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