Wissenschaftliche Ergebnisse der deutschen atlantischen Expedition auf dem Forschungs- und Vermessungsschiff “Meteor” 1925–1927. Teil 1, Lieferung 3 Die Höhenwinde über dem tropischen und südlichen Atlantischen Ozean (Messungen der Deutschen Seewarte bis 1939 eingeschlossen), Lieferung 3, Abschnitt C, Kap. I–III: Besprechung der Ergebnisse. Die Luftströmungen über dem Tropischen Atlantik 9783111472829, 9783111105956

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WISSENSCHAFTLICHE ERGEBNISSE DER DEUTSCHEN ATLANTISCHEN EXPEDITION AUF DEM FORSCHUNGSUND VERMESSUNGSSCHIFF »METEOR« 1925-1927 HERAUSGEGEBEN IM AUFTRAGE DER DEUTSCHEN FORSCHUNGSGEMEINSCHAFT VON A. DEFANT BAND XVI — E R S T E R T E I L

ERGEBNISSE DER AEROLOGISCHEN BEOBACHTUNGEN

DIE HÖHENWINDE ÜBER DEM TROPISCHEN UND SÜDLICHEN ATLANTISCHEN OZEAN ( M E S S U N G E N D E R D E U T S C H E N S E E W A R T E B I S 1939 E I N G E S C H L O S S E N )

D R I T T E L I E F E R U N G : A B S C H N I T T C, K A P I T E L I—HI

BESPRECHUNG DER ERGEBNISSE DIE LUFTSTRÖMUNGEN ÜBER DEM TROPISCHEN ATLANTIK VON

ERICH KUHLBRODT MITGLIED DER EXPEDITION M I T 40 T E X T A B B I L D U N G E N U N D n T A F E L N

BERLIN i960

WALTER

DE

GRUYTER

&

C O .

VORMALS G. J . GÖSCHEN'SCHE VERLAGSHANDLUNG—J. GUTTENTAG, VERLAGSBUCHHANDLUNG — GEORG REIMER — KARL J . TRÜBNER — VEIT & COMP.

Gedruckt

mit

UnterntQtznng

der

Deutschen

Foryphungsgemeinachaft

INHALT 1. Allgemeines

^

j . Vorbemerkungen

169

2. Zur Bodenwind-Klimatologie vom tropischen Atlantik

170

3. Höhenwindmessungen von afrikanischen Küstenstationen in 210 bis 8° N-Breite

174

II. Struktur der Luftströmungen über unseren „Stützpfeilern" Bathurst-Hafen und Seegebiet Fernando Noronha 1. Vorbemerkungen und ergänzende Diagramme

177

2. Teste über Abhängigkeit der Ergebnisse von der Zahl der Beobachtungsfälle

180

3. Zonalströmung in der Troposphäre

183

a) Ostströmung

183

b) Westströmung in der oberen Troposphäre

186

c) Jahreszeitlich West in der Grundschicht

186

4. Meridionalströmung in der Troposphäre

187

5. Richtungsquadranten und Skalar-Geschwindigkeit in der Troposphäre

187

6. Strömung an der Tropopause und in der unteren Stratosphäre

190

7. Beständigkeit der Luftströmungen

199

III. Struktur der Luftströmungen über der Tropenzone des Ozeans in regionaler Betrachtung 1. Ergänzende graphische Darstellungen

202

2. Die tropische Ostströmung (Urpassat)

208

a) Räumliche Ausdehnung des Urpassates

208

b) Mittlere und extreme Windgeschwindigkeiten im Urpassat

213

3. Regional jahreszeitlich West in der Grundschicht

216

4. Die tropische Westströmung der oberen Troposphäre

217

a) Räumliche Ausdehnung

217

b) Mittlere und extreme Geschwindigkeiten

219

5. Meridionalströmung in der Troposphäre

220

6. Beständigkeit der troposphärischen Strömungen

230

7. Strömung in der Tropopause-Schicht und in der unteren Stratosphäre

233

Literatur

237

Tabellen

238

© Copyright i960 by W A L T E R DG G R U Y T E R Äe CO., vormals G . J. Göschen'sche Verlags handlung — J. Gutteotag, Verlagsbuchhandlung — Georg Reimet — Karl J. Trübner — Veit & Comp., Berlin W 3j — Alle Rechte, a u c h die des auszugsweiseo Nachdruck», dar photomecbaoisch-in Wiedergabe, des Herstellung Ton Mikrofilmen und der Übersetzung, vorbehalten — Archiv-Nr. 940460 — Printed in Germany — Satz: Walter de Gruytcr & Co. Berlin W JJ — Druck: Günther & Sohn, Berlin SW 11

Abschnitt C B e s p r e c h u n g der E r g e b n i s s e Die Luftströmungen übet dem tropischen und südlichen Atlantik von E r i c h K u h l b r o d t , Hamburg

I. Allgemeines i.

Vorbemerkungen Die in den A b s c h n i t t e n A u n d B statistisch aufbereiteten H ö h e n w i n d - D a t e n seien nunmehr

zusammenfassend und mit E r g ä n z u n g e n näher besprochen. E s gilt, die H a u p t l u f t s t r ö m u n g e n n a c h den gefundenen q u a n t i t a t i v e n Merkmalen zu charakterisieren. Hierbei können nur die H a u p t m e r k m a l e beschrieben w e r d e n ; doch es werden vielseitige graphische Darstellungen gegeben, aus denen auch so manche Einzelheiten v o n Interesse abzulesen sind. W i e früher schon betont, ist unser abgeleitetes Material so dargeboten worden, wie es die jeweils v e r f ü g b a r e n Messungen direkt ergeben. P i l o t b e o b a c h t u n g e n v o n Schiffen in F a h r t können kein nach R a u m u n d Zeit systematisches Material erbringen. Dieses Unsicherheitsfaktors m u ß m a n sich b e w u ß t sein, das gilt besonders f ü r die großen Höhen, in denen die Zahl der B e o b a c h t u n g e n gering wird. E s sind in den Tabellen die jeweilige Z a h l der Beobachtungsfälle (und die W e r t e der Beständigkeit) stets angegeben worden. Hiernach u n d weiter aus d e m Vergleich der D a t e n der b e n a c h b a r t e n Felder untereinander erhält man A n h a l t e darüber, inwie weit die D a t e n als repräsentativ angesehen w e r d e n können. V o n den insgesamt über 7000 A u f s t i e g e n im Bereich des A t l a n t i s c h e n Ozeans südlich v o n 20°-Nordbreite entfallen auf die T r o p e n 20° N — 2 0 ° S allein e t w a 6000 Aufstiege. F ü r die südlichen Subtropen 20°—35 0 S stehen 700 A u f s t i e g e zur V e r f ü g u n g , f ü r die höheren südlichen Breiten noch 400. V g l . A b b . 2 und 3 in A b s c h n i t t A . D a s Schwergewicht des Materials liegt also g a n z überwiegend in der tropischen Zone. A u f diese richten wir daher v o r allem unser A u g e n m e r k . D a d u r c h , daß es möglich wurde, die zahlreichen v o n der Seewarte bis z u m Jahre 1939 in den niedrigen Breiten erhaltenen Höhenwindmessungen in die V e r a r b e i t u n g einzuschließen, gewinnen unsere D a t e n zur q u a n t i t a t i v e n K e n n t nis der L u f t s t r ö m u n g e n über dem tropischen A t l a n t i k an aktuellem W e r t . In der Tropenzone, über See, sind die Nachteile der optischen Ballonvisierung (daß die erreichten H ö h e n abhängig sind v o n Windgeschwindigkeit und B e w ö l k u n g ) deutlich weniger w i r k s a m als in höheren Breiten. D e n n in den T r o p e n ist die Windgeschwindigkeit u n d d a m i t A b t r i f t des Ballons meist nur mäßig, und durch die günstige S c h i c h t u n g in der R i c h t u n g der L u f t s t r ö m u n g e n wird das Anvisieren des Ballons gefördert. D e r stets b e n u t z t e Spiegeltheodolit (vgl. Meteorb a n d X V ) erleichtert z u d e m bei der auf See meist »gebrochenen« B e w ö l k u n g das W i e d e r a u f f i n d e n des Ballons nach vorübergehendem Verschwinden hinter Einzelwolken. D a h e r konnten hier relativ o f t große H ö h e n erreicht w e r d e n ; und die Gefahr, durch systematische Fehler ein selektives Bild zu b e k o m m e n , ist hier vermindert. D. A . E. »Meteor«

925/27. B d . X V I ,

1

23

170

Besprechung der Ergebnisse

Vor allem aber ist ja das tropische Ozeangebiet allgemein ausgezeichnet durch relativ hohe Beständigkeit seiner großräumigen Luftbewegungen. Unsere Ergebnisse zeigen, wie weitgehend die mittleren Windwerte unabhängig sind von der jeweiligen Anzahl der Beobachtungen, und wie gut sich auch »Stichproben« dem großen Bilde einfügen. Es sei darauf hingewiesen, daß durch den Verfasser schon einige Teilergebnisse der Höhenwindmessungen veröffentlicht wurden, auf die hier gelegentlich Bezug genommen werden wird; siehe im Literaturverzeichnis (am Ende von Kap. III) die Nummern (i) bis (8).

2. Z u r B o d e n w i n d - K l i m a t o l o g i e v o m t r o p i s c h e n A t l a n t i k Zur Orientierung über Lage, Aufteilung und jahreszeitliche Verschiebung der typischen Bodenwind-Gebiete des tropischen Seegebiets 20° N—20° S dienen die Abbildungen 30—34. Diese sind zusammengestellt nach Angaben in maritim-klimatologischen Atlanten auf Grund der allgemeinen Beobachtungen der Schiffe. Auf den Tropenraum wirken drei Aktionszentren der Luftdruckverteilung ein, die beiden ozeanischen Hochdruckgebiete mit Kern in den Subtropen bei etwa 30° N und 30° S sowie der äquatornahe Tiefdrucktrog, mit jahreszeitlicher Veränderung der Lage. Eine großzügige Unterrichtung von der Richtung der vorherrschenden Bodenwinde, angeordnet in Stromlinien-Form, gibt Abb. 30 nach H. Markgraf in (9), für Januar und Juli (nach Zweigradfeld-Mittelwerten). Mit Annäherung an den innertropischen Drucktrog nehmen die Passate an Geschwindigkeit und Beständigkeit rasch ab. Die in Abb. 30 gestrichelt eingezeichnete Grenze zwischen den Passaten bzw. (im Nordsommer) zwischen Passat und afrikanischem Monsun entspricht der Achse der gar nicht so schmalen intertropischen Convergenz-Zone (ITC), der den Ozean überspannenden Doldrum-Zone (Gürtel der Mallungen), siehe Abb. 31 nach (10) und (11). Es ist für die Beurteilung unserer statistisch gemittelten Höhenwindmessungen in den einzelnen Feldern und verschiedenen Jahreszeiten erforderlich, sich darüber zu orientieren, ob das betreffende Feld in den betreffenden Monaten im Bereich oder wie weit entfernt von der mittleren ITC liegt. Abb. 32 gibt die aus den langjährigen allgemeinen Schiffsbeobachtungen be-

171

Allgemeines

stimmte mittlere monatliche Lage der ITC-Achse, wie sie vom Verfasser zunächst in (12), dann für den östlichen Teil des Ozeans genauer in (13) für Zweigradfelder ermittelt wurde. Abb. 32 a zeigt, wie sich die ITC-Achse vom März (südlichste Lage) bis zum August (nördlichste Lage) von Monat zu Monat nordwärts verlagert, Abb. 32b die monatliche Wanderung südwärts vom August bis zum März. Die ITC, als meteorologischer Äquator, liegt auf der Nordhemisphäre (nur nahe der südamerikanischen Küste kreuzt sie im März—April etwas den geographischen Äquator), und verläuft im allgemeinen von WSW nach E N E . Die Kapverdischen Inseln einerseits und Insel Fernando Noronha andererseits bleiben außerhalb des Streubereichs der mittleren ITC.

Dieser Streubereich, der breitenmäßig etwa 12 0 (1300 km) im Durchschnitt umfaßt, läßt sich auf drei Bänder verteilen, in denen sich die mittlere ITC-Achse je 4 Monate aufhält: im ozeanischen Hoch- und Spätsommer einerseits, im Hoch- und Spätwinter (nordhemisphärisch) andererseits bestehen zwei schmale Bänder mit geringer ITC-Verlagerung, und in den Übergangs] ahreszeiten das doppelt so breite Band, das die ITC zweimal im Jahre in je 2 Monaten, also mit rascher Verlagerung durchläuft; siehe Abb. 32c. H. J . Bullig (14) gibt für den Längengrad 30° W die in Abb. 33 großzügig wiedergegebene jahreszeitliche Änderung des Basis-Windsystems. Für Testfeider (Zusammenfassung einiger Eingradfelder) werden von ihm die Daten der mittleren Bodenwind-Faktoren im Jahreslauf angegeben (dazu auch der Bewölkung und Temperatur des Oberflächenwassers); hiervon sind in Abb. 34 diejenigen der äquatornahen Breiten bei 30° Westlänge zusammengestellt. ® ist Richtung des mittleren Windvektors, ö seine Geschwindigkeit, v ist skalare Geschwindigkeit, Best. die Beständigkeit der Luftversetzung = - - i n % . v Man vergleiche die Werte von Abb. 34 mit der jeweiligen Lage der ITC in Abb. 32. Im Testfeld um 4° S (32 0 W), nahe der Insel Fernando Noronha, weht der Südostpassat das ganze J a h r über aus gleicher Richtung, aber seine Geschwindigkeit und seine Beständigkeit haben einen deutlichen jährlichen Gang: in den Monaten Februar—März—April, wenn die ITC ihre südlichste Lage dicht am geographischen Äquator hat, hat die Geschwindigkeit des Passates ein Minimum, und sein Beständigkeitswert, der von Mai bis Januar > 90% ist, sinkt jetzt deutlich ab. 23*

Besprechung der Krgebnisse

5°

•0°

S 5° b) südwärts von August bis März

Abb. 32. Wanderung der Achse der intertropischen Convergenz-Zone (ITC) im Jahreslauf

173

Allgemeines

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5' N

S

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X

\

Zeitschnitt:

Jahreszeitliche

\

Änderung

des Windsystems in Äquatornähe

bei 30° Westlänge, nach den

Schiffsbeobachtungen

Abb. 33. ^SJ32TW) I

III

V

VII IX

1

m

v

vii

ix

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I I

xi

11

III

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(3(fW)

(2B°W)

V

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XI

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III

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1 1

111

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VII

IX

XI

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ix ju ITC

tre

Abb. 34. Jahresgang der mittleren Bodenwindfaktoren (dazu der Bewölkung und Wassertemperatur) für drei Testfelder der inneren Tropen

