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Leezyklogenese am Beispiel der Genuazyklone

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In diesem Abschnitt erfahren Sie etwas über die Leezyklogenese. Als Beispiel für die Erläuterungen dient die in Meteorologenkreisen bekannte Genuazyklone. Dieser Beitrag wurde freundlicherweise von Axel Hennig zur Verfügung gestellt.

Grundlegendes zur Genuazyklone

Im folgenden soll der Begriff der Leezyklogenese einmal anhand der sog. Genua-Zyklone über Norditalien genauer erläutert werden.Der Name "Genua-Zyklone" oder allgemeiner der Begriff der Leezyklogenese werden in der Meteorologie für die Entstehung zyklonaler Wirbel (Tiefdruckwirbel) im Lee großer Gebirgszügen verwendet. Dabei ist zu unterscheiden zwischen einem Prozess, der stets im Lee von Gebirgen ein Tiefdruckgebiet erzeugt, und einem Prozess, der im speziellen Fall der Genuazyklone von Bedeutung ist. Die Genuazyklone hat ihren Namen von der Stadt Genua in Norditalien erhalten, da dort in der Regel das Tiefdruckzentrum der Genuazyklone zu finden ist.

Das physikalische Prinzip und die Vorticity

Möchte man nun das physikalische Prinzip einer Leezyklogenese verstehen, so kommt man nicht umhin, den Begriff der Vorticity einer Strömung zumindestens qualitativ zu verstehen. Daher wird zunächst auf diesen Begriff eingegangen. Danach wird die Bedeutung der Vorticity für die Entstehung der Genuazyklone genauer erläutert.

Eine deutschsprachige Bezeichnung für Vorticity existiert leider nicht. Oft wird aber behelfsweise von einer Wirbelstärke geredet. Da dieser Begriff recht unschön klingt, wird meist einfach der englische Begriff verwendet. Letztere Variante wird auch verwendet, denn mit Wirbelstärke ist verwirrenderweise woanders manchmal auch die eng mit der Vorticity verwandte Zirkulation gemeint. Die Zirkulation ist nichts anderes als die mittlere Vortictiy eines (flächenhaften) Gebietes. Im Gegensatz dazu ist die Vorticity ein mikroskopisches Maß für die Wirbelstärke an einem bestimmten Punkt im Strömungsfeld.

In der Mathematik ist die Vorticity daher als differentielle Größe definiert, während die Zirkulation eine integrale Größe ist. (Bem.: Für alle, die mit dem Begriff Integral nicht viel verbinden können: Ein Integral ist im wesentlichen nichts anderes als eine Aufsummierung vieler, im Prinzip unendlich kleiner Flächenstücke.) Für die großräumigen (synoptischen) Hoch- und Tiefdruckgebiete ist nur die Rotation um eine vertikale Achse von Bedeutung, und genau diese Komponente wird auch nur durch die Vorticity mathematisch erfasst. Dabei bedeutet ein positiver Wert der Vortivity eine zyklonale Rotation (Tief), ein negativer Wert antizyklonale Rotation (Hoch).

Da ein Luftpaket schon allein durch die Erdrotation einen bestimmte Menge an Vorticity erhält (die Corioliskraft wirkt auf der Nordhalbkugel horizontal rechtsablenkend auf alle Bewegungen, sie zwingt also ein sich mit einer konstanten Geschwindigkeit V bewegendes Luftpaket auf eine gekrümmte Zugbahn!) - unterteilt sich die gesamte oder absolute Vorticity in einen planetaren Anteil, der wie gesagt durch die Erdrotation erzeugt wird und einen relativen Anteil, der unabhängig von der Erdrotation ist.


Die Vorticitygleichung

Die zeitliche Veränderung der absoluten Vorticity wird physikalisch-mathematisch durch die sogenannte Vorticity-Gleichung beschrieben, und mithilfe dieser Gleichung läßt sich auch die Begründung für die Leezyklogenese liefern:

Diese Vorticitygleichung enthält drei Beiträge, welche zu einer zeitlichen Änderung der absoluten Vorticity führen können. Für die Erklärung eines Leetiefs ist aber nur einer der drei Terme, nämlich der sogenannte Drehterm (engl.: twisting- oder tilting term) entscheidend. Er beschreibt die Umwandlung von evtl. vorhandener horizontaler Wirbelstärke in vertikale Wirbelstärke, also in Vorticity, sobald ein horizontal variables Vertikalwindfeld vorhanden ist.

Horizontale Wirbelstärke liegt in fast allen Wettersituationen in bodennahen Luftschichten bis etwa 1 Kilometer Höhe vor, denn sie wird vornehmlich durch eine vertikale Windscherung, also eine Änderung der Windgeschwindigkeit mit der Höhe, produziert. Der Wind nimmt mit der Höhe nahezu immer aufgrund des abnehmenden Einflusses der Bodenreibung zu, er nähert sich immer mehr dem geostrophischen Wind (= Gleichgewichtswind, der sich einstellt, wenn Druckgradient- und Corioliskraft sich gerade aufheben) an. Würde man in eine solche Windscherung ein großes Paddel senkrecht nach oben halten, so würde es aufgrund der Windzunahme am oberen Ende in Richtung des Windes wegkippen bzw. wegdrehen.


Der Drehterm

Genau diese Drehung (bzw. das Kippen) beschreibt die horizontale Wirbelstärke, deren Vektor als dicker heller Pfeil in der nebenstehenden, stark vereinfachten Abbildung zu sehen ist. Nun kann man annehmen, daß in dem betrachteten Gebiet auch Vertikalwinde existieren, die horizontal unterschiedlich stark ausgeprägt sind (dünne vertikale Pfeile in der Abbildung). Unter der in der Abbildung gegebenen Strömungsverteilung drehen sie den horizontalen Wirbelstärkevektor so, dass eine vertikale Komponente, also Vorticity entsteht (als Beispiel sind die beiden dicken, nicht ausgefüllten Pfeile eingezeichnet). Diese so entstandene Vorticity ist schließlich die Ursache für die Ausbildung einer zyklonalen Strömung, also einer Zyklogenese. Der Drehterm bewirkt ein Kippen bzw. Drehen horizontaler Wirbelstärke in die Senkrechte.


Gebirgsüberströmung

Oben wurde vorausgesetzt, daß horizontal variable Vertikalwinde existieren müssen, damit der Drehterm tatsächlich zur Wirkung kommt. Solche variablen Vertikalwinde werden aber gerade bei der Überströmung eines Gebirgzuges erzwungen. Es ist einzusehen, daß im Luvbereich des Gebirgszuges variable Aufwinde und im Leebereich variable Abwinde existieren. Bei obigen Bedingungen ist es dann im Fall der Genuazyklone so, dass über dem Alpenhauptkamm bei einer nordwestlichen Anströmung negative Vorticity im Luv des Gebirges erzeugt wird (Hoch) und positive Vortivity im Lee der Alpen (Tief), sich also dort eine zyklonale Strömung ausbildet.

Der hier beschriebene Prozess gilt prinzipiell für alle Gebirge, egal bei welcher Anströmung und Ausrichtung des Gebirgszuges. Stets erzeugt der Twisting Term im Lee eines Gebirges ein Tiefdruckgebiet.


Die Genuazyklone als Spezialfall

Im Falle der Genuazyklone kommt jedoch noch ein weiterer Prozess unterstützend hinzu. Für diesen zusätzlichen Effekt ist die Erhaltung der sogenannten potentiellen Vorticity verantwortlich. Die potentielle Vorticity ist das Verhältnis der absoluten Vorticity zur vertikalen Ausdehnung eines horizontalen Wirbels. Auf der grossen, synoptischen Skala mit einer typischen Längenausdehung von 1000 Kilometern, die für Hoch- und Tiefdruckgebiete in mittleren Breiten zutreffend ist, bleibt die potentielle Vorticity in guter Näherung erhalten, d.h. sie ändert ihren Gesamtwert nicht. Dies hat nun zur Folge, daß beim Überströmen eines Gebirges aufgrund der Verringerung der vertikalen Ausdehnung des Wirbels - er wird quasi zusammengedrückt - sich auch die absolute Vorticity verringern muss, damit die potentielle Vorticity erhalten bleibt.

Da abnehmende absolute Vorticity Hochdruckeinfluss bedeutet, bildet sich am Anstieg des Gebirges ein höherer Druck. Im Lee des Gebirges kehrt sich der Prozess um: Der Wirbel wird gestreckt, und daher muß zum Erhalt der potentiellen Vorticity positive Vorticity - also ein Tiefdruckgebiet! - erzeugt werden. Der gerade beschriebene Vorgang gilt allerdings nur für eine westliche Anströmung auf der Nordhalbkugel - wie es im Fall der Nordwestanströmung der Alpen bei der Genuazyklone im wesentlichen der Fall ist. Die Diskussion möglicher anderer Anströmungen, bei denen die planetare Vorticity entscheidend zum Tragen kommt, würde an dieser Stelle zu weit führen.


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