165 72 35MB
German Pages 68 [80] Year 1948
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Meteorologie H e r a u s g e b e r P r o f . D r . R. S Ü R I N G Direkloi des Meteorologischen Zentralobseivatoriums Potsdam
unter Mitwirkung von Prof.Dr.G.Falckenberg-Warnemünde • Prof.Dr.W.König-Potsdam und Prof. Dr. F. S c h i n d e l h a u e r - P o t s d a m
JAHRGANG
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MAI/JUNI
DEUTSCHER ZENTRALVERLAG GMBH BERLIN
1947
Inhaltsverzeichnis Seite
Seite
H a n s E r t e l : Die thermische1 und potentielle Energie atmosphärischer Ak tionszentren . . 225
E. K u p f e r : Singularitäten im Höhendruckverlauf einiger europäischer Orte und ihre Bedeutung für Mitteleuropa 271 R. P e n n d o r f : Dia Stratosphärentemperatur über Norwegen 277
Autsätze und kleinere Mitteilungen:
L. E g e r s d ö r f e r *: Energiebilanz als Bestandteil deT Wettervorhersage 229 H. G. K o c h : -Ueber Anteil und Aufbau der Kaltluft bei einer 5 b - Serie 235 Joachim Blüthgen: Mecklenburg
Der
Eisdienst
in 242
V. D a h l k a m p und H. K a n t u s : Untersuchungen über den Reinheitsgrad der Atmosphäre mit Hilfe der neutralen Punkte der atmosphärischen Polarisation
253
Wi l h e l m H a r t m a n n : Verbesserung Thomas'schen Wolkeraspiegels
263
des
H. R e i n h a r d : Das Regenunwetter in Nordwest-Mecklenburg Ende August 1946 . . . 266
Meteorologische und geophysikalische Sonderberichte: W a l t e r L a m m e r t : Wirbel-Staubsturm . . D. i e d r i c h W a t t e n b e r g : Beobachtungen von farbigem Halo-Erscheinungen Witterungsbericht der sowjetischen Okkupationszone Deutschlands. März und April 1947 . K. G1 a s s und E. N e u m a n n : Polarlichter am 18. und 29. September 1946 Höhenwindmessungen in Lindenberg. Juli, August und September 1946 Personal-Nachrichten Bibliographie Zeitschriftenischau
279 280 281 284 285 288 288 288
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A. S A C H S E ©
& CO.
N E U H A U S A M R E N N W E G (Thüringen)
Zeitschrift für Meteorologie Herausgegeben von
R. S ü r i n g - P o t s d a m , Meteorologisches Zentralobservatorium unter Mitwirkung von
Prof. Dr. G. F a l c k e n b e r g - W a r n e m ü n d e , Prof. Dr. W . K ö n i g - P o t s d a m und Prof. Dr. F. S c h i n d e l h a u e r - P o t s d a m
Heft 8/9
Potsdam
Mai/Juni 1947
Die thermische und potentielle Energie atmosphärischer Aktionszentren Von Hans Ertel, Berlin 1. Die Möglichkeit einer Berechnung der thermischen und
potentiellen
Aktionszentren
Energie
aus
der
atmosphärischen
Luftdruckbeobachtungen
am
Erdboden. Nach einer längeren, an die klassischen A r b e i t e n von M. M a r g u 1 e s (1, 2, 3) anschließenden Pause, hat sich in. den l e g t e n zwei Dezennien das Interesse der Meteorologen e r n e u t den energetischen V a r h a l t n i s s e n der Zyklonen und Antizyklonen zugewandt, wobei in m e h r e r e n Arbeiten untey V e r w e n d u n g des inzwischen angewachsenen aerologischen M a t e r i a l s eine quantitative B e s t i m m u n g der einzelnen E n e r g i e a n t e ü e (thermische, potentielle, kinetische Energie) versucht w u r d e (4, 5, 6, 7). Es soll nun hier gezeigt werden, daß zur Berechnung der thermisdien (inneren) Energie und der potentiellen Energie der Atmosphäre über einem Zyklonen- bzw. Antizyklonengebiet an der Erdoberfläche Messungsergebnisse der meteorologischen Elemente aus der freien Atmosphäre über diesem Gebiet u. U. gar nicht erforderlich sind. Zu diesem Ergebnis f ü h r e n nämlich folgende Überl e g u n g e n : Die thermische Energie d e r als ideales Gas a u f g e f a ß t e n L u f t ist pro Masseneinheit durch den Ausdrude c v T, worin c> die ( f ü r ein i d e a l e s Gas konstante) spezifische W ä r m e bei k o n s t a n t e m Volumen bedeutet, bis auf eine f ü r die Meteorologie i r r e l e v a n t e additive Konstante b e s t i m m t ; dann ist p c , ' T (mit p = Dichte) die thermische Energie pro Volumeneinheit, und 1)
E, = c v J P T d z o die gesamte thermische Energie einer vom Erdboden (z = 0) bis zur oberen Grenze (z - > oo) der Atmosphäre reichenden v e r t i k a l e n L u f t s ä u l e vom Querschnitt 1 cm". Wegen der Zustandsgieichung (2)
p - R T ?
der idealen Gase und c v / R — 1 / (x — 1) m i t - / = c p /c v •= 1,4 ist dann 3)
^ -
z —> ®
auf:
ö v e r k n ü p f t mit den Stromkomponenten 6)
(Sx.Sy) = J ( p v x . p v y ) d z O
und
deren
lokalen
zeitlichen
Ableitungen
g
(S
rp 1*
-
ISii 5*
¡Si, ov < ' >
oSyx 6x
SSvv 6y~
eines (symmetrischen) Impulsstromtensorä CO
8)
•M =
[(pViV*
•
dz
\Syx , Syy/
"J \jTyV X . p V y V y / O darstellen, l i e f e r n also nach dem I n t e g r a l s a g von G a u s s durch Integration über die von der Zyklone bzw. Antizyklone am Erdboden eingenommenen Fläche F L i n i e n i n t e g r a l e über die Normalkomponente (n = ä u ß e r e Normale) des Impulsstromtensors längs der die Fläche F begrenzenden R a n d k u r v e s: 9) / SJTxt j_ 5 S J\ oy/
p _
f jg ^ -M
co9
^
g
cos
)
,l s
dz'
also berechenbar, wenn der W e r t des Integrals 4)
b e k a n n t ist. Dieses Integral h t r i t t aber auch durch Integration der Horizontalkomponenten (x, y ) der hydrodynamischen Bewegungsgleichungen mit den hori5 ö zontalen Druckgradienten P v o n z = 0 bis
h = J p dz o
{ ^ j f
^ f )
d F
-
f {s ^ c o s ("'*)+s
cos
("'>•)} ds
Nun k o n v e r g i e r e n aber wegen der quadratischen Geschwindigkeitsabhängigkeit die Komponenten des Im-
225
Npulsstromtensors mit A n n ä h e r u n g an die R a n d k u r v e s ( v o m I n n e r n v o n F her) schneller g e g e n N u l l als z. B. die e n t s p r e c h e n d e n Integrale der v o n d e n Geschwindigk e i t s k o m p o n e n t e n nur linear a b h ä n g e n d e n K o m p o nenten + 2 «> sin 9 ' S ; »
iil e i n e m P u n k t der geographischen B r e i t e $ tangiert, so daß die + z-Achse z u m Zenit gerichtet ist. D i e Kontinuitätsgleichung ia\
der Corioliskraft (w = 7,29 10~ sec 9 — geographische B r e i t e ) und sind also zu vernachlässigen, w e n n m a n v o n den G r ö ß e n h und j. n zu den G r ö ß e n / / ! , d F = / / d F / p dz o Po = / / p o
19)
dF
ü b e r g e h t , so daß e i n e B e z i e h u n g (in F o r m einer parl i e l l e n D i f f e r e n t i a l g l e i c h u n g mit d e n u n a b h ä n g i g e n V a r i a b l e n x, y, t) zwischen H u n d P„ resultieren m u ß : 12)
14) Ep = j y d F j V z p d z , o da w e g e n der statischen Grundgleichung 15)
cd
2 ~ co
g z p dz r_: —
Je
dp
Jp
dz
H
Zwischen Ei und Ep b e s t e h t das k o n s t a n t e V e r h ä l t n i s E./Ep = l/(x—.1) =
2,5
w i e bereits b e k a n n t (8, 9, 10); sein k o n s t a n t e r W e r t b e r u h t auf d e n A n n a h m e n , daß die A t m o s p h ä r e als ein i d e a l e s Gas in e i n e m S c h w e r e f e l d mit h ö h e n u n a b hängiger S c h w e r e b e s c h l e u n i g u n g g betrachtet w e r d e n kann, welche A n n a h m e n f ü r u n s e r e e n e r g e t i s c h e n Berechnungen hinreichend g e n a u e R e s u l t a t e l i e f e r n . W e n n w i r uns bei d i e s e n Energiieberechnungen auf die atmosphärischen A k t i o n s z e n t r e n b e s c h r ä n k e n , so liegt d e r Grund h i e r f ü r darin, daß d i e s e l b e n , o h n e stationär i m h y d r o d y n a m i s c h e n Sinne zu sein, o r t s g e b u n d e n sind, so daß also f ü r die R a n d k u r v e s d e r Fläche F die o b e n e r w ä h n t e Vernachlässigung der Trägheitskräfte^ gegenüber d e r Corioliskraft zu allen Z e i t e n zulässig ist. 2.
