Das physikalische Verfahren, welches zur Bestimmung der Stabilitätskriterien angewandt wird, ist die sogenannte Parcel-Theorie, welche bestimmte Annahmen voraussetzt:
Wenn nun ein Luftpaket vertikal ausgelenkt wird und somit seine Gleichgewichtslage verlässt, stellt sich die Frage, ob dieses trocken- oder feuchtadiabatisch aufsteigende Luftpaket wärmer sein wird als die Umgebung. Ist die vertikale Temperaturabnahme eines aufsteigenden Luftquantums kleiner als der feuchtadiabatische Temperaturgradient (abhängig vom absoluten Wasserdampfgehalt der Luft), dann ist die Atmosphäre sowohl für ungesättigte als auch für gesättigte Vertikalbewegungen stabil geschichtet. Dies stellt einen absolut stabilen Zustand dar. Wenn das Temperaturgefälle mit der Höhe größer ist als der trockenadiabatische Temperaturgradient, so spricht man von einem absolut labilen Zustand. Falls die vertikale Temperatur-abnahme eines aufsteigenden Luftpakets kleiner als der trockenadiabatische Temperaturgradient und größer als der feuchtadiabatische Temperaturgradient ist, dann ist die Atmosphäre für gesättigte Vertikalbewegungen labil und für ungesättigte stabil geschichtet. Dies wird als bedingte Labilität bezeichnet. Die drei Stabilitätskriterien sind in Abbildung 1 schematisch dargestellt.
Neben der thermischen Labilität ist die sogenannte potentielle Labilität für konvektive Prozesse von großer Bedeutung. Sie tritt dann auf, wenn sich beispielsweise eine trockene Luftschicht über feuchter Luft befindet und die gesamte Luftsäule gehoben bzw. vertikal gestreckt wird, so dass sich die trockene Schicht trockenadiabatisch und die feuchte Luftschicht nach erfolgter Sättigung feuchtadiabatisch abkühlt. Demzufolge kommt es zu einer Labilisierung der gesamten Luftsäule und dies erfolgt umso leichter, je gesättigter die feuchte Schicht ist. Dabei kann die vertikale Abnahme der pseudopotentiellen bzw. äquivalenpotentiellen Temperatur als hin-reichendes Kriterium für potentielle Labilität verwendet werden.
Eine sehr einfache Möglichkeit, die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Schauern oder Gewittern grob abzuschätzen, ist der vertikale Temperaturgradient (engl. lapse rate) bzw. die Temperaturdifferenz zwischen dem 850 hPa und dem 500 hPa Niveau. Ist diese größer als 25°C, dann deutet das auf Schauerwetter hin. Übersteigt sie einen Wert von 30°C, dann besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit dafür, dass sich Gewitter bilden. Im Sommer liefert die Verwendung der Bodentemperatur anstelle der Temperatur im 850 hPa Niveau eigentlich noch bessere Abschätzungen, wobei jetzt eine Differenz von 40°C zwischen der Bodentemperatur und Temperatur im 500 hPa Niveau als kritischer Wert für die wahrscheinliche Gewitterbildung angesehen werden kann. In der Tat, im Winter wie im Sommer, trägt die Anwesenheit von labilen thermischen Gradienten in diesen Höhen in der Regel zur Förderung von langlebiger Konvektion bei. Selbstverständlich handelt es sich bei den hier angegebenen empirischen Beziehungen nur um sehr grobe Abschätzungen, die entsprechend fehlerhaft sein können.
- Es kommt zu keiner turbulenten Durchmischung mit der Umgebungsluft (kein Entrainment).
- Es erfolgen keine Kompensationsbewegungen im Umfeld des Luftpaketes.
- Instantane Anpassung des internen Drucks des Luftpakets an den Außendruck.
