3.6  Luftmassen und Fronten

              Air masses and front

 

3.6.5 Lebenslauf eines dynamischen Tiefdruckgebiets neu 

Nordostwinde, von den Polregionen ausgehend, versprechen im Sommer in Deutschland oft gute Segelflugbedingungen. In der Regel wird trockene, labile Luft mit guter Sicht herangeführt. Warme Winde aus der Sahara sorgen hingegen dafür, dass die bodennahe Luftschicht stabil ist, und es nur bei sehr hohen Temperaturen zu Thermikentwicklung kommt. Das Wetter wird weitgehend durch die Eigenschaften der zugeführten Luft bestimmt. 

In diesem Kapitel behandeln wir die folgenden Themen:  

3.6.1 Luftmassen

3.6.2 Luftmassengrenzen und Fronten

Zusammenfassung

 

3.6.1  Luftmassen

Inhalt:

  • Beschreibung, Klassifizierung und Ursprungsgebiete von Luftmassen
  • Transformation von Luftmassen
  • Warme und kalte Luftmassen

Beschreibung, Klassifizierung und Ursprungsgebiete der Luft

Luftmassen bilden sich, wenn sich die Luft über einem bestimmten Gebiet für längere Zeit aufhält. Sie werden durch eine typische vertikale Temperatur- und Feuchteverteilung charakterisiert. Es gibt große Gebiete auf der Erde, wie z. B. Wüsten, Ozeane und die Pole, in denen die Luft über einen großen Bereich annähernd die gleiche Temperatur und Feuchtigkeit hat. Ein solches Gebiet, aus dem eine Luftmasse stammt, wird als Ursprungsgebiet bezeichnet. Druckunterschiede können dazu führen, dass eine Luftmasse das Ursprungsgebiet verlässt und z. B. in unsere Umgebung gelangt. Luft, die aus einem Ursprungsgebiet stammt, ist durch den Namen dieses Gebiets gekennzeichnet und hat bestimmte Eigenschaften:

  • Äquatoriale Luft (E)hat ihren Ursprung in der Nähe des Äquators,
  • Tropische Luft (T)entsteht in Gebieten zwischen 15° und 45° nördlicher und südlicher Breite,
  • Polarluft (P)entsteht zwischen 45° und 70° nördlicher und südlicher Breite,
  • Arktische Luft (A)entsteht in der Nähe der Pole.

Polare und Arktische Luftmassen sind kalt und Äquatoriale sowie Tropische Luftmassen sind warm.

3.6.1 Luftmassen

Abb. 3.6.1   Ursprung und Wege der wetterbestimmenden Luftmassen

Bei Thermik steigt warme Luft auf und kühlt sich ab, wodurch die relative Luftfeuchtigkeit zunimmt. Bei weiterem Anstieg kommt es zur Sättigung der Luft. Die relative Luftfeuchtigkeit beträgt dann 100%. Kühlt sich beim Steigen die Luft weiter ab, kondensiert der Wasserdampf zu kleinen Tröpfchen und bildet eine Wolke.

Transformation von Luftmassen

Die Luftmassen werden aber nicht nur nach ihrem Ursprung, sondern auch nach dem Weg, den sie gehen, klassifiziert. Wenn Luft auf dem Seeweg in unser Land gebracht wird, wird sie zu feuchter Meeresluft, zur Maritimen Luft (m). Über Land bleibt die Luft trocken. Dies wird als kontinentale Luft bezeichnet (c).

