Mikronetz

Praktikum Beobachtungsnetze
Versuch D
Mikronetz
(Wettervorhersage, Messungen und die Wirklichkeit)
Radiosondenaufstieg in Payerne
http://www.meteosuisse.admin.ch/web/fr/services/aviation/good_to_know/Radiosonden.html
September 2013

Inhaltsverzeichnis
1 Ziele 1
2 Fragen zur Vorbereitung aufs Kolloquium 2
3 Theorie 2
3.1 extratropische Zyklonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
3.1.1 Entstehung und Entwicklung einer Zyklone - Das Bergen Modell . 2
3.1.2 Wetterverlauf beim Durchzug einer extratropischen Zyklone . . . 3
3.2 Wetterkarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
3.3 Radiosondierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3.3.1 Radiosonde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
4 Aufgaben 7
4.1 Aufgabe 1: SkewT-logP-Diagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
4.2 Aufgabe 2: Wetterkarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
4.3 Aufgabe 3: Wochenverlauf verschiedener Messsysteme/Relative Feuchte . 8
4.4 Aufgabe 4: Radiosondierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
5 Anhang 9
5.1 Psychrometerauswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
5.2 Sättigungsdampfdruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
5.3 Messgeräte der Meteostation auf dem CHN-Dach . . . . . . . . . . . . . 12
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1 Ziele
Die Studenten sollen nach dem Versuch D in der Lage sein...
• die Bildung und Entwicklung von Tiefdruckgebieten zu beschreiben.
• Bodenwetterkarten zu lesen und interpretieren und Warmfronten, wie auch Kaltfronten
zu unterscheiden.
• SkewT-logP-Diagramme von Radiosondierungen zu lesen und zu interpretieren.
• Die Einflüsse und Quellen für systematische Fehler auf lokale Messungen beurteilen
zu können.
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2 Fragen zur Vorbereitung aufs Kolloquium
1. Was sind die typischen Entwicklungsstadien einer Zyklone?
2. Was versteht man unter einer Radiosondierung?
3. Was sind typische Wettererscheinungen an der Kalt- bzw. Warmfront und im
Warmsektor?
3 Theorie
3.1 extratropische Zyklonen
Als extratropische Zyklonen werden Zyklonen der mittleren Breiten bezeichnet. Sie sind
charakterisiert durch horizontale Temperatur- und Feuchtegradienten, die Bildung von
Fronten und die Formation eines Tiefdruckgebietes.
Zur Entstehung und Entwicklung einer extratropischen Zyklone gibt es mehrere Theorien.
Im Rahmen dieses Praktikums wird die älteste und weitverbreitetste Theorie
vorgestellt, welche in Bergen (Norwegen) entwickelt wurde.
3.1.1 Entstehung und Entwicklung einer Zyklone - Das Bergen Modell
Extratropische Zyklonen bilden sich entlang Frontalzonen, d.h. an Zonen, in denen
zwei unterschiedliche Luftmassen aneinandergrenzen. Die Polarfront ist die dominierende
Frontalzone für die Bildung der bei uns üblichen extratropischen Zyklonen.
Dringen entlang der Polarfront (durch eine Störung) kalte Luftmassen nach Süden so
entsteht zunächst eine kleine Deformation. Auf deren Vorderseite dringt warme Luft
aus dem Süden nach Nordosten. Auf diesem Wege bilden sich eine Kaltfront und eine
Warmfront aus. Solche jungen extratropischen Zyklonen weisen noch einen ausgeprägten
Warmsektor, d.h. einen grossen, mit subtropischer Warmluft angefüllten Bereich zwischen
der Kalt- und Warmfront auf. Aufgrund der vorherrschenden Westwinde in den mittleren
Breiten bewegt sich die neu entstandene extratropische Zyklone typischer Weise
nach Osten.
Während der weiteren Entwicklung der extratropischen Zyklone gleitet die subtropische
Warmluft aufgrund ihrer geringeren Dichte auf der polaren Kaltluftmasse auf, während
sich die Kaltluft genau umgekehrt wie ein Keil unter die Warmluft schiebt und diese
vom Boden abhebt. Da die Kaltfront stets rascher vorankommt als die Warmfront, wird
der Warmsektor stets verkleinert. Schliesslich holt die Kaltfront die Warmfront ein.
