Pet Peeves - von Chuck Doswell
Hinweis: Die von mir präsentierte Übersetzung behandelt Auszüge von Charles A. Doswells "Pet Peeves". Bitte beachte, dass die folgende Übersetzung von mir ist und es möglicherweise Unterschiede hinsichtlich der Originalfassung gibt. Bei Fragen zur Übersetzung bitte auf mich als Autor beziehen, bei Fragen zum Originaltextauf den Urheber.Stand, 15. Mai 2008
B. Meteorologisches, Wissenschaftliches
1. Luftmassen- und Frontengewitter
Nach einer alten Vorstellung existieren entweder frontale Gewitter oder Luftmassengewitter. Diese Terminologie strebt danach, zwischen Gewittern entlang von Fronten (Gebieten mit starken thermischen Gradienten) und von anderer Herkunft zu unterscheiden. Die Idee dahinter ist, dass Fronten einen Hebungsmechanismus für die Entwicklung von Konvektion darstellen, wohingegen andere Gewitter innerhalb einer breiten Region mit mehr oder weniger homogenen Eigenschaften (Luftmassen) entstehen. Sie soll außerdem oft implizieren, dass sich Gewitter mehr oder weniger zufällig in der "Luftmasse" bilden, im Gegensatz zur Organisierung bedingt durch Fronten. In meinen Augen entwickeln sich viele Gewitter außerhalb von Bodenfrontalzonen (d.h., synoptisch-skalige Fronten). Darüber hinaus ist die Entwicklung von Gewittern niemals zufällig... sie bilden sich an bestimmen Orten zu bestimmten Zeiten aus Gründen, die wir nicht beobachten und/oder verstehen können, doch es ist ein absurder Gedanke, dass sich Gewitter in Wirklichkeit grundlos bilden.Daher lehne ich vehement den Gebrauch des Begriffs "Luftmassengewitter" ab, tatsächlich finde ich, dass dieses ganze Klassifikationsschema aus der Wirklichkeit von Gewittern verbannt werden sollte. Es ist obsolet und sollte verworfen werden.
2. Verlagerung/Bewegung
"Verlagerung (Propagation)" ist ein Wort, das gebildet und wissenschaftlich klingt. "Bewegen" ist allgemein und verbreitet von Nichtwissenschaftlern verwendet. Jedoch weist "verlagern" einige, recht spezielle Bedeutungen auf, insbesondere im Hinblick auf Wissenschaft und Meteorologie im Besonderen. Bewegung ist ein perfektes, gutes Wort, um zu beschreiben, wie etwas an einem bestimmten Ort gesehen wird - angezeigt durch den Ortsvektor X0 zur Zeit t = t0 - und ist an einem anderen Ort b>X0 + δX zur Zeit t = t0 + δt. Was wir in der Atmosphäre als Bewegung wahrnehmen, kann das Ergebnis aus zwei, sehr unterschiedlichen Vorgängen sein:- 1. Etwas wird lediglich durch eine Strömung transportiert (wie ein Stab in einem wandernden Fluss), die eine Geschwindigkeit V = ∂X /∂t besitzt. Dies wird Advektion genannt.
- 2. Das atmosphärische "Ding", das wir sehen, verschwindet bei X0 etwas nach t = t0, nur um sich zu X0 + δX bei t = t0 + δt erneut zu bilden, wenn wir es als Nächstes beobachten. Dies wird Verlagerung (Propagation) genannt.
Es ist unmöglich, einen atmosphärischen Prozess kontinuirlich zu beobachten, weshalb wir niemals völlig sicher sein können, dass das "etwas", das wir sehen, zum Zeitpunkt t = t0 "dasselbe" ist wie zum Zeitpunkt t = t0 + δt.
Tatsächliche Bewegungen von atmosphärischen "Etwas" beinhalten beides, da das, was wir an atmosphärischen Strukturen beobachten, Beobachtungen von Vorgängen sind. Fronten, Tiefs, Tröge, Keile, Outflow Boundaries, etc. sind alles Vorgänge, keine festen Gebilde, die einfach mit einer Strömung (wie ein Stab in einem Fluss) transportiert werden. Ihre Bewegung schließt typischerweise sowohl Advektion als auch Propagation ein. Da "Propagation" ein 5-Dollar-Wort und "Bewegung" nur ein 5-Cent-Wort ist, glauben viele Schreiber, dass sie wissenschaftlich klingen, wenn sie "Propagation" schreiben, wenn die beabsichtigte Bedeutung tatsächlich "Bewegung" ist.