  • Arktische Luftkann unser Land auf dem Seeweg (mA) oder auf dem Landweg (cA) erreichen. Dies ist eine kalte Luftmasse und kalte Luft kann sehr wenig Wasserdampf enthalten. 
  • Polarluft ist in Deutschland sehr häufig. Insbesondere maritime Polarluft (mP). Im Sommer ist dies kalte, feuchte Luft (siehe unten). Kontinentale Polarluft (cP) ist im Sommer warm und im Winter kalt.
  • Tropische Luft, die über dem Meer (mT) einströmt, ist warm und feucht. In unserer Gegend kühlt diese Luft ab, so dass eine Menge Wasserdampf kondensiert. Es ist bewölkt. Wenn sich warme, feuchte Luft über der kalten Nordsee abkühlt, entsteht Seenebel, der an Land treiben kann. Kontinentale Tropenluft (cT) ist warm und trocken. Dadurch entsteht eine warme Luftschicht in der Höhe, bei der sich (meist Blau-) Thermik nur bei sehr hohen Bodentemperaturen entwickeln kann.
  • Äquatoriale Luft (EL) entsteht in der Nähe des Äquators und erreicht unser Land nicht.

Warme und kalte Luftmassen

Bei Luftmassen unterscheidet man auch zwischen warmen und kalten Luftmassen. Man spricht von einer warmen Luftmasse, wenn die Temperatur der untersten Schicht (in 1,5 Metern Höhe) wärmer ist als die der Erdoberfläche. In Bodennähe wird diese Luft abgekühlt. Die untere Schicht wird kälter als die darüber liegende Schicht. Es entsteht eine Inversionsschicht und die Stabilität nimmt zu. 

Wenn die Temperatur der Luft kälter ist als der darunterliegende Boden, spricht man von einer kalten Luftmasse. Die untere Schicht ist wärmer als die Luft darüber, die Labilität nimmt zu und es entsteht Thermik.

In Deutschland ist der Unterschied zwischen kalten und warmen Luftmassen augenscheinlich. Im Winter ist der Ostwind meist sehr kalt, weil sich diese Luft über dem kalten Festland abgekühlt hat; im Sommer hingegen ist der Ostwind oft sehr warm, weil sich die Luft über dem Festland erwärmen konnte, bevor sie Deutschland erreicht hat. Umgekehrt erzeugt ein Westwind im Winter meist warme Luftmassen, weil das Meer dann wärmer ist als das Land; im Sommer kommt vom Meer eine kalte Luftmasse, weil das Meer dann meist kälter ist als das Land.

Eine kältere Luftmasse kann sich über einem relativ wärmeren Meer im Winter erwärmen, ehe sie über einen kälteren Kontinent strömt. Diese Luftmasse verhält sich dann über dem Land wie eine warme Luftmasse. 

Die Sichtverhältnisse in der warmen Luftmasse sind oft schlecht. Auch die Thermik ist eher schwach: Viel Sonnenenergie wird am Morgen für die Verdunstung und Aufheizung der doch eher stabil geschichteten Luftmasse verbraucht (wärmere Luft kann mehr Wasser als Wasser binden als kältere Luft). Staub und Rauch verbleibt aufgrund der geringen thermischen Durchmischung in Bodennähe und die nächtliche Abkühlung kann Nebel oder Dunst verursachen.

Die Sicht ist in der kalten Luftmasse oft gut. Die Thermik ist ebenfalls gut und setzt früh ein, da weniger Energie am Morgen für die Verdunstung und für das Aufheizen der weniger stabil geschichteten Atmosphäre verbraucht wird. Durch die schnelle, hochreichende Durchmischung der unteren Atmosphäre sinkt die  bodennahe Luftfeuchtigkeit rasch ab.

(Mehr Informationen zu Luftmassen und Wetterlagen: siehe 3.8 "Klimatologie")

 

3.6.2  Luftmassengrenzen und Fronten

Inhalt:

  • Allgemeine Merkmale
  • Warmfront, damit verbundene Wolken und Wetter
  • Kaltfront, damit verbundene Wolken und Wetter
  • Warmsektor, damit verbundene Wolken und Wetter
  • Wetter nach einer Kaltfront
  • Okklusionsfront, zugehörige Wolken und Wetter
  • Stationäre Front, zugehörige Wolken und Wetter
  • Bewegung von Fronten und Drucksystemen
  • Wetterwechsel während eines Frontdurchgangs

 

