Tiefdruckgebiete

In Tiefdruckgebieten ist der Luftdruck niedriger als in der großräumigen Umgebung. Warum dies so ist und welche Folgen sich daraus ergeben, ist Gegenstand dieses Beitrags. Außerdem wird auch der Gegenspieler des Tiefs, das Hoch, beschrieben. Um mögliche Irritationen beim Leser dieses Beitrags zu vermeiden, führe ich die Fachbezeichnungen für Tiefs und Hochs hiermit ein: Tiefs werden als Zyklonen und Hochs als Antizyklonen bezeichnet.

Bereits 1922 veröffentlichten die beiden norwegischen Meteorologen Bjerknes und Solberg eine Theorie, die Polarfronttheorie, die eine Erklärung für die Entstehung von Tiefs lieferte. Sie hatten nämlich beobachtet, dass an und in Tiefdruckgebieten starke Temperaturunterschiede auftreten. Sie entstehen an den Grenzflächen zwischen warmen, aus dem subtropischen Raum stammenden und nach Norden strömenden Luftmassen und kalten, arktischen südwärts fließenden Luftströmungen. Die Grenzfläche bezeichneten sie als Polarfront. Natürlich stellt sich nun die Frage, warum die subtropische Luft nach Norden und die kalte Polarluft nach Süden vorstoßen.

In den tropischen und subtropischen Gebieten erwärmen sich infolge intensiver Sonneneinstrahlung die Luftmassen stärker als in den Polargebieten. Deshalb ist in der Arktis die Kaltluft dichter gepackt als die Warmluft im Süden. Dies hat zur Folge, dass die Flächen gleichen Druckes in den Polargebieten dicht übereinander liegen, hingegen in den südlichen und damit wärmeren Gebieten die Flächen gleichen Druckes größere vertikale Abstände besitzen. Die nachstehende Skizze zeigt, dass der Druck p7 rechts höher liegt als derjenige links im Bereich kalter Luft. Zur Verdeutlichung ein Beispiel: Der Druck p7 soll im Äquatorbereich in 7000 Meter Höhe herrschen, im Polarbereich jedoch liegt er schon in einer Höhe von 6000 Meter vor. Das bedeutet aber, dass in einer Höhe von 7000 Metern im Polarbereich dann natürlich ein geringerer Druck vorliegt als in der gleichen Höhe am Äquator. Es herrscht also ein Luftdruckgefälle vor, das eine Luftströmung vom Äquator nordwärts verursacht. Mit zunehmender Höhe nimmt der Druckunterschied zu und damit auch die Geschwindigkeiten der Luftströmungen.

Abbildung 1

Wegen der in einem weiteren Beitrag zu besprechenden Corioliskraft resultieren jedoch nicht nördliche, sondern westliche, mit der Höhe stark zunehmende Winde. Da in den arktischen Regionen am Boden und in den bodennahen Luftschichten der Luftdruck höher ist als in den subtropischen und tropischen Gebieten, fließt kalte Luft südwärts. Die Zonen, wo die kalten und warmen Luftmassen zusammenstoßen, werden als Frontalzonen bezeichnet. Kennzeichnend sind also große Temperaturgegensätze und mit der Höhe stark zunehmende Winde, ihre Breite beträgt etwa 1000 km. Die in der Frontalzone aufeinander treffenden Luftmassen sind jedoch nicht stabil nebeneinander liegend, da die dichtere und damit schwerere Kaltluft sich unter die leichtere  Warmluft schiebt. Damit bildet sich in der Übergangszone eine Neigungsfläche aus, die um so stärker geneigt ist, je größer die Temperaturgegensätze ausgebildet sind.

Langjährige Beobachtungen und Aufzeichnungen haben gezeigt, dass es so genannte vier große Aktionszentren im Nordatlantik gibt, in denen häufig Zyklonen ihre Entwicklung beginnen. Es handelt sich um das Neufundlandhoch und das Bermudatief im Westen und östlich davon das Islandtief und das Azorenhoch.

