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Einführung in die Meteorologie (met210) - Teil III: Thermodynamik und Wolken -. Clemens Simmer. III Thermodynamik und Wolken. Adiabatische Prozesse mit Kondensation Trocken- und Feuchtadiabaten Temperaturschichtung und Stabilität Auftrieb und Vertikalbewegung - PowerPoint PPT Presentation
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Clemens Simmer
Einführung in die Meteorologie (met210)
- Teil III: Thermodynamik und Wolken -
2
III Thermodynamik und Wolken1. Adiabatische Prozesse mit Kondensation
- Trocken- und Feuchtadiabaten
2. Temperaturschichtung und Stabilität- Auftrieb und Vertikalbewegung- Wolkenbildung und Temperaturprofil
3. Beispiele- Rauchfahnenformen- Wolkenentstehung- Struktur der atmosphärischen Grenzschicht
4. Thermodynamische Diagrammpapiere- Auswertehilfe für Vertikalsondierungen (Radiosonden)
5. Phänomene- Wolken- Nebel- Niederschlag
3
III.5.1 Wolken• Wolkenentstehung – makroskalig• Wolkenentstehung – mikroskalig
– Krümmungs- und Lösungseffekt beim Sättigungsdampfdruck– Aerosol und Wolkenbildung (Köhler-Kurve)
• Wolkenklassen
4
Wolkenentstehung - makroskalig• Voraussetzung: Wasserdampfübersättigung (e≥e*)
– Sättigungsdampfdruck hängt vom Radius der Tropfen und von den gelösten Stoffen ab (Köhler-Kurve).
– Sättigungsdampfdruck ist in Wasserwolken höher als in Eiswolken• Prozesse, die zur Übersättigung führen können:
– Abkühlung durch adiabatisches Aufsteigen (Konvektion, Überströmen von Hindernissen)
– Abkühlung durch Ausstrahlung (z. B. in der Nacht, Nebelbildung)– Vermischung von Luftmassen unterschiedlicher Feuchte und
Temperatur (Mischungsnebel)
5
Sättigungsdampfdruck des Wasserdampfes• Über einer ebenen Oberfläche reinen Wassers stellt sich ein nur
von der Temperatur abhängiger Dampfdruck des Wasserdampfes e* ein (Sättigungsdampfdruck, Clausius-Clapeyron-Gleichung (differentiell), Magnus-Formel (integral)).
• In diesem Zustand hält sich die Anzahl der Wassermoleküle, die pro Zeiteinheit die Oberfläche verlassen (verdunsten), die Waage mit denjenigen, die in die Oberfläche eindringen (kondensieren).
warme*e*(T)
T
flüssig
gasförmig
Über-sättigung
kalte*
6
Wolkenentstehung durch Vermischung (Mischungsnebel)
Temperatur
Dam
pfdr
uck
maximaler Dampfdruck e*(T)(= Sättigungsdampfdruckkurve)
Wasser istflüssig
Wasser istgasförmig
Bei der Mischung von zwei „trockenen“ Luftmassen kann
Übersättigung (Nebel, Wolken) entstehen
7
Sättigungsdampfdruck e*
• e* an der Tropfenober-fläche steigt mit der Krümmung.
• e* an der Tropfenoberfläche steigt mit der Reinheit.
• e* ist über Wasser größer als über Eis
e* e*<
< e*e*
e*<e*
nspannungOberfläche serflächeebenen Waseiner
dampfdruckSättigungs
12exp*
*
*
e
rTRee
www
Wasserbzw. Stoffgelöster Molzahlen
Faktor, Hofft van'
1)(**1
s,w
w
s
nf
nnfreinee
siehe Magnus-Formel
8
Wie (be)entsteht ein Wolkentropfen?• Im Gleichgewicht
(Tropfenradius bleibt konstant) gilt e=e*
• Ein Wolkentropfen wächst (verschwindet), wenn der Dampfdruck an der Oberfläche kleiner (größer) ist, als in der Luft.
• Unterschiedlich große Tropfen: → die großen Tropfen wachsen auf Kosten der kleinen Tropfen.
• Unterschiedlich verschmutzte Tropfen: → die schmutzigen Tropfen wachsen auf Kosten der sauberen Tropfen.
