500 hPa Geopotentialkarte


Höhenwetter in 500 hPa (Symbolbild). | Bildquelle: Denny Karran
Höhenwetter in 500 hPa (Symbolbild). | Bildquelle: Denny Karran

Die mittlere Troposphäre

Das inhomogene Druckfeld und die daraus resultierenden dynamischen Prozesse in der mittleren und oberen Troposphäre haben einen erheblichen Einfluss auf das Wettergeschehen am Boden. Daher ist es unbedingt notwendig, die Druck-, beziehungsweise Potentialverteilung in der mittleren Troposphäre so genau wie nur möglich zu studieren. In der Wettervorhersage kommt daher insbesondere die 500 hPa Geopotentialkarte als Höhenwetterkarten zum Einsatz, die die Troposphäre auf nahezu halber Höhe teilt und die Strömung dort am besten abbildet.

 

Das 500 hPa Niveau stellt aber nicht nur die Strömung in der mittleren Troposphäre am besten dar, sondern befindet sich auch fernab von topographischen Störeinflüssen am Boden (Gelände) und dynamischen Störfaktoren in darüber liegenden Schichten (z. B. Jetstream). Entsprechend lässt sich für dieses "quasi-störungsfreie" Druckniveau bezüglich der Geopotentialprognose auch eine erstklassige Vorhersagegüte selbst für den dritten Folgetag erzielen. Diese liegt beim ECMWF über 12 Monate gemittelt bei aktuell etwa 98 Prozent.

5574 m´

Nach der ICAO (International Civil Aviation Organization) ist die durchschnittliche Höhe der 500 hPa Druckfläche mit 5574 m´ definiert. In Höhenwetterkarten wird die mittlere Höhe mit 552 geopotentielle Dekameter (gpdm) über der Äquipotentialfläche angegeben und als dicke schwarze Isohypse wie in Abb.1 dargestellt. Die durchschnittliche Temperatur erreicht in 500 hPa etwa -21,2°C.


Inhalte der 500 hPa Geopotentialkarte und ihre Bedeutung

Eine großräumige lineare Temperatur- und Druckverteilung ist in dem labilen System Atmosphäre zumindest in den mittleren Breiten kaum aufzufinden. Währenddessen zeigen sich immer wieder ostwärts ziehende "Berge" und "Täler" als Wellenstruktur oder aber als eigenständige, von der Wellenzirkulation teilweise abgeschnürte Drucksysteme.

Abb. 1 | Warme Berge (Höhenkeile) und kalte Täler (Höhentröge) als Wellenstruktur in der 500 hPa Geopotentialkarte. | Bildquelle: Deutscher Wetterdienst
Abb. 1 | Warme Berge (Höhenkeile) und kalte Täler (Höhentröge) als Wellenstruktur in der 500 hPa Geopotentialkarte. | Bildquelle: Deutscher Wetterdienst

Zyklonalität und Antizyklonalität

So erscheinen in der 500 hPa Geopotentialkarte als Indikator für zyklonal geprägtes Wetter Gebiete tieferen Potentials (<552 gpdm***) als Wellental (Höhentrog), oder im Falle einer geschlossenen Zirkulation (geschlossene Isohypsen <552 gpdm***) auch als Höhentief (hochreichende Kaltluft mit tiefem Druck am Boden).

 

 


Eine besondere Form des Höhentiefs stellt ein Kaltlufttropfen dar. Dieser meist nur noch in der Höhe erkennbare Kaltluftkörper ist als Wirbel von der Wellenzirkulation komplett abgekapselt und von warmer Luft umgeben. In Bodenwetterkarten erscheint dieser häufig daher nicht als zyklonales System und kann somit hohen Luftdruck am Boden überlagern. Bei solchen Wetterkonstellationen ist die Verwendung von Höhenwetterkarten unumgänglich, da Kaltlufttropfen aufgrund der internen labilen Schichtung Schauer und Gewitter verursachen können.

