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Relative und absolute Topographie - Definition

Geschrieben von: Felix Welzenbach
Datum: 6. März 2007, 11:01 Uhr


Relative und Absolute Topographie - Bedeutung und Verwendung in der Prognose



Einleitung: -- In der synoptischen Meteorologie tauchen immer wieder Begriffe wie relative Topographie, thermischer Wind, geostrophischer Wind und Schichtdicke auf. Mithilfe spezieller Modellkarten lassen sich diese darstellen und erfahren in der synoptischen Vorhersage Anwendung, um die Advektion meteorologisch relevanter Größen festzustellen.

Absolute Topographie


Die absolute Topographie ist die absolute Höhe einer Geopotentialfläche, z.B. 500hPa. Die Höhenangabe erfolgt in geopotentiellen Dekametern [gpdm]. Ihre Einheit ist [m²/s²] oder [J/kg]. Die wichtigsten Höhenkarten für die absolute Topographie sind 300hPa [Wind], 500hPa [Vorticity], 700hPa [Feuchte] und 850hPa [Temperatur].

Relative Topographie


Die relative Topographie stellt die Änderung des Geopotentials mit der Höhe dar. Am gebräuchlichsten ist hierbei die relative Topographie zwischen 500hPa und 1000hPa. Die von beiden Druckflächen eingeschlossene, vertikale Schicht(ung) ist von deren mittleren Temperatur abhängig, was aus der umgeformten hydrostatischen Grundgleichung herleitbar ist. Eine Änderung der geopotentiellen Höhe der relativen Topographie ist dann mit einer Änderung der Schichtdicke gleichzusetzen.

Schichtdickenadvektion


Die zeitliche und räumliche Änderung der Schichtdicke ist die Schichtdickenadvektion (engl. thickness advection). Wenn die mittlere Schichttemperatur zunimmt, nimmt die Schichtdichte ab und die Schichtdicke zu. Die vertikale Luftsäule wird gestreckt, d.h. Luft gelangt bis in die höheren Troposphärenschichten. Bei einer Zunahme des Windes mit der Höhe wird in der Höhe mehr Masse abtransportiert als unten nachströmen kann. Die Positive Schichtdickenadvektion (PSA) führt also zu einer Höhendivergenz und unmittelbar folgender Bodenkonvergenz mit Druckfall am Boden und aufsteigenden Luftmassen (Hebung). Analog bei Negativer Schichtdickenadvektion (NSA) mit Stauchung der Luftsäule. Die Schichtdickenadvektion bezieht sich im Gegensatz zur Temperaturadvektion auf eine hochreichende Schicht, nicht nur auf eine bestimmte Druckflächenhöhe.

Geostrophischer Wind


Der geostrophische Wind ist das Resultat aus einem Gleichgewicht zwischen der Druckgradientkraft und der Corioliskraft. Durch die Ableitung der absoluten Topographie erhält man den Geopotentialgradienten und damit den geostrophischen Wind [m/s]. Er weht damit parallel zu den Isohypsen (Linien gleicher Druckflächenhöhe).

Thermischer Wind


Der thermische Wind ist das Resultat aus der Änderung des geostrophischen Windes mit der Höhe. Da aber der geostrophische Wind an die Druckfläche gekoppelt ist und die relative Topographie die Änderung der Höhe zweier Druckflächen darstellt, stellt die Ableitung der relativen Topographie mit dem Geopotentialgradienten den thermischen Wind dar [m/s]. Er weht damit parallel zu den Isohypsen der relativen Topographie.

Advektion


Dort, wo sich thermischer und geostrophischer Wind schneiden, herrscht Advektion. Advektion kommt von lateinisch heranführen und bedeutet den Transport einer meteorologischen Größe, z.B. Feuchte, Temperatur, Vorticity, Energie, mit der Strömung. Je stärker der Winkel, unter dem sich die Winde schneiden, desto stärker die Advektion - in diesem Fall die Temperatur- und Vorticityadvektion.

Temperaturadvektion bezieht sich auf die zeitliche Änderung der Temperatur auf einer bestimmten Druckfläche (z.b. Kaltluft- und Warmluftadvektion in 850hPa). Die räumliche Änderung der Temperatur lässt sich aus den 850hPa-Temperaturkarten ablesen.
Ähnlich verhält es sich mit der Vorticityadvektion, meist als absolute Vorticityadvektion (der Summe aus relativer Vorticity und Erdvorticity) in den Karten dargestellt. Ausführliche Erläuterungen zur Vorticity finden sich hier.

Vorticity- und Temperaturadvektion mit gleichem Vorzeichen führen entweder zu Hebung oder zu Absinken. Sie können sich gegenseitig aufheben (Advektionsfrei), entgegenwirken oder überlagern.

Beispiele zur Feststellung von Advektion


Die folgenden Modellprognosekarten zeigen alle denselben Vorhersagetermin des GFS-Modells für t+144h. Es soll anhand vier verschiedener Methoden exemplarisch aufgezeigt werden, wie man Advektionsvorgänge bei der Verwendung von Modellkarten feststellen kann:

a) 850hPa- ThetaE, Bodendruck



Die erste Karte zeigt anhand der Drängungslinien der Isentropen (Linien gleicher [äqui]potentieller Temperatur) die Lage der Fronten. Ein steuerndes Tiefdrucksystem über dem Nordatlantik, das aus mehreren Tiefdruckzentren besteht, lenkt kühle und trockene Luft in Richtung der Britischen Inseln. Die Kaltfront befindet sich dabei an der Vorderkante der Drängungszone entlang der Warmluft. Sie reicht bis in das Hochdruckgebiet über dem Westatlantik hinein. Erst dann schwächt sie sich deutlich ab.

Von der Norwegischen See über Skagerrak und Kattegat bis nach Sachsen nimmt die Temperatur hingegen deutlich zu. Die Warmfront ist ebenfalls auf die warme Seite der Drängungszone zu legen. Im günstigen Fall wie hier fallen zyklonaler Isobarenknick und Drängungszone zusammen. Gerade in den Sommermonaten, wenn sich zur Kaltfront vorlaufende Konvergenzlinien bilden, befindet sich der Isobarenknick vor der Drängungszone. Die Kaltfront hinkt hinterher.


Die deutliche Zunahme der ThetaE-Werte hinter der Warmfront lässt auf Warmluftadvektion und die deutliche Abnahme der ThetaE-Werte hinter der Kaltfront auf Kaltluftadvektion schließen.


b) 850hPa- Temperaturadvektion




Eine weitere Möglichkeit, Advektion zu erfassen, sind die 850hPa-Temperaturadvektionskarten. Sie zeigen die zeitliche Änderung der Temperatur über einem bestimmten Gebiet in Kelvin pro Stunde. Hierdurch bildet sich das Frontensystem über Europa sehr eindeutig ab. Die Kaltfront geht mit einer starken Temperaturabnahme einher. Die Warmfront mit einer - wenn auch schwächeren - Temperaturzunahme.

Die Lage der Okklusionsfront verläuft etwa entlang der leichten Temperaturzunahme nördlich des Okklusionspunktes. In der Regel befindet sich vor der Okklusionsfront ein breiter Warmsektor bzw. Aufgleitbereich. Auch dieser stellt sich hier über der Norwegischen See und Skandinavien gut dar.

Auffallend ist darüber hinaus der Temperaturrückgang jeweils nach den Fronten (mit Niederschlag, Abkühlung verbunden) und die Temperaturzunahme vor der Front, bei der Kaltfront ist der Gegensatz hier besonders ausgeprägt. Außerdem reicht dessen negative Temperaturänderung sichtbar als hellblaues Band bis in das Hochdruckgebiet hinein - damit ein weiterer Indikator für eine bis dahin wetteraktive Kaltfront, ob nun durch Niederschläge oder flache Quellwolken.

c) 500hPa- Relative und absolute Topographie, Bodendruck


Die Karte ist für die Feststellung von Advektion ein probates Mittel, ohne auf die tieferen Niveaus schauen zu müssen. Der geostrophische Wind (rot) weht parallel zu den Isohypsen (schwarz) und weist über den Britischen Inseln eine Südwest- Nordostausrichtung auf. Der thermische Wind (weiß) weht hingegen parallel zu den Isohypsen der relativen Topographie (farbig) und schneidet damit den geostrophischen Wind. Das Vorzeichen der Schichtdickenadvektion ergibt sich aus der Strömungsrichtung, die eine Abnahme der Schichtdicke von Nordwesten nach Südosten erkennen lässt. Folglich herrscht NSA. Da aber auch die Bodenisobaren den thermischen Wind schneiden, herrscht tiefreichende NSA und damit Kaltluftadvektion.

Stromabwärts ist der weiße Pfeil am falschen Ende mit der Spitze beschriftet. Er zeigt natürlich ebenso wie der geostrophische Wind stromabwärts. Auch hier schneiden sich beide Winde. Mit der Strömung folgend erhöht sich die Schichtdicke der relativen Topographie zwischen 500 und 1000hPa. Folglich herrscht PSA. Die Bodenisobaren kreuzen den thermischen Wind ebenfalls, wenn auch schwächer und daraus resultiert (schwächere) Warmluftadvektion, wie es bereits weiter oben aufgezeigt wurde.

Die Vorticityadvektion findet im Gegensatz zur Temperaturadvektion nur in den Drängungsbereichen der relativen Topographie statt, d.h. dort, wo sich die Winde schneiden, herrscht jeweils zyklonale Vorticityadvektion und damit Hebung.

Bei der Parallelität von Bodenisobaren, Isohypsen und thermischen Wind ist die Atmosphäre hochreichend advektionsfrei. Da diese aber selten vollkommen parallel sind, herrscht immer etwas Advektion je nach der Höhe der betrachteten Druckfläche.

d) 500hPa- Schichtadvektion


Die letzte Karte zeigt die Schichtdickenadvektion selbst, d.h. die zeitliche Schichtdickenänderung zwischen 1000hPa und 500hPa und demzufolge hochreichend in der Atmosphäre.

Die PSA ist hier im Bereich der Keilachse über Nordeuropa am Stärksten, mit einem Maximum zum Okklusionspunkt hin verschoben, wo sich gestrophischer und thermischer Wind am Stärksten schneiden. Die Okklusionsfront ist ebenfalls anhand der PSA erkennbar.
Die NSA zeigt ihr Maximum entlang der Trogachse bzw. leicht davor. In beiden Fällen gilt, dass die Advektion bereits vorlaufend zur Bodenfront einsetzt, d.h. in der Höhe bereits wärmere Luft (Warmfront , Aufgleiten, Cirrus) bzw. kältere Luft (Höhenkaltfront, labilisierung, Schauer) vorstößt. Bei der Warmfront ist dieser Prozess deutlich weiter stromabwärts ausgeweitet als bei der Kaltfront, bei der es nur "Schlieren" von NSA gibt.

Die Intensität der PSA in Koinzidenz mit der zyklonalen Vorticityadvektion weist auf mächtige Hebungsvorgänge im Warmfrontbereich hin. Wenn wir uns an die positive Temperaturadvektion knapp vor der Kaltfront aus Beispiel b) erinnern, dann sieht man, dass die Schlieren der NSA diese überlagern, d.h. die Höhenkaltluft die wärmere Bodenluft labilisiert.

Quellen u.a.



Bei der Interpretation gerade in den letzten beiden Karten bin ich mir nicht 100% sicher, auch sonst bitte melden, wenn was faul ist. Dann überarbeit ich den Artikel nochmal.

Gruß und danke,

Nordkette.

9.Januar 2007

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