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16. Übung: Gewitterindizes & potenzielle Labilität

Gewitterindizes/Stabilitätsindizes

Die sog. Gewitter- oder Stabilitätindizes werden genutzt das Auftreten von hochreichender Konvektion abzuschätzen. Darüber hinaus kann eingeschätzt werden ob sich Schauer oder Gewittern entwickeln.Gewitterindizes machen sich folgende Tatsachen zur Nutze: Hochreichende Konvektion entsteht dann wenn hohe

Temperaturunterschiede zwischen der unteren und mittleren Troposphäre auftreten.

Ist in der unteren Troposphäre viel Feuchte enthalten werden Schauer und Gewitter wahrscheinlicher.

Folgende Niveaus werden verwendet: 1000, 850, 700 & 500 hPaFolgende atmosphärische Variablen werden angewendet: Temperatur Taupunkt Pseudopotentielle Temperatur

Der sog. Konvektionsindex (K-Index) dient zur Einschätzung der Wahrscheinlichkeit auftretender Gewitter. Er wird folgendermaßen mit der Hilfe von Temperaturen und Taupunktwerten verschiedener Niveaus berechnet:

K-Index = T(850 hPa) – T (500 hPa) + Td(850 hPa) – [T(700 hPa) – Td(700 hPa)]

Dann lassen sich für den TT-Index folgende Aussagen treffen:

K-Index

K-Index Wahrscheinliche Witterung< 15 Keine Schauer und Gewitter< 20 Keine Gewitter21-25 Schauer möglich (20-40% Wahrscheinlichkeit)26-35 Schauer möglich (40-60%)36-40 Zahlreiche Schauer und Gewitter (> 80% Wahrscheinlichkeit)> 40 Zahlreiche Schauer und zum Teil schwere Gewitter

wahrscheinlich (> 90%)

Etwas einfacher als der K-Index ist der Totals-Totals-Index (TT-Index) definiert:

TT-Index = T(850 hPa) + Td(850 hPa) – 2 T(500 hPa)

Dann lassen sich für den TT-Index folgende Aussagen treffen:

TT-Index

TT-Index Wahrscheinliche Witterung<46 Keine Gewitter46-53 Gewitter sind vereinzelt möglich53-55 lokal auftretende Gewitter> 55 Zahlreiche Gewitter

Der S-Index ist folgendermaßen definiert:

S-Index = 2 [T(850 hPa) – T(500 hPa)] – [T(850 hPa) – Td(850 hPa)]

– [T(700 hPa) – Td(700 hPa)] - x

Dabei gilt für x:

Dann gilt für den S-Index Folgendes:

S-Index

x Wert für [T(850 hPa) – T(500 hPa)]0 252 23-246 22

S-Index Wahrscheinliche Witterung46 Zahlreiche Gewitter40-45 Gewitter sind vereinzelt möglich< 40 Keine auftretenden Gewitter

Der Konvektiv-Index (KO-Index) wird genutzt, um die konvektive Instabilität einer Luftmasse zu identifizieren. Er repräsentiert in etwa den mittleren vertikalen Gradienten der pseudopotenziellen Temperatur. Die Definition des KO-Index lautet:

KO-Index = 0,5 [qe(700 hPa) + qe(500 hPa)]– 0,5

[qe(1000 hPa + qe(850 hPa)]oder falls wegen der Stationshöhe keine Werte auf 1000 hPa vorhanden sind:

KO-Index = 0,5 [qe(700 hPa) + qe(500 hPa)] – qe(850 hPa)

KO-Index

KO-Index Wahrscheinliche Witterung< 2 Labile atmosphärische Verhältnisse; zahlreiche Gewitter3-5 Indifferent; Gewitter können durch Hebung ausgelöst werden> 6 Stabile Wetterverhältnisse; keine Gewitter

• Statische Stabilität, potenzielle Labilität

Was ist die potenzielle oder konvektive Labilität(engl.: „potential/convective lability“)?

Durch Hebung ganzer Luftschichten oder horizontaler Konvergenz kann eine ursprünglich stabile Schichtung in eine feuchtlabile Schichtung umgewandelt werden. In jedem Fall tritt eine Destabilisierung der atmosphärischen Schichtung ein.

Tritt keine Sättigung ein und wird ein Luftpaket gehoben, so dehnt es sich aus. Die obere Schichtgrenze verlagert sich stärker nach oben, als die untere (z‘ > z). Grund:

z. B. vertikale Hebung um 10 hPa, dann gilt:190/200: lnp = 0,05490/500: lnp = 0,02

Die Folge ist eine leichte Destabilisierung. Falls horizontale Konvergenz das vertikale Strecken verstärkt würde sich die Tendenz zur Destabi-lisierung verstärken.

