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2012 | Buch

Synoptische Meteorologie

Methoden der Wetteranalyse und -prognose

verfasst von: Andreas Bott

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

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Über dieses Buch

Das Buch lässt sich in zwei Teile aufspalten. Der erste Teil beschäftigt sich mit einer detaillierten Darstellung moderner Methoden, die zur Beschreibung des momentanen atmosphärischen Zustands dienen. Hierzu gehören unterschiedliche Verfahren zur Datenerfassung, wie z. B. direkte Messungen an Wetterstationen, aber auch Fernerkundungsmethoden. Weitherhin erfolgt eine ausführliche Beschreibung von unterschiedlichen in der Praxis benutzten Wetterkarten, Darstellungen der Wolken- und Wetterklassifikationen nach Vorgaben der WMO (World Meteorological Organization) sowie der europäischen Großwetterlagen. Ein eigenes Kapitel widmet sich der Satelliten- und Radarmeteorologie. Dies geschieht vornehmlich anhand der vom europäischen Wettersatelliten METEOSAT (MSG) gewonnenen Daten und dem vom DWD errichteten Niederschlagsradarnetz.

Im zweiten Teil des Buchs erfolgt die Diskussion und Interpretation der mathematischen Gleichungssysteme. Begriffe wie geostrophischer Wind, Hydrostasie, Divergenz, Vorticity etc. werden eingeführt und anhand umfangreicher Wetterkartenbeispiele erörtert. Daran anschließend erfolgt eine eingehende Diskussion der wichtigsten atmosphärischen Prozesse auf der synoptischen Skala, wie beispielsweise Frontogenese, Zyklogenese, die quasigeostrophische Theorie und barokline Wellen. Abschließend widmet sich das Buch kleinräumigeren Wetterphänomenen wie der Bildung von Gewitterzellen, Konvergenzlinien, Nebel und speziellen Windsystemen (Föhn, katabatische Winde etc.).

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
1. Einführung
Zusammenfassung
Meteorologie ist die Wissenschaft, die sich mit den in der Erdatmosph äre ablaufenden physikalischen und chemischen Vorgängen auseinandersetzt. Der Begriff “Meteorologie” ist auf das altgriechische Wort [] (Lehre von den in der Luft schwebenden Dingen) zurückzuführen. Der Schwerpunkt meteorologischer Forschung liegt auf der Untersuchung physikalischer atmosphärischer Prozesse, während die Atmosphärenchemie erst in den letzten Jahrzehnten zunehmend an Bedeutung gewonnen hat und daher ein sehr junges Forschungsgebiet der Meteorologie darstellt. Als wissenschaftliches Handwerkszeug meteorologischer Forschung dienen in erster Linie mathematische Gleichungen, mit denen die physikalischen Gesetzmäßigkeiten der untersuchten atmosphärischen Phänomene beschrieben werden. Deshalb ist die Meteorologie den mathematischen Naturwissenschaften zuzuordnen und kann als Teilgebiet der Geowissenschaften verstanden werden.
Andreas Bott
2. Wetterbeobachtungen
Zusammenfassung
Innerhalb des World Weather Watch Programms der WMO wurde das sogenannte Global Observing System (GOS) eingerichtet mit der Aufgabe, Beobachtungen des atmosphärischen Zustands, die zur Wetteranalyse, -vorhersage und Klimaüberwachung dienen, weltweit allen Mitgliedern der WMO frei zur Verfügung zu stellen.
Andreas Bott
3. Mathematische Beschreibung atmosphärischer Prozesse
Zusammenfassung
Zum tieferen Verständnis der in der Atmosphäre ablaufenden thermohydrodynamischen Prozesse ist es unabdingbar, diese mit Hilfe mathematischer Gleichungen zu beschreiben. Erst hierdurch gelingt es, die vielfältigen Wechselwirkungen unterschiedlicher Vorgänge auf allen raumzeitlichen Skalen zu verstehen und letztendlich hieraus eine Abschätzung des momentanen und künftigen Wettergeschehens abzuleiten.
Andreas Bott
4. Grundlagen der Dynamik und Thermodynamik
Zusammenfassung
Im vorangehenden Kapitel wurde das prognostische Gleichungssystem vorgestellt, das für die numerische Wettervorhersage herangezogen werden kann. Zusätzlich zu diesen Gleichungen existiert eine sehr große Anzahl mathematischer Beziehungen, die bei der Interpretation des atmosphärischen Zustands wertvolle Dienste leisten. Häufig handelt es sich hierbei um diagnostische Relationen, die einen dynamischen oder thermodynamischen Gleichgewichtszustand der Atmosphäre beschreiben. Diese Gleichgewichtsbeziehungen lassen sich aus dem prognostischen Gleichungssystem ableiten, wobei, abhängig von dem zu untersuchenden Prozess, gegebenenfalls bestimmte Annahmen gemacht werden, wie beispielsweise Stationarität, horizontale Homogenit ät oder das Ausbleiben von Wolkenprozessen. In diesem Kapitel werden die wichtigsten Grundgleichungen vorgestellt, die eine tiefergehende Beschreibung des atmosphärischen Zustands und seines weiteren Entwicklungspotentials ermöglichen. Auch hier wird in der Regel auf eine detaillierte Ableitung der Gleichungen verzichtet und stattdessen auf die weiterführende Spezialliteratur verwiesen.
Andreas Bott
5. Kinematik horizontaler Str¨omungen
Zusammenfassung
Unter dem Begriff Kinematik versteht man die Lehre der räumlichen Bewegung von Punkten oder Körpern. Im Gegensatz zur Dynamik ist die Ursache der Bewegung, ausgedrückt durch die auf einen Körper wirkenden Kräfte, nicht Gegenstand der Untersuchungen. Von besonderem Interesse ist vielmehr die Charakterisierung der Eigenschaften eines vorliegenden Strömungsfelds. In diesem Kapitel werden einige Grundbegriffe der Kinematik vorgestellt. Da großräumige Bewegungen als quasihorizontal angesehen werden können, beschränkt sich die Diskussion auf horizontale Strömungen. Die hierbei gefundenen Ergebnisse lassen sich jedoch problemlos auf dreidimensionale Strömungsfelder übertragen.
Andreas Bott
6. Die quasigeostrophische Theorie
Zusammenfassung
In der modernen numerischen Wettervorhersage wird das in Abschn. 3.5 vorgestellte Gleichungssystem diskretisiert und anschließend mit Hilfe geeigneter numerischer Verfahren integriert, um dadurch die zeitliche Entwicklung des atmosphärischen Zustands zu erhalten. Aufgrund der mittlerweile verfügbaren Computerkapazitäten können hierbei relativ kleine räumliche Gitterabstände und numerische Integrationszeitschritte gewählt werden, so dass es nicht mehr notwendig ist, das Gleichungssystem zu vereinfachen, um meteorologisch uninteressante Wellenprozesse, die auch als meteorologischer Lärm bezeichnet werden, aus den Lösungen zu filtern. Die Komplexität des Gleichungssystems bringt es jedoch mit sich, dass es relativ schwer fällt, synoptisch-skalige atmosphärische Entwicklungsprozesse direkt aus den Gleichungen abzulesen. Einen deutlich einfacheren Zugang zum Verständnis großräumiger Entwicklungsvorgänge bietet die sogenannte quasigeostrophische Theorie. Hierbei wird eine rigorose Vereinfachung der Modellgleichungen vorgenommen mit dem Ziel, ein leicht interpretierbares bzw. integrierbares Gleichungssystem zu erhalten, in dem jedoch alle meteorologisch relevanten Prozesse noch enthalten sind. Etwa in den 1970er Jahren lösten erste barokline Vorhersagemodelle die bis dahin noch routinemäßig in der numerischen Wettervorhersage zum Einsatz kommenden barotropen Modelle ab.
Andreas Bott
7. Die potentielle Vorticity
Zusammenfassung
Zur Beschreibung atmosphärischer Prozesse wird üblicherweise eine große Anzahl von Analysekarten unterschiedlicher prognostischer Variablen, wie das Geopotential, die relative Feuchte, die Temperatur, das Windfeld etc., herangezogen. Diese Karten geben einen direkten Einblick in die Verteilungen der einzelnen Parameter und lassen sich dadurch relativ einfach auslegen. In der dynamischen Meteorologie hat in den letzten Jahren die Darstellung und Interpretation der isentropen potentiellen Vorticity (IPV) zunehmend an Bedeutung gewonnen. Von vielen Wissenschaftlern wird sie als die Schlüsselvariable zum Verständnis der atmosphärischen Dynamik angesehen. In diesem Zusammenhang ist die wegweisende Arbeit von Hoskins et al. (1985) zur Bedeutung der IPV und der Auswertung von IPV-Karten zu nennen. Der Einfachheit halber wird im weiteren Verlauf die isentrope potentielle Vorticity nur als potentielle Vorticity (PV) bezeichnet.
Andreas Bott
8. Die globale Zirkulation
Zusammenfassung
Die von der Erde absorbierte Strahlungsenergie stellt den Antrieb aller Bewegungen in der Atmosphäre, aber auch in den Ozeanen dar. Durch die am Äquator maximale Sonneneinstrahlung entsteht dort ein Energieüberschuss, während an den Polen wegen der dort minimalen Sonneneinstrahlung ein Energiedefizit vorherrscht (s. z.B. Zdunkowski et al. 2007). Diese räumlich stark heterogene Energiezufuhr würde zu einer ständigen Erwärmung der Äquatorbereiche und einer permanenten Abkühlung der polaren Regionen führen, wenn nicht gleichzeitig ein meridionaler Energietransport vom Äquator zu den Polen hin stattfinden würde.
Andreas Bott
9. Europäische Großwetterlagen
Zusammenfassung
Am Ende des vorangehenden Kapitels wurde anhand einiger Beispiele demonstriert, dass großräumige Luftmassentransporte nach Mitteleuropa häufig mit dem Auftreten typischer Wetterlagen verbunden sind und diese in ihrer thermodynamischen Struktur wesentlich prägen können. Aufgrund solcher Beobachtungen wurden bereits Anfang des letzten Jahrhunderts Versuche unternommen, das Wetter in unterschiedliche Großwetterlagen einzuteilen. Wegen der damals noch fehlenden Höhenbeobachtungen konnte dies zunächst jedoch nur bedingt gelingen, da der Witterungscharakter sehr stark durch die Höhenströmung geprägt wird. Unter der Leitung von F. Baur entstand zwischen 1941 und 1943 erstmals ein sogenannter Kalender der Großwetterlagen Europas (Baur et al. 1944).
Andreas Bott
10. Rossby-Wellen
Zusammenfassung
Obwohl die innerhalb der atmosphärischen Grenzschicht ablaufenden Wettererscheinungen für den Menschen naturgemäß von größter Relevanz sein mögen, ist es unerlässlich, sich auch mit den in der freien Troposphäre stattfindenden thermo-hydrodynamischen Prozessen auseinanderzusetzen. Unter freier Troposphäre (oder auch freier Atmosph äre) wird hierbei der Bereich zwischen der atmosphärischen Grenzschicht und der Tropopause verstanden, d. h. etwa zwischen 850–300 hPa bzw. 1500–9000 m Höhe (mittlere Breiten). Ein wichtiger Grund für die Untersuchung der Vorgänge in der freien Troposphäre besteht darin, dass gerade diese einen maßgeblichen Einfluss auf das Wettergeschehen in der atmosphärischen Grenzschicht ausüben.
Andreas Bott
11. Zyklonen und Antizyklonen
Zusammenfassung
Das Wettergeschehen in Mitteleuropa wird sehr häufig von Zyklonen und Antizyklonen sowie den damit verbundenen Frontensystemen geprägt. Aus dem atlantischen Raum kommend, verlagern sich die Druckgebilde auf das europäische Festland und verursachen hier die für die mittleren Breiten typischen starken Fluktuationen des Wettergeschehens. Der britische Marineoffizier und Meteorologe Robert FitzRoy, der als Begründer des Begriffs “Wettervorhersage” (“forecasting the weather”) angesehen wird, fasste in seinem Buch “The Weather Book: A Manual of Practical Meteorology” seine wissenschaftlichen Erkenntnisse über das Wetter zusammen (FitzRoy 1863). Hierin schilderte er, dass an der Grenze zwischen kalten und trockenen Luftmassen polaren Ursprungs sowie feuchten und warmen Luftmassen aus dem subtropischen Raum zyklonal rotierende Wirbel entstehen, die die beiden Luftmassen miteinander vermischen.
Andreas Bott
12. Fronten und Frontalzonen
Zusammenfassung
Der tägliche Wetterablauf mittlerer Breiten wird in starkem Maße durch die Bildung und Verlagerung von Zyklonen und Antizyklonen geprägt. Die dabei entstehenden Kalt- und Warmfronten bringen häufig vielfältige und intensive Wettererscheinungen mit sich. Ein außerordentlich wichtiges Anliegen der Wetteranalyse und -prognose besteht daher darin, die momentanen Positionen, Verlagerungsgeschwindigkeiten und -richtungen von Fronten zu ermitteln. Das Verst ändnis der an einer Front ablaufenden Prozesse setzt eine eingehende Beschreibung ihrer thermo-hydrodynamischen Eigenschaften voraus. Von genauso großem Interesse ist jedoch auch die Untersuchung der Mechanismen, die zur Bildung, Intensivierung und Auflösung von Fronten führen. Diese Fragestellungen werden im Folgenden näher erörtert.
Andreas Bott
13. Mesoskaligemeteorologische Prozesse
Zusammenfassung
In den vorangehenden Kapiteln lag der Schwerpunkt auf dem Studium atmosphärischer Vorgänge, die auf der synoptischen oder planetaren Skala ablaufen. Zu deren mathematischer Beschreibung erwies sich die quasigeostrophische Theorie als sehr nützliches Hilfsmittel. Aber auch auf der sub-synoptischen Skala finden ständig die vielfältigsten thermo-hydrodynamischen Prozesse statt, die das augenblickliche Wettergeschehen mitunter entscheidend prägen. Hierzu zählen beispielsweise konvektive Systeme mit unterschiedlichen raumzeitlichen Erstreckungen oder die an Fronten beobachteten baroklinen Querzirkulationen. Wie bereits früher erwähnt, lassen sich diese Phänomene wegen ihrer vergleichsweise geringen Ausdehnungen nicht mehr ohne Weiteres mit Hilfe der quasigeostrophischen Theorie analysieren. Vielmehr sollte hier zumindest die semigeostrophische Theorie zur Anwendung kommen, bei der die ageostrophischen Advektionsanteile in der Bewegungsgleichung berücksichtigt werden.
Andreas Bott
Backmatter
Metadaten
Titel
Synoptische Meteorologie
verfasst von
Andreas Bott
Copyright-Jahr
2012
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-642-25122-1
Print ISBN
978-3-642-25121-4
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-642-25122-1