Allgemeine Merkmale

Eine (Boden-)Wetterkarte ist eine Karte eines bestimmten Gebietes, auf der mit Linien und meteorologischen Symbolen eine schematische Darstellung des Wetters gezeigt wird. Die Linien, die du auf der Wetterkarte siehst, sind die Isobaren (Linien, die Punkte mit gleichem Luftdruck verbinden).  Damit die Isobaren nicht nur das Gelände wiedergeben, wird der an der Station gemessene Luftdruck unter Verwendung der aktuellen Temperatur auf Meereshöhe normalisiert. Die Isobaren werden meist als Linien gedruckt, die sich um 5 hPa unterscheiden. Wo die Isobaren nahe beieinanderliegen, da bläst es kräftig. Wo sie weit auseinanderliegen, gibt es wenig Wind.

Auf Wetterkarten siehst du Hoch- und Tiefdruckgebiete. Diese werden in der Wetterkarte mit einem H (für „Hoch“) beziehungsweise mit einem T (für „Tief“) gekennzeichnet. 

 3.6.2 Bodenwetterkarte mit Drucksystemen und Fronten

Abb. 3.6.2   Bodenwetterkarte mit Drucksystemen und Fronten

 

Es wurde bereits erwähnt, dass Luft ein guter Isolator ist und dass sich aufsteigende Luft kaum mit der Umgebungsluft vermischt. Generell vermischen sich Luftmassen mit unterschiedlichen Eigenschaften schlecht. Wo kalte Luft auf warme trifft (oder warme auf kalte), bildet sich eine Luftmassengrenze, eine sogenannte „Front“. Der Temperaturunterschied zwischen kalter und warmer Luft verursacht einen Unterschied in der Dichte. Die kältere Luft ist schwerer als die warme und wird sich unter die wärmere Luft schieben. 

Fronten sind Gebiete mit schlechtem Wetter. Auf der Wetterkarte kannst du Kaltfronten, Warmfronten und Okklusionsfronten sehen. Es gibt auch eine stationäre Front. Sie werden mit den folgenden Symbolen dargestellt: 

3.6.3 Darstellung der Fronten in Bodenwetterkarte neu 

Abb. 3.6.3   Darstellung der Fronten in Bodenwetterkarte

Die Orientierung der Zeichen (Dreiecke, Halbkreise) zeigt die Richtung an, in die sich die Front bewegt.

 

3.6.4 Lebenslauf eines dynamischen Tiefdruckgebiets 

Abb. 3.6.4   Lebenslauf eines dynamischen Tiefdruckgebiets (Idealzyklone) - animiert

Im Atlantik vor Neufundland treffen der warme Golfstrom und der kalte Labradorstrom aufeinander. Außerdem trifft kalte Luft, die von den Polen nach Süden strömt, auf warme Luft aus den Subtropen. Warme Luft gleitet auf kalte Luft auf. Dieser Bereich bei etwa 60o nördlicher und südlicher Breite ist der Nährboden für so manche Zyklone, manches Tiefdruckgebiet, und wird Polarfront genannt. An dieser Schnittstelle, wo warme Luft auf kalte Luft trifft, bildet sich eine Front und in der Folge ein Tiefdruckgebiet, ein Wirbel.

Wir sprechen von einer Warmfront, wenn ein Beobachter am Boden nach dem Durchgang einer Front mit wärmerer Luft konfrontiert wird und von einer Kaltfront, wenn die Luft nach dem Durchgang der Front kälter geworden ist.

