Das luftelektrische Erscheinungsbild des Südföhns in den Nordalpen nach synoptisch-klimatologischen Untersuchungen im Wettersteingebirge 1955 bis 1959

Zusammenfassung Die Arbeit bringt alle Erfahrungen über Föhn in luftelektrischer Hinsicht, die im Laufe von fünf Jahren durch Registrierungen, Messungen und Beobachtungen vor allem im Raum des Wettersteingebirges bei Garmisch-Partenkirchen gewonnen wurden. Es stand hierfür ein Netz von sieben ständig betriebenen Stationen zur Verfügung, zwei weitere Stationen wurden 1958 während einer zweimonatigen Exkursion auf dem Zugspitzplatt (2600 m NN) unterhalten. Diese neun Stationen lagen in einigermaßen gleichmäßiger Höhenstaffelung zwischen 675 und 2963 m NN. Ihre Basisentfernungen waren relativ gering. Alle neun Stationen registrierten den luftelektrischen Potentialgradienten, vier der sieben ständigen sowie eine der beiden vorübergehenden Stationen registrierten zusätzlich den luftelektrischen Leitungsstrom. Als weitere Elemente des Komplexes Luftelektrizität und Aerosol wurden registriert bzw. gemessen: positive und negative Kleinionen, positive und negative Luftleitfähigkeit, natürliche und künstliche Radioaktivität der Luft, Kondensationskerne (Aitkenkerne), Luftverunreinigung, Spitzenstrom und Atmospherics. Ein tragendes Grundprinzip der Arbeit ist die synoptische Verwertung der Daten des relativ dichten und auch in die Vertikale reichenden Stationsnetzes, mit dessen Hilfe ein dreidimensionaler Ausschnitt der Atmosphäre überschaubar wird. Die Einheitlichkeit der verwendeten Methoden sowohl in der räumlichen als auch in der über Jahre gehenden zeitlichen Erstreckung trägt zur Festigung der Ergebnisse und Schlüsse bei.Aus dem Beobachtungsmaterial wird abgeleitet, daß Föhnlagen sich nicht dadurch auszeichnen, daß sich bestimmte luftelektrische Einzelgrößen dabei besonders oder außergewöhnlich verhalten würden. Typisch für den Föhn ist vielmehr ein ganz bestimmter Akkord der luftelektrischen (und meteorologischen) Elemente, wobei sich innerhalb des Stationsnetzes wiederum typische Variationen bemerkbar machen.Luftelektrisch gesehen, konnten zwei Föhntypen unterschieden werden: Bei Typ I sind die Kurven des Potentialgradienten und des Leitungsstromes sehr glatt, der Potentialgradient ist anhaltend erniedrigt, die Werte des Leitungsstromes und der Kleinionendichte sind erhöht. Kennzeichnend für Föhntyp II ist ein extrem unruhiger Verlauf der Potentialgradient- und Leitungsstromkurven bei stark erhöhten Werten an den Talstationen; er ist immer mit dem Vorkommen von Schneefegen an den Gebirgskämmen mehr oder weniger weit südlich der Registrierstationen gekoppelt. Häufig besteht bei Föhntyp II eine Bodeninversion.Für beide Föhntypen werden repräsentative Einzelbeispiele gebracht. Außerdem wurde das gesamte Beobachtungsmaterial der Jahre 1955 bis 1958 statistisch verarbeitet, um für die sieben Stationen, d. i. im Schnitt durch die Atmosphäre bis rund 3000 m NN, das luftelektrische und meteorologische Bild eines mittleren Föhntages für beide Typen abzuleiten. Die bei Föhn gesammelten Ergebnisse sind übrigens nicht nur zur Erweiterung unserer Vorstellungen über den Föhn an sich von Bedeutung, sondern geben auch Hinweise zu anderen geophysikalischen Problemen, so etwa auf dem Gebiet der Wolkenphysik (z. B. durch die Erfahrungen hinsichtlich der Ladungstrennung beim Zusammenprall und Zerbrechen von Eiskristallen), zur Frage der atmosphärischen elektrischen und elektromagnetischen Wellenvorgänge (durch Registrierungen von Stationen, die sich gerade in der Grenzschicht zwischen Föhn und positiv geladener, schwingender Inversionsoberseite befinden) sowie zur Frage des Ionisationsgleichgewichtes und der Beziehungen zwischen Kleinionen- und Kondensationskerndichte, denn in der Föhnströmung sind ja die Kondensationskerndichten besonders niedrig und außerdem ist—in den Nordalpen—die natürliche Luftradioaktivität während des Föhns erhöht.Bioklimatische Gesichtspunkte werden lediglich angedeutet.