Testfeld um i°-N (30° W) liegt von Februar bis April direkt im Bereich der ITC, mit 5) = E N E schon etwas nördlich der Achse bei vorherrschend Nordostpassat, aber mit geringer Windgeschwindigkeit und Beständigkeit. In den anderen Monaten liegt es südlich der ITC im Bereich

174

Besprechung der Ergebnisse

des Südostpassates, der den Äquator überströmt hat und von Juni bis Dezember über 90% beständig ist. Testdeld um 7° N (28° W) hat umgekehrten Jahresgang: in den Monaten Dezember bis Mai liegt die ITC in gutem Abstand südlich von ihm, es hat somit frischen NE-Passat mit > 90% Beständigkeit. Im Juni/Juli und im Oktober/November, also zweimal im Jahr, wird dieses Feld

Abb. 35. Prozentuale Häufigkeit der Winde für o—4 km Höhe an afrikanischen Kiistenorten —

Winde aus östlicher Richtung (NE + E + SE)

Winde aus westlicher Richtung (NW -f- W -f SW)

von der wandernden ITC gekreuzt mit Windumsprung, geringer Beständigkeit und geringer Luftversetzung. Im Hoch- und Spätsommer, wenn die ITC sich nördlich vom Testfeld befindet, liegt dieses im Bereich der aus dem SE-Passat her umgebogenen SW-Strömung mit Wiederzunahme an Geschwindigkeit und Beständigkeit. Bei unseren für die einzelnen Fünfgradfelder der inneren Tropen ermittelten Höhenwindwerten wird auf die Auswirkung der jahreszeitlichen Änderung des Windsystems zu achten sein, auf die jeweilige Lage der ITC-Zone relativ zum betrachteten Feld. 3. H ö h e n w i n d m e s s u n g e n v o n a f r i k a n i s c h e n K ü s t e n s t a t i o n e n in 2 1 ° b i s 8° N - B r e i t e Wie aus Abb. 32 ersichtlich, werden die Küstenorte von Dakar bis Monrovia zu bestimmter Jahreszeit vom meteorologischen Äquator überwandert. Auf Grund der in (15) für o—4 km Höhe enthaltenen Wind-Daten (dortige Tabelle V), die auf Beobachtungen des »Service Météorologique de l'Afrique Occidentale Française, Dakar« zurückgehen, entwarfen wir die Abbildungen

175

Allgemeines

35 und 36. Die Messungen stammen aus 1936—38, für Freetown aus 1940—45. Für 6 Küstenstationen zwischen 21 0 —8° N-Breite wird hier zweimonatsweise die Häufigkeit der Höhenwinde dargestellt, getrennt für zonale (Ost—West) und meridionale (Nord—Süd) Bewegung, als prozentualer Anteil von allen Windbeobachtungen. Dort, wo die westlichen Winde häufiger sind als die östlichen (Abb. 35) und dort, wo die südlichen häufiger sind als die nördlichen (Abb. 36),

Abb. 36. Prozentuale Häufigkeit der Winde für o—4 km Höhe an afrikanischen Küstenorten Winde aus nördlicher Richtung (NW + N + NE)

Winde aus südlicher Richtung (SW + S +

SE)

sind die Flächen der Häufigkeitsdifferenz schraffiert worden. Der eingezeichnete Doppelkreis besagt: in diesem Monat liegt die Station im Bereich der ITC; beim einfachen Kreis: relativ nahe der ITC-Zone. Hiernach, aus der Richtungshäufigkeit des Windes (ohne Berücksichtigung der Geschwindigkeit), bestimmen wir die Höhenlage der Schichtgrenzen (Schnittpunkte der beiden Kurven, soweit in 0—4 km vorhanden), siehe Tabelle 37. Deutlich heben sich zwei Typen der vertikalen Schichtung von einander ab. Einmal die Schichtung »West über Ost«, wobei der West sich in der Höhe über die östliche (vorherrschend nordöstliche, also passatische) Grundströmung schiebt: dieser Typ erscheint unterhalb 4 km bei 2 1 0 N in allen Monaten mit Ausnahme JuliAugust, bei 1 6 — 1 5 0 N in den Monaten November bis April, bei 1 2 0 N nur noch im JanuarApril, weiter südlich nicht mehr. E r ist also eine Erscheinung der winterlichen Jahreszeit, niedrigste Basis des West bei 2 km Höhe.

176

Besprechung der Ergebnisse

Tabelle 37 Höhenlage (in km) der Schichtgrenzen im Raum o—4 km Höhe über westafrikanischen Küstenorten 1. Zonal b e t r a c h t e t U n t e n vorherrschend östliche, d a r ü b e r westliche W i n d e I—II

Monate:

VII—VIII

IX—X

XI—XII

> 4

3-9

2-7

> 4

2.0

4

> 4

3-3

0.6

2.2

3,5

> 4

> 4

I.i

1.6

III—IV V—VI

P o r t E t i e n n e 20.9° N

2.6

1.8

2-3

St. Louis 16.0 0 N

2

2-4

> 4

0

D a k a r 14.7 N

-4

2-4 o

Ziguinchor 12.6 N

( > 3)

U n t e n vorherrschend westliche, d a r ü b e r östliche W i n d e

o

I—II

III—IV V—VI

VII—VIII

IX—X XI—XII

2-3

C o n a k r y 9.5 N

0.9

i-3

0.9

2.0

0.8

0.7

F r e e t o w n 8.5° N

0.9

1-3

1.0

1.8

0.9

0.6

2. Meridional b e t r a c h t e t U n t e n vorherrschend nördliche, d a r ü b e r südliche W i n d e

U n t e n vorherrschend südliche, d a r ü b e r nördliche W i n d e

3-i

2.7

2.2

2-7

2.4

3-1

> 4

2.8

2.6

0.6

I.I

19

Dakar

2.2

23

2.6

0.6

1.0

Ziguinchor

2.9

2.8

> 4

2-4

Conakry

2.9

(3-1)

2.0

Freetown

(2.8)

Port Etienne St. Louis

J-7

1.2

-P Et.

-St. L.

-II

lll-IV

V-Vl

0.6

Vll-Vlll

IX-X

Xl-Xll

Abb. 37. P r o z e n t u a l e H ä u f i g k e i t der östlichen W i n d e ( N E + E + SE) im H ö h e n n i v e a u 3 1cm ü b e r den afrikanischen K ü s t e n o r t e n

( > 3)

> 4

1.2

> 4

> 4

i-5

1.8

2-7

( > 3)

Der andere T y p ist die Schichtung »Ost über West«, wobei der West als Grundströmung (vorherrschend südwestliche, also monsunale) auftritt: dieser Typ erscheint bei 8—io° N in allen Monaten, bei 1 2 — 1 5 ° N von Mai bis August, bei 16° N nur noch im Juli-August, weiter nördlich nicht mehr; er ist im Sommer besonders ausgeprägt, obere Grenze dieses West bei 2 km Höhe. Bestimmen wir für die Höhe 3 km den Häufigkeitsanteil der östlichen Winde, siehe Abb. 37, so ergibt sich deutlich, daß die Maxima dieser Häufigkeit zusammenfallen mit den jeweiligen ITC-Lagen (in Abb. 35 markiert) . Die entsprechenden Werte für den Hafen Bathurst (in i3.6°N) aus Tabelle 31 passen sich hier gut ein.

177 II. Struktur der Luftströmungen über unseren „Stützpfeilern" Bathurst-Hafen und Seegebiet Fernando Noronha i. V o r b e m e r k u n g e n und ergänzende D i a g r a m m e Für diese beiden Positionen ist die Anzahl der verfügbaren Messungen beträchtlich (besonders aus der Tätigkeit der Bordwetterwarten der Seewarte in den Jahren 1933—39), sie hebt sich mit 1358 Aufstiegen in Bathurst und mit 1148 bei Fernando Noronha stark heraus. Bathurst-Hafen hat die Position 13.6° N, 16.7° W. Im Fernando Noronha-Feld o—5°S, 30—35 0 W liegt der Schwerpunkt der Beobachtungen dicht nördlich der Insel, bei 3 — 4 0 S, 3 2 - 3 3 ° W. Bathurst liegt in den Sommermonaten Juli, August, September im Bereich der innertropischen Konvergenz-Zone (vgl. Abb. 32); in dieser Zeit fehlen hier leider Beobachtungen aus der oberen Troposphäre (was jedoch verständlich ist, weil diese Monate im ITCBereich gerade das Maximum an Bewölkung und Regen bringen). Am weitesten entfernt von Bathurst ist die ITC in den Wintermonaten Februar, März, April; dann liegt Bathurst etwa 10 Breitengrade (1100 km) nördlich der mittleren ITC und hat frischen und beständigen NE-Passat mit Minimum der Bewölkung und mit Trockenzeit. Das Fernando Noronha-Feld mit seinem Schwerpunkt 3° S liegt stets südlich von der mittleren ITC-Achse; im August um etwa 14, im März aber nur um 3 Breitengrade (Abb. 32). Wir gaben in Abb. 34 für dieses Feld (dort 4° S, 32 0 W) den jahreszeitlichen Verlauf der mittleren Elemente. Die Monate der relativen ITC-Nähe, Februar—März— April, heben sich deutlich heraus; zwar bleibt Abb. 38. Jahreszeitliche Vertikalkurven der Strömungskompodie Richtung des SE-Passats unverändert nenten f ü r Bathurst-Hafen und das Fernando Noronha-Feld wie das ganze J a h r über, aber Geschwindigkeit und Beständigkeit sinken deutlich ab mit gleichzeitigem Maximum in der Bewölkung und Temperatur (auch im Niederschlag). Weil diese beiden »Stationen« besonders gut mit Beobachtungen (vom Schiff aus) belegt sind und uns daher als bestfundierte »Stützpfeiler« auf beiden Seiten des tropischen Ozeans dienen, sollen die in Abschnitt B , Kap. I I . 2. gegebenen zahlenmäßigen Daten der Tabellen 25—28 jetzt graphisch veranschaulicht werden: siehe zunächst die Tafeln X X V I I I und X X I X auf Grund der vierteljährlichen Mittelwerte der Windfaktoren für die ganze Troposphäre. Hier sind Bathurst und Fernando Noronha gegenübergestellt zur Verdeutlichung des regionalen Unterschiedes. E s ist aber auch nötig, für jede Station getrennt die Vierteljahrs-Vertikalkurven der D. A. E . »Meteor« 1925/27, Bd. X V I , 1.

24

178

Besprechung der Ergebnisse

Tafel-Anhang

179

24*

180

Besprechung der Ergebnisse

beiden Strömungskomponenten zu gruppieren, um die jahreszeitlichen Unterschiede deutlich zu haben; siehe Abb. 38. Es kommen hinzu die in den nächsten Unterkapiteln auf den Tafeln XXX—XXXIII gegebenen Isoplethendiagramme für die Windfaktoren an Hand der monatlichen Mittelwerte. Hiernach soll nunmehr für beide Stationen die Vertikalstruktur der Luftströmung in Abhängigkeit von der Jahreszeit besprochen und die Eigenschaft der Hauptströmungen quantitativ näher erfaßt werden. Man vergleiche auch hierzu in Abschnitt B, Kap. II. 2. die Abbildungen 21—27. 2. T e s t e ü b e r A b h ä n g i g k e i t der E r g e b n i s s e von der Zahl der B e o b a c h t u n g s f ä l l e Bevor die Vertikalschichtung der mittleren Höhenwinde im Jahresgang bei beiden Stationen näher besprochen wird, sind einige Betrachtungen zur Abhängigkeit der Mittelwerte von der zeitlichen Struktur des zugrundeliegenden Beobachtungsmaterials angebracht, um Hinweise zur Frage der Wertgültigkeit zu bekommen. In Abschnitt B, Kap. II. 2. a., wurde schon ein Test über den Einfluß ganz verschiedener Zahlen der Fälle (n) auf die abgeleiteten Viertel jahrswerte beim Bathurst- und Fernando Noronha-Feld gegeben, siehe Tabelle 30. Es ergaben sich zum Beispiel für 2 Höhenstufen für Winter und Sommer folgende Vergleiche: Bathurst

Fernando Noronha VII—IX

I -- I I I

e m l ^ts O |

n E N V

n E N V

I - -III

VII —IX

a

b

a

b

a

b

a

b

42 — 2 —1 6

273 —3 —1 7

8 + 6 —1 7

107 + 8 —0 10

53 + 4 + 0 6

144 + 5 + 1 6

17 — 17 — 3 19

113 — 18 — 1 20

5 + 5 —1 6

30 + 6 —1 8

21 —1 —0 6

65 — 2 — 1 8

49 + 6 + i 7 16 + i + 7 11

154 + 6 + 1 7 68 + 3 + 4 10

Vektorkomponenten E und N, Skalargeschwindigkeit v in m/s, wie sie von einem zuerst nur verfügbaren Teilmaterial ermittelt wurden (Spalte a), dann später vom vollständigen Beobachtungsmaterial (Spalte b). Obwohl n im Falle a bei Fernando Noronha nur y3 bis 1/i, bei Bathurst sogar nur '/ fj bis 1/1S von dem« im Falle b beträgt, ergeben sich nur geringfügige Unterschiede, zum Teil dieselben mittleren Windwerte. Diese Erfahrung ist es ja, die dazu ermutigte, die einfache Methode der Mittelbildung anzuwenden (die zudem den -Vorteil hat, daß künftig anfallende neue Messungen ohne weiteres anzuschließen sind). Die Tabellen 25 und 26 in Abschnitt B brachten die monatlichen Gesamtmittel-Werte der Windfaktoren unserer beiden »Stationen«, wobei die Beobachtungen sich überwiegend auf die Jahre 1934 bis 1938 bzw. 1939 verteilen. Wir berechnen nun den mittleren Vektor für den betreffenden Monat der Einzeljahre (soweit belegt), also z. B. für den Februar 1935, Februar 1936 usw. Dies geschieht unter Angabe der jeweils zugrundeliegenden Anzahl n für Bathurst in Tabelle 38 und für Fernando Noronha in Tabelle 39, für die Höhenstufen bis 10 km hinauf. VektorRichtung D in Zehnergraden, Vektor-Geschwindigkeit ü in m/s. Bei dieser weitgehenden Auf-

Tafel-Anhang

10

20-

20

15

m

/s

25

181

0

40

20

60

80

100% (-20

km 18-

km 18

16-

16

14-

14

W) 12-

12

3

5 m/s. Negativ = West, für o—10 m/s weiß gelassen, für > 10 m/s punktschraffiert. Die dicke gestrichelte Doppel-Linie bezeichnet die Höhenlage der Maximalgeschwindigkeit vom Ost in der unteren Troposphäre, die dicke gestrichelte Einfachlinie die Höhenlage der Maximalgeschwindigkeit vom West in der oberen Troposphäre. a) O s t s t r ö m u n g Beide Stationen liegen im Bereich der großen tropischen Ostströmung. Als durchschnittliche Mächtigkeit des Raumes mit positiver E-Komponcnte ergeben sich folgende Höhen in km (etwas ausgeglichen): . . . .

