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Einführung in die Meteorologie
- Teil V: Synoptische Meteorologie -
Clemens Simmer
Meteorologisches InstitutRheinische Friedrich-Wilhelms Universität Bonn
Sommersemester 2008
V Synoptische Meteorologie
1. Allgemeines– Definitionen– Darstellungsweisen– Dreidimensionale Sicht
2. Synoptische Systeme mitterer Breiten– verschiedene Skalen– Frontentheorien
Synoptik ist die Zusammenschau der Wettervorgänge in Raum und Zeit mit dem Ziel der Wetteranalyse und Wettervorhersage. Die Synoptik ist Teil der Angewandten Meteorologie.
V.1 Allgemeines zur Synoptik
• 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.
• Wetter: 4D-Zustand der meteorologischen Parameter (Vorauss.: 4D-Beobachtungen der meteorologischen Parameter)
• Prognose erfordert – quasi-Echtzeitverfügbarkeit globaler Daten in den nationalen
oder internationalen Vorhersagezentren– meteorologischer (synoptischer) Sachverstand – und/oder Prognosemodelle (Nutzung von Erkenntnissen der
theoretischen Meteorologie, numerische Mathematik und Informatik
Synoptische Skala
1000 km
100 km
Auflösung von Tiefdruckgebieten (einschließlich Fronten) und Hochdruckgebieten
andereGrößenordnungenU ~ 10 m/sT ~ h – d
zwischen globalerSkala und Mesoskala
notwendiges Beobachtungsnetz:< 50 km~ 3 h
Beobachtungssysteme (1)• per Global Telecommunication System (GTS) in quasi-
Echtzeit verfügbar– synoptische Stationen (1 pro 40 km, Land und 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)
Karten
Beobachtungssysteme (2)• ca. 1 x pro Monat verfügbar, u.A. für Validierung
– Klimastationen (1 pro 20 km, Land und VOS)• alle meteorologischen Parmeter ähnlich synoptische Stationen• Beobachtungszeiten an Lokalzeiten orientiert
– Niederschlagsmessnetze (1 pro 10 km, Land)• nur Tagessummen• werden stark ausgedünnt• teilweise Ersatz durch in Echtzeit meldende zeitlich hochauflösende
Regenmesser 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
Bonn
DWD- Radarverbund- Horizontabtastungen a 5 min
- Auflösung 2x2 km2
- 16 Reflektivitätsklassen
X-Band Radar Bonn- Volumenscans alle 15 min- Horizontabtastungen a 5 min
- Auflösung 0.25x0.25 km2
- Reflektivität voll aufgelöst
Europäische Wetterradarnetze
Prognosemodelle• In Europa derzeit noch vier nationale
Prognosemodellsysteme– DWD et al. (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)
• Europäisches Zentrum für Mittelfristige Wettervorhersage (EZMW, ECMWF, Reading, UK)– getragen von fast allen nationalen europäischen Wetterdiensten– Beschränkung auf Mittelfrist– international bestes Vorhersagesystem für synoptische Skala– erstellt globale Reanalysen (z.B. ERA40), alternativ die US-
amerikanischen NCEP Reanalysen
Historische Entwicklung1842 erste aktuelle synoptische Karte aus per Telegraph
übermittelten Messungen (USA)1849 erste aktuelle Zeitungswetterkarte (UK)1854 erster deutscher meteorologischer Dienst (Einrichtung nach
Schiffskatastrophe durch Wettereinwirkungen)1873 International Meteorological Organisation (IMO, heute World
Meteorological Organisation, WMO)1877 Internationale Vereinbarungen über globale
Wetterdatenübermittlung1922 Richardson macht die erste numerische Wettervorhersage für 6
Stunden (braucht dazu Monate)1923 Polarfronttheorie von Bjerknes und Solberg1950 erster brauchbarer Computer1960 erster meteorologischer Satellit
V.1.2 Darstellung synoptischer Felder (Wetterkarten)
• Kodierung synoptischer Beobachtungen• Aufbau des „Stationsmodells“• Bodenwetterkarten• Höhenkarten• Relative Topographie
synoptische Wetterbeobachtung IIiii Nddff VVwwW PPPTT NLCLhCMCH TdTdapp 7RRTnTn 7RRTxTx
10111 81020 ccccc 12754 4cccc 55+06 7cc57 7cc51 6 UTC
18 UTCII Zonenbezeichnungiii StationskennungN Bedeckungsgraddd Windrichtung in Dekagradff Windgeschwindigkeit in Knoten (1 kn =ca. 0,5 m/s)VV Sichtweite (kodiert)ww Wetter zum BeobachtungszeitpunktW Wetter seit letztem Haupttermin (6 oder 3 Stunden)PPP Luftdruck ohne 100er, reduziert, in 10tel hPaTT Lufttemperatur in°CNL Bedeckungsgrad der tiefen WolkenCL,M,H Art der tiefen, mittelhohe, hohen Wolken (kodiert)h Unterkantenhöhe der tiefsten Wolken (kodiert)TD Taupunkttemperatur in °Ca Verlauf der Barographenkurvepp Luftdruckänderung in 10tel hPa der letzten 3
StundenRR Niderschalg der vergangenen 12 Stunden (kodiert)Tn,x Minimum bzw. Maximumtemperatur
pp
PPPCTT H
C MVV
w w
Td C LTdTd
a
WNLh
ddffN
Aufbau desStationssymbols