Den Vorgang des Zusammenschliessens der zwei Fronten (welcher im inneren der extratropischen
Zyklone beginnt), bezeichnet man als Okklusion. Abhängig von der Temperatur
der Luftmassen vor der Warmfront wird zwischen einer Kaltfrontokklusion und
einer Warmfrontokklusion unterschieden. Ist die Luft vor der Warmfront wärmer als die
hinter der Kaltfront, so findet eine Kaltfrontokklusion statt, bei der beide Luftmassen
(die der Warmfront und davor) von der Kaltluft angehoben werden. Ist die Luft vor der
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Abbildung 3.1: Schematische Darstellung der Entwicklung einer extratropischen Zyklone, von
der Anfangsstörung bis zur Okklusion. Die Linie mit dem Dreieck neben dem Halbkreis stellt
die Okklusionsfront dar, die Linie mit den Dreiecken/Halbkreisen die Kalt- bzw. Warmfront.
Warmfront kälter als die hinter der Kaltfront, so schiebt sich die Luftmasse der Kaltfront
zwischen die der Warmfront und der kühlen Luft vor der Warmfront.
Im Endstadium einer Zyklone, ist das ehemalige Tiefdruckgebiet am Boden im wesentlichen
mit Kaltluft angefüllt und in der Höhe ist zunächst noch ein Wirbel zu erkennen.
Die Schematische Darstellung des Lebenszyklus einer extratropischen Zyklone ist in Abbildung
3.1 dargestellt.
3.1.2 Wetterverlauf beim Durchzug einer extratropischen Zyklone
Extratropische Zyklonen beeinflussen mit ihrer Unbeständigkeit weitgehend das Wetter
in Mitteleuropa. In Abbildung 3.2 ist der Wetterverlauf beim Durchzug einer extratropsichen
Zyklone dargestellt. In der obersten Abbildung sieht man die Lage der Fronten
sowie die Niederschlagverteilung. In der mittleren Abbildung ist ein Vertikalschnitt einer
extratropischen Zyklone mit der Warm- und Kaltfront, sowie der damit verbundenen
Bewölkung dargestellt. Der unterste Teil zeigt die Entwicklung der Temperatur und des
Luftdrucks beim Durchzug einer extratropischen Zyklone.
An der Warmfront gleitet die leichtere warme Luft auf den kälteren Luftmassen langsam
auf. Aufgrund des gemässigten vertikalen Aufstieges der Luftmassen bilden sich Schichtwolken.
Zunächst bildet sich Nimbusstratus, welcher lang anhaltenden Landregen (Nieselregen)
mit sich bringt. Gleitet die Warmluft weiter auf, so bilden sich Altostratus (keine
Niederschlagsbildung mehr) und noch höher in der Atmosphäre Cirruswolken (pure Eiswolken).
So kann man das Kommen einer Warmfront anhand von Westen aufziehenden
und sich verdichtender Cirruswolken erkennen.
Im anschliessenden Warmsektor kann es zunächst zu einem Auflösen der Wolkendecke
und einem damit verbunden Temperaturanstieg kommen. Während der Warmsektor
durchzieht, sind keine markanten Wettererscheinungen zu beobachten.
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Die folgende Kaltfront ist durch einen deutlichen Temperaturrückgang um einige Grad
gekennzeichnet. Durch das rapide Anheben der wärmeren Luft an der Kaltfront können
hochreichende Konvektionswolken (Cumulus, oder Cumulusnimbus) entstehen. Ein
Kaltfrontendurchzug ist daher durch starke Schauerregenfälle mit grossen Tropfen und
teilweise auch Hagelbildung gekennzeichnet. Die Heftigkeit dieser Wettererscheinungen
hängt allerdings stark vom Temperaturprofil und dem Feuchtigkeitsgehalt der Atmosphäre
ab. So sind Kaltfrontendurchzüge im Winter in der Regel gemässigter als im
Sommer (Wie können Sie das erklären?). Nach dem Durchzug einer Kaltfront, im sogenannten
Kaltsektor, ist die Luft meist klar mit vereinzelter Cumulusbewölkung.
Abbildung 3.2: Schematische Darstellung des Wetterverlaufes beim Durchzug einer extratropischen
Zyklone.