I

II

III

IV

V

Bathurst . . . Fern. Noronha

3 7

2* 8

3 10

5 11

6 10

Monat

VI VII VIII ? p 9 11 12 12

IX

X

XI

XII

? 10

7 8

6

5 6*

7

Für Fernando Noronha, das immer südlich vom direkten ITC-Bereich bleibt, ist die Obergrenze des Oststroms in allen Monaten deutlich gegeben. Bathurst jedoch wird im Sommer von der ITC-Achse überwandert, dann schnellt die Obergrenze steil hoch und der Oststrom erfüllt dann die ganze Troposphäre. Bei Fernando Noronha sind die gegensätzlichen Monate in der Ostmächtigkeit: Juni 12—13 km, Dezember 6 km; bei Bathurst aber steht dem sehr hohen Ost im Juli—September die so flache Schicht von 2—3 km im Januar—März, wenn die ITC sich am weitesten südlich vom Ort befindet, gegenüber. Die Maximal-Geschwindigkeit der positiven E-Komponente liegt für Bathurst im Winter in der Passatgrundströmung (Stufe 0.5—ikm), im Dezember/Januar mit 6, im Februar/März mit 3—4 m/s im Mittel; im Sommer finden wir die Höhenlage und den Betrag des E-Maximums deutlich höher: 3—5 km mit 8—12 m/s (im Frühjahr und Herbst 2.5—3 km mit 6—8 m/s im Mittel). Es zeigt sich im Juli/August, wenn Ost auch die hohe Troposphäre erfüllt, ein zweites Maximum in 10—15 km Höhe mit 10—13 m/s im Mittel. Im Fernando Noronha-Feld liegt das E-Maximum bei 1 km, also auch in der Passatgrundströmung, im allgemeinen mit 7—8 m/s, im Februar/März nur 4—6 m/s (relative Nähe der ITC). Ein zweites E-Maximum zeigt sich in größerer Höhe: im Dezember bis März bei 2—3 km mit 6—8 m/s, April bis September bei 4—6 km mit 6—9 m/s, wobei dieser Höchstwert im August zum Hauptmaximum wird mit 8—9 m/s im Mittel bei 5—8 km Höhe. In Abb. 38, mit den Vertikalkurven der Strömungskomponenten nach Vierteljahrs-Mittelwerten, geben für die Zonalkomponente die Schnittpunkte der Kurven mit der Null-Linie die Höhenlage der Obergrenze der Ostströmung. Für Bathurst stehen sich als extreme Kurventypen gegenüber: der Wintertyp (Monate I—III) und der Sommertyp (VII—IX); die Kurven der Übergangs]ahreszeiten verlaufen einander angenähert, als Übergangstyp (wobei sich der Herbst dem Wintertyp mehr zuneigt als das Frühjahr). Für Fernando Noronha liegen die Vertikalkurven der Zonalkomponente gleichmäßiger und dichter zusammen; hier kann von jahreszeitlichen Typen nur insofern gesprochen werden, als die Obergrenze der Ostströmung in der Jahreshälfte Oktober—März bei 7 km Höhe liegt, in der Jahreshälfte April—September bei 11—12 km.

184

Besprechung der Ergebnisse

a) Tafel X X X . Isotachen der zonalen Strömungskomponente nach Monatswerten in o—18 km Höhe (positiv = Ost, negativ = West), a. Bathurst, b. Fernando Noronha

185

Tafel-Anhang

JTC rel. nahe

D. A. E. ,Meteor« 1925/27, Bd. XVI, 1,

25

186

Besprechung der Ergebnisse

b) W e s t s t r ö m u n g der o b e r e n T r o p o s p h ä r e Die Obergrenze der Ostströmung ist Untergrenze der Westströmung; diese Schichtgrenze »West über Ost« ist die markanteste der tropischen Troposphäre. Von dieser Grenze an nimmt mit zunehmender Höhe die Geschwindigkeit der mittleren Westkomponente zu bis zu einem Maximalwert in der Hochtroposphäre, darüber wieder ab bis zur Tropopause. Letztere tritt im Bewegungsfeld als typische Schichtgrenze »Ost über West«, also als Obergrenze der hohen Westströmung in Erscheinung; bei Fernando Noronha finden wir sie in jeder Jahreszeit, bei Bathurst nicht in den Wintermonaten Dezember—Februar. Für die untere und obere Grenze des Weststroms bei den beiden Stationen ergeben unsere Monatswerte als Höhenlage in km: Monat . . .

I

II

III

IV

V

VI

Obergrenze

JBathurst . . \Fern. Nor. .

(20) 17

(18) 18

17 (18)

17 15

18 (18)

14 17

Untergrenze

JBathurst . . \Fern. Nor. .

3 7

2 8

3 10

5 11

6 10

Differenz

JBathurst . . \Fern. Nor. .

(i7) 10

(16) 10

14 (8)

12

12 (8)

4

VII VIII

IX

X

XI

XII

17

15

17 17

19 17

(18)

16

9 12

11

10

7 8

6

12

7

5 6

5 5

10 6

3

6

13 10

(13) 11

9

17

Die eingeklammerten Zahlen bei der Obergrenze sollen besagen, daß in diesem Fall in dieser Höhe (und darüber, soweit gemessen) an sich noch Westwind vorherrscht, daß hier aber ein deutliches Minimum der Westkomponente eintritt. Die Differenz der beiden Grenzhöhen gibt die Mächtigkeit der Westströmung in km. Zur weiteren Kennzeichnung der Westströmung dient die Feststellung, in welcher Höhe (km) die mittlere Westkomponente die Geschwindigkeitsstufe 10 m/s erreicht, und wo das Geschwindigkeitmaximum : Höhenlage in km Monat . .

I

für S: 10 JBathurst . 7 m/s \Fern. Nor. 14 . fBathurst . 13 Maximums _ .T l^Fern. Nor. 14

II

III

6

7 13

14 10 14

12 14

IV

V

VI

12 14 13 13

13 ?

VII VIII

IX

12 13 15

14

14

14

X

XI

XII

13

10 12

7 13

14 14

14 14

11 u. 15 14 km

Während für die Struktur der Ostströmung, wie wir oben sahen, die jahreszeitliche Änderung wesentlich ist, zeigt sich in der oberen Westströmung als wichtiges Merkmal die auffallende Permanenz in der Höhenlage der maximalen Geschwindigkeit und in der oberen Grenze. Letztere fällt mit durchschnittlich 17 km Höhe bei beiden Stationen zusammen mit der Höhe der Tropopause allgemein in der inneren Tropenzone (nach den Temperaturbeobachtungen). Die Höhenlage des maximalen West (relativ) ist für Bathurst 13 km durchschnittlich, für Fernando Noronha erstaunlich gleichmäßig das ganze Jahr über mit 14 km; also etwa 3 km unterhalb der Tropopause, gekoppelt mit dieser. Unser Ergebnis bestätigt ein typisches Merkmal der allgemeinen Zirkulation. c) J a h r e s z e i t l i c h W e s t in der G r u n d s c h i c h t Während bei Fernando Noronha das ganze Jahr über der Südostpassat als Basis-Strom herrscht, wird bei Bathurst in der warmen Jahreszeit der Nordostpassat in der Grundschicht

Struktur der Luftströmungen über unseren „Stützpfeilern" Bathurst-Hafen und Seegebiet Fernando-Noronha

187

durch eine monsunale Westströmung abgelöst: in der Bodenstufe o—500 m in den 6 Monaten April bis Oktober, wobei im J u n i die Geschwindigkeit der Westkcmponente am besten ausgebildet ist mit 3 — 4 m/s im Mittel; in der Höhenstufe 500—1000 m noch in den 3 Monaten J u n i bis August, der Zeit der ITC-Nähe, wobei hier im August der West am besten in Erscheinung tritt (aber in der Stufe 1—1.5 km nicht mehr vorherrscht, wenn er auch teilweise bis 2 km hinaufreicht) ; vgl. auch Kap. I. 3. 4. M e r i d i o n a l s t r ö m u n g in d e r T r o p o s p h ä r e Für die meridionale Komponente im Jahresablauf gibt Tafel X X X I die Isotachen im Abstand von 2 zu 2 m/s. Positiv = Nord ist strichschraffiert, negativ = Süd ist für 0 — 4 weiß gelassen, für größere Werte punktschraffiert. Die Meridionalkomponente, nach den Monatsmitteln, ist in deutlichem Gegensatz zur Zonalkomponente bei beiden Stationen zumeist recht gering ausgeprägt und ungleichmäßiger in der Anordnung. Ein Monatswert von 3 — 4 m/s wird in der Grundschicht o—1.5 km erreicht, bei Bathurst durch die Nordkomponente im Nordostpassat in den ITC-fernen Monaten Februar—April, bei Fernando Noronha durch die Südkomponente im Südostpassat in allen Monaten mit Ausnahme von Februar—April, wenn dort die ITC relativ nahe ist. Darüber bis etwa 8 km hinauf bleibt die Meridionalkomponente an beiden Orten im Monatsmittel unbedeutend mit überwiegend Größenordnung ± 1 m/s. Erst in der oberen Troposphäre 8—17 km treten höhere Monatswerte rk N auf, mit folgenden Beträgen:

Bathurst

Monat . . .

I

II

III

IV

V

VI

Betrag (m/s) in Höhe (km)

— 4 15—16

— 6 14—16

+ 4 13—14

— 4 15—16

— 8 15—16

— 10 12—13

X

XI

XII

— 5 13—14

— 5 15—16

— 4 8—9

III

IV

V

Monat . . .

Fern. Nor.

Fern. Nor. •

VII

VIII

IX

Betrag (m/s) in Höhe (km)

— 6 12—14

Monat . . .

I

II

Betrag (m/s) in Höhe (km)

— 5 11—12

+ 6

— 2

13—15

14—!5

+ 4 15—16

— 4 15—16

+ 4 15—16

Monat . . .

VII

VIII

IX

X

XI

XII

Betrag (m/s) in Höhe (km)

+ 5 12—15

+ 4 14—15

— 4 7-8

+ 6

+ 5 9—14

+ 4 11—12

—5 8—10 VI

13—14

Bei diesen Höhenlagen der + N-Maxima ist bei beiden Stationen die Schicht um 13—14 km am meisten beteiligt, also dieselbe wie für die Maxima der Zonalkomponente. Dabei ist N für B a t hurst (in 13.6° Nordbreite) mit nur 1 Ausnahme negativ, d. h. Strömung aus Süd; für Fernando Noronha (in 3 0 Südbreite) in 8 Monaten positiv, in 4 Monaten negativ, mithin wechselnd doch überwiegend Strömung aus Nord. Für beide Stationen ergibt sich also zumeist Wegströmen vom Äquator mit im Mittel 4 — 6 m/s in dieser Höhe (in Bathurst im Mai—Juni mit 8—10 m/s der meridionalen Komponente). 5. R i c h t u n g s q u a d r a n t e n u n d S k a l a r g e s c h w i n d i g k e i t in d e r T r o p o s p h ä r e Legt man die Null-Linien aus den Isotachen der beiden Strömungskomponenten aufeinander, so ergibt sich die einfache Darstellung von der jahreszeitlichen Verteilung der Richtungsquadran25«

188

Besprechung der Ergebnisse

a) Tafel X X X I . Isotachen der meridionalen Strömungskomponente nach Monatswerten in o—17 km Höhe (positiv = Nord, negativ = Süd), a) Bathurst, b) Fernando Noronha

Tafel-Anhang

JTC b)

189

190

Besprechung der Ergebnisse

ten, siehe die dick ausgezogenen Linien auf Tafel X X X I I für beide Stationen. Hierbei bleibt allerdings zu beachten, daß die mittlere Meridionalkomponente oft nur gering ist, klein relativ zur Zonalkomponente und auch absolut. Bei Bathurst geht im Winter die nordöstliche Passatgrundströmung in 2 — 3 km Höhe rasch rechtsdrehend über Südost in den Südwest über, der in größerer Höhe teilweise weiter rechtsdrehend Nordwest wird; im August haben wir Linksdrehen vom Südwest der monsunalen Basisströmung zum Südost (1—3 km) und weiter zum Nordost (3—5 km), darüber dann rechtsdrehend wieder Südost, wobei aber die mittlere Meridionalkomponente im Sommer in allen Höhen gering ist. Fernando Noronha hat nach der Strömungsrichtung einen besonders gleichmäßigen und typischen Vertikalaufbau: im ganzen Jahr innerhalb des großen Oststroms über der Grundströmung aus Südost (Passat) linksdrehend eine nordöstliche Strömung, darüber nochmals Südost zusammenhängend von März bis November, und darüber im engeren Jahresabschnitt Mai bis Oktober wieder Nordost, der in dieser Zeit schließlich rasch, bei 1 1 — 1 2 km Höhe, linksdrehend in den Nordwest (antipassatisch) der oberen Troposphäre übergeht. In den Übergangsmonaten Mai und November dreht der mitteltroposphärische Südost zum Südwest ein; im Dezember finden wir die rascheste Linksdrehung, nämlich vom Südost über Nordost unmittelbar zum Nordwest schon bei 6 — 7 km Höhe. Die auf Tafel X X X I I übergezeichneten dünnen gestrichelten Linien sind die Isotachen der skalaren Geschwindigkeit (v, m/s) nach dem Monatsmittel. Bei Fernando Noronha ist v in der unteren und mittleren Troposphäre das ganze Jahr über sS 10 m/s, aber in der oberen Troposphäre teilweise > 16 m/s, besonders in der NW-Strömung bei 1 3 — 1 4 km Höhe (sowohl im Südwinter als auch im Südsommer). Bei Bathurst erreicht v im Bereich der sommerlichen Ostströmung, in der oberen Troposphäre, 12 m/s; doch in der westlichen Strömung der übrigen Jahreszeit wächst v in der oberen Troposphäre bis über 20 m/s an, im Januar bis 26 m/s bei 1 1 — 1 4 km. 6. S t r ö m u n g an d e r T r o p o p a u s e u n d in d e r u n t e r e n S t r a t o s p h ä r e Wie in Absatz 3. b gezeigt, findet die Westströmung der oberen Troposphäre bei beiden Stationen ihre Obergrenze im Mittel bei 17 km Höhe. Darüber ist wieder Ostströmung vorherrschend. Diese hohe Schichtgrenze »Ost über West« entspricht der tropischen Tropopause. Die Luftströmung der Tropopauseschicht und der unteren Stratosphäre ist von speziellem Interesse. Unsere Ergebnisse an Hand von monatlichen Mittelwerten weisen für diese großen Höhen größere Schwankungen und etwas verwickelte Züge auf. D a hier die Anzahl der pro Monat für die einzelnen Höhenstufen verfügbaren Beobachtungsfälle (vgl. Tab. 25 u. 26) schon recht schwankend ist, ist es angebracht, auf die E i n z e l m e s s u n g e n zurückzugehen; siehe die Tabellen 40 und 41 mit den Werten der Windkomponenten. Es sind bei Bathurst 93, bei Fernando Noronha 76 Hochaufstiege. Wie gehen dabei vom Niveau des maximalen West aus, bei Bathurst von der Höhenstufe 1 4 — 1 5 km, bei Fernando Noronha (wo die Grenze über West öfters etwas niedriger liegt als bei Bathurst) von 1 3 — 1 4 km Höhe. Es fällt übrigens auf, daß der Ballon gern gerade an der Tropopause oder wenig darüber platzt, offensichtlich wegen der Temperaturinversion; vgl. hierzu Meteorband X V , Tab. 16, Seite 56. In Bathurst wurde in Zweidrittel, in Fernando Noronha in Dreiviertel aller Fälle die hohe Schichtgrenze Ost über West deutlich gemessen. In den übrigen Fällen ist entweder diese Grenze noch nicht erreicht worden oder sie war nicht vorhanden wie besonders bei Bathurst in den Wintermonaten mit West bis 20 km und darüber. Für die gemessene Höhe der Schichtgrenze E über W verteilen sich die Einzelfälle pro Monat auf die Höhenkilometer zwischen 14 bis 20 k m :

Struktur der Luftströmungen über unseren,,Stützpfeilern" Bathurst-Hafen und Seegebiet Fernando-Noronha

Bathurst Monat I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII zus.