 

3.6.5 Lebenslauf eines dynamischen Tiefdruckgebiets neu 

Abb. 3.6.5   Lebenslauf eines dynamischen Tiefdruckgebiets (Idealzyklone)

In der Abbildung siehst du den Lebenslauf eines idealisierten Tiefdruckgebietes / einer sogenannten Idealzyklone:

  1. Bei a strömen kalte und warme Luft aneinander vorbei (stationäre Front, Polarfront).
  2. Strömungsgeschwindigkeitsunterschiede (oder Strömungskrümmung) und der Einfluss des Jetstreams bewirken eine Verwirbelung der Strömung. Als Folge wellt sich die Front. Die kalte Luft schiebt sich unter die warme Luft und die warme Luft gleitet über die kalte Luft. Die angehobene Luft fließt in der Höhe ab und der Luftdruck sinkt.
  3. Bei c ist ein Gebiet mit tiefem Luftdruck eingezeichnet, und dies ist der Beginn einer Zyklone, ein dynamisches Tiefdruckgebiet. 
  4. Bei d ist das Tiefdruckgebiet voll entwickelt („Idealzyklone“). Der Luftdruck ist weiter gefallen die Kaltfront beginnt, die Warmfront zu einzuholen. Das Gebiet zwischen der Warmfront und der Kaltfront, der "Warmsektor", wird kleiner.
  5. Bei e hat die Kaltfront die Warmfront eingeholt. Es wird eine Okklusionsfront gezeigt. Der Warmluftsektor wird immer weiter angehoben, und mit der Zeit verwischen sich alle Temperaturgegensätze. Die Zyklone löst sich auf. Der Wind weht um das Tiefdruckgebiet herum gegen den Uhrzeigersinn.

Der hier dargestellte Vorgang der Entstehung einer Idealzyklone ist stark vereinfacht und kommt in der Natur selten so eindeutig vor. 

 3.6.6 Querschnitt durch Fronten

Abb. 3.6.6   Querschnitt durch eine Warmfront (1), Okklusion (2) und Kaltfront (3)

In der Abbildung oben siehst du einen Querschnitt durch eine (1) Warmfront, eine (2) Kaltfront und eine (3) Okklusionsfront. Aufgrund des vorherrschenden Westwindes und des Jetstreams (ein Wind in 8-10 Kilometern Höhe mit einer Geschwindigkeit von mehr als 100 Kilometern pro Stunde) bewegen sich die Tiefdruckgebiete über dem Atlantik in unsere Richtung. Dann ziehen sie meist in Richtung Skandinavien. Im Sommer erleben wir regelmäßig Perioden, in denen Warmfronten, Kaltfronten oder Okklusionsfronten nacheinander über unser Land ziehen. 

 

Warmfront, zugehörige Wolken und Wetter

 3.6.7 Aufgleiten der Warmluft an einer Warmfront

Abb. 3.6.7   Aufgleiten der Warmluft an einer Warmfront (animiert)

Bei einer Warmfront schiebt sich warme Luft über die kalte, schwerere Luft. Die warme (leichtere) Luft wird nach oben gedrückt, kühlt ab und der Wasserdampf kondensiert. Dies geschieht sehr allmählich, und die Luft wird oft bis zu einer Höhe von 10 km angehoben. Die Front ist manchmal 600 bis 1000 km tief.

 3.6.8 Wolkenabfolge an einer sich nähernden Warmfront

Abb 3.6.8   Wolkenabfolge an einer sich nähernden Warmfront

Bei der Annäherung einer Warmfront siehst du nacheinander die folgenden Wolken aufziehen: Cirrus, Cirrostratus, Altocumulus, Altostratus, Nimbostratus und Stratus. Die Haufenwolken (Cumulus) verschwinden, während die Sonneneinstrahlung schwächer wird und die Sonne schließlich gar nicht mehr sichtbar ist. Die (Schicht-)Wolken verdichten sich, es gibt oft einen anhaltenden Nieselregen (Landregen) und die Segelflugzeuge können in die Halle geräumt werden. Im Winter tritt der Dauerniederschlag im Bereich der Warmfront auch als Schneefall auf, vorausgesetzt die Temperatur ist unterhalb 0°C. Meist geht der Schneefall dabei bei Annäherung der Front in Schneeregen und (gefrierender) Regen über.