Stabiles und beständiges Wetter zeichnet sich dagegen im Bereich hohen Potentials >552 gpdm*** ab, welches als Wellenberg (Höhenkeil) oder im Falle einer geschlossenen Zirkulation auch als Höhenhoch in Erscheinung tritt. Bei diesen antizyklonalen Systemen handelt es sich um hochreichende Warmluftkörper.

 

*** grobe Orientierungswerte

Strömung und Scherung + Vertikalbewegungen

Mit etwas Übung können eigenständig sogar die parallel zu den Isohypsen verlaufenden Komponenten des geostrophischen Windes sowie die der Gradientwinde (bei Krümmung der Isohypsen) in die Höhenwetterkarte eingetragen werden. Gerade aus den verschiedenen Gradientwindgeschwindigkeiten (horizontale Geschwindigkeitsscherung) resultieren Vergenzen, die zu dynamischen Vertikalbewegungen führen und einen erheblichen Einfluss auf die Bodendrucksysteme haben.  So gibt es auf der Vorderseite von Höhentrögen Aufsteigen und auf der Vorderseite von Höhenkeilen Absinken. Die Stärke der Vergenzen, die zu den genannten Vertikalbewegungen führen, wird in der Praxis mit der Vorticityadvektion beschrieben.

ABTOP / RETOP / Bodendruck + Thermischer Wind

Wird das Geopotential der 500 hPa Druckfläche (absolute Topographie = ABTOP) mit der Bodendruckkarte und der relativen Topographie (RETOP) kombiniert, dann lassen sich sogar Temperaturadvektionen (thermischer Wind) und die Lage von Fronten an den Drängungslinien der RETOP erkennen.

 

Für die Temperaturadvektion und den thermischen Wind gilt:

Dreht der Wind oberhalb der Grenzschicht (ab 850 hPa) mit der Höhe nach rechts, erfolgt Warmluftadvektion. Dreht der Wind nach links, wird kalte Luft herangeführt. Da aber die 500 hPa-Karten nur mit dem Bodendruckfeld kombiniert werden, nehmen wir der Einfachheit halber an, dass die Bodenströmung ohne Berücksichtigung der reibungsbedingten Ablenkung der Strömung in 850 hPa entspricht.

 

EXKURS: Die absolute Topographie (ABTOP) ist die absolute Höhe in geopotentiellen Dekametern (gpdm) einer Druckfläche über dem Ausgangsniveau (NN). Bei der relativen Topographie (RETOP) handelt es sich um die Schichtdicke bzw. um den Abstand zweier Druckflächen in gpdm. RETOP wird besonders dann verwendet, um Temperaturänderungen in einer gewissen Schicht (häufig zw. 1000 hPa und 500 hPa) zu erkennen. Früher war RETOP ein wichtiges "Werkzeug" für die Frontenanalyse.

Atmosphärische Schichtung

Mithilfe der Temperatur in 500 hPa lassen sich auch Stabilitätsangaben machen. Einige Gewitter-Indizes werden sogar auf Grundlage der Temperaturen in 850 hPa und in 500 hPa sogar berechnet. Hinzu kommt noch die Feuchtigkeit aus meist niedrigeren Niveaus, die mit berücksichtigt wird. Je höher der thermische Gradient zwischen den eben genannten Druckflächen unter Berücksichtigung einer ausreichend hohen Luftfeuchtigkeit z.B. in 850 hPa oder aber in 700 hPa, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit für Konvektion.

