Erklärungen zu den GFS-Modellkarten

Laudatio/Quellen: Bestens bedanken möchte ich mich vor allem bei Fabienne aus dem Schweizer-Sturmforum und Gerhard Torka von der Universität Karlsruhe und Gerorg Müller von der Wetterzentrale. Die folgenden Texte wurden hauptsächlich von ihnen verfasst und von mir meist nur redigiert.

Warum eigentlich Wetterkarten ? - Exkurs: Grundlegendes zu Höhenwetterkarten Es gibt eine ganze Reihe von Gründen, warum sich die Meteorologen intensiv mit dem Wettergeschehen in der Höhe beschäftigen: Vorgänge, die unser Wetter hervorrufen, finden (hauptsächlich) in der Troposphäre statt. Dies ist die Atmosphärenschicht, die uns umgibt. Sie ist an den Polen ca. 10km und am Äquator knapp 20km dick. Darüber liegt die Stratosphäre, getrennt durch die sog. Tropopause. Natürlich beeinflussen die Vorgänge in einer bestimmten Höhe auch die Abläufe in anderen Schichten der Atmosphäre. Das, was wir als Wetter erleben, wird massgeblich bestimmt durch Vorgänge in grösseren Höhen. Es ist also leicht einzusehen, dass man die Abläufe, die unser Wetter hervorrufen, nur verstehen und erst recht nur vorhersagen kann, wenn man alle relevanten Atmosphärenschichten berücksichtigt. Der Vorteil des Höhenwetters ist, dass es nicht den kurzfristigen und sprunghaften Einflüssen unterliegt, denen das Bodenwetter durch Tag-/ Nachtwechsel, Erwärmung/ Abkühlung des Bodens, aber auch Topologie, Reibung des Windes an der Erdoberfläche usw. ausgesetzt ist. Somit lassen sich die tatsächlichen Tendenzen besser aus dem Chaos herausfiltern als an Hand des Bodenwetters. Wie hängen Höhenschichtlinien (Isohypsen), Temperatur und Druck zusammen? Atmosphärischer Druck ist nichts anderes als das Gewicht der Luftsäule oberhalb einer beobachteten Fläche. Das blaue Rechteck links sei eine Luftsäule mit niedriger Temperatur. Die eingezeichnete Ebene hat genau 50% der gesamten Luftsäule über sich. Daraus ergibt sich der Druck, z.B 500 hPa und die Ebene, in der dieser Druck herrscht, liege 5500m über dem Meeresspiegel (die Höhe einer solchen Ebene mit Punkten gleichen Luftdrucks wird als Geopotential bezeichnet). Wird diese Luftsäule gleichmässig erwärmt, dehnt sie sich nach allen Seiten aus (rotes Rechteck), die Dichte der Luftmasse sinkt. Da sie auf dem Boden steht, kann die gesamte Ausdehnung in vertikaler Richtung nur nach oben erfolgen, während sie sich in der Horizontalen in alle Richtungen ausdehnen kann. Die Ebene in 5500m Höhe hat jetzt nicht mehr 50%, sondern 60% der Luftsäule über sich, es herrscht dort also ein höherer Druck. Die Ebene, auf der 500hPa herrschen, ist in eine grössere Höhe gewandert, sagen wir 5600m. Im Umkehrschluss geht aus der Höhe einer Druckschicht hervor, welche mittlere Temperatur in der darunterliegenden Luftsäule herrscht. Man könnte diese Temperatur auch näherungsweise ermitteln, indem man den Mittelwert aus der Temperatur am Boden und in der gewünschten Höhe bildet. Aus technischen und parktischen Gründen verwenden die Meteorologen jedoch das Geopotential. Neben dem Geopotential/ Schichthöhe trifft man häufig auf den Begriff Schichtdicke. Damit ist die Differenz zweier Schichthöhen gemeint, also etwa die Dicke der Schicht 500hPa-1000hPa. Isobaren kennt jeder, es sind Linien, die Punkte gleichen Luftdrucks in Bodenhöhe verbinden. Sie verdeutlichen also die Druckverhältnisse am Boden und lassen somit u.a. Rückschlüsse auf Windrichtung/ -geschwindigkeit und den Verlauf der Fronten zu. Die Bodendruckangaben sind immer normiert auf NormalNull (SeaLevelPressure). Der an der Bodenstation tatsächlich gemessene Druck wird anhand einer Standardskala auf Meereshöhe reduziert. Isohypsen sind die Umkehrung der Isobaren. Isobaren repräsentieren den Druck bei gleicher geographischer Höhe (NormalNull), Isohypsen repräsentieren die geographische Höhe bei gleichem Druck (z.B. 500hPa)). Die Karten mit den Schichthöhen sind zu lesen wie eine Landkarte. Die Höheschichtlinien entsprechen den Höhenlinien eines Gebirges. Die Erhebungen (genannt Rücken) sind die im Mittel warmen Hochdruckgebiete, die Täler (genannt Tröge) die im Mittel kalten Tiefdruckgebiete. Man verwendet in der Meteorologie verschiedene vertikale Koordinaten, also Masssysteme für die Höhe, je nach dem, welches für das anstehende Problem am besten geeignet ist. Neben dem karthesischen System 'Meter über NN' und Systemen wie den 'isentropen Koordinaten' (potentielle Temperatur einer Schicht als Höhenmass) werden am häufigsten die isobaren Koordinaten benutzt, also der Luftdruck. Man misst Wettervorgänge daran, in welcher Druckschicht sie ablaufen. Die Höhe über NormalNull ist dabei 'zweitrangig' oder es ist eine abhängige Grösse. Neben messtechnischen Gründen wird dieses System vor allem deshalb bevorzugt, weil es implizit die Abnahme der Dichte mit der geographischen Höhe berücksichtigt, sodass sie in den Gleichungssystemen nicht mehr berücksichtigt werden muss und diese sich dadurch wesentlich vereinfachen lassen. (Das Drucksystem ist von Bedeutung für die unten beschriebene Karte der Vertikalbewegungen der 700hPa- Schichthöhe (s. dort)). Die o.g. Druckskala wird definiert an der sog. Standardatmosphäre. In dieser Standardatmosphäre liegt die Oberfläche der 500hPa-Schicht in 5520m Höhe über NN, dies ist die Normhöhe der 500er-Schicht. Die 500hPa-Schicht hat eine gewisse Sonderstellung. Sie teilt die Masse der Atmosphäre ungefähr in zwei Hälften, und die dort ablaufenden Prozesse (Windströmungen) haben auch herausragenden Einfluss auf das Wettergeschehen.

