Luftbewegung

In diesem Bereich sind Variablen und Indizes zu finden, die mit Luftbewegung zusammenhängen und unter anderem für Gewitter und Sturm Vorhersagen gebraucht werden können.

Vortizität

Positive Wirbelstärke (Vorticity) aufgrund von Scherung

Positive Wirbelstärke (Vorticity) aufgrund von Scherung

Positive Wirbelstärke (Vorticity) durch Biegung

Positive Wirbelstärke (Vorticity) durch Biegung

Relative Vortizität (Wirbelstärke) ist ein Maß für die Rotation eines Fluids um eine vertikale Achse relativ zur Oberfläche der Erde. Positive Vortizität entwickelt sich in einem Windfeld mit einer Bewegung im Uhrzeigersinn und/oder bei einer Scherung mit höheren Geschwindigkeiten in Flussrichtung rechts. Auf der anderen Seite entwickelt sich negative Vortizität in einem Windfeld, welches sich im Uhrzeigersinn dreht und/oder bei einer Scherung mit höherer Geschwindigkeit in Flussrichtung links.

Negative Wirbelstärke (Vorticity) aufgrund von Scherung

Negative Wirbelstärke (Vorticity) aufgrund von Scherung

Negative Wirbelstärke (Vorticity) durch Biegung

Negative Wirbelstärke (Vorticity) durch Biegung

Vortizität kann gebraucht werden, um dynamisch aktive Wetterzonen und Fronten zu lokalisieren. Positive Vortizität im 500 hPa Niveau wird zum Beispiel häufig mit Zyklonen und Tiefdruckgebieten assoziiert, während negative Vortizität im 500 hPa Niveau generell Schönwetter bedeutet (Hochdruckrücken).

Helizität

Die Helizität ist ein Mass für die Intensität der Rotation einer aufströmenden Luft in einem Sturm. Somit ist es eine Variable, die den Betrag der Vorticity dieser Aufwärtsströmung definiert. Wenn die in einem Sturm aufwärts strömende Luftmasse eine signifikante Rotation aufweist kann sich eine Superzelle bilden sowie auch Tornados erzeugt werden.

Die Helizität wird in m²/s² ausgedrückt. Werte über 100 m²/s² zeugen von starken Gewittern, während Tornados ab Werten von über 150 m²/s² wahrscheinlich werden. Die Helizität wird meist in einem bestimmten Höhenbereich der Atmosphäre angegeben (z.B. 0-3 km). Trotzdem kann die Helizität nicht eins zu eins übertragen werden, um Tornados automatisch vorherzusagen. Vielmehr ist es nur ein Faktor, mit dem ein Meteorologe mit vielen anderen Variablen zusammen die Tornado Lage einschätzt.

CAPE

CAPE (Convective Available Potential Energy) ist ein Mass für die Instabilität der Atmosphärensäule und steht in Beziehung zur Stärke der Aufwinde in Gewittern beispielsweise. CAPE definiert die Energiemenge in einem Luftpaket, die für Konvektion zur Verfügung steht und ist proportional zur potentiellen maximalen Vertikalgeschwindigkeit der Aufwinde. CAPE wird in Joule pro Kilogramm (J/Kg) angegeben. Je höher der Wert ist, desto höher auch das Potential für Gewitter. Beispielsweise zeigt ein CAPE von mehr als 2500 J/Kg eine starke Instabilität an, während in starken Gewittern sogar Werte von über 5000 J/Kg erreicht werden können.

Stellen sie sich ein Luftpaket als einen Ballon vor, der mit Luft gefüllt ist. Da warme Luft weniger dicht ist als kalte, steigt der Ballon auf, solange er wärmer als die Umgebung bleibt. In diesem Fall sinkt die Temperatur im Ballon mit einer Rate von ungefähr 1 Kelvin pro 100 Meter. Für unlimitiertes Aufsteigen muss also die Umgebungstemperatur ebenfalls um mindestens 1 Kelvin pro 100 Meter sinken. Wenn der Ballon wärmer ist, besitzt er mehr Energie als die Umgebungsluft, da warme Luft energiereicher ist. Diese Energie ist verfügbar für das Aufsteigen. Zusätzlich erhöht auch Feuchtigkeit die Energie in der Luftmasse. Zusammen bilden somit Temperatur und Feuchtigkeit die total verfügbare Energie für einen Aufstieg (oder im meteorologischen Sinne: Konvektion), was genau durch CAPE beschrieben wird. Somit basiert CAPE also auf Eigenschaften der Luft im Ballon (bzw. dem Luftpaket) im Vergleich mit der Umgebung. Beispielsweise ist CAPE höher wenn die Temperaturdifferenz zwischen Luftpaket und Umgebung grösser ist. Zusammen mit CIN gibt CAPE Informationen über eine mögliche Entstehung von Gewittern.

Konvektionshemmung (CIN)

Konvektionshemmung (CIN, von convective inhibition) beschreibt die Menge an Energie, die ein Luftpaket benötigt um das Niveau der freien Konvektion zu erreichen (Konvektion: siehe auch Konvektiver Auftrieb). CIN wird in Joules pro Kilogramm (J/Kg) angegeben. Starke Gewitter sind unwahrscheinlich wenn die Konvektionshemmung gross ist, auch wenn ein gewisser Betrag an CIN ein Gewitter nicht ausschliessen muss, solange dieser nicht allzu gross ist. Ein geringes CIN (<50 J/Kg) zeigt beispielsweise eine schwache atmosphärischen Deckel, der durch die Erwärmung der Oberfläche am Tag einfach durchbrochen werden kann. Auf der anderen Seite hindert ein grosses CIN (> 200 J/Kg) die Entwicklung von Gewittern. Konvektionshemmung wird als ein Wert für die gesamte Atmosphärensäule angegeben, da sie unabhängig von der Höhe ist.