Anwendungsbeispiel (Europa)

Abb. 1 | 500 hPa Geopotential Beispielkarte für Europa vom 19. Mai 2011 um 00 UTC | Kartenquelle: www.wetterzentrale.de
Abb. 1 | 500 hPa Geopotential Beispielkarte für Europa vom 19. Mai 2011 um 00 UTC | Kartenquelle: www.wetterzentrale.de

Die numerische Wetterkarte zeigt das Geopotential der 500 hPa Druckfläche (Farbflächen, bzw. Farblinien = Isohypsen), die Temperatur in 500 hPa (gestrichelte Linien = Isothermen) sowie die Bodendruckverteilung (weiße Linien = Isobaren) mit den gekennzeichneten Extrema H (Hochdruckzentrum) und T (Tiefdruckzentrum). Da Isohypsen Linien gleichen Geopotentials sind, stellen sie hier die Grenzlinien der jeweiligen Farbflächen in einem Abstand von 4 gpdm (Geopotentielledekameter) dar.

 

Was ist zu erkennen?

Besonders hohes Potential ist über dem Atlantik und besonders tiefes Potential zwischen Norwegen und Island zu erkennen. Dabei stützt das hohe Potential als Höhenkeil eine Antizyklone (H) und das tiefe Potential als Höhentrog eine Zyklone (T) im Bodendruckfeld (weiße Linien = Isobaren). Nahezu achsensenkrecht über den Bodendruckzentren finden sich geschlossene Isohypsen (Höhenhoch über dem Atlantik und Höhentief über dem südlichen europäischen Nordmeer). Diese achsensenkrechte Ausrichtung der Druckzentren hat zur Folge, dass die Bodendruckgebiete von der vorderseitigen Dynamik des jeweiligen Höhendruckgebildes nicht mehr profitieren und sich dementsprechend langsam abbauen. Zudem erfolgt keine horizontale Verlagerung jeweiliger Drucksysteme mehr. Zwischen den vorherrschenden Druckgebilden hat sich in einer Nordwest-Südost-Ausrichtung (von der Ostküste Kanadas bis zu den britischen Inseln) aufgrund des Temperaturgegensatzes die Frontalzone neu formiert. In ihrem Bereich kommt es südwestlich von Island zu einer flachen Wellenbildung, die sich aber wahrscheinlich aufgrund schwacher Baroklinität nur unwesentlich vertiefen wird.

Genauere Betrachtung für Deutschland

Deutschland liegt auf der Trogvorderseite im Bereich einer flachen Tiefdruckrinne die bis zum östlichen Mitteleuropa reicht. Die Trogachse (Trogachsen o. Keilachsen sind die Bereiche der stärksten Isohypsenkrümmung) verläuft meridional etwas westlich an den britischen Inseln entlang. Demzufolge ist hier mit zyklonal geprägtem Wetter zu rechnen. Die Bodenwinde kommen dabei eher aus westlicher, über West- und Norddeutschland auch aus nordwestlicher, in der Höhe hingegen aus südwestlicher Richtung (parallel zu den Isohypsen). Daraus lässt sich ein schwaches Rückdrehen des Windes mit der Höhe erkennen, sodass von Nordwesten zunehmend Kaltluftadvektion einsetzen wird. Daher ist auch davon auszugehen, dass Deutschland von einer Kaltfront von West nach Ost überquert wird. Dies zeigt auch der Isobarentrog (1010 hPa) über Westdeutschland, der den zyklonalen Windsprung an der Front andeutet. Während also von Westen und Nordwesten eine sukzessive Abkühlung eintritt, ist es über dem Osten noch verbreitet warm. Quantitative Angaben über die tatsächliche Temperaturverteilung lassen sich aber aus anderen Modellkarten entnehmen.

Zusammenfassung

  • mit den 500 hPa Geopotentialkarten lassen sich flache, aber auch hochreichende Höhenkeile, Höhentröge und Kaltlufttropfe, Trog- sowie Keilachsen erkennen
  • sie liefern Anhaltspunkte über die Dynamik in der mittleren Troposphäre und deren Auswirkungen am Boden
  • mit ihnen lässt sich in Verbindung mit dem Bodendruckfeld der thermische Wind feststellen
  • sie geben Hinweise zur atmosphärischen Stabilität (bei zusätzlicher Angabe der Temperaturen in 850 hPa und 500 hPa)

 © Welt der Synoptik | Autor: Denny Karran