METEOROLOGIE

Tobias Grundmann

Atmosphäre
Physikalische Grundlagen
Inversion
Globale Zirkulation
Frontensysteme
Thermik
Wind
Föhn
Gewitter
Wetter im Internet

Atmosphäre

Bild: NASA

Schichtung der Atmosphäre

Ab 100km nur noch wenige Luftmoleküle pro m³
100km definiert als Grenze zum Weltraum (ISS auf 400km)
Troposphäre enthält 75% der gesamten Luft
Fast sämtliches Wettergeschehen in Troposphäre
Peplosphäre: Größte Beeinflussung der Luft durch die Erde ca. 1 - 2 km je nach Orographie

Die Peplosphäre (Boundary-Layer, Planetare Grenzschicht) ist die Schicht unterhalb der "freien Atmosphäre". Hier wird der Wind noch durch Bodenreibung gebremst was auch Einfluss auf die Windrichtung hat. Je nachdem ob z.B. Windänderungen und Beeinflussungen oder thermische Vorgänge betrachtet werden sollen, werden noch weitere Schichten unterschieden. Stichworte: Prandtl-Schicht, Ekman-Schicht (hier starke Winddrehung), Convective Planetary Boundary Layer, Free convective layer ...

Ausdehnung der Troposphäre

Die ICAO-Standard-Atmosphäre

Druck auf MSL	1013,25 hPa
Temperaturabnahme in der Troposphäre	0,65 °C / 100 m
Temperatur auf MSL	15 °C
Dichte auf MSL	1,225 kg/m³
Feuchtigkeit / H₂O	0 rel. %
Höhe der Tropopause	11 km
Temperatur der Tropopause	-56,5 °C
Schallgeschwindigkeit	340 m/s

Entspricht ca. den Bedingungen auf 40°N im Sommer

Strahlungsbilanz der Erde

Wesentlicher Einfluss der Atmosphäre

Wikipedia: nach Kiehl & Trenberth (2009)

Zusammensetzung von Luft

Bestandteile trockener Luft Quelle: NASA

Physikalische Grundlagen

Luftdruck

Druck = Kraft pro Fläche
Einheit Pascal: $Pa = \frac{N}{m^{2}}$
Entspricht $0,1 l$ Wasser auf $1 m^{2} = 0,1 mm$ Wasserhöhe
Hektopascal 1HPa = 100Pa

$101325 Pa = 1013,25 hPa = 1,01325 bar = 1013,25 mbar = 1 atm$

Volumen und Druck

Gesetz von Boyle-Mariotte: $P \times V = const$

Video:North Carolina School of Science and Mathematics. NCSSMDistanceEd, CC BY 3.0, via Wikimedia Commons

Barometer

Volumen und Temperatur

Gesetz von Gay-Lussac: $\frac{V}{T} = const$

Luftdruck und Wärme

Erwärmte Luft dehnt sich aus
Der Druck sinkt

Luftdruck, Volumen und Wärme

Luftdruck und Höhe

Faustformel: Bei 5500m Höhendifferenz halbiert sich der Druck

Auf MSL: 1hPa ≈ 8m, auf 5500m 1hPa ≈ 16m

Höhe: Maßeinheiten

Meter m
Kilometer km
Fuß ft, 1 ft = 0,3048 m, 1 m = 3,2808 ft

ft in m: Durch drei, minus 10%
m in ft: Mal drei, plus 10%

Luftdruck und Höhe

p (h) = 1013,25 \times {(1 - \frac{0,0065 \frac{K}{m} \times h}{288,15 K})}^{5,255} hPa

Wärmetransport

Konduktion
Konvektion
Strahlung
Latent

Wasser: Zustandsübergänge

Luftfeuchtigkeit

Absolute Luftfeuchtigkeit: Wassermasse pro Luftvolumen
Maximale Luftfeuchtigkeit: Maximum Wassermasse pro Volumen
Relative Luftfeuchtigkeit: Prozentualer Anteil Wassermasse vom Maximum
Sättigung: 100% relative Luftfeuchtigkeit
Taupunkt: Temperatur bei der Sättigung erreicht wird

Maximale Luftfeuchtigkeit

Adiabatische Zustandsänderung

Definition: Zustandsänderung ohne Austausch von Wärme mit der Umgebung

Trockenadiabatisch: Ohne Kondensation
Feuchtadiabatisch: Mit Kondensation

Temperatur und Höhe

Art	Abnahme pro 100m
Trockenadiabatisch	1°C
ICAO ISA	0,65°C
Feuchtadiabatisch	variabel von ca. 0,4°C bis fast trockenadiabatisch
Feuchtadiabatisch in mittleren Breiten	⌀ 0,6°C