20

J

9

18

16

17

Fernando Noronha 15

14

km

1 1

4 4 5 1

2 2

3

5 4

3 1

1

2

1 1 1

1 1

5

5

13

2

4 1

1 20

5

14

Monat

20

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

1 1

191

zus.

—

19

18

17

16

15

2

3

2 2

14

km

2

2

1

1 1

1 1

3 1

3

2

4

3

4 7

2

2

3

1

22

16

15

1

-

1

1

2

1

2

Am häufigsten liegt die Schichtgruppe bei 17 km Höhe, bei beiden Stationen; dabei fallen für Bathurst auf den Bereich 16—18 km 9 3 % , für Fernando Noronha auf den Bereich 15—17 km 8 1 % aller Fälle, in denen die Schichtgrenze angetroffen wurde. Für diese Fälle ergibt sich als durchschnittliche monatliche Höhenlage (km) der Schichtgrenze E über W : Monat . . .

I

II

III

IV

V

VI

VII VIII

IX

X

XI

Bathurst . . 17.5 17.5 16.4 17.1 (17) . . 15.7* 16.9 18.2 Fern. Noronha 16.0 15.9 16.0 (15) . J 7 . 5 15.7 15.0*15.9 16.9 17.0

XII 17.5 16.2

Bei beiden Stationen beträgt die Jahresschwankung dieser (mittleren) Höhen 2.5 km; ausgeprägt ist der für beide Stationen gleichsinnige Anstieg vom V I I I / I X zum X I . Nach den Tabellen 40 und 41 mit den Einzel-Hochaufstiegen für beide Stationen ergibt sich in Tab. 42 die Streuungsstatistik für die Strömungskomponenten im Höhenbereich 14—22 bzw. 13—21 km, und zwar unter Zusammenfassung nach Vierteljahren, n = Anzahl der Beobachtungen. Bei der Zonalkomponente wurde der nur selten vorkommende Wert Null dem E zu geschlagen, bei der Meridionalkomponente sind aber die hier relativ häufigen Null-Fälle gesondert angegeben. Zur Gewinnung eines großzügigen Überblicks werden aus Tab. 42 in jeder Höhenstufe alle vorhandenen Messungen (ohne Berücksichtigung des Jahresganges) zusammengefaßt und der jeweilige prozentuale Anteil der positiven und der negativen Komponentenwerte berechnet, siehe Abb. 39. Es müssen natürlich die Häufigkeitskurven für die gegensätzlichen Strömungsrichtungen (oben Ost—West, unten Nord—Süd) spiegelbildlich zueinander verlaufen; wobei bei Betrachtung der Meridionalkomponente dadurch, daß hier die Häufigkeit der Nullwerte gesondert genommen wurde, eine gewisse Verzerrung auftritt. Ausgehend vom Niveau der vollausgebildeten hochtroposphärischen Westströmung bei 14 bis 15 km Höhe nimmt die West-Häufigkeit bei beiden Stationen mit der Höhe ab. W und E treten gleichhäufig auf (50%) für Bathurst in 17—18, für Fernando Noronha in 16—17 km Höhe (Schichtgrenze der Tropopause); darüber der Bereich überwiegender Ostwinde (untere Stratosphäre). Aber bei Fernando Noronha zeigt sich, daß die Ost-Häufigkeit zwar bis 17—18 km Höhe rasch zunimmt, darüber jedoch der West nochmals gleichhäufig auftritt; auch bei Bathurst gibt es einen allerdings nur schwachen Kurvenknick durch wieder etwas größere Westhäufigkeit

Besprechung der Ergebnisse

192

D

J F M A M J

J A S O N D

a) Tafel X X X I I . Richtungsquadranten und Isotachen der skalaren Geschwindigkeit {v, m/s) der Luftströmung nach Monatswerten in o—17 km Höhe, a) Bathurst, b) Fernando Noronha

Tafel-Anhang

D

J

F M

A

M

J

J

193

A

S

O

N

D

b)

D. A. E. »Meteor« 1925/27, Bd. X V I , 1.

26

194

Besprechung der Ergebnisse

Abb. 39. Häufigkeit der Ost-West-Komponenten in % aller vorhandenen Messungen (oben), ebenso der Nord-SüdKomponenten (unten), aus 13—22 km Höhe für Bathurst und Fernando Noronha

bei 19—20 km. Diesem Verhalten in der Strömung über der Tropopause sei nun an Hand der Einzelaufstiege näher nachgegangen. Unter den für Fernando Noronha in Tab. 41 enthaltenen 48 Aufstiegen, bei welchen die Tropopause-Schichtgrenze mit Strömung Ost über West

] direkt gemessen wurde, finden wir

14 Fälle (29%), bei denen oberhalb dieser Schichtgrenze, also über dem Ost, nochmals West festgestellt wurde, d. h. in der unteren Stratosphäre eine neue Strömungsgrenze West über Ost Höhe (km) der Schichtgrenzen Monat

I II II IV VII VII VIII

—

E w

w E"

A

Monat

E W

W E~

A

15 15 16 15 16 16 15

19 17 17 18 18 18 18

4 2 1 3 2 2 3

IX IX X X XI XI XI

15 16 17 16 17 17 17

18 18 18 18 18 18 18

3 2 1 2 1 1 1

:

Struktur der Luftströmungen über unseren „Stützpfeilern" Bathurst-Hafen und Seegebiet Fernando-Noronha

J95

A ist die Mächtigkeit (km) der Ostschicht, sie ist mit durchschnittlich 2 km nur gering. Die Frage, wie mächtig nun die darüber liegende W-Schicht ihrerseits ist, wird von unserem Material nicht mehr beantwortet. Die entsprechende Betrachtung für Bathurst an Hand der Hochaufstiege von Tab. 40 ergibt, daß hier nur in 9 von 93 Fällen (10%) die gleiche Doppelschichtung nach der Zonalkomponente erfaßt ist: Höhe (km) der Schichtgrenzen Monat

II III IV IV V IX X XI XI

E

W

w

E

17 17 18 16 16 16 18

19 18

17 18

19 19 17 17 19 J9 J9

A

2 1 1 3 1 1 1 2 1

+

+ + +

Auch hier ist die Mächtigkeit der Ostschicht mit durchschnittlich i 1 ^ km nur gering. Bei beiden weit voneinander entfernten Stationen zeigt sich die Tendenz zur zeitweisen Ausbildung dieser Doppelschichtung in gleicher Weise. Die beiden Schichtgrenzen sind offensichtlich ursächlich gekoppelt. Bei Bathurst kann man in 4 der oben betrachteten 9 Fälle (+) auch die Mächtigkeit der stratosphärischen W-Schicht (über der E-Schicht) ablesen, sie beträgt in 3 Fällen nur 1 km, in einem Fall 2 km, ist also auch nur gering; hier liegt dann die neue SchichtE grenze — bei 20 km, so daß für den Höhenbereich 16—20 km in diesem Fall eine DreifachW Schichtung vorhanden ist, eine blättrige Struktur der Zonalströmung in der Substratosphäre (leider keine Temp.-Beobachtungen). Doch wir finden die Doppelschichtung in unseren (in dieser Höhe schon spärlichen) Messungen ja nur teilweise. In Bathurst, wo die untere Stratosphäre besser erfaßt wurde als in Fernando Noronha, sind zwei andere Typen die häufigeren (vgl. Tab. 40): im Winter (fern von der ITC) setzt sich die Westströmung der Troposphäre auch in die Stratosphäre hinein fort; in der übrigen Jahreszeit (in den Hochsommermonaten fehlen leider Hochaufstiege) überwiegt durchaus der Typ mit Ostströmung von der Tropopause an ohne Unterbrechung mit der Höhe (soweit gemessen), man beachte besonders die Serie der Hochaufstiege im April 1934 mit der Zunahme der Ostkomponente mit der Höhe in der Stratosphäre. Betrachtet man in der Abb. 39 bei der Meridionalkomponente die Häufigkeitsverteilung auf die entgegengesetzten Richtungen Süd—Nord, so kreuzen sich bei Bathurst die Häufigkeitskurven erst in 19—20 km Höhe, 2 km höher als für West—Ost, es setzt sich also hier das deutliche Überwiegen der S-Komp. von der oberen Troposphäre über die Tropopause hinweg bis 20 km Höhe fort. Bei Fernando Noronha ist der Häufigkeitsunterschied zwischen N und S oberhalb 14 km Höhe nur gering; während hier in der oberen Troposphäre Nord häufiger ist als Süd, ist es für 18—20 km umgekehrt. 26«

Besprechung der Ergebnisse

196

D

J

F

M

A

M

J

J

A

S

O

N

D -18 km -17 -16

-15 -14 -13 -12

-11 -10

-9 -8 -7 -6 -5 -4 -3

-2

-1 -0 JTC a) Tafel X X X I I I . Isoplethen der Beständigkeit (q in Zehnerprozenten) der L u f t s t r ö m u n g nach Monatswerten in o — i 8 k m Höhe, a) B a t h u r s t , b) F e r n a n d o Noronha

Tafel-Anhang

197

Besprechung der Ergebnisse

198

Doch es kommt auf die Geschwindigkeiten an. In Tab. 27 wurden für Bathurst die Vierteljahrswerte der Windfaktoren bis zur Höhe 20 km gegeben. Bathurst hat für die Höhenstufe 20—21 km noch 32, für 21—22 km 14, für 22—23 km noch 5 Messungen. Als Ergänzung zu Tab. 27 ergibt sich (vgl. auch die Tabellen 40/42): Bathurst Höhe (km)

n

E

N

35, ö

V

I - -III

22—23 21—22 20—21 ig—20

4 9 -23 - 4 - 9

22—23 21—22 20—21 19—20

0 — 2 —1

22—23 21—22 20—21 ig—20

27 24 26

23 5 9 23 8 13

9 11

1

19

4 4

4 12 15

+14 +17 + 11 + 8

+ 2 +9 +6 +6

+8 +5 —4 —5

0

—5 —4 —4 —5

0

— 3 0 — 2 9 10

X --XII

I I

3 7 12

2

22—23 21—22 20 21 19—20

22—23 21—22 20—21 19—20

Vierteljahr IV—VI VII —IX

4 17

16 12

8

13 13

J

17 18 12 10

5 10

7 8

5 10 8 10

+5 +1 —1 9 4 28 26

8

7 4 5 8 7 8 9

n = Anzahl der Messungen, Geschwindigkeiten in m/s, Vektor-Richtung (55) in Zehnergrad. Bathurst zeigt, mit Ausnahme der Wintermonate, Fortsetzung des stratosphärischen Ostwindes bis 23 km, soweit gemessen; wobei diese östlichen Winde, meist von der Größenordnung 10 m/s, mehrfach die Schwelle 20 m/s erreichten. Die (mittlere) Meridionalkomponente bleibt wechselnd im Vorzeichen und meist gering, Extreme im einzelnen — 16 und + 11 m/s. Im Winter hat Bathurst in den wenigen Fällen, in denen die großen Höhen erreicht wurden, fast rein westliche Winde der Größenordnung 25—30 m/s. In 19-—20 km ergab sich als Endwert eines Aufstiegs am 10. 1. 1935 das Maximum mit 56 m/s (200 km/h), also Strahlstrom-Geschwindigkeit (im Hochwinter). In Fernando Noronha kommt in der Höhenstufe 20—21 km, bei noch 5 Messungen, jeder Richtungsquadrant vor; die Geschwindigkeiten bleiben 10 m/s. In 19-—-20 km brachte hier als Endwert eines Aufstiegs das Maximum mit 40 m/s (144 km/h) aus SSW, also als Luftvorstoß mit Orkanstärke zum nahen Äquator hin (vgl. Tab. 41) am 15. 5. 1935, der Mai ist der Hauptmonat der Regenzeit in Fernando Noronha.

Struktur der Luftströmungen über unseren „Stützpfeilern" Bathurst-Hafen und Seegebiet Fernando-Noronha

Beständigkeit 0 20 40 60

80 % 100

Beständigkeit 0 20 40 60 1 >80

w Ei gja

20m/s 10 - 0 + 10 Zonalkomp. Beständigkeit 0 20 40 60 —— 1 1 18 knr 17p 16

199

>>75 }>80

1 j j i

( j

7 7¿40{-CinüTT" 1 2om/s 10 0+10 Zonalkomp. 80 L % 100

Beständigkeit 0 20 40

80 % 100

14 12

fw

]-75

J

10 8

7 J r\80

[>S0

}

60

8 0 % 100

10 - 0 + 10 Zonalkomp. Beständigkeit

y

-

20 m /s

0

20

40

60

80

% 100

20m/s10 - 0 + 1 0 Zonalkomp.