Abbildung 2

Zwischen dem Neufundlandhoch und dem Islandtief strömen kalte Luftmassen nach Süden, während zwischen dem Bermudatief und dem Azorenhoch warme Luft nach Norden transportiert wird (wir erinnern uns, dass aus einem Hoch die Luft im Uhrzeigersinn herausströmt, während sie bei einem Tief entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn hineinströmt). In der gestrichelten Zone, der Frontalzone, treffen sie aufeinander, was zu einem starken Temperaturgegensatz führt. Die in der Mitte zwischen den oberen und den unteren Druckgebilden gezogene nicht unterbrochene Linie stellt eine Schnittlinie dar, deren Ergebnis in der Abbildung 1 wiedergegeben und ihre Bedeutung beschrieben ist.

Anhand der Abbildung 2 will ich die Entstehung einer Frontalzone nochmals verdeutlichen. In der Übergangszone veranschaulichen die gestrichelten Linien L1 unten und L1 oben die Grenzflächen der warmen und der kalten Luftmassen. Wegen der Strömung der Luft zwischen ihnen bedingt, nähern sich die beiden Grenzflächen aneinander an und erreichen nach einer gewissen Zeit die Lagen L2 unten und L2 oben. Die noch zwischen ihnen vorhandenen Luftkontingente weichen zum Teil seitwärts, teilweise nach oben in höhere Atmosphärenschichten aus. Schließlich können die warmen und die kalten Luftmassen eine einzige Grenzfläche bilden, in der polare und subtropische Luft direkt nebeneinander liegen. Die gemeinsame Grenzfläche auf der Erdoberfläche ist die Bodenfront, die Bestandteil der in größere Höhen reichenden Frontalzone ist. Die Frontalzonen nun besitzen für die Entstehung und die weitere Entwicklung der großen Tiefdruckgebiete der gemäßigten Breiten große Bedeutung.

Abbildung 3

Abbildung 3 zeigt einen ungestörten Verlauf einer Polarfront, wobei die warme Südluft wegen der bereits weiter oben angedeuteten Corioliskraft aus westlicher Richtung, die kalte Polarluft aus dem gleichen Grund aus östlicher Richtung kommt.

Abbildung 4

Das thermische Gleichgewicht in Abb. 3 ist nicht von langer Dauer, an irgend einer Stelle dringt Warmluft ein wenig nach Norden vor oder Kaltluft nach Süden. Es bildet sich eine Wellenstörung aus. An der Vorderseite der nördlich vordringenden Warmluft bildet sich ein Niederschlagsfeld aus (in Abb. 4 durch grüne Schraffur gekennzeichnet), da in diesem Bereich Luftdruckfall einsetzt. Er entsteht, weil die vordringende Warmluft auf die kalte Bodenluft aufgleitet. Bei diesem Hebungsvorgang tritt Kondensations- und damit Wolkenbildung auf, aus der Regen ausfällt.

Abbildung 5

Als weitere Folge strömt Luft entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn um den Krümmungspunkt hinein, eine Spirale beginnt sich zu entwickeln. Dabei verlagert sich der Warmfrontsektor langsamer als die nachfolgende Kaltluft. Letztere ist labil geschichtet und nimmt wegen Durchmischungseffekten die Geschwindigkeit der höher gelegenen und sich deshalb schneller bewegender  Luftschichten an.

Abbildung 6

Abbildung 6 zeigt eine Zyklone im Reifestadium, der Warmfrontsektor ist zwar bereits deutlich eingeengt, noch sind jedoch die Warm- und die Kaltfront deutlich voneinander getrennt. In dieser Phase ist die Rotation am intensivsten. Das Niederschlagsgebiet ist ausgeweitet, hinter der Kaltfront steigt der Luftdruck meist genau so schnell an wie er bei Annäherung der Front fiel. Die Zugrichtung der Zyklone entspricht etwa dem Wind im Warmluftsektor oberhalb der Bodenreibungsschicht, ihre Geschwindigkeit ist etwas geringer als der Wind in dieser Höhe. In diesem Stadium erreicht sie eine Ausdehnung von ungefähr 1000km.

Abbildung 7

Schließlich holt die Kaltfront die Warmfront ein, beide fallen also zusammen und bilden eine einzige Front am Boden, die man Okklusion nennt.

Abbildung 8

 Dabei wird die Warmluft durch die sich darunter schiebende Kaltluft mehr und mehr nach oben gehoben, so dass am Boden nur mehr Kaltluft vorherrscht. Die Zyklone hat sich in einen frontenlosen Kaltluftwirbel umgewandelt, der sich mit langsamer Geschwindigkeit in der bisherigen Richtung weiterverlagert. Das Frontensystem kann deshalb um den Kern völlig herumschwenken. Man erkennt dies deutlich auf Satellitenaufnahmen, die deutlich einen Wolkenwirbel abbilden, der seinen Anfang im ehemaligen Krümmungspunkt hat.

