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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.
1. Allgemeines- Definitionen- Darstellungsweisen- dreidimensionale Sicht – thermischer Wind
2. Synoptische Systeme mittlerer Breiten- verschiedene Skalen- Frontentheorien
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V.1 Allgemeines zur Synoptik
• Definition und Grundlagen – Definition– wissenschaftliche und technische Grundlagen – Geschichte
• Darstellung synoptischer Felder– Bodenkarten– Höhenkarten– Stationsmodell
• Thermische Verknüpfung von Boden- und Höhenwetterkarten
– thermischer Wind• Barotrope und barokline Felder
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V.1.1 Definition und Grundlagen
• Synoptik: Zusammenschau der 4D-Verteilung der meteorologischen Parameter mit dem Ziel der Wetteranalyse und der Prognose.
• Wetteranalyse umfasst die 4D-Verteilung aller meteorologischen Größen im Sinne einer Prozessanalyse.
• Prognose erfordert – quasi-Echtzeitverfügbarkeit globaler Daten in den nationalen
oder internationalen Vorhersagezentren– meteorologischen (synoptischen) Sachverstand – und/oder Prognosemodelle (Nutzung von Erkenntnissen der
theoretischen Meteorologie, Atmosphärenphysik und -chemie, Hydrologie, …, numerische Mathematik und Informatik
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Synoptische Skala
1000 km
100 km
• Auflösung von Tiefdruckgebieten (einschließlich Fronten) und Hochdruckgebieten
• andere Größenordnungen- U ~ 10 m/s- T ~ h – d
• zwischen globaler Skalaund Mesoskala
• notwendigesBeobachtungsnetz:
- < 50 km- ~ 3 h
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Beobachtungssysteme• in quasi-Echtzeit verfügbare klassische Messungen• Klimamessnetze• Fernerkundungsverfahren
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Beobachtungssysteme (1)• per Global Telecommunication System (GTS) in quasi-
Echtzeit verfügbar– synoptische Stationen (1 pro 40 km, Land und Volontary
Observin Ships, 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)
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Beobachtungssysteme (2)• ca. 1 x pro Monat verfügbar, u.A. für Validierung
– Klimastationen (1 pro 20 km, Land und Voluntary ObservingShips (VOS))
• alle meteorologischen Parameter ähnlich synoptische Stationen• Beobachtungszeiten an Lokalzeiten orientiert
– Niederschlagsmessnetz (1 pro 10 km über Land)• nur Tagessummen• werden stark ausgedünnt• zunehmend Ersatz durch in Echtzeit meldende zeitlich
hochauflösende Regenmesser, z.B. 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
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Radarnetzwerk DWD
Bonn
DWD- Radarverbund
- Horizontabtastungen alle 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
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Prognosemodelle
• In Europa derzeit noch vier nationale Prognosemodellsysteme– DWD et al./COSMO (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, kein Globalmodell)
• Europäisches Zentrum für Mittelfristige Wettervorhersage (EZMW, ECMWF, Reading, UK)– getragen von fast allen nationalen europäischen Wetterdiensten– „Beschränkung“ auf Mittelfrist, Jahreszeitenvorhersage– international bestes Vorhersagesystem für synoptische Skala– erstellt globale Reanalysen (z.B. ERA40), alternativ die US-
amerikanischen NCEP Reanalysen
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Historische Entwicklung1833 Erfindung der Telegraphie• 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 Computer1950 erste brauchbare numerische Wettervorhersage (Charney,
Fjortoft, v. Neuman auf ENIAC)1954 Erste operationelle numerische Wettervorhersage durch Rossby
(Schweden)1960 erster meteorologischer Satellit
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Bausteine der modernen Wettervorhersage1. Online-Datensammlung2. Datenassimilation ->aktueller Zustand der Atmosphäre
� Verschmelzen von Beobachtungen und „alter“ Vorhersage� Methoden
- Nudging- 3-dimensionale variationelle Datenassimilation- 4-dimensionale variationelle Datenassimilation- Sequential Importance Resampling Filter- …
3. Vorhersagelauf mit Modell- deterministische Vorhersage- Ensemble-Vorhersage
4. Interpretation der Modellausgabe– Model Output Statistics (MOS)
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V.1.2 Darstellung synoptischer Felder (Wetterkarten)• Kodierung synoptischer Beobachtungen• Aufbau des „Stationsmodells“• Bodenwetterkarten• Höhenkarten• Relative Topographie
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pp
PPPCTT H
CMVV
ww
Td CLTdTd
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,…
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synoptische Wetterbeobachtung
IIiii Nddff VVwwW PPPTT NLCLhCMCH TdTdapp 7RRTnTn 7RRTxTx10111 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
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Charakteristika der Bodendruckkarte1. Winde sind parallel zu Isobaren mit niedrigem Druck
links und Richtungstendenz zum niedrigen Druck.2. Je enger die Isobaren, desto stärker ist 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 (MargulesscheGrenzflächenneigung).
