(22) Globale Zirkulation

Meteorologie und Klimaphysik

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Thermisch Hochs und Tiefs

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Wir betrachten nun Ursachen für Druck-Unterschiede – hier die Bildung eines thermischen Tiefdruckgebietes: Schnellere Erwärmung über Land – Ausdehnung – Isobarenflächen wölben sich nach oben (b). Druck am Boden ändert sich zuerst noch nicht, aber Bildung eines Höhen-Hochs: Luft strömt zu den kalten Seiten, jetzt lastet über der warmen Fläche eine geringere Luftmasse (c): Ein Tiefdruckgebiet entsteht (Th. Rubitzko, SdW 9/2012).

Land- und Seewind

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Auf kleinräumiger Skala bildet sich dadurch an Küsten (bei großräumig ausgeglichenem Druck) im Tagesverlauf ein typisches Land- Seewind System aus (http://www.diplomet.info). Ähnlich entstehen Hangwind und Talwind. Im Jahresverlauf haben wir damit auch schon die Haupt-Zutat für die – im Jahresrhythmus wechselnde Monsunzirkulation: Im Sommer kann sich die Landfläche stärker aufheizen – es bildet sich ein Hitze-Tief, im Winter entsteht dagegen ein Kälte-Hoch.

Monsun

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Aufgrund der gewaltigen Landmasse Asiens ist die Monsun-Zirkulation hier besonders stark ausgeprägt (Bild: Klett-Verlag; vgl. Kapitel Niederschlag). Auf dieser Skala wirkt sich auch die Coriolis-Kraft aus, für die konkrete Aus-prägung sind auch Faktoren wie die Schnee-Bedeckung in Tibet wichtig.

Einstrahlungs-Unterschied

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Auf globaler Skala sind die Unterschiede der Strahlungsbilanz in hohen und niedrigen Breiten maßgebend (Bild: W&K, H. Frater). Auf einer nicht-rotierenden Erde würde sich dadurch auf jeder Halbkugel eine gewaltige Zirkulationszelle (Hadley-Zelle) ausbilden.

Globale Zirkulation

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Auf der (real) rotierenden Erde (Bilder: W&K, H. Frater) verhindert die Coriolis-Kraft den direkten Druck-Ausgleich, es bilden sich je Halbkugel drei Zirkulationszellen aus: Hadley-Zelle und Polar-Zelle sind thermisch-direkt, die dazwischen liegend Ferrel-Zelle ist thermisch-indirekt.

Dynamische Druckgebilde

Das größtenteils unbeständige Wetter in den mittleren Breiten verdanken wir wandernden, dynamischen Hoch- und Tiefdruckgebieten. Diese bilden sich an der Polarfront, an der warme und kalte Luftmassen aufeinander prallen.

Die Coriolis-Kraft verhindert den dauerhaften Druck-Ausgleich zw. dem Höhen-Hoch über dem Äquator und dem Höhen-Tief über dem Pol, dadurch bildet sich in der Höhe ein geostrophischer (isobaren-paralleler) Westwind – der Polarfront-Jetstream.

Das Druck-Gefälle ist so stark, dass die Strömung (mit gelegentlich über 500 km/h) instabil wird, und Mäander ausbildet – Planetarische Wellen (beeinflusst durch die Orographie und die Land-Meer-Verteilung).

Meteo 382

Dynamische Druckgebilde

Durch Trägheitseffekte (Luft strömt mit hoher Geschwindigkeit in ein Gebiet mit geringen Druckunterschieden) überwiegt an gewissen Stellen die Corioliskraft die Gradientkraft so stark, dass die Luft vom niedrigen zum hohen Druck strömt. So entsteht ein Tiefdruckgebiet mit niedrigem Druck am Boden und in der Höhe. [In geraden Jahren (z.B. 2014) erhalten Tiefdruckgebiete weibliche, Hochdruckgebiete männliche Namen – in ungeraden ist es umgekehrt.]

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Wenn die planetarischen Wellen große Amplituden haben, sind sie oft annähernd ortsfest – Blocking – in manchen Regionen dringt arktische Luft weit nach Süden vor – und bringt z.B. im Jan. 2014 die Niagara Fälle zum Frieren (Reuters) – in anderen Regionen (z.B. Mitteleuropa ist es dafür ungewöhnlich warm).

Die so nördlich der Höhenströmung entstandenen Tiefdruckgebiete haben einen kalten Kern und driften verhältnismäßig langsam mit etwa 1000 Kilometern pro Tag von West nach Ost. Die Driftgeschwindigkeit ist abhängig von der Wellenzahl der Planetarischen Wellen (Rossby-Wellen).

Am Boden erfolgt die Strömung spiralförmig nach innen mit Bewegung gegen den Uhrzeigersinn. In einem Tiefdruckgebiet mischen sich dabei die warmen und kalten Luftmassen, treffen an Fronten aufeinander, und schieben sich dabei übereinander. An der Warmfront (rote Halbkreise) schiebt sich warme Luft über kalte, an der Kaltfront (blaue Dreiecke) wird kalte Luft unter die warme gepresst.

TT T

Dynamisches Tief

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Warmfront

An der Warmfront (Blick von Norden, wikimedia) gleitet warme Luft langsam über die kältere und dadurch dichtere. Durch die Hebung kommt es zu Kondensation und Wolkenbildung. Typische Abfolge: Cirrus, Cirrostratus, Altostratus und schließlich Nimbostratus mit ergiebigem Niederschlag. Am Boden beobachtet man Druckabnahme und Temperaturzunahme.

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Kaltfront

An der Kaltfront (Blickrichtung von Norden, wikimedia) schiebt sich kalte, dichte Luft unter die warme. Dadurch wird diese abrupt angehoben, kühlt rasch ab, und es bilden sich Haufenwolken. Typisch sind Cumulonimbus Wolken, verbunden mit Frontgewittern. Am Boden beobachtet man Druckzunahme und einen Temperatursturz.

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Kaltfront

Kaltfront im Satellitenbild. Bildquelle: NOAA. Im Bereich hinter der Kaltfront ist die Luft klar (und kalt), mit guter Fernsicht und aufgelockerter Bewölkung.

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Ende der Vorlesung

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C. Gutierrez