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Tropische Squall-Lines - Teil 2

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Dies ist die Fortsetzung des vorhergehenden Kapitels.

5. Dynamik des GATE Squall Line Systems vom 4./5. September 1974
     5.1 Externe Dynamik
     5.2 Interne Dynamik
6. Thermodynamik des GATE Squall Line Systems vom 4./5. September 1974
7. Fazit und Hinweise zur Numerik
Anhang: Weiterführende Literatur und Internetadressen zum Thema

Dynamik des GATE Squall Line Systems vom 4./5. September 1974

5.1 Externe Dynamik

Zur Bestimmung der größerskaligen (externen) Dynamik sind einerseits Stromlinien und Windfeldanalysen in verschiedenen Niveaus hilfreich. Andererseits gibt eine Analyse der relativen Windfelder im Bodenniveau weitere Hinweise auf die Hauptkonvergenzzone des Squall Line Systems. Beide Analysen wurden beim GATE Squall Line System durchgeführt:

Die Stromlinienanalysen zeigen zu jedem Meßzeitpunkt der Entwicklung des Systems eine bodennahe Konfluenzzone, welche die aktuelle Lage der ITCZ markiert. Im 850hPa-Niveau zeigt das Stromlinienfeld eine flache Störung, bei welcher es sich um eine AEW handelt (nähere Spezifikation des Typs dieser Welle siehe im Artikel von Houze, 1977). Im 700hPa-Niveau wurden die stärksten Winde zwischen dem Rücken und dem Trog der AEW beobachtet. Um 18 GMT ist das Squall Line System voll entwickelt. 6 Stunden später, also um 00GMT, läßt sich in Abbildung 4 eine geschlossene zyklonale Strömung in diesem Niveau identifizieren. Zu allen drei Zeitpunkten kann man eine starke Windscherung (am Boden: Südwestpassat, in 700 hPa: AEJ) erkennen. Stromlinienfelder zu drei verschiedenen Zeitpunkten, 
jeweils vom Boden (Surface), vom 850hPa-Niveau, vom 700hPa-Niveau sowie 
vom 200hPa-Niveau. Eingezeichnet ist auch die jeweilige Lage der Squall Line, 
und die dicken Pfeile an diesen Squall-Fronten sind proportional zur 
Verlagerungsgeschwindigkeit des Systems. Abbildung 4: Stromlinienfelder zu drei verschiedenen Zeitpunkten, jeweils vom Boden (Surface), vom 850hPa-Niveau, vom 700hPa-Niveau sowie vom 200hPa-Niveau. Eingezeichnet ist auch die jeweilige Lage der Squall Line, und die dicken Pfeile an diesen Squall-Fronten sind proportional zur Verlagerungsgeschwindigkeit des Systems.

Das 200hPa-Niveau ist zu allen Zeitpunkten der Entwicklung des Squall Line Systems durch divergente Strömungen ("upper level outflow") gekennzeichnet, wobei man um 18 GMT sogar eine antizyklonale Höhenströmung erkennt.

Winde relativ zur Squall Line zu drei verschiedenen Zeitpunkten, jeweils für die Niveaus Boden (Surface -> S), 850hPa -> 8, 700hPa -> 7 und 200hPa -> 2.

Abbildung 5: Winde relativ zur Squall Line zu drei verschiedenen Zeitpunkten, jeweils für die Niveaus Boden (Surface -> S), 850hPa -> 8, 700hPa -> 7 und 200hPa -> 2.

In Abbildung 5 sind zu den entsprechenden Terminen die Winde relativ zur Squall Line in 4 verschiedenen Niveaus (Surface, 850, 700 und 200 hPa) dargestellt. Zu allen drei Beobachtungszeitpunkten findet man in den unteren beiden Niveaus ein relatives Einströmen in die Squall Line, während die direkt gemessenen Absolutwinde dort weitgehend parallel dazu wehen. Im 700 hPa-Niveau hingegen erkennt man um 18GMT eine deutliche relative Windkomponente von der Rückseite her in die Squall Line, welche auch in anderen vermessenen Squall Line Systemen nachgewiesen werden konnte. Diese stellt eine typische Charakteristik dar, welche primär durch den AEJ herrührt. In Abbildung 7 (links) sind die relativen Normalwinde als Höhenprofile zu den drei Zeitpunkten dargestellt. Hier erkennt man das Einströmen in mittleren Schichten auf der Rückseite der Squall Line besonders gut.