Trockenadiabatischer Aufstieg eines Luftpakets

Taupunkt und Kondensation

Stabilität

Stabil

Labil

Stabile vs. labile Atmosphäre

Trockenadiabate verschiebbar, Atmos. Gradient verschiebbar und neigbar
Trockenadiabate links von Gradient in Natur nicht möglich
Wichtig: Trockenadiabate hat immer dieselbe Neigung
Schnittpunkt von Trockenadiabate mit Gradient = max trockenadiabatischer Aufstieg
Typischer Abstand am Boden 2° bis 4°. Auslösetemperatur
Feuchtadiabatischer Aufstieg "stärker" als trocken, da Luft langsamer abkühlt
In Natur häufig erst trockenad. Aufstieg, dann feucht (Wolken, Gewitter)
Gradient nach rechts geneigt: Inversion

Thermische Zustände der Atmosphäre

Inversion

Absinkinversion

Eine Luftschicht sinkt ab
Die Luftschicht schrumpft dabei
Die obere Kante legt einen längeren Weg zurück als die unter Kante
Sie erwärmt sich also über eine längere Strecke mit 1°C pro 100m
Unten angekommen ist die obere Kante wärmer als die untere
Auch Schrumpfungsinversion (ungebräuchlich) oder Höheninversion genannt

Bodeninversion

Boden kühlt aus
Kaltluftseen
Bodennebel

Bodeninversion auch Strahlungsinversion durch Bodenabkühlung infolge nächtlicher Wärmeausstrahlung
Bodennebel
In Senken und Tälern entstehen Kaltluftseen
Diese werden meistens im Tagesverlauf weggeheizt und/oder weggeblasen
Außerdem Inversion durch Advektion
Advektion = Verschiebung von Luftmassen
Eine wärmere Luftmasse schiebt sich über eine kältere

Globale Zirkulation

A Year of Weather 2017. Video: Eumetsat auf YouTube

Strahlung pro Fläche

Druck am Pol und am Äquator

Globale Zirkulation ohne Erdrotation

Corioliskraft in Nord-Süd-Richtung (meridional)

Corioliskraft in Ost-West-Richtung (zonal)

Coriolis- und Gradientenkraft

Wind und Druckgürtel

Globale Zirkulationszellen

Frontensysteme

13.02.2020 Durchzug einer Zyklone (Tiefdruckgebiet)

Video: Sat24 auf YouTube

Motivation. Warum ist das wichtig?
Ein Tiefdruckgebiet ist unmittelbar erlebbar (vs. z.B. Jetstream).
Direkter Einfluss auf Flugwetter: Gefahren, Streckenflugwetter, Schulungswetter.
Zyklone im Video zeigen
8./9. Sekunde ist gut
Frage: Welche Bereiche sind in der Zyklone unterscheidbar?
Frage: Wo ist schönes Wetter? Wo sind Wolken?
Unterschiede/Grenzen in anrückenden Wolken aufzeigen. Cirren, Quellwolken vor schöner Rückseite

Durchzug einer Zyklone

Entwicklungsstadien einer Zyklone

Entstehung (Zyklogenese)
Reifestadium
Auflösung

Der polare Jetstream

NASA auf YouTube

Zyklogenese

Ohne Erdrotation keine dynamischen Tiefs bzw. Hochs

Zyklonen: Strömungen

Idealzyklone in der Bodenwetterkarte

Begriffsdefinition (auch Folgeseite)
Isobaren sind Linien gleichen Druckes (Iso=Gleich Bar=Druck)
Standardabstand 5 hPa (angelsächsisch 4hPa)
Symbol Kaltfront: blaue Zacken
Symbol Warmfront: rote Halbkreise
Warmsektor zwischen den Fronten
Rückseite hinter Kaltfront
Eingezeichnete Winde sind nicht Bodenwinde

Die Frontsymbole markieren die Luftmassengrenzen am Boden
Die Grenzen sind nicht senkrecht, insbesondere nicht bei der Warmfront
Die Isobaren sind auf Meereshöhe normalisiert. Werte in Hektopascal (hPa)

Warmfront

Warmsektor

Kaltfront

Anzeichen einer heranrückenden Kaltfront

Altocumulus, Altocumulus castellani
In Tälern manchmal schwer von Thermikwolken unterscheidbar

Eine Kaltfront kann ohne Vorboten aufziehen!

