KAPITEL III DAS EMAGRAMM Grenzschichtsonde S B C

KAPITEL III : DAS EMAGRAMM Grenzschichtsonde (S. B. C. ) an Super-Dimona der Flugvereinigung Val d’Essonne (F). und seine Anwendung für die Segelflugvorhersage.

Kapitel III: Das Emagramm und seine Anwendung für die Segelflugvorhersage. III-1: Die Emagrammdarstellung III-2: Die Thermikvorhersage III-3: Die Darstellung der Luftfeuchte und Vorhersage der Kondensation III-4: Die Feuchtemessung und die Bestimmung des Taupunktes und des Kondensationsniveaus (Untergrenze der Quellwolken) III-5: Die Luftmasse «auf einen Blick» III-6: Das Emagramm 761 von Meteo. France und typische Beispiele von Grenzschichtsondierungen. Anhang 3 : Die Psychrometer-Formel

Das Emagramm stellt den Zustand der Atmosphäre graphisch dar. • an einem Ort • auf verschiedenen Höhen und erlaubt die Vorhersage der Entwicklung im Tagesverlauf.

KONSTRUKTION DES EMAGRAMMS 1. Höhenskala (oder Druckniveaus) 2. Temperaturskala

Rechtwinkliges EMAGRAMM Das Emagramm ist ein Gitter mit einer Höhenachse (oder Druckachse) und einer Temperatureachse.

Im klassischen Emagramm ist die Höhe durch das Druckniveau ersetzt. [h. Pa] Der Zustand eines Gases wie Luft ist durch drei Grössen charakterisiert: Druck P, Temperatur T, Dichte L, die durch die Zustandsgleichung verknüpft werden: P= L RLT 750 800 - 900 - RL ist die spezifische Gaskonstante trockener Luft. 1000 - Rechtwinkliges EMAGRAMM

Rechtwinkliges EMAGRAMM Druck [h. Pa] Die Druckflächen weisen leider unterschiedliche Abstände auf. 750 Folglich werden wir in dieser Einführung vorerst mit der Höhenskala arbeiten. 800 - 900 - 1000 -

Rechtwinkliges EMAGRAMM Ein «Zustandspunkt» ist eine gemessene Temperatur, die auf der Messhöhe (oder beim Messdruck) im 765 h. Pa Emagramm eingetragen wird. 2300 m Zustandspunkt 21°

Rechtwinkliges EMAGRAMM Die Verbindungslinie aller Zustandspunkte heisst Zustandskurve Sie stellt eine erste Charakterisierung der Luftmasse dar.

Rechtwinkliges EMAGRAMM Durch die Temperaturabnahme mit der Höhe ist die Zustandskurve nach links geneigt und verlässt rasch das Emagramm.

Spitzwinkliges EMAGRAMM Damit die Zustandskurve eher senkrecht verläuft, wurde das schiefe Emagramm geschaffen. Die Temperaturachse ist um 45° nach oben geneigt.

Schiefes EMAGRAMM Das Diagramm ist durch eine grün ausgezogene Kurvenschar ergänzt. Damit kann die Temperaturänderung einer Luftblase unter adiabatischer Kompression oder Expansion verfolgt werden. Bemerkung: in den folgenden Diagrammen werden die Trockenadiabaten nur qualitativ dargestellt. Die daraus abgelesenen numerischen Werte können Diese Kurven sich von den exakten Werten leicht unterscheiden. Das Verständnis des Emagrammes wird dadurch nicht beeinträchtigt. heissen «Trocken -adiabaten» .

Schiefes EMAGRAMM Beispiel : Trockene Luftblase (0 m , 23°) Welche Temperatur erreicht sie bei adiabatischem Aufstieg auf 2500 m ? -5° Antwort: -5 ° 23°

Schiefes EMAGRAMM 2. Beispiel : Luftblase bei 3000 m und -10° Welche Temperatur erreicht sie beim Abstieg auf 500 m ? Antwort: 17 ° 17°

Schiefes EMAGRAMM Das Emagramm enthält eine weitere grüne Kurvenschar. Diese Kurven stellen die Feuchtadiabaten dar. Damit kann die Temperaturänderung einer gesättigten Luftblase unter Wie bei den Adiabaten können sich die daraus abgelesenen numerischen adiabatischer Werte von den exakten Werten leicht unterscheiden. Kompression oder Expansion verfolgt werden.

Schiefes EMAGRAMM Beispiel: Gesättigtes Luftpaket bei 1000 m und 10° -1° Welche Temperatur ergibt sich bei einem Aufstieg auf 3000 m ? Antwort: -1° 10°

Schiefes EMAGRAMM Das Emagramm enthält: Trockenadiabaten und Feuchtadiabaten. Sie zeigen den Temperaturverlauf von auf- und absteigenden Luftblasen mit und ohne Sättigung.

