Thema des Tages
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Wissenschaft kompakt Die Paradoxie der maskierten Kaltfront Bei winterlichen Kaltfrontpassagen kommt es nicht selten vor, dass sich die Luft zunächst erwärmt statt abkühlt. Wie sich diese scheinbar paradoxe Temperaturänderung einstellen kann, erklären wir im heutigen Thema des Tages. Dass Tiefdruckgebiete, die in mittleren Breiten entlang der Polarfront entstehen, stets Kalt-, Warm- und Mischfronten ausbilden, dürfte zumindest regelmäßigen Lesern dieses Mediums bekannt sein. Scheinbar selbstredend sorgen Warmfronten für einen Temperaturanstieg und Kaltfronten für einen Temperaturrückgang, während Mischfronten, die sogenannten Okklusionen, jegliche, aber meist eher geringe Temperaturänderungen hervorrufen können. Doch gerade die winterliche Kaltfront vermag ihr Charakteristikum manchmal zu verschleiern. So führt diese im meteorologischen Fachjargon als "maskiert" bezeichnete Kaltfront zu einem zumindest vorübergehenden, scheinbar paradoxen Temperaturanstieg. Wie kommt es dazu? Einer maskierten Kaltfront geht stets eine ruhige Hochdruckwetterlage voran. Im Sommer bedeutet das meist viel Sonnenschein. Dieser sorgt für einen Energieüberschuss und damit für eine sukzessive Erwärmung. Im Winter herrscht dagegen ein Energiedefizit. Die Luft kühlt sich in den langen Nächten immer weiter ab. Die ohnehin bräsige, weil schwere Kaltluft, kann sich bei windschwachen Verhältnissen bodennah immer weiter ansammeln. Je länger also die windschwache Hochdruckwetterlage anhält, desto kälter wird es. Lediglich die Hochlagen, die aus dieser Kaltluftschicht herausragen, können von wärmerer Luft profitieren. Es herrscht folglich ein inverses Temperaturprofil, eine sogenannte "Inversion", bei der die Temperatur mit der Höhe nicht ab-, sondern zunimmt. Wenn sich nun aber eine Kaltfront nähert, macht sie dieser bräsigen, flachen Kaltluftschicht sprichwörtlich Beine. Alleine schon durch den zunehmenden Wind und durch vertikale Luftmassenumwälzungen sorgt sie dafür, dass sich die Inversion abschwächt und sich auflöst. Im Fachjargon spricht man auch von "Durchmischung", die dafür sorgt, dass sich wieder ein "normales" Temperaturprofil (unten warm, oben kalt) einstellt. Luftpakete, die sich vertikal nach oben und unten bewegen, erfahren nämlich sogenannte "adiabatische Zustandsänderungen", ohne, dass dem Luftpaket Wärme zu- oder abgeführt wird. Alleine durch die gravitationsbedingte Änderung des Luftdruckes mit der Höhe ändert sich die Temperatur. Steigt ein Luftpaket nach oben, dehnt es sich durch die äußere Druckabnahme aus und kühlt ab. Sinkt ein Luftpaket nach unten, wird es durch Druckzunahme gestaucht und erwärmt sich. Alleine dieser Prozess der Durchmischung führt also dazu, dass es bodennah wärmer wird und sich die Abkühlung lediglich auf die Hochlagen beschränkt. Dazu kommt noch ein weiterer Effekt: Hinter Kaltfronten setzt sich hierzulande zunächst oft maritime Polarluft durch, also Kaltluft, die über dem Atlantik oder der Nordsee stark erwärmt wurde und nicht selten wärmer ist als die unter Hochdruckeinfluss mitunter tagelang gealterte und abgekühlte Luft. Nur, wenn die Kaltluftzufuhr unmittelbar aus polaren Breiten länger anhält oder die Kaltluft ihren maritimen Charakter verliert, kühlt es auch in tieferen Lagen wieder ab. Die genaue Temperaturvorhersage bzw. die Vorhersage des Temperaturprofils gestaltet sich bei einer solchen maskierten Kaltfrontpassage vor allem im hügeligen Terrain schwierig. Der Luftmassenaustausch vollzieht sich - je nach Orientierung von Tälern und Bergrücken - teils sehr unterschiedlich schnell. Da der Niederschlag durch die unterschiedlich temperierten Luftschichten hindurchfallen muss, führen die Unwägbarkeiten der Temperaturvorhersage unmittelbar auch zu größeren Unsicherheiten bei der Vorhersage der Niederschlagsphase. Typischerweise fallen die mit einer maskierten Kaltluft einhergehenden Niederschläge je nach Mächtigkeit der Kaltluftschicht anfangs bis in tiefe Lagen teils als gefrierender Regen oder Schnee, gehen dann aber nach Ausräumen der Inversion zunächst wieder vermehrt in Regen über. Je nach Stärke und Andauer der Kaltluftzufuhr beginnt die Schneefallgrenze mit etwas Abstand hinter der Kaltfront im Verlauf wieder abzusinken. Eine maskierte Kaltfront kann die Wettervorhersage also stark verkomplizieren. Wenn in Wetterberichten die Rede davon ist, kann also davon ausgegangen werden, dass uns Meteorologen nicht selten die Köpfe rauchen. Dipl.-Met. Adrian Leyser Deutscher Wetterdienst Vorhersage- und Beratungszentrale Offenbach, den 12.12.2024 Copyright (c) Deutscher Wetterdienst

