Vergleiche zwischen Okklusionen in Norwegerzyklonen und … · 2019. 11. 20. · F ur die Fallstudien werden je f unf Okklusionen von Norwegerzyklonen und f unf Seklusio-nen von Hammerkopfzyklonen

Vergleiche zwischenOkklusionen in Norwegerzyklonen

und Seklusionen inHammerkopfzyklonen

Diplomarbeit

in Meteorologie

Eingereicht am

INSTITUT FUR METEOROLOGIE UNDGEOPHYSIK

an der

UNIVERSITAT INNSBRUCK

zur Erlangung des Titels

MAGISTER DER NATURWISSENSCHAFTEN

vorgelegt von

MICHAEL BACKMANN

Betreuer

Dr. Georg Mayr

Innsbruck, Marz 2012

”Alles Wissen und alles Vermehren unseres Wissens endet nicht mit

einem Schlusspunkt, sondern mit einem Fragezeichen.“

Hermann Hesse (1877-1962)

i

ii

Abstract

There are two prototypes of cyclone evolution, the Norwegian Cyclone Model and the

Shapiro-Keyser Cyclone Model. In this thesis, ten occlusions and seclusions over the North

Atlantic are compared using ECMWF analysis data to depict their similarities and diffe-

rences.

South of the triple point, the air mass ahead of the warm front was colder and more

stable than the air mass behind the cold front, probably because all cyclones have warm

occlusions/seclusions. In three out of these ten cases, the cold front tilted forward. The

occlusions and seclusions had a steep slope from 1:20 to 1:100, which is steeper than for

fronts. Presumably, the steep slope arises merging of the cold and warm fronts, of oppo-

site slope directions. Near the triple point, the two prototypes differ. The cold fronts in

the Shapiro-Keyser Cyclones fractured. Cold fronts of seclusions were weaker than warm

fronts. In contrast, cold fronts from Norwegian Cyclones had a stronger horizontal poten-

tial temperature gradient.

The cross sections through the occlusions and seclusions demonstrate that there are the

same air masses ahead of an behind them. This implies, that in both occlusions and seclu-

sions air masses are rotating arround the low pressure center, therefore they have analog

dynamic structures.

One cyclone was observed, which had features of both cyclone models.

iii

iv

Zusammenfassung

Es gibt zwei Prototypen der Zyklonenentwicklung, das Norwegerzyklonenmodell und das

Hammerkopfzyklonenmodell. In dieser Arbeit wurden anhand von Fallstudien zehn Ok-

klusionen und Seklusionen uber dem Nordatlantik ausgewahlt und mithilfe von ECMWF-

Analysedaten auf Gemeinsamkeiten und Unterschiede untersucht.

Bevor die Fronten aufeinander trafen, war in allen Zyklonen die Luftmasse vor der Warm-

front kalter und stabiler als die Luftmasse hinter der Kaltfront, was vermutlich auf ih-

ren einheitlichen Warmfrontcharakter zuruckzufuhren ist. In drei von zehn Fallen traten

vorwarts geneigte Kaltfronten auf. Die Okklusionen und Seklusionen hatten eine steile Nei-

gung, ca. 1:20 bis 1:100. Die Steilheit erhalten okkludierten Fronten vermutlich von den in

entgegengesetzten Richtungen liegenden Neigungen der Kalt- bzw. Warmfront, die sich zur

Okklusion kombinieren. Im Bereich des Okklusions- bzw. Seklusionspunktes traten erste

Unterschiede auf. Da es in einer Seklusion zu einem sogenannten Frontenbruch kommt,

waren Kaltfronten in Seklusionen schwacher ausgepragt als deren zugehorigen Warm-

fronten. Im Gegensatz dazu besaßen Kaltfronten von Norwegerzyklonen einen starkeren

horizontalen potentiellen Temperaturgradienten.

Die Schnitte durch die Okklusionen und Seklusionen zeigen, dass sich die selben Luftmas-

sen sowohl vor als auch hinter ihnen befinden. Das bedeutet, dass sowohl in Okklusionen

als auch in Seklusionen Luftmassen um das Tiefdruckzentrum rotieren und sie somit ahnli-

che dynamische Strukturen aufweisen. Des Weiteren wurde eine Zyklone beobachtet, deren

Okklusion Merkmale von beiden Zyklonenmodellen aufwies. Die Existenz dieser”Hybrid-

zyklone“ und die Vergleiche der restlichen Zyklonen veranschaulichen die Ahnlichkeit der

beiden Zyklonenmodelle.

v

vi

Inhaltsverzeichnis

Abstract iii

Zusammenfassung v

Inhaltsverzeichnis vi

1 Einfuhrung 1

1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 Zielsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2 Okklusionen und Seklusionen 3

2.1 Definition von Okklusionen und Seklusionen . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.2 Okklusionen mit Warm- oder Kaltfrontcharakter . . . . . . . . . . . . . . . 7

3 Daten und Methodik 11

3.1 ECMWF-Analysedaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.2 Methodik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

4 Auswertung der Fallstudien 15

4.1 Uberblick der Falle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

4.2 Vergleiche der Falle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

5 Diskussion 47

Literaturverzeichnis 51

Abbildungsverzeichnis 53

Danksagung 57

vii

viii

Kapitel 1

Einfuhrung

1.1 Motivation

Seitdem Bjerknes und Solberg (1922) ihr”ideales Zyklonenmodell“, allgemein bekannt

als”Norwegerzyklonenmodell“, entwickelten, wurde dies zur Grundlage fur die Zyklonen-

forschung. Es besagt, dass in einer Zyklone eine Kaltfront die Warmfront immer einholt

und mit ihr uber die gesamte Lange okkludiert (siehe Kapitel 2.1). Im Laufe des letzten

Jahrhunderts wurde das Norwegerzyklonenmodell erweitert und korrigiert. So entwickelte

Shapiro und Keyser (1990) das”Shapiro-Keyser-Modell“, in dem Kalt- und Warmfront

sich nicht auf ganzer Lange vermischen und so einen abgeschlossenen Warmluftsektor im

Zentrum der Zyklone, die”Seklusion“, formen (siehe Kapitel 2.1). Die beiden theoreti-

schen Modelle wurden auch anhand von Fallstudien untersucht. Wang und Rogers (2001)

verglichen 37 Zyklonen uber dem Atlantik aus dem Zeitraum von 1985 bis 1996 und un-

tersuchten ihre Dynamik, thermische Struktur sowie ihre Lebenszyklen. Sie kamen zu der

Erkenntnis, dass sich geographische Einflusse stark auf Okklusionen auswirken:

• Okklusionen uber dem Nordwestatlantik weisen eine starkere Baroklinitat auf und

entwickeln sich langsamer. Dies fuhrt zu einem langeren Lebenszyklus.

• Okklusionen uber dem Nordostatlantik weisen eine schwachere Baroklinitat auf und

entwickeln sich schneller.

Ebenso wichtig sind orographische Einflusse, wie Innes et al. (2009) zeigen. Sie obser-

vierten eine Zyklone, die sich im Marz 2007 sudostlich von Gronland gebildet hatte. Die

Seklusion dieser Zyklone stimmte sowohl mit dem Norwegerzyklonenmodell, also auch mit

dem Shapiro-Keyser-Zyklonenmodell uberein. Dies wird auf die orographische Beeinflus-

sung Gronlands zuruckgefuhrt. West und Steenburgh (2010) beschrieben in ihrer Arbeit

ebenfalls die orographische Auswirkung auf eine Zyklone. So kam es bei der Zyklone”Tax

Day Storm“, die das zweittiefste jemals gemessene Bodentief erzeugte, nach Uberquerung

der Sierra Nevada im Raum des Great Basin zu einer starken Beeinfussung der Frontene-

1

2 Einfuhrung

volution, erzeugt durch eine konfluente Zone.

Es wurden bisher einige Studien an Okklusionen und Seklusionen in theoretischer Natur

sowie mit Hilfe von Fallstudien durchgefuhrt. Es fehlen jedoch vergleichende Studien von

Okklusionen und Seklusionen. Dies wird in dieser Arbeit nachgeholt.

1.2 Zielsetzung

Fur die Fallstudien werden je funf Okklusionen von Norwegerzyklonen und funf Seklusio-

nen von Hammerkopfzyklonen untersucht. Diese werden uber dem Bereich des Nordat-

lantiks ausgewahlt, um orographische Einflusse zu minimieren. Zur Analyse der Okklu-

sionen und Seklusionen werden ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather

Forecasts) -Analysedaten verwendet. Mit Hilfe von MATLAB R© werden die ECMWF-

Analysedaten ausgewertet sowie graphisch dargestellt. Aufgrund der hohen Rechenkapa-

zitat, die zur Auswertung der Daten benotigt wird, werden die Berechnungen mit den

beiden Innsbrucker Hochleistungscomputern LCC (Linux Compute Cluster) und LEO1

(LEOpold Franzens Universitat) durchgefuhrt. Unter Verwendung des Stabilitatskriteri-

ums werden die Okklusionen und Seklusionen zunachst in Warm- und Kalt-Typ Okklu-

sionen unterteilt und dann auf weitere Gemeinsamkeiten und Unterschiede untersucht.

Kapitel 2

Okklusionen und Seklusionen

2.1 Definition von Okklusionen und Seklusionen

Bereits am Anfang des 20. Jahrhunderts beschrieben Bjerknes und Solberg (1922) ihr

klassisches Zyklonenmodell, allgemein bekannt als”Norwegerzyklonenmodell“, welches

sich vor allem mit der Frontenentwicklung befasst. Wie in Abbildung 2.1 dargestellt, holt

die Kaltfront die Warmfront im Laufe der Zyklonenentwicklung ein und okkludiert mit

ihr uber die gesamte Lange. Nach Bildung der Okklusion schwacht sich die Zyklone ab

und lost sich auf.

