Einführung in die Meteorologie - Teil V: Synoptische Meteorologie -

1. Einführung in die Meteorologie - Teil V: Synoptische Meteorologie - Clemens Simmer Meteorologisches Institut Rheinische Friedrich-Wilhelms Universität Bonn Sommersemester 2008

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. • Allgemeines • Definitionen • Darstellungsweisen • Dreidimensionale Sicht • Synoptische Systeme mitterer Breiten • verschiedene Skalen • Frontentheorien

3. 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

4. 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

5. 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

6. 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)

7. Karten

8. 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

9. Karten

10. Radarnetzwerk DWD • DWD- Radarverbund • - Horizontabtastungen a 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

11. Europäische Wetterradarnetze

12. 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

13. Historische Entwicklung • erste aktuelle synoptische Karte aus per Telegraph übermittelten Messungen (USA) 1849 erste aktuelle Zeitungswetterkarte (UK) • erster deutscher meteorologischer Dienst (Einrichtung nach Schiffskatastrophe durch Wettereinwirkungen) • International Meteorological Organisation (IMO, heute World Meteorological Organisation, WMO) 1877 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 1960 erster meteorologischer Satellit

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

15. 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

16. ddff a N W h NL TdTd 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,…

17. Einige Charaktersistika der Bodenwetterkarte 27.10.2002 00 UTC

18. Charakteristika der Bodendruckkarte • Winde sind parallel zu Isobaren mit niedrigem Druck links und Richtungstendenz zum niedrigen Druck • Je enger die Isobaren, desto stärker 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)

19. Frontenkennzeichnung

20. Druckverteilung und Niederschlag aus Vorhersagemodell

21. 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)

22. 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

23. 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 Δp=-ρgΔz z Δx p-Δp p

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

25. z warme Luft kalte Luft pj-3Δp pi-2Δp pj-2Δp pi=pj pj-Δp pj-Δp pj pi x höhenabhängiger geostrophischer Wind = thermischer Wind horizontale Druckgradienten 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

26. po-2Dp po-Dp po S, warmN, kalt 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 Durch horizontale Temperaturunterschiede entsteht ein (geostrophischer) Wind, der die kalte Luft umströmt, die der geostrophische Wind das Tief.

27. 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-2Dp po-Dp po S, H, warmN,T, kalt

28. 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-2Dp po-Dp po S, T, warmN,H, kalt

29. Formale Ableitung des thermischen Windes im z-System Skalenanalyse

30. T H K W T H 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.

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

32. 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.

33. 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?

34. Versuchen Sie die Zusammenhänge zwischen Boden- und Höhenkarte aus der letzten Folie in diesen Wetterkarten wieder zu finden.

35. 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

36. N N h h 1 1 T T 1 1 h h 2 2 T T 2 2 v v g g h h 3 3 T T 3 3 h h 4 4 T T 4 4 E E a b Barokline Felder- 2 Fälle - h1 < h2 < … Isohypsen einer Druckfläche , T1 < T2 < … die Temperaturen b: Es herrscht Temperaturadvektion. Dieser Fall ist typisch für die Bodenwetterkarten. S sind verantwortlich z.B. für die Intensivierung von Wellen in den Höhenkarten. a: Es herrscht keine Temperatur-advektion. Dieser Fall ist typisch für Höhenkarten ab 500 hPa. Es ist ein Initialfeld für barokline Wellen