Abb. 41. Darstellung wie in Abb. 40 für Fernando Noronha

Die Linie der geringsten Beständigkeit deckt sich erwartungsgemäß nahezu mit der NullLinie der die Luftströmung beherrschenden Zonalkomponente (vgl. Tafel X X X und die in Kap. II. 3. bereits angegebenen Daten von der Höhenlage der Schichtgrenzen). Und ebenso ist dort, wo die Zonalkomponente relativ kräftig ausgebildet ist, die Beständigkeit groß. Bei Bathurst entspricht im Sommer bei der Ostströmung das Anwachsen der E-Komponente auf etwa 10 m/s der Zunahme der Beständigkeit bis 90%, und im Winter fällt in der hohen Westströmung etwa der von der Isotache 15 m/s der W-Komponente umschlossene Bereich zusammen mit dem der Beständigkeit von 90%. Ähnlich ist es bei Fernando Noronha. So wie man auf den Bodenwindkarten der maritim-klimatologischen Atlanten im Gebiet der Passate den Kernpassat (als eigentlichen Passat) abgrenzt durch die Beständigkeitslinie 80%, zeigen auf unseren Diagrammen die Höhenbereiche mit > 80% Beständigkeit (strich-

Struktur der Luftströmungen über unseren „Stützpfeilern" Bathurst-Hafen und Seegebiet Fernando-Noronha

201

schraffiert) die Kerne der Höhenluftströmungen von Monat zu Monat. Bathurst weist in den Monaten Juni und September (nicht im Juli/August mit ITC-Lage) innerhalb der E-Strömung Kerne mit > 90% auf im Höhenbereich von etwa 3—5 km, die beiden Maxima der E-Komponente mit > 10 m/s entsprechen diesen räumlichen Kernen mit fast permanentem Oststrom. Wir wollen für unsere beiden Stationen diesen Zusammenhang zwischen Zonalkomponente und Beständigkeit für die ganze Troposphäre unmittelbar veranschaulichen, denn hierdurch werden die Luftströmungen in ihrer Vertikalschichtung wesentlich charakterisiert; siehe Abb. 40 und 41 unter Benutzung der betreffenden Vertikalkurven von Tafel X X V I I I und X X I X an Hand der Viertel]ahrswerte. Hiernach ergibt sich quartalsweise die in Tabelle 43 angegebene Zuordnung vom Höhenbereich der typischen Schichten der Beständigkeit zu den Strömungsgliedern in ihrer typischen W E Ausprägung (Schichtgrenze — bedeutet: West über Ost, Grenze — : Ost über West). Man vergleiche dazu die in den Kapiteln II. 3. a—c und II. 6. für die Strömungsglieder abgeleiteten quantitativen Daten von der monatlichen Höhenlage der Grenz- und Schwellenwerte. Tabelle 43 Vertikale Schichtung nach der Beständigkeit (q, % ) : Höhenbereich (km) der besonders beständigen bzw. besonders unbeständigen Teilschichten Fernando Noronha q%

I—III

IV—VI

VII—IX

X—XII

> 80

0—4

0—7

0—7

0—4

strenge E-Strömung im Urpassat

> 90

0—1.5

0-1.7

0—1.7

0—1.5

beständigster Teil: die Grundströmung = Passat

Übergangsschicht .

< 3°

7—10

10—12

6-9

Hauptschwankungsbereich W der Schichtgrenze —

Westströmung

. .

> 70

14— T 5

14— 1 5

13—15

13—15

beständigster Teil der Westströmung

Tropopause-Schicht

< 40

17—18

16—17

16—17

17—18

Hauptschwankungsbereich E der hohen Schichtgrenze —

Ostströmung . . .

10—13

{ > 60)

Bathurst q% > 70

I—in ~

0.5

IV—VI

VII—IX

X—XII

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2-5-?

°-7—3-5

2—4

35—5

( > 75) 1—2.7

davon besonders beständig

10—? *)

5-6

Hauptschwankungsbereich W der Schichtgrenze — F

—

9—16

beständigster Teil der W-Strömung

Ostströmung . . . > 80 Übergangsschicht .

Weststiömung

. .

< 40

> 80

—

1-5—4

6—17

6—8

(0-1.6) (75) 11—14

beständiger Teil der Urpassatschicht

*) In der Grundschicht Schwankung der sommerlichen Schichtgrenze —- . n. A. E. »Meteor« 1925/27, Bd. XVI, 1.

27

202

Besprechung der Ergebnisse

bis 10 km, im Halbjahr N o v e m b e r — A p r i l

III. Struktur der Luftströmungen über der Tropenzone des Ozeans in regionaler Betrachtung i. E r g ä n z e n d e g r a p h i s c h e D a r s t e l l u n g e n Nach der Beschreibung vom Aufbau der Luftströmungen über unseren »Stützpfeilern« Bathurst und Fernando Noronha kommen wir zu der regionalen Betrachtung über die ganze Ozeanbreite. Wie sind die Hauptströmungsglieder in der tropischen Zone 20° N—20° S ausgeprägt ? Während die beiden »Stationen« so zahlreich mit Beobachtungen belegt sind, daß hier monatliche Mittelwerte zugrunde gelegt werden konnten, stehen für die 5°-Felder des freien Ozeans weit weniger Beobachtungen zur Verfügung. Das zwang bei der statistischen Aufbereitung in Abschnitten A und B, sich auf Einteilung des Jahres in Halbjahre zu beschränken: es wurden diejenigen Beobachtungen, die in die Zeit von Mai bis Oktober fallen (Nordsommer = Südwinter) getrennt von den Beobachtungen aus der Jahreszeit November bis April (Nordwinter = Südsommer). Es ist früher gezeigt worden, wie auffallend gut die statistischen Ergebnisse für die 5 "-Felder zueinander passen trotz stark unterschiedlicher Anzahl der Beobachtungsfälle, welch beträchtlichen Grad der Permanenz die Strömungsglieder über dem tropischen Ozean besitzen.

Struktur der Luftströmungen über der Tropenzone des Ozeans in regionaler Betrachtung

50° W 40°

30°

20

0° E

ICÜ^O0 W 40°

30°

20°

10°

203

0° E

10°

Abb. 43. Richtung der Luitströmung im Ozeanbereich 20° N—30° S, bis 10 km Höhe im Halbjahr Mai—Oktober

204

Besprechung der Ergebnisse

In Abschnitt A gaben die Tafeln V I I bis X I I die horizontalen Schichtkarten mit den Windvektoren der verschiedenen Höhenstufen, gemittelt für die 5°-Felder des Ozeans, unter Angabe der jeweiligen Zahl der Beobachtungsfälle. Die Daten von Bathurst und Fernando Noronha sind in den betreffenden Feldern enthalten. U m einen möglichst anschaulichen Überblick zu bekommen, wird jetzt nach diesen Karten die mittlere Strömung in Form von Stromlinien dargestellt ; in der einfachsten Methode nur für die Strömungsrichtung ohne Berücksichtigung der Geschwindigkeit. Die Stromlinien sind bei ihrer Ausgangslage etwa äquidistant angelegt. Das Verfahren ist, zumal bei Beobachtungslücken, gewiß ziemlich grob; aber es verdeutlicht die Strömungsübersicht. Es interessiert insbesondere die Grenze zwischen der Strömung aus östlicher

Struktur der Luitströmungen über der Tropenzone des Ozenas in regionaler Betrachtung

205

und der aus westlicher Richtung, sie ist auf den Stromlinienkärtchen durch eine gestrichelte Doppellinie gekennzeichnet. Für die untere und mittlere Troposphäre bis 10 km Höhe sind für 6 Höhenstufen die Karten gegeben, in Abb. 42 für das Halbjahr November—April mit Kartenausschnitt 20° N — i o ° S (soweit mit Beobachtungen belegt), in Abb. 43 für Halbjahr Mai—Oktober mit Kartenbereich 20° N—30° S. In Abb. 42 ist, um die Änderung der Strömungsrichtung mit der Höhe recht deutlich zu machen, auf den Karten das Strömungsbild der jeweils nächstniedrigeren Höhenstufe gestrichelt wiederholt worden, entsprechend wurde auch die Grenze E/W wiederholt als punktierte Linie.

1 1 - 1 2 km

13-14km

15-16km

Abb. 45. Die Luftströmung über dem Bereich 20° N—20° S, 40—io° W in 1 1 — 1 6 km Höhe, in Mai—Oktober (soweit gemessen)

Für die obere Troposphäre, im Höhenraum I i — 1 6 km, bringt Abb. 44 für Halbjahr November—April, Abb. 45 für Mai—Oktober für je 3 Höhenniveaus die Strömungsbilder. Da in dieser großen Höhe die Beobachtungen spärlich werden, verengte sich der Kartenausschnitt bei Abb. 45. Einblicke in den Aufbau der tropischen Hauptluftströmungen bieten am besten Querschnitte, quer über die Breitengrade von der Nord- zur Südhemisphäre über den Äquator hinweg — sofern der Querschnitt durch Felder führt, die mit genügend zahlreichen und hochreichenden Messungen besetzt sind. E s sind die Felder des Schiffahrtweges vom Kapverdengebiet bis zum L a Plata (20° N—35 0 S), die dieser Forderung am besten entsprechen. Es stehen hier für die Höhen 0 — 1 5 km Vierteljahrswerte der Windfaktoren zur Verfügung, vgl. Abschnitt B, Kap. I. 2, Tab. 19). Die hiernach entworfenen Isoplethendiagramme geben die Raumschnitte für die beiden Strömungskomponenten in Abb. 46 (schraffiert der Raum mit + E = Ost bzw. mit -j- N = Nord), sowie für das Skalarmittel der Geschwindigkeit in Abb. 47 (punktschraffiert der Raum mit v < 10 m/s, strichschraffiert der Raum mit v > 20 m/s). Auf den Inhalt der Abbildungen 42—47 kommen wir in den folgerden Kapiteln zu sprechen.

Besprechung der Ergebnisse

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208

Besprechung der Ergebnisse

2. D i e t r o p i s c h e O s t s t r ö m u n g (Urpassat) a) R ä u m l i c h e A u s d e h n u n g d e s U r p a s s a t e s Den großen Luftstrom, der die Tropen von Osten nach Westen umkreist (tropical easterlies) bezeichnen wir kurz mit »Urpassat«, wobei wir dem Brauch an der Deutschen Seewarte und in der deutschen Literatur folgen, der 1922, mit Beginn des von der Seewarte durchgeführten Werkes der Höhenwindmessungen auf dem Atlantik, eingeführt wurde (16). Zur relativ dünnen Bodenschicht des Urpassates gehören die eigentlichen Passate, für die auch die Bewegung aus Osten das Ursprüngliche ist, wenn auch hier die meridionale Komponente infolge der Reibung und der thermischen Einflüsse hinzutritt. Über die Struktur der Grundströmungen der Passate siehe Meteorband X V I — Zweiter Teil, in welchem J. R e g e r über die Ergebnisse unserer Drachenaufstiege auf »Meteor« berichtet (17). Die Höhenstufe 1 — 1 . 5 km in Abb. 42 und 43 der Strömungskarten enthält zumeist das obere Drittel der eigentlichen Passate (auf der Ostseite des Ozeans liegt diese Stufe z. T. schon über der Passatinversion), gegenüber der Basisstufe 0—0.5 km (siehe Tafel VII) tritt in 1 — i . ^ km die meridionale Komponente bereits gedämpft auf. In Stufe 2—2.5 km ist die Strömung weiter gedreht zum fast reinen Ost des Urpassats, vgl. den Schnittwinkel der Stromlinien für 2—2.5 gegen 1 — 1 . 5 km (Abb. 42), der z. B. bei 40° W in 1 0 — 1 5 0 N etwa einen halben Rechten beträgt. Die auffallendste Erscheinung im Strömungsbild für 2—2.5 km — in Abb. 42, die für den Nordwinter gilt — ist das Auftreten von West bei 20° N-Br. Wie die Reihe der höheren Schichtkarten zeigt, wandert diese Grenze W7/E immer weiter südwärts: in 3 — 4 km liegt sie bei 15° N, in 5 — 6 k m bei io° N, in 7 — 8 km im östlichen Ozean bei 5° N, im westlichen schon am Äquator. So wird im winterlichen Halbjahr der Urpasssat mit zunehmender Höhe von Norden her immer mehr eingeengt. In 9 — 1 0 km ist die Grenze im Längenbereich 25—40° W der Äquatorialzone durchbrochen, Luft von Nordwesten her strömt also über den Äquator zur Südhalbkugel; östlich von 25° W herrscht in der Äquatorialzone noch der Urpassat mit Strömung aus Südost am Äquator selbst (Kompensationsvorgang?). Folgendes hebt sich in der Kartenserie von Abb. 42 noch heraus: im Niveau 2—2.5 km hat im Guineagolf der Urpassat eine verstärkte Nordkomponente (Abströmen vom nordafrikanischen Kontinent über den Äquator hinweg, im Winter). Und im Niveau 3 — 4 km die Tatsache, daß sich beim Ziehen der Stromlinien nur hier sogleich die klassische Anordnung realisierte mit Abbiegen innerhalb des Urpassats bei 5° N als Südost und Umbiegen bei 15 0 N als Südwest; in den Höhen darunter und darüber ergab sich eher an der Grenze W/E ein aneinander Vorbeiströmen ohne erkennbaren Übergang. Für die Jahreszeit Mai—Oktober erlauben es die Beobachtungen, den Kartenbereich bis 30° S zu erweitern, siehe Abb. 43. Dadurch wird für den Südwinter die Grenze des Urpassats gegen die Westströmung der Südhemisphäre erfaßt. Diese Grenze zieht sich in 1 — 1 . 5 und 2—2.5 km Höhe in etwa 25° S über den Ozean; vor der südamerikanischen Küste stößt sie bis 20° S nordwärts vor, wobei hier der West als ablandiger N W auftritt. Mit zunehmender Höhe wandert die Grenze W/E weiter nordwärts, in Nähe der beiden Kontinente rascher als in der Ozeanmitte; in 7 — 8 km liegt sie in der westlichen Ozeanhälfte bei 10° S, in der östlichen bereits bei 5 0 S. In der Höhe 7 — 1 0 km hat die südatlantische Westströmung auf der Westseite des Ozeans eine südliche, auf der Ostseite eine nördliche Komponente. In den nordhemisphärischen Breiten, die jetzt Sommer haben, wird der ganze R a u m o—20° N vom Urpassat beherrscht, in allen Höhen; erst oberhalb 5 k m erscheint im Seegebiet vor der afrikanischen Küste 20—15 0 N (soweit Beobachtungen vorhanden) ein Stück der Grenze W/E in fast gleicher Lage bis 10 km hinauf, die Grenzfläche geht hier also ganz steil in die Höhe.