---

Summary In this paper the author summarizes data, results of evaluations, and experiences in the field of atmospheric electricity, as far as connected with foehn situations. The observations were mainly made in the region of Garmisch-Partenkirchen (Wetterstein Mountains, Northern Alps) and cover a period of five years. Seven recording stations with heights between 675 and 2963 m above sea-level were operated permanently, two further stations were operated on the Zugspitzplatt (2600 m) during two months in 1958. All the nine stations have relatively small distances from each other. At each of the nine stations the atmospheric electrical potential gradient was recorded, at four of the permanent stations and at one of the temporary stations the air-earth current was recorded, too. Further there were recorded or measured positive and negative small ions, positive and negative conductivity, natural and artificial radioactivity of the air, condensation nuclei, air pollution, point discharge current, and sferics. A characteristic of this investigation is that a dense network of stations extending also in the vertical direction yields a synopsis of a small three-dimensional portion of the atmosphere, and that uniformly without interruptions through years.It is pointed out that a foehn situation is not distinguished by a special or extraordinary behaviour of single atmospheric electrical elements, but by a typical accord of the atmospheric electrical and meteorological elements, with typical spatial variations of them within the network.From the point of view of atmospheric electricity two main types of foehn were found: Type I shows lowered and smooth potential gradient curves at all stations, further increased and smooth curves of conduction current, increased concentrations of small ions, etc. Foehn of Type II, amongst other characteristics, shows increased and extremely agitated curves of potential gradient and conduction current at the valley stations. Type II is observed when there is drifting snow at the mountain ridges south of the recording stations and mainly in cases where the foehn current does not reach the bottom of the valley.Both types are illustrated here by examples. Beyond this, the data obtained at the seven permanent stations during four years were reduced to average foehn days of both types. The observations made during foehn, however, have interest not only for our knowledge of this weather situation itself but give results which are also important for studies on cloud physics (experience on charge separations caused by breaking and impact in drifting snow), on atmospheric electric and electromagnetic waves (records of stations just being in the boundary layer between foehn current and positively charged upper surface of an inversion), for the investigation of the ionization equilibrium and of the relations between the concentrations of small ions and condensation nuclei (there are special conditions because of the low concentrations of condensation nuclei in the foehn current and because of the increased natural radioactivity of air during foehn in our region), etc.Bioclimatological points of view are mentioned, only.

---

Résumé La présente étude groupe les résultats obtenus depuis cinq ans au sujet de l'aspect électrique du foehn grâce à des mesures faites dans la région du Wetterstein près de Garmisch-Partenkirchen où se trouvait un réseau de 7 stations fixes ainsi que 2 stations installées pendant une excursion de deux mois au Zugspitzplatt (2600 m.). Ces 9 postes étaient répartis entre 675 et 2693 m. et se trouvaient peu éloignés les uns des autres; tous enregistraient le gradient de potentiel, 5 le courant de conductibilité en sus. En outre on enregistrait ou mesurait: les petits ions positifs et négatifs, la conductibilité positive et négative, la radioactivité naturelle et artificielle de l'air, les noyaux de condensation, la pollution et les parasites. Le principe de base est l'utilisation des données du point de vue synoptique. L'uniformité des méthodes et leur application à longue échéance donne du poids aux résultats.On constate que les situations de foehn ne se distinguent pas par des valeurs extraordinaires des différentes grandeurs de l'électricité de l'air. Les éléments électriques et météorologiques présentent entre eux, par foehn, un accord caractéristique, tandis qu'à l'intérieur du réseau il y a des variations typiques. On peut distinguer deux types de foehn. Type I avec courbe lisse du gradient de potentiel et du courant de conductibilité; le gradient de potentiel est anormalement faible, le courant de conductibilité est accru ainsi que la densité des petits ions. Type II avec marche très agitée du gradient de potentiel et du courant (valeurs accrues aux stations basses); le foehn de type II est toujours accompagné de chasse-neige sur les crêtes au Sud; il y a souvent inversion au sol.Exemples des deux types de foehn. En outre tout le matériel d'observation des années 1955 à 1958 a été traité de façon à obtenir une image de l'état moyen de l'atmosphère jusqu'à 3000 m. pour les deux types. Les résultats trouvent également leur application à d'autres problèmes tels que la rupture de charge par heurts et bris de cristaux, les phénomènes concernant les ondes électromagnétiques, l'équilibre d'ionisation, la relation entre les petits ions et la densité des noyaux de condensation. Les points de vue biologiques ne sont qu'esquissés.

