KAPITEL III : DAS EMAGRAMM

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KAPITEL III DAS EMAGRAMM
Grenzschichtsonde (S.B.C.) an Super-Dimona der
Flugvereinigung Val dEssonne (F).
und seine Anwendung für die Segelflugvorhersage.
2
(No Transcript)
3
Das Emagramm stellt den Zustand der Atmosphäre
graphisch dar.

• an einem Ort
• auf verschiedenen Höhen

und erlaubt die Vorhersage der Entwicklung im
Tagesverlauf.
4
KONSTRUKTION DES EMAGRAMMS
1. Höhenskala (oder Druckniveaus)
2. Temperaturskala
5
Rechtwinkliges EMAGRAMM
Das Emagramm ist ein Gitter mit einer Höhenachse
(oder Druckachse) und einer Temperatureachse.
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Im klassischen Emagramm ist die Höhe durch das
Druckniveau ersetzt.
Rechtwinkliges EMAGRAMM
Druck hPa
Der Zustand eines Gases wie Luft ist durch drei
Grössen charakterisiert Druck P,Temperatur
T, Dichte ?L, die durch die Zustandsgleichung
verknüpft werden P ?L RLT RL ist die
spezifische Gaskonstante trockener Luft.
750 -
800 -
900 -
1000 -
7
Rechtwinkliges EMAGRAMM
Druck hPa
Die Druckflächen weisen leider unterschiedliche
Abstände auf.
750 -
800 -
Folglich werden wir in dieser Einführung vorerst
mit der Höhenskala arbeiten.
900 -
1000 -
8
Rechtwinkliges EMAGRAMM
Ein
Zustandspunkt
ist eine gemessene Temperatur, die auf der
Messhöhe (oder beim Messdruck) im Emagramm
eingetragen wird.
2300 m
21
9
Rechtwinkliges EMAGRAMM
Die Verbindungslinie aller Zustandspunkte heisst
Zustandskurve
Sie stellt eine erste Charakterisierung der
Luftmasse dar.
10
Rechtwinkliges EMAGRAMM
Durch die Temperaturabnahme mit der Höhe ist die
Zustandskurve nach links geneigt und verlässt
rasch das Emagramm.
11
Spitzwinkliges EMAGRAMM
Damit die Zustandskurve eher senkrecht verläuft,
wurde das schiefe Emagramm geschaffen.
Die Temperaturachse ist um 45 nach oben geneigt.
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Schiefes EMAGRAMM
Das Diagramm ist durch eine grün ausgezogene
Kurvenschar ergänzt.
Damit kann die Temperaturänderung einer Luftblase
unter adiabatischer Kompression oder Expansion
verfolgt werden.
Bemerkung in den folgenden Diagrammen werden die
Trockenadiabaten nur qualitativ dargestellt. Die
daraus abgelesenen numerischen Werte können sich
von den exakten Werten leicht unterscheiden. Das
Verständnis des Emagrammes wird dadurch nicht
beeinträchtigt.
Diese Kurven heissen Trocken-adiabaten.
13
Schiefes EMAGRAMM
Beispiel
Trockene Luftblase (0 m , 23)
Welche Temperatur erreicht sie bei adiabatischem
Aufstieg auf 2500 m ?
-5
Antwort
-5
23
14
Schiefes EMAGRAMM
2. Beispiel
Luftblase bei 3000m und -10
-10
Welche Temperatur erreicht sie beim Abstieg auf
500m ?
Antwort
17
17
15
Schiefes EMAGRAMM
Das Emagramm enthält eine weitere grüne
Kurvenschar.
Diese Kurven stellen die Feuchtadiabaten dar.
Damit kann die Temperaturänderung einer
gesättigten Luftblase unter adiabatischer
Kompression oder Expansion verfolgt werden.
Wie bei den Adiabaten können sich die daraus
abgelesenen numerischen Werte von den exakten
Werten leicht unterscheiden.
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Schiefes EMAGRAMM
Beispiel
Gesättigtes Luftpaket bei 1000 m und 10 Welche
Temperatur ergibt sich bei einem Aufstieg auf
3000 m ?
-1
Antwort
10
- 1
17
Schiefes EMAGRAMM
Das Emagramm enthält
Trockenadiabaten und Feuchtadiabaten.
Sie zeigen den Temperaturverlauf von auf- und
absteigenden Luftblasen mit und ohne Sättigung.
18
Schiefes EMAGRAMM
Beispiel
-15
Luftblase bei 0 m und 18. Welche Temperatur wird
erreicht beim Aufstieg auf 3500 m, wenn die
Sättigung bei 2000 m erfolgt?
