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Mit dem Supertrog in den Winter? (aktualisiert am 31.Okt.2008)

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Für Ende Oktober kündigt sich eine recht interessante Wetterentwicklung an. In dem außerordentlich stark mäandernden Polarfrontjetstream entwickelt sich nach dem Modell des amerikanischen Wetterdienstes über Westeuropa ein Trog mit extrem hoher Amplitude (Schwingungsweite), der uns wahrscheinlich den ersten Wintereinbruch bringt.

Der Jetstream

Der Polarfrontjetstream bildet sich an der Grenze (Polarfront) zwischen (sub)tropischer Warmluft und polarer Kaltluft, wo die beiden aufeinander treffenden Luftmassen unter dem Einfluss der Erdrotation in entgegen gesetzten Richtungen aneinander vorbeiströmen. Wegen des großen Temperaturunterschiedes zwischen beiden Luftmassen und des damit einhergehenden mit der Höhe immer mehr zunehmenden Luftdruckgefälles (Warmluft hat eine größere vertikale Ausdehnung als Kaltluft, so daß in einer Luftsäule mit zunehmender Höhe der Luftdruck dementsprechend langsamer zurückgeht!) entsteht ein starker Höhenwind (Jetstream), der aber aufgrund der Erdrotation (Corioliskraft) nicht polwärts gerichtet ist, sondern zu einem Westwind umgelenkt wird, der sich bis zum Boden hin durchsetzt (Westwindzone, Westdrift). Wenn der Jetstream eine kritische Strömungsgeschwindigkeit überschreitet, fängt er an zu mäandern. Es bilden sich Rossby-Wellen mit Hochkeilen (Wellenberge mit Warmluft) und Höhentrögen (Wellentäler mit Kaltluft). Ursache sind kleine Abweichungen im Temperatur- und Druckgefälle (Gradient) zwischen den verschiedenen Streckenabschnitten des Jetstreams.

Ausgehend von der aktuellen Wetterlage soll sich nach der Vorhersage des amerikanischen Wetterdienstes das Wettergeschehen wie folgt weiterentwickeln…

Die aktuelle Wetterlage

Wetterlage heute, am 26.Oktober 2008 18:00 Uhr UTC …

In der Höhenkarte des amerikanischen Wetterdienstes sind die Windrichtungen (Pfeile) und Windgeschwindigkeiten (farbcodiert) 300 hPa – Fläche eingezeichnet. Der Verlauf des mäandernden Jetstreams ist anhand der Farbcodierung gut zu erkennen. Die 300 hPa – Fläche befindet sich in einer Höhe in der der Luftdruck auf 300 hPa zurückgegangen ist. Da sich warme Luft in der Vertikalen mehr ausdehnt als kalte Luft, sinkt in einer warmen Luftsäule der Luftdruck mit zunehmender Höhe dementsprechend langsamer. Je wärmer also die Luft, umso größer die Höhe in der der Luftdruck auf 300 hPa zurückgegangen ist. Man erhält dann eine 300 hPa-Fläche in Form einer “Landschaft” mit “Bergen” und “Tälern”. Diese Fläche befindet sich ungefähr auf gleicher Höhe mit dem Jetstream in der oberen Troposphäre.

… und das dazugehörige Satellitenbild von Meteosat.  Quelle: http://www.metoffice.gov.uk/

Die Infrarotaufnahme des europäischen Wettersatelliten Meteosat bildet die unsichtbare Wärmestrahlung ab, die vom Land, den Wasserflächen und den Wolken ausgeht. Warme Objekte erscheinen dunkel, kalte Objekte dagegen hell. Aus den Helligkeiten der Objekte ist somit ein direkter Rückschluss auf deren Temperatur möglich. Infrarotbilder gelingen auch in der Dunkelheit der Nacht, denn im Gegensatz zum sichtbaren Licht ist die Wärmestrahlung immer vorhanden. Quellwolken (Cumulus), die sich bis in große Höhen auftürmen wie ganz besonders die Gewitterwolken (Cumulonimbus), sind wegen der mit der Höhe abnehmenden Lufttemperatur an ihrer Oberseite relativ kalt und erscheinen daher hell. Dasselbe gilt für die nur in großer Höhe entstehenden Eiswolken (Cirrus). Die Wolken in niedrigen Höhen sind dagegen jedoch schon fast genauso warm wie die Erdoberfläche darunter und erscheinen somit ähnlich dunkel.

