Dieser Artikel behandelt:

I: Wärmeaustausch in mittleren Breiten

II: Fronten

II.1 Kaltfront

II.2 Warmfront

II.3 Verdeckte Front

II.4 Stationäre Front

III. Zyklogenese an der Oberfläche

IV. Zyklogenese in der oberen Schicht

IV.1 Trog

IV.2 Grat

IV.3 Mulde und Grat vereint: das Wellenmuster

IV.4 Mulde und Grat auf mittlerer Höhe

IV.5 Jetstream und Divergenz in der oberen Atmosphäre

V. Zyklogenese in 3 Dimensionen

Am Ende des vorherigen Artikels über Wind haben wir die globale Windzirkulation rund um den Globus dargestellt. Für jede Hemisphäre definiert die globale Windzirkulation drei Bereiche:

Äquatorial- und Polarregionen sind in Bezug auf das Wetter sehr spezifisch und liegen hier außerhalb des Rahmens.

Die mittleren Breiten werden von der Ferrel-Zelle bestimmt. Die Region der mittleren Breiten liegt zwischen kalter/trockener und warmer/feuchter Luft. Daher findet hier der größte Wärmetransport statt und es bilden sich Wettersysteme. Hier lebt auch der Großteil der Weltbevölkerung. In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf das Wetter in den mittleren Breiten.

Für die nördliche Hemisphäre ist der nördliche Teil der Ferrel-Zelle ein sehr dynamischer Ort, an dem ein Großteil des Wetters stattfindet. Bei etwa 60° Nord verläuft eine imaginäre Linie, die sogenannte Polarfront. Auf beiden Seiten dieser Linie herrschen sehr unterschiedliche Wetterbedingungen:

Diese beiden sehr unterschiedlichen Luftmassen müssen sich vermischen. Die Luftvermischung erfolgt bildlich gesprochen durch große Ventilatoren, die warme Luft nach Norden und kalte Luft nach Süden drücken. Die großen Ventilatoren, die sich gegen den Uhrzeigersinn drehen, stellen Tiefdruckgebiete in mittleren Breiten dar, die Segler beim Segeln erleben (z. B. bei der Nordatlantiküberquerung von den USA nach Europa oder bei der Vendée Globe in den südlichen Ozeanen bei der Umrundung der Antarktis).

In diesem Artikel wird der Schwerpunkt auf die Erklärung der Mechanismen dieser Tiefdruckgebiete gelegt und darauf, wie sich einige von ihnen zu heftigen Stürmen verstärken.

Doch bevor wir das tun, wollen wir im nächsten Abschnitt kurz darlegen, was eine Wetterfront ist.

Die obige Skizze zeigt zwei verschiedene Luftmassen auf beiden Seiten der Polarfront bei 60° Nord. Meteorologische Symbole dienen dazu, warme und kalte Luftmassen sowie deren Bewegung leicht zu identifizieren.

Die kalte Luft verdrängt die warme Luft. Das blaue Dreieck zeigt in die Bewegungsrichtung der Front.

Die warme Luft verdrängt die kalte Luft. Der rote Halbkreis zeigt in die Bewegungsrichtung der Front.

Eine Okklusion entsteht, wenn eine schnellere Kaltfront auf eine langsamere Warmfront trifft. Dadurch wird die warme Luft zwischen zwei kühleren Luftmassen vom Boden abgehoben. Dieser Prozess führt zu einer Vermischung der Luftschichten und führt typischerweise zu komplexen Wetterlagen wie Wolkenbildung, Dauerregen oder sogar Gewittern. Nach dem Durchzug der Okklusion stabilisiert sich das Wetter oft und wird klarer.

Eine stationäre Front bewegt sich nicht, wie der Name schon sagt.

Die verwendeten Symbole sind eine Kombination aus Kalt- und Warmfront.

In Bezug auf die beiden oben genannten Fronten befindet sich die kalte Luft auf der anderen Seite des Dreiecks und die warme Luft auf der Seite der Halbkreise.