D u r c h f ü h r u n g der T h e o r i e .
F ü r die f o l g e n d e n B e r e c h n u n g e n b e d i e n e n wir uns e i n e s o r t h o g o n a l e n k a r t e s i s d i e n R e c h t s s y s t e m s (x, y, z), d e s s e n x - y - E b e n e als H o r i z o n t a l e b e n e die Erdoberfläche
226
Grundgleidiung
SS* 8x
oSv 8y
w ä h r e n d die I m p u l s s t r o m f o r m der H o r i z ö n t a l k o m p o n e n t e n der h y d r o d y n a m i s c h e n B e w e g u n g s g l e i c h u n g e n 20) SpVxVv > p Vi , i p V n V i r ¿7 ~r ' St ° ) i n d e m Rechteck — a/2 ü x SS + a /2, — b/2 S y i + b/2, so liegt im Rechteck + a/2 g x s + 3 a/2, — b/2 § y g + b/2 eine Zyklone usw. Die Terme B ,nn Sin . . • COS . . Imih COS . . .
227
sin . . . und D , n n sin . . . sin . . . brauchen im folgenden nicht m e h r hingeschrieben zu w e r d e n , da sie f ü r x = 0, y = 0 verschwinden und diese Eigenschaft durch die nachfolgenden Rechenoperationen nicht abgeändert w i r d . W i r schreiben also an Stelle von (48) einfach (die A m n sind Z e i t f u n k t i o n e n A m n = A m n ( t ) ) : po — po = Z E Amn cos ( * j cos ii \a
+ a/2,
+ a/2 + b/2
59)
Amn =
i// — a/2 -
50)
• a/2
im (Po — P o H Rechteck = y = + b/2 berechnen:
nn * ni it (Po ~ Po) c o s ( — x ) c o s ( — y ) d x d y .
b/2
In Analogie zur Gleichung (55) stellt sich die Änderung der potentiellen Energie dann in der Form
worin die A m n bestimmt sind durch 1
51) A mn = _ a
+a + b f I (po—po)i — a—b
dxdv,
und bilden aus (50):
dar, und die Ä n d e r u n g
-r-i •t-i ,
der thermischen und poten*
x+a/2 y+o'2 Po — Po = / / (po — po) d x d y . x-a/2 y-a/2 y
52)
4a b
60)
tiellen Energie zusammen, d. h. E — E =
(Ei—Ei)
*
( E p — E p ) , i s t , a l s o durch
Es r e s u l t i e r t 53)
4 a b -^i -v-i i P o - P o = ^ ^ Z 1 1 V /m n \
sin [ ni iM sin ( n
71
j1
m • 11
/ n7i
)
\i
mit x I (x — 1) = 3,5 gegeben. Sind die q u a s i p e r m a n e n t e n Druckgebilde in Quadrate mit den Seitenlängen a oinschließbar, so w i r d
und gehen w i r mit diesem Ausdruck (53) in die Diffe*
rentialgleichung (47) ein, so ergibt sich f ü r H — H die Lösung:
62)
4>mn
a 2 4>mn = a= J Amn sin (m I
) sin (n ~ ) )
in . n • ( m - -4- n^i
J
(m, n = 1, 2, 3 . . .) und durch X
54)
1 \O
n4
g
®
®
I A m n sin (m
sin (n —) 63)
1
1
mn nn cos ( x) cos (-j— y) + • • •
* 4 „2 12 ® " ( H - H J / a ^ - - ^ " 1 1
w i r d der räumliche M i t t e l w e r t der E n e r g i e ä n d e r u n g e n bestimmt: 64)
die f ü r x = 0, y = 0 die thermische E n e r g i e ä n d e r u n g
(Ei -
Ei)/a2=--(H — H ) / a « ( x - l ) ,
(Ep -
Kp)/a2 = (H -
H)/aä.
Ein quadratisch-zelluläres Druckfeld von der Form 65)
Amn sin (m - - ) sin (n — ) 56)
0) t h e r m i s c h e u n d p o t e n t i e l l e E n e r g i e v e r l i e r t , w o b e i n a t ü r l i c h in d e n t r o p o s p h ä r i s c h e n u n d s t r a t o s p h ä r i s c h e n Schichten g e g e n l ä u f i g e P r o z e s s e v o r
sich g e h e n k ö n n e n ; n u r d e r D i f f e r e n z e f f e k t t r i t t i n u n s e r e n G l e i c h u n g e n in E r s c h e i n u n g , a b e r d i e s e r k a n n d a f ü r o h n e B e z u g n a h m e a u f a c r o l o g i s c h e D a t e n ermittelt werden. E i n sich a u f b a u e n d e s zyklonales A k l i o n s z e n t r u m (8 p 0 < 0) m u ß (in d e r D i f f e r e n z ) thermische und potentielle Energie a u f n e h m e n . Zusammenfassung: Es wird bewiesen, daß die thermische (innere) Energie der als ideales Gas betrachteten A t m o s p h ä r e ü b e r den A k t i o n s z e n t r e n bereits aus Beobacht u n g e n des L u f t d r u c k s am E r d b o d e n , also ohne Zuhilfen a h m e aerologischer D a t e n , berechenbar ist. Gleiches gilt f ü r die p o t e n t i e l l e Energie. Dieses R e s u l t a t e r k l ä r t sich dadurch, daß die r ä u m l i c h e Ä n d e r u n g des f ü r die B e r e c h n u n g dieser E n e r g i e f o r m e n e r f o r d e r l i c h e n H ö h e n i n t e g r a l s des L u f t d r u c k s mittels des Systems der hydrodynamischen Gleichungen d u r c h das L u f t d r u c k f e l d am E r d b o d e n ausgedrückt werden k a n n . (1) M. Margules, D e n k s c h r i f t e n Akad. Wiss. Wien, B. 73, 1901.. (2) M. Margules, J a h r b . Z e n t r a l a n s t . f. Met. u. Geodynamik Wien, 1903. (3) M. Margules, Meteorolog. Zeitsdir. 1906, S. 481. (4) R. Schröder, V e r ö f f e n t l . Geophysikal. I n s t . Leipzig, 2. Ser. Bd. IV, H e f t 2, Leipzig 1929. (5) Y. Horiguti, Geophys. Mag. Tokyo, Vol. VI, 1932, S. 39. (6) H. Ertel, M e t h o d e n u. P r o b l e m e d. d y n a m . Meteorologie, Berlin 1938, S. 44^-54. (7) H. Wagemann, V e r ö f f . Marineobs. Wilhelmshaven, Neue Folge, H e f t 2 (1935). (8) F. M. Exner, Dynamische Meteorologie, 2. A u f l . Wien 1925, S. 159. (9) R. Emden, Gaskugeln, Leipzig 1907, S. 376. (10) R. Emden, T h e r m o d y n a m i k der H i m m e l s k ö r p e r , Leipzig u. Berlin 1926, S. 399. (11) T. Bergeron, Meteorolog. Zeitschr. 1930, S. 246. (12) S. P. Ckromow, E i n f ü h r u n g in die synoptische Wetteranalyse. Wien 1940, S. 183. (13) E. Madelung, Die m a t h e m a t i s c h e n H i l f s m i t t e l des •Physikers. Berlin 1925, 2. Aufl., S. 31. (14) B. Riemann, P a r t i e l l e D i f f e r e n t i a l g l e i c h u n g e n . B r a u n schweig 1938, S. 252. Anschrift Geophysik weg 20.
des Verfassers: I n s t i t u t f ü r Meteorologie u n d der Universität Berlin, Berlin-Dahlem, Kiebiß-
Energiebilanz als Bestandteil der Wettervorhersage Zusammenfassung: E i n l e i t e n d wird die mathematische vorhersage besprochen.
F o r m einer
Wetter-
Der erste Teil e r ö r t e r t die hydrothermodynamische Grundgleichung von H. E r t e l als Bilanzgleichung der Energiedichte. Anschließend e r f o l g t eine Abschätjung der Größenordn u n g der links s t e h e n d e n Gleichungsglieder, u n d zwar der kinetischen, der schwerepotentiellen u n d der inneren Energiedichte. D e r d r i t t e Teil schätjt die rechts s t e h e n d e n Glieder ab, die Leistungsdichte der Oberflächenarbeit, die Divergenz de6 t u r b u l e n t e n Wärme6tromes u n d die Energiedichte der aufg e n o m m e n e n , bzw. abgegebenen langwelligen S t r a h l u n g u n d der Kondensations- bzw. V e r d a m p f u n g s - W ä r m e . Das Ergebnis dieser Abschäßung ist, daß die A t m o s p h ä r e so wirtschaftet, daß sie in 10 S t u n d e n p r o Ma6Beneinheit 1 bis 2 °/oo des v o r h a n d e n e n E n e r g i e v o r r a t e s umseht.
V o n L. Egersdörfer*J*
Abschließend werden die Typen der Vorhersagegleichungen zusammengestellt u n d die Messungen der meteorologischen E l e m e n t e , die in E n e r g i e m a ß ausgedrückt werden müssen, kritisch b e u r t e i l t .
