Tiefdruckgebiet

Begriff und Entstehungsarten

Ein Tiefdruckgebiet, kurz „Tief“ oder auch „Störung“, ist ein Teil der Erdatmosphäre, dessen Luftdruck im Vergleich zur Umgebung niedrig ist. Sein Gegenstück ist das Hochdruckgebiet. Ohne nähere Angabe meint die Meteorologie gewöhnlich ein Tief am Boden oder in geringer Höhe. Fehlt ein geschlossenes Zentrum, von dem aus der Luftdruck horizontal in alle Richtungen zunimmt, heißt die Druckstruktur nicht Tiefdruckgebiet, sondern Trog.

Grundsätzlich werden thermische und dynamische Tiefdruckgebiete unterschieden. Ein thermisches Tief entsteht durch Dichteunterschiede infolge von Erwärmung oder Abkühlung. Der Luftdruck an einem Ort ist der hydrostatische Druck, der durch das Gewicht der darüberliegenden Luftsäule entsteht. Eine Luftsäule mit geringerer Dichte besitzt eine geringere Gewichtskraft; ein Barometer misst dort deshalb einen niedrigeren Luftdruck. Je nach betroffener Luftschicht unterscheidet man Bodentief und Höhentief.

Ein dynamisches Tiefdruckgebiet, auch Zyklone genannt, entsteht, wenn Luft in den unteren Atmosphärenschichten zusammenströmt, also konvergiert, und in der Höhe wieder auseinanderströmt, also divergiert. Dabei verliert die Luftströmung an Geschwindigkeit. Die Bezeichnung „Zyklone“ für ein Tiefdruckgebiet darf nicht mit „Zyklon“, einem tropischen Wirbelsturm des Indischen Ozeans, verwechselt werden.

Bodentief und Höhentief

Ein Bodentief bildet sich, wenn sich die bodennahe Luft durch Sonneneinstrahlung erwärmt und ihre Dichte abnimmt. Die umgebende und darüberliegende kältere, dichtere Luft erzeugt einen Auftrieb der warmen Luft. Nachströmende Kaltluft wird am Boden ebenfalls erwärmt und steigt auf. Diese fortgesetzte Aufwärtsströmung heißt Thermik.

Beim Aufsteigen kühlt sich zunächst ungesättigte Luft um etwa 1 °C pro 100 m ab. Dies ist der trockenadiabatische Temperaturgradient; „adiabatisch“ bedeutet hier, dass die Temperaturänderung durch die Druckänderung beim Aufsteigen und nicht durch einen Wärmeaustausch mit der Umgebung erfolgt. Die Wasserdampfmenge des Luftpakets bleibt zunächst gleich. Sobald die Luft den Taupunkt erreicht, beginnt der Wasserdampf zu kondensieren, und eine Cumulus-Wolke entsteht. Ihre Untergrenze liegt auf dieser Höhe. Die bei der Kondensation freiwerdende Kondensationsenthalpie verringert die Dichte weiter. Dadurch setzt sich der Auftrieb fort. Allmählich entsteht eine Säule weniger dichter Luft mit geringerer Gewichtskraft, in die großräumig Luft einströmt; daraus können Winde und Stürme hervorgehen.

Ein Höhentief, auch Höhentiefkern, HTK oder Upper Level Low (ULL), befindet sich über einem Hochdruckgebiet am Boden. Es entsteht durch kalte Luft, die aus großer Höhe absinkt. Dadurch ist der Luftdruck in höheren Schichten vermindert, während er am Boden steigt. Höhentiefs liegen mehrere Kilometer hoch und sind gegenüber ihrer Umgebung durch niedrige Temperaturen gekennzeichnet. Oft besitzen sie keine Entsprechung am Boden, können das Wetter aber stark beeinflussen.

Im Herbst prägen Cut-Off-Lows oder Kaltlufttropfen aus Höhentrögen häufig das Wetter im Mittelmeerraum. Das warme Mittelmeer erwärmt die untersten Luftmassen und reichert sie mit Feuchtigkeit an; Höhentiefs können dort daher auf ungewöhnliche Niederschläge hinweisen. Auf Höhenwetterkarten, beispielsweise der 500-hPa-Topographie, erscheinen sie als mehrere geschlossene Isobaren, also Linien gleichen Luftdrucks.