5.2 Interne Dynamik

Über die internen Strömungsverhältnisse des Squall Line Systems vom 4./5. September 1974 gibt das nachstehende Bild einen schematischen Überblick. Die Abbildung dient gleichzeitig als Anhaltspunkt für die folgenden Erläuterungen:



Abbildung 6: Schematischer Querschnitt durch ein Squall Line System. Die Stromlinien zeigen jeweils Relativströmungen. Die schattierten Regionen kennzeichnen Gebiete mehr (dunkelgrau) oder weniger (hellgrau) starker Radarechos. - Quelle: Houze, 1977

Unterhalb der "leading edge" der Squall Line am linken Bildrand sind die konvektiven Downdrafts eingezeichnet, welche die vorgelagerten feuchtwarmen Luftmassen dynamisch heben. Dadurch wird die Bildung immer neuer Cb’s ermöglicht, welche sich im weiteren Verlauf in den Hauptbereich der Squall Line eingliedern und letztlich nach der Überschreitung des Reifestadiums in den nachschleifenden Amboss übergehen. Allerdings ist in diesem Zusammenhang auch darauf hinzuweisen, daß während der GATE-Squall Line auch Zellen beobachtet wurden, die dem Squall Line Systeme relativ weit vorausliefen und erst später eine neue "leading edge" bildeten. Dies impliziert, daß diese neuen Zellen auch unabhängig von diesen Abwind-Triggermechanismus entstehen können.

Hinter der Hauptgewitterlinie ist am Boden eine durchgehende bodenahe, stabile Schicht zu erkennen. Diese entsteht einerseits durch das rückwärtige Ausfließen der convective downdrafts (duchgezogene schwarze Linien) und andererseits durch die mesoskaligen Abwinde (helle Pfeile).

Das "melting band" kenzeichnet die den stratiformen Bereich, innerhalb dessen die Eisteilchen (Schneekristalle und Graupeln) schmelzen. Er zeigt sich in den Radardaten speziell als ein Band verstärkter Radar-Echos.


6. Thermodynamik des GATE Squall Line Systems vom 4./5. September 1974

Die Thermodynamik des GATE Squall Line Systems wurde anhand von Vertikalprofilen der spezifischen Feuchte sowie der äquivalent-potentiellen Temperatur untersucht, welche aus 3-stündigen Radiosondierungen, welche auf dem Forschungsschiff "Oceanographer" (siehe Abbildung 3 für die Position auf dem Atlantik) gestartet wurden, resultierten.

Links ist die relative Windkomponente normal zur Squall Line zu drei verschiedenen Zeitpunkten dargestellt. (durchgezogen: 12 GMT, gepunktet 15 GMT und gestrichelt 18 GMT des 4. September 1974). Rechts erkennt man Vertikalprofile der äquivalent-potentiellen Temperatur, ebenfalls zu den genannten Zeitpunkten (analoge Linien).

Abbildung 7: Links ist die relative Windkomponente normal zur Squall Line zu drei verschiedenen Zeitpunkten dargestellt. (durchgezogen: 12 GMT, gepunktet 15 GMT und gestrichelt 18 GMT des 4. September 1974). Rechts erkennt man Vertikalprofile der äquivalent-potentiellen Temperatur, ebenfalls zu den genannten Zeitpunkten (analoge Linien). Quelle: Houze, 1977

Bei Betrachtung der relativen Normal-Windkomponenten (normal zur Squall Line!) in Abbildung 7 (links) läßt sich um 12GMT unmittelbar vor dem Durchgang der Squall Line in allen Niveaus ein Einströmen in Richtung der "leading edge" erkennen, während um 18GMT (hinter der Squall Line) unterhalb des 800hPa-Niveaus sowie oberhalb des 470hPa-Niveaus die Luftmassen ausfließen. Dazwischen, also in der unteren und mittleren Troposphäre, erkennt man zu diesem Zeitpunkt ein Einströmen trockenerer und kühlerer Luftmassen in die Aufwindzentren der einzelnen Gewitterzellen ("Squall Line elements").