Abbildung 2.1: Schematische Darstellung des Verlaufs (a-h) einer Okklusion nach Bjerknes

und Solberg (1922). Durchgezogene Linien: Stromung; Strichlierte Linien: Bodenfronten

3

4 Okklusionen und Seklusionen

Das klassische Norwegerzyklonenmodell versagt jedoch bei der Beschreibung mancher

Okklusionen. Daher entwarfen Shapiro und Keyser (1990) ein eigenes Zyklonenmo-

dell, das”Shapiro-Keyser-Modell“, dessen Okklusion aufgrund der Form T-Bone- oder

Hammerkopf-Okklusion genannt wird. In ihrem Modell (Abb. 2.2a) lauft die Kaltfront

beinahe rechtwinklig zur Warmfront und separiert sich von dieser (II). In der Folge trifft

die Kaltfront nicht auf die Warmfront selbst, sondern nur auf die Warmluftzone hinter der

Warmfront. Die Warmfront wird durch die kaltere, nordliche Stromung hinter das Tief-

druckzentrum transportiert und formt eine zuruckgebogene Warmfront (III). In diesem

Stadium ist die Hammerkopf- bzw. T-Bone-Struktur zu erkennen. Im weiteren Verlauf

schließt die um das Tiefdruckzentrum rotierende kalte Luft eine Region warmer Luft im

Zentrum ein. Eine Warm-Kern-Seklusion hat sich gebildet (IV). Schultz und Vaughan

(2011) stellten sich ebenfalls der Aufgabe, das klassische Zyklonenmodell zu verbessern.

So kamen sie im Wesentlichen zu vier Kernaussagen, die das Norwegerzyklonenmodell in

mehreren Bereichen modifizieren:

• Der Okklusionsprozess ist weniger ein Einholen der Warmfront durch die Kaltfront,

als eher ein Einwickeln und Verlangern der Warmluftzunge als Ergebnis von Defor-

mation und Rotation um den Tiefdruckkern.

• Die Vermischung der Kalt- und Warmfront passiert nicht durch Anhebung der

warmeren Luft uber die kaltere Luft, sondern durch die Neigung der okkludierten

Frontalzone uber die stabilere Frontalzone. Da eine warme Frontalzone ublicherwei-

se stabiler als eine kalte Frontalzone ist, wird meistens eine Warm-Typ-Okklusion

gebildet. Seltener hingegen ist eine Kalt-Typ-Okklusion (siehe Kapitel 2.2).

• Eine Zyklone kann sich auch nach der Bildung einer Okklusion noch weiter vertiefen.

• Wolken und Niederschlage in Verbindung mit okkludierten Fronten unterscheiden

sich von der bisherigen Darstellung in der Fachliteratur: Niederschlagsbander konnen

parallel zur Front liegen und die Korrelation von Fronten zu Wolkenmasse ist gering.

Nach Schultz und Vaughan (2011) gibt es in den ersten zwei Phasen der Entwicklung

einer Norwegerzyklone sowie einer Hammerkopfzyklone kaum Unterschiede (Abb. 2.2).

Nur der Winkel zwischen Kalt- und Warmfront ist bei einer Hammerkopfzyklone großer.

Wenn man den Okklusionsprozess allgemeiner als das Entfernen des Warmluftsektors vom

Tiefdruckkern, verursacht durch das Aufwickeln der thermalen Welle, beschreibt, so las-

sen sich in den weiteren Phasen die thermale Struktur und die Entwicklung der beiden

Zyklonenmodelle gut miteinander verbinden.

Schultz et al. (1998) verfassten eine Studie uber zwei verschiedene Zyklonentypen. Sie nah-

men in ihrer Arbeit Bezug auf die Struktur sowie die Lage der Zyklonen zur großskaligen

Stromung.

2.1 Definition von Okklusionen und Seklusionen 5

(a)

(b)

Abbildung 2.2: Schematische Darstellung (Schultz und Vaughan 2011) der Entwicklung einer

Shapiro-Keyser-Zyklone (a) und einer Norwegerzyklone (b); Oben: Geopotentielle Hohe des 850

mb Levels; farbige Linien: Fronten; Unten: Zugehorige Isotermen der potentiellen Temperatur


• Zyklonen, die sich auf eine diffluente Zone mit einer starken meridionalen Verwel-

lung des Jetstreams zubewegen, werden meridional gedehnt und formen eine starke,

meridionale Kaltfront und eine schwache Warmfront. Die Kaltfront rotiert in die

Warmfront und bildet dabei eine Okklusion nach dem Norwegerzyklonenmodell.

• Zyklonen, die sich hingegen auf eine konfluente Zone mit einem stark zonal gepragten

Jetstream mit geringer Verwellung zubewegen, werden zonal gedehnt und formen

eine starke, zonale, zuruckgebogene Warmfront und eine schwache Kaltfront. Die

Fronten-Struktur gleicht der des Shapiro-Keyser-Zyklonenmodells.

Nach Godske et al. (1957) und Schultz et al. (1998) kommt es in der Kaltfront einer Ham-

merkopfzyklone im nordlichen Teil nahe des Tiefdruckkerns zur Frontolyse. Die Frontoly-

se in dieser Region entsteht durch das Absinken der unteren Troposphare (Godske et al.

1957) und die dadurch entstandene horizontale Differenz (Schultz et al. 1998) in den

tiefen Schichten. Die Frontolyse fuhrt schließlich zum Frontenbruch, in dem der horizon-

tale Temperaturgradient der Kaltfront schwindet. Auch Shapiro et al. (1999) beschrieben

die Beeinflussung von großskaliger Stromung auf die Zyklonenentwicklung (Abb. 2.3).

In ihrem numerischen Modell zeigte sich, dass Zyklonen, die in einer barotropen, zyklo-

nalen Scherung entstehen, sich zu Norwegerzyklonen entwickeln. Zyklonen, die in einer

barotropen, antizyklonalen Scherung entstehen, werden zu”frontalen Wellenzyklonen“,

in denen Warm- und Kaltfront in einem beinahe 180-Grad-Winkel verlaufen, und somit

keine Okklusion bilden. Zyklogenese, die ohne Einflusse von Scherung entsteht, erzeugt

eine Hammerkopfzyklone. Im Modell bildet eine Hammerkopfzyklone eine langere Kalt-

front als eine Norwegerzyklone aus. Auf die reelle Atmosphare ubertragen bildet sich eine

Hammerkopfzyklone, wenn nur ein Jetstream uber der Zyklone vorhanden ist. Wenn zwei

Jetstreams aufeinander treffen, beispielsweise der Polarjetstream und der Subtropenjet-

stream, entsteht eine Norwegerzyklone.

Abbildung 2.3: Modifizierte Darstellung (Shapiro et al. 1999) der Bildung verschiedener Zy-

klonentypen verursacht durch die Lage der Jetstreams

2.2 Okklusionen mit Warm- oder Kaltfrontcharakter 7

2.2 Okklusionen mit Warm- oder Kaltfrontcharakter

Bjerknes und Solberg (1922) idealisierten Okklusionen als Diskontinuitat nullter Ordnung

der Temperatur und unterschieden zwei Typen (siehe Abb. 2.4):

• Eine Warm-Typ-Okklusion entwickelt sich, wenn die Luft hinter der Kaltfront

warmer ist, als die Luft vor der Warmfront. Ihr Verlauf ahnelt einer Warmfront,

wobei die Luftmasse hinter der Kaltfront auf die Luftmasse vor der Warmfront auf-

gleitet. Sie wird auch”Okklusion mit Warmfrontcharakter“ genannt.

• Eine Kalt-Typ-Okklusion bildet sich, wenn die Luft hinter der Kaltfront kalter ist,

als die Luft vor der Warmfront. Ihr Verlauf ahnelt einer Kaltfront, wobei sich die

Luftmasse hinter der Kaltfront unter die Luftmasse vor der Warmfront schiebt. Laut

Bjerknes und Solberg (1922) ist die Kalt-Typ-Okklusion die haufiger vorkommen-

de Okklusionsart, da die Luft hinter der Kaltfront direkt aus kalteren, nordlichen

Regionen stammt und daher meist kalter ist, als die Luft vor der Warmfront.

Abbildung 2.4: Vertikalschnitte durch eine Warm-Typ-Okklusion (links) und eine Kalt-Typ-

Okklusion (rechts) von Saucier (1955). Linien: pot. Temperatur sowie Frontengrenzen

Im Laufe der Zeit wurden jedoch immer wieder Okklusionen beobachtet, die mit der

Temperaturregel falsch klassifiziert wurden. Beispielsweise uberpruften Schultz und Mass

(1993) 27 dokumentierte Okklusionen, in denen funf Mal der Okklusionstyp anhand der

Temperaturunterschiede falsch klassifiziert wurde. Stoelinga et al. (2002) modifizierten

die bisherige Definition der Okklusionstypen. Bei Fallbeispielen zeigte sich, dass Okklu-

sionen oft eine nahezu homogene Temperaturverteilung in den beiden Luftmassen nahe

der Okklusion haben. Erst durch eine Diskontinuitat erster Ordnung kann man Okklusio-

nen bestimmen. Demzufolge vergleicht man nicht mehr die Temperaturunterschiede selbst

(Diskontinuitat nullter Ordnung), sondern den horizontalen Temperaturgradienten. Diese

neue Klassifikationsmethode wird”statische Stabilitatsregel“ genannt, deren Kernaussa-

ge ist:”Eine okkludierte Front neigt sich uber die stabilere Luft, nicht uber die kaltere

Luft.“ In Abbildung 2.5 erkennt man, dass sich die idealisierte Okklusion uber die stabile


Luftmasse neigt. Ausgedruckt wird dieses Verhalten in Formel 2.1:

(dz

dx

)front

=

(∂Θ

∂x

)1

−(∂Θ

∂x

)2(

∂Θ

∂z

)2

−(∂Θ

∂z

)1

(2.1)

Das Vorzeichen des Termdzdx zeigt die Neigung der Okklusion an, wobei x die Horizon-

talachse und z die Vertikalachse des Vertikalschnittes bilden, der die Okklusion orthogonal

schneidet. Θ steht fur die potentielle Temperatur und die Indizes 1 und 2 bezeichnen die

Luftmassen, die ursprunglich hinter der Kaltfront (1) bzw. vor der Warmfront (2) wa-

ren. Die potentielle Temperatur ist im Bereich der Okklsuion am großten. Daher ist der

Gradient∂Θ

∂x 1immer positiv und der Gradient

∂Θ

∂x 2immer negativ. Somit ist der Nen-

ner auf der rechten Seite der Gleichung immer positiv. Das Vorzeichen der Gleichung

hangt folglich nur vom Zahler auf der rechten Seite ab, dem Stabilitatsunterschied der

beiden Luftmassen. Zum Vergleich klassifizierten Stoelinga et al. (2002) neun gut doku-

mentierte Okklusionen mit Hilfe der Temperaturregel sowie der statischen Stabilitatsregel.

