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Präzise Messungen des Zustandes der Atmosphäre sind für gute Wetterprognosen unverzichtbar. Messstationen und Radaranlagen der MeteoSchweiz messen verschiedenste Parameter vom Boden aus, Satelliten liefern Daten per Fernerkundung aus grosser Höhe. Eine weitere Art von atmosphärischen Messungen geschieht mittels Radiosonden, welche im folgenden Beitrag näher vorgestellt werden.
Radiosonden-Aufstiege
Hilfreiche Informationen für die Aviatik dank Radiosonden
(Artikel in der AeroRevue 04/2013 – Daniela Nowak)
Jeden Tag werden weltweit von 700 bis 800 Stationen aus atmosphärische Messungen durchgeführt. 170 von diesen Stationen erstellen zweimal täglich, um 0 Uhr und 12 Uhr UTC, ein atmosphärisches Profil nach Richtlinien der World Meteorological Organisation (WMO). Mittels einer Radiosonde wird der Luftdruck (P), die Temperatur (T), die Feuchte (U), sowie die Windrichtung und -stärke vom Boden bis in grosse Höhen gemessen. Eine Sonde mit verschiedenen Sensoren wird zu diesem Zweck an einen mit Wasserstoff gefüllten Ballon angebracht, welcher bis zu einer Höhe von 30 bis 35 Kilometer über Grund aufsteigt. In etwa dieser Höhe platzt der Ballon und die Sonde fällt, gebremst durch einen Fallschirm, auf die Erdoberfläche zurück. Die beim Aufstieg erhobenen Daten werden in ein Höhendiagramm übertragen, welches Emagramm oder auch TEMP genannt wird.
Die weltweit mit Radiosonden erhobenen Daten werden in standardisierter und koordinierter Form zentral gesammelt. In Zentraleuropa bedeutet dies, dass jeweils etwa um 13 und um 1 Uhr im Winter (oder eine Stunde später im Sommer) ein Profil der Atmosphäre zur Verfügung steht, welches auch für Piloten nützliche Informationen liefert. Die Anzahl Stationen in jedem Land sind unter anderem von der Fläche abhängig. In der Schweiz werden Radiosondierungen von MeteoSchweiz in Payerne durchgeführt.
Bei Westwind kann für das Flugwetter in der Schweiz auch die Radiosondierung von Nancy hinzugezogen werden, bei Bise jene von Stuttgart. Diese sind für den aktuellen Tag und bis auf eine Höhe von 400 hPa (7500 m) kostenlos erhältlich. Radiosondierungen von MeteoSchweiz
Anhand von je einer typischen Wetterlage im Winter und im Sommer werden im Folgenden die Profile etwas genauer erklärt.
Stabile Hochdrucklage mit Inversion
Die Situation in Grafik 1 bezeichnet die stabile Hochdrucklage mit einer Inversion, welche in der Schweiz typischerweise im Herbst und Winter auftritt, begleitet von einer hochnebelartigen Bewölkung (Stratus) über dem Flachland. Bei dieser Wetterlage liegt warme Luft über einer kalten Luftschicht. Normalerweise nimmt die Temperatur in der Troposphäre um rund 0.65 °C/100 Meter ab; dies im Schnitt bis 12 000 Meter über Grund (Tropopause) und bis etwa -56.5°C. Anschliessend, in der Stratosphäre, nimmt die Temperatur wieder zu. Im Falle einer Inversionslage, wie in Grafik 1 vom 11. November 2011 (12:00 UTC) zu erkennen ist, nimmt die Temperatur wie erwartet in der Kaltluft zunächst ab; dann aber ab einer gewissen Grenze mit der Höhe wieder zu. In der kalten Luft bildet sich eine hochnebelartige Wolkenschicht, welche mehrere hundert Meter mächtig sein kann. Die Wolkenobergrenze befindet sich dort, wo die Temperatur mit zunehmender Höhe wieder ansteigt. Dieser Wechsel des Temperaturverlaufs ist im Profil gut erkennbar. Unterhalb dieser Grenze liegen die Werte von Temperatur (rote durchgezogene Linie) und Taupunkttemperatur (rote gestrichelte Linie) während rund 400 Metern sehr nahe beieinander: Diese Distanz entspricht auch ungefähr der Mächtigkeit der Wolkenschicht. Ausserdem ist im Profil die Nullgradgrenze einfach herauszulesen: diese befindet sich an dem Punkt, an welchem die rote Temperaturkurve die kräftigere, schwarze 0°-Isotherme kreuzt.
Eine Inversion wirkt wie eine Sperrschicht. Partikel sowie die feuchtere Luft aus der darunterliegenden Kaltluft gelangen nicht in die obere, warme Schicht. Sichtbar ist dieses Phänomen durch die klar definierte Wolken- oder Hochnebelobergrenze und die meist sehr gute Fernsicht. Ein wichtiges Detail nebenbei: die Taupunkttemperatur kann fast denselben Wert haben wie die Temperatur. Dies entspricht einem sehr hohen Feuchtegrad der Luft. Die Taupunkttemperatur kann jedoch nie höher sein als die Temperatur.