Luftströmung und Tiefdruckwirbel

Wegen des Druckgefälles strömt Luft grundsätzlich in Richtung eines Tiefs. Sie bewegt sich jedoch nicht geradlinig und radial auf dessen Zentrum zu, sondern rotiert um eine annähernd vertikale Achse. Ursache sind die Erdrotation, die Kugelform der Erde und die daraus folgende Corioliskraft. Auf der Nordhalbkugel wird bewegte Luft nach rechts abgelenkt. Deshalb dreht sich die in ein Tief strömende Luft von oben betrachtet entgegen dem Uhrzeigersinn, also im mathematisch positiven Drehsinn. Auf der Südhalbkugel ist die Drehrichtung umgekehrt. Aus Hochdruckgebieten abströmende Luft rotiert auf der Nordhalbkugel im Uhrzeigersinn; Hochdruckgebiete heißen deshalb auch Antizyklonen.

Am Äquator verschwindet die Corioliskraft für horizontale Bewegungen, zu den Polen hin nimmt sie zu. Auf globaler Skala wird warme, in der Höhe von den Tropen zu den Polen strömende Luft ostwärts abgelenkt. Daher herrschen dort starke westliche Winde, der Jetstream. Die am Boden zurückströmende polare Kaltluft wird westwärts abgelenkt und bildet den polaren Ostwind. Dynamische Tiefdruckgebiete stehen außerdem mit den polaren Ostwinden beziehungsweise dem Polarwirbel und den äquatorialen Passatwinden beziehungsweise der Innertropischen Konvergenzzone in Verbindung.

Regional können thermische Tiefs über warmen Wasserflächen entstehen, wenn feuchtwarme Luft aufsteigt und abkühlt. Ähnliche lokale Zirkulationen bilden sich als Land- und Seewind sowie an Berghängen als Berg- und Talwind. Im größeren Maßstab können tropische Wirbelstürme mit heftigen Regenfällen entstehen; bei geringer Ausprägung spricht man von einem tropischen Tief. Ab Windstärke 12 können solche Stürme schwere Verwüstungen verursachen. Je nach Kontinent werden sie Hurrikane oder Taifune genannt.

Ein Tiefdruckwirbel entsteht in den mittleren Breiten, wenn entgegengesetzte Winde nicht laminar, also wirbelfrei, aneinander vorbeigleiten, sondern in turbulenter Strömung Wirbel bilden. Dies steht mit Rossby-Wellen in Zusammenhang. Die Wirbelachse verläuft überwiegend vertikal, sodass Boden- und Höhenwinde fast in dieselbe Richtung wehen. Ein für Europa typisches Beispiel ist das Islandtief.

Aufbau einer außertropischen Zyklone

Strömen kalte und warme Luft aus unterschiedlichen Hochdruckgebieten gemeinsam in ein Tief, entstehen Fronten, also Grenzbereiche zwischen Luftmassen. Da in den mittleren Breiten westliche Winde vorherrschen, ziehen Tiefs gewöhnlich von Westen nach Osten. Die an einem Ort zuerst eintreffende Ostseite heißt Vorderseite, die Westseite Rückseite.

An der Vorderseite gleitet leichte Warmluft über die davorliegende schwerere Kaltluft und wird angehoben. So entsteht die Warmfront. Die aufsteigende Luft kühlt adiabatisch ab, Wasserdampf kondensiert, und zunächst bilden sich Cirruswolken, danach Schichtwolken wie Stratus und Nimbostratus. Aus ihnen kann anhaltender Regen fallen. Auf der Nordhalbkugel wirkt es durch die gegen den Uhrzeigersinn gerichtete Rotation, als rolle sich die Warmfront langsam an der Vorderseite des Tiefs ein.

Zwischen Warmfront und Kaltfront liegt der Warmsektor. Dort lösen sich Wolken häufig auf, und es bleibt trocken. Die Luft kann jedoch feuchtwarm und labil geschichtet sein, sodass Schauer und Gewitter möglich sind. Da die Kaltfront normalerweise schneller vorankommt als die Warmfront, wird der Warmsektor immer schmaler.

An der Kaltfront schiebt sich schwere Kaltluft unter die Warmluft und zwingt diese zum schnellen Aufsteigen. Die Warmluft kühlt adiabatisch ab. Es bilden sich konvektive Quellwolken, insbesondere Cumulus und Cumulonimbus, die Schauer und Gewitter bringen können. Die Kaltfront rollt sich schneller als die Warmfront um das Tief.

Holt die Kaltfront nach einigen Tagen die Warmfront ein, vereinigen sie sich zur Okklusion. Die Warmluft wird dabei vom Boden abgehoben, und es entstehen Verwirbelungen. Weil sich die Niederschlagseffekte beider Fronten summieren, ist eine Okklusion besonders niederschlagsreich. Sie liegt relativ nahe am Tiefdruckkern; bei älteren Tiefs treten die lokal stärksten Niederschläge deshalb häufig nahe ihrer Zugbahn auf.

Hinter der Kaltfront folgt der Kaltsektor. Dort kreist auf der Nordhalbkugel Luft an der Rückseite südwärts um den Tiefkern; auf der Südhalbkugel strömt sie entsprechend nordwärts. Nach dem Durchgang der Kaltfront klart der Himmel häufig auf, zugleich sinkt die Temperatur. Stark ausgeprägte Wolkengebiete heißen Enhanced Cumulus (EC). Sie können beispielsweise bei herbstlichen Atlantiktiefs Schnee nach Europa bringen. Dringt der Kaltsektor hinter der Okklusion bis in den Tiefkern vor, zerfällt das Tief.

Typischer Wetterablauf und Benennung

Außertropische Zyklonen bestimmen durch ihr wechselhaftes Wetter wesentlich den Wetterablauf in Mitteleuropa. Schon lange vor dem Eintreffen der Warmfront zeigen Advektionsbewölkung, also durch herangeführte Luftmassen entstehende Wolken, und fallender Luftdruck die Annäherung an. Die Geschwindigkeit des Druckfalls weist auf die mögliche Windstärke hin: Nach einer Faustregel kündigt ein Rückgang um mehr als 2 hPa pro Stunde einen Sturm an.

Hakenförmig aufgebogene Federwolken, Cirrus uncinus, gelten als Vorläufer der Warmfront. Sie verdichten sich zunächst zu hohen, später zu mächtigen und tieferen Schichtwolken. Bleibt die Kaltluft ortsfest, fällt daraus zunehmend ergiebiger und lang anhaltender Niesel- beziehungsweise Landregen. Nach dem Durchgang der Warmfront endet die Aufgleitbewegung zunächst. Damit kann die Kondensation aufhören und die Wolkendecke aufbrechen. Im Warmsektor strömt Warmluft aus südlicher Richtung ein; sie erreicht während des gesamten Zyklonendurchgangs die höchsten Temperaturen. Steigt sie hoch auf, können erneut Wolken und örtliche Schauer entstehen.

Die nachfolgende Kaltfront macht sich durch einen Temperaturrückgang um mehrere Grad bemerkbar. Die von der Kaltluft rasch angehobene Warmluft kühlt ab und bildet hoch reichende Cumuluswolken. Typisch sind kräftige Schauer mit großen Regentropfen, teilweise Hagel und wiederholte Gewitter. Hinter der Kaltfront steigt der Luftdruck wieder. Die klare Luft ermöglicht eine sehr gute Fernsicht. Ob das Rückseitenwetter dauerhaft trocken bleibt, hängt davon ab, ob weitere Zyklonen folgen; häufig enden die Niederschläge nach dem Kaltfrontdurchgang.

Die Namen der Tief- und Hochdruckgebiete, die in Deutschland und einigen Nachbarländern für wetterwirksame Systeme über Europa verwendet werden, vergibt das Meteorologische Institut der Freien Universität Berlin.