Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre PDF

3 Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre → Mittlerer atmosphärischer Bewegungsmechanismus zum großräumigen Austausch von Masse, Wärme und Bewegungsenergie Warum Notwendigkeit für solche Austauschvorgänge besteht: ← Großräumige Temperatur- und Luftdruckunterschiede zwischen niederen und höhere...

3 Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre → Mittlerer atmosphärischer Bewegungsmechanismus zum großräumigen Austausch von Masse, Wärme und Bewegungsenergie Warum Notwendigkeit für solche Austauschvorgänge besteht: ← Großräumige Temperatur- und Luftdruckunterschiede zwischen niederen und höheren Breiten  4 Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre ← Großräumige Temperatur- und Luftdruckunterschiede zwischen niederen und höheren Breiten Einkommende kurzwellige Strahlung Strahlungsbilanz Strahlungsbilanz in niederen Breiten Überschuss In polarnahen Bereichen Defizit Ausgehende langwellige Strahlung Albedo (Wilson et al. 2000)  5 Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre Links in Dateien anschauen ← Großräumige Temperatur- und Luftdruckunterschiede Großräumiger Temperaturgegensatz zwischen niederen Breiten und höheren Breiten zwischen niederen und höheren Breiten Temperaturverteilung - Januar (https://climvis.org)  6 Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre ← Großräumige Temperatur- und Luftdruckunterschiede zwischen niederen und höheren Breiten Temperaturverteilung - Juli (https://climvis.org)  7 Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre ← Großräumige Temperatur- und Luftdruckunterschiede zwischen niederen und höheren Breiten Aus Überschuss in niederen Breiten und Defizit aus höheren Breiten wird Energietransport initiiert (Barry & Chorley, 2009)  10 Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre ← Großräumige Temperatur- und Luftdruckunterschiede zwischen niederen und höheren Breiten Immer positiv -> immer Wärmetransport nach Norden -> höchster Transport in mittleren Breiten -> Wörmetransporte da am intensivsten Geschätzter nordwertiger Wärmetransport Erledigt erheblichen Anteil des meridionalen Austausches Z.B. durch ozeanische Strömungen, ozeanische Tiefenzirkulationen Polwärtige → polwärtige Wärmetransporte Energietransporte - Nordhemisphäre in Atmosphäre und Ozean (Wilson et al., 2000) (Wilson et al., 2000)  13 Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre ← Großräumige Temperatur- und Luftdruckunterschiede zwischen niederen und höheren Breiten Schematische Darstellung der großräumigen Luftdruckverteilung Schnelle intensvie Druckänderungen -> intensive Luftänderungen (Übergangszone)  14 Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre ← Großräumige Temperatur- und Luftdruckunterschiede zwischen niederen und höheren Breiten Kalte Luft Warme Luft (McKnight & Hess 2009)  15 Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre ← Großräumige Temperatur- und Luftdruckunterschiede zwischen niederen und höheren Breiten T H H (McKnight & Hess 2009) T  17 Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre Außertropische Westwinddrift  19 Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre Konzentration der Temperatur- und Luftdruckgegensätze im Bereich der Planetarischen Frontalzone Aussertropische Westwinddrift: Reine Zonalzirkulation ermöglicht keinen meridionalen Druck- und Temperaturausgleich! Übergang der zonalen Strömung in eine Wellenzirkulation (Temperaturgradienten in 500hPa > 6°C/1000km)  20 Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre Außertropische Westwinddrift – Zirkulationsformen (Index cycle) Rossby wellen zonal gemischt meri- dional zellulär Rücken und Tröge werden abgeschnitten -> abgeschnürte Hoch- Tiefdruckgebiete -> cut off Effekt -> Wellenzirkulation löst sich auf a: High (zonal) index b: transitional c, d: Low (zonal) index (Jacobeit 2007 nach Barry and Chorley 2002)  23 Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre Außertropische Westwinddrift – Entwicklung von Rossby-Wellen (langen Wellen) in der Höhenströmung Wenn corioliskomponente steigt muss relative vorticity abnehmen und andersrum Erhaltung der absoluten Vorticity f + ζ = const. Planetare Corticity ↑ f = 2ω * sinΦ (Coriolisparameter) für