 

Der Super-Trog I (Die Wettervorhersage)

In den kommenden Tagen soll der Trog über dem Nordatlantik nach Westeuropa schwenken und sich dann immer mehr nach Süden ausweiten:

Wetterlage am 27. Oktober 2008 18:00 Uhr UTC

Wetterlage am 30. Oktober 2008 12:00 Uhr UTC

Wir bekommen also einen Super-Trog, dessen Achse sich über Frankreich, die Iberische Halbinsel bis nach Marokko erstreckt. Im Bereich der Trogachse erreicht die Höhenströmung des Jetstreams maximale Krümmungs- und (Wind)Scherungsvorticity (Vorticity = Wirbelhaftigkeit, Wirbelstärke), also maximale Relative Vorticity (auf die ruhende Erde bezogen) bei minimaler Erdvorticity, die durch die Eigenrotation der Erde verursacht wird (Die Corioliskraft nimmt in Richtung Äquator ab!). Relative Vorticity und Erdvorticity ergeben zusammen die stets Absolute Vorticity, die beim Übergang von der Trogachse zur Trogvorderseite immer konstant bleibt. Auf der Vorderseite des Troges (bei einer Westströmung die Ostseite) nehmen Krümmung und Windscherung, also auch die Relative Vorticity wieder ab und die Erdvorticity dementsprechend zu (die Corioliskraft wird in Richtung Pol stärker!). Die schwache Krümmung des Jetstreams auf der Vorderseite des Troges zeigt also den Abbau positiver Relativer Vorticity zugunsten einer zunehmend stärkeren Erdvorticity an. Der Abbau von Relativer Vorticity auf der Trogvorderseite erfolgt durch Auseinanderweichen der Luft (horizontale Divergenz) vor allem im Jetstream, weil dort die Windgeschwindigkeiten am größten sind. Der Durchmesser einer beliebigen Luftsäule auf der Trogvorderseite vergrößert sich dadurch, und die Relative Vorticity nimmt dementsprechend ab. Der Drehimpuls der Luftsäule, die Potentielle Vorticity bleibt dabei allerdings erhalten.

Die Sache funktioniert so ähnlich wie bei einem Eiskunstläufer, der sich langsamer dreht, also weniger herumwirbelt, wenn er seine Arme ausstreckt und sein Gesamtdrehimpuls dabei unverändert bleibt. Durch die Höhendivergenz verliert die Luftsäule an Masse, so daß am Boden der Luftdruck fällt. Von ringsherum wird Luft angesaugt (Konvergenz in Bodennähe), und es bildet sich ein aufwärts gerichteter Tiefdruckwirbel und dadurch auch eine Wellenstörung an der Polarfront Davon ausgehend bilden sich Warm- und Kaltfront. Warm- und Kaltluft werden miteinander verwirbelt und so ein Temperaturausgleich der beiden Luftmassen herbeigeführt. Ein dynamisches Tiefdruckgebiet ist geboren. Die Luft in einem Tief wird gehoben, kühlt dabei ab, und bei ausreichender Luftfeuchtigkeit bilden sich Wolken und häufig kommt es auch zu Niederschlägen (Schlechtwetter). Der Jetstream steuert wiederum die Zugbahnen der dynamischen Tiefs und bestimmt so maßgeblich das Wettergeschehen in seinem Einflussbereich. Hochdruckgebiete entstehen übrigens durch genau entgegen gesetzte Vorgänge an der Trogrückseite (bzw. Keilvorderseite). Hier wird durch Zusammenziehen der Luft (horizontale Konvergenz) der Durchmesser einer beliebigen Luftsäule verringert und so Relative Vorticity (bei abnehmender Erdvorticity) aufgebaut. Wiederum bleibt die Potentielle Vorticity erhalten. Das entspricht diesmal einem sich drehenden Eisläufer, der seine Arme anzieht und dadurch langsamer herumwirbelt. Aus der Höhenkonvergenz entwickelt sich ein abwärts gerichteter Hochdruckwirbel, in dem sich die absinkende Luft erwärmt, so daß die Wolkenbildung erschwert ist (Schönwetter).