Wissen Kompakt Gegenstrahlung Das heutige Thema des Tages beschäftigt sich mit einem konkreten Beispiel für Gegenstrahlung am 01.12.2024 im Rhein-Main-Gebiet (Mainz). Der Strahlungshaushalt bzw. die Strahlungsbilanz ist ein wesentlicher Faktor für die in der Atmosphäre ablaufenden Prozesse. Dabei unterscheidet man in einem ersten groben Schritt einerseits die von der Sonne ausgestrahlte kurzwellige und sehr energiereiche Strahlung und andererseits die von der Erde ausgestrahlte langwellige (Wärme-)Strahlung. Bei genauerem Hinsehen werden beide Strahlungsarten auf ihrem Weg durch die Atmosphäre in vielfältiger Weise verändert, teils nur bezüglich ihrer Ausbreitungsrichtung, teils nur bezüglich ihres Wellenlängen-Spektrums - und manchmal auch bezüglich beider Eigenschaften. Im heutigen Thema des Tages werfen wir einen Blick auf die Wärmestrahlung der Erde. Sie hat einen Energieverlust für den Erdkörper zur Folge, der umso höher ist, je besser die Wärmestrahlung durch die Atmosphäre in den Weltraum gelangen kann. Umgekehrt ist der Energieverlust dann gering, wenn ein großer Teil der irdischen Strahlung, z. B. durch Reflektion, wieder zur Erde zurück gelangt. Diesen Teil der irdischen Wärmestrahlung bezeichnet man als Gegenstrahlung, weil sie dem physikalischen "Drang" der Erde, Energie abzugeben, entgegensteht. Sozusagen im "Gegenstrahlungs-Fokus" stehen aktuell natürlich die Treibhausgase und in der Folge der Klimawandel. Aber auch Wasserdampf und mithin die Wolken sind sehr effektive "Gegenstrahler". Ein schönes Beispiel dafür zeigte sich am vorvergangenen Wochenende im Rhein-Main-Gebiet. In der Abbildung 1 ist dazu der Temperaturverlauf am Messfeld des Instituts für Physik der Atmosphäre der Johannes Gutenberg-Universität in Mainz vom 29.11. bis 4.12.2024 angegeben. Genau genommen sind es sogar mehrere Temperaturverläufe, nämlich die Temperatur in 2 m Höhe (rot), in 20 cm Höhe (grün) und in 5 cm Höhe (blau). Die vierte Kurve (Taupunkt) ist ein Maß für die Feuchtigkeit. Letztendlich kann man sich für unsere Überlegungen eine der drei erstgenannten Kurven aussuchen, die zugrunde liegenden Prozesse sind bei allen Temperaturkurven gleich. In der Nacht von Freitag auf Samstag (29.11. auf 30.11.) war der Temperaturverlauf (bzw. sind alle drei Temperaturverläufe) weitgehend so, wie man es erwartet. Die Temperatur sank - abgesehen von einem kleinen Peak nach oben zu Beginn der zweiten Nachthälfte) kontinuierlich ab. Gegen 07 Uhr MEZ am Morgen (Pfeil 1) und damit kurz nach Sonnenaufgang sorgte der solare Strahlungsinput dann für einen Temperaturanstieg bis etwa zur Mittagszeit. Am Nachmittag gewann die Ausstrahlung der Erde dann gegenüber der solaren Einstrahlung die Oberhand und die Temperatur sank wieder ab. Diese Temperaturkurve ist typisch für sogenanntes Strahlungswetter, das sich durch wolkenarme oder wolkenlose Gegebenheiten auszeichnet. In der Nacht zum Sonntag passierte dann aber Ungewöhnliches. Schon gegen 02 Uhr MEZ (Pfeil 2) begann die Temperatur zu steigen. Eine mögliche Option wäre natürlich Warmluftadvektion gewesen, allerdings war der Wind schwach (Hochdruckeinfluss). Stattdessen kann man die Erklärung aus Abbildung 2 herauslesen. In dieser ist die tiefe Bewölkung dargestellt, wie sie unser Modell ICON-EU für die Nacht vom 30.11. zum 1.12. vorhergesagt hat. Um 21 UTC am 30.11. (22 Uhr MEZ, oben links) war Mainz (roter Kreis) laut Modell noch frei von tiefer Bewölkung. In der frühen zweiten Nachthälfte (00 UTC entsprechend 01 Uhr MEZ), also kurz vor Beginn des Temperaturanstiegs an der Johannes Gutenberg-Universität, verdichtete sich die tiefe Bewölkung (oben rechts). Im weiteren Verlauf der Nacht zog die Bewölkung immer weiter zu (unten, von links nach rechts). Damit verstärkte sich die Gegenstrahlung und der Temperaturanstieg schritt bis in die Morgenstunden voran. Übrigens: Das wird auch der Grund für den kleinen Temperaturpeak in der Nacht zum Samstag gewesen sein. Mit Tagesbeginn schwang das "Strahlungspendel" aber zurück. Nunmehr dämpfte die Bewölkung die solare Einstrahlung, entsprechend stieg die Temperatur nur sehr zögerlich an - kein Vergleich zur raschen Temperaturzunahme am Vortag. Dafür hielt der kontinuierliche Temperaturanstieg bis in die Nacht zum Dienstag an. Dies war aber der Warnluftadvektion durch Frontensysteme geschuldet. In weiten Teilen des Rhein-Main-Gebiets war der 1.12. somit kein freundlicher Tag. Die Betonung liegt auf "in weiten Teilen". Denn wer sich die Mühe gemacht hat auf den Feldberg im Taunus zu wandern, konnte ein spektakuläres Panorama bewundern (Abbildung 3, mit freundlicher Genehmigung von foto-webcam.eu). Bilder zum Thema des Tages finden Sie hier: Wetter und Klima - Deutscher Wetterdienst - Neuestes Thema des Tages Dipl.-Met. Martin Jonas Deutscher Wetterdienst Vorhersage- und Beratungszentrale Offenbach, den 11.12.2024 Copyright (c) Deutscher Wetterdienst