Meteo Lab / M05 · Atmosphärische Dynamik & Wind / K10
M5K10 · Dynamisches Systemmodell

Atmosphärische Dynamik wird zum Zustandsraum: Kräfte ändern Wind, Wind transportiert den Zustand, räumliche Gradienten erzeugen Feldstrukturen.

M05 endet mit einer expliziten Systemperspektive. Ein lokales Luftpaket besitzt Position und horizontale Geschwindigkeit als Zustand; Druckgradient, Erdrotation und Reibung treiben seine Zeitentwicklung. Ekman-Schicht, Divergenz und Vorticity zeigen anschließend, welche zusätzlichen Freiheitsgrade nötig werden, sobald aus einem Punktmodell ein räumliches Feldmodell wird.

Zustand: xM05 = [x, y, u, v] Kern: d v/dt = aPG + aC + aF Fixpunkt: stationärer Grenzschichtwind
01 · Zustandsraum

Ein minimales dynamisches Modell trennt Zustand, Parameter, Eingang und Diagnose.

Für ein lokales horizontales Luftpaket wählen wir

xM05 = [x, y, u, v]T.

Die Position (x,y) beschreibt die Kinematik, die Geschwindigkeit (u,v) den dynamischen Zustand. Das Druckfeld liefert einen externen Eingang über die Druckgradientbeschleunigung; Breite φ bestimmt f, und eine effektive Relaxationszeit τ parametrisiert lineare Reibung.

Systemgraph von M05: Druckfeld erzeugt Druckgradientbeschleunigung, Geschwindigkeit koppelt über Coriolis und Reibung zurück auf die Beschleunigung, die Geschwindigkeit integriert sich zur Position; räumliche und vertikale Erweiterungen führen zu Divergenz, Vorticity und Ekman-Dynamik.
M5K10 · Der lokale ODE-Kern ist rückgekoppelt: v erzeugt selbst Coriolis- und Reibungsbeschleunigung. Räumliche Diagnosen benötigen dagegen ein Feld, nicht nur einen Punktzustand.
02 · Dynamischer Kern

Druckgradient, Coriolis und lineare Reibung bilden ein geschlossenes lokales ODE-System.

Mit x nach Osten und y nach Norden gilt:

dx/dt = u,    dy/dt = v,
du/dt = aPG,x + f v − u/τ,
dv/dt = aPG,y − f u − v/τ.

In Matrixform für den Windvektor:

d vh/dt = aPG + [−1/τ   f; −f   −1/τ] vh.

Dieses reduzierte System enthält bewusst keine Krümmung, keine vertikale Diffusion und keine räumlich variierenden Windgradienten. Es ist der kleinste zeitabhängige Kern, der M5K1–M5K6 in einer gemeinsamen Dynamik verbindet.

03 · Fixpunkt & Balance

Geostrophischer und reibungsbeeinflusster Wind erscheinen als stationäre Zustände desselben Systems.

Mit λ=1/τ folgt für den stationären Fixpunkt d vh/dt=0:

v* = 1/(λ²+f²) · [λ   f; −f   λ] aPG.

Für τ→∞ verschwindet die Reibung und der Fixpunkt geht — sofern f≠0 — in den geostrophischen Wind über. Für f→0 bleibt bei endlicher τ dagegen ein endlicher reibungsdominierter Fixpunkt

v* = τ aPG.

Die scheinbare geostrophische Singularität am Äquator gehört damit nicht zum vollständigen reibungsbehafteten ODE-Modell.

04 · Eigenwerte & Zeitskalen

Der Abstand zum Fixpunkt rotiert inertial und zerfällt gleichzeitig exponentiell.

Für die Windabweichung δv=v−v* lauten die Eigenwerte des Geschwindigkeitssystems:

σ± = −1/τ ± i f.

Daraus folgt die exakte Relaxation:

δv(t) = exp(−t/τ) R(−ft) δv(0),

wobei R eine zweidimensionale Rotationsmatrix ist. Der Betrag der Abweichung fällt daher exakt wie exp(−t/τ); gleichzeitig rotiert sie mit der Inertialfrequenz |f|. Das dimensionslose Verhältnis

Λ = |f|τ

misst in diesem Modell die Konkurrenz von Rotation und linearer Reibung. Entscheidend ist dabei der Abstand |v−v*| zum Fixpunkt: Er fällt monoton exponentiell. Der Geschwindigkeitsbetrag |v| selbst muss wegen der Rotation um v* nicht monoton gegen |v*| laufen und kann vorübergehend darüber liegen. Die Regimebezeichnungen im Lab verwenden nur illustrative Schwellen bei Λ=0,5 und Λ=2; sie sind keine operationellen meteorologischen Kategorien.