• Eis- und Wasserpartikel: → Eiskristalle wachsen auf Kosten der Tropfen.
e*
e
e* e*<
< e*e*
e*<e*
9
Köhlerkurve (a)• Wir betrachten ein Aerosolpartikel in einem Luftpaket.• Im Gleichgewicht mit der Umgebungsluft wird es soviel
Wasserdampf absorbieren (dabei geht das Aerosol in Lösung), bis der Sättigungsdampfdruck an der Oberfläche gleich dem Dampfdruck der Luft ist.
Es existieren also schon „Tropfen“ bei relativen Feuchten unter 100% bezogen auf eine ebene Oberfläche reinen Wassers (endlicher Radius, Dampfdruckerniedrigung durch gelöste Stoffe).
• Nimmt die Luftfeuchtigkeit zu, so wird mehr Wasserdampf absorbiert und das Aerosol quillt auf (Dunstentstehung).
• Wird das Luftpaket adiabatisch gehoben, so kühlt es ab und das Aerosolteilchen quillt weiter auf, weil die relative Feuchte zunimmt (sein Sättigungsdampfdruck nimmt schneller als der Dampfdruck der Umgebungsluft).
10
Köhlerkurve (b)
r
e/e*
1
e/e*(T,r)
e/e*(T,Konz.)
rA
• Bei löslichen Aerosolen existieren Tropfen auch unterhalb der Sättigung (bzgl. glatter Oberfläche reinen Wassers)
• Ab dem Aktivierungsradius überwiegt der Krümmungseffekt den Lösungseffekt.
• e/e* bei dem ein „dreckiges“ Teilchen mit Radius r im Gleichgewicht mit Umgebung ist.
• Es folgt: Aerosol (Dreck) ist notwendig zur
Tropfenbildung. Bis zur kritischen relativen Feuchte
(e/e*)krit gibt es nur Tropfen kleiner als der Aktivierungsradius rA.
• Tropfen größer als rA wachsen selb-ständig weiter. Dabei reduzieren sie e/e* und schneiden die kleineren Tropfen von der weiteren Entwicklung ab (da e/e*< (e/e*)krit.
(e/e*)krit
11
Köhlerkurve (c)• Der beschriebene Mechanismus funktioniert nur bei
identischen Aerosolpartikeln.• Bei unterschiedlichen Aerosolpartikeln bestimmen die
Aerosolteilchen, die zuerst aktiviert werden, die maximale Übersättigung (e/e*)krit . Sie schneiden andere Aerosole von der Wolkentropfenbildung ab.
• Steigt die Wolkenluft weiter auf, so nehmen die bereits bestehenden Wolkentropfen den kondensierenden Wasserdampf auf – es entstehen keine neuen Wolkentropfen.
• Die Aerosolverteilung bestimmt damit die Anzahldichte der Wolkentropfen – und damit bei gleichem Wasserdampfgehalt der Luft, die Tropfengröße.
12
Köhlerkurve (d)• Bei Reinluft (z.B. über Ozeanen) sind die Wolkentropfen
größer als in verschmutzter Luft.• Kleinere Wolkentropfen reflektieren (bei gleicher
Wassermenge) mehr Sonnenlicht als größere Wolkentropfen (1. indirekter Aerosoleffekt)
• Größere Wolkentropfen führen eher zur Niederschlagsbildung (d.h. Wolken mit größeren Tropfen leben kürzer (2. indirekter Aerosoleffekt)
• Der Einfluss des Aerosols auf die Wolkenbildung ist derzeit eines der am meisten kontrovers diskutierten Probleme der Meteorologie.
13
Wolkenklassen• Einteilungsmöglichkeiten
– 3(4) Merkmale– 3 Stockwerke– 10 Gattungen– 14 Arten– 9 Unterarten– Sonderformen– Bildungsgeschichte
überlappend
nähere Bezeichnungen zu Gattungen
14
Merkmale• st: Stratus (Schichtwolken)• cu: Cumulus (Haufenwolken)• sc: Stratocumulus (Schichtwolken mit wesentlichen
Helligkeitsunterschieden)• (ci: Cirrus (Eiswolken))
15
Stockwerke
km polare Breiten
mittlere Breiten
Tropen
hoch 3 - 8 5 - 13 6 - 18
mittel-hoch 2 - 4 2 - 7 2 - 8
niedrig 0 - 2 0 - 2 0 - 2
16
Gattungen
st Stratuscu Cumulussc Stratocumuluscb Cumulonimbusac Altocumulus
as Altostratusns Nimbostratusci Cirruscs Cirrostratuscc Cirrocumulus
17
Stockwerke, Merkmale, Gattungen und Zusammensetzung
hoch
mittel-hoch
niedrig
Stratus Stratocumulus Cumulus
cs cc ci
ns as ac
cu cbscst
nicht unterkühltes Wasserunterkühltes WasserHagel und GraupelSchneesterneEisnadelnGriesel
18
Arten (Gestalt)fibratus (fib) = faseriguncinus (unc) = hakenförmigcastellanus (cas) = türmchenf.humilis (hum) = niedrigmediocris (med) = mittelmäßigcongestus (con) = angehäuftlenticularis (len) = linsenförmig
…
19
Unterarten (Anordung, Durchlässigkeit)undulatus (un) = wogenförmigtranslucidus (tr) = durchscheinendopacus (op) = dichtvertebratus (ve) = gegliedertlacunosus (la) = lückenhaftintortus (in) = gedreht…
20
Sonderformen und Begleitwolkenpileus (pil) = mit Kappevirga (vir) = mit Fallstreifen…
21
Bildungsgeschichtecirrocumulogenitusccgen gebildet aus noch bestehenden cc
acgen etc.
stratocumulomutatus scmut umgewandelt aus nicht mehr bestehenden sc
acmut etc.
22
FlüssigwassergehalteLiquid Water Content (LWC)
Wolkenart LWC, g/m-3
cbcu
Ambosscirrusci
as/acst/sc
1,51,0
0,0350,02 q*ρ0,01 q*ρ
0,05-0,20 (breitenabhängig)
aus Vorgaben in einem Wettervorhersagemodell
23
Übungen zu III.5.11. Bei welcher relativer Feuchte (bzgl. einer ebenen
Wasseroberfläche) können bei -20°C, -30°C und -40°C Eiswolken existieren? Vernachlässige dabei die Effekte durch Krümmung und Lösung.
2. Zeichne schematisch im Vergleich Köhlerkurven für ein gut lösliches und ein weniger gut lösliches Aerosol gleicher Stoffmenge (gleiche Molzahlen). Ein gut lösliches Aerosol hat einen höheren Van‘t Hoff Faktor als ein schlechter lösliches Aerosol.
24
III.5.2 Nebel• =Wolken in Bodennähe mit Sichtweiten < 1 km• Tropfendurchmesser 10 – 20 µm• bei 100 m Sichtweite lWC=0,1 – 0,2 g/m-3
• Nebel ≠ Wolke, da der Boden eine wichtige Rolle bei der Nebelentstehung spielt
• Entstehungsursachen:– A: Abkühlung– B: Wasserdampfanreicherung– C: Vermischung– D: Advektion
25
Haushaltsgleichung für Taupunktdifferenz (siehe Kraus)
zWqvp
dtdp
zH
zQ
cTv
tT
p 1
622011
,)(
Warm/Kaltluftadvektion Strahlungsdivergenz turb. vert. fühl. Wärmeflussdivergenz Auf/Absteigen Feuchteadvektion turbul. vertikaler Wasserdampffluss
Nebelbildung ist ein extrem komplexer Prozess, der zu seiner Prognose die genaue Erfassung und Modellierung der Wechselwirkungsprozesse zwischen Landoberfläche und unterer Atmosphäre erfordert (siehe Arbeiten AG Bott)
Achtung: α ist dabei die Steigung der Sättigungsdampfdruckkurve de*/dT
26
A: Abkühlung• Bodennebel• Talnebel• Hochnebel• Warmluftnebel• Bergnebel
27
Bodennebel
z
(3) (2) (1)
H
H
H
H
θ
• Negative Strahlungsbilanz am Boden kühlt untere Luftschicht ab.
• Der H-Fluss ist dann auch nach unten gerichtet; die Divergenz von H führt zur Abkühlung der ganzen unteren Schicht und damit zur Nebelbildung.