Mit dem Trog gelangt polare Kaltluft sehr weit in den Süden. Das führt zu einem massiven Wintereinbruch, vielerorts mit Temperaturen unter dem Gefrierpunkt:

Temperaturen am 30. Oktober 2008 06.00 Uhr UTC

Die zu erwartenden Niederschläge dürften vielerorts, vor allem aber in den entsprechenden Höhenlagen schon als Schnee ankommen. Da die durch den Jetstream und seinen Trog herangeführten Luftmassen über dem Atlantik viel Feuchtigkeit aufnehmen können, muss die Sahara, wie schon so oft in letzter Zeit, vor allem am 1. November 2008 mit sehr ergiebigen Regenfällen rechnen, wie das auch die Niederschlagssummenprognosekarte sehr beeindruckend zeigt:

Niederschläge am 01. November 2008

Vor allem in den Gebieten mit maximaler Konvektion ist mit heftigen Gewittern und sogar Hagel zu rechnen.

Am 1. November soll sich auch ein Kaltlufttropfen an der Trogspitze ablösen, um auf die Warmluftseite überzuwechseln.

Wetterlage am 1. November 2008 12:00 Uhr UTC

Das passiert, weil in einem stark mäandernden Jetstream die Windgeschwindigkeiten oft soweit abnehmen bis die Höhenströmung schließlich mehr oder weniger zusammenbricht. Dabei können sich kalte Tiefdruckwirbel (Kaltlufttropfen) aus einem Trog abspalten, denn polwärts erneuert sich die Höhenströmung wieder als nur schwach mäandernder Jetstream  mit entsprechend hohen Windgeschwindigkeiten. Kaltlufttropfen sind in ihrer wärmeren Umgebungsluft dynamisch stabil, denn in allen Höhenlagen ist der Luftdruck im Wirbel niedriger als außerhalb. Gelangen sie über eine warme Wasseroberfläche, so können sie viel Energie in Form von latenter Wärme aufnehmen, die bei der Wolkenbildung als Kondensationswärme wieder frei wird. Dadurch  gewinnen sie enorm an Kraft. Sind die Wassertemperaturen ausreichend hoch, so kann sogar eine Art Wirbelsturm zustande kommen. Im Einflußbereich von Kaltlufttropfen gibt es oft Unwetter.

Exkurs: Wie kommt es zum Super-Trog?

Zu einem stark mäandernden Jetstream kommt es immer dann, wenn der Temperaturgradient an der Polarfront abnimmt und damit auch die Windgeschwindigkeiten im Jetstream sinken. Das passiert beispielsweise bei einer Abschwächung des Golfstromes, wodurch die Temperaturen auf der Warmluftseite der Polarfront zurückgehen. Der Temperaturunterschied zur polaren Kaltluftseite ist dann nicht mehr so groß. Islandtief und Azorenhoch, die mit dem Heranführen polarer Kaltluft und (sub)tropischer Warmluft die Polarfront verstärken und so indirekt auch den Jetstream antreiben, werden dadurch schwächer. Ein stark mäandernder Jetstream entspricht der negativen Phase der Nordatlantischen Oszillation (negativer NAO-Index) und hat tiefgreifende Auswirkungen auf das Klima im gesamten nordatlantischen Raum. Die Nordatlantische Oszillation ist eine bipolare Drucksschaukel zwischen Islandtief und Azorenhoch:

Die zwei Phasen der Nordatlantischen Oszillation (NAO) Quelle: http://airmap.unh.edu/

