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

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

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

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

Synoptische Skala 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 100 km 1000 km

Beobachtungssysteme in quasi-Echtzeit verfügbare klassische Messungen Klimamessnetze Fernerkundungsverfahren

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)

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

Karten

Radarnetzwerk DWD DWD- Radarverbund - Horizontabtastungen alle 5 min Auflösung 2x2 km2 16 Reflektivitätsklassen Bonn X-Band Radar Bonn - Volumenscans alle 15 min - Horizontabtastungen a 5 min Auflösung 0.25x0.25 km2 Reflektivität voll aufgelöst

Europäische Wetter-radarnetze

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

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

Bausteine der modernen Wettervorhersage Online-Datensammlung 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 … Vorhersagelauf mit Modell deterministische Vorhersage Ensemble-Vorhersage Interpretation der Modellausgabe Model Output Statistics (MOS)

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

Aufbau des Stationssymbols Beispiel: TdTd a W NL h ddff N 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,…

synoptische Wetterbeobachtung IIiii Nddff VVwwW PPPTT NLCLhCMCH TdTdapp 7RRTnTn 7RRTxTx 81020 ccccc 12754 4cccc 55+06 7cc57 7cc51 6 UTC 18 UTC II Zonenbezeichnung iii Stationskennung N Bedeckungsgrad dd Windrichtung in Dekagrad ff Windgeschwindigkeit in Knoten (1 kn =ca. 0,5 m/s) VV Sichtweite (kodiert) ww Wetter zum Beobachtungszeitpunkt W Wetter seit letztem Haupttermin (6 oder 3 Stunden) PPP Luftdruck ohne 100er, reduziert, in 10tel hPa TT Lufttemperatur in°C NL Bedeckungsgrad der tiefen Wolken CL,M,H Art der tiefen, mittelhohe, hohen Wolken (kodiert) h Unterkantenhöhe der tiefsten Wolken (kodiert) TD Taupunkttemperatur in °C a Verlauf der Barographenkurve pp Luftdruckänderung in 10tel hPa der letzten 3 Stunden RR Niderschalg der vergangenen 12 Stunden (kodiert) Tn,x Minimum bzw. Maximumtemperatur

Einige Charaktersistika der Bodenwetterkarte 27.10.2002 00 UTC

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

Frontenkennzeichnung

Höhenkarten sind Topographien von isobaren Flächen, angegeben in geopotentiellen Metern (gpm) h=(g/g0)z absolute Topographien, z.B. 850 hPa, 700 hPa, 500 hPa, 300 hPa, … enthalten h850, h700, … als Isolinien (sog. Isohypsen) in gpd(eka)m (warum, siehe später) Isothermen relevante Messwerteintragungen (Radiosonden, Flugzeuge, Satellit) als reduziertes Stationsmodell relative Topographien, z.B. h300 – h700 geben Informationen über die mittlere virtuelle Temperatur in den Schichten (niedrige Höhendifferenz = kalt, große Höhendifferenz = warm, siehe später)

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

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 p p-Δp Δp=-ρgΔz Δx

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

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

Beispiel für die Entstehung von Strahlströmen über Frontalzonen Thermischer Wind (1) 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 po S, warm N, kalt po-Δp po-2Δp Durch horizontale Temperaturunterschiede entsteht ein (geostrophischer) Wind, der die kalte Luft umströmt, wie der geostrophische Wind das Tief.

Beispiel für die Westwinddrift der mittleren Breiten Thermischer Wind (2) 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 po-2Δp po-Δp po S, H, warm N,T, kalt

Beispiel für die Hadley-Zirkulation der Tropen/Subtropen Thermischer Wind (3) 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 po-2Δp po-Δp po S, T, warm N,H, kalt

Formale Ableitung des thermischen Windes im z-System Skalenanalyse

Der thermische Wind - Zusammenfassung - (= 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

Der thermische Wind - Indikator für Temperaturadvektion und Möglichkeit des Nowcasting von Temperaturänderungen- H T K W H T W K 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!

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.

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

Barokline Felder - 2 Fälle - h1 < h2 < … Isohypsen einer Druckfläche , T1 < T2 < … die Temperaturen h 2 1 3 4 T E N a b v g 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.

Zusammenhang zwischen Boden- und Höhenkarten 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.

Übungen zu V.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. 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). Welches Höhenfeld ergäbe sich qualitativ, wenn am Boden Hoch und Tief vertauscht wären bei gleicher Temperaturverteilung? Vollziehe durch ungefähres Einzeichnen des thermischen Windvektors die Zusammenhänge zwischen Boden- und Höhenkarte auf den folgenden Wetterkarten nach.