---

---

Mit 23 Textabbildungen

---

The research reported in this document has been sponsored in part by the Geophysics Research Directorate of the Air Force Cambridge Research Center, Air Research and Development Command, United States Air Force, under Contract AF 61 (514)-732-C, AF 61 (514)-949 and AF 61 (052)-55, through the European Office, ARDC.Die Auswertungen der Schönwetter-Registrierungen wurden durch Sachbeihilfen seitens der Deutschen Forschungsgemeinschaft möglich gemacht.Die Luftradioaktivitätsmessungen wurden aus Zuschüssen des Bundesministeriums für Atomkernenergie und Wasserwirtschaft an das Institut für Gesteinskunde der Universität München bestritten.     

Zur Höhenabhängigkeit der Niederschlagsmenge in den Alpen

Zusammenfassung Im ersten Teil der Untersuchung werden die Gründe angeführt, welche die vonE. Ekhart entworfene Isanomalenkarte des Niederschlages, die sich über das gesamte Alpengebiet erstreckt, problematisch erscheinen lassen. An Hand von Beispielen aus der Schweiz wird gezeigt, daß die Höhenabhängigkeit dieses Elementes regional so wenig einheitlich ist, daß es unmöglich erscheint, eine allen Teilgebieten genügend angepaßte Form der Höhe—Niederschlags-Beziehung aufzustellen. Auch ergibt sich rein rechnerisch, daß der Gesamtgradient dieser Beziehung mit der Ausdehnung des zu untersuchenden Gebietes immer mehr verflacht. Anlaß zur Diskussion gibt ferner der vonE. Ekhart geltend gemachte Anspruch, die Existenz einer Höhenzone maximalen Niederschlages für die Alpen als Ganzes nachgewiesen zu haben.Der zweite Teil befaßt sich mit der Niederschlagsverteilung in einem Voralpental, dem Wägital. Mit Hilfe statistischer Untersuchungsmethoden wird gezeigt, daß nicht immer nur die Seehöhe das Verteilungsbild maßgebend beeinflußt. Die Topographie einer Gegend kann sich auch so auswirken, daß die Niederschläge infolge der Exposition zu den Regenwinden in einer bestimmten Richtung zunehmen. Das Wägital ist ein Beispiel dafür, daß der letztere Einfluß gelegentlich gegenüber dem der Seehöhe deutlich überwiegt. Recht instruktiv wirkt ein Isanomalenkärtchen des Wägitales, das auf einer kombinierten Beziehung der Niederschlagsmenge zur Hauptrichtung des Talverlaufes und zur Seehöhe aufgebaut ist.

---

Summary In the first part of this paper the reasons are assigned which seem to reveal that the map of isanomals of precipitation traced out byE. Ekhart for the Alps is problematic. It is quoted from cases in Switzerland that dependency of precipitation on altitude is so far from being uniform that it appears impossible to calculate a correlation between precipitation and altitude which is sufficiently corresponding for the different regions of the country. In addition it results arithmetically that the total gradient of this correlation becomes levelled with increase of extension of the region to be regarded. A further reason for a discussion is the pretension asserted byE. Ekhart to have proved the existence of a zone of height with maximum precipitation for the Alps as a whole.The second part deals with the distribution of precipitation in a valley of the Lower Alps, the Wägital. It is shown by means of statistical methods that it is not always only the height above sea level which affects decisively the picture of distribution. The topography of a region can effect in such a manner that precipitation increases in a certain direction owing to the exposure to precipitation winds. The Wägital is an example that this influence occasionally predominates the altitude. A map of isanomals of the Wägital is very instructive, in it the amount of precipitation is put in a combined correlation to the chief direction of the valley and the height of its bottom.