• Ist der Nebel dicht, so verschwindet die H-Flussdivergenz (Strahlungsabkühlung am Boden wird gestoppt), doch am Nebeloberrand herrscht weiterhin eine negative Strahlungsbilanz und kann über die Nacht zu weiterer vertikaler Ausdehnung führen.
28
Nebel
Talnebel
• Negative Strahlungsbilanz der Hänge (exponierter im Vergleich zu Talsole) führt zur Abkühlung und Abfluss ins Tal (mit weiterer Abkühlung).
• Aufwölbung durch Hangwindsystem
29
Hochnebel
• …ist kein Nebel, sondern eine nach unten gewachsene st oder sc-Decke am Oberrand der Grenzschicht.
• Dort ist die Wolke entstanden durch Strahlungsabkühlung und/oder vertikale Durchmischung innerhalb der Grenzschicht verbunden mit unterbundener Durchmischung durch die Grenzschichtinversion.
Absinkentrockener Luft Freie A tm osphäre
(fast ke ine Turbulenz)
Invers ions-Sch ich t
W olken-Sch.gu t du rchm ischte Sch.St oder Sc
tu rbulente F lüsseH (z) und E (z)
R eibung
M ischenKaltlu ft-A dvektion
Entra inm entm it V erdam pfenvon W olkentröpfchen
(starke Turbu lenz)
qProzesse Schichten
z
w olkenfre ie S chicht
- Q / z
Profileq
30
Warmluftnebel
• Warme, feuchte Luft strömt über kalten Untergrund.– Bodenwärmestrom kühlt die untere Luftschicht ab– analog: warme, feuchte Meeresluft strömt über kaltes Festland – analog: warme, feuchte Golfstromluft strömt über kalten
Neufundlandstrom
31
Bergnebel=orographische Wolken durch Überströmen
32
B: Wasserdampfanreicherung• Dampfnebel (Verdunstung vom Boden bei vermindertem Abtransport nach
oben)– „Rauchen“ von Flüssen und Seen im Herbst– „Rauchen“ von Wäldern nach Niederschlag
• Warmfrontnebel– zurückhängende Kaltluftschleppe
wird mit Niederschlag aus der Warmfront mit Wasserdampf angereichert
>
>>
<
<
<
N s
As
C s
C i
W arm
K altluft-S ch leppe
K alt
z
33
C: Mischungsnebel
(q ,T )
(q ,T )
m
T T T T1 m 2
m
K K
q
q
q
2
m
1
q D am pfspannungkurve
an Fronten
34
Advektionsnebel• bereits gebildeter Nebel (über Wiesen, Mooren, Seen,
kalten Meeresströmungen…) wird durch leichten Wind mit der Luftmasse verfrachtet
35
III.5.3 Niederschlag1. Fallender Niederschlag (Kondensation in der Atmosphäre)
– Niederschlagsbildung• warmer Regenprozess• Bergeron-Findeisenprozess (Mischphase)
– Niederschlagsverteilung– Extreme Niederschläge
2. Aufgewirbelter Niederschlag (kein Phasenübergang)3. Abgesetzter Niederschlag (Kondensation am Boden)
36
III.5.3.1 Fallender Niederschlag – Niederschlagsbildung -• Tropfenwachstum durch Kondensation ist viel zu langsam, um in
Minuten Regentropfen bilden zu können.• Wachstum durch Tropfenkollision alleine vermag in mittleren Breiten
nur Niesel zu erzeugen (warmer Regen).• In mittleren Breiten geht die Niederschlagsbildung daher immer über
die Eisphase (Bergeron-Findeisen-Prozess).