In der positiven Phase der Nordatlantischen Oszillation (NAO +) besteht ein hoher Druckgradient zwischen stark ausgeprägten Islandtief und Azorenhoch. Ein nur schwach mäandernder Jetstream bringt zahlreiche und kräftige Sturmtiefs hervor, die mit einer starken Westdrift Nord-, West- und Mitteleuropa erreichen und unter ihren Zugbahnen für ein mildes, feuchtes, aber auch wechselhaftes Wetter sorgen. Nur einige wenige Sturmtiefs erreichen den Mittelmeerraum, wo es ansonsten trocken bleibt. Aus dem starken Azorenhoch als Bestandteil des subtropischen Hochdruckgürtels wehen kräftige Nordostpassate. Diese erzeugen im Atlantik eine dementsprechende Meeresströmung, die an der westafrikanischen Küste kaltes Tiefenwasser hervorquellen lässt. Dadurch sinken wiederum die Temperaturen des Oberflächenwassers im Atlantik und damit entstehen hier weniger tropische Wirbelstürme. Der kräftige Jetstream schließt zudem die polare Kaltluft wie eine Mauer ein, so daß Kaltluftvorstöße in den Süden nur selten vorkommen. In der negativen Phase der Nordatlantischen Oszillation (NAO -) bleiben Islandtief und Azorenhoch schwach, der Jetstream mäandert entsprechend stark und bringt nur relativ wenige und im Durchschnitt auch schwächere Sturmtiefs hervor. Die Westdrift bricht immer wieder zusammen. Durch die dabei häufig entstehenden blockierenden Hochs werden immer wieder Sturmtiefs in den Mittelmeerraum umgelenkt. Dort wird es nun deutlich feuchter, während es in West- und Mitteleuropa eher trocken bleibt. Besonders im Winter kommt es immer wieder zu Kaltluftausbrüchen gen Süden, da der relativ schwache Jetstream die polare Kaltluft nicht mehr so gut einschließt. Umgekehrt führen Warmluftvorstöße in den Norden zu steigenden Temperaturen in Grönland und Nordkanada. Die Nordostpassate bleiben schwach und damit steigen die Wassertemperaturen vor der westafrikanischen Küste. Das begünstigt wiederum die Entstehung tropischer Wirbelstürme. Auch eine schwächere Sonne kann für einen abnehmenden Temperaturgradienten und so auch für einen stärker mäandernden Jetstream (negativer NAO-Index) verantwortlich sein. Ein denkbarer Mechanismus sähe so aus: Durch eine erhöhte Sonnenaktivität, die mit mehr Sonnenflecken einhergeht, gelangt mehr ultraviolette Strahlung (UV) zur Erde. Die UV-Strahlung erwärmt die Stratosphäre, denn diese enthält reichlich Ozon, das die für das irdische Leben gefährlichen Anteile dieser Strahlung absorbiert. Auch die direkt unter der Stratosphäre liegende obere Troposphäre wird mit angewärmt. Dieser Effekt macht sich wegen des steileren Einfallwinkels vor allem in den niederen Breiten (Tropen, Subtropen) bemerkbar. Der Temperaturgradient zwischen Warmluft und polarer Kaltluft wird in der Stratosphäre und oberen Troposphäre bei größerer Sonnenaktivität also zunehmen und umgekehrt. In der oberen Troposphäre entsteht aber auch der Jetstream, der durch eben diesen Temperaturgradienten angetrieben wird. Eine schwächere Sonne müsste also zu einem stärker mäandernden Jetstream führen. Tatsächlich hat die Sonnenaktivität seit 2003 und besonders auch in letzter Zeit immer weiter abgenommen. Seit einigen Monaten ist kaum noch ein Sonnenfleck aufgetaucht. Es werden inzwischen sogar schon Vermutungen über ein neues Maunder-Minimum laut, welches im 17. und 18.Jahrhundert die Kleine Eiszeit brachte. Könnte der Super-Trog etwas mit der schwächelnden Sonne zu tun haben? Die Idee ist faszinierend, doch trotzdem ist Vorsicht vor übereilten Schlussfolgerungen geboten! Der Super-Trog kann auch eine einzelne Anomalie sein, wie sie das sehr variable Wettergeschehen immer wieder einmal hervorbringt. Auch bei einer starken Westdrift mit einem nur schwach mäandernden Jetstream, kann dieser kurzfristig sein Schwingungsmuster verändern und vorübergehend stärker mäandern. Das ist dann immer mit einer ebenfalls kurzfristigen Umstellung der Wetterlage verbunden. Das hat dann lediglich mit einem kurzfristigen Wetterwechsel, aber eben nicht unbedingt mit einem (abrupten) Klimawandel zu tun. Aber wer weiß, vielleicht sind Wetterwechsel und Klimawandel ja gar nichts grundsätzlich Verschiedenes, sondern gehören zu einer auf verschiedenen Zeitmaßstäben selbstähnlichen (fraktalen) Struktur?

Bei der Mandelbrotmenge („Apfelmännchen“) wiederholen sich die Strukturen auf unterschiedlichen räumlichen Maßstäben immer wieder. Sie ist fraktal. Quelle: Wikipedia

Der Super-Trog II (Das tatsächliche Wettergeschehen)

27. Oktober 2008 Im Laufe des Tages entwickelt sich der Super-Trog wie vorhergesehen, und die polare Kaltluft dringt immer weiter nach Süden vor. Sie ist gut an der zellularen Bewölkung zu erkennen.