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).
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Warmfront mit Erwärmung in allen Schichten
Warmfront mit Erwärmung nur am Boden
Warmfront mit Erwärmung nur in der Höhe
Maskierte Warmfront mit Abkühlung am Boden
Quasistationäre Front
Kaltfront mit Abkühlung in allen Schichten
Kaltfront mit Abkühlung nur am Boden
Kaltfront mit Abkühlung nur in der Höhe
Maskierte Kaltfront mit Erwärmung am Boden
Okklusionsfront (Zusammenschluß von Warm- und Kaltfront)
Gealterte Okklusionsfront
Kaltfront-Okklusion mit Abkühlung am Boden
Konvergenzlinie
Warmfront-Okklusion mit Erwärmung am Boden
Frontenkennzeichnung
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Höhenkarten• sind Topographien von isobaren Flächen, angegeben in
geopotentiellen Metern (gpm) h=(g/g0)z– 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)
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Beispiel einer 500 hPa Höhenkarte (oben, ohne Stationseintragungen) mit Bodenkarte
Kennzeichen:• Isohypsen in gpm (~550 gpm
bei 500 hPa)• kaum abgeschlossene
Isohypsen• Drängung der Isohypsen im
Bereich der Polarfront• keine eingezeichnete Fronten• Tröge gegenüber Bodentiefs
am Boden nach Westen oder Nordwesten verschoben
• Rückenzentren gegenüber Bodenhochs nach Westen oder Südwesten verschoben
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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
Φ∇×=∇×≡
∂Φ∂=
∂∂==≡
∂∂
==∆∆=
∆∆
=∆∆Φ=
∆∆≅
∆∆≅
∆∆≈
∂∂
∇×≡
ppg
pyzy
ggz
hg
kf
hkf
gv
xxh
gdxdh
gdxdp
xp
gz/gh�gzxh
gx
gxx
gzxz
gxp
xp
pkf
v
���
��
1hschließlic und
folgt Es Meter. ellesgeopotenti al,Geopotenti mit
1
0
0,
0,
0
000
ρρρ
ρρρρρ
ρ
z+�z
zpp-�p
�p=-�g�z
�x
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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)ln(ln
)(lnln
mit nIntegratio ln
ngGasgleichu ideale , :GG statische
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12
21
120
21
12
1212
ppRppRhhg
ppRgzgz
T
zzTR
gpp
TTdzTR
gpd
pdp
dzTR
pgTRpgdzdp
LLLv
vL
vvvL
vL
vL
−Φ−Φ=
−−=
−−=
−−=−
→−=≡
−=
=−= ρρ
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V.1.3 Thermische Verknüpfung von Boden und Höhenwetterkarten - thermischer Wind -
z
x
pj-3�p
pj-�p
pi-2�p
pj-2�p
pi
pj-�ppj
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
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Thermischer Wind (1)
gv�
po
S, warm N, kalt
po-�p
po-2�p
gv�
Selbst bei Druckgleichheit am Boden (kein geostrophischerWind 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, wie der geostrophische Wind das Tief.