37
Auftrieb Verdunstung
CCN-Aktivierung
Kondensationskerne
Kal
te W
olke
nW
arm
e W
olke
nKollision-Koaleszenz
HeterogeneNukleation
BergeronProzess
Wasserdampf-Deposition
Homogenegefrierende Nukleation
Aggregation
Reif-Absatz
Schmelzen
KontinuierlicheKollektionZerfall
SekundäresEis
Kalt-Nieder-schlag-Prozess
Warm-Niederschlag-
Prozess
Niederschlag
Kondensation
Niederschlagsprozess
38
Tropfengrößen und Formen
Große RegentropfenR ~ 3 mm
v ~ 10 m/s
Kleine Regentropfen
R ~ 1 mmv ~ 7 m/s
NieseltropfenR ~ 100 μmv ~ 70 cm/s
WolkentropfenR ~ 10 μmv ~ 1 cm/s
DunsttropfenR ~ 1 μmv ~ 0.1 mm/s
Kondensations-kerneR ~ 0.1 μmv ~ 2 μm /s
fallende Tropfen
Tropfenspektrum
39
Ausfluss
Mikrophysik warmer Wolken
Mikrophysik kalter Wolken
Niederschlag
Einfluss
AerosoleSpurengase
Niederschlag,das Ergebnis einer Kette dynamischer
und mikrophysikalische(Zufalls-)prozesse
40
Wasserdampf
Wolken-Wasser Wolkeneis
Schnee
Regen Graupel/Hagel
Niederschlag am Boden
Niederschlagsprozessin Wettervorhersagemodellen
41
RegenSchneeSchneeregenunterkühlter Regen EiskörnerSchneegrieselEisnadelnHagelHagelschauerFrostgraupelFrostgraupelschauerReifgraupelReifgraupelschauer
Niederschlagsarten
Mischwolkenohne
Vertikalbewegung
Mischwolkenmit
Vertikalbewegung (mehrfaches Gefrieren und Schmelzen möglich)
42
Niederschlagsmessung• direkte Niederschlagsmessung• Fernerkundung des Niederschlags vom Boden (Radar)• Satellitenfernerkundung
43
Hollanda: 400 cm²h: 40 cm
Belgiena: 100 cm²h: 35cm
Englanda: 127 cm²h: 46 cm
Englanda: 127 cm²h: 69 cm
Portugala: 200 cm²h: 43 cm
Schwedena: 200 cm²h: 35 cm
Hollanda: 200 cm²h: 29 cm
Rußlanda: 200 cm²h: 40 cm
Islanda: 200 cm²h: 56 cm
Norwegena: 225 cm²h: 25 cm
a: Auffangfläche, h: Höhe der Auffangfläche
Beispiele für in Europa benutzten Niederschlagsmesser
44
Konventionelle Messungen
Fehlerquellen:
Anzahl der Stationen pro 1° x 1°; insgesamt ca. 30 000 Stationen
Niederschlagsmessnetz 2002
GPCC = Global Precipitation Climatology Center (DWD, Offenbach)
45
In situ beobachteter Niederschlagmittlerer Jahresniederschlag 1961-1990
mm/Monat
Quelle: Global Precipitation Climatology Center, DWD, Offenbach Räumliche Auflösung: 1° x 1°
46
Niederschlagsradar• Aufbau eines Niederschlagsradars• Z-R-Beziehung• Radaraneichung
47
Aufbau eines Radarsystems
Sender
steuert Zeitpunkt des Aussendens- Pulslänge τ (0.1-10μs) - Pulswiederholungs-
frequenz PRF (100-3000 Hz)
Modulator
Hohlleiter- rechteckiges Rohr zur verlustarmen Wellenleitung- Dämpfung muss gemessen werden
Empfänger
Transmit/Receive Schalterschützt den Empfänger vor hohen Leistungen, schnelles, zuverlässiges Schalten!
T/R Limiter
legt Sende- bzw. Empfangs-charakteristik fest
i
ie
or DVr
KhGPP 6
22
2223 12ln1024
48
3D Radarinformation
49
Bonner X-Band RadarMessungen mit 50 km und 100 km
Radius um Bonn im 5-Minuten-Zyklus
Erkennbar sind - Dämpfungseffekte- Abschattungen- Bodenechos- Reflexionen
Online-Zugriff überwww.radar-bonn.dewww.bonn-radar.de(3500 Internet-Zugriffe pro Tag)
Radarbilder für Mobiltelefone
www.meteo.uni-bonn.de/forschung/gruppen/radar/radar.xhtml
Radarprozessor von GAMIC, Aachen
50
Z-R Beziehung
Radarreflektivitätsfaktor Z [mm6/m3]
dDDDNV
D
e
ii
0
6
6
)(
Z-R wird meist empirisch aus der Korrelation zwischen Reflektivität und Regenrate bestimmt:
bARZ Nach Marshall-Palmer (ca. 1950) ist A=200 und b=1.6 (immer noch am häufigsten verwendet)
Es gibt allerdings mehr als 100 (1973 waren es ~60) verschiedene experim. bestimmte Z-R Beziehungen (meist auf Situation bezogen).