Die Okklusion stellt bereits ein Alterungsstadium eines Tiefs dar, in dem keine Temperaturgegensätze mehr vorhanden sind. Die Rotation des Tiefs kommt allmählich zum Erliegen, wegen der Bodenreibung beginnt Luft in das Zentrum hineinzufließen, es füllt sich auf (siehe das Kapitel "Bodenwetterkarten"). Die Verlagerungsgeschwindigkeit nach Osten verlangsamt sich weiter, manchmal wird die Zyklone auch stationär. Der Ausgleich des Luftdruckunterschiedes zwischen Tiefdruckkern und Umgebung erfolgt dabei um so rascher, je größer die Bodenreibung und damit die Ablenkung des Windes zum Zentrum ist. Über dem Land mit seiner wesentlich stärkeren Bodenreibung füllen sich deshalb Zyklonen wesentlich schneller auf als über dem Meer. Dies bewirkt, dass Tiefdruckgebiete über dem Land meistens nur einen schmalen Warmluftsektor aufweisen.

Von Hochdruckgebieten oder Antizyklonen spricht man, wenn in einer Region Luftmassen  absinken und am Boden nach allen Seiten, jedoch im Uhrzeigersinn, ausströmen. Da sich die Luft beim Absinken erwärmt, erfolgt häufig -vor allem Sommer- Wolkenauflösung und als Folge sonniges Wetter. Allerdings bilden sich, vornehmlich in der kalten Jahreszeit, über der durch Ausstrahlung bedingten kalten Bodenluftschicht lang anhaltende Nebel- oder Hochnebel. Dies tritt vor allem bei Inversionswetterlagen auf, also bei Temperaturumkehr mit zunehmender Höhe über dem Erdboden. Je nach dem, ob die Temperatur in einem Hochdruckgebiet wärmer oder kälter als in der Umgebung ist, spricht man von einer warmen bzw. kalten Antizyklone. Letztere, auch als Zwischenhoch bezeichnet, reicht nicht hoch, sie wird deshalb nicht von dem darüber ostwärts wehenden Jetstream "gespeist" und wird meist nach kurzer Zeit durch nachfolgende Tiefs  abgebaut. Warme Hochdruckgebiete hingegen reichen hoch in die Atmosphäre, die unten am Boden ausströmende Luft wird durch absinkende  Luft aus der Höhe ersetzt. Ein solches Hoch ist langlebig, es kann mehrere 1000 km Durchmesser haben und bewegt sich häufig nur sehr langsam oder es ist stationär. Da es sehr stabil ist (siehe weiter oben), wirkt es auch als Steuerungszentrum und leitet Tiefdruckgebiete weit um sich herum.

Durchzug einer Idealzyklone an einem Ort

Bei der nachfolgenden Schilderung der Wettererscheinungen wird davon ausgegangen, dass die Zyklone nördlich an einem Beobachter vorbeizieht. Wie die Überschrift schon andeutet, wird hier der Durchzug eines Idealtiefs beschrieben, in Wirklichkeit kommen zahlreiche Abweichungen vor, der grundsätzliche Ablauf verläuft  jedoch mehr oder weniger ähnlich.

Abbildung 9

Die Neigung der Warmfront bei einem heranziehenden Tief ist mit 1:100 bis 1:300 ziemlich gering. Die warme Luft gleitet auf die am Boden liegende kältere Luft also in einem flachen Winkel auf. Dabei kühlt sie ab, es kommt zur Kondensations- und damit zur Wolkenbildung. Es sind feine Federwolken in einer Höhe von bis zu 12 km, die als Cirren  (Ci) bezeichnet werden. Wegen der eben erwähnten flachen Aufgleitebene sind sie bereits einige 100 km vor der eigentlichen Warmfront am Boden beobachtbar. Gelegentlich bilden sich auch sogenannte Schäfchenwolken aus, die in Wogen oder Reihen angeordnet große Teile des Himmels bedecken können. Bei weiterer Annäherung der Warmfront bilden sich beide Wolkenarten in den milchigweißen Cirrostratus (Cs) um, durch den die Sonne jedoch noch hindurchscheint. Mond- und Sonnenhalos treten bei dieser Phase oftmals auf. Während  die Temperatur auch bei weiterer Annäherung der Front etwa gleich  bleibt, sinkt der Luftdruck ziemlich gleichmäßig. Der Wind ändert seine Richtung langsam von Ost nach Süd oder Südwest, wobei er kräftiger wird.

