METEOROLOGIE

Tobias Grundmann

Atmosphäre

Bild: NASA

Schichtung der Atmosphäre

Ausdehnung der Troposphäre

Höhe der Tropopause

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

Physikalische Grundlagen

Luftdruck

  • Druck = Kraft pro Fläche
  • Einheit Pascal: Pa= N m2
  • Entspricht 0,1l Wasser auf 1m2=0,1mm Wasserhöhe
  • Hektopascal 1HPa = 100Pa

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

Volumen und Druck

Gesetz von Boyle-Mariotte: P×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: VT = 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 × ( 1 0,0065Km ×h 288,15K ) 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

ArtAbnahme pro 100m
Trockenadiabatisch1°C
ICAO ISA0,65°C
Feuchtadiabatischvariabel 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

Thermische Zustände der Atmosphäre

Inversion

Inversion

Absinkinversion

Bodeninversion

  • Boden kühlt aus
  • Kaltluftseen
  • Bodennebel

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

Durchzug einer Zyklone

Entwicklungsstadien einer Zyklone

  • Entstehung (Zyklogenese)
  • Reifestadium
  • Auflösung

Der polare Jetstream

NASA auf YouTube

Zyklogenese

Zyklogenese

Zyklogenese

Ohne Erdrotation keine dynamischen Tiefs bzw. Hochs

Zyklonen: Strömungen

Idealzyklone in der Bodenwetterkarte

  • 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

Cumulonimbus Cb
Cumulus Cu
Nimbostratus Ns
Altostratus As
Cirrostratus Cs
Cirren Ci
Rückseite Kaltfront Vor KF Warmsektor WarmfrontVor WF
Luftdruck steigend Minimum fallend konstant fallend konstant
Temperaturfallend stark fallendMaximum konstant steigend konstant
Wind NW fallend auf N Maximumauf S steigendSW konstantW S bis O
Sicht ausgezeichnetschlechtgut bis mäßigmäßigschlecht, Dunst, Nebelaußerhalb 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

Przemyslaw "BlueShade" Idzkiewicz https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Cirrus_over_Warsaw,_June_26,_2005.jpg Lizenz: CC BY-SA 2.0

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

Kiki Beittel, Lizenz: CC BY-SA 4.0

Zusammenfassung Frontensysteme / Zyklonen

  • Zyklogenese
  • Bodenwetterkarte
  • Kaltfront
  • Warmfront
  • Okklusion
  • Wettererscheinungen

Im Internet (speziell Frontensysteme)

Thermik

Die Albedo

Thermik

Thermikentstehung

Thermik

Thermikschlauch

Thermik

Blauthermik

Thermik

Windversatz

Thermik

Zerrissene Thermik

Thermik

Thermikablösung

Thermik

Thermikablösung

Thermik

Leethermik

Thermik

Lee- und Luvthermik,Bild: DHV

Thermik

Thermischer Einfluss im Flachen

Thermik

Thermische Böen

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

Bftm/skm/h
0Windstille0 - 0,2< 1Rauch steigt senkrecht auf
1leiser Zug0,3 - 1,51 - 5Windrichtung angezeigt durch den Zug des Rauches
2leichte Brise1,6 - 3,36 - 11Wind im Gesicht spürbar, Blätter und Windfahnen bewegen sich
3schwache Brise schwacher Wind3,4 - 5,412 - 19Wind bewegt dünne Zweige und streckt Wimpel
4mäßige Brise mäßiger Wind5,5 - 7,920 - 28Wind bewegt Zweige und dünnere Äste, hebt Staub und loses Papier
5frische Brise frischer Wind8,0 - 10,729 - 38kleine Laubbäume beginnen zu schwanken, Schaumkronen bilden sich auf Seen
6starker Wind10,8 - 13,839 - 49starke 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

Leeturbulenz

Talwind

Tag: Talwind (kleinräumig)

Bergwind

Nacht: Bergwind (kleinräumig)

Energie pro Fläche

Luftmassenunterschiede

Würfel enthält im Flachen mehr Luft, die erwärmt werden muss

Talwindsystem

Großräumige Talwindzirkulation

Talwind: Gefahren

Düseneffekt und Temperaturgradient führt zu Windgradient

Talwind: Gefahren

Horizontale und vertikale Lee-Effekte

Seewind

Morgen: Windstille

Seewind

Vormittag: Land erwärmt sich schneller als Wasser

Seewind

Nachmittag: Seewind

Landwind

Nacht: Landwind

Hangaufwind

Vertikale und horizontale Windkomponenten
Windgradient zum flachen Hang nicht beachtet

Hangaufwind

Aufwindband und Kompression

Horizontale Kompression

Windgradient

Windgradient

Windgradient bei Toplandung

Windgradient

Windgradient tritt auch im Lee auf

Windscherung

Bild: Meteoblue

Änderung der Windrichtung über die Höhe

Dust Devil

Föhn

Föhn

Typische Wettererscheinungen bei Föhn

Föhn

Klassische Föhntheorie / Swiss Föhn

Föhn

Austrian Föhn

Nordföhn

Südföhn

Südföhn

Südföhn

Seichter Föhn

Föhndiagramm

Föhn: Wetterlage

Ostlagen

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

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)

FEWfew1 - 2 Achtel
SCTscattered3 - 4 Achtel
BKNbroken5 - 7 Achtel
OVCovercast8 Achtel
TCUTowering CumulusCumulus Congestus

Literatur

Autor: Tobias Grundmann

Creative Commons Lizenzvertrag
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Creative Commons Namensnennung - Weitergabe unter gleichen Bedingungen 3.0
  • 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)
  • meteocentrale_foehn_chart_uwz-ch_foehn_en.png: Meteocentrale (Screenshot, Ausschnitt)
  • Logos der Wetterdienste: Copyright der Dienste
  • NASA_Atmosphäre_ISS022-E-18448.JPG: Earth Science and Remote Sensing Unit, NASA Johnson Space Center
  • Nasa_Islandtief_terra_iceland_05jun04_250m_cropped.jpg: NASA
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