Einleitung. Die mathematische F o r m einer Wettervorhersage. J e d e V o r h e r s a g e b e r u h t auf e i n e r z e i t l i c h e n V e r k n ü p f u n g v o n Z u s t ä n d e n . E i n e V o r h e r s a g e g l e i c h u n g in e i n f a c h s t e r F o r m hat die G e s t a l t
mit der Anfangsbedingung U U 0 zur Z e i t t = t 0 ; darin i s t U d i e v o r h e r z u s a g e n d e G r ö ß e , B e i n e bek a n n t e Z u s t a n d s g r ö ß e . Sei z. B . U die T e m p e r a t u r T ,
229
B die Temperataränderung mit der Zeit, also etwa B = 2° C pro Stunde und dt ein Zeitraum von drei Stunden, so wird dU r= ü -
U0 und B.dt •=
2°C
h'
3 h
v
p• i
+
+
0
c
v
•T +
E>
+
d;v
ein individuelles
worin v die Geschwindigkeit, 2 [v . w] die ablenkende K r a f t der Erdrotation, 0 Schwerepotential, p Druck, p Dichte bedeuten. Rechts stehen also lauter Zustandgrößen, die aus aerologischen Aufstiegen zu entnehmen sind, nämlich Vp grad p* — grad h, also letztlich h als absolute Topographie den Flugzeugaufstiegen, v und damit 2 [v . w] den PilotwindmesBungen, während grad 0 = g als Schwerebeschleunigung bekannt ist. In der Praxis verzichtet man bekanntlich auf die Deutung der Bewegungsgleichung I I ) als Vorhersagegleithung, indem man wegen der angeblichen Kleind7 heit von diese Größe grundsätjlich Null segt, und die rechte Seite von I I nur dazu benugt, Höhenwinde und Isohypsen bestimmter Druckflächen aufeinander abzustimmen. Die Größenordnung der Beschleunigung clv ^jT ergibt sich zu 1 bis 10 km h 2 ; d. h. zu Windänderungen von 1 bis 10 km/h pro Stunde, wie sie an jedem
Raumelement
bezogenen
chung: v die (absolute) Geschwindigkeit, 0
E die Turbulenzenergie, W = — X grad T den turbulenten
Wärmestrom Strahlung,
und
Q sonstige
Kondensationswärme
Mit
E — (e , )
als
Wärmequellen, oder
Thermo-
Einheitstensor,
die von der gesamten Spannung an der Oberfläche der Volumeneinheit geleistete Arbeit. E r t e l bezeichnet I I I ) als hydro-thermo-dynamische Energiegleichung des turbulenten
Strömungsfeldes.
Man erkennt
sofort, daß I I I ) eine Vorhersageglei-
chung ist, wenn man setjt (1)
Vs v2 +
(2)
0
+ cy . T + E = U
div ( — p E + T ) v — div W + Q =
B
und kurz IV)
^
U = O • B
(pj = 1)
schreibt. Nach dem eingangs aufgeführten Schema ist für eine Vorhersage von U in einem individuellen Raumelement notwendig a) eine Berechnung von B ,
8h
b) eine Berechnung des Ausgangswertes U 0 .
e;ne
Stunde
später
eine
solche
von
von 4 0 km/h, 43 km/h
(bei
gleichbleibender Windrichtung) abgelesen wird, so ist 4M — 40 die (mittlere) Beschleunigung — ^ — km/h = 3 km h~2. Daraus ergibt sich die Zweckmäßigkeit, das Laboratoriumssystem g, cm, sec für die Meteorologie soweit wie möglich durch die größeren Einheiten kg " d e r 1 to = 1000 kg, km u/id Stunden (h) zu ersegen. Es ist dann allerdings z. B . notwendig, die Erdbeschleu9,81
=
9.81 . 10-Sk-n . (3,6 . 10») 2
n , g U n g 3,8 S = ( 3 , 6 . 103)* sec* = 9,81 . 12,96 . 10' 8 + " k m h 2 — 1.27 . 10» km h 2 zu definieren. Man ersieht daraus sofort das Größenverhältnis der üblichen Windbeschleunigungen zur Erdbeschleunigung, als 10~4 bis 1 0 " ' . E i n e Angabe der Beschleunigung zu 0,981 mm sec - 2 bleibt nach Obigem gänzlich unanschaulich für die freie Atmosphäre. Umgerechnet auf 12,7 km h~2 zeigt sie eine beträchtliche Windgeschwindigkeitsänderung pro Stunde an.
1. Die hydrothermische Grundgleichung von H. E r t e l als Bilanzgleichung der
Energiedichte.
Mit einer sehr aufschlußreichen Vorhersagegleichung hat sich E r t e l in dem Aufsag: Die hydrothermodynamischen Grundgleichungen turbulenter Luftströmungen (Met. Ztsdir. Sept. ,1943, Heft 9, S. 289 £f.) *) H. Ertel in Linke:" Met. Taschenbuch, Ausgabe"V, S. 4. Formel (7).
230
T
( T ^ ) als Turbulenztensor, wird div ( — p E + T v )
Windmeßgerät bequem ablesbar sind. Wenn etwa um Windgeschwindigkeit
Glei-
die poten-
tielle Energie, C v . T die innere (thermische) Energie,
etwa
= 2 [ v w ] — grad 0 — I/p grad p
mittlere
~
In leicht geänderter Schreibweise bedeuteten in dieser auf
konvektion).
eine
7
_ div W + Q
Die bekannteste Vorhersagegleichung vom Typus I) ist die Eulersche Bewegungsgleichung 4 ), bezogen auf die Masseneinheit: ^.
III)
= 60 C
und wenn U 0 um 8 h morgens 12° C ist, so wird die Temperatur um l l h 12 + 6 = 18° C betragen.
II)
beschäftigt. E r stellt dort folgende Beziehung auf (61):
F ü r dt = 3 oder 6 oder mehr Stunden ergibt sich dann das neue U j zu V)
U t = U 0 + 0 • B • dt.
Man hat dann nach V) nicht mehr und nicht weniger als eine Vprausbestimmung der im Raumelement wirkenden Gesamtenergie pU geleistet, ist also von einer Wettervorhersage im üblichen Sinn noch weit entfernt. Es ist aber klar, daß die Bearbeitung von I V ) und V) ein notwendiges, wenn auch nicht hinreichendes Teilstück einer Vorhersage ist.
2 a. Abschätjung der Größenordnung der links stehenden Gleichungsglieder. Die folgenden Ausführungen sollen nur zur Abschätzung der Größenordnung der in IV) auftretenden Teilgrößen dienen und gelegentliche Hinweise auf ihre Bestimmbarkeit aus den Daten der aerologischen Aufstiege geben. F ü r die folgenden Ausführungen wird wie üblich die Bezugnahme einer Größe auf die Masseneinheit (kg) mit dem Beiwort „spezifisch", die Bezugnahme auf die Raumeinheit (m 3 ) mit dem Nachwort •—„dichte" bezeichnet. vDanach ist ^
die spezifische kinetische Energie
ihre zeitliche Änderung:
und
Nimmt man f ü r ein Raumelement der f r e i e n Atmosphäre von der Größe 100 k m • 100 km • 0,1 km = 10 3 km 3 , dessen Grundfläche in der K a r t e von 1,: 10 Mill. als 1 cm 2 erscheint, v = 50 k m / h an, so möge sich seine mittlere Windgeschwindigkeit in drei Stunden auf 62 km/h gesteigert h a b e n ; d. h. es soll eine Höhenwindmessung in A um 8 h morgens in 2000 m 50 k m / h und eine zweite Höhenwindmessung an einer, in etwa 150 km = 3 X 50 km E n t f e r n u n g in der Windrichtung gelegenen Meßstelle B um l l h 62 k m ' h in 2000 m ergeben haben. Die Beschleunigung ist dann (als Absolutbetrag gemessen): 62 - 5 0 km/h = 4 km . h"! 3h
dv dt
Es ergibt sich also als zeitliche Änderung der spezifischen kinetischen Energie
(0
dv cTt
d .y, v dt
50 km • 4 k m h
-2
2
= 200 km h"
Möge sich f e r n e r das Geopotential 0 unseres Raumelementes, genauer dessen Mittelpunktes in 24 Stunden um 80 gm stetig gesenkt, haben, so ergibt sich f ü r den Zeitraum von drei Stunden ein ^
dt
= _ 80 gm: 24 h = — 10 gm • h
Es sei f e r n e r mit c
=
0,171
k cai kg grad
eine
zeitliche
Abnahme der (mittleren) T e m p e r a t u r des betrachteten Raumelementes von 0,8° C in 24 Stunden öder 0,1° C in drei Stunden gegeben, so ergibt: dT
0,171
0,1 kcal. grad = -0,57-10-2 kg . grad ke.h
Faßt man zunächst die drei Energiearten so erhält man wegen (4)
1 gm =
zusammen,
129,6 km 2 h 2
1 kcal • kg" 1 = 4186 Joule • kg" 1 = 5,429 • 104 km 2 h" 2
(5)
als zeitliche Änderung von kinetischer, potentieller und innerer Energie: d (U — E ) dt
4 2
= (200 — 3,33 • 129,6 — 0,570, 5,429 10 " )
p = 1,00 kg
unmittelbar auf die Bedeutung der Turbulenzenergie nach Ertel zurückgehen. Es ist dann (10)
E =.- i/ s [ ( U l -
so wird g d (U—E) = — 5 , 4 5 • 2,4 • IO11"9 k W a t t • km" 3 dt
u,1 — u usw. die Extr'emwerte, v.1 = v usw. die x M i 11 e 1 werte der Windgeschwindigkeit, die deren D i f f e r e n z e n sind, deren zeitlicher Mittelwertverschwindet. In der üblichen Windregistrierung werden die Uj, also aus den Spitjenwerten die v; aus der Mittellinie des Windgeschwindigkeitsbandes abgeleitet. Nimmt man f ü r die freie Atmosphäre bei 50 k m / h Horizontalgeschwindigkeit und 5 m/h Vertikalgeschwindigkeit ^ = K2 = ± 1 0 k m / h u n i = ± ,1 km.^h, womit einer besonders hohen Vertikalböigkeit Rechnung getragen sein soll, so wird E = Vs (10 2 + 102 + l 2 ) km 2 h" 2 ~ 100 km 2 h" 2 . Wegen des quadratischen A u f t r e t e n s spielt doch keine Rolle. Wachse etwa in 3 Stunden jedes auf den doppelten Wert, E also auf das Vierfache an, so wird die zeitliche Änderung der spezifischen Turbulenzenergie: (11)
£
^ - ™
=
=
i0Okn,.h-.
die zeitliche Änderung der Turbulenzenergiedichte
+7
s = 10H.2V4.10-8kwkm
kWatt/1000 km 3
(13)
p ^
=
( — 1,09 + =
0,21) 107 — 3 kWatt/km 3
1 • 10 7 kWatt/1000 km 3
Ertel gibt in Formel (45) seiner Arbeit mit
so erhält man:
/ ( uz x
II.)
hvx\ uz '
V- -r-
u / (u uz ^1
.