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Thermischer Wind (2)
gv�
po
S, H, warm N,T, kalt
po-�p
po-2�p
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�
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Thermischer Wind (3)
gv�
po
S, T, warm N,H, kalt
po-�p
po-2�p
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
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Formale Ableitung des thermischen Windes im z-System
( )
( )
� ���
�����
�
�� ��� ��
�����
���
����
���
���
��
0030
1001
10
3001
030
10000010
30010
10
2
111
111
1
1
4
,,
lnln
ln
ln , , ,
zT
vT
TkfTg
zT
vT
TT
kf
gT
zT
vTT
kf
gTzT
vTTR
gk
fTR
zT
pkf
Rzp
kfTR
zv
zpk
fTR
pp
kfTR
pkfpTR
zp
TRzp
pTR
ggzp
TRp
pkf
v
vg
vvH
v
vg
vvH
v
v
vg
vvH
vvg
vvLH
vL
vH
LH
vLg
HvL
HvL
HvL
vLvL
vLHg
∂∂+∇×=
∂∂+∇×=
∂∂+��
�
����
�−∇×=
∂∂+��
�
����
�−∇×=
∂∂⋅∇×+�
�
���
�
∂∂∇×=
∂∂
∂∂∇×=∇×=∇×=
∂∂=
∂∂=−−=
∂∂=∇×=
−
ρρρ
vHv
g TkfT
gzv
∇×≅∂
∂ ��
Skalenanalyse
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Der thermische Wind- Zusammenfassung -
pkf
v Hg ∇×=���
ρ1
:vH
v
g TkfT
gz
v∇×≅
∂∂ ���
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 K
HT
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Der thermische Wind- Indikator für Temperaturadvektion und Möglichkeit des Nowcasting von Temperaturänderungen-
H
TW K
HT
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!
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Formale Ableitung des thermischen Windes im p-System
�
�
vpLg
vpL
vLpp
constg
pg
vLpg
Tkf
Rpv
p
TkfpR
pTR
kf
kfp
kfp
v
pTR
pz
ggzkf
v
∇×−=∂∂
∇×−=
���
����
�∇×−=���
����
�−∇×≅���
����
�
∂Φ∂∇×=
∂∂
−=−=∂∂=ΦΦ∇×=
=
��
�
����
���
��
1111
11
ρ
ρ
Annahme
idealeGasGGG stat.
, alGeopotenti ,
vpLg Tk
fR
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.
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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
00 =∂∂
→≡∇→p
vT g
vp ln
�
00 ≠∂∂
→≠∇→p
vT g
vp ln
�
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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. Sie sind verantwortlich z.B. für die Intensivierung von Wellen in den Höhenkarten.
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• Gegeben sei das Isohypsenfeld der 1000 hPa Druckfläche (untere Abb., durchgezogene Linien) mit Isothermen (untere Abb., gestrichelte Linien).
• 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.
Zusammenhang zwischen Boden- und Höhenkarten
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Übungen zu V.11. Das Druckfeld am Boden weise eine Druckzunahme von 5 hPa auf
100 km von Süd nach Nord auf. Weiter herrsche ein Temperaturgradient von West nach Ost von 5 K auf 100 km. Schätzeden geostrophischen Wind am Boden und in 5 km Höhe ab.
2. Verifiziere den Übergang zwischen den beiden Druckfeldern (unten � oben) der Folie „Zusammenhang zwischen Boden- und Höhenkarten“ qualitativ mit der thermischen Windgleichung (qualitatives Einzeichnen des thermischen Windevektors).
3. Welches Höhenfeld ergäbe sich qualitativ, wenn am Boden Hoch undTief vertauscht wären bei gleicher Temperaturverteilung?
4. Vollziehe durch ungefähres Einzeichnen des thermischen Windvektors die Zusammenhänge zwischen Boden- und Höhenkarte auf den folgenden Wetterkarten nach.