05 · Dynamic Wind System Lab

Eine vollständige Zeitentwicklung im (u,v)-Zustandsraum beobachten.

Das Lab verwendet eine konstante Druckabnahme Δp über L in Richtung βT, konstante Dichte ρ=1,20 kg/m³ und die lokale f-Ebene. Anfangsgeschwindigkeit und Bewegungsazimut χ₀ werden frei gesetzt. Die Lösung wird analytisch berechnet — ohne numerischen Integrationsfehler.

lokales lineares Zustandsraummodell v̇ = aPG − f k×v − v/τ ρ=1,20 kg/m³ · βT zum Tief · χ = Bewegungsazimut · konstante Parameter · u-v-Diagramm auto-skaliert
Windrelaxation im u-v-Zustandsraum Die Bahn der horizontalen Geschwindigkeit im u-v-Phasenraum nähert sich spiralförmig oder direkt dem stationären Fixpunkt. Anfangszustand, aktueller Zustand und Fixpunkt sind markiert. STATE SPACE · VELOCITY RELAXATION +u Ost +v Nord ● v₀ ● v(t) × v* —
f · Λ—
|aPG|—
Fixpunkt v*—
Aktuell v(t)—
|anet|—
|v−v*|—
Ti—
Δr · Restfaktor—
Dynamisches Regime——
Interpretation—
06 · Vertikale Erweiterung

M5K7 zeigt, warum ein einziges τ keine reale Grenzschicht ersetzen kann.

Wird lineare Reibung durch turbulente vertikale Impulsdiffusion ersetzt,

−v/τ → Km ∂²v/∂z²,

wird aus dem 0D-Windzustand ein vertikal aufgelöstes Feld v(z,t). Die Ekman-Schicht ist damit keine zusätzliche Kraftidee, sondern eine höherdimensionale Schließung desselben Impulsbudgets.

07 · Räumliche Erweiterung

Divergenz und Vorticity existieren erst, wenn der Zustand räumliche Nachbarschaft enthält.

Ein einzelnes Luftpaket liefert u und v, aber keine räumlichen Ableitungen. Für M5K8 und M5K9 muss der Zustand zu einem Feld vh(x,y,t) erweitert werden. Dann wird der Geschwindigkeitsgradient

G = ∇hvh

zum zentralen lokalen Strukturobjekt. Seine Spur liefert Divergenz,

Dh = tr(G),

sein antisymmetrischer Anteil die relative Vorticity

ζ = ∂v/∂x − ∂u/∂y.
Modellhierarchie von M05: 0D Luftpaket mit u und v, 1D vertikale Ekman-Säule, 2D horizontales Windfeld mit Divergenz und Vorticity sowie 3D zeitabhängiges Atmosphärenfeld.
M5K10 · Jede Erweiterung fügt Freiheitsgrade hinzu: Punktzustand → Vertikalprofil → horizontales Feld → dreidimensionales zeitabhängiges System.
08 · Modellhierarchie & Grenzen

Ein gutes Systemmodell sagt nicht nur, was es berechnet, sondern auch, welche Zustände ihm fehlen.

Das Lab ist ein lokales, lineares, zeitinvariantes ODE-Modell mit konstantem Druckgradienten, konstantem f und Rayleigh-Reibung. Es enthält keine Krümmung, keine β-Ebene, keine Druckrückkopplung, keine Kontinuitätskopplung, keine Vorticity-Advektion und keine thermodynamische Rückkopplung.

Die vollständige atmosphärische Dynamik entsteht erst, wenn Impuls-, Massen- und Thermodynamikgleichungen gemeinsam als räumlich und zeitlich veränderliches Feldsystem gelöst werden. Genau dort beginnen die numerischen Wettermodelle von M10.

09 · Ergebnis

M05 schließt den Weg vom einzelnen Kraftterm zum gekoppelten dynamischen Feldsystem.

1 · Zustand

Der minimale lokale Zustand ist [x,y,u,v].

2 · Rückkopplung

Wind erzeugt über Coriolis und Reibung selbst Beschleunigung.

3 · Fixpunkt

Geostrophie und Grenzschichtwind sind stationäre Grenzfälle derselben Dynamik.

4 · Relaxation

Die Abweichung vom Fixpunkt rotiert mit f und zerfällt mit τ.

5 · Feldstruktur

Divergenz und Vorticity erfordern räumliche Ableitungen und damit ein Feldmodell.

6 · Systemgrenze

Die nächste Ebene koppelt Dynamik an Luftmassen, Fronten und Zyklonen.

Cross-References

Nächster Schritt · M06 Luftmassen, Fronten & Zyklonen

Wie organisiert sich das bisherige lokale Dynamiksystem zu synoptischen Strukturen mit Luftmassen, Fronten, Druckgebieten und Zyklonen?