Die Betrachtung des entsprechenden Verlaufs der Vertikalprofile der äquivalent-potentiellen Temperatur zeigt deutlich, daß diese kühleren und trockeneren Luftmassen im Laufe des Lebenszyklus des Squall Line Systems durch entsprechende Abwinde in tiefere Niveaus transportiert wurden. Umgekehrt erkennt man in höheren Niveaus eine Zunahme der äquivalentpotentiellen Temperatur. Diese rührt vom dem entsprechenden Transport von feuchtwarmer Luft aus der Grenzschicht in höhere Niveaus durch die Gewitterzellen her. Insgesamt belegt dieser zeitliche Verlauf der Profile der äquivalent-potentiellen Temperatur die stabilisierende konvektive Umlagerung der Atmosphäre.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß das Profil der äq.-pot. Temp. vor dem Durchgang der Squall Front typisch für die Tropen ist: Man beobachtet dort relativ hohe Werte in tiefen und hohen Niveaus, während man in etwa 700hPa (über dem Meer) bzw. 500 bis 600hPa (über Land) ein Minimum findet.


Fazit und Hinweise zur Numerik

Tropische Squall Line Systeme sind von großem meteorologischem und hydrologischem Interesse, da sie u.a. in einem Gebiet Westafrikas auftreten, in welchem Niederschlagsereignisse insgesamt selten, meist nur lokal und zudem jahreszeitlich begrenzt auftreten: nämlich im Gebiet der Sahel-Zone südlich der Sahara. In diesem Gebiet sind es vor allem durchziehende Squall Line Systeme sowie generell mesoskalige Konvektionskomplexe, welche in einem kurzen Zeitraum von wenigen Stunden erhebliche Niederschlagsmengen liefern. An der Jahresniederschlagssumme haben diese konvektiven Niederschlagsereignisse einen hohen prozentualen Anteil (bis über 75%).

Ein detailliertes Wissen über die Entstehungsursachen und den Lebenszyklus von Squall Line Systemen ist auch für eine möglichst korrekte numerische Modellierung von organisierten mesoskaligen tropischen Konvektionskomplexen (speziell von Squall Lines) essentiell. [ Hier liefern Meßkampagnen wie GATE wichtiges Datenmaterial zur Validierung. ]

Den meisten numerischen Studien zu Squall Lines liegen rein zweidimensionale Modelle zugrunde deren Ziel es ist, die interne dynamische Struktur, welche in Abbildung 5 für das Reifestadium eines Squall Line Systems gezeigt ist, in ihrer zeitlichen Entwicklung korrekt wiederzugeben. Da reale Squall Lines jedoch, wie oben gezeigt, von ihrer Grobstruktur her am ehesten dem Modell eines klassischen konvektiven Multizellensystems entsprechen, werden die vorhandenen Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Squall Line Elementen nicht erfaßt. In jüngerer Zeit kommen daher auch vermehrt dreidimensionale Strömungsmodelle zum Einsatz (z.B. Nicholls und Weissbluth, 1988).


Literaturquelle und Internetadressen zum Thema

Literaturgrundlage für diesen Artikel:
Houze, R. A, 1977. Structure and Dynamics of a Tropical Squall-Line System, MWR, 105, 1540-1567.

Brauchbare Internetadressen zum Thema
The PSU Squall Line Database
URL:
http://www.ems.psu.edu/~young/rozindex.htm

Squall Lines (Single Doppler Signatures)
URL: http://www.met.tamu.edu/class/Metr475/lab8.html

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