Der Cirrostratus wird immer dichter und geht in den tiefer liegenden Altostratus (As) über, durch den Sonne und Mond nur noch matt durchschimmern. Schließlich wandelt sich der Altostratus in den dichten Nimbostratus (Ns) um, aus dem gleichmäßiger Landregen bzw. im Winter Schnee fällt. Er kann längere Zeit andauern, denn das vor der Front liegende Niederschlagsgebiet ist im Normalfall zwischen 100 und 300 km breit. Während dieser Zeit fällt der Luftdruck stärker als vorher, der Wind frischt weiter auf und die Temperatur steigt leicht an. Die Sicht verschlechtert sich wegen stärkerem Dunst oder aufkommendem Nebel, vor allem im Winter.

Beim Warmfrontdurchgang dreht der Wind nach rechts, der Luftdruck sinkt kaum mehr, die Temperatur steigt deutlich an und der Niederschlag hört auf. Im Sommer herrscht im Warmsektor sonniges und warmes Wetter vor, im Winter jedoch kann aus niedrigen Schichtwolken Sprühregen fallen oder es ist neblig trüb. Die Sicht ist meistens jedoch nur mäßig gut.

Oftmals schon nach wenigen Stunden zeigen die im Westen auftauchenden Cumulus (Cu)- und Cumulunimbuswolken (Cb) das Herannahen der Kaltfront an. Diese Wolken entstehen, weil infolge der Bodenreibung die vordere Grenze der Kaltluft gegenüber der Kaltluft in größerer Höhe zurückbleibt. Die Frontebene wird dadurch steiler und nimmt die Form eines Keiles an, der sich unter die Warmluft schiebt. Letztere wird deshalb zu einer schnellen Aufwärtsbewegung gezwungen, es entstehen die vorher genannten Cu- und Cb-wolken. Bei deren Durchgängen treten kurze, heftige Niederschläge auf, oft mit Graupel, Hagel und Gewittern verbunden. Der Wind frischt nicht selten zu Sturmstärke auf, wobei er von Südwest nach Nordwest springt. Der Luftdruck steigt kräftig an, ebenso deutlich fällt jetzt aber die Temperatur, es können mehr als zehn Grad sein. Da das Niederschlagsfeld an der Kaltfront ziemlich schmal ist, hören die Niederschläge bald auf, es lockert auf und die Sonne scheint von einem nun tiefblauen Himmel. Die Sicht ist hervorragend, was ein typisches Kennzeichen ist.

Die Wetterbesserung nach dem Kaltluftdurchgang hält meist nicht lange an. Die Kaltluft ist nur labil geschichtet, durch Sonneneinstrahlung wird sie noch verstärkt. Es treten deshalb oft Schauer und Gewitter auf mit zum Teil heftigen Böen. Dieses als Rückseitenwetter bezeichnete Wettergeschehen tritt besonders häufig in den Jahresübergangszeiten auf. Bekanntes Beispiel ist das so genannte Aprilwetter. Bei weiterer Verlagerung des Tiefs und bei steigendem Luftdruck nimmt die Schauertätigkeit ab, die Aufheiterungen werden häufiger und dauern länger an. Das nachfolgende Zwischenhoch macht sich bemerkbar.

Beim südlichen Vorbeizug einer Zyklone vom Beobachter sind die Wetterabläufe  anders, denn der Betrachter befindet sich immer in der nördlich des Tiefs liegenden Kaltluft. Es fehlen deshalb die Frontendurchgänge mit den wechselnden Temperatursprüngen. Warmluft ist nur in der Höhe vorhanden und verursacht durch weiteres Aufgleiten Regen in einem ausgedehnten Gebiet. Bei Abwanderung des Tiefs klingt der Regen ab, der Wind dreht allmählich von Südost über Nordost nach Nordwest zurück, der Luftdruck steigt langsam an.

Zählerstart 14.12.2006

Letzte Bearbeitung der Seite: Samstag, 13. Mai 2017 18:04