3.2 Wetterkarten
Die Felder der meteorologischen Variablen (z.B. Temperatur, Druck, Niederschlag, usw.)
werden auf Wetterkarten dargestellt. Es gibt Analyse- und Vorhersagekarten. Sie sind
immer mit einer Zeitangabe versehen (meist koordinierte Weltzeit (UTC); diese ist eine
Stunde hinter der mitteleuropäischen Zeitzone (MEZ), bzw. zwei Stunden hinter der
Sommerzeit), die über den Zeitpunkt der Beobachtungen oder der Gültigkeit der prog-
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nostizierten Variablen Auskunft gibt. Bodenwetterkarten enthalten drei Arten von Eintragungen:
• Isobaren: Linien gleichen Luftdrucks. Die Bodendruckangaben sind immer auf
Meeresniveau reduziert, damit sie direkt miteinander vergleichbar sind. In der
Schweiz wird der Luftdruck an Stationen bis 750 m ü. M. auf Meereshöhe reduziert.
Bei höher gelegenen Stationen wird hingegen auf das nächstfolgende Standardniveau
reduziert (z.B. 850 hPa). Dadurch wird der Interpolationsfehler reduziert.
Die Form der Isobaren erlaubt es, Hoch und Tiefdruckgebiete zu unterscheiden.
Auch Richtung und Stärke des geostrophischen Windes am Erdboden kann man
sich aus dem Verlauf der Drängung der Isobaren vorstellen.
• Fronten: Fronten sind Gebiete, in denen der Gradient der Lufttemperatur deutlich
grösser ist als in der Umgebung. Die in den Wetterkarten eingezeichneten Linien
bezeichnen dann das Maximum dieser Gradienten.
• Stationsmeldungen: Meldungen der einzelnen Wetterstationen über das vorherrschende
Wetter, wie z.B. den Luftdruck, Temperatur, Taupunkt, Windrichtung und Geschwindigkeit,
Bedeckungsgrad und Art der Bewölkung (Siehe Abbildung 3.3). Somit kann man
anhand der Stationsmeldungen, die für die Fronten typischen Merkmale auf der
Wetterkarte erkennen.
Abbildung 3.3: Stationskreis mit Erklärungen zu den verschiedenen Zahlen und Zeichen
In Abbildung 3.4 ist als Beispiel die Bodenwetterkarte vom 24. August 2013, 18 UTC
dargestellt. Abgebildet ist ein Tiefdruckgebiet mit dem Zentrum über Nordfrankreich mit
seiner Warm- und Kaltfront, wobei nahe des Zentrums bereits eine Okklusion vorhanden
ist. Die Kaltfront zieht sich vom Okklusionspunkt über Mitteleuropa und sorgt für
regnerisches Wetter.
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Abbildung 3.4: Bodenwetterkarte vom 24. August 2013, 18 UTC.
3.3 Radiosondierungen
3.3.1 Radiosonde
Radiosonden werden zur Bestimmung der aktuellen vertikalen Schichtung der Atmosphäre
verwendet. Auch im Zeitalter der numerischen Modellierung zur Wettervorhersage
sind diese unerlässlich zur Modellinitialisierung.
Im Allgemeinen werden bei einem Sondenaufstieg mindestens Temperatur und Taupunkttemperatur,
sowie der Druck als die am einfachsten messbare Höhenkoordinate gemessen.
Radiosonden der neueren Generation sind zusäzlich mit einem GPS ausgerüstet welches
die Bestimmung der Windrichtung aus der Sondenaufstiegslinie ermöglicht. Manche
Sonden verfügen auch über Messinstrumente, welche die chemische Zusammensetzung
der Luft (insbesondere in der Stratosphäre) messen können.
Um eine sinnvolle Auswertung der Daten zu ermöglichen wird die Mehrheit der Radiosondierungen
weltweit zur gleichen Zeit durchgeführt. So werden die meisten Sonden
zweimal täglich um 12 Uhr UTC und 00 Uhr UTC gestartet. Eine Sonde mit verschiedenen
Sensoren (siehe Abb. 3.5 wird zu diesem Zweck an einen mit Wasserstoff gefüllten
Ballon angebracht, welcher bis zu einer Höhe von 30 bis 35 Kilometer über Grund aufsteigt.
In etwa dieser Höhe platzt der Ballon und die Sonde fällt, gebremst durch einen
Fallschirm, auf die Erdoberfläche zurück.
