Die Druckdifferenz

Alle Piloten sprechen über die Druckdifferenz, wenn es darum geht, die Gefahr vom Föhn abzuschätzen. Der Föhn lässt sich aber nicht nur auf den Nord-Süd gerichteten Druckunterschied reduzieren (siehe «Swiss Glider» 3.2006). So, wie es DEN Föhn eigentlich gar nicht gibt, gibt es auch nicht DIE Druckdifferenz.

Micha Schultze, www.chilloutmeteo.com

Wie der Föhn entsteht, warum er für die Hängegleiterfliegerei in den Alpen so gefährlich ist, und wie er sich prognostizieren lässt, sind alles interessante Themen, die in verschiedenen Lehrbüchern mehr oder weniger umfangreich behandelt werden. Fast immer steht bei den Ursachen für eine Föhnlage etwas von einem Druckgefälle über dem Gebirge. Was ist aber genau damit gemeint?

Luftdruck: Wie alle Körper auf der Erde unterliegen auch die Luftmoleküle der Atmosphäre der Anziehungskraft der Erde. Der Luftdruck, gemessen an einem bestimmten Ort, ist das Gewicht einer vertikalen Luftsäule über diesem Ort. Gemessen wird der Luftdruck mit einem Barometer. Die Masseinheit für den Luftdruck ist gemäss internationaler Übereinkunft das Hektopascal (hPa). Zum Teil findet man immer noch die alte Einheit Millibar (mb), welche aber vom Wert her genau gleich ist wie das Hektopascal. Gemäss der ICAO-Standard-Atmosphäre (ICAO = International Civil Aviation Organization) beträgt der Luftdruck auf Meereshöhe 1013,25 hPa.

Luftdruckabnahme mit der Höhe: Im Wasser nimmt der Druck mit zunehmender Höhe linear ab. Wasser ist nicht komprimierbar. Im Gegensatz dazu nimmt der Luftdruck mit zunehmender Höhe exponentiell ab. Das heisst: Eine Luftsäule in der oberen Troposphäre wirkt auf eine Luftsäule in der unteren Troposphäre und komprimiert diese. In der unteren Luftsäule nimmt also der Druck mit zunehmender Höhe rascher ab, als in der oberen Luftsäule. Da die Messstationen in den Alpen auf unterschiedlichen Höhen liegen, misst jede Station das Gewicht einer anderen Luftsäule. Diesen Messwert bezeichnen die Meteorologen als QFE.
Will man die Messwerte der verschiedenen Stationen untereinander vergleichen, um bezüglich Wind, Wetter etc. eine Aussage zu machen, müssen zuerst alle Messungen auf eine einheitliche Höhe umgerechnet werden. Für alle Stationen, die unter 700 m ü. M. liegen, wird der Luftdruck auf Meereshöhe reduziert. Dabei wird das Gewicht der Luftsäule zwischen der Stationshöhe und Meereshöhe zum QFE-Wert dazu addiert. Diese Luftsäule existiert eigentlich gar nicht und wird von hier an «virtuelle Luftsäule» genannt. Die entscheidende Frage: Wie schwer ist die virtuelle Luftsäule unter der Messstation?

QFF und QNH: Das Gewicht der virtuellen Luftsäule ist abhängig von der Temperatur, die in dieser Luftsäule herrscht. Warme Luft ist leichter als kalte und wird daher ein kleineres Gewicht haben. Für die Berechnung des Luftdrucks auf Meereshöhe ist es wichtig, die Temperatur der virtuellen Luftsäule möglichst genau zu bestimmen. Der genaueste Weg: Man nimmt die aktuelle gemessene Temperatur auf Stationshöhe und berücksichtigt pro 100 m Höhenabnahme eine Temperaturzunahme von 0,65 °C. Jetzt weiss man die Temperatur innerhalb der virtuellen Luftsäule und damit auch das Gewicht. Die Addition von Luftdruck auf Stationshöhe (QFE) und dem Gewicht der virtuellen Luftsäule bezeichnen die Meteorologen als QFF. Alle Modelldaten (Bodenwetterkarten, Meteogramme, Luftdruckprognosen etc.) zeigen den QFF-Wert.
Es gibt noch eine zweite (einfachere, aber ungenauere) Möglichkeit, das Gewicht der virtuellen Luftsäule zu bestimmen. Man nimmt für die virtuelle Luftsäule die ISA (ICAO-Standard-Atmosphäre). Die ISA kann man sich als eine definierte Atmosphäre vorstellen, welche einen groben Mittelwert darstellt. Dieser Wert ist für eine bestimmte Stationshöhe und einen bestimmten QFE-Messwert immer gleich. Den Luftdruck auf Meeresniveau, berechnet auf diese Art und Weise, bezeichnet man als QNH.
Da die Reduktion des Luftdrucks von Stationshöhe auf Meeresniveau in beiden Fällen (QFF und QNH) auf Annahmen über die Temperatur in der virtuellen Luftsäule beruht, ist diese Methode nur zulässig für Stationen bis 700 m ü. M. Für alle höher gelegenen Stationen wäre der Fehler, der durch die Annahme zustande kommt, zu gross. Deshalb werden die Messwerte von Stationen höher als 700 m ü. M. auf die nächsten Standardflächen (850-hPa-Druckfläche, 700-hPa-Druckfläche) hinauf bzw. hinuntergerechnet.
Abweichungen zwischen QFF und QNH sind im Frühling und Herbst am kleinsten, an heissen Sommertagen und kalten Wintertagen am grössten. Zum Abschätzen der Druckdifferenz ist es sinnvoller, die QFF-Werte zu verwenden.

Abb. 1: ANETZ-Luftdruckmesswerte der MeteoSchweiz mit vielen Fehlern (siehe Text). Link: http://www.meteoschweiz.ch/web/de/wetter/aktuelles_wetter.par0005.allStations.html

Abb. 2: QNH-Messwerte von SFMeteo. Link: http://www2.sfdrs.ch/sfmeteo/wetter_aktuell_ch_luftdruck.php .

Abb. 3: QFF-Messwerte von MeteoNews. Link: http://www.meteonews.ch/index.php?section=ch&page=now&spage=wetter_mch&lang=en > Pressure QFF (hPa) .

Abb. 4: Prognose der Druckdifferenz und Wind für Alpenseen von Meteotest. Link: http://www.meteotest.ch/de/prog_windprog?w=ber   .

Abb. 5: Druckdifferenz-Prognose für die Region Berner Oberland. Die dargestellte Differenz gilt zwischen Comprovasco und Interlaken. Rot heisst Südföhntendenz, Grün bedeutet Nordföhntendenz. .

Abb. 6: Bodenwetterkarte vom GFS-Modell der Wetterzentrale für Mitteleuropa. Über der Schweiz findet man kein Druckgefälle. Über Belgien liegt ein grosses Druckgefälle. .

Druckschwankungen: Unterschiedliche Erwärmung der Erdoberfläche führt zu Druckunterschieden. Grossräumig erhalten die Regionen um den Äquator mehr Sonnenenergie als die Pole. Entsprechend entstehen grossräumige Hoch- und Tiefdruckgebiete. Aber auch im kleinräumigen Massstab gibt es Druckunterschiede: Die Luft in den Alpen wird tagsüber mehr aufgewärmt als die Luft im Flachland. Gleichzeitig kühlt sich die Alpenluft nachts mehr ab als die Luft im Flachland. Dieser tägliche Zyklus führt zu kleinräumigen Luftdruck-Schwankungen. Überlagern sich diese relativ kleinräumigen Prozesse mit der Verschiebung von Hoch- und Tiefdruckgebieten, ist es manchmal recht anspruchsvoll, Druckänderungen an einem Ort schlüssig zu erklären.

Druckdifferenzen: Differenzen im Luftdruck von einem Ort zum anderen verursachen sowohl horizontale Verschiebungen (Wind) als auch vertikale Verschiebungen (Konvektion und Subsidenz) in der Atmosphäre. Ist die Druckdifferenz gross (Differenz zwischen zwei Orten) bzw. der Druckgradient (Differenz bezogen auf eine bestimmte Strecke z.B. 4 hPa/100 km), ist der Wind stark. Bei kleinen Gradienten und Differenzen ist der Wind schwach.

Druckdifferenzen und Föhn: Die Druckdifferenz ist nur einer von vielen Faktoren, welcher das Durchgreifen einer Föhnströmung in ein Tal auslöst. Es ist sogar möglich, dass im Bodendruckfeld keine Druckdifferenzen zu erkennen sind, aber bereits in einer Höhe von 1500 m ü. M. Druckdifferenzen vorliegen, die eine Föhnströmung auslösen können. Um den seichten Föhn zu erkennen macht es trotzdem Sinn, die Druckdifferenz zu beachten. Merke: Druckdifferenzen können über dem Alpenbogen
> Nord-Süd gerichtet sein. Das heisst höherer Luftdruck auf der Alpennordseite – Föhngefahr auf der Alpensüdseite (Nordföhn) oder
> Süd-Nord gerichtet sein. Das heisst höherer Luftdruck auf der Alpensüdseite – Föhngefahr auf der Alpennordseite (Südföhn).
Auf der Seite mit dem höheren Luftdruck besteht keine Gefahr bezüglich Föhn. Manchmal ist diese Seite aber in Wolken verhüllt, und es herrscht auch kein Flugwetter.
Zwischen welchen beiden Orten soll man die Druckdifferenz berechnen? Das kommt auf dein Fluggebiet und die zur Verfügung stehenden Messstationen an. Die Tabelle 1 zeigt, welche Druckdifferenzen sinnvoll sind. Bei allen Stationen handelt es sich um Stationen, die tiefer als 700 m ü. M. liegen.

Eine Druckdifferenz ist kein statischer Wert, den man am Morgen anschauen und dann unbeachtet lassen kann. Bei klassischen Föhnlagen nimmt die Druckdifferenz im Durchschnitt um 1 hPa pro Stunde zu. In Ausnahmefällen sogar um 2 hPa pro Stunde.

Druckdifferenzen im Internet: Messwerte ANETZ
Auf der Website der MeteoSchweiz sind zwei grobe Fehler (Abbildung 1):
> Erstens sind alle Stationen auf Meeresniveau korrigiert, was nicht zulässig ist und deshalb zu sehr grossen Differenzen zwischen hochalpinen Stationen und benachbarten Talstationen führt. Beispiel Jungfraujoch-Interlaken: Fast 17 hPa Druckdifferenz bei einer Flachdrucklage!
> Zweitens ist bei den falschen Reduktionen von zu hoch gelegenen Stationen ein Vergleich zwischen Stationen erst recht nicht möglich. Die Erklärung unter der Karte stimmt nicht.
Solche Fehler vom staatlichen Kompetenzzentrum für Meteorologie sind peinlich. Bemühungen per E-Mail, eine Korrektur zu erreichen, sind erfolglos geblieben. Verwendet man nur die in Tabelle 1 aufgeführten Stationen, erhält man die QNH-Druckdifferenz. Auf der Website von SFMeteo ist die Darstellung schon etwas übersichtlicher. QNH-Messwerte sind graphisch und farbig aufgearbeitet (Abbildung 2). Zusätzlich wird die Druckentwicklung der letzten Stunde von ausgewählten Stationen gezeigt. Auf der Website von MeteoNews sind die QFF-Messwerte von allen Stationen unterhalb 700 m ü. M. dargestellt (Abbildung 3).
Alle drei Abbildungen zeigen die Luftdruckmesswerte für den gleichen Zeitpunkt: Donnerstag 13.7.2006; 17 Uhr Lokalzeit. Bemerkenswert ist der Unterschied zwischen den ersten beiden Abbildungen (QNH) und der dritten Abbildung (QFF). Auf der Website der Fluggruppe Oberhasli Brienz kann man im Detail Druckdifferenzen analysieren. Alles QNH-Werte. http://www.flob.ch/.

Modellprognosen: Hier gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, die Entwicklung der Druckdifferenz (QFF) in die Zukunft abzuschätzen. Am besten sind die Modellprognosen von Meteotest für jede Region (Abbildung 4 und 5). Das Bolam und das GFS-Modell für Mitteleuropa sind gut, um die Druckdifferenz über dem Alpenkamm zu prognostizieren. Die Links für diese Modelle: http://www.meteoliguria.it/MAP/BOLAM/Bolamin.htm > Bolam21 oder Bolam6.5 > MSL Pressure und http://www.wetterzentrale.de/topkarten/fsgfsmeur.html > Bodendruck. Abbildung 6 ist eine Prognosekarte vom GFS-Modell für Mitteleuropa für den gleichen Zeitpunkt der Abbildungen 1 bis 3. Über dem Alpenkamm herrscht kein Druckgefälle. Über Belgien erkennt man eine Druckdifferenz von knapp 5 hPa von Nordwest nach Südost. Ein solches Gefälle über dem Alpenkamm würde heissen, der Faktor Druckdifferenz für Föhn ist erfüllt.

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