Okklusion

Die Kaltfront ist schneller als die Warmfront
Die Kaltfront vereinigt sich mit der Warmfront
Der Warmsektor wird angehoben

Okklusion

Rückseite

Kalte, thermisch aktive Luft
Teilweise noch recht kräftiger Wind
Manchmal Schauer
Häufig gutes Streckenwetter im Flachland
Später Zwischenhoch oder Hoch

Idealzyklone im Querschnitt

	Rückseite	Kaltfront	Vor KF	Warmsektor	Warmfront	Vor WF
Luftdruck	steigend	Minimum	fallend	konstant	fallend	konstant
Temperatur	fallend	stark fallend	Maximum	konstant	steigend	konstant
Wind	NW fallend	auf N Maximum	auf S steigend	SW konstant	W	S bis O
Sicht	ausgezeichnet	schlecht	gut bis mäßig	mäßig	schlecht, Dunst, Nebel	außerhalb Niderschlag gut

Nicht-so-ideale-Zyklone

Sturm Dennis/Viktoria

Stratus

Paul Downey. www.flickr.com/photos/psd/2097778361 Lizenz: CC-BY 2.0

Cumulus

PiccoloNamek aus der englischsprachigen Wikipedia. https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:GoldenMedows.jpg Lizenz: CC BY-SA 3.0

Nimbus

Asio otus https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wolken-Regenwolken1-Asio.JPG Lizenz: CC BY-SA 3.0

Cirrus

Nimbostratus

NOAA Photo Library https://www.flickr.com/photos/noaaphotolib/14502611471 Lizenz: CC BY 2.0

Cumulonimbus

spyffe https://www.flickr.com/photos/spyffe/2631262319 Lizenz: CC BY 2.0

Lenticularis

Zusammenfassung Frontensysteme / Zyklonen

Zyklogenese
Bodenwetterkarte
Kaltfront
Warmfront
Okklusion
Wettererscheinungen

Im Internet (speziell Frontensysteme)

Thermik

Die Albedo

Thermik

Thermik

Thermik

Wind

Die Windrichtung

Windsymbole

Windstärke

Knoten (1 Seemeile pro Stunde): 1 kn = 1,852 km/h
Meter pro Sekunde: 1 m/s = 3,6 km/h
Kilometer pro Stunde
Beaufort (Bft)

kn in km/h: Mal zwei, minus 10%
m/s in km/h: Mal vier, minus 10%

Beaufortskala

Bft		m/s	km/h
0	Windstille	0 - 0,2	< 1	Rauch steigt senkrecht auf
1	leiser Zug	0,3 - 1,5	1 - 5	Windrichtung angezeigt durch den Zug des Rauches
2	leichte Brise	1,6 - 3,3	6 - 11	Wind im Gesicht spürbar, Blätter und Windfahnen bewegen sich
3	schwache Brise schwacher Wind	3,4 - 5,4	12 - 19	Wind bewegt dünne Zweige und streckt Wimpel
4	mäßige Brise mäßiger Wind	5,5 - 7,9	20 - 28	Wind bewegt Zweige und dünnere Äste, hebt Staub und loses Papier
5	frische Brise frischer Wind	8,0 - 10,7	29 - 38	kleine Laubbäume beginnen zu schwanken, Schaumkronen bilden sich auf Seen
6	starker Wind	10,8 - 13,8	39 - 49	starke Äste schwanken, Regenschirme sind nur schwer zu halten, Telegrafenleitungen pfeifen im Wind

Luv und Lee

Luv: Dem Wind zugewandt. Lee: Vom Wind abgewandt

Windeffekte und Windsysteme

Leeturbulenz
Tal- und Bergwind
Talwindsystem
See- und Landwind
Dynamischer Hangaufwind
Windgradient
Windscherung
Dustdevil
Föhn

Lee

Talwind

Bergwind

Energie pro Fläche

Luftmassenunterschiede

Würfel enthält im Flachen mehr Luft, die erwärmt werden muss

Talwindsystem

Talwind: Gefahren

Düseneffekt und Temperaturgradient führt zu Windgradient

Talwind: Gefahren

Seewind

Seewind

Vormittag: Land erwärmt sich schneller als Wasser

Seewind

Landwind

Hangaufwind

Vertikale und horizontale Windkomponenten

Windgradient zum flachen Hang nicht beachtet

Hangaufwind

Horizontale Kompression

Windgradient

Windscherung

Änderung der Windrichtung über die Höhe

Dust Devil

Föhn

Nordföhn

Südföhn

Seichter Föhn

Föhndiagramm

Föhn: Wetterlage

Ostlagen

Leitplankeneffekt im Gebirge
Nachmittags Leethermik
Wechselnde Winde (Talwind vs. Ostwind)
Ruppige Thermik (trockene Böden erwärmen sich schneller)
Höhenwinde werden nach unten transportiert
Einschätzung schwierig