Eine Warmfront wird auf der Karte als rote Linie mit vorgelagerten Halbkreisen dargestellt. Weit vor der Bodenfront zeigt die zunehmende Bewölkung bereits, dass die Front kommt. Erste Cirren sind sichtbar, die in Cirrostratus übergehen. Die Sonne ist noch blass und oft bildet sich ein Kreis (Halo) um die Sonne. Dies zeigt an, dass das schlechte Wetter kommt. Die Wolken verdichten sich, man sieht Altocumulus und Altostratus (Abschirmung). Die Sonne verschwindet und die Thermik stirbt. Die Wolken gehen in eine dicke, undurchsichtige Nimbostratusschicht mit gleichmäßigem Dauerregen über, der lange anhält. Außerdem lässt der Wind nach, wenn die Front am Boden durchzieht, d.h. die warme Luft den Beobachter am Boden erreicht.

 

Warmsektor, zugehörige Wolken und Wetter

Nach dem Durchzug der Warmfront gelangt wärmere Luft in das Gebiet. Diesen Bereich nennt man Warmsektor.  Die Flugbedingungen sind meist schlecht, weil im Warmsektor warme, feuchte Luft wetterbestimmend ist. Der Wind ist schwach. Die Sicht ist mäßig und oft gibt es Stratuswolken. Manchmal fällt Nieselregen daraus. 

Polarfront-Tiefs verlagern sich üblicherweise in Richtung der Warmluft-Isobaren.

 

Kaltfront, zugehörige Wolken und Wetter

Bei einer Kaltfront schiebt sich die kalte Luft (schwerer) unter die warme Luft und drückt diese nach oben. Die angehobene Luft kühlt ab und kondensiert. Eine Kaltfront ist meist nur 50 km tief und sorgt für kurzen  aber heftigen Starkregen mit Gewittern und Böen. 

3.6.9 Kaltluft schiebt sich an einer Kaltfront 

Abb. 3.6.9   Kaltluft schiebt sich an einer Kaltfront unter die vorgelagerte wärmere Luft (animiert)

Die Animation zeigt, was passiert, wenn sich kalte Luft (schwerer) unter warme Luft (leichter) schiebt. Die warme Luft wird nach oben gedrückt. Oft bilden sich Cumulonimbuswolken. Dies führt meist zu kurzem Starkregen und häufig zu Gewittern. Die Front ist viel kürzer als eine Warmfront und zieht schneller durch. Auch bei einer Kaltfront wird der Wind nachlassen, wenn die Front durchgezogen ist.

 3.6.10 Wolkenabfolge an einer Kaltfront

Abb. 3.6.10   Wolkenabfolge an einer sich nähernden Kaltfront

 

Das Wetter hinter einer Kaltfront (Rückseite)

Nach dem Durchzug der Kaltfront wird der Wind drehen (im Uhrzeigersinn). Die Luft ist klar, die Sicht ist gut, die Temperatur sinkt durch die kältere Luft der Kaltfront ab und es bilden sich häufig Cumuluswolken. Gute Segelflugbedingungen (Rückseitenwetter).

 

Okklusionsfront, zugehörige Wolken und Wetter

 3.6.11 Kalte Okklusion

Abb. 3.6.11  Kalte Okklusion (Animation)

Eine Kaltfront bewegt sich schneller als eine Warmfront. In der obigen Animation ist zu sehen, dass die Kaltfront die Warmfront einholt und sie gemeinsam als Okklusionsfront weiterziehen. Eine Okklusionsfront beginnt oft als Warmfront mit Nieselregen, der häufig in Regenschauer übergeht, wenn die Luftmasse nach der Kaltfront kälter ist als vor der Warmfront (Okklusion mit Kaltfrontcharakter). Wenn die Luft nach der Kaltfront wärmer ist als vor der Warmfront, stellt sich die Okklusion am Boden wie eine Warmfront dar (Okklusion mit Warmfrontcharakter). Aber immer hat man im Bereich der Okklusion die kräftigsten Niederschläge.

 

Stationäre Front, zugehörige Wolken und Wetter

Wenn eine Front an einem Ort bleibt, nennen wir sie eine stationäre Front. Oft mit dicken Wolkenschichten, leichtem oder keinem Regen und keinem oder schwachen Wind.