Regenintensität R dDDDN
0
5,3)(
51
Dynamik der Z-R-Beziehung
gemessene Tropfenspektren am
Boden (Symbole)im Vergleich zum Modell
(Linien)
1 mm/h 10 mm/h 100 mm/h
52
Z der Radarmessung und Niederschlag am Boden
Die mit der Höhe varierende Hydrometeorverteilung stellt einen der größten Fehler in der Radarmessung dar!
53
DWD-RADOLAN-Produkt
54
Wettersatelliten
55
Strahlungscharakteristik des Niederschlags
Quelle: Encyclopediea of Atmospheric Science, 2002, S. 1973
56
Winter (DJF) 1987-1998
Sommer (JJA) 1987-1998
Mittlere Verdunstungin mm/Tag
abgleitet aus AVHRR- und SSM/I-Daten
Mittlerer Niederschlagin mm/Tag
Quelle: J. Schulz
Satellitenbeobachtungen
57
1 10 100 1000 10000 100000 1000000Z eitin te rva ll in m in
100
1000
10000
30
50
200300
500
20003000
5000
2000030000
50000
Nie
ders
chla
gs-S
umm
e in
mm
1 h 1 d 1 M onat 1 a
C herrapunji-W erte
Füssen
58
III.5.3.2 Aufgewirbelter NiederschlagSchneefegen Windverfrachtung unterhalb der AugenhöheSchneetreiben Windverfrachtung auch oberhalb der AugenhöheGischt aufgewirbeltes Wasser über Wasseroberflächen
59
III.5.3.3 Abgesetzter Niederschlag (1)• Bildung am Boden (Tau, Reif)
Q+LE+H+B=0 LE wird abgeführt durch neg. Q B H
Kondensation Strahlungstau Advektionstau nicht möglich weißer Tau (warme und da TB < TL
feuchte Luft üb. k. Boden)Sublimation Strahlungsreif Advektionsreif Rauhreif
• Bildung in der Atmosphäre– abgesetzte Nebeltropfen d.h. ohne Phasenumw. bei Bildung– Glatteis d.h. mit Phasenumw. bei Bildung (Gefrierwärme geht in B)
60
weißer Tau und Reif
61
Rauhreifbildung1. Luft ist nahezu gesättigt bzgl. Wasser2. Wasserdampf sublimiert als Eis an
der Oberfläche3. Latente Wärme (Sublimationswärme)
wird als fühlbare Wärme an die Luft abgeführt
LE
H
TL
eL
TB eBVoraussetzung:
eB = e*E(TB) < eL
undTB > TL
TL < TB 0°C
e*
e*w
e*weL > e*B
62
Rauhreifbildung
** )(,wBE
p
ELLBL eTe
pcLTTLEH
6220
Maximaler Eisansatz, wenn TB-TL maximal
TL -20°C -18 -15 -12 -8 -4TB-TL 0,33°C 0,35 0,36 0,35 0,30 0,18
Maximaler Eisansatz an Spitzen wegen
dv
L 3
63
III.5.3.3 Abgesetzter Niederschlag (2)• Mischformen
– Rauhfrost wie Rauhreif, zus. Absetzen von Hydrometeoren aus der Luft (flüssig, fest), Sublimation
überwiegt
– Rauheis wie rauhfrost, Absetzen von Hydrometeoren aus der Luft überwiegt
– Klareis wie Rauheis, doch bei Temperaturen um 0°C, Schmelzen und Gefriern erzeugen
kompaktes Eis
64
Übungen zu III.5.31. Was ist das Hauptproblem bei der quantitativen
Niederschlagsbestimmung mittels Radar (3 Sätze)?2. Beschreibe den Weg eines Aerosolteilchen von seiner
Entstehung bis es als Kondensationskern eines Regetropfens zu Boden fällt (1/2 Seite).
3. Warum ist bei der Rauhreifbildung ein leichter Wind notwendig?
4. Schätze ab, wieviel Eis bei -8°C einem Wind von 1 m/s in einer Stunde an einer Spitze von ca. 1 mm Durchmesser abgesetzt werden kann.