Wetterbesonderheiten im Gebirge

Turbulenzen
Wettersturz
Kaltluftausflüsse
Frontmodifikationen
Thermische Entwicklung
Talwind
Gletscherwind

Locals / Flugschulen vor Ort befragen
Wettersturz: ausgelöst durch Kaltfront oder Gewitter, besonders im Gebirge gefährlich da nicht schon von weitem sichtbar, wie im Flachland
Kaltluftausflüsse: Böenwalze, besonders gefährlich durch Kanalisierung im Gelände
Frontmodifikationen: Orographische Gegebenheiten können "normale" Frontverläufe für Ortsunkundige unvorhersehbar modifizieren
Thermische Entwicklung: Stärker (Hangneigung), turbulenter (Leethermik), stärkere Änderung im Tagesverlauf (andere Hänge werden beschienen, Schatten)
Turbulente Ostlagen: Ostwind - Kalter und trockener Wind ergibt turbulente, weil starke und windzerissene Thermik
Gletscherwind: Katabatischer Fallwind, besonders ausgeprägter starker und bodennaher (wenige Meter) Bergwind vom Gletscher. Dem Talwind entgegen gerichtet! Kanalisierungseffekte

Gewitter

Gewitterarten / Ursachen

Orographische Gewitter
Frontgewitter
Wärmegewitter
Konvergenzgewitter

Gewitter: Aufbaustadium

Gewitter: Reifestadium

Gewitter: Auflösungsstadium

Multizellengewitter

Frontgewitter

Gewitter: Gefahren

Flugwetterberichte

METAR: METeorological Aerodrome Report
TAF: Terminal Aerodrome Forecast
GAFOR: General Aviation Forecast
Segelflugwetterbericht

Flugwetter-Kürzel Bewölkung (Auszug)

FEW	few	1 - 2 Achtel
SCT	scattered	3 - 4 Achtel
BKN	broken	5 - 7 Achtel
OVC	overcast	8 Achtel
TCU	Towering Cumulus	Cumulus Congestus

Wetter im Internet

DHV - Direkt auf Startseite verlinkt (dhv.de = Prüfungsfrage)
DWD Segelflugwetterbericht, Bezahldienst Flugwetter pcmet
meteo-parapente.com Lufträume Windgram Sounding
windy.com Aispace-Plugin Skew-T-Plugin etc
Austro Control - Registrierung (Prüfungsfrage zur Thermikqualität)
sat24.com
wetteronline.de AdBlocker nötig! Profiwetter
windfinder.com Auch mit Strömungsfilm, leider nur Bodenwind
meteoblue.com Airgram, Karten, Premium mit extra Features
topmeteo.eu Bezahldienst, Übersichtskarten, Potentielle Flugdistanz für HG und GS
profiwetter.ch Föhndiagramm
kachelmannwetter.com Details

Literatur

Fleisch, Norbert: Gesamtwerk Paragliding - Band 1 - Meteorologie. Papillon Paragliding
CAE Oxford Aviation Academy, Ground Training Series Book 4, Meteorology
Gösta H. Liljequist: Allgemeine Meteorologie, Fried. Vieweg+Sohn. Braunschweig
Hack, Karl Heinz: Meteorologie für Piloten, Eigenverlag
Frey, Roger P.: Donnerwetter - Flugmeteorologie von A bis Z. Books on Demand GmbH
Backyard Meteorology: The Science of Weather https://www.edx.org/course/backyard-meteorology-the-science-of-weather (Online Kurs)

Autor: Tobias Grundmann

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Kartenmaterial: Wikipedia
Satellitenbild: Iceland.A2003247.1410.500m.jpg: NASA
Video: Boyle's_Law_Demonstrations.webm: North Carolina School of Science and Mathematics CC-BY
Satellitenfilm: Eumetsat_A_Year_of_Weather_2017: Eumetsat (bearbeitet)
Satellitenfilm: `Sat24 video impression for Thursday- February 13- 2020`: Sat24
Satellitenfilm: Perfect Cyclogenesis `DANLI`, March 06-08 2014}: Youtube-Video eingestellt von "Sepp Wurzel" (bearbeitet)
Polarjetstream-Animation: Nasa_3843_Jet_Stream_540-MASTER_high.mp4: NASA (bearbeitet)
Screenshots Wetterkarten Sturm Dennis/Viktoria: KNMI
dhv_lee_luvthermik_horizontal.png: DHV (bearbeitet)
meteoblue_windscherung_20200623.png: Meteoblue (Screenshot, Ausschnitt)
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Logos der Wetterdienste: Copyright der Dienste
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