, A y = T -
= — p div v
HI.) '
iL = dt
R
d
uvv \ . >-• J Az uz '
=
(IjJÜ dt
(Turbulenzgleichung ) P j t ('/« dv= + d 0 + c v dT + E) = div ((-pE +
TR
- f div (Xgrad T) + Q formale
Lösung
mit
Hilfe
der
zeichnerischen
Algebra könnte sich etwa folgendermaßen Aus
Aufstiegs-
grundsätzlich
auch
und die
vollziehen:
Höhenwindmessungen, Vertikalkomponenten
v2
die zur
Zeit t 0 mittels Doppelanschnitten einzuschließen hätten, werden gemäß I.) die Felder von — grad p, 2 [w v] P und A konstruiert, wobei über das Feld des Faktors (i in A durch einfache Annahme verfügt werden kann. Ihre Zusammensetzung auf zeichnerischem Wege erdv gibt dann das Feld der Beschleunigung Aus ihm wird mit Hilfe des durch Messungen bekannten Geschwindigkeitsfeldes zur Zeit t 0 •gemäß der eingangs erwähnten Überlegungen das Geschwindigkeitsfeld v x zur Zeit t j gewonnen.
234
dE +
d0 dt
+
dt
'
erschlossen werden. Die Größenordnung der einzelnen Glieder auf der rechten Seite ist j a ausführlich dT behandelt worden. Aus V ) in der Form , = Bs ' dt
=
K
.(dT Vdt ^ '
dpP dt
nunmehr aus V " ) und I I ' alle Größen rechts feldmäßig bekannt sind und zusammen B g ergeben mögen, erhält man schließlich aus I I I ' mittels p 0 und B 3 das Druckfeld p j zur Zeit t j .
(Kontinuitätsgleichung)
IV.)
Ihre
bzw(. die Ände-
rung der Temperatur T in der Form [div(— pE + T) v ] -f- divgrad T - f Q ' dt p • c
• dp dt
.
0
(differenziierte Zustandsgieichung der Luft)
V.)
dT Änderung der inneren Energie c^
läßt sich bei gegebenem Temperaturfeld T 0 zur Zeit t 0 das Feld T j zur Zeit t t erschließen. Da in I I I
A
wobei (Bewegungsgleichung) Ax =
erhalten werden kann, woraus erneut die Wichtigkeit der Bestimmung von v hervorgeht, kann aus V'j die
Die vorstehende Skizze ist also darauf abgestellt, das Geschwindigkeitsfeld v, das Massenfeld p und das Druckfeld p festzustellen zum Zeitpunkt t l 5 wenn es zum früheren Zeitpunkt t 0 gegeben ist. Unter welchen Voraussetzungen diese Aufgabe formal lösbar ist, wenn man sich auf genügend kleine Zeitabschnitte t j — t„ beschränkt, ist im vorstehenden gezeigt worden. Für die Ausführung in der Praxis ergeben sich folgende Fragen: 1. Mit welcher Genauigkeit müssen die verlangten Größen gemessen werden, um zu einer erfolgversprechenden Lösung zu gelangen? Wie weit darf insbesondere der Zeitpunkt t x der Vorhersage hinausgeschoben werden? Die Beantwortung dieser Frage erfordert eine möglichst gute Abschätzung der Größenordnung, mit welcher alle Variabein, insbesondere m "H, in die Gleichungen eintreten. 2. Kann die heutige Technik der meteorologischen Geräte die Ansprüche an die verlangte Maßgenauigkeit erfüllen? Unter den unbedingt\zu messenden Größen erscheint auch die Vertikalgeschwindigkeit v z , um deren Erfassung man sich bisher zu wenig gekümmert hat.
3. Welche meteorologischen Größen treten neben den Hauptvariabein noch in das Gleichungssystem, insbesondere in die Leistungsbilanzgleichung ein, und mit welcher Genauigkeit können sie gemessen und abgeschält werden? Es ist hier besonders an die Strahlungsbilanz und den Wasserhaushalt der Atmosphäre, auch in den bodennächsten Schichten, zu denken. 4. Sind überhaupt die vorgelegten Gleichungen die einzig geeigneten zur Lösung des Vorhersageproblems oder lassen sich Kombinationen und Ände. rungen derselben einführen, die die Vorhersage erleichtern?
Hier spielen Nachrichtentechnik, synoptische Ver- • arbeitung, zeichnerische Methoden und mathematische Hilfsmittel ihre Rolle. 6. In welcher Form können die vorhergesagten Einzelfelder zu einer für die Bedürfnisse der Praxis brauchbaren Form der Vorhersage verarbeitet werden?
Eine Erleichterung könnte z. B. darin bestehen,
Das vorstehende Programm soll dazu dienen, den gesamten Bereich des Vorhersageproblems in der Meteorologie übersichtlicher zu gestalten und durch Spaltung in Teilaufgaben zu zeigen, wo und wie die vorhandenen Kräfte und Hilfsmittel anzusetzen sind, um zu einer Steigerung ihres Wirkungsgrades in bezug auf die Sicherheit der Vorhersage zu gelangen.
daß statt der individuellen Änderungen
auf
die lokalen o . • übergegangen wird. 5. Wie ist die Technik der Verarbeitung der erlangten Meßwerte auszugestalten, um die gestellte Aufgabe in immer kürzer werdenden Fristen zu lösen?
In welcher Weise lassen sich die erlangten Ergebnisse durch Heranziehung eines gewissen Schates persönlicher Erfahrungen iii der Vorhersagepraxis oder der Statistik von Wettervorgängen befestigen und erweitern?
über Anteil und Aufbau der Kaltluft bei einer 5 b-Serie
Von H. G. Koch, Weimar
Mit 6 Abbildungen Zusammenfassung: Die 5 b-Serie vom 21. 10. bis 7. 11. 1941 enthält drei verschiedenartige Einzellagen, deren erste nur sehr schwach und kurzdauernd ist, da der erforderliche K a l t l u f t z u f l u ß fehlt. Die zweite Bildung kommt durch den Vor6toß von K a l t l u f t auf der Nordseite der Alpen nach der Tscheche! zustande. Das hierbei über Deutschland entstehende Höhentief steuert ein troposphärisches Abkühlungsgebiet nord- und westwärts herum nach dem Golfe du Lion, wodurch die dritte, k r ä f t i g s t e Entwicklung angeregt wird. Die Änderungskarten der relativen Topographie, besonders die der 500 über der 800 mb-Fläche, erweisen sidi als für die Vorhersage der Neubildung besonders wertvoll, da gerade dieser Schicht für den A u f b a u der erzeugenden K a l t l u f t besondere Beachtung zukommen muß. Der Anteil von Warmluft ist nur gering.