Die Modellkarten von GFS

In diesem Cockpit sind alle Wetterkarten des Modells GFS (Global Forecasting System), nicht weil dieses Modell wegen seiner Prognosegüte bevorzugt wird, sondern weil von diesem Modell die grösste Kartenvielfalt öffentlich zugänglich ist. Dabei kann im Cockpit zwischen den GFS Karten von der Wetterzentrale und von wetter3 ausgewählt werden. Die beiden Anbieter unterscheiden sich meist nur in der Gestaltung, bei einigen Karten ist jedoch die Kombination der Informationen verschieden.

Als Einleitung zunächst ein paar Worte zu den verschiedenen Druckflächen, von denen in der Folge immer wieder die Rede sein wird:

Man unterscheidet zwischen Bodendruckkarten und Höhendruckkarten. Manche Karten kombinieren Daten aus verschiedenen Druckflächen. Hier die wichtigsten Standarddruckflächen und ihre durchschnittliche Höhe über Meer:

500 hPa Geopotential (gpdm), Temperatur [°C] und Bodendruck (hPa)

Zum Verständnis von Höhenwetterkarten Höhenwetterkarten zeigen nicht das Wetter in einer Höhe wie z.B. in 5 km, sondern sie zeigen das Wetter in der Höhe einer bestimmten Luftdruckfläche. Der Luftdruck nimmt mit zunehmender Höhe ab. Am Boden beträgt er durchschnittlich 1013 hPa. In einer bestimmten Höhe beträgt er nur noch 500 hPa. Diese Fläche in einer bestimmten Höhe ist das 500-hPa-Niveau. Diese Fläche liegt aber nicht gleich hoch: Da warme Luft eine geringere Dichte hat als kalte Luft, dehnt sie sich stärker aus. Sie reicht somit auch höher als Kaltluft. Warmluft "hebt" eine Luftdruckfläche also an, Kaltluft "senkt" sie ab. Luftdruckflächen liegen folglich unterschiedlich hoch. Die Höhe einer bestimmten Luftdruckfläche an einem Ort wird in eine Karte eingetragen und gleiche Höhen werden verbunden. Man erhält Isolinien, in diesem Fall Isohypsen (Linien gleicher Höhe). Für Höhenwetterkarten wird häufig die 500-hPa-Fläche verwendet; aus dieser Karte kann man also ablesen, an welchen Orten, wie hoch die Luftdruckfläche von 500 hPa liegt. Andere häufige Höhenwetterkarten sind: 850 hPa, 700 hPa oder 300 hPa. Beispiel für eine Höhenwetterkarte In dieser Höhenwetterkarte (Vorhersage für 16.02.2004, 12 Uhr GMT) sind neben den Isohypsen für das 500-hPa-Niveau auch die Isothermen (Linien gleicher Temperatur) eingetragen. Die Zahlen an den Isohypsen (schwarz) bedeuten: 560 = 5600 m = 5,6 km Höhe. Man erkennt, dass im Süden (Atlantik, Nordafrika) die 500-hPa-Fläche höher liegt als im Norden (Russland, Grönland). Im Süden ist es wärmer. Die Warmluft reicht höher, folglich liegt auch die Luftdruckfläche höher. Weiterhin kann man aus dieser Karte auch den ungefähren Verlauf des Jetstreams ermitteln: Er entspricht etwa dem Verlauf der 5520-m-Isohypse.

So sieht dann nun z.B. eine 500hPa Höhenkarte des Modell GFS, von der Wetterzentrale aus: Diese Karte gibt den ersten Überblick über die Grosswetterlage einer bestimmten Region. Zu sehen ist die Verteilung der wettersteuernden Druckgebiete am Boden und in der Höhe.

Folgendes sieht man nun auf dieser Karte:

Im gezeigten Beispiel vom 1. Januar 2006 (weil auf dieser Karte fast alles wichtige drauf ist ;-) sind folgende Druckgebilde zu erkennen:

850 hPa Geopotential (gpdm) und Temperatur [°C]

Im Gegensatz zu der 500hPa Karte sind hier folgende Parameter aufegührt: