Luftmassen

Eine Luftmasse ist ein großräumiges, zusammenhängendes Luftvolumen, das hinsichtlich Temperatur, Feuchtigkeit, Schichtung und Aerosolgehalt in allen Richtungen einheitliche oder ähnliche Eigenschaften besitzt und sich über ein größeres Gebiet (Kontinentalskala) erstreckt. Die räumliche Ausdehnung einer Luftmasse liegt bei mehr als 500 - 1.000 km in horizontaler und über 1.000 m in vertikaler Richtung. Ihre horizontale Temperaturänderung ist dabei 1 K/100 km. Der Temperaturgradient kennzeichnet die Homogenität der Luftmasse, ihre Ausdehnung grenzt sie von kleinräumigen Luftansammlungen ab.

Luftmassen bilden sich, wenn Luft längere Zeit mit geringer Bewegung über einem Teil der Erdoberfläche (z.B. über der Arktis) liegt und dabei die Eigenschaften dieser Ursprungsregion annimmt. Sie entstehen daher insbesondere in den quasistationären Hochdruckgebieten (Antizyklonen), da hier über eine längere Zeit von mehreren Tagen bis Wochen gleichartige thermodynamische Bedingungen herrschen, so daß die unterschiedlichen Prozesse wie Strahlung, turbulenter bzw. konvektiver Austausch sowie Verdunstungsprozesse ausreichend lange auf die Luft einwirken können. Die allgemeine Zirkulation der Atmosphäre setzt dann die Luftmassen in Bewegung, wobei sie ihre ursprünglichen Eigenschaften weitgehend beibehalten. Ursprungsgebiet und Wanderweg über Meer oder Land geben einer Luftmasse so ihre charakteristischen Eigenschaften als maritim oder kontinental. Erst nach längerem Weg tritt eine "Luftmassentransformation" bzw. "Luftmassenalterung" ein.

Das Wetter in Mitteleuropa wird im wesentlichen von polaren, arktischen, gemäßigten und subtropischen Luftmassen bestimmt, wobei sie je nach ihrem Weg noch in maritim und kontinental unterteilt werden. So unterscheidet sich z.B. im Winter eine kontinentale arktische Luftmasse (extrem kalt und trocken, gute Sicht) wesentlich von einer maritimen subtropischen Luftmasse im Sommer (warm, sehr feucht, schlechte Sicht). "Stoßen" unterschiedliche Luftmassen zusammen, bildet sich eine sog. Frontalzone, an der Tiefdruckgebiete und Fronten entstehen.

• Maritime Luftmassen (m) entstehen in den Hochdruckgebieten über den Ozeanen. Durch die Verdunstung des Meerwassers weisen sie einen hohen Feuchtegehalt auf. Auch Luftmassen die ursprünglich nicht über dem Meer entstanden sind, sondern beispielsweise über Grönland (maritime Polarluft), können auf ihrem Weg über das Meer hinsichtlich Stabilität, Temperatur und Feuchte maritimen Charakter annehmen. Bei uns führen sie oft zu unbeständigem, im Sommer zu kaltem und im Winter zu mildem Wetter.
• Kontinentale Luftmassen (c) entstehen in Hochdruckgebieten über dem Festland. Sie sind aufgrund der geringen Verdunstung sehr trocken. Solche Luftmassen erreichen Mitteleuropa sommers wie winters aus Osteuropa, wenn sich beispielsweise über Russland ein stabiles Hoch aufgebaut hat. Auf dem Weg vom Meer zum Landesinneren kann auch ursprünglich maritime Luft kontinentale Eigenschaften annehmen. Im Sommer ühren sie zu warmem, im Winter zu sehr kaltem Wetter. Den Gegensatz dazu stellen maritime Luftmassen dar.
• Maritim-polare Luftmasse (mP) entsteht über dem Nordatlantik. Sie besteht aus stabiler Kaltluft mit hoher relativer Luftfeuchtigkeit, die aber wegen der niedrigen Temperatur nur relativ wenig absolute Feuchte enthält. Sie bringt meist kaltes und feuchtes Wetter aus nordwestlicher Richtung mit sich. Über dem Festland kann sich daraus instabiles Wetter mit Cu, Cb und Schauern entwickeln. Im Winter verursacht sie naßkaltes Wetter und bringt in den Mittelgebirgslagen üblicherweise viel Schnee.
• Kontinental-polare Luftmasse (cP) gibt es nur im Winter. Sie hat ihren Ursprung in Sibirien und besteht aus sehr kalter, trockener und stabiler Luft. Östliche Winde führen in Kontinentaleuropa zu sehr kaltem, trockenem und wolkenlosem Winterwetter ohne Niederschlag. Im Sommer gibt es keine kontinental-polare Luftmasse.
• Kontinental-tropische Luftmasse (cT) entsteht in Nordafrika und im Südosten Europas. Sie führt vor allem im Sommer warme, trockene und stabile Luft mit Winden aus Süd bis Südost heran. Der Himmel ist häufig wolkenlos oder zumindest frei von Niederschlägen. Meist herrscht gute Sicht, gelegentlich entsteht aber auch Dunst.
• Maritim-tropische Luftmasse (mT) entsteht bei den Azoren. Die Luftmasse besteht aus warmer und stabiler, aber feuchter Luft mit einer mittleren relativen Feuchtigkeit. Das Wetter zieht aus Südwesten heran und bringt diese warme und feuchte Luft mit sich. Bei niedereren Temperaturen, wie z.B. im Norden tendendiert sie zur Bildung von niederem Stratus (St) und Stratocumulus (Sc).
• Arktische Luftmasse (A) entsteht in der nördlichen Polregion. Sie ist daher sehr kalt und enthält kaum Feuchtigkeit. Die arktische Luftmasse beeinflußt unser Wetter nur im Winter. Der Wind kommt dabei aus nördlicher Richtung. Die Luft nimmt auf ihrem Weg über die Nordsee Feuchtigkeit auf. Sie neigt daher zu starken Schneefällen bis hin zu Schneestürmen.
• Äquatoriale Luftmasse (E) entsteht in Äquatornähe. Im Gegensatz zu anderen Luftmassen zieht sie nicht unmittelbar in andere Regionen. Sie beeinflußt daher das Wetter in Europa nicht. In der äquatorialen Luftmasse wird das Wetter durch die Passatwinde und die innertropische Konvergenz geprägt. Monsune und tropische Wirbelstürme können sich bilden.

Luftmassentransformation

Wird eine Luftmasse aus ihrem Urprungsgebiet über weite Distanzen verfrachtet und gelangt in andere Klimazonen, wird sie von den Untergrund- und Strahlungsbedingungen sowohl auf ihrem Weg als auch im Ankunftsgebiet beeinflußt. Unterschiedliche Einstrahlungsverhältnisse können z.B. eine Änderung der Schichtungsstabilität der Luftmasse herbeiführen. Die Erwärmung der Luft erfolgt, wie im Kapitel Strahlung gesehen, im wesentlichen von der Erdoberfläche aus, wo rund 50% der einfallenden Solarstrahlung absorbiert und in Wärme umgewandelt wird. Dabei besitzen die Meere eine große Wärmespeicherfähigkeit, wogegen das Festland seine Wärmeenergie relativ schnell wieder abgibt. Weil sich Landmassen viel schneller erwärmen als Ozeane, ergibt sich daraus für die Luftmassen über dem Land eine völlig andere Temperaturentwicklung als über den Meeren. So ist über dem asiatischen Festland (Sibirien) eine jahreszeitliche Temperaturschwankung von deutlich über 50 °C zu verzeichnen, während sich die Lufttemperatur z.B. in 20° nördlicher Breite über dem Atlantik im Jahresverlauf gerade einmal um 4 °C ändert.

Ähnliches gilt auch für die Luftfeuchtigkeit. Über den Wasserflächen der Meere nimmt die darüberstreichende Luftmassen sehr viel Feuchtigkeit auf. Dagegen ist die Feuchtigkeitsaufnahme der Luft über Wald, Ackerland, über den Städten oder Savannen und Wüsten um Größenordnungen geringer. Deshalb ist insbesondere der Untergrund von wesentlichem Einfluß auf Temperatur und Feuchtigkeit einer Luftmasse. Vor allem aber steigt, wie im Kapitel Luftfeuchte dargestellt, die Aufnahme der maximal möglichen Wassermenge pro Volumeneinheit Luft sehr stark mit der Temperatur an. Deshalb ist die von der Luft aufgenommene Menge Wasser in niederen Breiten wesentlichen größer als in kälteren nördlichen Breiten. Im Ergebnis führt dieser Prozeß der Aufnahme von Wärmeenergie aus dem Meer oberhalb von etwa 26,5 °C Wassertemperatur in Äquatornähe bei bestimmten Randbedingungen sogar zur Entstehung tropischer Wirbelstürme.

Luftmassen, deren Weg über die Wasserflächen der Ozeane führt, nehmen also dort abhängig von der jeweiligen Temperatur große Mengen an Feuchtigkeit auf. Man spricht von maritimen Luftmassen. Maritime Luftmassen transportieren ihre Feuchtigkeit zum Festland, was dort zu Niederschlägen führt. So ist z.B. Westeuropa durch ganzjährig ausreichende Niederschläge bei ausgeglichenen, milden Temperaturen gekennzeichnet.

Luftmassen, deren Weg über die Landflächen der Kontinente führt, können dort nur sehr viel weniger Feuchtigkeit aufnehmen und sind somit wesentlich trockener. Man spricht von kontinentalen Luftmassen. Je stärker die Luftmassen diesen kontinentalen Charakter annehmen, was in Europa eintritt, je weiter man nach Osten kommt, desto größer sind auch die Schwankungen der Tag-/Nachttemperaturen (Tag-Nacht-Amplitude) und um so geringer werden die Niederschläge. Zudem verlagern sich die Niederschlagsmaxima immer mehr in den Sommer, je weiter man nach Osten vordringt.

Infolge dieser Prozesse verliert eine Luftmasse auf ihrem Weg mehr oder weniger ihre ursprünglichen Eigenschaften und wird mehr oder weniger schnell umgewandelt. So wird z.B. eine nach Süden vorstoßende Kaltluft erwärmt, eine nach Norden geführte Warmluft abgekühlt, Festlandsluft wird über den Ozeanen feuchter, Meeresluft über den Kontinenten durch Abregnen und geringeren Wasserdampfnachschub trockener. Die Luftmasse verliert dadurch zunehmend ihre ursprünglichen Eigenschaften, sie "altert".

Eine Luftmasse erreicht Mitteleuropa um so ursprünglicher, je direkter ihr Weg vom Ursprungsgebiet ist und um so rascher sie sich verlagert. So führt Polarluft zu einem scharfen Kälteeinbruch, wenn sie rasch vom Polargebiet über das verschneite Skandinavien nach Mitteleuropa vordringt, während grönländische Polarluft wegen ihres weiten Weges über den Atlantik in bereits abgeschwächter Form bei uns ankommt. Grundsätzlich vollzieht sich eine Luftmassentransformation bzw. Luftmassenalterung umso rascher, je labiler die Luftmassenschichtung ist oder während ihrer Verlagerung wird. Bei einer Zunahme der Labilität können vertikale Umlagerungen einsetzen, die Wärme und Feuchte in die Höhe transportieren. Eine über dem Eis der Arktis entstandene Luftmasse ist beispielsweise kalt, trocken und stabil geschichtet. Gelangt diese Kaltluft über den warmen Ozean, wird sie labilisiert und turbulente und konvektive Abläufe transportieren Wärme und Feuchte bis in die mittlere und obere Troposphäre. Da diese Prozesse großräumig erfolgen und für die aufsteigende feuchtwarme Luft ursprünglich kalte Höhenluft absinkt, bleibt der Kaltluftcharakter der Luftmasse am Boden über längere Zeit erhalten. Über dem Meer ist eine Polarluftmasse deshalb daran zu erkennen, daß ihre Lufttemperatur in 2 m Höhe unter der Wassertemperatur liegt. Das Ausmaß der Labilisierung von Polarluft zeigt sich beim "Aprilwetter", wenn frische Kaltluft vom relativ kühlen Atlantik auf das erwärmte mitteleuropäische Festland gelangt. Hochreichende Konvektionswolken sind insoweit charakteristisch für solcherart labilisierte Kaltluft.

Ein ganz anderes Bild zeigt sich, wenn Warmluft über einen kalten Untergrund strömt. Die Luftmasse wird vom Untergrund abgekühlt und dadurch stabilisiert. Die turbulenten Prozesse sind dabei auf die bodennahen Schichten beschränkt und verändern dort den Charakter der Luftmasse rasch, während die Warmluftmasse in den höheren Schichten unbeeinflußt ihren ursprünglichen Charakter beibehält. Über dem offenen Meer liegt die Lufttemperatur dieser Warmluft nur wenig über der Wassertemperatur. Solch stabilisierte Warmluft über kalten Meeresgebieten ist an ausgedehnten Stratus- und Stratokumulusfeldern zu erkennen. Bei uns in Mitteleuropa stellt sich neblig-trübes "Novemberwetter" ein, wenn maritime Warmluft über das kalte mitteleuropäische Festland geführt wird. Weil die turbulente Anreicherung mit Feuchtigkeit dabei auf die unteren Luftschichten begrenzt ist, liegen aber schon die Hochlagen der Mittelgebirge oberhalb der Wolkendecke im strahlenden Sonnenschein, während in tieferen Lagen häufig Sprühregen aus einer niedrigen Stratusdecke fällt.

Eine weitere Beeinflussung der Luftmassen erfolgt saisonal Änderung infolge der Wanderung des Wärmeäquators (vgl Kapitel ITCZ). Die gesamten Zirkulationsprozesse in der Atmosphäre werden dadurch beispielsweise auf der Nordhalbkugel im Sommer weiter nach Norden verschoben. Für das Klima in Europa hat das zur Folge, daß der Mittelmeerraum im Sommer in den Bereich trockener subtropischer Luftmassen gerät, während im Winter auch der Mittelmeerraum im Einflußbereich der Westwindzone liegt.

Außerdem werden die Luftmassen auch orografisch beeinflußt. Das geschieht im großen Maßstab durch die riesigen Gebirgszüge der Erde. Die Alpen, der Himalaja, die Rocky Mountains und die Anden zwingen die strömenden Luftmassen in die Höhe und erzeugen dabei luvseitige Niederschläge sowie Leewellen. Sie bestimmen damit Wetter und Klima in den jeweiligen Regionen in signifikanter Weise.

Treffen Luftmassen unterschiedlicher Eigenschaften aufeinander, erfolgt regelmäßig ein Energieaustausch und es bilden sich Instabilitäten. Dies führt uns zum nächsten Thema, den Fronten.

Großwetterlagen

Großwetterlagen sind mehrtägig konstante atmosphärische Erscheinungen über einem Großraum. Mit einem Anteil von 25 % sind in Mitteleuropa dabei Westlagen am häufigsten. Der Wind kommt dann hauptsächlich aus westlichen Richtungen, wodurch Mitteleuropa maritime Luftmassen zugeführt werden. Westwetterlagen sind sehr unbeständig.

Grundsätzlich unterscheidet man drei Gruppen von Großwetterlagen: zonale, gemischte und meridionale Wetterlagen:

• Bei zonalen Wetterlagen weht der Jetstream in West-Ost-Richtung und transportiert so wandernde Tiefdruckgebiete (Zyklonen) und Hochdruckgebiete (Antizyklonen). Westlagen sind also zonale Wetterlagen.
• Bei meridionalen Wetterlagen strömt der Jetstream mehr oder weniger parallel zu den Meridianen, also in Nord-Süd- oder Süd-Nord-Richtung. Dazu gehören also die Süd- und die Nordlage.
• Bei gemischten Wetterlagen strömt der Jetstream gegenüber Längen- und Breitenkreisen diagonal. Die Luftmassen kommen also aus Nordwesten, Nordosten, Südosten oder Südwesten.

In Mitteleuropa gibt es folgende Großwetterlagen, die einen jeweils spezifischen Wettercharakter haben:

Frontalzonen, die Grenzgebiete zwischen den Luftmassen

Im Kernbereich der Luftmassen herrschen in Bezug auf Temperatur und Feuchte homogene horizontale Verhältnisse. Da dort die Druck- und Dichte-/Temperaturflächen nahezu parallel zueinander verlaufen, ist das Innere der Luftmassen "barotrop" geschichtet.