Wahrend die Temperaturregel vier Mal versagte, stufte die statische Stabilitatregel alle

neun Okklusionen richtigerweise als Warm-Typ-Okklusion ein. Die statistische Vorherr-

schaft der Warm-Typ-Okklusion gegenuber der Kalt-Typ-Okklusion liegt vermutlich in

der Destabilisierung der Luftmasse hinter der Kaltfront durch Faktoren wie unterschied-

liche Bewolkung oder Einstrahlung uber Land, unterschiedliche Warmeflusse uber Meer,

Reibungsprozesse etc. Obwohl das Stabilitatskriterium die Neigung der Okklusionen an-

zeigt, wird die Bildung einer Warm- oder Kalt-Typ-Okklusion nicht zwingend von den Sta-

bilitatsunterschieden der okkludierenden Luftmassen verursacht. Stoelinga et al. (2002)

fuhrten an, dass sich der Stabilitatskontrast der beiden Luftmassen eventuell erst bei der

Entstehung einer Okklusion auspragt, indem die Luftmasse hinter der Kaltfront destabi-

lisiert wird. Weitere Forschung auf diesem Gebiet sollte zu einem besseren Verstandnis

der Okklusionenentstehung fuhren.

In der reellen Atmosphare kann man die Lage einer Okklusion und somit ihren Charak-

ter anhand der Maxima der relativen Feuchte und anhand der Maxima der potentiellen

Temperatur erkennen (Abb. 2.6).

2.2 Okklusionen mit Warm- oder Kaltfrontcharakter 9

X

Z

Luftmasse 2

Θ 1

Θ 2

Θ 3

Θ 4

Θ 5

Θ 6Θ 7

Θ 2

Θ 3

Θ 4

Θ 5

Θ 6

Θ 7

Luftmasse 1

Δ X

Δ Z

Abbildung 2.5: Vertikalschnitt der potentiellen Temperatur [θ] durch eine idealisierte Okklu-

sion nach Stoelinga et al. (2002); blaue Linie: Kaltfront; rote Linie: Warmfront; pinke Linie:

Okklusion; Luftmasse 2 ist stabiler als Luftmasse 1, weil der vertikale Gradient der potentiellen

Temperatur in Luftmasse 2 großer als der in Luftmasse 1 ist:

(∂Θ

∂z

)2

>

(∂Θ

∂z

)1

(a)

0 100 200 300 400 500 600

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

x [km]

z [d

m]

C D

80

90

100

Luftmasse Luftmasse 2 1


(b)

0 100 200 300 400 500 600

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

301

301

301301

303

303

303

303

305

305

305

305

305

305

305

305

305

305

305

305

305

307

307

307

307

307 307

307

307

307

307

309

309

309

309

309

309

309

311

311

311

311

311

311

313

313

313

313

315

315

303

303

303

301

301 309

309

C Dx [km]

z [d

m]

299

301

303

305

307

309

311

313

315

317


(c)

0 100 200 300 400 500 600

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

284284 286

286

286

288

288288

290290

290

290290

292292

292

292

292

294294294

294294 296296

296

296296

298298

298

298298

300300

300300

300

302302

302302

302

304

304

304304

304

306

306306

306308

308

308

310

310

310

312

C Dx [km]

z [d

m]

282

284

286

288

290

292

294

296

298

300

302

304

306

308

310

312


Abbildung 2.6: Vertikalschnitt CD (a) der relativen Feuchte [%], (b) der aquivalentpotenti-

ellen Temperatur [K] und (c) der virtuellpotentiellen Temperatur [K] durch eine Okklusion am

25.10.2009 um 06:00 Uhr UTC; eingezeichnet: Lage der Fronten und deren Laufrichtung

Kapitel 3

Daten und Methodik

3.1 ECMWF-Analysedaten

Die in dieser Arbeit verwendeten Fallstudien werden mit Hilfe von ECMWF-Analysedaten

untersucht. ECMWF steht fur European Centre for Medium-Range Weather Forecasts.

Seit Februar 2006 wird die Modellversion”TL799L91“ verwendet. Der Modellname ist

eine Zusammensetzung aus der zonalen Wellenzahl 799, die die horizontale Auflosung

von durchschnittlich 25 km Gitterpunktabstand beschreibt sowie den vertikalen 91 Level,

welche bis in eine Hohe von 80 km reichen. Eine globale Analyse wird alle sechs Stun-

den um 00:00, 06:00, 12:00 und 18:00 Uhr UTC produziert. Als Datengrundlage dienen

sowohl In-situ-Daten uber Land und Meer als auch Satellitenmessungen. Die gemessenen

Daten werden mit der vierdimensionalen Variationsanalyse berechnet, die gemessenen

Daten bestmoglich mit Modelldaten vereint. Weitere Informationen uber die ECMWF-

Analysedaten konnen der Internetseite des ECMWF (2012) entnommen werden.

Zur Analyse der Okklusionen und Seklusionen wurde ein Datenausschnitt uber dem Nord-

atlantik gewahlt. Das Datengitter reicht von 86◦ West bis 20◦ Ost, sowie von 20◦ bis 80◦

Nord. Nur eine Seklusion am 18.10.2009 um 18:00 Uhr UTC (Abb. 4.8) liegt weiter ostlich,

so dass das Datengitter um 20◦ Richtung Osten versetzt ist.

3.2 Methodik

Da die ECMWF-Analysedaten in GRIB (GRIdded Binary) Datenformat bereit gestellt

werden, bedarf es Umrechnungen, um die Daten graphisch aufzubereiten. Die weiteren

Berechnungen der Daten werden mit dem Programm MATLAB R© durchgefuhrt. Um die

GRIB Daten in ein MATLAB R© kompatibles Datenformat (Matlab Audio Format) umzu-

wandeln, wird die Funktion”read grib“, Version 1.4.0, verwendet.

Die weitere Datenverarbeitung basiert auf den MATLAB R©-Funktionen, die Ortner (2011)

entwickelte. Um Luftmassen in verschiedenen Hohen mit unterschiedlichen Temperaturen

11

12 Daten und Methodik

und Feuchtegehalten vergleichen zu konnen, werden die virtuellpotentielle Temperatur

sowie die aquivalentpotentielle Temperatur verwendet:

• Die aquivalentpotentielle Temperatur ist die Temperatur, die ein Luftpaket

erlangt, wenn die gesamte Feuchte in ihm kondensiert und ihre Energie in Form von

Warme an das Luftpaket abgibt und es anschließend trockenadiabatisch auf einen

Luftdruck von 1000 hPa gebracht wird. In den verwendeten Funktionen wird die

aquivalentpotentielle Temperatur nach Bolton (1980) verwendet, die in der empiri-

schen Formel 3.1 berechnet wird.

Θe = T

(1000

P

)0.2854(1−0.28m)

e

(3376TL

−2.54)m(1+0.81m)

(3.1)

In der Gleichung steht P fur den aktuellen Luftdruck [hPa], T fur die Temperatur

[K], m fur das Mischungsverhaltnis von Luft und Wasserdampf und TL steht fur die

Temperatur des Hebungskondensationsniveaus, ausgedruckt in Gleichung 3.2:

TL =2840

3.5lnT − lne− 4.805+ 55 (3.2)

e steht fur den Wasserdampfgehalt der Luft. Laut Bolton (1980) wird die Tempe-

ratur des Hebungskondensationsniveaus in Gleichung 3.2 bis auf 0.1 K berechnet.

Daraus ergibt sich fur die aquivalentpotentielle Temperatur in Gleichung 3.1 eine

maximale Ungenauigkeit von +− 0.3 K.

• Die virtuellpotentielle Temperatur ist die Temperatur, die ein ungesattigtes

Luftpaket annimmt, wenn es adiabatisch, also ohne außere Wechselwirkung, auf

einen Luftdruck von 1000 hPa gebracht wird. Die nach Bolton (1980) beschriebene

virtuellpotentielle Temperatur wird in Gleichung 3.3 berechnet.

Θv = Tv

(1000

P

)(0.2854(1−0.28m))

(3.3)

P bezeichnet den Luftdruck und m das Mischungsverhaltnis. Tv steht fur die virtu-

elle Temperatur, die ein trockenes Luftpaket haben musste, um bei selbem Druck

die gleiche Dichte wie das feuchte Luftpaket zu haben. Die von Ortner (2011) in

seinen Funktionen verwendete virtuelle Temperatur wurde von Bluestein (1992) in

Gleichung 3.4 wie folgt berechnet:

Tv = T1 + m

ε

1 +m(3.4)

Darin steht ε fur das Verhaltnis von der Gaskonstante fur trockene Luft [Rt =

287.058 JkgK

] zur Gaskonstante fur feuchte Luft [Rf = 461.52 JkgK

] und ergibt so

ε = Rt

Rf=≈ 0.62198.

3.2 Methodik 13

Im Gegensatz zu Ortner (2011), der in seinen MATLAB R©-Funktionen finite Differenzen

der 4. Ordnung verwendete, werden in den Funktionen fur diese Arbeit zentrierte, einfache

Differenzen benutzt, um die Glattung zu minimieren und hohere Auflosung in Randbe-

reichen des Modells zu erhalten.

Verwendet werden zentrierte, einfache Differenzen fur die Darstellung der vertikalen Stabi-

litat, indem der Gradient der virtuellpotentiellen Temperatur [ K100m

] geplottet wird (Abb.

3.1). In der Standardatmosphare steigt die virtuellpotentielle Temperatur im Schnitt um

3.5 Grad [K] pro Kilometer Hohe. Die Farbskala fur die vertikalen Differenzen wurden da-

her so gewahlt, dass Blau fur labile Schichten (unter 0 K100m

), Weiß fur neutrale Schichten

(0 bis 0.3 K100m

) und Rot fur stabile Schichten (uber 0.3 K100m

) steht.

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

x [km]

z [dm

]

284

284

284286

286

286

288

288

288

288

288

288

290

290

290

290

290

292

292292

292

292

294

294

294

294

294296

296

296

296

296298

298298

298300

300

300

300

302302

302

302

304

304 304

304

306

306306

306308

308

308

308

310310 310

310

312

312

312 312

314

314314

G H

−0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

Abbildung 3.1: Vertikalschnitt der virtuellpotentiellen Temperatur [K] (schwarze Isolinien)

und ihres vertikalen Gradienten [ K100m ] (farbig dargestellt); In den untersten 50 Metern ist auf-

grund der Differenzenbildung kein vertikaler Gradient der virtuellpotentiellen Temperatur ge-

plottet.

14 Daten und Methodik

Die ECMWF-Analysedaten bestehen aus mehreren Millionen Datenpunkten. Um diese

mit MATLAB R© zu interpolieren und fur bestimmte Regionen graphisch darzustellen, wird

sehr viel Rechenkapazitat benotigt. Speziell die Arbeitsspeicherressourcen heutiger Perso-

nalcomputer reichen dafur nicht aus. Daher wurden die Berechnungen auf zwei Hochlei-

stungscomputern der Universitat Innsbruck durchgefuhrt (Informationen aus: (Zentraler

Informationsdienst der Universitat Innsbruck 2012)).