Sättigung
Antwort
- 15
18
19
Kapitel III Das Emagramm und seine Anwendung
für die Segelflugvorhersage. III-1 Die
Emagrammdarstellung III-2 Die
Thermikvorhersage III-3 Die Darstellung der
Luftfeuchte und Vorhersage der Kondensation III
-4 Die Feuchtemessung und die Bestimmung des
Taupunktes und des Kondensationsniveaus (Unte
rgrenze der Quellwolken) III-5 Die Luftmasse
auf den ersten Blick III-6 Das Emagramm 761
von MeteoFrance und typische Beispiele von
Grenzschichtsondierungen. Anhang 3 Die
Psychrometer-Formel
20
Die Sonnenstrahlen ändern die Zustandskurve kaum.
Die Erwärmung der Luft erfolgt in Bodennähe.
21
Durch die Erwärmung werden gewisse Luftblasen
spezifisch leichter und steigen auf
bis ihre Temperatur der Umgebungsluft entspricht.
22
Im Emagramm folgt die Blasentemperatur der
Trockenadiabaten
bis zur Kreuzung mit der Zustandskurve.
23
Mit der Emagrammdarstellung einer
Temperatursondierung sollte sich der Tagesgang
der Konvektion ermitteln lassen.
Die Ausgangsgrössen sind
24
Zustandskurve
Temperatur-vorhersage
Zeit T C
8h (Sondierung) 12
10h 20
12h 24
14h 26
16h T max 28
25
Vorhersage der Konvektionshöhe
Beispiel
T-12 h 24.
Konvektionshöhe um 12 h ohne Kondensation ?
Man folgt der Trockenadiabaten durch die
Temperatur.
Am Kreuzungspunkt mit der Zustandskurve ist der
Temperaturausgleich mit der Umgebung erreicht.
1300
Antwort
1300 m
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Aufheizung der Bodeninversion
Bei welcher Temperatur wird die Bodeninversion
aufgeheizt ?
Man folgt der Trockenadiabate durch die
Obergrenze der Inversion.
Die gesuchte Temperatur kann auf der Höhe des
Bodens abgelesen werden.
Antwort
21
21
27
Unter- und Obergrenze der Quellwolken
Das Vorgehen ist identisch
nur muss man zusätzlich das Sättigungsniveau
kennen.
Das entsprechende Vorgehen werden wir später
kennenlernen.
28
Quellwolken Unter- und Obergrenze
Unter- und Ober-grenze um 15 h ?
T 23, Sättigung bei 6.
3300 m
Ab der vorhergesagten Temperatur folgt man der
Trockenadiabate bis zur Sättigungstemperatur.
Man folgt der Feuchtadiabate bis zur Kreuzung mit
der Zustandskurve.
1500 m
Untergrenze 1500 m Obergrenze 3300 m
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Kapitel III Das Emagramm und seine Anwendung
für die Segelflugvorhersage. III-1 Die
Emagrammdarstellung III-2 Die
Thermikvorhersage III-3 Die Darstellung der
Luftfeuchte und Vorhersage der Kondensation III
-4 Die Feuchtemessung und die Bestimmung des
Taupunktes und des Kondensationsniveaus (Unte
rgrenze der Quellwolken) III-5 Die Luftmasse
auf den ersten Blick III-6 Das Emagramm 761
von MeteoFrance und typische Beispiele von
Grenzschichtsondierungen. Anhang 3 Die
Psychrometer-Formel
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Die Luftfeuchte im Emagramm
Das Emagramm enthält noch eine Kurvenschar.
Sie stellt das Sättigungs-mischungsverhältnis rs
dar und ist in g/kg beschriftet.
Bemerkung rs heisst auch rw
31
Die Luftfeuchte im Emagramm
Ein Luftblase mit der Temperatur T 12C
und der Höhe Z (oder Druck p),
wäre gesättigt, wenn das Mischungsverhältnis12
g/kg wäre.
Sein Mischungsverhältnissei r 8g/kg,
Man verschiebt die Lufttemperatur auf gleicher
Höhe zum Mischungsverhältnis von rs 8 g/kg .
32
Die Luftfeuchte im Emagramm
Ein Luftpaket der Temperatur T 12C in der Höhe
Z (beim Druck p) und dem Mischungsverhältnis r
8g/kg,
würde gesättigt, wenn seine Temperatur bei
konstantem Druck (gleiche Höhe), auf T 4 C
gesenkt würde, wo r rs wäre
Diese Temperatur heisst Taupunkttemperatur oder
Td .
Td 4 C
Hier ist Td 4 C
33
Die Luftfeuchte im Emagramm
Im Emagramm wird eine Luftblase durch zwei
Temperaturen charakterisiert
1-Der Zustandspunkt mit T 12 C und Z (oder p),
2-Td dem Schnittpunkt des (Sättigungs-)Mischung
sverhältnissesrs 8 g/kg mit der Höhen- oder
Drucklinie
Td
rs
34
Die Taupunkttemperatur ist die
Sättigungstemperatur einer Luftblase, unter
Abkühlung bei konstantem Druck.
35
Die Luftfeuchte im Emagramm
Wenn das Mischungs-verhältnis durch Feuchtezufuhr
von 8 auf 12g/kg anstiege, würde ebenfalls
Sättigung auftreten.
12g/kg ist das Sättigungsmischungsverhältnis rs.
Td
rs
36
Das geschieht beim Duschen und ungenügender
Lüftung.
37
Die Luftfeuchte im Emagramm
Steigt die Luftblase auf, tritt Sättigung ein,
wenn die Temperatur und der Druck dem
Sättigungs-mischungsverhältnis von 8 g/kg
entsprechen.
Tc
Der Kondensationspunkt entspricht dem
Schnitt-punkt zwischen dem Sättigungsmischungs-ver
hältnis r8 g/kgund der Trockenadiabate durch T.
10
5
6
7
8
9
11
12
Td
Tc ist die Temperatur des Kondensationspunktes.
38
Am Kondensationspunkt tritt Sättigung ein nach
einer adiabatischen Expansion.
39
Wenn man das mittlere Sättigungsverhältnis rm
der konvektiv durchmischten Schicht kennt, ist
es ein Leichtes, die Unter- und Obergrenze der
Quellwolken zu bestimmen.
40
Unter- und Obergrenze
Das mittlere Mischungs-verhältnis rm zwischen 0
und 3000 m sei 6g/kg.
Unter- und Obergrenze für T24 bei z 0 ?
Die Untergrenze ergibt sich aus dem Schnittpunkt
des Mischungsverhältnisses von 6 g/kgmit der
Trockenadiabaten durchT24 C und Z0 m. Die
Obergrenze folgt aus dem Schnittpunkt der
Feuchtadiabate durch den Kondensationspunkt mit
der Zustandskurve.
Untergrenze 2000 m Obergrenze 3000 m
Und für 32 ?
Untergrenze 2700 m Obergrenze Tropopause
Wenn keine Inversion den weiteren Aufstieg bremst
!
41
Das Emagramm beim Apero
CRUETTE Denise Comment est obtenu ce chiffre de
75 000 l ? Peut-être faudrait-il donner quelques
éléments complémentaires pour mener ce
calcul car il y peu d eau liquide au bas du
nuage et de plus en plus au fur et à mesure
que l on s élève. Ce résultat semble
compatible avec un nuage contenant 200
gouttes/cm3, avec des gouttes de 10 micromètres
de rayon
Wieviele Flaschen Pastis braucht es für das
kondensierte Wolkenwasser ? Verdünnung 1 Teil
Pastis auf 5 Teile Wasser.
Untergrenze r 6 g/kg, Obergrenze r 4 g/kg.
2 g/kg werden in Tropfen und Eiskristalle
umgewandelt. (Obergrenze T-5)
Wolkenvolumen rund 100 000 000 m3
Kondensat 75 000 l
42
Antwort rund 15 000 Flaschen !
43
Zur Messung der Luftfeuchtigkeit dient das
Psychrometer .
Es besitzt ein Trockenthermometer, an dem man T
abliest,
und ein Feuchtthermometer,an dem man Tm abliest.
44
Hier ein klassisches Psychrometer aus einer
Wetterhütte.
Das Feuchtthermometer ist mit einem feuchten
Strumpf bedeckt.
Weitere Einzelheiten
45
Bei feuchter Umgebungsluft, verdunstet wenig
Wasser
und das Feuchtthermometer kühlt nur wenig ab.
Tm und T unterscheiden sich nur wenig.
Bei sehr trockener Umgebungsluft verdunstet viel
Waser vom Strumpf
und das Feuchtthermometer kühlt stärker ab.
Tm und T unterscheiden sich stark.
46
Während langer Zeit war
das Psychrometer
Das Basisinstrument für Flugzeugsondierungen.
Heute wird eher ein elektronisches
Hygrometer benützt, das die Taupunkttemperatur
misst.
47
Durch ein Sondierung kennt man auf vielen Höhen
(oder Druckniveaus)
(vom Hygrometer)
Mit dem Emagramm bestimmt man (graphisch)
48
Bestimmung des Kondensationspunktes aus T und Td
Zeichne T und Td.
Zeichne die Trocken-adiabate durch T
und das Mischungsverhältnis durch Td.
Tc liegt an deren Schnittpunkt.

Von Tc folgt man der Feuchtadiabete zum
Ausgangsniveau zurück und findet Tm .
49
Bestimmung des Mischungsverhältnisses aus T und
Tm
Zeichne T et Tm.
Zeichne die Trocken-adiabate durch T
und die Feuchtadiabate durch Tm.
Tc liegt an deren Schnittpunkt.
Tc
Zeichne "rs" (Mischungsverhältnis) durch Tc.
Td
Tm
X
Folge rs,
zu Td.
50
Bestimmung des mittleren Mischungsverhältnisses
aus T und Tm
Bestimme Td für einige Messpunkte in den unteren
Schichten.
So bestimmt man ein
für eine robuste Bestimmung der Quellwolken !
51
Kapitel III Das Emagramm und seine Anwendung
für die Segelflugvorhersage. III-1 Die
Emagrammdarstellung III-2 Die
Thermikvorhersage III-3 Die Darstellung der
Luftfeuchte und Vorhersage der Kondensation III
-4 Die Feuchtemessung und die Bestimmung des
Taupunktes und des Kondensationsniveaus (Unte
rgrenze der Quellwolken) III-5 Die Luftmasse
auf den ersten Blick III-6 Das Emagramm 761
von MeteoFrance und typische Beispiele von
Grenzschichtsondierungen. Anhang 3 Die
Psychrometer-Formel
52
Instabilität in ungesättigter Luft
Eine ungesättigte Blase (17,5 bei 500m),
steige adiabatisch auf 2000 m. und erreicht die
Temperatur 0C. Die Umgebungstemperatur liegt
dort bei -3C.
Durch die höhere Temperatur wird die Blase
weitersteigen.
53
Instabilität in ungesättigter Luft
Wenn in einer ungesättigten Schicht der
Atmosphäre die Zustandskurve links der
Trockenadiabaten verläuft ,
ist diese Schicht INSTABIL
Beispiel
Schicht zwischen 500m und 2000m,
und oberhalb 3000 m.
54
Instabilität in gesättigter Luft
Steigt ein gesättigtes Luftpaket von 17,5 in
500 m feuchtadiabatisch auf 2000m, erreicht es
die Temperatur von 11C. Die Umgebungstemperatur
beträgt -3C.
Durch die höhre Temperatur des aufgestiegenen
Paketes wird es nicht ins Ausgangsniveau
zurücksinken sondern weitersteigen.
55
Absolute Instabilität
Die Schicht zwischen 500 und 2000 m ist sowohl
für gesättigte wie ungesättigte Luft
instabil. Diese Schicht ist absolut instabil.
Liegt die Zustandskurve links der Trocken- und
der Feuchtadiabate ist
die Instabilität absolut.
56
Stabilität ungesättigter Luft
Ungesättigte Luft von 14 C, die adiabatisch vom
Boden aufsteigt, ist in jeder Höhe kälter und
somit spezifisch schwerer als die
Umgebungsluft. Sie wird wieder in die
Ausgangshöhe absinken.
Die Schichtung ist trockenstabil.
57
Stabilität gesättigter Luft
Gesättigte Luft von14 C, die feucht-adiabatisch
vom Boden aufsteigt, ist in diesr Zustandskurve
in jeder Höhe kälter und somit spezifisch
schwerer als die Umgebungsluft. Sie wird wieder
in die Ausgangshöhe absinken.
Die Schichtung ist feuchtstabil.
58
Absolute Stabilität
Liegt die Zustandskurve rechts der Trocken- und
der Feuchtadiabate ist
die Schichtung absolut stabil.
59
Feuchtlabile Schichtung
Liegt die Zustandskurve in einer Schicht
zwischen der Trocken- und der Feuchtadiabate,
Ist die Schichtung nur bedingt stabil.
Die Instabilität tritt nur bei Sättigung auf.
60
Das Emagramm auf einen Blick