Quelle: Iribane und Cho (1980), Fig. IV-10

Bd=TrockenadiabateBd=FeuchtadiabteA,B, b: Profil vor der HebungA,B, b: Profil nach der Hebung

pdgTRdz vL ln


Bei potenzieller oder konvektiver Labilität ist die untere Schichtgrenze näher an der Sättigung bzw. erreicht früher ihr Hebungskondensationsniveau als die obere Schichtgrenze. Dies ist häufig der Fall, da der Boden die Quelle der Feuchte darstellt.

Falls Hebungsprozesse einsetzen reduziert sich dadurch die Temperatur der oberen Schichtgrenze stärker als die der unteren. Somit nimmt die atmosphärische Stabilität ab. Die Stabilität der Schicht wird feuchtlabil oder kann sogar absolut labil werden.





Bei potenzieller oder konvektiver Stabilität ist es genau umgekehrt: An der unteren Schichtgrenze ist im Vergleich zur oberen deutlich trockener. Im gezeigten Beispiel erzeugt die Hebung eine Inversion.



Was ist der Unterschied zwischen bedingter und potenzieller/konvektiver Labilität? Bedingte Labilität: Die Atmosphäre ist labil unter der Bedingung („bedingt“) von Sättigung. Eine Schicht oberhalb des KKN kann an einem Strahlungstag nach Erreichen der Auslösetemperatur gesättigt werden. Potenzielle Labilität: Eine stabile Schicht in der Atmosphäre kann durch Hebung bzw. Konvergenz (d.h. Streckung der Luftsäule) in eine bedingt labile oder sogar absolut labile Schicht umgewandelt werden. Potenzielle Labilität wird an Fronten oder durch eine bodennahe Konvergenzzone ausgelöst.

• Statische Stabilität, bedingte und potenzielle Labilität

• Profile potenzieller Temperaturen

Die pseudopotenzielle Temperatur (qe) des pseudoadiabatisch aufsteigenden Luftpakets bleibt während des Aufstiegs erhalten. Ein Test auf Auftrieb durch Vergleich mit qe der Umgebung reicht nicht, da qe stark vom aktuellen Mischungsverhältnis (m) abhängt. qe der Umgebungsluft kann daher stark abnehmen, nur weil eine sehr trockene Schicht folgt (z. B. über einer Inversion). Diese Abnahme geht nicht auf eine Dichteänderung zurück. Quelle: Holton (1992), Fig. 9.10

LZB

LFC


Quelle: Holton (1992), Fig. 9.10

LZB

LFC

Auf-trieb

Ein hinreichendes Kriterium für Auftrieb ist:

In der Abbildung steigt ein Luftpaket vom Boden mit dem Bodenwert eines TEMPS von qe

auf. Dieser Wert bleibt erhalten (vertikale gestrichelte Linie). Im ersten Schnittpunkt mit qe der Umgebung liegt das LFC, im zweiten Schnittpunkt das LZB.

Bem.: Bei einer labil geschichteten Atmosphäre liegt das LFC tiefer.

*

qe Luftpaket (z) > qe (z)*



LZB

LFC

Auf-trieb

Die vertikale Änderung der pseudopotenziellen Temperatur kann als Indikator für potenzielle Instabilität verwendet werden:

Diese Bedingung zeigt an, dass eine höher gelegene Schicht trockener ist. Durch Hebung bzw. Konvergenz kann sie labilisiert werden. Dies geschieht umso leichter, je näher die Schicht an der Sättigung ist.

potenziell labil

• Profile potentieller Temperaturen

Die Vertikalprofile der potenziellen, pseudopotenziellen und der pseudopotenziellen Temperatur bei Sättigung erlauben leicht das Aufspüren trockenlabiler, potenziell labiler und feuchtlabiler Schichten.

Im gezeigten Beispiel zeigt sich eine absolut stabile, bis 650 hPa potentiell labile und bis 550 hPa feuchtlabile (in diesem Fall sogar bedingt labil, weil trockenstabil) Schichtung.


LZB

LFC

*

*und

• Statische Stabilität, potenzielle Temperaturen

Beachte:• Bei der vertikalen Ableitung nach p drehen sich die Vorzeichen in der

dritten Spalte um• Absolute Labilität (überadiabatische Schichten) kommen nur kurzzeitig

in Bodennähe bei sommerlichen Strahlungstagen vor

potenzielle Temperatur

q absolut labil

- Erhalten bei Aufstieg ohne Kondensation

pseudopotenzielle Temperatur

qe potenziell labil

- Auslösung durch Hebung einer Schicht- Erhalten bei pseudopotenziellem Aufstieg

pseudopotenzielle Temperatur bei Sättigung

qe feuchtlabil

bedingt labil

- Erhalten beim Aufstieg in einer Wolke bzw. in einer gesättigten Atmosphäre

„wet-bulb potential temperature“

qw feuchtlabil - Erhalten in gesättigten Auf- und Abwindschläuchen

Übungsaufgaben:

• Training bzgl. des Alphabets der Wetterbesprechung

• Abgabe: Donnerstag, 17. Dezember 2015

Wetterlage vom 20. Januar 2014

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