• LCC (Linux Compute Cluster) besteht aus 25 Knoten, die je 8 Prozessoren mit einer

Taktfrequenz von 2.5 GHz und 32 Gigabyte (GB) Arbeitsspeicher haben. Somit

verfugt das gesamte System uber 200 Prozessoren und 800 GB Arbeitspeicher.

• LEO1 (LEOpold Franzens Universitat) ist ein Clustersystem, welches aus 35 Knoten

besteht, die zusammen 258 Prozessoren mit einer Taktung von 2.2 bis 2.5 GHz

haben. LEO1 besitzt 520 GB Arbeitsspeicher.

Beide Hochleistungscomputer benutzen zusammen einen Netzwerkspeicher, der 30 Terra-

byte umfasst. Das Betriebssystem auf beiden Großrechnern ist Linux CentOS. Angesteuert

werden die Hochleistungscomputer uber einen SSH client (Bedienungsprogramm) wie zum

Beispiel”PuTTY“. Aus Sicherheitsgrunden konnen die Großrechner nur im Intranet der

Universitat Innsbruck bedient werden. Um sie auch von außerhalb bedienen zu konnen,

wird ein VPN (Virtual Private Network) client verwendet, der den externen Computer

in das Universitatsnetzwerk integriert.

Kapitel 4

Auswertung der Fallstudien

4.1 Uberblick der Falle

In diesem Abschnitt werden die Okklusionen und Seklusionen definiert, die in den Fallstu-

dien verwendet werden. Bei der Auswahl wurde darauf geachtet, ein breites Spektrum an

Okklusionen und Seklusionen zu besichtigen. Sie variieren daher in Große und Intensitat.

Die folgenden Okklusionen und Seklusionen wurden immer zum Zeitpunkt der starksten

Auspragung analysiert. Es wurden funf Okklusionen und funf Seklusionen uber dem Nord-

atlantik ausgewahlt, um orografische Einflusse zu minimieren. Die Zyklonen wurden in

drei Bereiche eingeteilt, die durch Vertikalschnitte bestmoglich veranschaulicht wurden.

Die Bereiche sind:

• Die Region vor dem Aufeinandertreffen der Fronten

• Der Okklusions- bzw. Seklusionspunkt

• Die Okklusion bzw. Seklusion

Eine besondere Form stellt die beobachtete Zyklone am 12.09.2009 dar (Abb. 4.7). Die

warme Luftmasse ihrer vermeintlichen Seklusion (durchschnitten vom Vertikalschnitt KL)

stammte aus einem westlich gelegenen System. Daher werden von dieser Zyklone nur der

Seklusionspunkt und die Fronten analysiert.

Die folgenden Abbildungen zeigen die Okklusionen und Seklusionen anhand von Hori-

zontalschnitten der aquivalentpotentiellen Temperatur in einer Hohe von 1500 m. Die

roten Linien kennzeichnen die Vertikalschnitte (Koordinaten in Tab. 4.1 und 4.2), die zur

Analyse der Okklusionen und Seklusionen angefertigt wurden.

15

16 Auswertung der Fallstudien

Okklusionen:

284286288290292294296298300302304306308310312314316318320322324326328330332334336338340342344

A

B

C

D

E

F

Äquivalentpotentielle Temperatur [K] auf 1500 m

Abbildung 4.1: Okklusion am 05.08.2009 um 06:00 Uhr UTC

260262264266268270272274276278280282284286288290292294296298300302304306308310312314316318320322324326328330332334

A

B

C

D

EF

G

H



4.1 Uberblick der Falle 17

254256258260262264266268270272274276278280282284286288290292294296298300302304306308310312314316318320322324326


A

B C

D

E

F

G H


250252254256258260262264266268270272274276278280282284286288290292294296298300302304306308310312314316318320322324326328


A

B

C

D

E

F

G

H



266268270272274276278280282284286288290292294296298300302304306308310312314316318320322324326Äquivalentpotentielle Temperatur [K] auf 1500 m

A

B

C

D

EF

G H


Seklusionen:

286

288

290

292

294

296

298

300

302

304

306

308

310

312

314

316

318

320

322

324

326

328

330

332

334

336

338

D

C

A

B F

E

G

H

I

J


Abbildung 4.6: Seklusion am 15.08.2009 um 12:00 Uhr UTC


280

282

284

286

288

290

292

294

296

298

300

302

304

306

308

310

312

314

316

318

320

322

324

326

328

330

332

334

A

BC

D

E

F

G

H

I

J

K

L



256258260262264266268270272274276278280282284286288290292294296298300302304306308310312314316318320322324326328330332334336

A

B

C

D

LFH

JIGEK




254256258260262264266268270272274276278280282284286288290292294296298300302304306308310312314316318320322324326328330332334336

A

B

C

D

E

F

G

H

I

JK

L



260262264266268270272274276278280282284286288290292294296298300302304306308310312314316318320322324326328


A

BC

NF

H

GKL

I

JD ME



Die Koordinaten der Vertikalschnitte sind in den folgenden zwei Tabellen (4.1 und 4.2)

eingetragen:

Vertikalschnitt westl. Punkt ostl. Punkt Typ Abb.

Datum Uhrzeit Name von Lat./Lon. nach Lat./Lon.

05.08.2009 06:00 AB 70◦ N; 16◦ W 50◦ N; 15◦ W Okklusion 4.1

05.08.2009 06:00 CD 61◦ N; 14◦ W 70◦ N; 1◦ W Okklusion 4.1

05.08.2009 06:00 EF 58◦ N; 5◦ W 62◦ N; 8◦ O Okklusion 4.1



25.10.2009 06:00 EF 40◦ N; 31◦ W 40◦ N; 18◦ W Okklusion 4.2

25.10.2009 06:00 GH 46◦ N; 30◦ W 49◦ N; 22◦ W Okklusion 4.2













15.08.2009 12:00 AB 55◦ N; 11◦ W 64◦ N; 9◦ W Seklusion 4.6

15.08.2009 12:00 CD 64◦ N; 6◦ W 58◦ N; 4◦ W Seklusion 4.6

15.08.2009 12:00 EF 58◦ N; 4◦ W 64◦ N; 1◦ W Seklusion 4.6

15.08.2009 12:00 GH 57◦ N; 4◦ W 63◦ N; 4◦ O Seklusion 4.6

15.08.2009 12:00 IJ 56◦ N; 6◦ W 61◦ N; 9◦ O Seklusion 4.6

Tabelle 4.1: Koordinaten der Vertikalschnitte (Teil 1)


Vertikalschnitt westl. Punkt ostl. Punkt Typ Abb.

Datum Uhrzeit Name von Lat./Lon. nach Lat./Lon.




12.09.2009 18:00 GH 54◦ N; 51◦ W 52◦ N; 42◦ W Seklusion 4.7

12.09.2009 18:00 IJ 57◦ N; 49◦ W 54◦ N; 37◦ W Seklusion 4.7

12.09.2009 18:00 KL 54◦ N; 50◦ W 39◦ N; 25◦ W Seklusion 4.7



18.10.2009 18:00 EF 70◦ N; 1◦ O 78◦ N; 22◦ O Seklusion 4.8

18.10.2009 18:00 GH 67◦ N; 1◦ W 75◦ N; 30◦ O Seklusion 4.8

18.10.2009 18:00 IJ 65◦ N; 0◦ 63◦ N; 10◦ O Seklusion 4.8

18.10.2009 18:00 KL 71◦ N; 1◦ W 77◦ N; 6◦ O Seklusion 4.8




18.11.2009 00:00 GH 47◦ N; 32◦ W 44◦ N; 20◦ W Seklusion 4.9

18.11.2009 00:00 IJ 53◦ N; 50◦ W 49◦ N; 18◦ W Seklusion 4.9

18.11.2009 00:00 KL 51◦ N; 30◦ W 56◦ N; 22◦ W Seklusion 4.9



24.11.2009 18:00 EF 57◦ N; 9◦ W 60◦ N; 5◦ O Seklusion 4.10

24.11.2009 18:00 GH 48◦ N; 8◦ O 51◦ N; 18◦ O Seklusion 4.10

24.11.2009 18:00 IJ 59◦ N; 25◦ W 51◦ N; 7◦ O Seklusion 4.10

24.11.2009 18:00 KL 53◦ N; 10◦ W 49◦ N; 2◦ O Seklusion 4.10

24.11.2009 18:00 MN 58◦ N; 8◦ W 62◦ N; 3◦ O Seklusion 4.10

Tabelle 4.2: Koordinaten der Vertikalschnitte (Teil 2)


Zur Analyse des Okklusionstyps wurden primar das Stabilitatskriterium (Kapitel 2.2)

verwendet. Als weitere Bestimmungshilfe dienten Vertikalschnitte der relativen Feuchte

und Vertikalschnitte der virtuellpotentiellen Temperatur und der aquivalentpotentiellen

Temperatur.

In Tabelle 4.3 werden die Vertikalschnitte angegeben, die zur Charakterisierung verwen-

det werden.

Typ Abbildung Vertikalschnitt Charakter

Datum Uhrzeit Name Warmfront- Kaltfront-

Okklusion 4.1 05.08.2009 06:00 CD •Okklusion 4.2 25.10.2009 06:00 CD •Okklusion 4.3 01.12.2009 06:00 EF •Okklusion 4.4 03.12.2009 00:00 CD •Okklusion 4.5 08.12.2009 06:00 CD •Seklusion 4.6 15.08.2009 12:00 CD •Seklusion 4.7 12.09.2009 18:00 GH •Seklusion 4.8 18.10.2009 18:00 CD •Seklusion 4.9 18.11.2009 00:00 CD •Seklusion 4.10 24.11.2009 18:00 CD •

Tabelle 4.3: Fur die Charakterisierung beurteilte Vertikalschnitte

Da alle observierten Okklusionen und Seklusionen der Klasse mit Warmfrontcharakter

angehoren, wird nur ein Beispiel zur Charakterisierung einer Okklusion bzw. Seklusion

gezeigt.