• Eine Sondierung kann in groben Zügen oft rasch
  analysiert werden wenn sie einer gut
  ausgeprägten, typischen Wetterlage entspricht
• zu trocken oder zu feuchte Luft,
• Luftmassenwechsel,
• diverse Hochdruckbedingungen,
• und die ideal Sondierung !

61
Das Emagramm auf einen Blick
Grosse Differenz zwischen T und Tm
TROCKENE LUFT
62
Das Emagramm auf einen Blick
Geringe Differenz zwischen T und Tm
FEUCHTE LUFT
tiefe Untergrenzen
63
Absinkinversion

• Bei hohem Druck in den oberen Luftschichten.
• Merkmale
• trockene und warme Luft in der Höhe.
• deutliche Inversion mit Abtrocknung (grosser
  Unterschied zwischen T und Tm).
• Vorteil

Kein Gewitterrisiko
64
Inversion bei Luftmassenwechsel in der Höhe
Anstieg von T und Tm in der Inversion Nachteil
oft mit Wolken verbunden, die die Konvektion
beeinträchtigen.
65
Zu feuchte Luft unter der Inversion

• Wenn die Differenz von T und Tm unterhalb der
  Inversion zu gering ist, kann es zu...

kommen.
66
Zu trockene Luft unterhalb der Inversion.

• Die Kurven von T und Tm liegen weit auseinander
  (sehr trockene Luft)
• Konvektion ohne Quellwolken

67
Die ideale Sondierung !

• Trocken Höhenluft
• (wolkenfrei).
• Hochliegende Absinkinversion.
• Ideale Feuchtekurve Tm (Quellwolkenbildung, hohe
  Untergrenze, geringe Bedeckung, keine
  Ausbreitungen).
• Glatte Zustandskurve zwischen Feucht- und
  Trockenandiabate (gleichmässige Konvektion, kaum
  Turbulenz).
• Tiefliegende Boden-inversion (rasche Aufheizung).

68
Kapitel III Das Emagramm und seine Anwendung
für die Segelflugvorhersage. III-1 Die
Emagrammdarstellung III-2 Die
Thermikvorhersage III-3 Die Darstellung der
Luftfeuchte und Vorhersage der Kondensation III
-4 Die Feuchtemessung und die Bestimmung des
Taupunktes und des Kondensationsniveaus (Unte
rgrenze der Quellwolken) III-5 Die Luftmasse
auf den ersten Blick III-6 Das Emagramm 761
von MeteoFrance und typische Beispiele von
Grenzschichtsondierungen. Anhang 3 Die
Psychrometer-Formel
69

• Die Zustandsgrössen sind
• der Luftdruck
• und die Temperatur.

Trocken- und Feuchtadiabaten werden nach ihrem
Schnittpunkt mit der Isobare 1000 hPa benannt.

70
Sie sind mit g Wasserdampf pro kg trockener Luft
bezeichnet.
71
Typische Beispiele von Grenzschichtsondierungen

• Die Kurven dieser Sondierungen sind
• Die Zustandskurve (T in C in Abhängigkeit des
  Luftdruckes),
• Die Kurve der Taupunkttemperatur (Td in
  Abhängigkeit des Luftdruckes).

72
Grenzschichtsondierung am frühen Morgen
Beachten nächtliche Bodeninversion und rasche
Fluktuation der Feuchte in der Höhe.
73
Grenzschichtsondierung am Abendnach konvektiver
Durchmischung.
Beachten Quasi-adiabatisches Temperaturprofil
und homogenes Mischungsverhältnis in der
Konvektionsschicht (von 600 m bis zur
Wolkenuntergrenze).
74
Sondierung in einem Aufwind.
Im Aufwind (von 1600 bis 3000 m) sind die T und
Td Profile durch die konvektive Durchmischung
geglättet.
75
ENDE Kapitel III
76
Anhang 3

• Die Psychrometerformel

77

• Die Luftfeuchtigkeit lässt sich wie folgt
  abschätzen
• Die Wärme zur Verdunstung des Wassers aus dem
  feuchten Strumpf wird der Luft um das Thermometer
  entnommen

sprich dQ cpL (T-Tm)

• Diese zugeführte Wärme sättigt die Luft bei der
  Feuchttemperatur

sprich dQ Lv(Tm)rs(Tm) -r
(es(Tm)
e)0,622 wobei dQ Lv(Tm) --------------------
-- p
Daraus folgt es(Tm) - e ______________ A (T -
Tm) p
mit A cpL/0,622 und Lv 0.00066 (C) -1