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Abbildung 3.5: Inhalt der Radiosonde: Messinstrumente für Temperatur, Feuchte und GPS-
Position (zur Bestimmung von Druck und Wind), Telemetrie-Elektronik zum Senden der Daten,
sowie der Sender-Empfänger selbst und Batterie. Quelle: MeteoSchweiz.ch.
4 Aufgaben
Aufgabe 1 bezieht sich auf den morgens durchgeführten Radiosondenaufstieg und wird
gemeinsam durchgeführt. Aufgaben 2-4 werden selbständig in Zweier- oder Dreiergruppen
durchgeführt. Am Ende des Tages stellt jede Gruppe ihre Aufgabe in 5-10 Min vor.
Hierbei sollte jeder etwa gleich lang zu Wort kommen.
4.1 Aufgabe 1: SkewT-logP-Diagramm
Übertrage die gemessene Sondierung in ein SkewT-logP-Diagram. Was bedeutet der ausgeprägte
Knick in der Temperaturkurve und was erwartet ihr in der Atmosphäre, wenn
die zwei Temperaturkurven (Temperatur und Taupunkttemperatur) nahe beieinanderliegen?
Bestimmt das LCL, LFC und LNB der Sondierung. Was könnt ihr über die Stabilität
der Atmosphäre zum heutigen Zeitpunkt aussagen?
4.2 Aufgabe 2: Wetterkarten
a) Bestimmt mithilfe der erhaltenen 14 Wetterkarten das Wetter in der Schweiz in
dieser Zeitperiode. Erklärt die Entwicklung der Druckgebiete und ihr Einfluss auf
das Wetter in der Schweiz.
b) Wählt ein ’interessantes’ Wetterphänomen, z.B. einen Frontendurchgang, anhand
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von 3 bis 4 Wetterkarten. Findet eine geignete Station auf der Wetterkarte und
beschreibt die zeitliche Entwicklung vor Ort.
4.3 Aufgabe 3: Wochenverlauf verschiedener Messsysteme und
Berechnung der relativen Feuchte
a) i) Analysiert und vergleicht die Daten der folgenden Messungen:
∗ Werte der Maximum- und Minimumthermometer an allen drei Standorten
der Wetterhäuschen rund um das CHN.
∗ Temperaturverlauf auf den Wochenstreifen des Thermohygrographs, sowie
die Trocken- und Feuchttemperatur an den drei Standorten.
∗ Daten der automatischen Meteomessungen auf dem CHN-Dach.
ii) Beschreibt die Messkurven zuerst allgemein und erklärt sie aufgrund von Wetterkarten
(z.B.: Sieht man den Frontdurchgang oder den Niederschlag in den
Kurven?).
iii) Beschreibt anschliessend die insgesamt drei Standorte der Messstationen in
Bezug auf z.Bsp. Bodenbeschaffenheit, Exposition bzgl. Wind und Sonne,
Einfluss von Schattenwurf und feuchtem Boden in der Umgebung usw. Sieht
man diese Unterschiede auch in den Daten (Temperatur und Feuchte)? Sind
die Standortunterschiede unterschiedlich wichtig bei unterschiedlichen Witterungsbedingungen
(z.Bsp. Bewölkung)?
vi) Unterschiede in den Messverfahren und deren Genauigkeit? Welche Unterschiede
in den Daten sind eher auf Ungenauigkeiten in den Daten denn auf
wirkliche Lageunterschiede zurückzuführen?
b) Bestimmt die relative Feuchte an den drei Wetterhäuschen. Vergleicht die erhaltenen
Werte der Feuchte mit den Messungen der Meteostation auf dem CHN-Dach
(http://www.iac.ethz.ch/research/meteostation/chn).
4.4 Aufgabe 4: Radiosondierungen
a) Ihr habt zwei Mal 7 Karten erhalten, die SkewT-logP-Diagramme verschiedener
Sondierungen und den Ort der Sondierung angeben. Versucht die zueinander
gehörenden Karten zu finden. Wählt anschliessend auf
http://weather.uwyo.edu/upperair/sounding.html drei unterschiedliche Gebiete aus
(z. B Wüste, Arktis und Regenwald) und vergleicht die Skew-T Diagramme miteinander.