Beispiel zur Charakterisierung:

Die Seklusion am 18.10.2009 (Abb. 4.8) wird als Beispiel fur die Bestimmung des Fron-

tencharakters verwendet. Die Vertikalschnitte fur die Stabiliat, die relative Feuchte sowie

die virtuellpotentielle Temperatur und die aquivalentpotentielle Temperatur schneiden die

Seklusion im rechten Winkel. Der Vertikalschnitt CD (Abb. 4.11) verlauft vom Norden

(Punkt C) Richtung Suden (Punkt D). Die Luftmasse, die ursprunglich vor der Warm-

front war (Luftmasse 2), befindet sich auf der linken Seite der Grafiken. Auf der rechten

Seite befindet sich die Luft, die ursprunglich hinter der Kaltfront war (Luftmasse 1). Die

in Abbildung 4.11a gezeigte vertikale Differenz der virtuellpotentiellen Temperatur veran-

schaulicht die Stabiliat. Diese ist umso großer, je hoher die vertikale Differenz und somit

der vertikale Gradient der virtuellpotentiellen Temperatur ist. Dabei ist es wichtig, auf

die durchschnittliche Stabilitat der Luftmasse zu achten. Okklusionen und Seklusionen


neigen sich uber die stabilere Luftmasse. Das zeigt sich auch im Vertikalschnitt 4.11a. Im

Durchschnitt ist die Luftmasse 2 stabiler geschichtet als die Luftmasse 1. Nahe der Seklu-

sion hat die Luftmasse 2 einen vertikalen virtuellpotentiellen Temperaturgradienten von

0.6 K100m

. Die Luftmasse 1 hat einen vertikalen virtuellpotentiellen Temperaturgradienten

von 0.4 K100m

und steht zur Luftmasse 2 im Verhaltnis von 1:1.5. Die vertikalen Gradienten

der virtuellpotentiellen Temperatur in den restlichen neun Fallen reichen von 0.3 bis 0.8K

100min der Luftmasse vor der Warmfront und von 0.2 bis 0.4 K

100min der Luftmasse hinter

der Kaltfront. Das Verhaltnis zwischen den beiden vertikalen Temperaturgradienten liegt

zwischen 1:1.2 und 1:2.

Wie in den neun anderen Fallen neigt sich auch die Seklusion in diesem Beispiel mit

zunehmender Hohe uber die stabilere Luftmasse, welche ursprunglich vor der Warmfront

war und kann so als Seklusion mit Warmfrontcharakter eingestuft werden. Auch im Verti-

kalschnitt der relativen Feuchte 4.11b ist deutlich die mit der Hohe zunehmende Neigung

der maximalen Feuchte zu erkennen, die ein Indiz fur die Umgebung der Seklusion ist. Die

Maxima der aquivalentpotentiellen Temperatur (Abb. 4.11c), die ebenfalls die Seklusion

andeuten, sind mit zunehmender Hohe in Richtung prafrontaler Warmluftmasse geneigt.

(a)

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

x [km]

z [d

m]

274

276

276

278

278

278

280280

280

280

280

282

282282

282

284

284284

284

286

286

286

286

288

288

288

288

290

290

290

290

292

292

292

292294

294

294

294

296

296

296

296

298

298 298

298

300

300

300

300

302

302

302

302

304 304

C D

−0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4



(b)

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

x [km]

z [d

m]

C D

80

90

100


(c)

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

280

282

282

284

284

286

286

286

288288

288

288

290

290

290

290

290

290

292

292

292292

292

292

294

294

294

294

294

294

296296

296

296

296

296

298

298

298

298

298

300300

300300

300

302

302302

302

302

302

304

304

304

304

290

C Dx [km]

z [d

m]

278

280

282

284

286

288

290

292

294

296

298

300

302

304


Abbildung 4.11: Vertikalschnitt CD (a) der virtuellpotentiellen Temperatur [K] und ihres

vertikalen Gradienten [ K100m ], (b) der relativen Feuchte [%] und (c) der aquivalentpotentiellen

Temperatur [K] durch die Seklusion einer Hammerkopfzyklone am 18.10.2009 um 18:00 Uhr

UTC


4.2 Vergleiche der Falle

Die Vergleiche erwiesen sich oft als schwierig, da es in der realen Atmosphare naturliche

Hindernisse gibt, die Zyklonen beeinflussen. In den Fallstudien liefen viele Zyklonen uber

Land (Abb. 4.6) und eine lief auf ein benachbartes Frontensystem auf (Abb. 4.2).

Die Region vor dem Aufeinandertreffen der Fronten:

Bevor die Fronten aufeinander treffen, besitzen Norwegerzyklonen und

Hammerkopfzyklonen ahnliche Strukturen. In beiden ist die Luftmasse vor der

Warmfront kalter als hinter der Kaltfront (Abb. 4.12). Ebenso ist die durchschnittliche

Stabilitat in der Luftmasse vor der Warmfront großer als in der entsprechenden Luftmasse

hinter der Kaltfront (Abb. 4.13).

In den Fallstudien traten auffallig viele vorwartsgeneigte Kaltfronten auf. In

mindestens drei Zyklonen ist eine deutliche Vorwartsneigung der Kaltfront zu erkennen

(Abb. 4.12b, 4.12d, 4.13b, 4.14b und 4.15). Auch in den anderen sieben Fallen waren

manche Kaltfronten ausgesprochen steil und beinahe senkrecht (Abb. 4.17).

Der Okklusions- bzw. Seklusionspunkt:

In einer Hammerkopfzyklone verlaufen die Fronten in einem großeren Winkel zueinander,

als dies der Fall in einer Norwegerzyklone ist. Wenn die Fronten im Seklusionspunkt aufein-

ander treffen, ist die Kaltfront einer Hammerkopfzyklone schwacher ausgebildet

als ihre Warmfront (Abb. 4.17). Teilweise ist der horizontale Temperaturgradient der

Kaltfront kaum mehr vorhanden (Abb. 4.18). Im Gegensatz dazu sind Kaltfronten in

Norwegerzyklonen starker ausgepragt als deren Warmfronten (Abb. 4.16).

Die maximalen horizontalen Temperaturgradienten der Fronten nahe des Okklusions- bzw.

Seklusionspunktes sind in Tabelle 4.4 eingetragen.

Art der Temperatur Norwegerzyklone Hammerkopfzyklone Gradient

Kaltfront Warmfront Kaltfront Warmfront

virtuellpotentiell 2.5 - 13 2.5 - 7 2 - 6 2.5 - 7 K100km

aquivalentpotentiell 12 - 30 10 - 12 9 - 13 9 - 25 K100km

Tabelle 4.4: Horizontale Temperaturgradienten der Fronten nahe des Okklusions- bzw. Seklu-

sionspunktes

4.2 Vergleiche der Falle 27

(a) (b)

(c) (d)

Abbildung 4.12: Links: Vertikalschnitt GH durch die Fronten einer Norwegerzyklone am

03.12.2009 um 00:00 Uhr UTC (a) der aquivalentpotentiellen Temperatur [K] und (c) der vir-

tuellpotentiellen Temperatur [K]; Rechts: Vertikalschnitt KL durch die Fronten einer Hammer-

kopfzyklone am 18.11.2009 um 00:00 Uhr UTC (b) der aquivalentpotentiellen Temperatur [K]

und (d) der virtuellpotentiellen Temperatur [K]


(a)

0 200 400 600 800 1000 1200

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

x [km]

z [d

m]

276

276

276

276

278278

278

278

280

280

280

280

282

282

282

282

282

284

284

284

284

284

286

286

286

286

286

286

288

288

288

288

288

288

290

290

290

290

290

290

292

292

292

292

292

292

294

294

294

294

294

294

296

296

296

296

296

298

298

298

298

298

300

300

300

300

300

302

302

302

302

302

304

304

304

304

304

306

306306

306

306

308

308308

308

308310

310

310

310

312

312

312

314

G H

−0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

(b)

0 100 200 300 400 500 600 700

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

x [km]

z [d

m]

282

282284

284

286

286

286

288

288

288

288

290

290

290

290

290

292

292

292

292

292

294

294

294

294

294296

296

296

296

296

298

298

298

298

298

300

300

300

300

300

302

302

302

302

302

304

304

304

304

304

306

306

306

306

308

308

308

308

310

310

310

310

310

312

312312

312

314

314

314

316

K L

−0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

Abbildung 4.13: Vertikalschnitte der virtuellpotentiellen Temperatur [K] sowie ihres vertikalen

Gradienten [ K100m ]; Grafik (a) zeigt den Vertikalschnitt GH durch die Fronten einer Norweger-

zyklone am 03.12.2009 um 00:00 Uhr UTC. Grafik (b) zeigt den Vertikalschnitt KL durch die

Fronten einer Hammerkopfzyklone am 18.11.2009 um 00:00 Uhr UTC.


(a)

0 200 400 600 800 1000 1200

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

x [km]

z [d

m]

G H

80

90

100

(b)

0 100 200 300 400 500 600 700

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

x [km]

z [d

m]

K L

80

90

100

Abbildung 4.14: Vertikalschnitte der relativen Feuchte [%]; Grafik (a) zeigt den Vertikalschnitt

GH durch die Fronten einer Norwegerzyklone am 03.12.2009 um 00:00 Uhr UTC. Grafik (b)

zeigt den Vertikalschnitt KL durch die Fronten einer Hammerkopfzyklone am 18.11.2009 um

00:00 Uhr UTC.


(a)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

290

292

292

294

294

296

296

296

298

298

298

300

300

300

302

302

302

302

302

302304

304

304304

304

304

304

306

306

306

306

306

306

306

306

308

308

308308

308

308308

308

310

310

310

310310

310

310

310310

312

312

312

312

312

312

312

312

312

312

312

312

314

314

314

314314

314

314

314

314

314

316316

316

300

300

300

300

318

318

318

298

298

298

296 296

296

294

294

G Hx [km]

z [d

m]

272

274

276

278

280

282

284

286

288

290

292

294

296

298

300

302

304

306

308

310

312

314

316

318

320

322

324

326

328

330

332

334

(b)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

x [km]

z [d

m]

G H

80

90

100


(c)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

283

285

285

287

287

287

287

289

289

289

289

289

291

291

291

291

291

293

293

293

293

293

295

295

295

295

295

297

297

297

297

297

299

299

299299

299

301

301

301301

301

303

303303

303

303

305

305305

305305

307

307

307

307307

309

309309309

309311311

311

311

311 313313313

313

285

315

G Hx [km]

z [d

m]

267

269

271

273

275

277

279

281

283

285

287

289

291

293

295

297

299

301

303

305

307

309

311

313

315

317

319

321

323

Abbildung 4.15: Vertikalschnitt GH (a) der aquivalentpotentiellen Temperatur [K], (b) der

relativen Feuchte [%] und (c) der virtuellpotentiellen Temperatur [K] durch die Fronten einer

atypischen Norwegerzyklone am 01.12.2009 um 06:00 Uhr UTC


(a)

0 100 200 300 400 500

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

280

280

282

282

284

284284

286

286

286

286

288

288

288

288

288

290

290

290

290

290

292

292

292

292

292

292294

294

294294

294

294

296

296

296

296

296

296

298

298

298

298

298

298

300

300

300

300

300

300

302

302

302

302

302

302

304

304304

304

304

304

306

306

306

306

306

306

308

308

308

308

308

308

308

310

310

310

310

310

310312

312

312312

312

312

314314

314314

316

E Fx [km]

z [d

m]

272

274

276

278

280

282

284

286

288

290

292

294

296

298

300

302

304

306

308

310

312

314

316

318

320

322

324

326

328

330

332

334

(b)

0 100 200 300 400 500

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

x [km]

z [d

m]

E F

80

90

100


(c)

0 100 200 300 400 500

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

275

275

277

277

279

279

279279

279

281

281

281281

281

283

283

283283

283

285

285

285

285

285

287

287

287

287

287

289

289

289

289

289 291

291291

291

291

293

293293

293

293

295

295

295

295

295

297

297297

297

297

299

299

299

299

299

301

301

301

301

301

303303

303

303

303 305305

305

305305

307

307307

307307

309

309309

309309

311

311311311

E Fx [km]

z [d

m]

267

269

271

273

275

277

279

281

283

285

287

289

291

293

295

297

299

301

303

305

307

309

311

313

315

317

319

321

323

Abbildung 4.16: Vertikalschnitt EF (a) der aquivalentpotentiellen Temperatur [K], (b) der

relativen Feuchte [%] und (c) der virtuellpotentiellen Temperatur [K] durch den Okklusionspunkt

einer Norwegerzyklone am 03.12.2009 um 00:00 Uhr UTC


(a)

0 100 200 300 400 500 600

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

280

282

282

284

284

286

286

286

288

288

290

290

290

290

290

290

292

292

292

292

292

292

294

294

294

294

294

294

294 296

296

296

296296

296

296

296298

298

298

298

298

298298 300

300300

300

300

300 302302

302302

302

302

302

304

304304

304304

290

290

284

288

K Lx [km]

z [d

m]

272

274

276

278

280

282

284

286

288

290

292

294

296

298

300

302

304

306

308

310

312

314

316

318

320

322

324

326

328

330

332

334

(b)

0 100 200 300 400 500 600

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

x [km]

z [d

m]

K L

80

90

100


(c)

0 100 200 300 400 500 600

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

275

277

277

277

279

279

279279

281

281

281281

281

281

283

283

283

283

283

285

285

285

285

285

287

287

287

287

287

289

289289

289

289

291

291

291

291

291

293

293

293

293

293

295295

295

295

295

297297

297

297

297

299299

299299299

301

301301

301

301

303303

303

303

K Lx [km]

z [d

m]

267

269

271

273

275

277

279

281

283

285

287

289

291

293

295

297

299

301

303

305

307

309

311

313

315

317

319

321

323

Abbildung 4.17: Vertikalschnitt KL (a) der aquivalentpotentiellen Temperatur [K], (b) der

relativen Feuchte [%] und (c) der virtuellpotentiellen Temperatur [K] durch den Seklusionspunkt

einer Hammerkopfzyklone am 18.10.2009 um 18:00 Uhr UTC


(a)

0 100 200 300 400 500 600

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

294

294

296

296

298

298

300

300

300

300

302

302

302

302

304

304

304

304

306

306

306

306

306

308

308

308

308

308

308

308

308

310

310

310

310

310

310

310

310

310

310

310

310

310

312312

312

312

312

312312

312

312

312314

314

312

312

314314

308

312

312

308

C Dx [km]

z [d

m]

272

274

276

278

280

282

284

286

288

290

292

294

296

298

300

302

304

306

308

310

312

314

316

318

320

322

324

326

328

330

332

334

(b)

0 100 200 300 400 500 600

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

x [km]

z [d

m]

C D

80

90

100


(c)

0 100 200 300 400 500 600

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

285

285

287

287

287

289289

289289

291

291291

291291

293293293

293

293

295295

295

295

295

297297

297

297

297

299299

299

299

299

301301

301

301

301

303303303

303

303

305

305305

305

305

307

307307

307

307

309

309309

309

309

311311311

311313

C Dx [km]

z [d

m]

267

269

271

273

275

277

279

281

283

285

287

289

291

293

295

297

299

301

303

305

307

309

311

313

315

317

319

321

323

Abbildung 4.18: Vertikalschnitt CD (a) der aquivalentpotentiellen Temperatur [K], (b) der

relativen Feuchte [%] und (c) der virtuellpotentiellen Temperatur [K] durch den Seklusionspunkt

einer Hammerkopfzyklone am 15.08.2009 um 12:00 Uhr UTC


Die Okklusion bzw. Seklusion:

Die analysierten Okklusionen und Seklusionen hatten eine maximale Hohe zwischen 1600

Meter (Abb. 4.21) und 6000 Meter (Abb. 4.19) und eine Neigung von 1:20 bis 1:100. Somit

sind Okklusionen und Seklusionen wesentlich steiler als Kalt- oder Warmfron-

ten, die im Allgemeinen eine Neigung von ca. 1:100 bis 1:400 haben.

Okklusionen und Seklusionen bilden ahnliche dynamische Prozesse aus. Der

Horizontalschnitt in Abbildung 4.1 und der Vertikalschnitt AB in Abbildung 4.19 zeigen,

wie sich die Okklusion einer Norwegerzyklone am 05.08.2009 um ihr Zentrum wickelte.

Auch in Hammerkopfzyklonen kommt es zur Rotation um das Zentrum. In einer Ham-

merkopfzyklone am 24.11.2009 wickelte sich die Seklusion um das Zentrum (Abb. 4.10

und 4.20) und in der Hammerkopfzyklone am 18.10.2009 wickelte sich die Luftmasse vor

der Warmfront um das Zentrum (Abb. 4.8 und 4.21).

In den Fallstudien trat eine Norwegerzyklone auf, deren Okklusion atypische

Formen annahm. Anstatt sich rund um das Tiefdruckzentrum zu wickeln, bildete die

Okklusion einer Norwegerzyklone am 01.12.2009 die Form eines Hakens (Abb. 4.3), der

zum Tiefdruckzentrum reichte und ahnelte somit der Form einer Seklusion. Zum Fron-

tenbruch wie bei einer Seklusion kam es nicht. Die zugehorige Kaltfront (Abb. 4.15) war

deutlich ausgepragt.


(a)

0 500 1000 1500 2000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

296

296

298

298

300

300300

300

302

302302

302

302

304

304

304

304

306

306

306

306

308

308

308

308

308

308

308

308

310

310

310

310310

310

310

310

310

310

310

310310

310

310

310

310

310

310

310

310

310

310310

310

310

310

310

312

312

312

312

312

312

312

312

312

314

314

314

314314

314

314

314

308

308

308

308

308

308

308

312

312

312312

312

312

308

308

308

308

308

308

308

308

306

306

306

306

306

306

316

316

316

316

316

316

316

314

314

314

314

306

306

306

306

312

312

312

312

312

312

312

312

312

312

312

312

304

304

304

304

304

304

316

306

298

308

302

306

314

306

A Bx [km]

z [d

m]

272

274

276

278

280

282

284

286

288

290

292

294

296

298

300

302

304

306

308

310

312

314

316

318

320

322

324

326

328

330

332

334

(b)

0 500 1000 1500 2000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

x [km]

z [d

m]

283

285287

287

289

289

289

289

291

291

291

291

291

291

293

293

293293

293

295

295

295

295

295

297

297

297

297

297

299

299

299

299

299

301

301

301

301

301

303

303

303

303

303

305

305

305

305

305

305307

307

307

307

307

307309309

309 309

309

309311

311

311313

A B

−0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4


(c)

0 500 1000 1500 2000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

x [km]

z [d

m]

A B

80

90

100

Abbildung 4.19: Vertikalschnitt AB (a) der aquivalentpotentiellen Temperatur [K], (b) der

virtuellpotentiellen Temperatur [K] und ihres vertikalen Gradienten [ K100m ] und (c) der relativen

Feuchte [%] durch die eingewickelte Okklusion einer Norwegerzyklone am 05.08.2009 um 06:00

Uhr UTC; Zu beachten ist die Blickrichtung: Punkt A ist im Norden und Punkt B im Suden.


(a)

0 500 1000 1500

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

292

292

292

292

292

294

294

294

294

294

294

294

296

296

296296

296296

296

296

296296

296

296

296

296

296

296

296

298

298

298

298

298

298

298

298

298298

298

298

298

300

300

300

300

294

294

294

294294

302302

302 304

304

304

292

292

292

294

306

290

294

A Bx [km]

z [d

m]

272

274

276

278

280

282

284

286

288

290

292

294

296

298

300

302

304

306

308

310

312

314

316

318

320

322

324

326

328

330

332

334

(b)

0 500 1000 1500

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

x [km]

z [d

m]

282

282 282

282284

284

284

284

284

286

286286

286

286

288

288

288

288

288

290

290

290

290

290

292

292 292

292

292

292

294

294

294294

294

294

296

296

296

296

296

296

298

298298

298

298

298

300

300

300

302

302

304

A B

−0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4


(c)

0 500 1000 1500

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

x [km]

z [d

m]

A B

80

90

100



Feuchte [%] durch die Seklusion einer Hammerkopfzyklone am 24.11.2009 um 18:00 Uhr UTC,

die sich um das Tiefdruckzentrum wickelte


(a)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

276

278

280

280

282

282

282

284

284

284

284

286

286

286

286

286

288

288

288

288

288 290

290

290

290

290

290

290

292

292

292

292

292

292

292

292

292

294

294

294

294

294

294294

294

296

296

296

296

296

296296

296296

296

296

296

298

298

298

298

298

298

298

298

300300

300300

300

300

300

302

302

302

302

304

304 302

292

A Bx [km]

z [d

m]

272

274

276

278

280

282

284

286

288

290

292

294

296

298

300

302

304

306

308

310

312

314

316

318

320

322

324

326

328

330

332

334

(b)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

x [km]

z [d

m]

270

272

274

274

276

276

276

278

278

278

278

280

280

280

280

280

282

282

282

282

282

284

284 284284

284

286

286286 286

286

288

288288

288

288

290

290

290

290

290

292292

292

292

292

294294

294

294

294

296296

296

296

296

298

298

298

298

298

300

300

300

300

302

302

302 302

304

A B

−0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4


(c)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

x [km]

z [d

m]

A B

80

90

100



Feuchte [%] durch die Seklusion einer Hammerkopfzyklone am 18.10.2009 um 18:00 Uhr UTC;

Die Luftmasse vor der Warmfront wickelte sich um das Zentrum der Zyklone.


