Leezyklogenese am Beispiel der Genuazyklone
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
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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.
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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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