Wie in Teil I erläutert, sind die Tiefdruckgebiete, die Segler in mittleren Breiten erleben, für die Vermischung von kalter und warmer Luft an der Polarfront verantwortlich. Tiefdruckgebiete werden von Seglern als Zeichen sinkenden Luftdrucks wahrgenommen, der oft mit Niederschlag und starkem Wind einhergeht.

Dieser Abschnitt erläutert die physikalischen Grundlagen der Entstehung dieser Depressionen. Der Leser kann weiterführende Informationen unter https://pressbooks-dev.oer.hawaii.edu/atmo/chapter/chapter-13-extratropical-cyclones/ finden.

Es gibt 5 Stadien der Zyklogenese.

Phase 1: An der Polarfront bei etwa 60° Nord werden kalte Luft im Norden und warme Luft im Süden durch eine stationäre Front getrennt. Dies ist die Anfangsphase bzw. das Gleichgewicht

Quelle: https://slcc.pressbooks.pub/

Stufe 2: Die Bildung einer Frontalwelle

Es kommt zu einer Störung, die dieses Gleichgewicht stört und die kalte Luft nach Süden und die warme Luft nach Norden drückt.

Stufe 3: Ein neu entwickelter Zyklon

Stadium 4: Reifer Zyklon, Bildung einer Okklusion und eines Tripelpunkts

Die Kaltfront stößt an die Warmfront.

Stufe 5: Auflösungsphase

Das obige Modell beschreibt, was an der Oberfläche passiert. Die Luft sammelt sich im Zentrum des Tiefdruckgebiets und steigt auf, wie Luft in einem Schornstein. Die aufsteigende Luft muss jedoch in der oberen Atmosphäre günstige Bedingungen vorfinden, um weiter aufzusteigen und anschließend abzuziehen. Dies lässt sich mit einem Kaminfeuer vergleichen. Der Kamin muss den Luftaufstieg unterstützen, sonst erstickt das Feuer.

Im nächsten Kapitel werden wir uns dann auf einer höheren Ebene damit befassen, welche Bedingungen günstig sind, damit sich ein Tiefdruckgebiet intensiviert und zu einem mächtigen Sturm entwickelt.

Für Leser auf der Südhalbkugel können die obigen Bilder verwirrend sein, da sich Tiefdruckgebiete in dieser Region im Uhrzeigersinn drehen. Um Ihnen einen steifen Nacken zu ersparen, haben wir die folgenden Bilder gespiegelt und kombiniert.

Auf der oberen Ebene verwenden wir die geopotentielle Höhe anstelle der Isobaren. Diese Karten sehen etwas anders aus und Tief- und Hochpunkte werden durch Täler und Grate dargestellt.

Ein Tiefdruckgebiet steht im Zusammenhang mit Tiefdruckgebieten. Leser von Wetterkarten kennen das allgemeine Tiefdruckgebiet, das einen geschlossenen Kreis der Isobaren darstellt. Das Tiefdruckgebiet ist ein langgestreckter Bereich mit niedrigerem Luftdruck, ohne geschlossene isobare Drucklinie. Man kann es sich wie ein Tal vorstellen.

Das Bild oben stellt zwei Dinge dar:

Bild: Drucklinien kann man sich als Höhe auf einer Wanderkarte vorstellen. Wenn Sie auf der Troglinie Richtung Norden wandern, laufen Sie durch ein Tal und sind auf beiden Seiten von Gelände umgeben.

Ein Höhenrücken steht für Hochdruck. Er ist ein langgestreckter Bereich mit erhöhtem Luftdruck, ohne geschlossene isobare Drucklinie. Man kann ihn sich wie einen Hügel vorstellen.

Das Bild oben stellt zwei Dinge dar:

Bild: Wenn Sie auf dem Grat Richtung Süden wandern, steigen Sie auf einen Berg, der auf beiden Seiten von Klippen umgeben ist.

Wellentäler und -rücken entstehen nicht von selbst. Sie entstehen nebeneinander und verbinden sich irgendwie zu einem Wellenmuster.