I. Allgemeines Die Bedeutung der Kaltluft bei Zyklogenesen im allgemeinen, speziell aber auch für die 5 b-Tiefs, ist bekannt. Bei letjtcren ist die Neubildung bzw. Vertiefung in Obcritalien oder Ungarn infolge der Wirkung des Alpenmassivs oft unvermittelt und heftig, der Zeitpunkt der Fortbewegung des Tiefzentrums innerhalb der rasch entstehenden Frontalzone und der meist in der Nähe der Ostalpen entstehenden Divergenzzone der Isobaren prognostisch wegen der plöglidi einsehenden Niederschlagsbildung in der östlichen Reichshälfte besonders zü beachten. Bei den 5 b-Bildungen in Oberitalien handelt es sich entweder um vollkommene Tiefdruckneubildung, um Vertiefung einer schon vorhandenen, orographisch oder andersartig entstandenen Depression oder drittens um Weiterleitung und Beschleunigung eines von Westen, Südwesten oder auch Süden anwandernden, an dieser Stelle umgebildeten Tiefs. In vorliegend ausgewählter Wetterlage treten die beiden ersten der genannten Möglichkeiten auf. Entscheidend für den Zeitpunkt der Vertiefung sind die Bewegung sowie der Augenblick des Eintreffens der Kaltluft an der Stelle der Zyklonenbildung; ihr
Weg führt in den meisten Fällen über Westeuropa (durch das Rhonetal) südwärts in den Golfe du Lion, unter Abschwächung auch quer über die Alpen südwärts. An Hand der 5 b-Periode vom 2,1.10. bis 7. 11.1941 soll gezeigt werden, in welch hohem Grade der Weg der Kaltluft, Herkunft, Abschwächung und Verstärkung sowie Art der Fortbewegung und vertikaler Aufbau für die Neubildung von entscheidender Bedeutung sind. Dafür haben neben der Bodenwetterkarte. die Karten der relativen Topographie sowie deren 24stündigen Änderungen als Maß der troposphärischen Temperaturänderungen sich als besonders zweckmäßig erwiesen. Schon Form und Aussehen des Kaltlufttropfens geben einen prognostischen Anhalt über seinen späteren Einfluß. Die Untersuchung ergab, daß die Kaltluft als möglichst eng begrenztes und über Mittel- dder Ostfrankreich als abgeschlossenes Zentrum in den Karten der relativen Topographie auftauchen oder auch als von Norden vorgeschobene Kaltluftzunge nach Südfrankreich, häufig auch vom Atlantik nach der Biskaya hin ausgreifend vorhanden sein muß. Bei Beobachtung seiner Zugrichtung ist die Ankunft im westlichen Mittelmeer sowie die damit einsehende Vertiefung und Fortbewegung des Tiefzentrums im voraus bestimmbar. Da jedoch das Zentrum des Kältegebietes häufig über Frankreich liegen bleibt, die Abkühlung aber tro^dem nadi Süden fortschreitet, ist neben der relativen Topographie noch die Beaditung ihrer 24stündigen Änderungen wichtig. II. Einteilung Die 5 b-Epocäie vom 21.10. bis 7 . 1 1 . 1 9 4 1 läßt sich in drei eigentliche 5 b-Lagen und drei Vor- und Zwischenepochen einteileij: 1. Vom 21. bis 23. ,10.: Vorwetterlage und Einleitung v mit Leetiefbildung südlich der Alpen.
235
3. Welche meteorologischen Größen treten neben den Hauptvariabein noch in das Gleichungssystem, insbesondere in die Leistungsbilanzgleichung ein, und mit welcher Genauigkeit können sie gemessen und abgeschält werden? Es ist hier besonders an die Strahlungsbilanz und den Wasserhaushalt der Atmosphäre, auch in den bodennächsten Schichten, zu denken. 4. Sind überhaupt die vorgelegten Gleichungen die einzig geeigneten zur Lösung des Vorhersageproblems oder lassen sich Kombinationen und Ände. rungen derselben einführen, die die Vorhersage erleichtern?
Hier spielen Nachrichtentechnik, synoptische Ver- • arbeitung, zeichnerische Methoden und mathematische Hilfsmittel ihre Rolle. 6. In welcher Form können die vorhergesagten Einzelfelder zu einer für die Bedürfnisse der Praxis brauchbaren Form der Vorhersage verarbeitet werden?
Eine Erleichterung könnte z. B. darin bestehen,
Das vorstehende Programm soll dazu dienen, den gesamten Bereich des Vorhersageproblems in der Meteorologie übersichtlicher zu gestalten und durch Spaltung in Teilaufgaben zu zeigen, wo und wie die vorhandenen Kräfte und Hilfsmittel anzusetzen sind, um zu einer Steigerung ihres Wirkungsgrades in bezug auf die Sicherheit der Vorhersage zu gelangen.
daß statt der individuellen Änderungen
auf
die lokalen o . • übergegangen wird. 5. Wie ist die Technik der Verarbeitung der erlangten Meßwerte auszugestalten, um die gestellte Aufgabe in immer kürzer werdenden Fristen zu lösen?
In welcher Weise lassen sich die erlangten Ergebnisse durch Heranziehung eines gewissen Schates persönlicher Erfahrungen iii der Vorhersagepraxis oder der Statistik von Wettervorgängen befestigen und erweitern?
über Anteil und Aufbau der Kaltluft bei einer 5 b-Serie
Von H. G. Koch, Weimar
Mit 6 Abbildungen Zusammenfassung: Die 5 b-Serie vom 21. 10. bis 7. 11. 1941 enthält drei verschiedenartige Einzellagen, deren erste nur sehr schwach und kurzdauernd ist, da der erforderliche K a l t l u f t z u f l u ß fehlt. Die zweite Bildung kommt durch den Vor6toß von K a l t l u f t auf der Nordseite der Alpen nach der Tscheche! zustande. Das hierbei über Deutschland entstehende Höhentief steuert ein troposphärisches Abkühlungsgebiet nord- und westwärts herum nach dem Golfe du Lion, wodurch die dritte, k r ä f t i g s t e Entwicklung angeregt wird. Die Änderungskarten der relativen Topographie, besonders die der 500 über der 800 mb-Fläche, erweisen sidi als für die Vorhersage der Neubildung besonders wertvoll, da gerade dieser Schicht für den A u f b a u der erzeugenden K a l t l u f t besondere Beachtung zukommen muß. Der Anteil von Warmluft ist nur gering.
I. Allgemeines Die Bedeutung der Kaltluft bei Zyklogenesen im allgemeinen, speziell aber auch für die 5 b-Tiefs, ist bekannt. Bei letjtcren ist die Neubildung bzw. Vertiefung in Obcritalien oder Ungarn infolge der Wirkung des Alpenmassivs oft unvermittelt und heftig, der Zeitpunkt der Fortbewegung des Tiefzentrums innerhalb der rasch entstehenden Frontalzone und der meist in der Nähe der Ostalpen entstehenden Divergenzzone der Isobaren prognostisch wegen der plöglidi einsehenden Niederschlagsbildung in der östlichen Reichshälfte besonders zü beachten. Bei den 5 b-Bildungen in Oberitalien handelt es sich entweder um vollkommene Tiefdruckneubildung, um Vertiefung einer schon vorhandenen, orographisch oder andersartig entstandenen Depression oder drittens um Weiterleitung und Beschleunigung eines von Westen, Südwesten oder auch Süden anwandernden, an dieser Stelle umgebildeten Tiefs. In vorliegend ausgewählter Wetterlage treten die beiden ersten der genannten Möglichkeiten auf. Entscheidend für den Zeitpunkt der Vertiefung sind die Bewegung sowie der Augenblick des Eintreffens der Kaltluft an der Stelle der Zyklonenbildung; ihr
Weg führt in den meisten Fällen über Westeuropa (durch das Rhonetal) südwärts in den Golfe du Lion, unter Abschwächung auch quer über die Alpen südwärts. An Hand der 5 b-Periode vom 2,1.10. bis 7. 11.1941 soll gezeigt werden, in welch hohem Grade der Weg der Kaltluft, Herkunft, Abschwächung und Verstärkung sowie Art der Fortbewegung und vertikaler Aufbau für die Neubildung von entscheidender Bedeutung sind. Dafür haben neben der Bodenwetterkarte. die Karten der relativen Topographie sowie deren 24stündigen Änderungen als Maß der troposphärischen Temperaturänderungen sich als besonders zweckmäßig erwiesen. Schon Form und Aussehen des Kaltlufttropfens geben einen prognostischen Anhalt über seinen späteren Einfluß. Die Untersuchung ergab, daß die Kaltluft als möglichst eng begrenztes und über Mittel- dder Ostfrankreich als abgeschlossenes Zentrum in den Karten der relativen Topographie auftauchen oder auch als von Norden vorgeschobene Kaltluftzunge nach Südfrankreich, häufig auch vom Atlantik nach der Biskaya hin ausgreifend vorhanden sein muß. Bei Beobachtung seiner Zugrichtung ist die Ankunft im westlichen Mittelmeer sowie die damit einsehende Vertiefung und Fortbewegung des Tiefzentrums im voraus bestimmbar. Da jedoch das Zentrum des Kältegebietes häufig über Frankreich liegen bleibt, die Abkühlung aber tro^dem nadi Süden fortschreitet, ist neben der relativen Topographie noch die Beaditung ihrer 24stündigen Änderungen wichtig. II. Einteilung Die 5 b-Epocäie vom 21.10. bis 7 . 1 1 . 1 9 4 1 läßt sich in drei eigentliche 5 b-Lagen und drei Vor- und Zwischenepochen einteileij: 1. Vom 21. bis 23. ,10.: Vorwetterlage und Einleitung v mit Leetiefbildung südlich der Alpen.
235
2.
V o m 24. bis 26. 1 0 . : E r s t e , k l a r e 5 b-Entwicklung.
allerdings
nur
3.
27. bis 3 0 . 1 0 . : Zwischenepoche mit stürmischei 1 W e s t l a g e und v o r b e r e i t e n d e m K a l t l u f t z u f l u ß von Nordwesten her.
4.
3 1 . 1 0 . bis 2 . 1 1 . : zweite 5 b-Entwicklung.
5.
2. bis 4 . 1 1 . : Zwfschenepoche und E i n l e i t u n g .
6.