großräumige Luftbewegungen ζ: relative Vorticity (Eigenrotation) (ohne Scherungsanteile und ohne variierende Vertikalerstreckung) (beschreibt horizontale Drehbewegungen um vertikale Rotationsachsen) Drehbewegung um Tiefdruckgebiet (positiv für zyklonale, negativ für antizyklonale Rotation, Drehbewegung um Hochduckgebiet enthält einen Krümmungs- und einen Scherungsterm) Wenn In Strömung horizontale/ vertikale Geschwindigkeitsunterschiede  24 Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre Außertropische Westwinddrift – Entwicklung von Rossby-Wellen (langen Wellen) in der Höhenströmung Krümmungs- und Scherungsvorticity Höhere Geschwindigkeit als in Innenbahn (Schönwiese 2002)  26 Positive Werte Ablenkung von westwinddrift (Jacobeit 2007)  30 Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre Außertropische Westwinddrift – Entstehung von Rossby-Wellen in der Höhenströmung (Einfluß orographischer vom Hoch zum Tief (bleibt gleich) Hindernisse) Wie kommt es dazu? Zuvor: Übergang der großräumigen Strömung von Ozean auf Gleichgewich Landoberfläche Volumen wird größer -> im Lee kommt t zwischen Überströmung über Gebirge es zu Geschwindigkeitsbanahme Gradientkraft Corioliskraft nimmt und Wenn Wind auf Gebirge stößt: ab -> Ablenkung in Corioliskraft Wind erfährt vertikale Richtung Tiefdruck -> Reduktion -> wird geostrophisch zusammengepresst er Wind -> Geschwindigkeit über Gebirge erhöht sich (Lauer & Bendix 2003)  31 Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre Zyklonal, gegen uhr, tiefdruckgebiet Außertropische Westwinddrift – Entstehung von Rossby-Wellen in der Höhenströmung (Einfluß orographischer Hindernisse) Trog, der im Lee der Rockys entsteht durch (nach Flohn 1975) Positive werte äquatrowertige Negative werte Auslenkung Abweichungen der geopotentiellen Höhen vom zonalen langzeitlichen Mittelwert (Vertikalschnitt über dem Breitenkreis 50°N auf der Nordhalbkugel, Winter) Situation ist nicht jeden Tag so ausgeprägt, nur  stehende lange Wellen in diesen Orten sind solche Ereignisse festzustellen (im Mittel 5 bis 7)  32 Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre Konzentration der Temperatur- und Luftdruckgegensätze im Bereich der Planetarischen Frontalzone → Polarfront-Jetstream Dort konzentrieren sich Temperatur- und Druckgegensätze Stärkste Druckgegensätze (Barry and Chorley 2009)  33 Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre Konzentration der Temperatur- und Luftdruckgegensätze im Bereich der Planetarischen Frontalzone → Polarfront-Jetstream Polarfront - Jetstream: Hochtroposphärische Starkwindzone aufgrund des verschärften Temperatur- und Druckgefälles im Bereich der Polarfront. Strahlstrom mit Maximum der Windgeschwindigkeit (bis zu 500km/h) bei ca. 300hPa (etwa 10km).  34 Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre Konzentration der Temperatur- und Luftdruckgegensätze im Bereich der Planetarischen Frontalzone → Polarfront-Jetstream Mittlere geographische Lage des Polarfront-Jetstreams (Malberg 2007)  35 Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre Konzentration der Temperatur- und Luftdruckgegensätze im Bereich der Planetarischen Frontalzone → Polarfront-Jetstream einzelne Bereiche, in denen Starkwinde ausgeprägt sind Bereiche, in denen es ausfällt Rotgelb: Dort konzentrieren sich Temperatur- und Druckgegensätze (https://www.netweather.tv/charts-and-data)  36 Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre Konzentration der Temperatur- und Luftdruckgegensätze im Bereich der Planetarischen Frontalzone → Polarfront-Jetstream (https://www.weatheronline.co.uk)  37 Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre Entwicklung dynamischer Drucksysteme im Bereich des PFJ Ursachen: Divergentheorie: Beschleunigungen und Abbremsungen in der Höhenströmung: ← im Bereich konvergierender / divergierender Isobaren dabei wirksame Massenträgheiten → ageostrophische Massenverlagerungen und Luftdruckänderungen  39 Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre Entwicklung dynamischer Drucksysteme im Bereich des PFJ Divergenztheorie nach Ryd-Scherhag G: Gradientkraft C: Corioliskraft Mit Verstärkung der Differenzen -> Änderung der Richtung in Gradientkraft Divergenz und Konvergenz im Bereich Delta überweigen -> Bereich der maximalen