Geostrophisches und thermisches Windgleichgewicht

Auf Skalen, die größer als ein Gewitter sind, pendelt sich die Atmosphäre in ein annäherndes Gleichgewicht zwischen den Kräften ein, sodass ein Meteorologe aus der Kenntnis des Druckfeldes und der Temperaturänderung mit der Höhe den Wind selbst rekonstruieren kann.

Definition

Das geostrophische Gleichgewicht ist die annähernde Gleichheit der horizontalen Druckgradientkraft und der Corioliskraft; der thermische Wind ist die resultierende Änderung des geostrophischen Windes mit der Höhe, die proportional zum horizontalen Temperaturgradienten ist.

Scope

Dieses Thema behandelt das geostrophische Gleichgewicht zwischen der Druckgradientkraft und der Corioliskraft, das hydrostatische Gleichgewicht in der Vertikalen, die thermische Windbeziehung, die die vertikale Scherung des geostrophischen Windes mit horizontalen Temperaturgradienten verknüpft, sowie die verwandten Gradient- und Zyklostrophischen Gleichgewichte für gekrümmte Strömungen.

Core questions

• Wie bestimmt das Gleichgewicht von Druckgradient- und Corioliskräften den großräumigen Wind?
• Warum impliziert ein horizontaler Temperaturkontrast eine vertikale Windscherung?
• Wann bricht eine ausgeglichene Strömung zusammen und was folgt daraus?
• Wie modifizieren Krümmungs- und Zentrifugaleffekte das geostrophische Gleichgewicht?

Key theories

Geostrophische Approximation

Für großräumige und sich langsam ändernde Bewegungen ist die Beschleunigung im Vergleich zu den dominanten Kräften gering, sodass der Wind gut durch den geostrophischen Wert angenähert wird, der parallel zu den Isobaren weht.

Thermische Windbeziehung

Die Kombination von geostrophischem und hydrostatischem Gleichgewicht zeigt, dass die vertikale Scherung des geostrophischen Windes durch den horizontalen Temperaturgradienten bestimmt wird, was erklärt, warum die starken Höhenstrahlströme über scharfen Temperaturkontrasten liegen.

Mechanisms

Wo sich Luft als Hochdruck ansammelt, drückt die Druckgradientkraft sie in Richtung niedrigeren Drucks, aber die Erdrotation lenkt die sich bewegende Luft ab, bis die Corioliskraft den Schub ausgleicht und der Wind entlang der Isobaren strömt. Da Druckflächen dort steiler geneigt sind, wo die Luft darunter kalt und dicht ist, muss sich dieser geostrophische Wind proportional zum horizontalen Temperaturgradienten, dem thermischen Wind, mit der Höhe ändern, weshalb der Jetstream über den stärksten Temperaturkontrasten liegt.

Clinical relevance

Das geostrophische und thermische Windgleichgewicht ermöglicht es Meteorologen, Winde in der Höhe aus Temperatur- und Druckanalysen abzuleiten, Jetstreams zu lokalisieren und zu diagnostizieren, wo die Atmosphäre vom Gleichgewicht abweicht, also die Regionen, in denen Aufwärtsbewegungen und Wetterentwicklung konzentriert sind.

History

Buys Ballots empirisches Gesetz aus dem 19. Jahrhundert, dass der Wind auf der Nordhalbkugel mit tiefem Druck links weht, nahm das geostrophische Gleichgewicht vorweg; die Formalisierung der geostrophischen und thermischen Windbeziehungen im frühen 20. Jahrhundert und ihre zentrale Rolle in Charneys Skalenanalyse machten sie zu Eckpfeilern der dynamischen Meteorologie.

Key figures

• Christophe Buys Ballot
• Carl-Gustaf Rossby
• Jule Charney

Seminal works

• holton2013
• martin2006

Frequently asked questions

Kann ich den Wind abschätzen, wenn ich das Druckmuster kenne?

Ja. Auf großen Skalen gibt die geostrophische Beziehung die Windgeschwindigkeit aus der Dichte der Isobaren und ihre Richtung parallel zu ihnen an, wobei der niedrige Druck auf der Nordhalbkugel links liegt.

Warum befindet sich der Jetstream dort, wo er ist?

Die thermische Windbeziehung verknüpft die Zunahme des Windes mit der Höhe mit horizontalen Temperaturkontrasten, sodass die schnellsten Höhenwinde, der Jetstream, über der scharfen Grenze zwischen warmen und kalten Luftmassen entstehen.