5. bis 7. 1 1 . : D r i t t e 5 b-Entwicklung.
mäßig
D i e E i n w i r k u n g des w a n d e r n d e n K a l t l u f t g e b i e t e s auf die Neubildung geht in allen drei F ä l l e n in verschiedener, jeweils a b e r charakteristischer F o r m vor sich: E r s t e E n t w i c k l u n g : D i e K a l t l u f t dringt am B o d e n und in der H ö h e gleichzeitig vom N o r d s e e r a u m h e r über F r a n k r e i c h ins westliche M i t t e l m e e r vor (häufigste Form). Zweite E n t w i c k l u n g : D i e K a l t l u f t dringt auf der Nordseite der Alpen ostwärts vor, w ä h r e n d W a r m l u f t über Südosteuropa nach N o r d e n v o r s t ö ß t , und f ü h r t zur Neubildung ü b e r U n g a r n (Scherhag'scher Alpenhochkeil). D r i t t e E n t w i c k l u n g : D i e K a l t l u f t fließt, ähnlich F a l l eins, ü b e r F r a n k r e i c h südwärts, ist j e d o c h nicht am B o d e n , sondern nur in h ö h e r e n T r o p o s p h ä r e n s c h i c h t e n zu e r k e n n e n . B e i allen drei Lagen ist der v e r t i k a l sehr mächtige und mit A u s n a h m e des 1. und 2. 1 1 . stationär b l e i b e n d e hohe D r u c k ü b e r dem O s t a t l a n t i k vorhanden, so daß der e r f o r d e r l i c h e K a l t l u f t z u f l u ß aus Norden immer gewährleistet ist. III. W e t t e r l a g e n a) D i e e r s t e vom
5 b - E n t w i c k l u n g
2 1 . b i s 26. 1 0 . 1 9 4 . 1
Als e i n l e i t e n d k a n n die auf der R ü c k s e i t e eines über dem F i n n e n b u s e n s t a t i o n ä r w e r d e n d e n ausgedehnten Sturmwirbels herrschende Rüdeseitenströmung gelten, die •am 2 1 . und 22. 10. auf d e r O s t s e i t e des ostutlantischcn Hochs aus W e s t n o r d w e s t bis N o r d n o r d o s t von Nordskandinavien h e r zufließt. Zwischen dem ostatlantischen Höhenhoch und 'einem am 2 3 . ü b e r Holland gelegenen, aus dem N o r d m e e r s t a m m e n d e n K a l t l u f l l r o p f e u e n t s t e h t über der Norniandie eine scharfe F r o n t a l z o n e m i t Nordwinden von 1 2 0 bis 1 5 0 k m h gemessen. I n i h r e m D e l t a liegt ü b e r O s t f r a n k r e i c h sowie über O b e r i t a l i e n ein 24stündiges F a l l g e b i e t von 1 0 m b . Gleichzeitig an der E n t s t e h u n g des oberitalienischen T i e f s vom 2 3 . mit K e r n d r u d e ,1005 m b ü b e r K o r s i k a m ö g e n L e e w i r k u n g der Alpen und K a l t l u f t z u f l u ß mit n o r d w e s t l i d i e n H ö h e n w i n d e n ins westliche M i t t e l m e e r hinein gleichermaßen beteiligt sein. D e n n die Radiosonde Marseille zeigt a n h a l t e n d e n T e m p e r a t u r r i i c k g a n g der T r o p o s p h ä r e an, indem die relative T o p o g r a p h i e der 5 0 0 m b - F l ä d i e am 21. 10. 5 5 2 d k m , am 2 2 . 5 4 6 , am 23. 5 4 1 d k m b e t r ä g t . J e d o c h ist dieses T i e f z e n t r u m vom 2 3 . noch kein 5 b - T i e f , weil der K ä l t l u f t t r o p f e n selbst noch ü b e r Holland liegt, die H ö h e n i s o b a r e n über dem M i t t e l m e e r west-ostwärts anstatt von Südwest n a d i Nordost g e r i d i t e t sind und noch k e i n e Höhendivergenz im M i t t e l m e e r g e b i e t ausgebildet ist. D i e s e V o r a u s s e t j u n g e n w e r d e n erst im L a u f e der Nacht zum 24. 10. erreicht, indem der K a l t l u f t t r o p f e n ü b e r O s t f r a n k r e i d i liegt, die K a l t f r o n t an der A. F . ü b e r S ü d f r a n k r e i c h und die P y r e n ä e n bis Mittelspanien v o r d r i n g t (die relative T o p o g r a p h i e sinkt in Marseille
236
i n n e r h a l b 2 4 S t u n d e n auf 5 2 7 d k m ab, gibt also einen m i t t l e r e n T e m p e r a t u r r ü c k g a n g der T r o p o s p h ä r e um 7 G r a d wieder) und ein n u n m e h r selbständiges Höhentief ü b e r den westlichen Alpen liegt. Gleichzeitig ist ü b e r Österreich und U n g a r n ein Niederschlagsgebiet vorhanden, das jedoch wegen schwacher L u f t m a s s e n gegensätje nur von geringer I n t e n s i t ä t ist. D a s Bodentief liegt mit zwei Z e n t r e n von j e 1 0 0 5 m b ü b e r K o r sika und der nördlichen Adria. Zwar ist die E n t s t e h u n g des 5 b - T i e f s am 2 3 . / 2 4 . nach den N o r m e n der 5 b-Bildung vor sich gegangen, jedoch e r m a n g e l t g e g e n ü b e r einer idealen Entwicklung die T a t s a c h e , daß d e r K a l t l u f t t r o p f e n am 24. f r ü h noch nördlich a n s t a t t südlich des Französinchen Z e n t r a l plateaus und der W e s t a l p e n liegt (Fig. 4). D a auch am 25. der T r o p f e n erst ü b e r d e m Z e n t r a l p l a t e a u liegt und sich sogar noch v e r k l e i n e r t , ist an beiden T a g e n k e i n e D i v e r g e n z in der südwestlichen Höhen-, Strömung, m i t h i n auch kein F a l l g e b i e t am B o d e n in fraglichem G e b i e t vorhanden. D i e schwache K a l t l u f t zunge sowie ein kleines H ö h e n t i e f am 2 6 . ü b e r Südf r a n k r e i c h sind zu schwach und für die V e r t i e f u n g bereits zu spät. Das oberitalienisdxe T i e f e r f ä h r t also nur geringen Bewegungsimpuls nach N o r d o s t e n und zieht, da auch kein genügender W a r m l u f t s t r o m aus dem Süden e i n s e h e n k a n n , im L a u f e des 2 5 . vom nördlichen M i t t e l m e e r r a u m ü b e r die B e s k i d e n mit schwachem Niederschlagsgebiet zum nördlichen P o l e n . D a m i t ist die Entwicklung schon abgeschlossen. D i e H a u p t r o l l e des W e t t e r g e s c h e h e n s ü b e r n i m m t in der Nacht zum 2 6 . bereits, ein starkes F a l l g e b i e t , das, vom N o r d m e e r rasch südostwärts ziehend, a m 26. f r ü h mit e i n e r 24stündigen T e n d e n z von — 2 5 m b ü b e r der inneren Ostsee liegt. E s zieht den E i n b r u c h frischer in. A. K . - M a s s e n nach M i t t e l e u r o p a nach sich, welche bis einschließlich 2 9 . 1 0 . den N o r d w e s t w e t t e r c h a r a k t e r für W e s t - u n d M i t t e l e u r o p a b e s t i m m e n . D i e s e r m . A . K . . Einbruch hat zur F o l g e , daß am 2 6 . gerade auf der Rückseite des ü b e r dem nördlichen P o l e n gelegenen R e s t - 5 b - T i e f s ein selbständiger K a l t l u f t t r o p f e n ,von 5 1 6 d k m r e l a t i v sowie ein H ö h e n t i e f zu liegen k o m m e n , das genetisch jedoch nidit dem 5 b - T i e f zuzuschreiben ist. E s e r t e i l t demselben lediglich noch einen neuen Impuls nach N o r d o s t e n , so daß dieses am 2 7 . b e r e i t s im Z e n t r a l t i e f des F i n n e n b u s e n s aufgegangen ist. Dies e r s t e T i e f der 5 b-Serie zeigt, inwieweit ungenügend e r f ü l l t e V o r b e d i n g u n g e n (Lage des K a l t l u f t t r o p f e n s nördlich, a n s t a t t südlich des Z e n t r a l p l a t e a u s , geringe B e w e g u n g der K a l t l u f t ) eine n u r u n v o l l k o m m e n e F o r t entwicklung zur F o l g e h a b e n . b) D i e
zweite
vom
5 b - E n t w i c k l u n g
30.10. b i s
2.11.1941
D i e Zwisclienepoche bis zur zweiten V e r t i e f u n g steht im Zeichen eines am 2 7 . im N o r d m e e r erscheinenden T i e f s , das am 28. und 2 9 . u n t e r m e r k w ü r d i g e n , h i e r nicht zu b e h a n d e l n d e n U m s t ä n d e n als S t u r m w i r b e l ü b e r D ä n e m a r k stationär b l e i b t . A u f seiner Südseite herrscht ü b e r W e s t - und M i t t e l e u r o p a bei Nordwestwinden i n n e r h a l b der m . G. A. und m. A. K . s t a r k veränderliches B ö e n w e t t e r . A m 3 0 . 10. läuft ein luftmassenmäßig nicht zu deutendes, als „tropischer S t u r m w i r b e l " bezeichnetes T i e f ü b e r dem östlichen B e l g i e n und F r a n k r e i c h nach Süden. A u ß e r f ü r eine Beschleunigung der K a l t l u f t z u f u h r ist sein B e i t r a g f ü r die 5 IiB i l d u n g von geringer B e d e u t u n g . F ü r die Ausgangsw e t t e r l a g e sind diese T a g e jedoch entscheidend; erstens
entsteht mit dem k r ä f t i g e n Z u s t r o m der m. A. K . aus N o r d w e s t e n eine von Südskandinavien nach Ostfrankreich reichende K a l t l u f t z u n g e , die am 30. 10., dem V o r t a g e der eigentlichen 5 b-Bildung über Süddeutschland zum selbständigen K a l t l u f t t r o p f e n wird und steuerndes Höhentief bis zum 6 . 1 1 . (!) bleibt; zweitens v e r t i e f t sich wiederum im L e e der Alpen ein altes Resttief am 27.. das jedoch ebenfalls wie das Leetief vom 23. 10. seine E n e r g i e aus einer Höhenwinddivergenz über Frankreich erhält. E i n e E n t s t e h u n g dieses L e e t i e f s nach A r t der 5 b k o m m t aus dem G r u n d e hier nicht in Betracht, weil im unteren Rhonegebiet weder B o d e n f r o n t e n passieren noch Ä n d e r u n g e n der relativen T o p o g r a p h i e eintreten. Dieses oberitalienische Tief pendelt in der Zeit vom 27. bis 30. südlich der Alpen hin und her. E s e r f ä h r t durch Geländewirkung (orographische Randwirbelbildung an den Westalpen) begünstigt am 30. eine V e r t i e f u n g auf 9 9 5 mb, indem mit einer auf der Westseite der Alpen bis Spanien vordringenden frischen m. A. K.-Staffel troposphärische Abkühlung von 4 G r a d im Mittel eintritt (relative T o p o g r a p h i e Marseille am 29. 532 d k m , am 30. 524 dkm). E s sei jedoch ausdrücklich d a r a u f hingewiesen, daß dieses Tief seiner E n t s t e h u n g nach noch keine 5 b-Eigenschaften hat. D a s erhellt auch daraus, daß noch bis 19 U h r das Tief nahezu unverändert über Oberitalien verharrt. In der H ö h e haben sich jedoch am 30. alle Vorbedingungen so eingestellt, daß in der Nacht zum 31. das Tief 5 b-Eigenschaften erhält, indem es durch K a l t l u f t von der N o r d s e i t e der Alpen her plötylich Bewegungsimpuls nach N o r d o s t e n e m p f ä n g t und rasch über Ungarn (3,1. früh) und Sachsen (1. 11.) in Richtung Mittelrußland zieht. D e n Anstoß zu dieser Entwicklung gab die A n k u n f t eines K a l t l u f t t r o p f e n s aus N o r d n o r d w e s t vor den Alpen. Mit diesem Augenblick setjt d i e V e r t i e f u n g ähnlich den 5 b-Bildungen auf der O s t Seite der Alpen ein, wie sie S c h e r h a g " ) beschrieben hat. A m Morgen des 30. 10. liegt der aus N o r d n o r d w e s t zugewanderte K a l t l u f t t r o p f e n auf der Nordseite der Alpen, ihm entspricht in der B o d e n w e t t e r k a r t e der über den Alpen von West vordringende Hochdrudckeil im Sinne Scherhags. Auch zeigt die relative T o p o g r a p h i e über U n g a r n und Polen bereits eine k r ä f t i g e D i v e r g e n z der Isot h e r m e n an. D a der K a l t l u f t t r o p f e n jedoch wider Erw a r t e n bis zum 31. 10. keine wesentliche V e r l a g e r u n g e r f ä h r t (Figur 1), muß als Maß f ü r die troposphärischen T e m p e r a t u r ä n d e r u n g e n zum V e r s t ä n d n i s der 5b-Vert i e f u n g die 24stündige Ä n d e r u n g der relativen Topographie herangezogen werden. Hier zeigt sich nun lediglich in Oberitalien eine Abkühlung von 4 Grad, über Ostdeutschland, B ö h m e n und U n g a r n mit der aus Südost vordringenden W a r m l u f t jedoch E r w ä r m u n g mit m a x i m a l 4 G r a d über den B e s k i d e n und über D r e s d e n . D i e s e beiden T e m p e r a t u r ä n d e r u n g s g e b i e t e reichen aus, um am 31. auf der Ostseite des westdeutschen Höhentiefs eine D i v e r g e n z der Isothermen sowie der Höhenisobaren (Figur 1) entstehen zu lassen, innerhalb deren das Zentrum eines dreistündigen Fallgebietes von 3 mb über B ö h m e n liegt. D i e s e m gleichzeitigen Zusammenwirken von E r w ä r m u n g über dem K a r p a t h e n raum und der Abkühlung in Oberitalien ist die Beschleunigung des T i e f s auf der Zugstraße 5 b zuzuschreiben. D i e s e r V o r g a n g weicht von den durch
*) R. Scherhag, Die Entstehung der 5 b-Depressionen. Ann. Hydr. und marit. Meteor. XIV. Jahrgang Köppenbeiheft.
S c h e r h a g geschilderten F ä l l e n insofern ab, als die K a l t l u f t am A l p e n n o r d r a n d infolge starker V e r r i n g e r u n g der Geschwindigkeit nicht mehr ostwärts v o r a n k o m m t , sondern ein Teil der K a l t l u f t sogar die Alpen in Richtung Mittelitalien überschreitet (Abkühlung um 4 Grad). Diese Verzögerung hat eine b e d e u t e n d e Abschwächung cler 5 b-Vertiefung zur Folge. Dies ändert jedoch nichts an den Grundlagen der B i l d u n g nach S c h e r h a g . Jedoch wird auch aus diesem zweiten Fall ersichtlich, in welcher Weise j e d e Abweichung vom Idealfall auf die Zyklogenese h e m m e n d wirkt. V o n dem Tief über U n g a r n spaltet sich am 31. gleichzeitig ein eigenes Zentrum, eine umgebogene Okklusion mit sich f ü h r e n d , ab und liegt am l . , l l . über Sachsen, ein ausgedehntes Niederschlagsgebiet über Nord- und Westdeutschland h e r v o r r u f e n d . Am 2. 11. liegt es bereits ü b e r dem oberen D n j e p r bei fortschre tender B e w ö l k u n g s a u f l o c k e r u n g über Mitteleuropa (vgl: auch den l e g t e n Abschnitt des Aufsatzes!). c) D i e
dritte
5b-Entwicklung
v o m 1. bis
7.11.1941
Die als letzte der drei Neubildungen dieser Epoche zu beschreibende Zyklogenese vom 4./5..11. ist ein Sonderfall der weitaus am häufigsten v o r k o m m e n d e n F o r m e n , wobei der K a l t l u f t t r o p f e n nicht am N o r d r a n d der Alpen in östlicher Richtung, sondern durch das Rhonetal südwärts ins westliche Mittelmeer zieht. D i e A u s g a n g s w e t t e r l a g e ist durch den Abzug des vorangegangenen zweiten 5 b-Tiefs der Serie gegeben, das am 31. 10. bis 1. 11. von U n g a r n über Polen wanderte. Auf dessen Rückseite liegt am 1. 11. ein Gebiet 24stündiger mittlerer T e m p e r a t u r a b n a h m e (Änderung der relativen T o p o g r a p h i e 500 mb) über ganz Südosteuropa (Figur 1), sein Z e n t r u m von 8 G r a d über Bulgarien. E s ist l e g t e n E n d e s wiederum als ursächlich f ü r die k o m m e n d e Neubildung am 5. 11. anzusehen. Voraussetjungen sind f e r n e r das mit dem troposphärischen K a l t g e b i e t z u s a m m e n f a l l e n d e , am 29. 10. mit dem nordwesteuropäischen Sturmtief hergewanderte und über Süddeut6chland stationär gewordene Höhentief von 520 d k m (Figur 1), die südwestliche Höhenströmung über dem östlichen Mittelmeer, f e r n e r die flache Tiefdruckverteilung am B o d e n über d e m 'Mittel-
Fig. 1. Absol. Topogr. 500 mb und Fallgebiete 31. X. 0 5 » , sowie punktiert 24stdg, Änderung der rel. Topogr. 1 0 0 0 - 5 0 0 inb 31. X. —1. XI.