Eine stationäre Front kann sich manchmal auch leicht nach Westen bewegen.

 

Bewegung von Fronten und Drucksystemen

Warm- und Kaltfront verlagern sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Die Zuggeschwindigkeit der Warmfront beträgt etwa 60 bis 70% der Geschwindigkeit des Gradientwindes, die der Kaltfront dagegen 80 bis 90%. Das Tiefdruckgebiet selbst zieht meist in die Richtung, in welche die Isobaren des Warmsektors laufen.

 

Wetterwechsel während eines Frontdurchgangs

Vor der Front lässt der Wind meist etwas nach und nimmt bei Frontdurchgang an Stärke zu. Wenn der Wind im Laufe des Tages nachlässt, ist dies oft einer der Vorboten der herannahenden Front. Nach dem Durchzug einer Warm- oder Kaltfront dreht der Wind im Uhrzeigersinn / nach rechts und nimmt normalerweise an Stärke ab. 

Verfolgst du den Durchzug eines Polarfront-Tiefs an einem Barometer, wirst du bei Annäherung der Warmfront zunächst fallenden Luftdruck beobachten. Im Warmsektor bleibt der Druck dann konstant. Bei Durchzug der Kaltfront fällt der Luftdruck kurz, um danach sprunghaft anzusteigen. Oftmals folgt der Kaltfront auf seiner Rückseite ein Zwischenhoch, bevor ein weiteres Tief über Dich hinweg zieht.  

 

Zusammenfassung

  • Luftmassen bilden sich, wenn Luft über einem bestimmten Gebiet (Ursprungsgebiet) über einen längeren Zeitraum verbleibt. 
    Beispiele: 
    • Äquatoriale Luft (EL) warm, entsteht in der Nähe des Äquators,
    • Tropische Luft (TL) warm, ursprünglich aus Gebieten zwischen 15° und 45° nördlicher und südlicher Breite,
    • Polarluft (PL) kalt, entsteht zwischen 45° und 70° nördlicher und südlicher Breite,
    • Arktische Luft (AL) kalt, entsteht in der Nähe der Pole.
  • Wenn Luft auf dem Seeweg in unser Land gebracht wird, wird sie zu feuchter Luft, zur Maritimen Luft (m). Über Land bleibt die Luft trocken. Wir nennen sie kontinentale Luft (c).
  • Man spricht von einer warmen Luftmasse, wenn die Temperatur der untersten Schicht wärmer ist als die der Erdoberfläche, und umgekehrt ist es eine kalte Luftmasse.
  • Fronten bilden sich dort, wo kalte und warme Luftströmungen aufeinandertreffen. 
  • Ein Beobachter am Boden fühlt wärmere Luft nach dem Durchgang einer Warmfront und kältere Luft nach dem Durchgang einer Kaltfront.
  • An einer Warmfront gleitet warme Luft über kalte, schwerere Luft und wird nach oben geschoben, kühlt ab, der Wasserdampf kondensiert und es kommt zu großflächigem (Land-)Regen oder Schneefall.
  • Nach dem Durchzug einer Warmfront ist die Temperatur angestiegen, die Luft ist feuchter (schlechtere Sicht) und der Wind hat sich im Uhrzeigersinn gedreht.
  • Bei einer Kaltfront schiebt sich die kalte Luft unter die warme Luft und drückt diese nach oben. Eine Kaltfront ist meist bis zu 50 km tief und sorgt für kurzen Starkregen, teilweise mit Gewitter und kräftigen Böen.
  • Nach dem Durchzug einer Kaltfront sinkt die Temperatur. Die Luft wird klarer (geringere Luftfeuchtigkeit) und der Wind wird schwächer.
  • Das Gebiet zwischen der Warmfront und der Kaltfront wird als "Warmsektor" bezeichnet,
  • Wenn eine Kaltfront eine Warmfront überholt, dann entsteht eine Okklusionsfront.