(a)

0 100 200 300 400 500 600 700

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

294

296

296

296

296

296

296

296296

296

296

296

298

298

298

298

298

298

298

298300

300

300

300

300

300

300

300

300

302

302

302

302

302

302

302

302

302 304

304

304

304

304

304

304

304

306

306

306

306

306

306

306

306 308

308

308

308

308

308

308

308

310310

310310310

294

294

294

312

M Nx [km]

z [d

m]

272

274

276

278

280

282

284

286

288

290

292

294

296

298

300

302

304

306

308

310

312

314

316

318

320

322

324

326

328

330

332

334

(b)

0 100 200 300 400 500 600 700

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

x [km]

z [d

m]

M N

80

90

100


(c)

0 100 200 300 400 500 600 700

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

283283

285285

285

287287

287287

287

287

289289

289

289

289

291

291

291

291

291 293

293

293

293

293

295

295295

295

295

297

297297

297

297

299

299299

299

299

301

301301

301

301303

303

303

303

303 305

305

305305

305

307

307

307

307

307 309

287

M Nx [km]

z [d

m]

267

269

271

273

275

277

279

281

283

285

287

289

291

293

295

297

299

301

303

305

307

309

311

313

315

317

319

321

323

Abbildung 4.22: Vertikalschnitt MN (a) der aquivalentpotentiellen Temperatur [K], (b) der

relativen Feuchte [%] und (c) der virtuellpotentiellen Temperatur [K] durch die Fronten einer

atypischen Hammerkopfzyklone am 24.11.2009 um 18:00 Uhr UTC

Kapitel 5

Diskussion

Die zehn im Kapitel 4 vorgestellten Okklusion und Seklusionen wurden zum Zeitpunkt

ihrer starksten Auspragung analysiert. Daher muss beachtet werden, dass die gefundenen

Unterschiede und Gemeinsamkeiten sich nur auf diesen einen Zeitpunkt beziehen, jedoch

nicht auf die gesamte Zyklonenentwicklung.

Nach Schultz und Vaughan (2011) gibt es in den ersten zwei Phasen der Entwick-

lung einer Norwegerzyklone sowie einer Hammerkopfzyklone kaum Unterschiede (Abb.

2.2). Nur der Winkel zwischen den Fronten ist bei einer Hammerkopfzyklone großer.

Wenn man den Okklusionsprozess allgemeiner als das Entfernen des Warmluftsektors

vom Tiefdruckkern beschreibt, so lassen sich in den weiteren Phasen die thermale

Struktur und die Entwicklung der beiden Zyklonenmodelle gut miteinander verbinden.

Die Ahnlichkeit von Norwegerzyklonen und Hammerkopfzyklonen zeigte sich auch in

den Fallstudien dieser Arbeit. Bevor sich die Fronten trafen, hatten diese vergleichbare

Strukturen. Die Luftmasse vor der Warmfront war in jedem beobachteten Fall kalter

und stabiler als die Luftmasse, die hinter der Kaltfront lag (Abb. 4.12 und 4.13). Dies

ist hochstwahrscheinlich darauf zuruckzufuhren, dass alle Okklusionen und Seklusionen

der Fallstudien einen Warmfrontcharakter hatten. Nach Stoelinga et al. (2002) tritt

eine Okklusion mit Warmfrontcharakter auf, wenn die Luftmasse vor der Warmfront

stabiler geschichtet ist als die Luftmasse hinter der Kaltfront. Okkludierte Fronten

mit Warmfrontcharakter treten laut Stoelinga et al. (2002) statistisch am haufigsten

auf, da die Luftmasse hinter der Kaltfront verschiedener labilisierender Prozesse wie

unterschiedliche Bewolkung oder Einstrahlung uber Land, unterschiedliche Warmeflusse

uber Meer, Reibungsprozesse etc. unterliegt.

In den begutachteten Fallen dieser Arbeit hatte die Luftmasse vor der Warmfront einen

virtuellpotentiellen Temperaturgradienten zwischen 0.3 und 0.8 K100m

und die Luftmasse

hinter der Kaltfront hatte einen virtuellpotentiellen Temperaturgradienten von 0.2 bis

0.4 K100m

. Sie bildeten zueinander ein Verhaltnis von 1:1.2 bis 1:2.

Die idealisierte Stabilitatsanalyse stimmte in allen zehn Fallen mit der subjektiven

47

48 Diskussion

Klassifizierung anhand aquivalentpotentieller Temperatur und relativer Feuchte uberein.

In den Fallstudienen traten verhaltnismaßig viele vorwarts geneigte Kaltfronten auf (Abb.

4.12b, 4.12d, 4.13b, 4.14b und 4.15). Drei der zehn analysierten Kaltfronten neigten sich

mit zunehmender Hohe in ihre Laufrichtung. Auch einige der anderen sieben Kaltfronten

turmten sich beinahe senkrecht auf (Abb. 4.17). Die Ursache dafur ist vermutlich die

Nahe der Kaltfronten zum Okklusions- bzw. Seklusionspunkt. So neigt sich die Kaltfront

eventuell schon vor dem Aufeinandertreffen mit der Warmfront in deren Richtung.

Vielleicht nimmt sie dabei den Charakter der zukunftig entstehenden Okklusion oder

Seklusion an. Um das Verhaltnis von Kaltfronten zum Charakter der entstehenden

Okklusionen oder Seklusionen genauer zu definieren, mussten zukunftige Studien auch

Okklusionen und Seklusionen mit Kaltfrontcharakter in die Vergleiche einbeziehen.

Deutlichere Unterschiede erkennt man in der Region des Okklusions- bzw. Seklusions-

punktes. Nach Godske et al. (1957) und Schultz et al. (1998) kommt es in der Kaltfront

einer Hammerkopfzyklone im nordlichen Teil nahe des Tiefdruckkerns zur Frontolyse.

Die Frontolyse in dieser Region entsteht durch das Absinken der unteren Troposphare

(Godske et al. 1957) und die dadurch entstandene horizontale Divergenz (Schultz et al.

1998) in den tiefen Schichten. Die Frontolyse fuhrt schließlich zum Frontenbruch, in dem

der horizontale Temperaturgradient markant schwindet. Zwar wurde der Prozess der

Frontolyse in dieser Arbeit nicht behandelt, jedoch sieht man deutlich dessen Auswirkung

auf den horizontalen Temperaturgradienten (Tab. 4.4) der Kaltfront einer Hammerkopf-

zyklone. In den aufeinandertreffenden Fronten ist die Kaltfront einer Norwegerzyklone

starker ausgepragt als ihre Warmfront (Abb. 4.16). Im Gegensatz dazu ist die Kaltfront

einer Hammerkopfzyklone schwacher ausgebildet als ihre Warmfront (Abb. 4.17). Zum

Teil ist die Kaltfront im Bereich des Frontenbruchs kaum noch erkennbar (Abb. 4.18).

Die analysierten Okklusionen und Seklusionen hatten eine ungefahre Hohe von 1600 bis

6000 Meter (Abb. 4.21 und 4.19) mit einer Neigung von 1:20 bis 1:100. Diese Neigung

ist wesentlich steiler als die Neigungen von Warm- oder Kaltfronten, die im Allgemeinen

zwischen 1:100 und 1:400 liegen. Nach Petterssen (1956) kann man eine Okklusion auch

als Kombination von Warm- und Kaltfront betrachten. Da Warm- und Kaltfront sich

normalerweise in entgegengesetzte Richtungen neigen, musste deren Kombination zu

einer steileren Neigung fuhren.

Die Vergleiche der Okklusionen und Seklusionen zeigen, dass in Norweger- und Ham-

merkopfzyklonen ahnliche dynamische Prozesse stattfinden. Das stutzt die Aussage von

Schultz und Vaughan (2011), dass Hammerkopfzyklonen unter allgemeinerer Betrachtung

des Okklusionsprozesses auch die thermische Struktur und Entwicklung von Norwe-

gerzyklonen aufweisen. Wie in Norwegerzyklonen (Abb. 4.1 und 4.19) rotieren auch in

Hammerkopfzyklonen Luftmassen um das Tiefdruckzentrum. In einer Hammerkopfzy-

klone am 24.11.2009 wickelte sich die Seklusion um ihr Zentrum (Abb. 4.10 und 4.20)

und in einer Hammerkopfzyklone am 18.10.2009 wickelte sich die Luftmasse vor der

49

Warmfront um ihr Zentrum (Abb. 4.8 und 4.21). Eine besondere Form einer Zyklone

stellte eine Norwegerzyklone am 01.12.2009 (Abb. 4.3) dar, welche eine Okklusion in

Form eines Hakens bildete, der bis zum Tiefdruckkern reichte, aber nicht um diesen

rotierte. Trotz der seklusionsahnlichen Okklusion hatte diese Zyklone eine normal

ausgepragte Kaltfront, in der es nicht zum Frontenbruch kam (Abb. 4.15). Dass Zyklone

mit atypischen Okklusionen oder Seklusionen haufiger vorkommen, zeigten Innes et al.

(2009). Sie beobachteten eine Zyklone von Marz 2007, deren Seklusion sowohl dem

Shapiro-Keyser-Zyklonenmodell als auch dem Norwegerzyklonenmodell zugeordnet

werden kann. Diese”Hybridzyklonen“ bekraftigen ebenfalls die Behauptung von Schultz

und Vaughan (2011), dass Norweger- und Hammerkopfzyklonen sehr ahnlich sind und

unter bestimmten Kriterien als ident betrachtet werden konnen. Innes et al. (2009)

fuhrten das Verhalten der von ihnen beobachteten Seklusion auf die orographische

Beeinflussung Gronlands zuruck. Ob orographische Einflusse auch die Ursache fur die

atypische Auspragung der Okklusion am 01.12.2009 waren, musste zukunftige Forschung

zeigen.

Diese Arbeit soll einen Grundstein fur kunftige Forschung legen. Interessante Fragen, die

sich in diesem Bereich stellen, sind:

• Wie unterscheiden sich Okklusionen und Seklusionen in verschiedenen Entwicklungs-

stadien?

• Wie wirken sich benachbarte Frontensysteme auf die Entwicklung von Seklusionen

und Okklusionen aus?

• Wie unterscheiden sich Okklusionen und Seklusionen in Bezug auf Niederschlag,

Luftruck und Wind?

• Wirkt sich der Okklusionscharakter auf die Neigung der Kaltfront aus?

50

Literaturverzeichnis

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atmospheric circulation. Monthly Weather Review, 50, 468–473.