Oben in der Mitte befinden sich Datum und Uhrzeit (Z = UTC). Auf den vertikalen Achsen sind links die Höhe in hPa und rechts die Höhe in Meter und Fuss angegeben. Die Linien gleicher Temperatur (Isothermen) sind schwarz ausgezogen (von links unten nach rechts oben), und mit 2°-C Abstand eingetragen. Die 0°-Isotherme ist dicker als die anderen. Die Isothermen sind auf der horizontalen Achse in 10-°C-Schritten angeschrieben. Die beiden roten Kurven (mitte-links) zeigen die Temperatur (durchgezogen) und den Taupunktverlauf (gestrichelt). Die hellgrüne Linie ist die Trockenadiabate, die hellblaue ist die Feuchtadiabate. Rechts unten ist die Skala für den Wind von 0 bis 100 Knoten («kt»; rote Kurve ganz rechts). Die roten Pfeile geben die Windrichtung an.
Flache Druckverteilung über dem Alpenraum
Die zweite Wetterlage (Grafik 2) zeigt eine Situation mit relativ flacher Druckverteilung über dem Alpenraum, welche im Sommerhalbjahr typischerweise von Konvektion und Schauerneigung sowie von lokalen Gewittern begleitet sein kann. An einem Sommertag erwärmt die Sonne den Boden und dieser die darüber liegende Luft. So entsteht eine Luftschicht (Luftpaket), welche wärmer ist als die Umgebungsluft. Kommt es zu einer Ablösung dieser wärmeren Luft, steigt diese auf (Thermik). Dabei kühlt sich die Luft mit 1 °C pro 100 Metern Höhe trockenadiabatisch ab, wobei der in ihr enthaltene Wasserdampf noch nicht kondensiert (die relative Luftfeuchte ist unter 100 Prozent). Ab einer gewissen Temperatur beginnt der Wasserdampf in der aufsteigenden Luft zu kondensieren (da kühlere Luft weniger Wasserdampf enthalten kann) und es bilden sich sichtbare Wassertröpfchen. Ab dieser Höhe (Kondensationsniveau) ist die Luft gesättigt, das heisst, die relative Feuchte beträgt 100 Prozent. Ist die Umgebungsluft jedoch noch immer kühler als jene im aufsteigenden Luftpaket, steigt dieses weiter auf. Da bei der Kondensation Wärme frei wird, kühlt dieses Luftpaket feuchtadiabatisch mit 0.65°C pro 100 Metern ab. Am 11. Mai 2011 (Grafik 2) um die Mittagszeit herrschte eine Temperatur von etwa 24°C (Zürich). Wenn ein Luftpaket diese Temperatur überschreitet und aufzusteigen beginnt, läuft der vorher beschriebene Prozess an.
Bei einer Schichtung wie in der Grafik 2 dargestellt, steigt die Luft bis zum Kondensationsniveau auf, wo sich eine Cumuluswolke zu bilden beginnt. Der Verlauf des Taupunktprofils liegt im Gegensatz zum «trockenen» Winterprofil (Grafik 1) näher bei der Temperatur, denn die Luftfeuchte ist vergleichsweise hoch. Nach Erreichen des Kondensationsniveaus steigt das Luftpaket solange weiter, bis seine Temperatur derjenigen der Umgebungsluft entspricht (sichtbar als Cumulus, CU). Wenn dies, wie beim Fall am 11. Mai 2011, bis zum Erreichen der Tropopause nicht geschieht, entstehen zunächst hochreichende Cumuluswolken (TCU) und schliesslich Cumulonimben (CB). Hier bildet sich auch der für CBs typische Amboss, da die aufsteigende Luft an der Tropopause gestoppt wird und sich auf die Seiten ausbreitet. In der Schweiz gingen am 11. Mai lokale Gewitter nieder.
TEMPs liefern wichtige Angaben
Aus «TEMPs» können noch weitere Aussagen gewonnen werden. So kann man den Beginn, das Ende und die Stärke der Konvektion ermitteln, die Basis und das Top der Cumulus-Wolken lässt sich sogar die Qualität der zu erwartenden Aufwinde einschätzen, was vor allem die Segelflugpiloten interessiert; dies ist jedoch auch für Motorflugpiloten von Bedeutung, damit Zonen mit starker Thermik und Turbulenzen gemieden werden können. Das Kondensationsniveau lässt sich anhand einer Faustregel ungefähr bestimmen: der «Spread» (Differenz von Temperatur und Taupunkt) am Boden mit 400 multipliziert ergibt die Höhe der Wolkenbasis über Grund in Fuss. Das Windprofil zeigt zudem an, ob es sich um eine Situation mit Warm- oder Kaltluftadvektion handelt. Wenn die Windrichtung mit zunehmender Höhe nach rechts dreht, handelt es sich um Warmluftadvektion. Wenn sie nach links dreht, herrscht eine Situation mit Kaltluftadvektion, was ein höheres Schauerrisiko bedeutet.