Schiefes EMAGRAMM Beispiel: Luftblase bei 0 m und 18°. Welche Temperatur wird erreicht beim Aufstieg auf 3500 m, wenn die Sättigung bei 2000 m erfolgt? -15 ° Sättigung Antwort: - 15 ° 18°

Kapitel III: Das Emagramm und seine Anwendung für die Segelflugvorhersage. III-1: Die Emagrammdarstellung III-2: Die Thermikvorhersage III-3: Die Darstellung der Luftfeuchte und Vorhersage der Kondensation III-4: Die Feuchtemessung und die Bestimmung des Taupunktes und des Kondensationsniveaus (Untergrenze der Quellwolken) III-5: Die Luftmasse «auf den ersten Blick» III-6: Das Emagramm 761 von Meteo. France und typische Beispiele von Grenzschichtsondierungen. Anhang 3 : Die Psychrometer-Formel

Die Sonnenstrahlen ändern die Zustandskurve kaum. Die Erwärmung der Luft erfolgt in Bodennähe.

Durch die Erwärmung werden gewisse Luftblasen spezifisch leichter und steigen auf… bis ihre Temperatur der Umgebungsluft entspricht.

Im Emagramm folgt die Blasentemperatur der Trockenadiabaten … … bis zur Kreuzung mit der Zustandskurve.

Mit der Emagrammdarstellung einer Temperatursondierung sollte sich der Tagesgang der Konvektion ermitteln lassen. • der Konvektionsbeginn , • die Höhe der Aufwinde • Unter- und Obergrenzen der Quellwolken Die Ausgangsgrössen sind: • die Sondierung der Luftmasse, • die Temperaturvorhersage am Boden.

Zustandskurve Temperaturvorhersage Zeit T° C 8 h 12° (Sondierung) 10 h 20° 12 h 24° 14 h 26° 16 h T max 28°

Vorhersage der Konvektionshöhe Beispiel: T-12 h = 24°. Konvektionshöhe um 12 h ohne Kondensation ? Man folgt der Trockenadiabaten durch die Temperatur Am Kreuzungspunkt mit der Zustandskurve ist der Temperaturausgleich mit der Umgebung erreicht. Antwort: 1300 m 1300

Aufheizung der Bodeninversion Bei welcher Temperatur wird die Bodeninversion aufgeheizt ? Man folgt der Trockenadiabate durch die Obergrenze der Inversion. Die gesuchte Temperatur kann auf der Höhe des Bodens abgelesen werden. Antwort: 21°

Unter- und Obergrenze der Quellwolken Das Vorgehen ist identisch… … nur muss man zusätzlich das Sättigungsniveau kennen Das entsprechende Vorgehen werden wir später kennenlernen

Quellwolken: Unter- und Obergrenze um 15 h ? T: 23°, Sättigung bei 6°. 3300 m Ab der vorhergesagten Temperatur folgt man der Trockenadiabate bis zur Sättigungstemperatur. Man folgt der Feuchtadiabate bis zur Kreuzung mit der Zustandskurve. Untergrenze : 1500 m Obergrenze : 3300 m 1500 m n r io t a s u at

Kapitel III: Das Emagramm und seine Anwendung für die Segelflugvorhersage. III-1: Die Emagrammdarstellung III-2: Die Thermikvorhersage III-3: Die Darstellung der Luftfeuchte und Vorhersage der Kondensation III-4: Die Feuchtemessung und die Bestimmung des Taupunktes und des Kondensationsniveaus (Untergrenze der Quellwolken) III-5: Die Luftmasse «auf den ersten Blick» III-6: Das Emagramm 761 von Meteo. France und typische Beispiele von Grenzschichtsondierungen. Anhang 3 : Die Psychrometer-Formel

Die Luftfeuchte im Emagramm Das Emagramm enthält noch eine Kurvenschar. Sie stellt das Sättigungsmischungsverhältnis rs dar und ist in g/kg beschriftet. 1 2 3 4 5 Bemerkung: rs heisst auch rw 10 20 30

Die Luftfeuchte im Emagramm Ein Luftblase mit der Temperatur T = 12°C und der Höhe Z (oder Druck p), wäre gesättigt, wenn das Mischungsverhältnis 12 g/kg wäre. Sein Mischungsverhältnis sei r = 8 g/kg, 5 6 7 Man verschiebt die Lufttemperatur auf gleicher Höhe zum Mischungsverhältnis von rs = 8 g/kg. 8 9 10 11 12 T= 12 °C. rs = 8 g/kg rs = 12 g/kg

Die Luftfeuchte im Emagramm Ein Luftpaket der Temperatur T und dem Mischungsverhältnis r = = 12°C in der Höhe Z (beim Druck p) 8 g/kg, würde gesättigt, wenn seine Temperatur bei konstantem Druck (gleiche Höhe), auf T = 4 °C gesenkt würde, wo r = rs wäre Diese Temperatur heisst «Taupunkttemperatur» oder Td. Hier ist Td = 4 °C 5 6 7 8 9 10 11 12 Td =4 °C T= 12 °C . r =rs = 8 g/kg

Die Luftfeuchte im Emagramm Im Emagramm wird eine Luftblase durch zwei Temperaturen charakterisiert: 1 -Der Zustandspunkt mit T = 12 °C und Z (oder p), 5 6 7 8 9 10 11 12 2 -Td – dem Schnittpunkt des (Sättigungs-) Mischungsverhältnisses rs = 8 g/kg mit der Höhen- oder Drucklinie Td rs T

Die Taupunkttemperatur ist die Sättigungstemperatur einer Luftblase, unter Abkühlung bei konstantem Druck.

Die Luftfeuchte im Emagramm Wenn das Mischungsverhältnis durch Feuchtezufuhr von 8 auf 12 g/kg anstiege, würde ebenfalls Sättigung auftreten. 12 g/kg ist das Sättigungsmischungs verhältnis rs. 5 6 7 8 9 10 11 12 Td T rs

Das geschieht beim Duschen und ungenügender Lüftung.

Die Luftfeuchte im Emagramm Steigt die Luftblase auf, tritt Sättigung ein, wenn die Temperatur und der Druck dem Sättigungsmischungsverhältnis von 8 g/kg entsprechen. Der Kondensationspunkt entspricht dem Schnittpunkt zwischen dem Sättigungsmischungsverhältnis r=8 g/kg und der Trockenadiabate durch T. Tc ist die Temperatur des Kondensationspunktes. Tc 5 6 7 8 9 10 11 12 Td T

Am Kondensationspunkt tritt Sättigung ein nach einer adiabatischen Expansion.

Wenn man das mittlere Sättigungsverhältnis «rm» der konvektiv durchmischten Schicht kennt, ist es ein Leichtes, die Unterund Obergrenze der Quellwolken zu bestimmen.

Unter- und Obergrenze Das mittlere Mischungsverhältnis rm zwischen 0 und 3000 m sei 6 g/kg. 1 Unter- und Obergrenze für T=24° bei z = 0 ? Die Untergrenze ergibt Untergrenze = 2000 m sich aus Obergrenze = dem 3000 m Schnittpunkt des Mischungsverhältnisses Und vonfür =6 32° g/kg ? mit der Trockenadiabaten Untergrenze = 2700 m durch T=24 °C und Z=0 m. Obergrenze = Die Tropopause Obergrenze folgt aus dem Schnittpunkt der Feuchtadiabate den Wenn durch keine Inversion Kondensationspunkt mit den weiteren Aufstieg der Zustandskurve. bremst ! 2 3 4 5 10 20 30

Das Emagramm beim Apero Wieviele Flaschen Pastis braucht es für das kondensierte Wolkenwasser ? 1 Verdünnung : 1 Teil Pastis auf 5 Teile Wasser. Untergrenze r = 6 g/kg, Obergrenze r = 4 g/kg. 2 g/kg werden in Tropfen und Eiskristalle umgewandelt. (Obergrenze T=-5°) Wolkenvolumen: rund 100 000 m 3 Kondensat: 75 000 l 2 3 4 5 10 20 30

Antwort: rund 15 000 Flaschen !

Zur Messung der Luftfeuchtigkeit dient das «Psychrometer » . Es besitzt ein «Trockenthermometer» , an dem man T abliest, und ein Feuchtthermometer, an dem man Tm abliest.

Hier ein klassisches Psychrometer aus einer Wetterhütte. Das Feuchtthermometer ist mit einem feuchten Strumpf bedeckt. R. Vaillant Weitere Einzelheiten

Bei feuchter Umgebungsluft, verdunstet wenig Wasser … … und das Feuchtthermometer kühlt nur wenig ab. Tm und T unterscheiden sich nur wenig. Bei sehr trockener Umgebungsluft verdunstet viel Waser vom Strumpf… … und das Feuchtthermometer kühlt stärker ab. Tm und T unterscheiden sich stark.

Während langer Zeit war das Psychrometer Das Basisinstrument für Flugzeugsondierungen. Heute wird eher ein elektronisches Hygrometer benützt, das die Taupunkttemperatur misst.

Durch ein Sondierung kennt man auf vielen Höhen (oder Druckniveaus) : die Temperatur T den Taupunkt Td (vom Hygrometer) oder die Feuchttemperatur Tm (vom Psychrometer) Mit dem Emagramm bestimmt man (graphisch) : Den Kondensationspunkt Tc

Bestimmung des Kondensationspunktes aus T und Td Zeichne T und Td. Zeichne die Trockenadiabate durch T und das Mischungsverhältnis durch Td. Tc Tc liegt an deren Schnittpunkt. Von Tc folgt man der Feuchtadiabete zum Ausgangsniveau zurück und findet Tm. Td X Tm T

Bestimmung des Mischungsverhältnisses aus T und T m Zeichne T et T. m Zeichne die Trockenadiabate durch T und die Feuchtadiabate durch Tm. Tc liegt an deren Schnittpunkt. Tc Zeichne "rs" (Mischungsverhältnis) durch Tc. Folge «rs» , zu Td. Td X Tm T

Bestimmung des mittleren Mischungsverhältnisses aus T und Tm Bestimme Td für einige Messpunkte in den unteren Schichten. So bestimmt man ein mittleres r … für eine robuste Bestimmung der Quellwolken !

Kapitel III: Das Emagramm und seine Anwendung für die Segelflugvorhersage. III-1: Die Emagrammdarstellung III-2: Die Thermikvorhersage III-3: Die Darstellung der Luftfeuchte und Vorhersage der Kondensation III-4: Die Feuchtemessung und die Bestimmung des Taupunktes und des Kondensationsniveaus (Untergrenze der Quellwolken) III-5: Die Luftmasse «auf den ersten Blick» III-6: Das Emagramm 761 von Meteo. France und typische Beispiele von Grenzschichtsondierungen. Anhang 3 : Die Psychrometer-Formel

Instabilität in ungesättigter Luft Eine ungesättigte Blase (17, 5° bei 500 m), steige adiabatisch auf 2000 m. und erreicht die Temperatur 0°C. Die Umgebungstemperatur liegt dort bei -3°C. Durch die höhere Temperatur wird die Blase weitersteigen.

Instabilität in ungesättigter Luft Wenn in einer ungesättigten Schicht der Atmosphäre die Zustandskurve «links» der Trockenadiabaten verläuft , ist diese Schicht «INSTABIL » Beispiel: Schicht zwischen 500 m und 2000 m, und oberhalb 3000 m.

Instabilität in gesättigter Luft Steigt ein gesättigtes Luftpaket von 17, 5° in 500 m feuchtadiabatisch auf 2000 m, erreicht es die Temperatur von 11°C. Die Umgebungstemperatur beträgt -3°C. Durch die höhre Temperatur des aufgestiegenen Paketes wird es nicht ins Ausgangsniveau zurücksinken sondern weitersteigen.

Absolute Instabilität Die Schicht zwischen 500 und 2000 m ist sowohl für gesättigte wie ungesättigte Luft instabil. Diese Schicht ist «absolut instabil» . Liegt die Zustandskurve links der Trocken- und der Feuchtadiabate ist die Instabilität absolut.

Stabilität ungesättigter Luft Ungesättigte Luft von 14 °C, die adiabatisch vom Boden aufsteigt, ist in jeder Höhe kälter und somit spezifisch schwerer als die Umgebungsluft. Sie wird wieder in die Ausgangshöhe absinken. Die Schichtung ist trockenstabil.

Stabilität gesättigter Luft Gesättigte Luft von 14 °C, die feuchtadiabatisch vom Boden aufsteigt, ist in diesr Zustandskurve in jeder Höhe kälter und somit spezifisch schwerer als die Umgebungsluft. Sie wird wieder in die Ausgangshöhe absinken. Die Schichtung ist feuchtstabil.

Absolute Stabilität Liegt die Zustandskurve rechts der Trocken- und der Feuchtadiabate ist die Schichtung absolut stabil.

Feuchtlabile Schichtung Liegt die Zustandskurve in einer Schicht zwischen der Trocken- und der Feuchtadiabate, Ist die Schichtung nur bedingt stabil. Die Instabilität tritt nur bei Sättigung auf.

Das Emagramm auf einen Blick… • Eine Sondierung kann in groben Zügen oft rasch analysiert werden wenn sie einer gut ausgeprägten, typischen Wetterlage entspricht: • zu trocken oder zu feuchte Luft, • Luftmassenwechsel, • diverse Hochdruckbedingungen, • und … die ideal Sondierung !

