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Der Polarfrontjetstream und seine dynamischen Hoch- und Tiefdruckwirbel

Die Hoch- und Tiefdruckwirbel unserer Breiten entstehen durch strömungsdynamische Prozesse im Bereich der Polarfront, der Grenze, wo warme tropische Luftmassen und polare Kaltluft aufeinander treffen. Wegen der vergleichsweise grösseren vertikalen Ausdehnung der warmen Luft, bildet sich zwischen beiden Luftmassen ein mit der Höhe immer weiter anwachsender Luftdruckgradient (Luftdruckgefälle) heraus. Dieser erzeugt einen zunächst polwärts gerichteten starken Höhenwind (Starkwindfeld, Jetstream), der aber durch die Erdrotation (Corioliskraft) zunehmend nach Osten abgelenkt wird und  so zum Westwind wird, der sich oft bis zum Boden hin durchsetzt (Westwindzone). Da die Temperaturunterschiede zwischen tropischer Warmluft und polarer Kaltluft entlang der Polarfront nicht überall gleich gross sind, gibt es auch unterschiedliche  Windgeschwindigkeiten innerhalb des Jetstreams, der dadurch Turbulenzen entwickelt. Bei Überschreiten einer kritischen Geschwindigkeit beginnt der gesamte Jetstream zu mäandern  (Rossby-Wellen). In den Wellenbergen (Hochkeilen) wird Warmluft polwärts , in den Wellentälern (Höhentrögen) polare Kaltluft äquatorwärts transportiert. Diese meridionale Zirkulation (meridional = entlang der Längenkreise) sorgt für einen gewissen Temperaturausgleich zwischen Polar- und Äquatorregion. Aus Konvergenzen (Luftstauungen) und Divergenzen (Luftlöchern) innerhalb des turbulenten Jetstreams entstehen innerhalb der Hochkeile dynamische Hochdruckgebiete (Hochs) und innerhalb der Höhentröge dynamische Tiefdruckgebiete (Tiefs), welche jeweils Warm- und Kaltluft direkt miteinander verwirbeln.

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Polarfrontjetstream mit Höhentrögen, Hochkeilen und Kaltlufttropfen Quelle: http://www.britannica.com/

In den aufwärts gerichteten Tiefdruckwirbeln mit cyclonaler Drehrichtung (gegen den Uhrzeigersinn auf der Nordhalbkugel aufgrund der Erdrotation) wird die Luft gehoben, dehnt sich aus und kühlt dabei ab. Die Energie für die Ausdehnung wird aus der Bewegungsenergie der Luftteilchen abgezweigt. Daher die Abkühlung! Bei ausreichend hoher Luftfeuchtigkeit bilden sich Quellwolken, die sich oft auch zu Gewitterwolken heranwachsen (Schlechtwetter). Dabei wird Kondensationswärme (latente Wärme) frei, die ihrerseits die Konvektion anheizt und damit wiederum die Wolkenbildung fördert.

In den abwärts gerichteten Hochdruckwirbeln mit anticyclonaler Drehrichtung (im Uhrzeigersinn auf der Nordhalbkugel aufgrund der Erdrotation) sinken die Luftmassen grossflächig ab und erwärmen sich dabei, so dass  vorhandene Wolken sich auflösen oder Wolken sich von vorneherein gar nicht erst bilden können (Schönwetter).

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Tiefdruckwirbel: Durch die von ihrem Tiefdruckzentrum ausgehende Drehbewegung stösst warme Luft polwärts gegen die Kaltluft vor (Warmfront), und im Gegenzug stösst kalte Luft äquatorwärts gegen die Warmluftvor (Kaltfront). An der Warmfront, wo die warme Luft langsam über die kältere Luft nach oben gleitet, bildet sich eine Schichtbewölkung (Stratus) Häufig regnet es über längere Zeit (Landregen). In grösseren Höhen, wo es noch kälter ist, bilden sich Eiswolken (Cirrus). Die Kaltfront und die dahinter befindliche Kaltluft bewegen sich wesentlich schneller als die vorauseilende Warmluft, da letztere aufgrund ihrer Aufstiegstendenz eine schwächer ausgeprägte Vorwärtsbewegung hat. Die Warmluft wird so nach und nach von der herannahenden Kaltluft durchdrungen und erfährt dabei, da sie leichter ist, einen starken Auftrieb (labile Luftschichtung). Durch Konvektion bildet sich eine ausgeprägte Quellbewölkung. Bei kräftigen Winden kommt es zu heftigen Regenfällen, oft auch zu Gewittern mit Hagel. Der Warmluftsektor wird nach und nach zusammengeschoben. Warm- und Kaltfront vereinigen sich nach und nach zu einer Mischfront (Okklusion) bis schliesslich der Warmluftsektor vollkommen verschwunden ist. Später löst sich das Tief dann ganz auf. Die durchschnittliche Lebensdauer dynamischer Tiefdruckwirbel liegt nur bei knapp einer Woche. An den Kaltfronten älterer Tiefdruckgebiete können wiederum kleine Wellenstörungen auftreten und die Bildung weiterer dynamischer Tiefdruckgebiete (Randtiefs, Tochtertiefs) auslösen. Quelle: Geo Special Nr. 2 Wetter 1982

Die Zugbahnen der Hochs und Tiefs und damit auch das Wetter, werden vom Jetstream gesteuert. Umgekehrt beeinflussen beide Druckgebilde auch wieder das Verhalten des Jetstreams.

Wenn die meridionale Zirkulation sehr ausgeprägt ist, der Jetstream also sehr stark mäandert, können seine Windgeschwindigkeiten so sehr abnehmen, dass die Höhenströmung teilweise ganz und gar zusammenbricht. Es kommt zu einem “Cut Off” , bei dem sich Hochdruckwirbel von den Hochkeilen und Tiefdruckwirbel von den Höhentrögen trennen. Polwärts bildet sich ein neuer, zunächst nur schwach mäandernder Jetstream mit extrem hohen Windgeschwindigkeiten. Bei dieser zonalen Luftströmung (zonal = entlang der Breitenkreise) findet kaum ein Temperaturausgleich zwischen Warm- und Kaltluft statt. Der Temperaturgradient zwischen beiden Luftmassen erhöht sich wieder, so dass der Jetstream  wieder stärker zu  mäandern beginnt, wodurch sich erneut ein meridionales Zirkulationsmuster ausbildet. Die abgespaltenen Tiefdruckwirbel bestehen aus Kaltluft, die ringsherum von tropischer Warmluft eingeschlossen ist (Kaltlufttropfen). Aufgrund der labilen Luftschichtung (kalte über warmer Luft) entsteht Konvektion. Die warme Luft wird gehoben und kühlt dabei ab, so dass sich Quellwolken bilden können (Schlechtwetter). Ziehen Kaltlufttropfen über eine relativ warme Wasseroberfläche, so können sie viel latente Wärme aufnehmen. Konvektion und Wolkenbildung werden dann oft so stark, dass eine wirbelsturmähnliche Struktur dabei herauskommt.

Jens Christian Heuer

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Kategorien:Meteorologie
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