Weather map

A weather map, also known as synoptic weather chart, displays various meteorological features across a particular area at a particular point in time and has various symbols which all have specific meanings.^[1] Such maps have been in use since the mid-19th century and are used for research and weather forecasting purposes. Maps using isotherms show temperature gradients,^[2] which can help locate weather fronts. Isotach maps, analyzing lines of equal wind speed,^[3] on a constant pressure surface of 300 or 250 hPa show where the jet stream is located. Use of constant pressure charts at the 700 and 500 hPa level can indicate tropical cyclone motion. Two-dimensional streamlines based on wind speeds at various levels show areas of convergence and divergence in the wind field, which are helpful in determining the location of features within the wind pattern. A popular type of surface weather map is the surface weather analysis, which plots isobars to depict areas of high pressure and low pressure. Cloud codes are translated into symbols and plotted on these maps along with other meteorological data that are included in synoptic reports sent by professionally trained observers.

The use of weather charts in a modern sense began in the middle portion of the 19th century in order to devise a theory on storm systems.^[4] During the Crimean War a storm devastated the French fleet at Balaklava, and the French scientist Urbain Le Verrier was able to show that if a chronological map of the storm had been issued, the path it would take could have been predicted and avoided by the fleet.

In England erfuhr der Wissenschaftler Francis Galton von dieser Arbeit sowie von den bahnbrechenden Wettervorhersagen Robert FitzRoys . Nachdem er im Oktober 1861 Daten von Wetterstationen im ganzen Land gesammelt hatte, trug er diese mithilfe seines eigenen Symbolsystems in eine Karte ein und schuf so die weltweit erste Wetterkarte. Mit dieser Karte bewies er, dass die Luft um Hochdruckgebiete im Uhrzeigersinn zirkuliert; er prägte den Begriff „Antizyklon“, um dieses Phänomen zu beschreiben. Er spielte auch eine entscheidende Rolle bei der Veröffentlichung der ersten Wetterkarte in einer Zeitung . Dafür modifizierte er den Pantografen (ein Gerät zum Kopieren von Zeichnungen), um die Karte auf Druckstöcke zu übertragen. Die Times begann daraufhin, Wetterkarten mit diesen Methoden und Daten des Meteorologischen Amtes zu drucken . ^{[ 5 ]}

Die Einführung landesweiter Wetterkarten erforderte das Vorhandensein nationaler Telegrafennetze , damit Daten aus dem ganzen Land in Echtzeit erfasst und für alle Analysen relevant gehalten werden konnten. Die erste derartige Nutzung des Telegrafen zur Erfassung von Wetterdaten erfolgte 1847 durch die Zeitung „Manchester Examiner“ : ^{[ 6 ]}

...veranlasste uns zu der Frage, ob das elektrische Telegrafennetz bereits weit genug von Manchester entfernt sei, um Informationen aus den östlichen Grafschaften zu erhalten... Anfragen wurden an folgenden Orten gestellt; die eingegangenen Hypothesen sind beigefügt...

Es war außerdem wichtig, die Zeit über alle Zeitzonen hinweg zu standardisieren , damit die Informationen auf der Karte das Wetter zu einem bestimmten Zeitpunkt korrekt wiedergaben. Ein standardisiertes Zeitsystem wurde erstmals 1847 zur Koordinierung des britischen Eisenbahnnetzes mit der Einführung der Greenwich Mean Time (GMT) verwendet .

In den USA baute die Smithsonian Institution zwischen den 1840er und 1860er Jahren, nachdem Joseph Henry die Leitung übernommen hatte, ein Netzwerk von Beobachtern in weiten Teilen der zentralen und östlichen Vereinigten Staaten auf. ^{[ 7 ]} Das US Army Signal Corps übernahm dieses Netzwerk zwischen 1870 und 1874 durch einen Kongressbeschluss und dehnte es kurz darauf auf die Westküste aus. Anfänglich wurden aufgrund fehlender Zeitstandardisierung nicht alle Daten auf der Karte genutzt. Die Vereinigten Staaten führten Zeitzonen 1905 vollständig ein, als Detroit schließlich die Standardzeit einführte. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

Die Verwendung von Frontalzonen auf Wetterkarten begann in den 1910er Jahren in Norwegen . Die Polarfronttheorie wird Jacob Bjerknes zugeschrieben und basiert auf einem Küstennetz von Beobachtungsstationen in Norwegen während des Ersten Weltkriegs . Diese Theorie besagt, dass der Hauptzustrom in einen Zyklon entlang zweier Konvergenzlinien konzentriert ist : einer vor und einer hinter dem Tiefdruckgebiet. Die Konvergenzlinie vor dem Tiefdruckgebiet wurde als Steuerlinie oder Warmfront bezeichnet. Die nachfolgende Konvergenzzone wurde als Böenlinie oder Kaltfront bezeichnet. Wolken- und Niederschlagsgebiete konzentrierten sich entlang dieser Konvergenzzonen. Das Konzept der Frontalzonen führte zum Konzept der Luftmassen . Die dreidimensionale Struktur des Zyklons wurde erst mit der Entwicklung des oberen Atmosphärenmessnetzes in den 1940er Jahren erforscht. ^{[ 10 ]} Da die Vorderkante der Luftmassenveränderungen Ähnlichkeit mit den militärischen Fronten des Ersten Weltkriegs aufwies , setzte sich der Begriff „Front“ für diese Linien durch. ^{[ 11 ]} Die Vereinigten Staaten begannen Ende 1942 mit der formalen Analyse von Fronten auf der Grundlage von Oberflächenanalysen, als das WBAN-Analysezentrum in der Innenstadt von Washington, DC, eröffnet wurde. ^{[ 12 ]}

Zusätzlich zu den Bodenwetterkarten begannen Wetterdienste, Karten mit konstantem Luftdruck zu erstellen. 1948 starteten die Vereinigten Staaten die Reihe der täglichen Wetterkarten, die zunächst die 700-hPa-Fläche analysierten, die etwa 3.000 Meter über dem Meeresspiegel liegt . ^{[ 13 ]} Am 14. Mai 1954 wurde die 500-hPa-Fläche analysiert, die etwa 5.520 Meter über dem Meeresspiegel liegt. ^{[ 14 ]} Die Bemühungen zur Automatisierung der Kartenerstellung begannen 1969 in den Vereinigten Staaten ^{[ 15 ]} und wurden in den 1970er Jahren abgeschlossen. Eine ähnliche Initiative wurde 1969 vom Indischen Meteorologischen Dienst in Indien gestartet. ^{[ 16 ]} Hongkong schloss die automatisierte Bodenwetterkartenerstellung bis 1987 ab. ^{[ 17 ]}

Bis 1999 waren Computersysteme und Software so weit entwickelt, dass Satellitenbilder, Radarbilder und modellbasierte Daten wie atmosphärische Dicke und Frontogenese zusammen mit Bodenbeobachtungen auf derselben Workstation dargestellt werden konnten, um eine optimale Oberflächenanalyse zu ermöglichen. In den Vereinigten Staaten wurde diese Entwicklung durch die Ablösung der Intergraph- Workstations durch n- AWIPS- Workstations erreicht. ^{[ 18 ]} Im Jahr 2001 wurden die verschiedenen Oberflächenanalysen des National Weather Service in der Unified Surface Analysis (USA) zusammengeführt, die alle sechs Stunden veröffentlicht wird und die Analysen von vier verschiedenen Zentren vereint. ^{[ 19 ]} Jüngste Fortschritte in der Meteorologie und den Geoinformationssystemen (GIS) ermöglichen die Entwicklung präzise zugeschnittener Produkte, die uns von der traditionellen Wetterkarte in eine völlig neue Dimension führen. Wetterinformationen lassen sich schnell mit relevanten geografischen Details verknüpfen. So können beispielsweise Vereisungsbedingungen auf das Straßennetz abgebildet werden. Dies wird die Erstellung und Darstellung von Oberflächenanalysen in den kommenden Jahren voraussichtlich weiter verändern. ^{[ 20 ]}

Niedriges Gefälle (Sc,St) und nach oben wachsende Vertikalen (Cu, Cb)

Mittleres Gerüst (Ac,As) und nach unten wachsende Vertikale (Ns)

Hohes Niveau (Ci,Cc,Cs)

Ein Stationsmodell ist eine symbolische Darstellung des Wetters an einer bestimmten Messstation . Meteorologen haben es entwickelt, um verschiedene Wetterelemente auf kleinem Raum in Wetterkarten abzubilden. Karten mit vielen Stationsmodellen können zwar schwer lesbar sein, ermöglichen Meteorologen, Piloten und Seeleuten aber, wichtige Wettermuster zu erkennen. Für jeden Beobachtungsort wird ein Stationsmodell computergeneriert. Es wird hauptsächlich auf Bodenwetterkarten verwendet, kann aber auch das Wetter in höheren Luftschichten darstellen. Mithilfe einer vollständigen Stationsmodellkarte können Nutzer Muster in Luftdruck, Temperatur, Wind, Bewölkung und Niederschlag analysieren. ^{[ 21 ]}

Stationsmodellkarten verwenden eine international anerkannte Kodierungskonvention, die sich seit dem 1. August 1941 kaum verändert hat. Die Elemente der Karte zeigen die wichtigsten Wetterparameter, darunter Temperatur , Taupunkt , Wind, Bewölkung, Luftdruck, Drucktendenz und Niederschlag. ^{[ 22 ] [ 23 ]} Winde werden auf Wetterkarten standardisiert dargestellt. Vor über einem Jahrhundert wurden Winde als Pfeile abgebildet, wobei einseitig gefiederte Pfeile fünf Knoten und beidseitig gefiederte Pfeile zehn Knoten (19 km/h) Windstärke symbolisierten. Die Notation änderte sich zu einem halben Pfeil: Ein halber Pfeilpfeil steht für fünf Knoten, ein ganzer Pfeilpfeil für zehn Knoten und eine ganze Wimpelspitze für fünfzig Knoten.

Aufgrund der Struktur des SYNOP-Codes können maximal drei Wolkensymbole pro Wetterstation auf der Wetterkarte dargestellt werden. Alle Wolkentypen werden von geschulten Beobachtern kodiert und übermittelt und anschließend mithilfe spezieller Symbole für jeden Hauptwolkentyp als niedrige, mittlere oder hohe Wolkenschicht (Étage) auf Karten eingezeichnet. Wolkentypen mit signifikanter vertikaler Ausdehnung, die mehr als eine Étage einnehmen können, werden je nach ihrer ursprünglichen Entstehungshöhe (unabhängig von ihrem vertikalen Wachstum) als niedrig (Cumulus und Cumulonimbus) oder mittel (Nimbostratus) kodiert. ^{[ 24 ] [ 25 ]} Das Symbol, das für jede dieser Étage zu einem bestimmten Beobachtungszeitpunkt auf der Karte verwendet wird, kennzeichnet die Gattung, Art, Varietät, Mutation oder Wolkenbewegung, die gemäß den Kriterien der Weltorganisation für Meteorologie (WMO) als besonders wichtig erachtet wird . Werden diese Elemente für eine beliebige Fluglage zum Zeitpunkt der Beobachtung als gleich wichtig erachtet, so wird der überwiegende Typ vom Beobachter codiert und mit dem entsprechenden Symbol auf der Wetterkarte eingetragen. Spezielle Wetterkarten in der Luftfahrt zeigen Gebiete mit Vereisung und Turbulenzen an. ^{[ 26 ]}

Die Luftfahrtbranche verwendet eigene Wetterkarten. Eine Kartenart zeigt, wo VFR (Sichtflugregeln) und wo IFR (Instrumentenflugregeln) gelten. Wetterdarstellungen zeigen die Wolkenuntergrenze (die Höhe, in der mindestens die Hälfte des Himmels mit Wolken bedeckt ist) in Hunderten von Fuß, das aktuelle Wetter und die Bewölkung. ^{[ 27 ]} Vereisungskarten zeigen Gebiete, in denen Vereisung eine Gefahr für den Flugbetrieb darstellen kann. Luftfahrtbezogene Karten zeigen auch Gebiete mit Turbulenzen. ^{[ 28 ]}

Karten mit konstantem Druck enthalten üblicherweise Werte für Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Wind und die Höhe der Druckfläche über dem Meeresspiegel. ^{[ 29 ]} Sie finden vielfältige Anwendung. Im gebirgigen Gelände des westlichen Nordamerikas und des mexikanischen Hochlands kann die 850-hPa-Druckfläche die Wetterlage realistischer darstellen als eine herkömmliche Bodenanalyse. Mithilfe der 850- und 700-hPa-Druckflächen lässt sich bestimmen, wann und wo in den unteren Bereichen der Troposphäre Warmluftadvektion (verbunden mit aufsteigender Vertikalbewegung) und Kaltluftadvektion (verbunden mit absteigender Vertikalbewegung) auftritt . Gebiete mit geringen Taupunktdifferenzen und Temperaturen unter dem Gefrierpunkt deuten auf Vereisungsgefahr für Flugzeuge hin. ^{[ 30 ]} Die 500-hPa-Druckfläche dient als grober Anhaltspunkt für die Zugbahn vieler tropischer Wirbelstürme . Flachere tropische Wirbelstürme, die vertikaler Windscherung ausgesetzt waren , werden tendenziell von Winden auf der 700-hPa-Ebene gesteuert. ^{[ 31 ]}

Anhand der Karten für konstanten Luftdruck in 300 und 200 hPa lässt sich die Stärke von Systemen in der unteren Troposphäre bestimmen, da stärkere Systeme in Bodennähe sich auch in diesen Atmosphärenschichten durch stärkere Strukturen widerspiegeln. Isotachen, Linien gleicher Windgeschwindigkeit, werden in diesen Schichten eingezeichnet. Sie helfen dabei, Maxima und Minima im Windmuster zu finden. Minima im Windmuster in der Höhe begünstigen die Entstehung tropischer Zyklonen . Maxima im Windmuster in verschiedenen Atmosphärenschichten zeigen die Lage von Jetstreams an. Gebiete mit Temperaturen unter −40 °C (−40 °F) deuten auf geringe Vereisungsgefahr hin, solange keine Gewitteraktivität vorliegt . ^{[ 30 ]}

Eine Bodenwetteranalyse ist eine Art Wetterkarte, die die Positionen von Hoch- und Tiefdruckgebieten sowie verschiedene synoptische Systeme wie Frontalzonen darstellt . Auf diesen Karten können Isothermen eingezeichnet werden, Linien gleicher Temperatur. Isothermen werden üblicherweise als durchgezogene Linien in einem bestimmten Temperaturintervall dargestellt. ^{[ 2 ]} Sie zeigen Temperaturgradienten, die hilfreich sein können, um Fronten zu finden, die sich auf der warmen Seite großer Temperaturgradienten befinden. Durch das Einzeichnen der Frostgrenze können Isothermen zur Bestimmung der Niederschlagsart beitragen. Mesoskalige Grenzen wie tropische Wirbelstürme , Ausflussgrenzen und Böenlinien werden ebenfalls in Bodenwetteranalysen untersucht.

Anhand dieser Karten wird eine Isobarenanalyse durchgeführt, bei der Linien gleichen mittleren Luftdrucks auf Meereshöhe konstruiert werden . Die innersten geschlossenen Linien markieren die Positionen relativer Maxima und Minima im Druckfeld. Die Minima werden als Tiefdruckgebiete, die Maxima als Hochdruckgebiete bezeichnet . Hochdruckgebiete werden oft mit H, Tiefdruckgebiete mit L gekennzeichnet. Längliche Tiefdruckgebiete, sogenannte Trogtäler, werden mitunter als dicke, braune gestrichelte Linien entlang der Trogachse dargestellt. ^{[ 32 ]} Isobaren werden üblicherweise verwendet, um Oberflächengrenzen von den Rossbreiten polwärts zu markieren, während in den Tropen Stromlinienanalysen zum Einsatz kommen. ^{[ 33 ]} Eine Stromlinienanalyse besteht aus einer Reihe von parallel zum Wind ausgerichteten Pfeilen, die die Windbewegung innerhalb eines bestimmten geografischen Gebiets darstellen. „C“s kennzeichnen zyklonale Strömungen oder wahrscheinliche Tiefdruckgebiete, während „A“s antizyklonale Strömungen oder wahrscheinliche Hochdruckgebiete darstellen. ^{[ 34 ]} Ein Gebiet zusammenlaufender Stromlinien zeigt die Lage von Scherlinien in den Tropen und Subtropen an. ^{[ 19 ]}

• Isobare
• Prognosediagramm
• Oberflächenwetteranalyse