Das Emagramm auf einen Blick Grosse Differenz zwischen T und Tm: TROCKENE LUFT Trockenthermik.

Das Emagramm auf einen Blick Geringe Differenz zwischen T und Tm: FEUCHTE LUFT bewölkt, tiefe Untergrenzen

Absinkinversion Bei hohem Druck in den oberen Luftschichten. Merkmale: * trockene und warme Luft in der Höhe. * deutliche Inversion mit Abtrocknung (grosser Unterschied zwischen T und Tm). • Vorteil: Kein Gewitterrisiko

Inversion bei Luftmassenwechsel in der Höhe Anstieg von T und Tm in der Inversion Nachteil: oft mit Wolken verbunden, die Konvektion beeinträchtigen. Woken vom Typ Stratocumulus

Zu feuchte Luft unter der Inversion Wenn die Differenz von T und Tm unterhalb der Inversion zu gering ist, kann es zu. . . AUSBREITUNGEN kommen.

Zu trockene Luft unterhalb der Inversion. Die Kurven von T und Tm liegen weit auseinander (sehr trockene Luft) = Konvektion ohne Quellwolken Trockenthermik…

Trocken Höhenluft (wolkenfrei). Hochliegende Absinkinversion. Ideale Feuchtekurve Tm (Quellwolkenbildung, hohe Untergrenze, geringe Bedeckung, keine Ausbreitungen). Glatte Zustandskurve zwischen Feucht- und Trockenandiabate (gleichmässige Konvektion, kaum Turbulenz). Tiefliegende Bodeninversion (rasche Aufheizung). Die «ideale» Sondierung !

Kapitel III: Das Emagramm und seine Anwendung für die Segelflugvorhersage. III-1: Die Emagrammdarstellung III-2: Die Thermikvorhersage III-3: Die Darstellung der Luftfeuchte und Vorhersage der Kondensation III-4: Die Feuchtemessung und die Bestimmung des Taupunktes und des Kondensationsniveaus (Untergrenze der Quellwolken) III-5: Die Luftmasse «auf den ersten Blick» III-6: Das Emagramm 761 von Meteo. France und typische Beispiele von Grenzschichtsondierungen. Anhang 3 : Die Psychrometer-Formel

Die Zustandsgrössen sind: • der Luftdruck • und die Temperatur. Die Isobaren sind braune, horizontale Geraden. Die Isothermen sind braune, um 45° geneigte Geraden Die Trockenadiabaten sind grüne, ausgezogene Linien. . Die Feuchtadiabaten sind grüne, gestrichelte Linien. . Trocken- und Feuchtadiabaten werden nach ihrem Schnittpunkt mit der Isobare 1000 h. Pa benannt.

Die Linien mit konstantem Mischungsverhältnis (iso-rs) sind durch braune, geneigte, gestrichelte Geraden dargestellt. Sie sind mit g Wasserdampf pro kg trockener Luft bezeichnet. Die Höhenskala auf der rechten Seite ist für die trockene Standardatmosphäre berechnet.

Typische Beispiele von Grenzschichtsondierungen Die Kurven dieser Sondierungen sind : • Die Zustandskurve (T in °C in Abhängigkeit des Luftdruckes), • Die Kurve der Taupunkttemperatur (Td in Abhängigkeit des Luftdruckes).

Grenzschichtsondierung am frühen Morgen Beachten: nächtliche Bodeninversion und rasche Fluktuation der Feuchte in der Höhe.

Grenzschichtsondierung am Abend nach konvektiver Durchmischung. Beachten: Quasi-adiabatisches Temperaturprofil und homogenes Mischungsverhältnis in der Konvektionsschicht (von 600 m bis zur Wolkenuntergrenze).

Sondierung in einem Aufwind. Im Aufwind (von 1600 bis 3000 m) sind die T und Td Profile durch die konvektive Durchmischung geglättet.

ENDE Kapitel III

Anhang 3 : Die Psychrometerformel

Die Luftfeuchtigkeit lässt sich wie folgt abschätzen: • Die Wärme zur Verdunstung des Wassers aus dem feuchten Strumpf wird der Luft um das Thermometer entnommen: sprich: d. Q = cp. L (T-Tm) • Diese zugeführte Wärme sättigt die Luft bei der Feuchttemperatur: sprich : d. Q = Lv(Tm)[rs(Tm) -r] [(es(Tm) –e)]0, 622 wobei d. Q = Lv(Tm) -----------p Daraus folgt: es(Tm) - e _______ = mit A = cp. L/0, 622 und Lv= 0. 00066 (°C) p -1 A (T - Tm)