Wenn nun ein Luftpaket vertikal ausgelenkt wird und somit seine Gleichgewichtslage verlässt, stellt sich die Frage, ob dieses trocken- oder feuchtadiabatisch aufsteigende Luftpaket wärmer sein wird als die Umgebung. Ist die vertikale Temperaturabnahme eines aufsteigenden Luftquantums kleiner als der feuchtadiabatische Temperaturgradient (abhängig vom absoluten Wasserdampfgehalt der Luft), dann ist die Atmosphäre sowohl für ungesättigte als auch für gesättigte Vertikalbewegungen stabil geschichtet. Dies stellt einen absolut stabilen Zustand dar. Wenn das Temperaturgefälle mit der Höhe größer ist als der trockenadiabatische Temperaturgradient, so spricht man von einem absolut labilen Zustand. Falls die vertikale Temperatur-abnahme eines aufsteigenden Luftpakets kleiner als der trockenadiabatische Temperaturgradient und größer als der feuchtadiabatische Temperaturgradient ist, dann ist die Atmosphäre für gesättigte Vertikalbewegungen labil und für ungesättigte stabil geschichtet. Dies wird als bedingte Labilität bezeichnet. Die drei Stabilitätskriterien sind in Abbildung 1 schematisch dargestellt.
Neben der thermischen Labilität ist die sogenannte potentielle Labilität für konvektive Prozesse von großer Bedeutung. Sie tritt dann auf, wenn sich beispielsweise eine trockene Luftschicht über feuchter Luft befindet und die gesamte Luftsäule gehoben bzw. vertikal gestreckt wird, so dass sich die trockene Schicht trockenadiabatisch und die feuchte Luftschicht nach erfolgter Sättigung feuchtadiabatisch abkühlt. Demzufolge kommt es zu einer Labilisierung der gesamten Luftsäule und dies erfolgt umso leichter, je gesättigter die feuchte Schicht ist. Dabei kann die vertikale Abnahme der pseudopotentiellen bzw. äquivalenpotentiellen Temperatur als hin-reichendes Kriterium für potentielle Labilität verwendet werden.
Eine sehr einfache Möglichkeit, die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Schauern oder Gewittern grob abzuschätzen, ist der vertikale Temperaturgradient (engl. lapse rate) bzw. die Temperaturdifferenz zwischen dem 850 hPa und dem 500 hPa Niveau. Ist diese größer als 25°C, dann deutet das auf Schauerwetter hin. Übersteigt sie einen Wert von 30°C, dann besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit dafür, dass sich Gewitter bilden. Im Sommer liefert die Verwendung der Bodentemperatur anstelle der Temperatur im 850 hPa Niveau eigentlich noch bessere Abschätzungen, wobei jetzt eine Differenz von 40°C zwischen der Bodentemperatur und Temperatur im 500 hPa Niveau als kritischer Wert für die wahrscheinliche Gewitterbildung angesehen werden kann. In der Tat, im Winter wie im Sommer, trägt die Anwesenheit von labilen thermischen Gradienten in diesen Höhen in der Regel zur Förderung von langlebiger Konvektion bei. Selbstverständlich handelt es sich bei den hier angegebenen empirischen Beziehungen nur um sehr grobe Abschätzungen, die entsprechend fehlerhaft sein können.
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Abb. 1: Auf der x-Achse ist die Temperatur in linearem
Maßstab und auf der y-Achse eine Potenzfunktion des mit der Höhe abnehmenden
Luftdrucks aufgetragen (κ = 0,286). Die grün gestrichelte Linie entspricht dem
trockenadiabatischen Temperaturgradienten und die rot gestrichelte Linie dem
feuchtadiabatischen Gradienten. Quelle: Ermert (2013).
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| Abb. 2: Stabilitätskriterien unter Verwendung der Temperatur (links), der potentiellen Temperatur (Mitte) und der pseudopotentiellen Temperatur (rechts). Quelle: Ermert (2013). |
Referenzen:
Bott, A. (2012): Synoptische Meteorologie. Springer-Verlag.
Ermert, V. (2013): Übungsskript zur Vorlesung 'Synoptische Meteorologie'.