Wetterlage am 27.Oktober 2008 22:00 Uhr UTC  Quelle: http://www.metoffice.gov.uk/

Die zellulare Bewölkung entsteht, weil die polare Kaltluft über die noch relativ warme Wasseroberfläche des Atlantik strömt und sich dabei an ihrer Unterseite erwärmt. Es bilden sich mächtige Konvektionszellen, in denen die Luft gehoben wird und dabei abkühlt. Da über dem Wasser die Luft immer genug Feuchtigkeit enthält, bildet sich hochreichende Quellwolken, deren Anordnung die einzelnen Konvektionszellen widerspiegelt. Bei der Wirbelstruktur ostlich von Island handelt es sich um einen Kaltlufttropfen. Er ist aus einem normalen Tiefdruckgebiet hervorgegangen, als sich dessen Höhenkaltluft von dem dynamischen Prozeß des Muttertiefs trennte, um als kaltes Höhentief eigene Wege zu gehen. Da die Luft darunter wärmer ist (vertikaler Temperaturgradient, labile Luftschichtung) setzt Konvektion ein. Die durch Wasserverdunstung angefeuchteten Luft wird gehoben und kühlt dabei ab, so daß sich Quellwolken bilden (Schlechtwetter). Die bei der Wolkenbildung freigesetzte Kondensationswärme (latente Wärme) treibt ihrerseits wieder die Konvektion und damit auch die Wolkenbildung an, ein selbstverstärkender Prozeß. Wenn der vertikale Temperaturgradient ausreichend groß ist, kann sich aus einem Kaltlufttropfen sogar eine Art Wirbelsturm entwickeln (Polartief).

28. Oktober 2008

In dem weiter wachsenden Super-Trog hat sich der Kaltlufttropfen zu einem echten Polartief weiterentwickelt, das inzwischen die südnorwegische Küste erreicht hat.

 Wetterlage am 28.Oktober 2008 12:00 Uhr UTC  Quelle: http://www.metoffice.gov.uk/

Nur wenige Stunden später hat sich in der Wirbelstruktur sogar ein Auge gebildet.

 Quelle: http://www.wetterzentrale.de/ NOAA

29. Oktober 2008

Der enorme Kaltausbruch (zellulare Bewölkung) über den Super-Trog hat die Tropen erreicht. An der Vorderseite des Troges haben sich mehrere Tiefs gebildet. Dort kommt es zu starken Niederschlägen und teilweise auch heftigen Gewittern. In Teilen Deutschlands, der Benelux-Länder, Frankreichs und Spaniens kommt es in Höhenlagen ab 400-500m zu einem echten Wintereinbruch mit z.T. starken Schneefällen. In Südwesteuropa ist es dagegen warm mit Temperaturen bis zu 25°C.

Wetterlage am 29.Oktober 2008 12:00 Uhr UTC  Quelle: http://www.satmos.meteo.fr/

30. Oktober 2008

West- und Mittel- und Südwesteuropa befinden sich nach wie vor innerhalb des Super-Troges mit seinen dynamischen Tiefs und damit auch unter dem Einfluß des Zustromes polarer Kaltluft aus nordwestlichen Richtungen. Nach Ost- und Südosteuropa gelangt dagegen (sub)tropische Warmluft. Die Luftmassengrenze, erkennbar an dem sich in Nord-Süd-Richtung erstreckenden Wolkenband verläuft von der Ostsee bis nach Griechenland.

Wetterlage am 30.Oktober 2008 22:00 Uhr UTC  Quelle: http://www.metoffice.gov.uk/

30. Oktober 2008

Der schroffe Temperaturgegensatz zwischen der polaren Kaltluft im Westen und der mildwarmen Luft im Osten Europas bleibt bestehen. Aber schon bald wird die Höhenströmung des Super-Troges zusammenbrechen und polwärts sich ein erneuerter Jetstream präsentieren. Das wird einen Wetterwechsek bringen, denn bei den dann vorherrschenden westlichen Winden wird es auch in den jetzt vom Wintereinbruch betroffenen Gebieten wieder deutlich milder. 

Wetterlage am 31.Oktober 2008 20:00 Uhr UTC  Quelle: http://www.metoffice.gov.uk/

Jens Christian Heuer

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Written by jenschristianheuer

27 Oktober, 2008 um 00:04 am

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