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,…
27.10.2002 00 UTC
Einige Charaktersistika der Bodenwetterkarte
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 der Wind 3. In Tiefs ist die Strömung links herum (zyklonal) in Hochs
rechts herum (antizyklonal)4. 1-3 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)
W arm front m it E rw ärm ung in a llen Sch ichten
W arm front m it E rw ärm ung nur am Boden
W arm front m it E rw ärm ung nur in der H öhe
M askierte W arm fron t m it Abkühlung am Boden
Q uasista tionäre Front
Ka ltfront m it Abkühlung in a llen Schichten
Kaltfront m it Abkühlung nur am Boden
Kaltfront m it Abkühlung nur in der Höhe
M askierte Ka ltfront m it E rw ärm ung am Boden
O kklusionsfront (Zusam m enschluß von W arm - und Kaltfront)
G ealterte O kklusionsfront
Kaltfront-Okklusion m it Abkühlung am Boden
Konvergenzlin ie
W arm front-O kklusion m it E rw ärm ung am Boden
Frontenkennzeichnung
Druckverteilung und Niederschlag aus Vorhersagemodell
Höhenkarten• sind Topographien von isobaren Flächen,
angegeben in geopotentiellen Metern (gpm)– 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)
Kennzeichen:• kaum abgeschlossene
Isohypsen• Drängung der Isohypsen im
Bereich der Polarfront• keine eingezeichnete Fronten• Tröge gegenüber Tiefs am
Boden nach Westen 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
hkfgv
xhg
dxdhg
xp
dxdp
xhg
xg
xgz
xzg
xppk
fv
pg
pyzy
ggz
hg
0
0,
0,
00
hschließlic und
damitfolgt Es Meter. ellesgeopotentih mit
, 1 0
z+Δz
zpp-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.
)ln(ln)ln(ln
)(lnln
mit n Integratio ln
ngGasgleichu ideale , :GG statische
21
120
21
12
1212
ppRhhg
ppRgzgzT
zzTRgpp
TTdzTRgpd
pdp
dzTRpg
TRpgdzdp
LLv
vL
vvvL
vL
vL
V.1.3 Thermische Verknüpfung von Boden und Höhenwetterkarten - thermischer Wind -
z
x
pj-3Δp
pj-Δp
pi-2Δp
pj-2Δp
pi
pj-Δppj
kalte Luft warme Luft
horizontaleDruckgradienten
höhenabhängigergeostrophischer
Wind=
thermischer Wind
pi=pj
Horizontale Temperaturunterschiede erzeugen horizontale Druckunterschiede in der Höhe und damit unterschiedlichen geostrophischen Wind in der Grenzzone
Thermischer Wind (1)
gv
po
S, warm N, kalt
po-p
po-2p
gv
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, die der geostrophische Wind das Tief.
Thermischer Wind (2)
gv
po
S, H, warm N,T, kalt
po-p
po-2p
gv
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
gv
Thermischer Wind (3)
gv
po
S, T, warm N,H, kalt
po-p
po-2p
gv
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
Formale Ableitung des thermischen Windes im z-System
003,0
1001
10
3001
03,0
10000010
3001010
2
111
111
lnln
ln1
ln , , , 1
4
zTv
TTk
fTg
zTv
TT
Tk
fgT
zTv
TTk
fgT
zTv
TTRgk
fTR
zTpk
fR
zpk
fTR
zv
zpk
fTRp
pk
fTRpk
fpTR
zpTR
zp
pTRgg
zp
TRppk
fv
vg
vvH
v
vg
vvH
v
v
vg
vvH
vvg
vvLH
vL
vH
LH
vLg
HvL
HvL
HvL
vLvL
vLHg
vHv
g TkfTg
zv
Skalenanalyse
Der thermische Wind- Zusammenfassung -
pkf
v Hg
1: vH
v
g TkfTg
zv
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
TW KH
T
Der thermische Wind- Indikator für Temperaturadvektion und Möglichkeit des
Nowcasting von Temperaturänderungen-
H
TW KH
T
H
TK W
H
T
Rechtsdrehungmit der Höhe
=Es wird wärmer
Linkssdrehungmit 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
vpLg
vpL
vLpp
constg
pg
vLpg
TkfR
pv
p
TkfpR
pTRk
fkfp
kfp
v
pTR
pzggzk
fv
1111
1 , alGeopotenti , 1
Annahme
idealeGasGGG stat.
vpLg TkfR
pv
ln
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.
Zusammenhang zwischen Boden und Höhenkarten
Gegeben sei das Isohypsenfeld der 1000 hPa Druckfläche (untere Abb., durchgezogen) mit Isothermen (untere Abb., gestrichelt). 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.
Verifiziere den Übergang zwischen beiden Druchfeldern(unten → oben) qualitativ mit der thermischen Windgleichung.Was ergäbe sich qualitativ für ein Isohypsenfeld in der Höhe, wenn am Boden Hoch und Tief vertauscht wären bei gleicher Temperaturverteilung?
Versuchen Sie die Zusammenhänge zwischen Boden- und Höhenkarte aus der letzten Folie in diesen Wetterkarten wieder zu finden.
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
0ln
0
p
vT gvp
0ln
0
p
vT gvp
Barokline Felder- 2 Fälle -
h2
h1
h3
h4
h1
h2
h3
h4
T1
T2
T3
T1
T2
T3
T4T4EE
NN
a b
vg vg
h1 < h2 < … Isohypsen einer Druckfläche , T1 < T2 < … 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. S sind verantwortlich z.B. für die Intensivierung von Wellen in den Höhenkarten.