Das Wellenmuster zeigt deutlich, dass sich Luft vermischt, wie bei den großen Ventilatoren, die wir in Teil I erwähnt haben.

Ein Grat ist mit warmer Luft, hohem Druck in der Höhe und einer stabileren Atmosphäre verbunden. Dies führt tendenziell zu trockenen, schönen Wetterbedingungen unter dem Grat.

Wie unten dargestellt, ist ein Trog mit kühlem und schlechtem Wetter und ein Grat mit warmem und mildem Wetter verbunden.

Tröge und Rücken treten sowohl an der Oberfläche als auch in der Höhe auf. Die Tröge und Rücken in der oberen Atmosphäre bestimmen die globalen Wettermuster, die wiederum das Geschehen am Boden beeinflussen.

Meteorologen sind wie Detektive (siehe die Fernsehserie „The Rookie“ 😀) und nutzen die Atmosphärenmitte (500 mbar, also etwa 5 Kilometer Höhe) als Ort, um Hinweise darauf zu finden, wo sich an der Oberfläche ein Sturm entwickeln wird. Stürme entstehen, wenn die Luft aufsteigt (siehe Unterrichtseinheit 3 ​​über Wolken). Daher sucht der Meteorologe auf der 500-mbar-Geopotentialkarte nach Gebieten, in denen die Luft aufsteigt. Man könnte sich fragen, wie eine Wetterkarte anzeigen kann, wo die Luft aufsteigt?

Aufsteigende Luft entsteht dort, wo Luft zusammenläuft. Dies geschieht, wenn sich die Luft auf der Nordhalbkugel gegen den Uhrzeigersinn dreht. Diese Drehung wird als positive Vortizität bezeichnet. Meteorologen müssen daher im Grunde nur nach Gebieten mit positiver Vortizität suchen, um zu wissen, wo sich Stürme entwickeln werden.

Weitere Informationen unter https://www.weather.gov/source/zhu/ZHU_Training_Page/Miscellaneous/vorticity/vorticity.html

Wirbelstärke entsteht aufgrund der drei aufgeführten Dinge:

Die obige Theorie ist komplex, lässt sich aber in einem einfachen Bild zusammenfassen. Der Bereich mit der höchsten positiven Wirbelstärke befindet sich vor dem Trog (blauer Bereich unten). Dies ist die Gefahrenzone und erfordert besondere Aufmerksamkeit. Die Rückseite des Trogs weist zwar eine geringere, aber weniger bedeutende Wirbelstärke auf (orangefarbener Bereich unten).

Unten sehen Sie das Beispiel eines realen Geopotentials von 500 mbar.

Wir haben unten auf derselben Karte die Bereiche vor dem Trog hinzugefügt, in denen Stürme/Tiefdruckgebiete entstehen werden.

Stürme entstehen dort, wo Luft aufsteigt, wie im obigen Abschnitt zu sehen ist.

Die Luft steigt bis zu einem bestimmten Punkt (obere Troposphäre in 10 Kilometern Höhe; eine undurchdringliche Wand). Die Luft muss entweichen/divergieren, damit der vertikale Aufstieg fortgesetzt und das Tiefdruckgebiet verstärkt werden kann. Daher sucht der Meteorologe/Ermittler in der oberen Atmosphäre (300 mbar / 9 Kilometer Höhe) nach Anzeichen divergierender Luft als ideale Bedingungen für die Verstärkung von Stürmen.

In den Jetstreaks weht der Wind mit über 200 Knoten besonders stark. Die Bereiche „Rechtseintritt“ und „Linksaustritt“ der Jetstreaks sind Bereiche, in denen die Höhenwinde divergieren und die Luft darunter aufsteigen kann. Diese beiden Bereiche sind unten rot markiert.

Weitere Informationen finden Sie unter: https://skepticalscience.com/print.php?n=1967

Wenn wir alles, was wir zuvor gesehen haben, zusammenfassen, können wir sehen, wie sich ein Tiefdruckgebiet zu einem mächtigen Sturm intensiviert: