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Hoch- und Tiefdruckgebiete

Allgemeines

Isobaren in einem Hochdruckgebiet © goruma

Es gibt kaum einen Wetterbericht im Fernsehen oder in den Printmedien, in dem nicht irgendwelche Hoch- und/oder Tiefdruckgebiete dargestellt oder zumindest erwähnt werden. Wer kennt nicht die Ansagen über ein Azorenhoch oder Atlantiktief, die das Wetter bei uns in erheblicher Weise bestimmen. Zusammengefasst lässt sich feststellen, dass Hoch- und Tiefdruckgebiete die wichtigsten für das Wettergeschehen verantwortlichen Parameter sind.

Was ist ein Hochdruckgebiet?

Unter einem Hochdruckgebiet, auch als Antizyklon bezeichnet, versteht man ein Gebiet, dessen  Luftdruck im Vergleich zur Umgebung erhöht ist. Der mittlere Luftdruck liegt bei 1,013 bar = 1013 mbar (Millibar) = 1.013 hPa (Hektopascal). Ein Hochdruckgebiet besitzt damit einen darüber liegenden Luftdruck. Das Zentrum eines "Hochs" bildet der Hochdruckkern, der den höchsten Druck des gesamten Druckgebiets aufweist. Einzelheiten über die physikalischen Einheiten des Luftdrucks finden Sie unter Luftdruck.

In unseren Breiten wird ein Hochdruckgebiet mit sonnigem, meist windstillem und im Sommer warmem Wetter assoziiert. Der höchste Druck im Zentrum wird von Linien gleichen Luftdrucks, den Isobaren (griechisch: iso = gleich, baros = Druck), umgeben. Die Isobaren werden in der Regel in Abständen von 5 Hektopascal (hPa) angegeben. Dabei sind 100.000 Pascal gleich einem bar.

Um zu einem Druckausgleich zu kommen, strömt Luft aus den Bereichen höheren Drucks, also dem Zentrum des Hochdruckgebiets, nach außen in die Bereiche geringeren Drucks.

Wegen der Corioliskraft strömt die Luft aber nicht direkt von innen nach außen, sondern unter einem Winkel von 10°-20°. Die Corioliskraft führt dazu, dass die Luft auf der Nordhalbkugel im Uhrzeigersinn und auf der Südhalbkugel entgegengesetzt des Uhrzeigersinns ausströmt. Da in dem Hoch auf diese Weise Luft nach außen entweicht, muss Luft nachströmen, um die ausströmenden Luftmassen zu ersetzten. Dazu strömt Luft aus höheren Schichten in das Hoch hinein, das heißt, es kommt zu einer Luftmassenkonvergenz in der Höhe. Dabei erwärmt sich die Luft, und die relative Luftfeuchte wird geringer, so dass sich z.B. Wolken auflösen. Diese Abwärtsbewegung und die damit verbundene Erwärmung der Luftmassen sind typisch für Hochdruckgebiete.

Wie entsteht ein Hochdruckgebiet?

Kurzübersicht
Vereinfacht dargestellt entsteht ein Hochdruckgebiet immer dann, wenn kältere, also schwerere, Luft absinkt. Dagegen entsteht ein Tiefdruckgebiet, sofern erwärmte Luft aufsteigt. Letzteres geschieht besonders großflächig in den Tropen, wo die intensive Sonneneinstrahlung die Luft stark erwärmt.

An den Polen dagegen befindet sich die kalte und dichtere Luft am Boden und bildet daher im Prinzip ein Hochdruckgebiet. Treffen Hochdruck- und Tiefdruckgebiete aufeinander, so entsteht Wind.
Grundsätzlich kann man vier verschiedene Arten von Hochdruckgebieten unterscheiden:

  • Warme Hochs
  • Blockierende Hochs
  • Kalte Hochs
  • Zwischenhochs


Warme Hochs
Ein warmes oder auch dynamisches Hoch, wie z.B. das Azorenhoch, gehört zu den subtropischen Hochdruckgebieten, die in mehreren Zellen in einem Hochdruckgürtel um die Nordhalbkugel angeordnet sind. Diese Hochdruckgürtel, zu denen es entsprechend auch Tiefdruckrinnen gibt, entstehen durch die allgemeine Zirkulation in der Atmosphäre, die ein planetarisches Windsystem bildet, auf das hier nicht näher eingegangen werden soll.

Die subtropischen Hochdruckgürtel bestehen aus absinkender ursprünglich sehr warmer Luft aus den Tropen, die sich aber, wie oben erwähnt, durch den Absinkprozess wieder erwärmt, wodurch die Luftmassen relativ trockener und wärmer werden. Ein weiteres Charakteristikum der warmen Hochs ist die hohe vertikale und horizontale Ausdehnung in der Atmosphäre. Des Weiteren zeichnen sie sich durch eine große Beständigkeit und ein großes Verharrungsvermögen aus. Das heißt, hat eine warme Antizyklone erst einmal eine bestimmte geografische Position eingenommen, bleibt sie meist für längere Zeit an dieser Stelle stabil - sie ist quasistationär.

Blockierende Hochs
Ein warmes Hochdruckgebiet kann auch außerhalb der Subtropen entstehen, wenn sich z. B. aus einem Keil des Azorenhochs ein eigenständiges Hochdruckzentrum herausbildet und in mittlere Breiten vordringt. Dabei behält dieses Hochdruckzentrum die Eigenschaften des warmen Hochs aus dem es hervorgegangen ist bei, d. h., es ist von großer vertikaler und horizontaler Ausdehnung und ebenfalls quasistationär.
Richtet sich z. B. ein eigenständiges Hochdruckzentrum über Mitteleuropa ein, werden alle ankommenden Tiefdruckgebiete nach Norden oder Süden um ein derartiges blockierendes Hoch abgelenkt, da dieses ihnen den Weg versperrt. Verfolgt man den Verlauf der abgelenkten Tiefdruckgebiete, die um das Hoch herumgesteuert werden, so kann man beobachten, dass die Tiefs einen weiten Bogen um das Hoch beschreiben, der dem griechischen Buchstaben Ω ähnelt, weswegen dieses Strömungsfeld auch Omegasituation genannt wird. Da sich das Hoch nur sehr langsam fortbewegt, folgt eine mehrere Tage anhaltende Hochdruckeinwirkung mit schönem Wetter. Eine solche Wettersituation wird häufig im Spätwinter und Frühjahr vor den Küsten Westeuropas und Nordamerikas angetroffen.

Kalte Hochs
Kalte Hochdruckgebiete weisen eine kalte vertikale Luftsäule auf und damit eine größere Dichte an ihrer Untergrenze. Dies geschieht, wenn bodennahe Luftschichten im Winter durch die starke Abkühlung des Festlandes ebenfalls sehr stark auskühlen. So entsteht beispielsweise das kräftigste Hoch der Erde, das Sibirienhoch. Dabei steigt der Druck im Kern des Hochs auf 1.040 bis 1.065 hPa, im Extremfall sogar auf bis zu 1.080 hPa. Die Temperaturen können dabei auf bis zu -70°C absinken. Auch über Kanada entsteht im Winter ein Kältehoch, das allerdings nicht so stark ausgeprägt und oft in mehrere Zellen unterteilt ist. Im Sommer fehlen derartige kontinentale Kältehochs.
Physikalisch bedingt sinkt der Luftdruck in einer kalten Luftsäule schneller mit der Höhe als in einer warmen Säule. Daraus erklärt sich, dass ein Kältehoch eine nicht so starke vertikale Ausdehnung hat wie ein warmes Hoch. So ist das sibirische Kältehoch schon in 3 km Höhe nicht mehr vorhanden, während ein warmes Hochdruckgebiet bis an den Rand der Troposphäre, also in unseren Breiten in Höhen von 11 bis 12 km, reichen kann.

Zwischenhochs
Ein Zwischenhoch ist sehr typisch für unsere Breiten. Es ist zwischen zwei Tiefdruckgebieten eingelagert - daher der Name. Es ist ein Gebiet höheren Luftdrucks, das zwischen zwei Tiefdruckgebieten, Zyklonen, eingebettet ist. Sind in der Wetterkarte die Isobaren, die Linien gleichen Luftdrucks, geschlossen, so handelt es sich um ein Zwischenhoch, sind die Isobaren zu einer Seite geöffnet, handelt es sich um einen Zwischenhochkeil, der vom subtropischen Hoch ausgeht. Beide weisen dieselbe Zugrichtung und -geschwindigkeit auf wie die dazugehörigen Tiefs. Aus diesem Grund kommt es nur zu einer kurzzeitigen Wetterberuhigung, nicht zu vergleichen mit der quasistationären Lage der der warmen und kalten Hochs.

Dem Zwischenhoch ist also ein Tief vor- und eines nachgelagert. Das vorgelagerte Tief weist, wie es typisch ist für Tiefdruckgebiete, an seiner Rückseite kalte Luft auf. Das nachgelagerte Tief weist dagegen an seiner Vorderseite warme Luft auf. Da Zwischenhochs und Zwischenhochkeile dazwischen liegen, bilden sie eine Mischung von kaltem und warmem Hoch, was sich darin äußert, dass sie am Boden im Bereich der kälteren, in der Höhe aber im Bereich der wärmeren Luft vorkommen - die Achse eines Zwischenhochs bzw. eines Zwischenhochkeils ist also in Richtung des nachfolgenden Tiefs geneigt.

Was ist ein Tiefdruckgebiet?

Tiefdruckgebiet © goruma (H.Ganter)

Tiefdruckgebiete verbinden die Menschen meist mit regnerischem und windigem Wetter. In Mitteleuropa stammen die meisten Tiefdruckgebiete vom Atlantischen Ozean her.
Unter einem Tiefdruckgebiet, auch Zyklone genannt, versteht man ein Gebiet, dessen Luftdruck im Vergleich zur Umgebung niedriger ist. Wie bereits erwähnt liegt der mittlere Luftdruck bei 1,013 bar = 1013 mbar (Millibar) = 1.013 hPa (Hektopascal). Das Zentrum eines Tiefdruckgebietes bildet der so genannte Tiefdruckkern, der den niedrigsten Druck aufweist. Einzelheiten über die physikalischen Einheiten des Luftdrucks finden Sie unter Luftdruck.
In Mitteleuropa liegt der Druck eines Tiefs für gewöhnlich bei 990 - 1000 hPa und in Orkantiefs bei 950 - 970 hPa. Ein extremeres Beispiel ist allerdings der Luftdruck in einem Hurrikan, wo Werte bis zu 870 mbar gemessen wurden.
Um das Zentrum eines Tiefdruckgebiets herum befinden sich Linien gleichen Luftdrucks (Isobare), deren Druck nach außen hin kontinuierlich zunimmt. Je enger diese Isobaren liegen, um so stärker ist der im Tief herrschende Wind. Als Regel gilt, dass bei einem Druckgefälle von 5 hPa auf den folgenden Distanzen mit den folgenden Windstärken zu rechnen ist:

Distanz der Isobaren in Seemeilen Distanz der Isobaren in km erwartete Windstärke in Baufort

100

185,2

7-8

200

316,4

5

300

555,6

3

 

Um innerhalb des Tiefs zu einem Luftdruckausgleich zu kommen, strömt Luft aus dem höheren Druckbereich des Tiefdruckgebiets, also von außen, zu denen mit einem niedrigerem Druck, also nach innen. Aufgrund der Corioliskraft strömt die Luft in einem Tiefdruckgebiet auf der Nordhalbkugel entgegen dem Uhrzeigersinn, auf der Südhalbkugel im Uhrzeigersinn. Die Kenntnis der Strömungsrichtungen in Tief- und Hochdruckgebieten ist von größter Wichtigkeit, will man die komplexen Vorgänge in der Atmosphäre verstehen. Ähnlich wie Zahnräder, greifen Hochs und Tiefs ineinander und transportieren dazwischen Luftmassen. Auf der Nordhalbkugel wird deshalb an der Ostflanke eines Tiefs und an der Westflanke eines Hochs warme Luft nach Norden transportiert, sowie an der Westflanke eines Tiefs und an der Ostflanke eines Hochs kalte Luft nach Süden. Auf der Südhalbkugel vollziehen sich diese Prozesse wegen der Corioliskraft dementsprechend entgegengesetzt.
Im Gegensatz zu den Hochdruckgebieten, strömt die Luft in Bodennähe in ein Tief hinein - es kommt zur Luftkonvergenz. Dementsprechend muss auch Luft ausströmen. Dies geschieht in der Höhe, wo es zu einer Luftmassendivergenz kommt. Daraus folgt, dass in einem Tiefdruckgebiet die Luftmassen in der vertikalen Luftsäule nach oben strömen, wohingegen es, wie oben beschrieben, in einem Hoch zu einer Abwärtsbewegung der Luftmassen kommt. Durch die Aufwärtsbewegung der Luft innerhalb eines Tiefs führt zu einer Abkühlung der Luft, auch Expansionsabkühlung genannt, sowie zu einer Erhöhung der relativen Feuchte.

Wie entsteht ein Tiefdruckgebiet?

Da die Entstehung eines Tiefdruckgebietes o. a. einer Zyklone ein sehr komplexer Vorgang ist, soll er an dieser Stelle nur vereinfacht dargestellt werden. Dabei kann die Entstehung eines außertropischen und eines tropischen Tiefs unterschieden werden.

Außertropisches Tief
Die Entstehung eines Tiefs außerhalb der Tropen ist immer an das Vorhandensein von zwei unterschiedlichen Luftmassen gebunden. Dabei stößt kalte polare Luft mit warmer tropischer bzw. subtropischer Luft aneinander und bildet eine Grenze - die Polarfront. Auch wenn sich die Zyklone weiterentwickelt und fortbewegt, bleibt sie an die Polarfront gebunden.
Aufgrund von Beobachtungen wurde 1922 von den Norwegern J. Bjeknes und H. Solberg ein Schema entwickelt, nachdem sich die sogenannte Polarfronttheorie, die später noch ergänzt wurde, in verschiedene Stadien aufteilen lässt:

  • Ausgangsstadium
  • Wellenstadium
  • Reifestadium
  • Auflösungsstadium
  • Endstadium

Ausgangsstadium
Im Ausgangsstadium verläuft die Polarfront, also die Linie, an der warme und kalte Luft zusammentreffen, in Bodennähe ungestört und nahezu geradlinig. In unseren Breiten hat die Polarfront meist eine Ausrichtung von westlichen Richtungen kommend in Richtung Ost, kann aber auch, je nach Großwetterlage, anders verlaufen.
Die Polarfront ist in diesem Stadium durch ein schmales Wolkenband gekennzeichnet.

Wellenstadium
Beginnt an einer Stelle der Polarfront der Luftdruck zu fallen, strömt bodennahe Luft in diesem Gebiet nach. Wie bereits beschrieben, ist es das Charakteristikum des Tiefdruckgebietes, also der Zyklone, dass sich Luft aufwärts bewegt. Das Nachströmen der Luft führt zu einer Deformation der Polarfront, so dass sich eine Welle ausbildet.
Sinkt der Luftdruck weiter, entwickelt sich aus der Welle ein bodennahes Tief, das heißt, das jetzt auch in einer Bodenwetterkarte das Tiefdruckgebiet durch geschlossene Isobaren zu erkennen ist. Des Weiteren setzt eine Rotation ein, die auf der Nordhalbkugel entgegen dem Uhrzeigersinn verläuft. Durch die Zirkulation werden die warme und die kalte Luftmasse ineinander verwirbelt. Die kalte Luftmasse bewegt sich dabei zungenförmig in Richtung der Position, an der vorher die warme war, und die warme Luftmasse bewegt sich zungenförmig an die Position, an der vorher die kalte war - es sind eine Warm- und eine Kaltfront entstanden, in deren Punkt des Zusammentreffens das Zentrum des Wirbels liegt.
Gekennzeichnet ist dieses Stadium durch einen ausgedehnten Schichtwolkenkomplex im Tiefzentrum und durch ein Wolkenband an der Warm- und an der Kaltfront.

Reifestadium
Zu diesem Zeitpunkt des Lebenszyklus´ der Zyklone ist auch die zyklonale Rotation am intensivsten. Für das Reifestadium ist von besonderer Bedeutung, dass die Kaltfront eine höhere Geschwindigkeit hat als die Warmfront, d. h., dass der Warmluftsektor verkleinert wird, da die Kaltfront langsam die Warmfront einholt - ein Vorgang, der als Okklusion bezeichnet wird. Die entstehende Front wird ebenfalls Okklusion bzw. auch Mischfront genannt. Der Vorgang der Okkludierung setzt zuerst im zentralen Bereich des Tiefs ein und setzt sich reißverschlussartig nach außen fort. Da sich die Kaltfront schneller fortbewegt als die Warmfront wird der hinter der Warmfront befindliche Warmluftsektor immer kleiner. Dabei hebt die sich unter den Warmluftsektor schiebende Kaltluft ersteren langsam an. Als Wolkenerscheinungen tritt bei der Okklusion ein Wolkenband und im zentralen Bereich kumuliforme Wolken auf. Diese großräumige Wirbelstruktur ist den meisten von Satellitenbildern her bekannt.

Auflösungsstadium
Die Okkludierung geht so weit, dass am Ende des Vorgangs der gesamte Warmluftsektor von der Kaltfront eingeholt wurde dieser in Bodennähe nicht mehr messbar ist. Das heißt, dass sich das Tiefdruckgebiet in einen kalten Wirbel umgewandelt hat. Damit hat das Tief sein Auflösungsstadium erreicht. Das Tiefzentrum ist mit Kumuluswolken gefüllt.
Die Warmluft ist nur noch in der Höhe vorhanden, zu erkennen an dem schmalen Wolkenband der Okklusion. Die Temperaturunterschiede und der Wind lassen allmählich nach. Auch der Luftdruck des Tiefs steigt in Bodennähe mehr und mehr an, wohingegen er in der Höhe, dort, wohin sich die Okklusion verlagert hat, noch relativ gering bleibt.

Endstadium
In diesem Stadium hat sich das Tief vollständig aufgelöst, nur die Quellbewölkung der Kaltluft bleibt als Zeuge der Zyklone übrig. Die Polarfront hat sich während dieser gesamten Zeit in Zugrichtung des Tiefs verlagert. Nun können nachfolgende Wellen zu der Bildung weiterer Zyklonen führen. Auf diese Weise können, perlenschnurartig, längs einer Polarfront mehrere Zyklonen auftreten, so genannte Zyklonenfamilien. Dabei ist das vordere Tief das älteste.

Tropische Tiefs - tropische Wirbelstürme

Näheres zu diesem Thema finden sie unter: Tropische Wirbelstürme

Hitzetief

Ein Hitzetief entsteht dadurch, dass in einem Gebiet aufgrund der Einstrahlung der Sonne die erwärmte Luft aufsteigt. Durch das Aufsteigen der erwärmten Luft entsteht aber ein Massenverlust, durch den der Druck abfällt. Das entstehende kleinräumige Hitzetief kann allerdings, obwohl es nicht sehr hoch reicht, bei ausreichender Feuchtigkeit zu heftigen Wärmegewittern führen. Ein Beispiel für ein kleineres Hitzetief ist die erhöhte Erwärmung des Landes gegenüber der See, vor allem bei einer stärkeren Sonneneinstrahlung. Siehe hierzu Land- und Seewind.
Große Hitzetiefs entstehen z.B. in der Nähe des Äquators oder über der Sahara in Nordafrika.

Druckausgleich zwischen Hoch- und Tiefdruckgebieten

Druckausgleich zwischen Hoch- und Tiefdruckgebieten © goruma (H.Ganter)

Wegen des relativ hohen Druckunterschieds zwischen einem Tief- und Hochdruckgebiet kommt es mittels Luftbewegung, also Wind, zu einem Druckausgleich zwischen den beiden Systemen. Dabei weht der Wind aber nicht auf dem direkten Weg vom Hoch- in das Tiefdruckgebiet, sondern wegen der Corioliskraft unter einem bestimmten Winkel. In der Abbildung ist der Weg der Luftbewegung, also des Windes, dargestellt.

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Kommentare
Thomas Grüner  (Freitag, 17.04.2015)
Das beste, das ich heute über Hochs und Tiefs gelesen habe. Allerdings dass in einer Polarfront plötzlich der Luftdruck fällt bedarf der Erklärung. Schon zuvor weiß man nicht, was es bedeutet, wenn die Polarfront in Bodennähe ungestört verläuft. Trotzdem: Kompliment


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