237
m e e r r a u m sowie der hohe Druck über dem Ostatlantik und Südskandinavien, der bis zum 5. 11. bestehen bleibt. Bei dieser Ausgangswetterlage war eine dritte 5 bEntwicklung zu erwarten, jedoch war der Zeitpunkt der Neubildung nach dem 2. 11. aus B o d e n a n a l y s e und T o p o g r a p h i e allein prognostisch nicht zu ersehen. Die B o d e n w e t t e r k a r t e zeigt vom 1. bis 4. 11. bei schwachem nordsüdlichen D r u c k g e f ä l l e f ü r Mitteleuropa trübes, vielfach nebeliges Wetter mit geringen Änderungen. D e r am 1. 11. über Süddeutschland gelegene troposphärische K a l t l u f t t r o p f e n von 512 d k m relativ, von dessen V e r l a g e r u n g die dritte 5 b-Entwicklung erwartet wird, liegt am 2. 11. über Sachsen und bewegt sich, der allgemeinen S t r ö m u n g folgend, von dort nach W e s t e n ; liegt am 3. f r ü h , mit dem Höhentief annähernd z u s a m m e n f a l l e n d , über dem P l a t e a u von L a n g r e s . Schon am nächsten T a g können die Vorbedingungen zur 5 b-Bildung: K a l t l u f t durchs Rhonetal im Golf von Genua einfließend und dadurch bedingte D i v e r g e n z der Höhen6trömung über Norditalien und Ungarn, erwartet werden. D e r K a l t l u f t t r o p f e n verringert jedoch "infolge eines am 3./4. über der N o r m a n d i e an einer Bodenkonvergenz entstehenden T i e f z e n t r u m s seine Geschwindigkeit und liegt am 4. f r ü h , allerdings um 4 dkm v e r t i e f t , nur wenig nach Westen hin verlagert, in der N ä h e von P a r i s . D a s Höhentief hat sich, d e m Druckfall am B o d e n folgend, sogar weiter nach Nordwesten verschoben. B e i flüchtiger Betrachtung der absoluten T o p o g r a p h i e a l l e i n k ö n n t e man schon am 4. 11. f r ü h eine Isobarendivergenz und damit Druckfall über Oberitalien-Dalmatien vermuten. D a dies noch nicht der F a l l ist, muß also außerdem auch die Bewegung des troposphärischen K a l t g e b i e t e s sowie auch die L a g e des H ö h e n t i e f s ausschlaggebend sein. Die V e r z ö g e r u n g des K a l t l u f t t r o p f e n s ü b e r Mittelfrankreich hat die Zyklogenese nur u m k n a p p einen T a g verschieben k ö n n e n : In der Nacht zum 5. tritt rasch V e r t i e f u n g des B o d e n d r u c k e s und die E n t s t e h u n g
Fig. 3
Absolute Topographie 500 mb und Fallgebiete 5. XI. 1941 05) Leipzig S 3,
Sonnenschein
Bewölkung
w i e s e n v o r allem der N W - T e i l der Z o n e i n f o l g e der dort s t ä r k e r e n A u s w i r k u n g der S t ö r u n g e n , die H ö h e n lagen der R h ö n und des T h ü r i n g e r W a l d e s sowie, der ^rzgebirgs] zu 1 3 0 m m auf. Verglichen m i t d e n 4 0 j ä h r i g e n Mittelw e r t e n fielen i m N o r d e n der Z o n e 9 0 bis 1 5 0 , sonst m e i s t 6 0 bis 9 0 °/o. D i e T a g e mit Niederschlag vert e i l t e n sich f a s t ausschließlich auf die erste und dritte Monatsdekade. D e r m e ß b a r e Niederschlag fiel im N o r d e n an 13 bis 16 Tagen, also relativ häufig. D i e Zahl der N i e d e r s c h l a g s t a g e n a h m aber im a l l g e m e i n e n w e i t e r nach S ü d e n bis auf 10 ab.
S e e n p l a t t e ein, w o die 2 bis 4 zu tief und die 4 bis 5 zu hoch lag.
Zahl der
heiteren Tage um
Zahl der
trüben
Tage
um
D i e S o n n e n s c h e i n d a u e r wies mit 1 8 0 bis 2 3 0 Stund e n und 4 0 bis 55 °/o der täglichen D a u e r sehr h o h e B e t r ä g e auf. D e r v e r s t ä r k t e Störungseinfluß i m N W Teil der Z o n e ließ es im Bereich der mecklenburgischen S e e n p l a t t e auch hinsichtlich des Sonnenscheins nur zu einer Summe von etwa 180 Stunden kommen.
Die Sonnensciheindauer im April 1947
D i e g r ö ß t e n R e g e n m e n g e n fielen im N o r d e n der Zone v o r w i e g e n d am 7. und 9., im übrigen G e b i e t m e i s t am 9. und 29.
Station
D u r c h die l a n g a n h a l t e n d e h e i t e r e W i t t e r u n g in der z w e i t e n A p r i l d e k a d e blieb der B e w ö l k u n g s b e t r a g im ü b e r w i e g e n d e n Teil der Z o n e u m w e n i g e H u n d e r t s t e l , im westlichen m i t t e l d e u t s c h e n Flachland, i m Harz und im Erzgebirgsbereich sogar u m ein Z e h n t e l u n t e r n o r m a l . U n g ü n s t i g e r e B e w ö l k u n g s v e r h ä l t n i s s e herrschten in der mecklenburgischen S e e n p l a t t e vor. D i e Zahl der h e i t e r e n T a g e schwankte u n e i n h e i t l i c h s o w o h l nach der p o s i t i v e n als auch nach der n e g a t i v e n Seite u m d e n M i t t e l w e r t , die Zahl der t r ü b e n Tage war vorwiegend unternormal. Eine eindeutige Ausnahmes t e l l u n g n a h m auch hier w i e d e r die mecklenburgische
Boltenliugen Wittenberge Angermünde Wall Potsdam Schierke Quedlinburg Halle Dresden-Wahnsdorf Erfurt/West Sonneberg Fichtelberg
in Stunden
in vH. der n ögl Duuer
181,0 205,6
43 49
-
224,8 211,8 197,1 220,6 216,9 201,7 203,6 196,2 190,9
Abweichung in Sid v d. normalen
_ -
-
54
-
51 48 53 49 48 48 48 46
- 52,8 -
-
79,6 51,9 69,7 56,6 -
- 91,9
Polarlichter am 18. und 29. September 1946 Beobachtungsort: Schneekoppe,
h = 1605 m
NN.
U m 19'/=h b e m e r k t e ich am N N E - H o r i z o n t eine starke A u f h e l l u n g , die langsam stärker w u r d e . G e g e n 2 0 h 1 0 m k o n n t e in N W z N ein w e i t e r e r Strahlungspunkt festgestellt werden. Von ausgesprochener S t r a h l e n b i l d u n g k o n n t e nichts g e s e h e n w e r d e n . Erst u m 2 1 h 4 0 m setjte in N N E z E schmalstrahliges Leuchten ein, d e m der a n d e r e H e r d in N W u m 22 h 0' n f o l g t e . I n n e r h a l b z e h n M i n u t e n e n t w i c k e l t e sich dieses Polarlicht zu e i n e m „ g r a n d i o s e n P h ä n o m e n " , w i e es i n m e i n e m p r i v a t e n Tagebuch heißt. D i e Strahlen w a r e n außerordentlich f e i n , f a s t l i n i e n f ö r m i g , u n d nur in e i n z e l n e n T e i l e n erschienen sie g e b ü n d e l t . V o r allem aus diesen B ü n d e l u n g e n schössen sehr schnell e i n z e l n e Strahlen bis f a s t z u m S c h e i t e l p u n k t e m p o r . Bem e r k e n s w e r t war ein selbst der interessiert m i t b e o b achtenden polnischen B e s a ß u n g s w a c h e auffallender W e l l e n v o r g a n g innerhalb der l e u c h t e n d e n M a t e r i e : L e u c h t e t e z. B. der l i n k e Teil des N N E - S e k t o r s stark auf, war rechts d a v o n f a s t k e i n L e u c h t e n festzustellen. Nach u n g e f ä h r e i n e r halben M i n u t e leuchtete dieser rechts benachbarte Teil auf, w ä h r e n d die Strahl e n des links d a v o n befindlichen g e w i s s e r m a ß e n in sich z u s a m m e n f i e l e n u n d an L e u c h t k r a f t bis auf ein k a u m e r k e n n b a r e s M i n i m u m nachließen. So setjte sich dieser V o r g a n g f o r t bis z u m D u r c h l a u f e n des g a n z e n l e u c h t e n d e n Teiles. Es war ein d a u e r n d e s Hochschießen der Strahlen und Z u s a m m e n f a l l e n , „Zurückkriechen".'. D e r a k t i v e r e T e i l w a r der N N E - S e k t o r , w ä h r e n d der N W - H e r d seine Strahlen nicht so w e i t hinaufschickte.
284
D i e v o n links nach rechts gerichtete, nach D u r c h l a u f e n w i e d e r v o n v o r n b e g i n n e n d e W e l l e n b i l d u n g w a r auch hier deutlich zu b e o b a c h t e n . — D i e F ä r b u n g des Polarlichtes w a r grünlich-bläulich. — U m 2 2 h 1 5 m h a t t e die L e u c h t k r a f t scheinbar ihr M a x i m u m überschritten. — L e i d e r k o n n t e die E r s c h e i n u n g nicht bis z u m E n d e b e o b a c h t e t w e r d e n , da bei s t a r k e m B a r o m e t e r f a l l u m 2 2 h 1 5 m dicker N e b e l bei s t a r k e m Sturm a u f k a m . B e i der u m 2 l l 1 5 m a n z u s t e l l e n d e n synoptischen B e o b a c h t u n g w u r d e am 29. 9. 1 9 4 6 ein m ä ß i g starkes Nordlicht f e s t g e s t e l l t , das v o n N bis f a s t nach N E z E reichte. Es glich e i n e m Leuchtschirm, der nach o b e n hin, vor allem an d e r l i n k e n B e g r e n z u n g , b ä n d e r a r t i g e Strahlen aussandte. D i e Erscheinung war gut ausgeprägt u n d h a t t e das M a x i m u m der L e u c h t i n t e n s i t ä t g e g e n 2 h 5 0 m , w o d i e Strahlen bis h = 4 0 ° heraufreichten. V o n dieser Zeit an w u r d e das L e u c h t e n sehr rasch schwächer, und u m 3 h k o n n t e nichts m e h r b e m e r k t w e r d e n . — D i e F ä r b u n g w a r rötlich-gelblich, auf das E n d e zu ausgesprochen orange. — Z e i t e n alle in MEZ. Alle A n g a b e n m u ß t e n an H a n d des P r i v a t t a g e b u c h e s gemacht w e r d e n , da sämtliche ausführlichen Beobachtungsunterlagen verlorengingen. B e o b a c h t e r : Kurt Glaß und E. N e u m a n n . Anschrift des Pfefflingerstr. 27.
Verfassers:
K. GlalS,
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