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Innes, H. M., J. E. Kristjansson, H. Schyberg, und B. Røsting, 2009: An assessment of a

Greenland lee cyclone during the Greenland Flow Distortion experiment: An observa-

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Ortner, M., 2011: Okklusionen: Warm- oder Kaltfrontcharakter? Fallstudien zur pra- und

postfrontalen Stabilitat unter Verwendung der ECMWF Analysedaten. M.S. thesis,

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Petterssen, S., 1956: Weather Analysis and Forecasting: Motion and Motion Systems, Vol

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Saucier, W. J., 1955: Principles of Meteorological Analysis. University of Chicago Press,

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Schultz, D. M., D. Keyser, und B. L. F., 1998: The Effect of Large-Scale Flow on Low-Level

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52 LITERATURVERZEICHNIS

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aufgerufen am 01.02.2012.

http://www.uibk.ac.at/zid/systeme/hpc-systeme/

Abbildungsverzeichnis

2.1 Schematische Darstellung des Verlaufs (a-h) einer Okklusion nach Bjerknes

und Solberg (1922). Durchgezogene Linien: Stromung; Strichlierte Linien:

Bodenfronten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.2 Schematische Darstellung (Schultz und Vaughan 2011) der Entwicklung

einer Shapiro-Keyser-Zyklone (a) und einer Norwegerzyklone (b); Oben:

Geopotentielle Hohe des 850 mb Levels; farbige Linien: Fronten; Unten:

Zugehorige Isotermen der potentiellen Temperatur . . . . . . . . . . . . . . 5

2.3 Modifizierte Darstellung (Shapiro et al. 1999) der Bildung verschiedener

Zyklonentypen verursacht durch die Lage der Jetstreams . . . . . . . . . . 6

2.4 Vertikalschnitte durch eine Warm-Typ-Okklusion (links) und eine Kalt-

Typ-Okklusion (rechts) von Saucier (1955). Linien: pot. Temperatur sowie

Frontengrenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.5 Vertikalschnitt der potentiellen Temperatur [θ] durch eine idealisierte Ok-

klusion nach Stoelinga et al. (2002); blaue Linie: Kaltfront; rote Linie:

Warmfront; pinke Linie: Okklusion; Luftmasse 2 ist stabiler als Luftmasse

1, weil der vertikale Gradient der potentiellen Temperatur in Luftmasse 2

großer als der in Luftmasse 1 ist:

(∂Θ

∂z

)2

>

(∂Θ

∂z

)1

. . . . . . . . . . . . 9

2.6 Vertikalschnitt CD (a) der relativen Feuchte [%], (b) der aquivalentpotenti-

ellen Temperatur [K] und (c) der virtuellpotentiellen Temperatur [K] durch

eine Okklusion am 25.10.2009 um 06:00 Uhr UTC; eingezeichnet: Lage der

Fronten und deren Laufrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.1 Vertikalschnitt der virtuellpotentiellen Temperatur [K] (schwarze Isolinien)

und ihres vertikalen Gradienten [ K100m

] (farbig dargestellt); In den untersten

50 Metern ist aufgrund der Differenzenbildung kein vertikaler Gradient der

virtuellpotentiellen Temperatur geplottet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

4.1 Okklusion am 05.08.2009 um 06:00 Uhr UTC . . . . . . . . . . . . . . . . . 16




53

54 ABBILDUNGSVERZEICHNIS


4.6 Seklusion am 15.08.2009 um 12:00 Uhr UTC . . . . . . . . . . . . . . . . . 18





4.11 Vertikalschnitt CD (a) der virtuellpotentiellen Temperatur [K] und ihres

vertikalen Gradienten [ K100m

], (b) der relativen Feuchte [%] und (c) der aqui-

valentpotentiellen Temperatur [K] durch die Seklusion einer Hammerkopf-

zyklone am 18.10.2009 um 18:00 Uhr UTC . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.12 Links: Vertikalschnitt GH durch die Fronten einer Norwegerzyklone am

03.12.2009 um 00:00 Uhr UTC (a) der aquivalentpotentiellen Temperatur

[K] und (c) der virtuellpotentiellen Temperatur [K]; Rechts: Vertikalschnitt

KL durch die Fronten einer Hammerkopfzyklone am 18.11.2009 um 00:00

Uhr UTC (b) der aquivalentpotentiellen Temperatur [K] und (d) der vir-

tuellpotentiellen Temperatur [K] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.13 Vertikalschnitte der virtuellpotentiellen Temperatur [K] sowie ihres verti-

kalen Gradienten [ K100m

]; Grafik (a) zeigt den Vertikalschnitt GH durch die

Fronten einer Norwegerzyklone am 03.12.2009 um 00:00 Uhr UTC. Grafik

(b) zeigt den Vertikalschnitt KL durch die Fronten einer Hammerkopfzy-

klone am 18.11.2009 um 00:00 Uhr UTC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.14 Vertikalschnitte der relativen Feuchte [%]; Grafik (a) zeigt den Vertikal-

schnitt GH durch die Fronten einer Norwegerzyklone am 03.12.2009 um

00:00 Uhr UTC. Grafik (b) zeigt den Vertikalschnitt KL durch die Fronten

einer Hammerkopfzyklone am 18.11.2009 um 00:00 Uhr UTC. . . . . . . . 29

4.15 Vertikalschnitt GH (a) der aquivalentpotentiellen Temperatur [K], (b) der

relativen Feuchte [%] und (c) der virtuellpotentiellen Temperatur [K] durch

die Fronten einer atypischen Norwegerzyklone am 01.12.2009 um 06:00 Uhr

UTC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4.16 Vertikalschnitt EF (a) der aquivalentpotentiellen Temperatur [K], (b) der


den Okklusionspunkt einer Norwegerzyklone am 03.12.2009 um 00:00 Uhr

UTC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.17 Vertikalschnitt KL (a) der aquivalentpotentiellen Temperatur [K], (b) der


den Seklusionspunkt einer Hammerkopfzyklone am 18.10.2009 um 18:00

Uhr UTC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

ABBILDUNGSVERZEICHNIS 55

4.18 Vertikalschnitt CD (a) der aquivalentpotentiellen Temperatur [K], (b) der


den Seklusionspunkt einer Hammerkopfzyklone am 15.08.2009 um 12:00

Uhr UTC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.19 Vertikalschnitt AB (a) der aquivalentpotentiellen Temperatur [K], (b) der

virtuellpotentiellen Temperatur [K] und ihres vertikalen Gradienten [ K100m

]

und (c) der relativen Feuchte [%] durch die eingewickelte Okklusion einer

Norwegerzyklone am 05.08.2009 um 06:00 Uhr UTC; Zu beachten ist die

Blickrichtung: Punkt A ist im Norden und Punkt B im Suden. . . . . . . . 40



]

und (c) der relativen Feuchte [%] durch die Seklusion einer Hammerkopfzy-

klone am 24.11.2009 um 18:00 Uhr UTC, die sich um das Tiefdruckzentrum

wickelte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42



]

und (c) der relativen Feuchte [%] durch die Seklusion einer Hammerkopfzy-

klone am 18.10.2009 um 18:00 Uhr UTC; Die Luftmasse vor der Warmfront

wickelte sich um das Zentrum der Zyklone. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.22 Vertikalschnitt MN (a) der aquivalentpotentiellen Temperatur [K], (b) der


die Fronten einer atypischen Hammerkopfzyklone am 24.11.2009 um 18:00

Uhr UTC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

56

Danksagung

An dieser Stelle mochte ich allen Menschen danken, durch die diese Arbeit erst entstehen

konnte.

Besonders bedanken mochte ich mich bei meinem Betreuer Dr. Georg Mayr (IMGI), der

immer wieder Zeit fur mich geopfert hat, und stets versuchte, mir mit Denkanstoßen bei

Problemstellungen weiterzuhelfen. Seine fachliche Kompetenz, nicht nur in der Synoptik,

sondern auch im Umgang mit verschiedenen Programmen, beeindruckt mich immer

wieder. Dabei gelingt es ihm, selbst die kompliziertesten Zusammenhange moglichst

einfach zu vermitteln.

Des Weiteren danke ich Mag. Martin Ortner, der mir fur diese Arbeit seine aufwandigen

MATLAB R© Funktionen zur Verfugung stellte und mir weiterholf, wenn das Programm

wieder nicht so wollte wie ich.

Ich danke dem ECMWF fur die Bereitstellung der Daten und dem Zentralen Informa-

tionsdienst der Universitat Innsbruck und ihren Mitarbeitern Dr. Sabine Kreidl und

Dip.-Ing. Gerhard Niederwieser, die es mir erst ermoglicht haben, meine Daten mithilfe

der Hochleistungscomputer zu berechnen.

Auch meinen Kommilitonen Christian und Lisi mochte ich danken, da ich mit ihnen eine

schone Studienzeit hatte. Wir haben so manchen Lernnachmittag miteinander verbracht,

und egal ob es sich um Probleme mit MATLAB R©, Latex und co. oder um den taglichen

Tratsch handelte, sie hatten immer fur mich Zeit.

Zu guter Letzt danke ich meiner Familie, besonders meinen Eltern, die mich wahrend

meines Studiums finanziell unterstutzt haben und die ich aufgrund der großen Entfernung

viel zu selten sehe, meiner Schwester Tina, die mir mit der Rechtschreibung behilflich

war, obwohl sie selbst genugend Stress im Studium und im Berufsleben hat, meiner

Freundin Verena, die fur mich in stressigen Zeiten stets ein Ruhepol war und ihrer

Mutter Herma, bei der ich seit einem halben Jahr wohne und die ich schon fast zu meiner

Familie zahle.

Vielen Dank euch allen!!!

57

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Eidesstattliche Erklarung

Ich erklare an Eides statt durch meine eigenhandige Unterschrift, dass ich die vorliegende

Arbeit selbststandig verfasst und keine anderen als die angegebenen Quellen und

Hilfsmittel verwendet habe. Alle Stellen, die wortlich oder inhaltlich den angegebenen

Quellen entnommen wurden, sind als solche kenntlich gemacht.

Die vorliegende Arbeit wurde bisher in gleicher oder ahnlicher Form noch nicht als

Magister-/Master-/Diplomarbeit/Dissertation eingereicht.

Innsbruck, Marz 2012

Unterschrift

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Vergleiche zwischen Okklusionen in Norwegerzyklonen und … · 2019. 11. 20. · F ur die Fallstudien werden je f unf Okklusionen von Norwegerzyklonen und f unf Seklusio-nen von Hammerkopfzyklonen