---

Résumé Dans la première partie de cette étude on expose les motifs pour lesquels on peut mettre en doute l'image cartographique des isanomales de précipitations dressée parE. Ekhart pour toute la région des Alpes. A l'aide d'exemples tirés des observations suisses, on montre que la loi de croissance des précipitations avec l'altitude est si variable d'une région à une autre qu'il semble impossible d'en trouver une qui soit valable pour toutes. Il apparaît en outre par simple voie de calcul que le taux de croissance se nivelle au fur et à mesure que la région considérée s'agrandit. On met aussi en discussion la prétention deEkhart d'avoir prouvé l'existence d'une zone de maximum de précipitation pour la totalité des Alpes.La deuxième partie de l'exposé est consacrée à la distribution pluviale dans une vallée préalpine, le Wägital. Grâce à des méthodes de recherche statistiques, on peut montrer que cette distribution ne dépend pas uniquement de l'altitude, mais que la topographie intervient en créant des zones d'excès dans une direction déterminée et conditionnée par le vent pluvieux. Le cas du Wägital prouve que ce facteur peut être dominant et l'emporter sur l'effet hypsométrique. Une carte d'isanomales du Wägital illustrant la dépendance combinée de la hauteur d'eau par rapport à l'axe principal de la vallée et à l'altitude est particulièrement instructive.

---

---

Mit 8 Textabbildungen.     

Die Westwärts-Intensivierung des Polarfront-Jetstream in den Winkel zwischen Polarfront und Tropopause an der Ostseite eines polaren Kälteausbruchs,eine Erweiterung des klassischen Grenzflächenproblems von Margules

Zusammenfassung Es wird eine auf rein dynamischen Grundlagen beruhende Erklärung für die starke Westwärts-Intensivierung des Polar-front-Jetstream in den Winkel zwischen der geneigten Polarfrontfläche und der gegengeneigten Tropopause an der Ostflanke eines polaren Kälteausbruches gegeben.Eine gewisse Ähnlichkeit des Atmosphärenaufbaues mit dem Aufbau des Ozeans im Stromstrich des Golfstromes führt dazu, die Trägheitsgrenzschichten-Theorie vonJ. Charney [1] auf ein solches atmosphärisches System anzuwenden. Ein dreigeschichtetes Atmosphärenmodell wird entwickelt, und für dieses werden Bewegungsgleichungen abgeleitet, die es erlauben, das Problem entsprechend dem LösungsgangCharneys zu behandeln.Der Vergleich mit den aus den Beobachtungen abgeleiteten Neigungen der Polarfront und der Tropopause und der beobachteten Westwärts-Intensivierung des Stromes fällt sehr befriedigend aus. Diese Theorie erfaßt selbstverständlich nur die rein dynamische Seite der Erscheinung und berücksichtigt den sicher wichtigen Beitrag der thermodynamischen Prozesse durch die Verwendung des rohen Modells nur näherungsweise.

---

Summary Based on purely dynamical reasoning an explanation for the strong westward-intensification of the polarfront jetstream into the angle between the inclined polarfront surface and the opposite inclined tropopause on the eastern side of an outbreak of cold polar air is presented.Certain similarity of the structure of the atmosphere with that of the ocean in the main core of the gulf stream has guided me to apply the inertial boundary layer theory ofJ. Charney [1] to such an atmospheric system. A three-layered model of the atmosphere has been developed and corresponding equations of motion were derived, which allow to handle the problem according to the solution ofCharney.The comparison with the slopes of polarfront and tropopause according to the observations and with the observed westward intensification of the flow is rather satisfactory. However, we must understand that this theory only considers the dynamical side of the phenomenon and does only approximately account for the important contribution of thermodynamic processes by the use of the rather simple model.

---

Résumé L'auteur tente d'expliquer du point de vue purement dynamique l'intensification vers l'Ouest du jet situé dans l'angle compris entre le front polaire et la tropopause d'inclinaison contraire, sur le flanc oriental d'un afflux d'air polaire.Une certaine analogie entre la structure de l'atmosphère et celle de l'océan à l'endroit du Gulf-stream incite à appliquer au cas évoqué ici la théorie de la couche limite d'inertie deJ. Charney [1]. On imagine un type d'atmosphère à trois couches pour lequel on établit les équations du mouvement permettant de traiter le problème en cause à l'aide du procédé deJ. Charney.Les observations concernant l'inclinaison du front polaire et de la tropopause ainsi que celles de l'intensification du jet vers l'Ouest confirment la théorie de façon très satisfaisante. Cette dernière, purement dynamique, ne tient compte que d'une manière approchée des processus thermodynamiques sans doute importants.

---

---

Mit 7 Textabbildungen