Welche Unterschiede fallen auf?
b) Welche Variablen werden von der Radiosonde gemessen und welche berechnet?
Welche Phänomene aus Wetterkarte/ Vorhersage/ eigene Beobachtung können
auch im Radiosondenprofil ausgemacht werden?
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5 Anhang
5.1 Psychrometerauswertung
Aus abgelesener Trocken- und Feuchtetemperatur kann der herrschende Dampfdruck
und damit die relative Feuchte wie folgt errechnet werden:
e = e ′ s − α(T − T f )p (1)
r = e
e s
e gesuchter Dampfdruck (hPa)
e s
e ′ s
Sättigungsdampfdruck über Wasser bei der Temperatur des trockenen Thermometers
(Abb. 5.2 und 5.1)
Sättigungsdampfdruck über Wasser oder Eis bei der Temperatur des feuchten
Thermometers (Abb. 5.2 und 5.1)
α Psychrometerkonstante: α = 6.45∗10 −4 K −1 bei Wasser am feuchten Thermometer,
α = 5.7 ∗ 10 −4 K −1 bei Eis
T Temperatur des trockenen Thermometers
T f
Temperatur des feuchten Thermometers
p Luftdruck
r relative Feuchte
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5.2 Sättigungsdampfdruck
Abbildung 5.1: Tabelle zur Bestimmung des Sättigungsdampfdrucks aus der Temperatur.
Lesebeispiel: bei T = −1.9°C kann der Partialdruck des Wassers in der Luft maximal 5.31 hPa
betragen, bzw. 5.21 hPa falls Eis in der Nähe ist.
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Abbildung 5.2: Sättigungsdampfdruck als Funktion der Temperatur
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5.3 Messgeräte der Meteostation auf dem CHN-Dach
Thermo-Hygrometer
Die Temperaturmessung erfolgt mittels eines Kupfer-Konstantan-Thermoelements. Die
Luftfeuchtigkeit wird mittels eines Taupunktspiegels gemessen. Dabei wird ein Spiegel
im Hygrometer abgekühlt bis sich Feuchtigkeit auf seiner Oberfläche durch Kondensation
niederschlägt. Die Luftfeuchtigkeit lässt sich mittels dieser Taupunkttemperatur präzise
ermitteln. Das Gerät misst alle 10 Minuten während 40 Sekunden etwa 10 Einzelwerte
der Lufttemperatur und der Taupunkttemperatur. Daraus wird ein Mittelwert berechnet
und mit der Standartabweichung wird die Qualität der Messung kontrolliert. Störeinflüsse
durch Nässe, Strahlung, Vereisung, Wind werden weitgehend unterdrückt. Der
Taupunktspiegel wird durch eine automatisch gesteuerte mechanische Vorrichtung gereinigt.
Des Weiteren wird zwischen Eis- und Wasserbelag auf dem Spiegel unterschieden
und entsprechend in der Berechnung der relativen Luftfeuchtigkeit berücksichtigt.
Technische Daten
Messbereich Lufttemperatur -50°C bis +50°C
Messbereich Taupunkt -60°C bis +50°C
Auflösung der Temperaturwerte
0.1 K
Auflösung der relativen Feuchte 0.1%
2-Komponenten-Windmesser
Der 2-Komponenten-Windmesser erfasst die Windkomponenten Ost und Nord zur Bestimmung
der interessierenden Winddaten in der Horizontalebene. Der Windmesser ist
gegen Blitz- und Überspannungseinwirkungen geschützt.
Technische Daten
Auflösung
0.01 m/s
Ansprechwindgeschwindigkeit 0.1m/s
Genauigkeit 3%
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Niederschlagsmesser (Pluviometer)
Der Pluviometer ist beheizt wodurch fester Niederschlag (Schnee, etc.) geschmolzen wird.
Das Messsystem basiert auf einer Wippvorrichtung. Diese Wippe mit bekanntem Volumen
füllt sich bei Niederschlag und entleert sich, sobald sie gefüllt ist, automatisch
durch eine Kippbewegung. Durch die Anzahl der Kippbewegungen pro Zeiteinheit wird
die Niederschlagsmenge bestimmt.
Technische Daten
Genauigkeit ±2%
Auffangfläche
200 cm 2 /WMO-Norm
Einsatzbereich Temperaturen 0...+70°C (frostsicher bis -20°C)
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