Drcukgradienten wird (Jacobeit 2007) Geschwindigkiet erhöht  40 Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre Entwicklung dynamischer Drucksysteme im Bereich des PFJ Divergenz in der Höhe erzeugt dynamisches Tief Massenverlust Konvergenz in der Höhe erzeugt dynamisches Hoch Massenzunahme  41 Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre Außertropische Westwinddrift – Entstehung von Rossby-Wellen in der Höhenströmung (Einfluß orographischer Hindernisse) (nach Flohn 1975) Abweichungen der geopotentiellen Höhen vom zonalen langzeitlichen Mittelwert (Vertikalschnitt über dem Breitenkreis 50°N auf der Nordhalbkugel, Winter) Resultierende dynamische Druckgebilde->  stehende lange Wellen haben bevorzugte Bereiche -> Aktionszentren  Aktionszentren im Luftdruckfeld: z.B. Aleuten-, Island-T ; Hawaii-, Azoren-H  42 HOCH TIEF Rotation antizyklonal zyklonal divergentes konvergentes bodennahe Strömung Ausströmen Einströmen Vertikalbewegung absinkend aufsteigend Bewölkung gering stark aber: Nebelbildung Hitzetiefs bei dyn. Höhenkonvergenz Höhendivergenz Druckgebilden  43 Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre Entwicklung dynamischer Drucksysteme im Bereich des PFJ = Polarfrontjetstream Hoher Druck in gesamter Luftsäule -> Unterschied zu thermischem Drucksystem (Jacobeit 2007) Unterschiedliche Druckgebilde in verschiedenen Luftmassen44 Druckgebilde -> bodennahe Tiefdruckanomalie wird überlagert von einer Druckanomalie in Höheentgegengesetzt es Vorzeichen Druckgebilde -> sowohl in Höhe als auch am Boden (Jacobeit 2007)  46 Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre Außertropische Westwinddrift – Ausscheren von Drucksystemen aus der Westdrift C Mit Annäherung an die Pole stärkere Corioliskraft Polwärtsgerichtete Komponente für Tiefdruckgebiet -> T G polwärtsgerichtet v v G C Stärker polwärtig T Gradientkraft ist gleich H Gesamtsystem äquatorwertige Richtung G C Geringe äquator wertig v v Geringere Corioliskraft G: Gradientkraft G C C: Corioliskraft C = 2ωsinφv v: Windvektor  47 Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre Luftdruck- und Windgürtel der Erde Polarhoch polare Ostwinde - - - - - subpolare Tiefdruckzone - - - - - - Dynamische Drcukgebilde außertrop. Westwinddrift subtropische Hochdruckzone trop. Ostströmung äquatoriale Tiefdruckrinne trop. Ostströmung subtropische Hochdruckzone außertrop. Westwinddrift - - - - - subpolare Tiefdruckzone - - - - - - Dynamische Drcukgebilde polare Ostwinde Polarhoch für reibungsfreie Verhältnisse !  48 Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre Luftdruck- und Windgürtel der Erde  jahreszeitliche Intensitätsschwankungen  stärkere Gradienten im jeweiligen Winter  jahreszeitliche Breitenverlagerungen  wesentlich ausgeprägter in kontinentalen als in maritimen Bereichen  Stetige und alternierende Klimate  planetarische Asymmetrie  stärkere Gradienten auf der Südhalbkugel  49 Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre Außertropische Westwinddrift – Entstehung von Rossby-Wellen in der Höhenströmung (Einfluß orographischer Hindernisse) (nach Flohn 1975) Abweichungen der geopotentiellen Höhen vom zonalen langzeitlichen Mittelwert (Vertikalschnitt über dem Breitenkreis 50°N auf der Nordhalbkugel, Winter)  stehende lange Wellen  Aktionszentren im Luftdruckfeld: z.B. Aleuten-, Island-T ; Hawaii-, Azoren-H  50 Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre Luftdruck- und Windgürtel der Erde Thermisches Druckgebilde durch intensive Winteauskühlung Kältehoch Mittlere Luftdruckverteilung und Windrichtung im Januar (McKnight & Hess 2009)  51 Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre Hitzetief Luftdruck- und Windgürtel der Erde Mittlere Luftdruckverteilung und Windrichtung im Juli (McKnight & Hess 2009)  52 Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre Aktionszentren im Luftdruckfeld der Nordhemisphäre Gestrichelt -> Polarfrontzyklone therm. dyn. therm. dyn. (Wellenauslenkung) -> an frontogentischem Punkt kommt es zu intensivem Kontakt zwischen Warmluft und Kaltluft frontogene- tische Punkte Punkte an denen Temperatur, Druckgegensätze nochmal konzentriert sind, weil sie im Kontaktbereich therm. dyn. therm. dyn. zwischen antizyklonalen und zyklonalen Aktionszenztrum liegen (nach Weischet 1991)