Stellen sie sich ein Luftpaket als einen luftgefüllten Ballon vor. Der Ballon steigt auf, solange er wärmer als die Umgebung ist. Wenn nun aber die Umgebungsluft höhere Temperaturen besitzt, dann wird der Aufstieg verhindert. Daher muss der Ballon auf ein Niveau gebracht werden, wo er wieder von sich aus aufsteigen kann, dem sogenannten Niveau der freien Konvektion. Diese Aktion erfordert eine gewisse Menge an Energie, die nun genau durch die Konvektionshemmung CIN beschrieben wird. Demnach zeigt CIN ganz simpel die benötigte Energie, bis das Luftpaket wieder von alleine aufsteigen kann, weil es wärmer als die Umgebung ist. 
Zusammen mit CAPE gibt CIN Informationen über die mögliche Entwicklung von Gewittern.

Konvektiver Auftrieb

Konvektion ist der vertikale Transport aufsteigender Luft in der Atmosphäre als Folge atmosphärischer Instabilität. Konvektion kann zu Kondensation und somit zu Wolkenbildung führen. Warme Luftmassen steigen auf, wenn ein positiver Temperaturgradient herrscht. Demnach entsteht Konvektion beispielsweise dann, wenn die Erdoberfläche und die untere Atmosphäre durch die Sonne tagsüber erwärmt wird. Warme Luft steigt, weil sie weniger dicht ist als kalte Luft. Bei gleichen Druckbedingungen heisst das, dass warme Luft leichter ist als kalte und weiter aufsteigt, solange sie wärmer bleibt als die Umgebung. Somit sind Dichteunterschiede die treibenden Kräfte für Konvektion. Dasselbe Prinzip herrscht im Wasser: Stellen sie sich einen luftgefüllten Ballon vor, der unter Wasser gedrückt wird. Was passiert, ist, dass der Ballon sofort an die Wasseroberfläche aufsteigt, und zwar aus dem einfachen Grund, dass er weniger dicht ist als Wasser. Genau wie ein warmes Luftpaket in der Atmosphäre.

Konvektiver Auftrieb beschreibt schliesslich die Geschwindigkeit der steigenden Luftmassen. Die Geschwindigkeit wird in Meter pro Sekunde (m/s) angegeben. Hohe Geschwindigkeiten sind folglich ein Anzeichen für starke Aufwinde.

Konvektiver Auftrieb geschieht bis zu dem Niveau, wo Konvektion aufgrund atmosphärischer Stabilität verhindert wird. Im Bereich der Atmosphäre, wo Konvektion auftritt, wird die Geschwindigkeit des konvektiven Auftriebs meist als höhenunabhängiger Wert angegeben. Zusammen mit einer hohen Luftfeuchtigkeit zeigt ein starker konvektiver Auftrieb ein hohes Risiko für Gewitter.

Lifted index

Die Temperatur am Boden wird mit der Temperatur bei einem spezifischen Druckniveau verglichen. Die Differenz zwischen den Werten ist der Lifted index (LI). Somit ist er ein dimensionsloses Mass für Instabilität in der Atmosphäre und wird mit Werten zwischen -6 und +6 ausgedrückt.

Die Atmosphäre ist stabil bei einem positiven Index und instabil bei negativen Werten.

LI Konditionen
> 6 sehr stabile Bedingungen
1 bis 6 stabile Bedingungen, Gewitter unwahrscheinlich
-2 bis 0 leicht instabil, Gewitter möglich bei zusätzlichen Hebungsmechanismen (z.B. bei Kaltfront, tageszeitliche Erwärmung) 
-6 bis -2 instabil, Gewitter wahrscheinlich, starke Gewitter bei zusätzlichen Hebungsmechanismen
< -6 sehr instabil, starke Gewitter wahrscheinlich bei Hebungsmechanismen 

Der Lifted index wird hauptsächlich zur Gewitter Vorhersage benutzt. Ein negativer Wert zeugt beispielsweise von stärkeren Aufwinden wo sich Gewitter entwickeln können. Auf der anderen Seite bedeutet ein positiver Index stabile Bedingungen, wo Gewitter eher unwahrscheinlich werden. In Wetterkarten wird LI als ein höhenunabhängiger Wert angegeben.

K-index

Der dimensionslose K-index ist ein Mass für das Gewitterpotential und die Vorhersage von Starkregen. Er hängt von der Temperatur und der Feuchtigkeit in der Luftmasse ab und basiert auf folgender Formel:

K-index = 850 hPa Temperatur – 500 hPa Temperatur + 850 hPa Taupunkt – 700 hPa Taupunkt Defizit

Ein höherer K-Index bedeutet generell grösseres Potential für Gewitter. Allerdings arbeitet der K-Index bei Tiefdrucksystemen nicht besonders gut. Zudem sollte er auch nicht für die Bestimmung der Stärke von Gewittern verwendet werden. 

K-index Gewitter Potential
< 20 Gewitter unwahrscheinlich
20 bis 25 isolierte Gewitter
26 bis 30 verstreut Gewitter möglich
31 bis 35 einige Gewitter
36 bis 40 zahlreiche Gewitter
> 40 sehr hohes Gewitterrisiko

Der K-Index ist höhenunabhängig, da er über Variablen aus verschiedenen Höhen berechnet wird. Somit gilt ein K-Index Wert für die ganze Atmosphärensäule (in Karten beispielsweise).