209

Struktur der Luftströmungen über der Tropenzone des Ozeans in regionaler Betrachtung

Juli i

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September i

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Oktober — Dezember i

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210

Besprechung der Ergebnisse

Vor der Oberguineaküste zeigt das Strömungsbild für i — 1 . 5 km den oberen Teil der sommermonsunalen SW-Strömung, abbiegend aus dem Urpassat am Äquator (in 2—2.5 km noch als Süd bemerkbar). Vor der Niederguineaküste liegt in 1 — 1 . 5 km eine doppelseitige Divergenzlinie mit Abströmen aus dem SE-Passat als SW zur Küste hin (bei io° S neutraler Punkt). Auf die Strömungsbilder für die Höhen oberhalb 10 km, wie sie für beide Jahreszeiten in den Abbildungen 44 und 45 gegeben sind, kommen wir noch in den nächsten Kapiteln zu sprechen. Jetzt soll daraus nur entnommen werden, r20° was sich über die weitere Existenz des UrMai -Oktober passats in der oberen Troposphäre ersehen läßt. Im Nordwinter-Halbjahr zeigt sich im Niveau 1 1 — 1 2 km der Urpassat nur noch am Äquator und hier nur östlich von 20° W, in den weiteren Höhenstufen bis 16 km ist er verschwunden. Im Nordsommer-Halbjahr, in dem der Urpassat die Nordbreiten bis 10 km hinauf beherrscht, schrumpft in den höheren Niveaus sein Bereich zunehmend ein. In dieser Jahreszeit wird die Zahl u der Messungen gering, wir erkennen aber, 60° 20 50 40 30° 10° 20° daß die auf der Südhemisphäre nordwärts 20 gewanderte Grenze W/E den Äquator erreicht oder überschritten hat, und daß in die Höhenstufe 1 5 — 1 6 km nur noch ein Gipfel des Urpassats, auf dem östlichen Ozean in 5—15 0 N, hineinreicht. Abb. 48 zeigt die T o p o g r a p h i e der oberen Grenzfläche des Urpassats, wie sie sich nach den Werten der m i t t l e r e n Zonalkomponente je 5°-Feld (nach den Tabellen 3 30 und 4 im Abschnitt A) ergibt. Die südhemisphärische Isohypse o liegt bei 30° Breite, des Abb. 48. Topographie (km) der oberen Grenzfläche für die beiden Halbjahre wenig verschieden, Urpassats über dem Ozean die nordhemisphärische wird von unseren Beobachtungen nicht mehr erfaßt, sie liegt auch bei etwa 30°, der Achse der subtropischen Hochdruckzonen. Die Kammhöhe des Urpassats liegt im Nordwinter mit 1 2 — 1 3 km nahe dem Äquator, im Nordsommer mit > 1 5 km bei io° N. Es zeigt sich eine Anpassung der Region mit größter Urpassat-Höhe an die Lage der jahreszeitlich wandernden ITC-Zone (Abb. 48). 20

Es gaben in Abschnitt A die Abb. 5 und 6 für die mittlere Zonalkomponente die Vertikalschnitte von 20° N bis 35 0 S, und zwar für io°-Längenstreifen (bei dieser Detaillierung wird die Darstellung ziemlich lückenhaft). Hiernach ergibt sich als durchschnittliche Höhenlage der Urpassat-Obergrenze (in km) am Äquator selbst (ungefähr): Halbjahr V-X XI—IV

40—30° W 11 7

30—20° W (15) 11

20— io° W

io° W—o°

0—10° E

8

12

(5)

13

12

13

211

Struktur der Luftströmungen über der Tropenzone des Ozeans in regionaler Betrachtung

Mithin im Nordsommer = Südwinter ein Abfallen der Höhe nach Osten hin, im anderen Halbjahr aber ein Ansteigen; die niedrigste Höhe hat im Nordsommer o—io° E , im Nordwinter aber 30—40° W (vgl. Fernando Noronha Tab. 29 in Abschnitt B). Abb. 9 (Abschnitt A) enthält für die Zonalkomponente die Vertikalschnitte 20° N—35 0 S für die (zusammengefaßte) westliche Ozeanhälfte und ebenso für die östliche Ozeanhälfte. Hiernach gibt Abb. 49 im meridionalen Querschnitt den vom Urpassat eingenommenen Raum wieder,

Mai-Oktober

Nov. - April

Abb. 49. R a u m des Urpassats in meridionalen Querschnitten für die Ozeanhäliten, getrennt für die Halbjahre

und zwar gilt der Raum mit senkrechter Schraffur und ausgezogener Grenzlinie für das Halbjahr Mai—Oktober, der Raum mit waagerechter Schraffur und gestrichelter Grenzlinie für Halbjahr November—April. Der hohe Urpassat-Berg verschiebt sich im Jahreslauf nach derjenigen Hemisphäre hin, die Sommer hat. Der kreuzschraffiert erscheinende Raum wird das ganze J a h r über vom Urpassat eingenommen. Da auch hierbei in den oberen Höhen noch Lücken in der Grenzbestimmung bleiben, werden in Abb. 50 die Querschnitte gegeben, wie sie sich an Hand der Mittelwerte über die v o l l e Ozeanbreite darbieten: die Kammhöhe des Urpassatstromes liegt in beiden Halbjahren bei 1 1 — 1 2 km, der Raum mit Urpassat das ganze J a h r über liegt ziemlich symmetrisch zum Äquator, aber der Schwerpunkt des Oststroms liegt im Nordsommerhalbjahr auf nördlicher, im Südsommerhalbjahr auf südlicher Breite. Für die Betrachtung der j a h r e s z e i t l i c h e n Veränderung in der Gestalt des Urpassatkörpers geben die v i e r t e l j ä h r l i c h e n Raumschnitte unseres (diagonalen) »Seeweges« die beste Möglichkeit, siehe Abb. 46, Zonalkomponente ( ± E) für 0—15 km Höhe. Hiernach sind in Abb. 5 1 die Vertikalkurven der entgegengesetzten Jahreszeiten übereinander gezeichnet; dabei zeigt sich die unterschiedliche Lage und Mächtigkeit des Urpassats nicht nur zwischen dem engeren 28*

Besprechung der Ergebnisse

212

Sommer und Winter besonders ausgeprägt, sondern deutlich auch diejenige zwischen Herbst und Frühjahr: der Nordherbst ist noch dem Nordsommer-Typ angepaßt, der Südherbst dem Südsommer-Typ.

Mai - Okt.

Nov.-April

Abb. 50. R a u m des Urpassats im meridionalen Querschnitt auf Grund von Mittelwerten f ü r die ganze Ozeanbreite, getrennt f ü r die Halbjahre

Juli - 5eptember Januar-März

Oktober - Dezember April-Juni

Abb. 5 1 . R a u m s c h n i t t e längs des Seeweges nach S ü d a m e r i k a : Vergleich der U r p a s s a t - R ä u m e f ü r die entgegengesetzten Quartale

Nach Abb. 5 1 liegt im Feld 5 — 1 5 ° N, 20—30° W des Seewegbandes im Juli—September die mittlere Obergrenze der Urpassatströmung höher als 1 5 km. Station Bathurst liegt mit Position 13.4 0 N, 16.6° W nur 3 Längengrade östlich vom Seewegfeld. Wie aus Tafel X X X ersichtlich, erfüllt der Urpassat über Bathurst im Juni und September die gesamte Troposphäre, bis 18 km und darüber; leider fehlen vom Juli Beobachtungen oberhalb 1 5 km und vom August bereits ab 1 1 km (Zeit der ITC-Lage). Zur Ausfüllung dieser Lücke können aber Höhenwindmessungen von Dakar herangezogen werden.

213

S t r u k t u r der L u f t s t r ö m u n g e n über der Tropenzone des Ozeans in regionaler B e t r a c h t u n g

D a k a r liegt mit 14.70 N, 17.6° W nur um 1 Breiten- und 1 Längengrad von Bathurst entfernt. Es handelt sich bei Dakar um Messungen mit Radar (unabhängig vom Wetter), in den Monaten Juli und August 1949, September 1949 und 1950. Die Einzelmessungen sind enthalten in den U.S. Weather Maps Teil II. Hiernach berechnen sich für Dakar folgende Mittelwerte der Zonalkomponente (m/s) für Juli—September ( + E = Ost): Zahl der Messungen

Zonalkomponente

18 15 12 9

km km km km

Juli

Aug.

Sept.

Juli

Aug.

Sept.

+ 10 + 7 + 7

+ 11 + 10 + 8 + 6

+ 5 + 2 + 4

9 18

7 14 18 19

13 30 46 48

19

Also in den Sommermonaten Urpassat bis in die Tropopause hinauf; erstaunlich die fast gleichen Werte der Zonalgeschwindigkeit für Juli und August (im September die zu erwartende Abnahme). Im Juli und August ist bei allen Einzelmessungen in diesen Höhen nur Ost gefunden worden; im September treten in 9—15 km Einzelfälle mit — E = West auf, in 18 km ergab sich aber stets Ost. In Anbetracht der Güte der Messungen sollen für Dakar die Daten aller Windfaktoren gegeben werden, und zwar die Mittelwerte für das Vierteljahr Juli bis September. Wir benutzen diese Zusammenstellung zugleich zu einem Vergleich der Werte von Bathurst (Spalte B) mit denen von Dakar (Spalte D). Daten für B nach Tabelle 27 (S. 151); die 5 Fälle in 18 km bei B stammen nur noch aus dem September. Dieser Vergleichstest zeigt erneut weitgehende Übereinstimmung in der Größenordnung der Daten, trotz der verschiedenen Anzahl der Messungen und besonders trotz der verschiedenen Meßmethoden (bei D die wetterunabhängige Radarmessung, bei B die wetterabhängige optische Visierung). Dieses Beispiel erhärtet das Zutrauen zum Wert unserer Pilotballonaufstiege, zur Gültigkeit unserer Ergebnisse aus der Tropenregion. Bemerkenswert der gleichmäßig hohe Grad der Beständigkeit im Sommer. In Dakar wurde in 15 km als Maximum der Ostkomponente im Sommer 24 m/s gemessen (es trat hier als anderes Extrem aber auch einmal West 6 auf). Komponenten Höhe

Z.d.F.

(km)

(n) D.

B.

18

20

15 12

53 82 86

5 14 20

9

34

N (m/s) D. B.

E (m/ 0 D. B. + + + +

9 7 5 5

+ + + +

Vektor

8 8 7 6

— — — +

1 0 0 0

—6 —3 —2 —2

(i - 3 6 ) B. D. 9 9 9 9

13 11 10 11

skal.

D (m/s B. D. 9 7 5 5

10 9 8 6

Best.

V

(m/s) D. B. 10 9 6 6

11 12 10 8

q (0—10) D. B. 9 8

9 8

7 8

8 8

Die obige Tabelle zeigt, daß über Dakar die sommerliche Luftströmung bei 8—18 km fast reiner Ost von großer Beständigkeit ist, die meridionale Komponente (N) ist im Mittel verschwindend gering. b) M i t t l e r e u n d e x t r e m e W i n d g e s c h w i n d i g k e i t e n im U r p a s s a t Über die mittleren Windgeschwindigkeiten und ihre Änderung mit der Höhe (o—15 km) bietet Abb. 52 einen Gesamtüberblick, in meridionalen Querschnitten 20° N—35° S für die west-

'214

Besprechung der Ergebnisse

liehe und für die östliche Ozeanhälfte, dabei wieder mit Unterscheidung zwischen den beiden Halbjahren. Es handelt sich um die mittlere vektorielle Geschwindigkeit (ti, m/s), nach Tabelle 6 auf Seite 81—85. Die jeweilige Obergrenze des Urpassats ist eingezeichnet. Wie zu erwarten, verläuft diese Schichtgrenze so, daß sie die Raumfelder mit Minima von t> ungefähr verbindet. Innerhalb des Urpassats liegt das Maximum von t) überwiegend in der Basis-Schicht 0—1 km, also in der Strömung des eigentlichen Passats; darüber Abnahme von b mit zunehmender Höhe. In Äquatornähe, unter dem hier hochreichenden Urpassatkörper, sind bei etwa 3—4 km, teilweise auch bei 7—8 km, neue Maxima der mittleren Luftversetzung eingelagert ; doch bleibt 0 im Urpassat allenthalben ig 10 m/s (von wenigen Ausnahmen abgesehen). Das gilt auch noch für die (größere) Skalargeschwindigkeit v, siehe hierzu Abb. 47 für den Seewegschnitt, und Tafel XXXII für Bathurst und Fernando Noronha. Im Urpassat ist das Geschwindigkeits-Intervall 5—10 m/s weitaus das häufigste. Welche Höchstwerte der Geschwindigkeit (m/s) treten nach den Einzelmessungen bei ö s t l i c h e r Windrichtung, also innerhalb der Urpassatströmung, überhaupt auf? Aus Tabelle 7 in Abschnitt A (Seite 87—89) ist hierzu folgende Übersicht zu entnehmen:

Halbjahr

Mai—Oktober

Nov.—April

Breitenzone 20—10° N ' 10° N—0° 0—10° S 10—20° S 20—10° N 10° N—o° 0—10° S 10—20° S

Höhe (km) 0—0.5

1-5—2

3—4

5-6

7-8

9—10

11—12

16 • 12 20 17

21 18 16 21

21 23 17 30

21 18 18 21

11 20 18

16 18 21

14 23

19 17 16 13

23

12 17 18

11 17 13

20

18

23

21 l8

An unseren »Stützpfeilern« mit besonders zahlreichen Messungen sind nach Tab. 35 (Abschnitt B, Seite 167—1.68) bei ö s t l i c h e m Wind, also im Urpassat, folgende Einzelwerte als Höchstgeschwindigkeit (m/s) je Höhenstufe gemessen worden: Höhe (km)

Vierteljahr 1-5—2

3—4

6-7

9—10

Bathurst (14° N)

I—III IV—VI VII—IX X—XII

19 16 26 17

17 24 26 19

19 16 15

14

Fern. Noronha (4° S)

I—III IV—VI VII—IX X—XII

17 25 15 21

17 16 IA 17

13 12 20 16

20 25

Struktur der Luftströmungen über der Tropenzone des Ozeans in regionaler Betrachtung

westliche O z e a n h ä l f t e

östliche O z e a n h ä l f t e km

14

S c h r a f f u r in 4 S t u f e n : m/s Abb. 52. Mittlere velttorielle Geschwindigkeit (m/s) in meridionalen Querschnitten für die Ozeanhälften, getrennt für die Halbjahre (gestrichelte Linie — Urpassat-Begrcnzung)

216

Besprechung der Ergebnisse

Nach den ergänzenden Messungen von Dakar sind im Sommer-Vierteljahr V I I — I X (ITC-Lage) in der oberen Troposphäre, bei stetigem Ost bis in die Stratosphäre hinein, folgende Extreme der Geschwindigkeit gefunden worden. D a k a r (15 0 N) Höhe n

Mittel

. . . . . . . .

Maximum . . • Minimum . .

9

12

15

18

km

86 6

82 6

53 9

20 10

m/s

14 0

16 0

24 2

20 2

m/s m/s

(;; = Anzahl der Messungen) Der Höchstwert beträgt etwa das 2 1 / 2 -f a c he des Mittelwertes von v. Im Urpassat der unteren und mittleren Troposphäre, im Bereich der Tropenzone, liegen die gefundenen Höchstwerte der Geschwindigkeit bei 20 bis 30 m/s (d. i. das Mehrfache der mittleren Geschwindigkeit), über solche »Störungen« siehe Beispiele in Kap. IV (Zeitschnitte). 3. R e g i o n a l j a h r e s z e i t l i c h W e s t in der G r u n d s c h i c h t Im Sommer finden wir über einem Streifen vor der afrikanischen Küste die monsunale westliche Strömung. Diese auflandige Strömung ist auf die Grundschicht beschränkt, sie löst im Sommer den Passat ab. Vom hohen Urpassat aus gesehen ist die monsunale Strömung, die ihn unterwandert, nur eine untergeordnete Erscheinung in der flachen Basisschicht, wie auf unseren graphischen Darstellungen ersichtlich (siehe z. B. in Abschnitt A Tafel I oder VII). Für den afrikanischen Küstenabschnitt 20° N—8° N-Breite sei auf Kap. I. 3 (Abschnitt C) mit Abb. 35 verwiesen, die obere Grenze des sommerlichen Westmonsums liegt bei 1—2 km Höhe. Für die Hafenstation Bathurst, die mit 14° N zu diesem Küstenbereich gehört, siehe die Ausführungen in Kap. I I . 3. c und besonders die Tafel X X X mit dem Isotachendiagramm der Zonalkomponente für Bathurst, aus welchem die Jahreszeit, Höhe und Geschwindigkeit des westlichen Monsuns als sommerlicher Basisströmung am besten abzulesen ist, im richtigen Verhältnis zum hohen Urpassat. Instruktiv in dieser Hinsicht ist auch das Vektordiagramm für Bathurst in den Sommermonaten Juli—September auf Abb. 39; hier ist auch der unmittelbare Vergleich des kleinen monsunalen Vektors im Sommer, für 0.5—1 km Höhe, mit dem relativ großen Passatvektor im Winter lehrreich. Bei Bathurst ist der Monsun wesentlich unbeständiger als der Passat, vgl. Abb. 40 und Tafel X X X I I I in Kap. II. 7. Ein weiteres Seegebiet, das im Sommer in der Grundschicht eine auflandige monsunale Strömung mit Westkomponente hat, ist der Küstenstreifen vor der Oberguineaküste. Diese Strömung reicht etwa 1 km höher hinauf als die vor der nordwestafrikanischen Küste, vgl. auch Abb. 43. Die Strömungsverhältnisse in der Region südlich der Oberguineaküste sind bereits in (7) eingehend besprochen worden, deshalb wird hier auf diese Teilveröffentlichung 1954 verwiesen. Im Streifen 4—5° N, io° W—5 0 E vor der Küste ergab sich Westkomponente für die Schicht 0—2.5 km Höhe, am Boden mit 4, in Höhe 2 km noch mit 2 m/s (Mittelwerte der WKomp. im Mai/August); darüber der Urpassat.

217

Struktur der Luftströmungen über der Tropenzone des Ozeans in regionaler Betrachtung

A u c h im K ü s t e n s t r e i f e n v o r der südwestafrikanischen K ü s t e zeigen die Messungen regional eine auflandige westliche S t r ö m u n g in der Grundschicht, vgl. in A b b . 43 das Stromlinienbild f ü r die Höhenstufe 1 — 1 . 5 k m . A b e r die A n z a h l unserer Messungen ist hier nur gering. I m F e l d querab L o a n d a (5—-io° S) geben nach Tabelle 24 (S. 146) 7 A u f s t i e g e im A u g u s t / S e p t e m b e r im Mittel westliche K o m p o n e n t e in der Grundschicht o — 2 k m , darüber Urpassat (im F e l d querab S w a k o p m u n d (20—25 0 S) zeigen 7 A u f s t i e g e im Juli/August im Mittel O s t k o m p o n e n t e auch in der Grundschicht). E s fehlen Messungen aus dem Südsommer. E i n V o r k o m m e n v o n W e s t m i t t e n auf d e m Ozean bei 5 — 1 0 ° N, 3 0 — 3 5 0 W , im Sommer in der Grundschicht 0 — 3 k m fällt aus d e m R a h m e n heraus (siehe T a f e l I u n d auf weiteren A b b i l dungen). D a hier nur 3 A u f s t i e g e zugrunde liegen, bleibe es dahingestellt, ob dieser B e f u n d nur zufälliger A r t ist (bei der Stromliniendarstellung in A b b . 43 nicht berücksichtigt). 4. D i e t r o p i s c h e W e s t s t r ö m u n g d e r o b e r e n

Troposphäre

D e r Urpassat, wie er in der Tropenzone des A t l a n t i s c h e n Ozeans ausgebildet ist, wird eingehüllt, überlagert u n d entgegengesetzt überströmt v o n der W e s t s t r ö m u n g , welcher der C h a r a k t e r eines »Anti-Urpassats« z u k o m m t . Die obere Grenze des Urpassats ist Basis dieser W e s t s t r ö m u n g . A l s »Meteor« 1925 auf seine Forschungsfahrt ging, m u ß t e a n g e n o m m e n werden, d a ß in den inneren T r o p e n die große O s t s t r ö m u n g die gesamte Troposphäre bis zur Tropopauseschicht und ebenso darüber die Stratosphäre beherrscht. E s w a r ein wichtiges E r g e b n i s unserer Messungen, das wir als überraschende E n t d e c k u n g werten m u ß t e n : die E x i s t e n z der W e s t s t r ö m u n g in der oberen Troposphäre über d e m innertropischen A t l a n t i k einschließlich des Ä q u a t o r g e b i e t s selbst. B a l d n a c h R ü c k k e h r v o n der E x p e d i t i o n berichtete ich hierüber auf der T a g u n g 1928 der D e u t schen Geophysikalischen Gesellschaft; Inhaltsangabe in »Zeitschrift f ü r Geophysik« 1928, s. (1). a) R ä u m l i c h e

Ausdehnung

A u s den Grundtabellen 3 u n d 4 (ab Seite 40 i m A b s c h n i t t A) mit den mittleren W i n d f a k t o r e n f ü r die 5 "-Felder des tropischen Ozeangebietes ist die Topographie der Basisfläche der oberen W e s t s t r ö m u n g bereits in K a p . 2. a abgeleitet worden (dort als Obergrenze des U r p a s s a t s besprochen), vgl. A b b . 48. W e l c h e Mächtigkeit h a t nun die hohe W e s t s t r ö m u n g , in welcher H ö h e liegt ihre Obergrenze ? Diese F r a g e wird durch unsere Hochaufstiege überraschend klar beantwortet. B e i Durchsicht der Grundtabellen 3 und 4, Spalte Zonalkomponente, ergibt sich m a r k a n t die E x i s t e n z der E Schichtgrenze — , über d e m hohen W e s t wieder Ost. I n A b b . 53 ist in d i e 5 ° - F e l d e r die jeweils gefundene Höhenlage dieser Grenze eingetragen, getrennt f ü r die H a l b j a h r e . D a s V o r k o m m e n der Grenze ist auf die Zone der inneren T r o p e n (20° N — 2 0 ° S) beschränkt. E s liegen natürlich nur in einem Teil der 5 "-Felder Messungen (wenn überhaupt) aus so großen H ö h e n vor, d a ß die E hohe Grenze — erfaßt werden konnte. E i n g e k l a m m e r t e Zahlen in A b b . 53 besagen, d a ß in dieser H ö h e z w a r nicht direkter Ü b e r g a n g v o n W nach E s t a t t f a n d , d a f ü r aber ein deutliches M i n i m u m in der Z o n a l k o m p o n e n t e die Grenze markierte. A u f f a l l e n d ist die weitgehende Ubereinstimmung der gefundenen Grenzhöhen. E s sind in A b b . 53 insgesamt 52 H ö h e n a n g a b e n f ü r 5°-Felder im Bereich 20° N — 2 0 ° S. E s zeigt sich kein wesentlicher Unterschied zwischen den H a l b j a h r e n . V o n den 52 W e r t e n fallen 40 ( = 7 7 % ) auf das Höhenintervall 1 6 — 1 8 k m , bei 9 Fällen ( = 1 7 % ) ist die H ö h e ^ 15, bei 3 Fällen ( = 6 % ) ist sie 1 9 — 2 0 k m . I m D u r c h s c h n i t t über alle Fälle ergibt sich die Höhe der Grenze z u 16.5 k m , das Mittel der 40 Fälle innerhalb des weit häufigsten Höhenintervalls 1 6 — 1 8 k m b e t r ä g t 16.8 km. D . A . E . »Meteor« 1925/27, B d . X V I , 1.

29

218

Besprechung der Ergebnisse

E s stellt sich somit die obere Strömungsinversion, als Ü b e r g a n g v o n W nach E , g a n z vorwiegend und beharrlich auf die H ö h e v o n rund 17 k m ein. Dieser Quasikonstanz der Grenzlage m u ß ein besonderes M a ß v o n G e s e t z m ä ß i g k e i t zugrunde liegen. Allgemein ist nun in der Tropenzone der E r d e (Ozeane) die H ö h e v o n durchschnittlich 17 k m als Ort der oberen Temperaturinversion

1

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16

20° Mai -

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8

-10°

{ 20 m/s auf. Bei Beschränkung auf den Seeweg nach Südamerika und Mittelbildung für Vierteljahre treten indes für 10—20° N in der oberen Troposphäre im Januar—März auch Werte > 20 m/s auf (Westkomponente), vgl. Abb. 46. An H ö c h s t w e r t e n der Geschwindigkeit (m/s) bei den Einzelmessungen bei westlicher Windrichtung, also innerhalb der Westströmung oberhalb des Urpassats, sind aus Tabelle 7 (S. 87—89) folgende Werte zu entnehmen:

Halbj ahr

Breitenzone

Mai-Oktober

Nov.—April

Höhe (km) 7-8

9—10

11—12

13—14

15

21

22

18

21

23 24

20—io° N io° N—o° o—io° S 10—20° S

20 28

30

38

55

20—10° N 10° N—o° 0—10° S 10—20° S

38 25 25 24

42 30 22 26

42 30 23 35

36 46 3i 26

Und nach Tab. 35 (S. 167—168) für die »Stationen« die Maxima im hohen West der genannten Höhenstufe: Höhe (km)

Vierteljahr X—XII I—III IV—VI

6-7

9—10

6-7

9—10

24 32 !9

36 42 24

23 14

29 24

Bathurst (14° N)

Fern. Nor. (4°S)

Die Schwelle von 30 m/s ( = 60 Knoten = 108 km/h) wurde in der Breitenzone 10—20° S in beiden Halbjahren überschritten, im Südwinter ist hier (15—20° S) in 13—14 km Höhe im Einzelfall die Geschwindigkeit von 55 m/s gemessen worden, das ist mit 110 Knoten = 200 km/h volle Strahlstromgeschwindigkeit. Auch auf Nordbreite wurde im Nordwinter bei 15° N (Bathurst) die Schwelle von 40 m/s ( = 80 Knoten = 150 km/h) überschritten. Aus den Grundtabellen 3 und 4 kann pro 5°-Feld diejenige Höhenstufc entnommen werden, in der in der hohen Westströmung die Westkomponente ihr Maximum hat; diese Höhenlage 29«

220

Besprechung der Ergebnisse

ist für diejenigen 5"-Felder, in denen sie erfaßt ist, in Abb. 55 für die beiden Halbjahre eingetragen (es steht hier z. B. 14 für die Höhenstufe 14—15 km). Es zeigt sich, daß sich in einer Breitenzone die Werte meist nur wenig voneinander unterscheiden. Daher ist es für einen (etwas groben) Überblick wohl zulässig, trotz der Lückenhaftigkeit Mittelwerte der Höhen (km) je 5°-Breitenzone zu bilden und miteinander zu vergleichen: Breite 15—20° N 10—15° N 5—100 N 0 - 5° N 0 - 5° S 5— 1 0 ° S 10-15° s 15—20° S 20—25° S

V—X 13 15 13 13 14 14 15 15 13

XI—IV

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13 13 14 14 13-5 13-5 13 Ii

9

Für die Äquatorialzone 5 0 N—5° S ist es die Höhenstufe 14—15 km, in der durchschnittlich das Maximum der Westkomponente liegt ; das ist 2 km unterhalb der innertropischen Tropopause, etwa die Mitte der hier durchschnittlich 4—5 km dicken Westströmung. 5. M e r i d i o n a l s t r ö m u n j in d e r T r o p o s phäre Bei der Zonalströmung ergab sich auf Grund der Mittelwerte eine ausgeprägt klare und ein12 11 11 13 II 10 fache Vertikalstruktur; aber bei der MeridionalJ 5 15 14 15 12 14 11 N — strömung ist es nicht leicht, einen typischen 15 14 16 14 15 15 0° Aufbau zu erkennen. Abgesehen von der BasisL^ 14 13 15 15 14 16 15 15 S \ K 12 strömung mit den eigentlichen Passaten bzw. 10° 12 monsunalen Strömungen erweisen sich die mittfi leren Meridionalkomponenten als ein recht un/I 11 h20° 9 6 bedeutender und schwankender Faktor; vgl. die \ Schichtkarten auf Tafel IV—VI (S. 26—28). Abb. 55. Höhenlage (km) vom Maximum der WestOffensichtlich macht sich hier (bei der oft so komponente geringen Größe der mittleren Komponente) eine Abhängigkeit von der Zahl der Beobachtungsfälle stärker bemerkbar. Deswegen ist es angebracht, hier diejenigen Felder zu betrachten, die mit Beobachtungen relativ am besten belegt sind. Das sind die Felder des »Schiffahrtsweges«; hierfür gibt Abb. 46 den Raumschnitt 20° N bis 35° S für 0—15 km Höhe mit den Isotachen auch der meridionalen Strömungskomponente ( ± N) (Vierteljahrswerte). In den Tropen 20° N—20° S liegt die mittlere Geschwindigkeit der Meridionalkomponente weitaus überwiegend im Intervall o—5 m/s; die Schwelle 5 m/s wird nur teilweise in der Basisschicht (im Kern der Passate) und zum Teil in der oberen Troposphäre (bei 10—15 km) über14

13

II

11

11

9

10

i

Nov. - April

Struktur der Luftströmungen über der Tropenzone des Ozeans in regionaler Betrachtung m/sec

km

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221

0-5°S (30-35°W)

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Höhenwinde

auf dem Seeweg nach Südamerika, 20°N bis 20°S. Änderung mit der Höhe für 0-15km nach Vierteljahrswerten. Januar-März: auf Nordbreite Winter(Wi), auf Südbreite AfirH-Junj: a Frühjahr (Fr), „ a Juli r September: Sommer (So), n Oktober - Dezember: Herbst (He), „

Sommer (So) Herbst (He) Winter (Wi) Frühjahr (Fr)

Abb. 56

schritten. In Abb. 56 sind die Yertikalkurven der meridionalen Strömungskomponenten (pro Viertel] ahr) dieser 8 Felder zusammengestellt. Man vergleiche hierzu die entsprechende Darstellung für unsere am besten mit Beobachtungen belegten »Stationen «Bathurst und Fernando Noronha in Abb. 38. Die mittlere Meridionalkomponente ist in der ganzen Troposphäre nur klein, in allen Jahreszeiten; das Bündel der Kurven windet sich wie Girlanden um die Null-Linie in die Höhe,

Besprechung der Ergebnisse

222

Er Lg.

20°5

(37° W)

10°S (33° W)

w 0° (30° W)

e

20° N

10°N

(25° W)

(22° W)

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km 14

13

12

11

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7

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5

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3

2

1-1

0

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13 N

(17°W)

km 15 13 11

9 7 5 3 Bathurst

1 0

Abb. 57. Aufteilung des troposphärischen Raums in Bereiche mit Strömungskomponente aus Nord (schraffiert) und solche mit Komponente aus Süd (ohne Schraffur), im Jahresgang für 7 Positionen des tropischen Ozeans

Trotz dieser Geringfügigkeit der Nord-Süd-Komponenten ist es wichtig, sich ein übersichtliches einfaches Bild zu machen von der Einteilung des troposphärischen Raums (nach Höhenlage und Jahreszeit) in Bereiche mit Strömungskomponente aus Nord und solche mit Strömungskomponente aus Süd; siehe Abb. 57. Beide Bereiche wechseln mosaikartig miteinander ab (sich mehr oder weniger kompensierend). Bei 1 0 bis 20° N, oberhalb der Grundströmung des Nordostpassats, überwiegt der R a u m mit Süd, also mit Wegströmen vom Äquator. Am Äquator und bei Fernando Noronha aber, oberhalb der Grundströmung des Siidostpassats, überwiegt der R a u m mit Nord. Dabei tritt teilweise Mehrfachschichtung Nord/Süd auf. Zur Schichtung der Meridionalkomponente über Bathurst und Fernando Noronha siehe die Ausführungen in Kap. I I . 4. mit Tafel X X X I . In 10° S des Seeweges (Abb. 57), vor der brasilianischen Küste, tritt die Mehrfachschichtung Süd/Nord besonders ausgeprägt auf; in 20° S aber nicht mehr, hier besteht einfache Schichtung: in der unteren Troposphäre Nord bis 5 km, im Südsommer bis 7 km, dar-

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224

Besprechung der Ergebnisse

über Süd. Hier in 20° S liegt ein Sonderfall vor: die Existenz des Nordostmonsuns vor der Küste Brasiliens in der Grundschicht, darüber des Nordwest, ausgedehnt besonders im Südsommer als Zwischenströmung (Linksdrehung), darüber dann der hohe Südwest als äquatorwärts drängender Zweig der großen südatlantischen Westströmung. Abb. 58 zeigt die Richtungsquadranten des Windvektors für 0—15 km auf dem ganzen Seeweg-Schnitt 20° N—35° S für die vier Jahreszeiten; hierbei bleibt aber zu beachten, daß die meridionale Komponente im Vergleich zur zonalen meist eine untergeordnete Rolle spielt. Die

N

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Abb. 59. Vektordiagramm der mittleren Luftströmung für o—8 km Höhe im Winter- und Sommervierteljahr über Bathurst (an der Vektorspitze Angabe der Höhenstufe, z. B. 4 = Stufe 3—4 km)

nichtschraffierte Fläche hat SW. Im Bereich des sich jahresperiodisch deformierenden Urpassat körpers wechseln N- und S-Komponente; über dem NE-Passat der Basisschicht herrscht rechtsdrehend S E , über dem SE-Passat linksdrehend NE, darüber in den inneren Tropen wieder Rückdrehen. Uber den Hängen und dem Kamm des großen Urpassatberges herrscht der hohe West, zumeist SW, aber in der hohen Troposphäre finden wir über der äquatorialen Zone den auffallenden Bereich mit NW. Man vergleiche mit Abb. 58 die Darstellung vom Aufbau der Richtungsquadranten über Bathurst und Fernando Noronha auf Tafel X X X I I , dort für o—17 km auf Grund der monatlichen Mittelwerte, und die Besprechung hierzu in Kap. II. 5. Die wirkliche Drehung und Änderung des Windvektors mit der Höhe veranschaulicht ein Vektordiagramm. Solche Diagramme wurden für die Seeweg-Felder im Abschnitt B, Kap. I. 1 gegeben (siehe die Tafeln X X I — X X V und Abb. 17). Hier ist für die 8 Höhenstufen der Schicht 0—5 km die jahresperiodische Schwankung des Monatsvektors um den Jahresvektor dargestellt.

225

Struktur der Luftströmungen über der Tropcnzone des Ozeans in regionaler Betrachtung

Hiernach wurden für die extremen Monate Februar und August Diagramme der Vektoränderung mit der Höhe gezeichnet, für den Bereich o—15 0 N, 20 — 30° W ; bereits veröffentlicht 1952 in (5), siehe dortige Abb. 3. Auf die nähere Besprechung hierzu in (5) sei verwiesen. Für unsere »Stationen« Bathurst und Fernando Noronha ist auf Seite 104 in den Abbildungen 25 und 26 die jahresperiodische Schwankung des Monatsvektors für 5 Höhenstufen aus 0 — 1 5 km 05

Seegebiet Fernando Noronha (Maße wie bei Abb. 59)

dargestellt worden. Hierzu werden nun ebenfalls die Diagramme der Vektoränderung mit der Höhe gegeben, jetzt für die entgegengesetzten Vierteljahre, Januar—März und Juli—September; bei Bathurst in Abb. 59 bis zur Höhe von 8 km, bei Fernando Noronha in Abb. 60 für die ganze Troposphäre bis 16 km. Diese Diagramme für die am besten mit Beobachtungen belegten Stationen aus den beiden Passatregionen vermitteln einen konzentrierten Uberblick über die Ausbildung der Hauptluftströmungen, wie wir sie in den einzelnen Kapiteln schon beschrieben haben. Die Auswirkung der meridionalen Komponente, die typischen Arten des Übergangs von einem Strömungsglied zum anderen zeigen sich deutlich. Bei Bathurst allgemein der große Gegensatz in der Strömungsstruktur zwischen Winter und Sommer. Bei Fernando Noronha verhältnismäßig geringer jahreszeitlicher Unterschied, das Maximum der hohen Westströmung bei 1 3 — 1 5 km mit Komponente aus Nord in beiden Jahreszeiten. Die bereits zur Ergänzung herangezogenen Radar-Winddaten von Dakar zeigten für Juli— September bei 9—18 km Höhe, daß hier der Mittelwert der Meridionalkomponente verschwindend gering ist. Aus den Einzclmessungen lassen sich hierfür auch die Extremwerte entnehmen: D. A. E. »Meteor« 1925/27, Bd. XVI, 1.

30

226

Besprechung der Ergebnisse

Nord-Süd-Komponente km

Mittelwert

18

— 0.6

15

— °-3 — °-3

12

9

+

N, m/s)

Maximalwert

0.3

Nord

Süd

+ 5 + 8

— 10

— 13

+

6

—

Ii

+ 7

—

8

Das weist darauf hin, daß der Mittelwert von fast Null dadurch zustandekommt, daß die im Einzelfall gar nicht geringen Meridionalkomponenten sich gegenseitig aufheben — ein charakteristisches Merkmal für die Zeit der ITC-Nähe.

Diese Frage nach der wirklichen Rolle der Meridionalkomponente in der tropischen Zirkulation erfordert noch nähere Erkundung an Hand von Einzelmessungen. Hierfür seien Hochaufstiege vom »Meteor« genommen, die wir im Bereich der inneren Tropen 10° N—10° S gewonnen haben; ihre Position zeigt Abb. 61. Numerierung entsprechend Liste im Meteorband XV (Tab. 25 ab Seite 89, Tab. 26 ab Seite 135). Es sind 26 Aufstiege an 26 verschiedenen Tagen der Jahre 1 9 2 6 / 2 7 , bei denen die Schicht der Tropopause erreicht wurde (Verf. blickt auf sie in lebhafter Erinnerung zurück, sie haben im äquatorialen Klima auf dem schwankenden kleinen Schiff, bei Dauer der Visierung von 1 Stunde und mehr, manche Aufregung gebracht und Schweißtropfen gekostet). Die Messungen lassen sich gruppieren je nach Westteil oder Ostteil des Ozeans, ob nördlich oder südlich vom Äquator:

Gruppe

Breite

Länge

Monat

a

5~io° N 0 - 5° S 9°S 0— 5 ° N 0— 5° S

40—50° W

April Okt./Jan./Febr. September November Dezember

bi b2 c d

25—40° W 22—27° W 0—10° W 0—10°

W

Jahr

Anzahl

1927

8

1927

10

1926

2

1926

4

1926

2

Struktur der Luftströmungen über der Tropenzone des Ozeans in regionaler Betrachtung

227

Abb. 62. Vertikalschichtung der meridionalen Strömungskomponente (Nord—Süd) bei den Meteor-Einzelmessungen in den inneren Tropen, Gruppe a (April 1927)

30

228

Besprechung der Ergebnisse

Abb. 6.3. Desgleichen wie Abb. 62: Gruppe b x (Oktober 1926, Januar—Februar 1927)

III. Struktur der Luftströmungen über der Tropenzone des Ozeans in regionaler Betrachtung

229

Für diese 5 Gruppen wird in den Abbildungen 62—66 für die einzelnen Aufstiege die Vertikalschichtung der m e r i d i o n a l e n Strömungskomponente ± N (m/s) dargestellt, und zwar in ziemlich großem Maßstab (positiv = Nord, negativ = Süd), um die Schichtung recht anschaulich zu machen. Um das Wesentliche in der Struktur hervorzuheben, sind hier alle Werte < 1 m/s weggelassen. Die hierdurch freiwerdende Raumsäule wird dafür benutzt, die wesentlichen Merkmale in der Schichtung der z o n a l e n Komponente einzutragen. Es bedeutet hier: Schicht E — E = Urkm

passat, darüber Schicht W — W = hoher West, darüber bei der Tropopause Übergang zum W oberen E. Kleine Horizontalstriche geben die Höhenlage der Schichtgrenzen: z.B. — (UrpassatE Obergrenze), — (Tropopause). Die letztere Grenze ist in einigen Fällen durch n markiert, wobei n ein deutliches Minimum in hohem West (ohne Auftreten von E) bedeutet; ^ besagt, daß über dem West die Zonalkomponente = Null ist. Mit x wird innerhalb der betr. Hauptströmung die Höhenlage vom Maximum der Zonalgeschwindigkeit angegeben, mit n die des Minimums, (x) bedeutet Nebenmaximum. So ist also der Schichtung der Meridionalströmung diejenige der Zonalströmung gegenübergestellt zum Vergleich. Betrachten wir zum Beispiel auf Abb. 62 den Aufstieg Nr. 756 vom 5. April 1927 auf Position 5° N, 470 W. Die Zonalkomponente zeigt die klare Schichtung Urpassat — hoher West — wieder Ost über der Tropopause. Aber die Meridionalkomponente ist innerhalb dieser Hauptströmungen wieder unterteilt: im Urpassat in der Grundschicht Nord (NE-Passat), darüber Süd (SE), dann wieder Nord (NE), also meridional gesehen Dreifachschichtung des Urpassats; in der Westströmung der oberen Troposphäre unten Süd (SW), oben Nord (NW), also Doppelschichtung. Oder nehmen wir auf Abb. 65 den Aufstieg Nr. 573 vom 24. November 1926 auf Position 30 N, i ° W. Die Zonalkomponente zeigt wieder ihre typische klare Schichtung. Der Urpassat ist meridional gesehen wieder unterteilt, in der Grundschicht Süd (SE-Passat, der den Äquator überströmt hat), darüber Nord (NE) mit mehreren kleinen Spitzen; der hohe West hat wieder unten Süd (bis 12 m/s), darüber Nord (bis 10 m/s), darüber nochmals Süd (bis 6 m/s), also in drei Schichten unterteilt.

230

Besprechung der Ergebnisse

Im Vergleich zu der Schichtung Ost/West zeigt diejenige für Nord/Süd das unruhige Mehrfache an Wechseln mit der Höhe, die Tendenz zu einer blättrigen Struktur, das zeigen alle Aufstiege. Dabei erweist sich als weiteres typisches Merkmal, daß die beiden zonalen Schichtgrenzen W E — und ... fast immer direkt verbunden sind mit markantem Sprung der Meridionalkomponente, E W entweder von Süd nach Nord oder umgekehrt (beide Arten etwa gleich häufig). Bei zeitlich aufeinanderfolgenden Tagen bleibt der Aufbau-Typ der Meridionalkomponente für einige Zeit ungefähr erhalten, doch verändern sich Höhenlage und Ausmaß der »Zungen« allmählich, und es kommt dann zu Aufspaltungen oder zu einem Seitentausch der Zungen. Bei solchem Fluktuieren muß sich bei einer Mittelbildung für eine bestimmte Höhe ein nur geringer Wert ergeben; hierfür einige Teste:

Höhe (km) 13—14 9—10 6 - 7

4— 5

Gruppe a Extreme Nord

Süd

+ 12

— 8

+ + +

—3 —7 —4

9 4 4

Gruppe bx Extreme

Mittel (8 Aufst.)

Nord

+ 3 + 3 —1 0

+ 10 + 5 + 3 + 4

Süd —

2

— 15 — 5 — 3

Mittel (7 Aufst.) + 5 0 —1 0

Geschwindigkeiten m/s. Die Aufstiege verteilen sich bei jeder Gruppe auf die Zeitspanne von i Monat. Von den 26 Hochaufstiegen bringen folgende die überhaupt größten Werte in der meridionalen Strömungskomponente: innerhalb des Urpassats: Nr. 763 (50 N, 430 W) mit Nord 12 m/s in 13—14 km, und Nr. 659 (2° S, 390 W) mit Süd 25 m/s in 10—11 km; innerhalb des hohen West: Nr. 627 (20 N, n ° W) mit Nord 22 m/s in 12—13 km, und Nr. 583 (1° N, o°) mit Süd 19 m/s in 14—15 km. Hiernach muß in der Äquatorzone in der oberen Troposphäre (etwa bei 11—14 km Höhe) mit Luftversetzungen sowohl aus Nord wie aus Süd bis zur Größenordnung > 20 m/s ( > 70 km/h) gerechnet werden, auch über dem Äquator selbst. 6. B e s t ä n d i g k e i t der t r o p o s p h ä r i s c h e n S t r ö m u n g e n Zur Beständigkeit der Luftströmung über Bathurst und Fernando Noronha siehe Kap. II. 7 mit Tafel XXXIII (Isoplethendiagramme an Hand der Monatswerte) und mit den Abbildungen 40 und 41 (Vertikalkurven anhand der Vierteljahreswerte, im Vergleich mit der Vertikalschichtung der Zonalströmung). Die Grundtabellen 3 und 4 geben für die 5"-Felder des Ozeans die Beständigkeit nach Halbjahrswerten (q in Zehnerprozenten). Es ist angebracht, die Brauchbarkeit des Faktors Beständigkeit durch einen Test zu beurteilen, besonders hinsichtlich des Einflusses einer sehr verschiedenen Anzahl von Beobachtungsfällen (n): Es werden die Werte von n und q für zwei 5°-Felder gegenüber gestellt, die in derselben Breite liegen, aber um 10 Längengrade auseinander:

I I I . Struktur der Luftströmungen über der Tropenzone des Ozeans in regionaler Betrachtung

km

Abb. 66. Ebenso: Gruppe d (Dezember 1926)

231

232

Besprechung der Ergebnisse

Breite 10—15° N n Länge °W

n

—

T

m

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N

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