4. Divergenz (Konvergenz) verursacht Vertikalbewegung
Ich hör die Leute oft Dinge sagen wie "...die bodennahe Konvergenz (oder, die obere Divergenz) verursacht Aufwärtsbewegungen". Ich höre ebenso Diskussionen darüber, wie Aufwärtsbewegung entsteht, wenn "die obere Divergenz der unteren Konvergenz überlagert wird". Diese Bemerkungen spiegeln ein grundsätzliches Missverständnis darüber wider, wie die Atmosphäre tatsächlich funktioniert. Divergenz/Konvergenz und Vertikalbewegung sind an das Massenerhaltungsgesetz gebunden. In konstanten Druckkoordinaten lautet dieses...∂w/∂p = - ∇ . v
Die Vertikalbewegung in einer bestimmen Höhe wird durch die Integration der horizonten Divergenz in der Schicht unterhalb dieser Höhe bestimmt.
ωp = ω0 - ∫ (von p bis p0) ∇. v ∂p
Folglich hängt die Vertikalbewegung in einer bestimmten Höhe von der Schicht darunter ab, und von der Vertikalbewegung am Grund dieser Schicht. Dies kann dermaßen kompliziert werden, dass Divergenz/Konvergenz in jeder gegebenen Höhe nicht dazu herangezogen werden können, um irgendetwas über Vertikalbewegung auszusagen. Meist ist es jedoch nicht so schlimm.
Im Allgemeinen ist es bei Höhendivergenz der Fall, dass es darunter gewöhnlich Aufwärtsbewegung gibt (mit Konvergenz in einer bestimmten Höhe am "Fuß" der Aufwärtsbewegung) :
Falls eine Bodenkonvergenz existiert, gibt es darüber Aufwärtsbewegungen, die irgendwo über dem Boden in eine Region mit Divergenz münden. Die gleichzeitige Präsenz von Aufwärtsbewegung mit Konvergenz am Fuß und Divergenz an der Obergrenze ist eine notwendige Folge der Massenerhaltung. Das Massenerhaltungsgesetz ist eine diagnostische Gleichung, die keine zeitliche Ableitung der Vertikalbewegung enthält. Folglich kann sie keine Ursachen für die Vertikalbewegung identifizieren. Es gibt einen gut bekannten Weg, um die Ursachen in Änderungen der Vertikalbewegungen zu ermitteln... er wird die dritte Bewegungsgleichung genannt. In konstanten Höhenkoordianten wird diese folgendermaßen geschrieben:
∂w/∂t = ∂w/∂t + v. ∇w + w∂w/∂z = - 1/ρ ∂p/∂z -g + C3 + F3
wobei ω die Vertikalbewegung ist, ρ die Dichte, p der Druck, g die Erdbeschleunigung, C3 die Vertikalkomponente der Corioliskraft (C3 = 2 Ω u cos Φ) und F3 die vertikale Reibungskraft. Die letzten beiden Terme werden gewöhnlich vernachlässigt. In dieser Gleichung gibt es keine Konvergenzkraft ! Wenn man Ursachen für Änderungen der Vertikalbewegung feststellen will, muss man hier nachschauen, nicht im Massenerhaltungsgesetz.
Bemerkung: Wenn es keine bzw. vernachlässigbar geringe Aufwärtsbewegungen gibt, kann die hydrostatische Approximation verwendet werden : ∂p/∂z = - ρ g
6. "Auslösen" (Triggering)
Dieses Wort wird oft im Kontext von Gewittern verwendet. Gewitterauslöse erfordert Feuchte, Labilität und Hebung. Das Konzept dahinter ist, dass irgendwo in der Atmosphäre ein Luftpaket existiert, welches Auftrieb besitzt, falls es weit genug gehoben wird, um seine Höhe der freien Konvektion (LFC, ab welchem es nach oben steigt und weiter beschleunigen kann, ohne dass weitere Hebung benötigt wird) zu erreichen. Damit es soweit kommt, werden drei Dinge benötigt: Feuchte, bedingte Instabilität, und einen bestimmten Prozess, um das nichtaufsteigfähige Paket zu seinem LFC zu hieven. Vermutlich nimmt man mit der Vorstellung der Hebung als "Auslöser" an, dass vorhandene Feuchte und Labilität ausreichen, um ein Paket zu seinem LFC zu bringen, und dass dieses nur noch auf die Hebung wartet.Falls eine der notwendigen drei Zutaten fehlt, tritt kein Gewitter auf. Was ist nun der "Auslöser"... falls zwei vorhanden sind, warten die Gewitter auf die fehlende Zutat als ein "Auslöser", oder nicht? Welche Zutat ist die wichtigste? Knifflige Frage! keine der kann am Wichtigsten sein. Gewitter erfordern immer alle drei. Ist es immer der Fall, dass sich Feuchte und Labilität in Abwesenheit von Hebung ansammeln, im Gegensatz zu anderen Kombinationen? Ich denke nicht. Feuchte und Hebung treten oft ohne Beisein von bedingter Labilität auf... dessen Ankunft könnte dann logischerweise als "Auslöser" betrachtet werden. Labilität und Hebung treten oft gemeinsam ohne Feuchte auf. Das Hinzutreten der Feuchte könnte dann als "Auslöser" gesehen werden.
Ich ziehe es vor, die Frage der konvektiven Auslöse als eine der gleichzeitigen Präsenz aller drei Grundzutaten zu betrachten und die Vorstellung eines "Auslösers" völlig zu vergessen. Fals wir einen "Auslöser" haben müssen, erscheint es mir nicht offensichtlic, dass dies immer die "Hebungs"zutat sein muss!
7. Was stimmt mit "Überrennen" nicht?
1. Bedeutung des BegriffsWas genau meinen wir mit überrennen? Nun, es könnte bedeuten, dass die Luft in der Höhe jene darunter überrennt. Falls dies eine Interpretation des Begriffs ist, erscheint er nicht sinnvoll. Die Luft in der Höhe überrennt die Luft darunter nahezu immer, wenn es Windscherung gibt. Nein, so kann man dies nicht interpretieren. Vielleicht ist der klassische "Schneepflug"-Effekt einer Strömung über eine Front gemeint, wie es Abbildung 1 angedeutet ist.
Das Bild erweckt den Eindruck, dass die Strömung ungefähr senkrecht zur Front verläuft. Oft jedoch wird die Strömung nahezu parallel zur Front über dem Boden, sagen wir 850 hPa oder 700 hPa. Dies scheint nicht mit dem übereinzustimmen, was das Bild in Abbildung impliziert, oder? Genau genommen muss man natürlich die Luftströmung relativ zur bewegenden Front betrachten, ...doch dies ist schwierig festzulegen. Ich denke, dass das "Schneepflug"bild nicht notwendigerweise das richtige ist, um diesen Begriff zu interpretieren.
Manchmal natürlich behält die Strömung eine bedeutende Komponente normal zur Front mit der Höhe bei. Das scheint zu unterstreichen, dass dieses Wort manchmal akzeptabel sein könnte, richtig? Nun, ich möchte betonen, dass, wenn eine Strömung eine Komponente normal zur Front beibehält, dies auf andere Weise beschrieben werden kann: durch thermische Advektion. Lasst uns Blick darauf werfen, was thermische Advektion auf einer konstanten Druckfläche bedeutet. Betrachte Abbildung 2a, welche einen Querschnitt durch eine Front zeigt, und Abbildung 2b, eine Isobarenkarte derselben Front. Falls wir eine adiabatische Strömung annehmen, können die Pakete in der Zone mit thermischer Advektion auf derselben Druckfläche bleiben? Nein, nicht wenn die Strömung adiabatisch ist; sie müssen auf der Isentropen bleiben, wo sie anfangen. Folglich implizieren Regionen mit Warmadvektion Aufwärtsbewegung, und Regionen mit Kaltadvektion Absinken. Daher, eher als der "Schneepflugeffekt", kann dies fruchtbarerweise als Vertikalbewegung verbunden mit thermischer Advektion gesehen werden, oder isentropes Auf/Abwärtsgleiten.
Es erscheint mir als ob die Vorstellung dessen, was die Benutzer des "Überrennens" mit diesem Begriff zu erwecken versuchen, in den meisten Fällen von Niederschlag auf der kalten Seite der thermischen Drängungszone handelt. Aus diesem Grund scheint das Auftreten eines solchen Niederschlags einen weiteren Spezialbegriff notwendig zu machen. Lasst mich für einen Augenblick zugestehen, dass wir uns solch einen Spezialbegriff wünschen, und dass "Überrennen" ein Kandidat für solch einen Begriff ist. Lasst mich für einen Augenblick ignorieren, dass wir für auf der warmen Seite der thermischen Drängungszone auftretenden Niederschlag keinen derartigen Spezialbegriff haben. Wahrscheinlich könnte Niederschlag entlang einer thermischen Drängungszone Frontalniederschlag genannt werden. Betrachte nun, was uns dieser Spezialterm bietet.
2. Die Meteorologie hinter "Überrennen"
Fälle mit Niederschlag auf der kalten Seite von thermischen Drängungszonen treten meist in einer von beiden Lagen (manchmal in beiden zugleich) auf:
- a) Thermische Advektion
Wie oben erwähnt gibt es Anlässe, in denen das physikalische Bild auf Aufwärtsbewegungen verbunden mit Warmluftadvektion hinweist. Aufmerksame Leser könnten beobachten, dass Warmluftadvektion einer der zur quasigeostrophischen "ω"-Gleichung beitragenden Terme ist. Eine physikalische Erklärung hierzu wurde bereits hier und an anderer Stelle gegeben und unterstellt einen vernünftigen Zusammenhang zur adiabatischen Strömungsannäherung.
- b) Differentielle Vorticityadvektion
In den meisten Lagen, die nicht zur Interpretation thermischer Advektion passen, wird Niederschlag in einer Region gefunden, wo die zyklonale Vorticityadvektion mit der Höhe zunimmt. Erneut wird der aufmerksame Leser beobachten, dass dies der zweite Hauptbeitragslieferant zur QG-Omegagleichung ist. Eine physikalische Erklärung zur Verbindung von differentieller Vorticityadvektion mit Aufwärtsbewegungen kann an anderer Stelle nachgelesen werden. Nichtsdestotrotz sollte die Interpretation von "Niederschlag auf der kalten Seite der thermischen Drängungszone" ("Überrennen") ein Favorit bei vielen Vorhersagern sein, die nahezu alles mit der "des armen Mannes Omegagleichung" "erklären" mögen: positive Vorticityadvektion ("PVA") = Aufwärtsbewegung. [ Ich behandelte diese ausgiebige Vereinfachung an anderer Stelle, und ich gehe nur auf einen kurzen Teil dieser Erzählung ein, um seinen Bankrott in meteorologischen Anwendungen zu erklären]. Nichtsdestotrotz scheint es so, dass PVA-Liebhaber oft ihre Vernarrtheit in die PVA als universelle Erklärung zugunsten des "Überrennens" verlieren.
An dieser Stelle sollte, falls "Überrennen" als ein Synonym zu "Niederschlag auf der kalten Seite der thermischen Drängungszone" angenommen wurde, die Nutzlosigkeit eines derartigen Begriffs bei wissenschaftlich fundierten Wettervorhersagen offensichtlich sein! Es gibt zumindest zwei recht unterschiedliche physikalische Prozesse (es kann durchaus noch andere geben!), beide sind fähig, Niederschlag auf der kalten Seite der thermischen Front zu erzeugen. Wenn Du also "Überrennen" benutzt, um das Geschehen zu "erklären", hast Du tatsächlich den Vorgang physikalisch erklärt? Kaum!! Alles, was Du getan hast, ist einem spezifischen Niederschlagsereignis einen Namen geben, aber Du bist an der Unterscheidung gescheitert, welcher von beiden (wenigstens) physikalischen Prozessen dieses Ereignis ausgelöst hat. Wenn Du dann weitermachen und beschreiben musst, auf welchen Typ des Überrennens Du Dich beziehst, erscheint es mir, dass die Bezeichnung "Überrennen" als ein spezielles Wort völlig wertlos wurde.
Zusammenfassend schlage ich somit vor, dass Meteorologen diesen Begriff als einen ohne vereinbarte Bedeutung aufgeben sollten, und mit ohne Wert in einer wissenschaftlich fundierten Interpretation von Niederschlagsereignissen.
