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

VII 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 2. Synoptische Systeme mitterer Breiten, oder „Wie entstehen Tiefs und Hochs“ - verschiedene Skalen - Vorticitygleichung - Frontentheorien

VII.2.4 Fronten und Luftmassen Die Begriffe „Fronten“ und „Luftmassen“ wurden in den 20iger Jahren von skandinavischen Meteorologen (Bjerknes et al.) zum Verständnis des Aufbaus der Troposphäre in den mittleren und hohen Breiten eingeführt. Fronten kennzeichnen Zonen, in denen sich die Temperatur (und andere Größen) horizontal sehr stark ändert; sie grenzen also Luftmassen voneinander ab. Die Fronten der Tiefs erstrecken sich über mehrere 10 km (→Frontalzone). Durch ihre starke Neigung mit der Höhe kann die gesamte Frontalzone jedoch über einen Bereich von 1000 km reichen. Nach der thermischen Windrelation nimmt der Wind in Frontalzonen mit der Höhe zu. Das Maximum ergibt sich am oberen Rand der Frontalzone (meist die Tropopause) und bildet die bekannten Strahlströme (Jets).

Schnitt durch eine Front - idealisiert Eine Front hat eine Frontfläche. Deren Schnitt mit dem Boden ergibt die Bodenfront. Schwere Kaltluft schiebt sich unter die leichtere Warmluft.

Schnitt durch eine Frontalzone mit Strahlstrom Beachte: starke Überhöhung der Vertikalen in der Abbildung ausgedehnte Frontalzone Jet oberhalb der Frontalzone als Resultat des thermischen Windes und unterhalb der Tropopause (wieder Temperaturzunahme)

Polarfront (1) Die Polarfront wurde gedacht als Trennung zwischen tropischer Luftmasse und polarer Luftmasse Idealerweise reicht sie einmal um jede Hemisphäre herum.

Polarfront (2) In der unteren Troposphäre ist die Temperaturgradient an der Front häufig stärker als in der Höhe, allerdings nur an einigen Stellen. Dazwischen liegen größere Gebiete, in denen die Polarfront „fehlt“. Z.B. im Bereich von Tiefdruck- und Hochdruckgebieten der mittleren Breiten entstehen Luftmassen, deren Temperaturen zwischen denen von tropischer und polarer Luft liegen. Die Polarfront wird dadurch in mehrere Teile aufgespalten. Dazu hat man dann die sogenannte gemäßigte Luftmasse eingeführt.

Polarfront (3) Rossby (1950) hat darauf aufbauend die 3-Zellenstruktur eingeführt.

Polarfront (4) Das Bild von Defant (1958) macht die tatsächliche Variabilität deutlicher.

Hauptluftmassen (1) Reine Tropikluft kann bis in mittleren Breiten nur sehr selten vorstoßen, da der subtropische Hochdruckgürtel ihre Ausbreitung nach Norden verhindert. Auch stammt die Polarluft oft nicht direkt aus den Polargebieten (nun arktische Polarluft genannt), sondern häufig aus Grönland oder Skandinavien. Die Polarfront trennt damit meist subtropische von subpolarer Luft. In mittleren Breiten werden durch die rasche Verlagerung von Hochdruck - und Tiefdruckgebieten mit ständiger Änderung von Windgeschwindigkeit und Windrichtung die Luftmassen vermischt und umgewandelt -> gemäßigte Luft. Es lassen sich somit 5 Hauptluftmassen unterscheiden.

Hauptluftmassen (2)

Luftmassentransformationen Luftmassen ändern ständig ihre Eigenschaften – sie werden transformiert. Relevante Prozesse:

Strukturen von Fronten Phänomene an Fronten Margules-Modell Querzirkulation

Schnitt durch Fronten - Phänomene BEACHTE DIE STARKE ÜBERHÖHUNG! Die Zunahme des Windes mit der Höhe steilt Kaltfronten auf; sie können sich „überschlagen. Die Labilisierung (in der Höhe kalt) führt zu konvektiven Niederschlägen und durch intensiveren Impulsaustausch zum schnellen Voranschreiten. (aus Roedel, 1994) Die Zunahme des Windes mit der Höhe verflacht Warmfronten, macht die Luft eher stabil (unten kalt oben warm). Der damit reduzierte Impulsaustausch verlangsamt das Voranschreiten. Der Niederschlag entsteht vorwiegend durch langsames Aufgleiten, ist lang andauernd und i.a. weniger intensiv.

Margules-Modell (1) Das einfachste Frontenmodell stellt eine frontale “Unstetigkeit” dar. Die Front wird idealisiert als eine scharfe, flache Unstetigkeit der Temperatur, die zwei reibungsfreie, homogene, geostrophische Strömungen voneinander trennt.

Margules-Modell (2) Die Windscherung an einer Front ist immer zyklonal (Isobarenknick in Wetterkarten). Je größer der Temperatursprung, desto flacher die Front; Je größer der Windsprung, desto steiler. Fazit: Fronten sind geneigt, wenn die abgegrenzten Luftmassen unterschiedliche Temperaturen haben. Eine Windscherung an der Front ist notwendig und zyklonal. Die Windscherung erzeugt den Isobarenknick an den Fronten.

Margules-Modell (3) Es gibt mehrere Konfigurationen, um die Differenz der Fronten-parallelen Winde (Warm-Kalt) positiv zu halten (beachte den Druckgradienten senkrecht zur Front):

Schnitt durch Fronten - Querzirkulation Eine Front induziert durch die horizontalen Temperaturgradienten horizontale Druckgradienten, die eine direkte thermische Zirkulation quer zur Front bewirken (Solenoidterm in Vorticitygl.). Diese ageostrophische Strömung führt immer zu Aufsteigen in der Warmluft und Absteigen in der Kaltluft. Damit lässt sich alternativ der Niederschlag an Fronten, aber auch das deutliche Aufklaren unmittelbar hinter einer Kaltfront erklären Modellschnitte

Übungen zu VII.2.4 Warum gibt es oberhalb von Frontalzonen einen Strahlstrom? Leite die Margulessche Grenzflächenbedingung ab. Berechne die Frontenneigung für einen Temperatursprung von 10 K und einen Windsprung von 1 m/s.