In den äußeren Randbereichen der Luftmassen, also dort, wo warme und kalte Luft aufeinander treffen, ist die Situation völlig anders. Wurde bisher bei der Betrachtung der Luftmassen die Druckverteilung außer acht gelassen, ist nun die Frage zu beantworten, wie diese Druckverteilung sein muß, damit verschiedene Luftmassen aufeinander zugeführt werden. Ein „Viererdruckfeld", wie es nebenstehend schematisch abgebildet ist, bietet dafür die notwendigen Voraussetzungen. Im atlantisch-europäischen Bereich sind es überwiegend ein Grönlandhoch und ein Islandtief, zwischen denen wie zwischen sich drehenden Zahnrädern polare Luft südwärts, sowie ein westatlantisches Tief und das Azorenhoch, zwischen denen Subtropikluft nach Norden verfrachtet wird. In einem ca. 500 - 1.000 km breiten Grenzbereich zwischen den Luftmassen entsteht auf diese Weise im 500-hPa-Niveau ein Temperaturgegensatz von 10 - 20 K, der in einer etwa 100 - 200 km breiten Zone zwischen den Luftmassen noch auf rund 5 K/100 km anwachsen kann. Der gesamte 500 - 1.000km breite Grenzbereich zwischen den Luftmassen wird "Frontalzone" genannt, die 100 - 200 km breite Zone mit dem stärksten Temperaturgradienten ist der "Frontbereich" und gehört zur "Bodenfront".

Zur Klarstellung sei bemerkt, daß der Begriff "Frontalzone" hier nicht mit dem Begriff der "planetarischen Frontalzone" verwechselt werden darf. Unter der planetarischen Frontalzone wird nämlich nur der Bereich der Westwindzone bzw. -drift verstanden. Sie verläuft zwischen dem 35. und 65. Breitengrad ausschließlich von West nach Ost und ist relevant sowohl für die Schifffahrt, den Flugverkehr sowie für das Wetter vor allem in den mittleren Zonen der Erde. In dieser Zone werden die globalen Temperaturunterschiede zwischen den warmen Tropen und den kalten Polen abgebaut. Aufgrund des Druckunterschiedes zwischen der tropischen Warmluft und der polaren Kaltluft entsteht dort ein Gradientwind. Dieser wird durch die Corioliskraft auf der Nordhalbkugel nach rechts und auf der Südhalbkugel nach links abgelenkt und wird so zu einem Westwind. Sobald die stabile Westwindströmung mäandriert, kommt es dort zu verstärkter Frontenbildung. Tropische und polare Luft prallen somit aufeinander und bilden Westwinde, die wandernde Hoch- bzw. Tiefdruckgebiete transportieren. Diese Druckgebiete beeinflussen dann das Wetter in Mitteleuropa maßgeblich. Nur dieser unmittelbare Bereich der Frontenbildung, wo also unterschiedlichen Luftmassen aneinander stoßen, bildet die hier gemeinte Frontalzone. Diese kann dann daher auch außerhalb der Westwinddrift liegen.

Allgemeiner ausgedrückt bilden sich in einer Frontalzone Fronten, wobei der meteorologische Begriff "Front" die Trennungsflächen oder Grenzen zwischen kalten und warmen Luftmassen bezeichnet. Je nachdem, welche Luftmasse jeweils vorherrschen, werden Warm- und Kaltfronten unterschieden. Daneben gibt es noch die sog. Okklusionsfronten. Eine Okklusion bezeichnet die Vereinigung zweier Fronten, also einer Warm- und einer Kaltfront. Eine Frontalzone stellt daher allgemein den Übergangsbereich zwischen kalten und warmen Luftmassen dar.

Das Zusammenströmen der Luft, z.B. durch das Viererdruckfeld, schafft so in der freien Atmosphäre die Frontalzone und den Frontbereich. In der bodennahen Schicht wirkt zusätzlich noch die Reibung auf die Luftströmung, was den Prozeß verstärkt, so daß sich der Frontbereich teilweise bis auf wenige Zehnerkilometer Tiefe verkürzt. In Bodennähe tritt der Frontbereich deshalb linienartig in Erscheinung, weshalb in den Bodenwetterkarten dieser Frontbereich auch als Linie, als Front, eingezeichnet wird, welche die Kalt- und Warmluft voneinander trennt.

Eine für das Wetter in Mitteleuropa besonders wirksame Frontalzone ist die Polarfront.