8. Diffluenz = Divergenz
Diffluenz ist einfach das Auseinandergehen von Stromlinien stromabwärts. Wenn α die Windrichtung repräsentiert (als ein Winkel relativ zu einer bestimmten Standardrichtung... in der Meteorologie ist die Konvention so, dass ein Nordwind 0° hat und der Winkel im Uhrzeigersinn zunimmt... einem sogenannten natürlichen Koordinatensystem ( s, n), wo s die Richtung entlang der Strömung ist und n die Richtung normal zur Strömung, und zur Rechten des Windes), kann gezeigt werden, dass die Divergenz gegeben ist durch...∇ . v = V ∂α/∂n + ∂V/∂s
wobei V die Windgeschwindigkeit ist. Der Diffluenzanteil ist lediglich durch den ersten Term ∂α/∂n geben, weshalb die Diffluenz nicht äquivalent zur Divergenz sein kann, obwohl sie eindeutig verwandt sind. Es ist jedoch ein verbreiteter Irrtum, Diffluenz mit Divergenz gleichzusetzen (und dann daraus Vertikalbewegung und weitere Irrtümer abzuleiten).
Am meisten verblüfft mich, wenn jemand denkt, dass Diffluenz dennoch ein hilfreicher Parameter ist, zumindest im Kontext der Beurteilung von günstigen Umgebungen für Konvektion. Historisch gesehen scheint es so, dass die Diffluenz ein Platzhalter für Aufwärtsbewegung ist, infolge der zweifelhaften Ableitung der oberen Divergenz. Es erscheint mir hilfreicher, direkter und physikalisch einfacher die Vertikalbewegung zu bestimmen als dessen Anwesenheit aus der Diffluenz in höheren Schichten abzuleiten.
Weitere Kapitel in Vorbereitung
14. "Hindernis"strömung um Gewitter
Ein wiederkehrendes Thema in Zusammenhang mit Unwettern ist die Vorstellung, dass das Gewitter [...] , in der mittleren Troposphäre, als ein Hindernis in der Strömung fungiert. Die verfügbaren Beachtungen schauen sicherlich aus, als ob das Gewitter ein Hinderniss wäre, und es wurden Studien betrieben, die ausgiebigen Gebrauch dieser Beobachtungen machen, um über die Vorticityquelle für gegensätzlich rotierende Wirbel an den Flanken des Aufwinds Aussagen geben zu können. Dies ist eine interessante Analogie, doch es ist wichtig zu verstehen, dass das Aussehen der Strömung nicht notwendigerweise bedeutet, dass die Strömungsdynamik identisch mit in einer Flüssigkeitsströmung eingebetteten Festkörpern ist.Die Kurzfassung dieses Problems mit der Hindernisströmungsanalogie ist Folgendes: Existiert tatsächlich ein Festkörper in der Strömung, wird Wirbelhaftigkeit in der zähen Grenzschicht in Verbindung mit dem Festkörper generiert. Diese Vorticity geht in das Gefolge der Strömung über und bildet die Quelle der Vorticitiy in den gegensätzlichen Wirbeln. Daher werden die Grundelemente des Hindernisses diese Wirbel bilden, selbst wenn die Umgebungsströmung völlig einheitlich ist und keine umgebende Wirbelhaftigkeit beinhalten. Schwergewitter sind mit Umgebungsströmungen verbunden, welche beträchtliche vertikale Scherung aufweisen und deshalb beträchtliche Wirbelhaftigkeit über eine horizontale Achse besitzen. Allgemein anerkannt ist nun, dass die gegensätzlich rotierenden Wirbel, verbunden mit Schwergewittern, von dem Kippen dieser beträchtlichen Umgebungswirbelhaftigkeit herrrühren. Aufgrunddessen stimmt die Ähnlichkeit in der Erscheinung nur mit dem Hauptunterschied der Dynamik der Wirbel überein, die mit der Wechselwirkung zwischen Aufwind und seiner Umgebung verbunden sind.
Die Langfassung kann hier gefunden werden, in veröffentlichten Kommentaren von R. Davies-Jones, mir und H.E. Brooks in einem Artikel von R. Brown im Journal of the Atmospheric Sciences.