefähres Einzeichnen des thermischen Windvektors die Zusammenhänge zwischen Boden- und Höhenkarte auf den folgenden Wetterkarten nach.

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