13. Übung: Luftmassenklassifikation Nächste Übung: Freitag, 04. Dezember 2015, Hörsaal 4.001, 12:00 MEZ Listen Anwesenheitsliste

Luftmassen In der Meteorologie und Klimatologie beschreibt der Begriff Luftmasse einheitliche Teile der Troposphäre. Erste Luftmassendefinitionen wurden Anfang des 20. Jahrhunderts an der Universität Bergen vorgenommen. Die Grenzflächen zwischen Luftmassen bilden Fronten. An einer Warmfront gleitet beispielsweise eine warme Luftmasse über eine kältere Luftmasse. Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Luftmasse Luftmassen entspringen typischen Ursprungsgebieten, in denen sie sich bilden, und unterliegen Transformationen. Beispielsweise entstehen polare Luftmassen über der Polarregion. Wenn diese über einen Ozean, wie beispielsweise den Atlantik, ziehen werden sie angefeuchtet und damit maritim. Falls sie hingegen über kontinentale Luftmassen strömen werden sie durch die kalte oder warme Landmasse geprägt.

Charakterisierung von Luftmassen Die Neigung der Erdachse und der Lauf der Erde um die Sonne verursachen große Unterschiede in der Sonnenscheindauer. Nördlich des Polarkreises scheint die Sonne aufgrund der Schiefe der Ekliptik zeitweise überhaupt nicht. Die Krümmung der Erde verursacht zusätzlich, dass in höheren Breiten weniger solare Energie zur Verfügung steht als in niederen Breiten. Aufgrund dieser Voraussetzungen entstehen Temperaturkontraste zwischen Nord und Süd: die Polregionen kühlen sich stark ab und Gebiete in der Nähe des Äquators heizen sich auf. Wetterbeobach-tungen zeigen, dass die Temperatur vom Äquator zum Pol nicht gleichmäßig abnimmt. Über weiten Flächen der Erde entstehen Luftmassen, die einheitliche atmosphärische Verhältnisse aufweisen. Längere Zeit unterliegen Luftmassen den gleichen Bedingungen in Bezug auf die solare Einstrahlung und dem Austausch mit dem Untergrund. Dabei bilden sich Luftmassen die einheitlich für a) ihre Tempera-tur, b) ihren vertikalen Temperaturgradienten, c) ihre Feuchtigkeit und d) den Gehalt an Beimengungen (z. B. Kondensationskeime wie Staub oder Pollen) sind. Quellgebiete Quellgebiete für Luftmassen sind insbesondere stationäre Hochdruckgebiete. Aufgrund des Nettostrahlungsverlust bzw. –gewinn der hohen bzw. niederen Breiten bilden sich kalte bzw. warme Luftmassen aus. Durch Verdunstung feuchten sich Luftmassen über Ozeanen an. Ozeane wirken im Winter als Wärmequelle und im Sommer als Kältequelle für darüberstreichende oder sich dort befindliche Luftmassen. Landmassen der Kontinente können Luftmassen ebenfalls stark prägen.

Hauptluftmassen Quelle: Abb. 4.1 von Kurz (1990) Die atmosphärische Zirkulation unterscheidet die thermisch direkte Zirkulationen der Hadley Zelle und Polarzelle sowie die thermisch indirekte Ferrelzelle. Diese enthalten entsprechend drei Hauptluftmassen: a) Tropikluft, b) gemäßigte Luft der mittleren Breiten und c) Polarluft. Die Luftmassen sind barotrop bzw. schwach baroklin geschichtet. Die Grenzflächen zwischen den Luftmassen bzw. Zirkulation sind hingegen stark baroklin, wodurch der Polar- und Subtropenjet entsteht.

Vertikale Temperaturverteilung der Hauptluftmassen Quelle: Abb. 4.2 von Kurz (1990) Temperaturunterschiede: 5-10°C (Sommer) bzw. bis 20°C (Winter) Höhe der Tropopause unterscheidet sich deutlich (T: 16 km, M: 11-12 km, P: 9 km) Polarluft: Stabil geschichtet (G=6°/km), geringe Feuchte, gute Sichtweite (geringe Beimengungen) Tropikluft: Potentiell instabil (G=7-8°C/km), viel Feuchte (untere Troposphäre) Gemäßigte Luft: G=7°C/km, wenig einheitliche Prägung Unterschiedliche Luftmassen können in der Vertikalen übereinander geschichtet werden. Beispielsweise dringt die Tropikluft in der Höhe weit Richtung Norden vor und kann z. B. über der Polarluft liegen.

Luftmassentransformation Quelle: Abb. 4.3 von Kurz (1990) Luftmassentransformation durch: Turbulente Durchmischung (z. B. Luftmasse gelangt vom winterlichem Hoch zu Tiefdruckgebiet, dann bildet sich häufit häufig Stratus oder Strato cumulus aus) Diabatische Wärmeübergänge vom und zum Untergrund (z. B. Erwärmung durch Überstreichen eines warmen Ozeans => erfasst vertikal mächtigen Bereich; Abkühlung beschränkt auf Bodennähe) Freiwerden latenter Wärme (beim Erwärmen kalter Luftmassen z. B. über warmen Kontinent/Ozean; Abkühlung führt in Bodennähe zur Nebelbildung) Strecken (Hebung: adiabatische Abkühlung => Labilisierung) und Schrumpfen (Absinken: adiabatische Erwärmung => Stabilisierung) Strahlungserwärmung (Sommer: Hoch) oder –abkühlung (warme Luftmasse überstreicht kalte Oberfläche)

Die Luftmassenklassifikation Europas nach Scherhag (1948) Quelle: Tab. 4.1 von Kurz (1990)

Luftmassenidentifikation Gemäß der Luftmassenklassifikation von Geb (1979), welche die Berliner Wetterkarte verwendet, lassen sich insgesamt sechs Hauptluftmassen unterscheiden: Arktikluft, Subpolarluft, erwärmte Subpolarluft, Luft der mittleren Breiten, Subtropikluft und Tropikluft. Die unterschiedlichen Luftmassen sind durch sog. Fronten getrennt, in denen sich über eine geringe Entfernung die atmosphärischen Verhältnisse deutlich ändern. Temperatur-Tabellen zur Luftmassenklassifikation haben den Zweck, die ursprüngliche, klimatologisch-geographische Klassifikation durch eine Prüfung des Energiegehaltes der betrachteten Luftmasse zu sichern. Als erstes wird der Weg und der kontinentale/maritime Ursprung der Luftmasse bestimmt. Anschließend wird geprüft ob die betrachtete Luftmasse in Mitteleuropa ein typisches Temperaturintervall trifft (hier der pseudopotenziellen Temperatur θe). In der Vertikalen kann eine Luftmasse über die pseudopotentielle Temperatur typisiert werden. Dies geschieht außerhalb der Grenzschicht da dort der Einfluss des Bodens verschwindet und beispielsweise kein Tagesgang der Temperatur auftritt. Üblicherweise werden deshalb Luftmassen auf der 850 hPa-Fläche bestimmt (siehe z. B. Berliner Wetterkarte)

Luftmassenkalender für Mitteleuropa Quelle: Geb (1987)

Ursprungsgebiete im Sommer Quelle: Geb (1979)

Luftmassentransformation im Sommer Quelle: Geb (1979)

Ursprungsgebiete im Winter Quelle: Geb (1987)

Luftmassentransformation im Winter Quelle: Geb (1987)

Luftmassenumwandlung Wird eine Kaltluftmasse über den Ozean geführt, dann ist die Reihenfolge der Umwandlung z. B. cA => xA => mA => mP => mPs => mSp oder mS Über Landmassen gilt Folgendes: Maritime Luftmassen (m) können frühestens nach 24 Stunden in gemischt maritim-kontinentale Luftmassen (x) umgeprägt werden Frühestens nach weiteren 4-7 Tagen ist die Umwandlung in kontinentale Luftmassen (c) möglich. Bei hochreichend instabilen maritimen Luftmassen (z. B. im Trog) ist die Umprägung in kontinentale Luftmassen verzögert. Aufgrund der atmosphärischen Instabilität kann sich die ursprünglich maritime Luftmasse in Bodennähe durch vertikalen Austausch regenerieren. Über Land ist eine Umwandlung in andere maritime Luftmassen nicht möglich. Über Ozeanen ist folgendes festzustellen: Ursprüngliche kontinentale Luftmassen können über dem Meer nur dann bis 850 hPa umgeprägt werden, wenn dort die Temperatur der Wasseroberfläche um mindestens 10 °C höher liegt als die Lufttemperatur in 850 hPa. Quelle: Geb (1987)

Temperaturintervalle für die Luftmassenidentifikation Quelle: Tab. 9 von Geb (1987)

Literatur Geb M 1979. Prognose der Tageshöchsttemperatur im Sommerhalbjahr aufgrund einer Luftmassenstatistik für Berlin. Beilage zur Berliner Wetterkarte des Instituts für Meteorologie der Freien Universität Berlin, 76/79 SO 18/79, 20 Seiten Geb M, 1987. Tabelle zur thermischen Überprüfung der Luftmassen in Europa / in Berlin. Institut für Meteorologie der Freien Universität Berlin, 25 Seiten. Kurz M, 1990. Synoptische Meteorologie. Leitfäden für die Ausbildung im Deutschen Wetterdienst Nr. 8. Offenbach/Main, 97 Seiten Scherhag R, 1949. Neue Methoden der Wetteranalyse und Wetterprognose, Springer-Verlag, Berlin/Göttingen/Heidelberg

Zu bearbeiten bis Donnerstag, den 10.12.2015 Übungsaufgaben: Zu bearbeiten bis Donnerstag, den 10.12.2015 Luftmassenidentifikation einer Sommer- und einer Winterwetterlage: http://www.uni-koeln.de/~ad106/synoptik2006/luftmassen.html Besprechung der Wetterlage vom 09. bis 12. Januar 2006 Besprechung der Xynthia-Übungsaufgabe http://www.uni-koeln.de/~ad106/synoptik2006/xynthia.html