3.4 Faktoren, die die Eigenschaften von Wellen beeinflussen

3.4.1 Die Wellenlänge

3.4.2 Die Amplitude

3.4.3 Die Vertikalgeschwindigkeit

 

Wellen lassen sich charakterisieren durch ihre Wellenlänge, Amplitude und Vertikalgeschwindigkeit. In den folgenden Abschnitten soll gezeigt werden von welchen Faktoren diese Wellencharakteristika bestimmt werden.

 

3.4.1 Die Wellenlänge

Die Wellenlänge, der Abstand zwischen zwei Punkten gleicher Phase (z.B. zwischen zwei Wellenbergen, vgl. Abb. 3.5, Kapitel 3.2, hängt von den Eigenschaften der vorherrschenden Luftströmung (Wind, Stabilität), nicht aber von der Topographie ab. (Casswell, 1966). Kurze Wellenlängen stehen im Zusammenhang mit schwachen Winden und/oder hoher Stabilität, während größere Wellenlängen bevorzugt bei starken Winden und/oder geringer Stabilität auftreten. Die Beziehung zwischen Wellenlänge und Wind bzw. Stabilität läßt sich ausdrücken mit

wobei l der Scorerparameter ist (Kapitel 4.3). list Funktion von z; bei einem gegebenen l- Profil sollte sich die Wellenlänge zwischen dem größten und kleinsten Wert von l bewegen. (WMO, 1958). Die Wellenlänge zeigt gegenüber der Windgeschwindigkeit eine stärkerer Abhängigkeit als bezüglich der Stabilitätsverhältnisse. In Abb. 3.13 ist die Wellenlänge der mittleren Windgeschwindigkeit

 

 

Windgeschwindigkeit gegenübergestellt. Nach Corby (1956) erkennt man, dass zwischen der Wellenlänge und der Windgeschwindigkeit ein linearer Zusammenhang mit einem Korrelationskoeffizient von 0,91 besteht. Diese Untersuchung basiert auf 26 Beobachtungen.

Empirisch läßt sich dieser Zusammenhang formulieren mit

wobei die mittlere Windgeschwindigkeit in m/s und die Wellenlänge in km ist.

Da das Kammniveau hoher Gebirgszüge (z.B. Alpen, Pyrenäen) weiter in die freie Atmosphäre hinaufreicht, wo in der Regel stärkere Windgeschwindigkeiten anzutreffen sind, treten an solchen auch Wellen mit höherer Wellenlänge auf, was vermittelt, dass die Wellenlänge proportional zur Gebirgshöhe ist. Aber auch an kleinen Gebirgen (<1500m Höhe) können bei entsprechend hoher Windgeschwindigkeit Wellen mit großen Wellenlängen erzeugt werden.

Beobachtungen zufolge befinden sich die Wellelängen von Leewellen im Bereich von 5 km bis 30 km, im Mittel bei 10 km. Bei Trapped Waves können diese auch unter 5 km liegen.

Die oben angeführten empirischen Gl. 3.5a - 3.5c stellen nur eine Approximation der Wellenlänge dar. Man muss sich bewußt sein, dass die Wellenlänge sowohl räumlich, als auch zeitlich varriieren kann.

 

3.4.2 Die Amplitude

Die Amplitude der Leewellen ist definiert als der halbe vertikale Abstand zwischen Wellental und Wellenberg (siehe Abb. 3.5). Die Wellenamplitude hängt von folgenden Faktoren ab:

 

a)	Topographische Faktoren (Größe und Form des Hindernisses)
b)	Strömungseigenschaften (Vertikales Wind -und Temperaturprofil an der Luvseite des Gebirges)

 

a) Topographische Einflußfaktoren

Die Größenordnung der Wellenamplitude ist mit gewissen Einschränkungen direkt proportional zur (relativen) Höhe des Gebirges. Eine noch wichtigere Rolle spielt die Höhe des Leeabhanges, sowie die Breite bzw. die Form des Hindernisses. Entspricht diese der natürlichen Wellenlänge der Strömung so bewirkt dies höhere Amplituden. Ist die leeseitige Bergflanke hoch und steil, so kann mit einer großen Amplitude (und mit hohen Vertikalgeschwindigkeiten) gerechnet werden.

Diese Effekte können den Einfluß der Gebirgshöhe überkompensieren, sodass auch kleine Berge Wellen mit großen Amplituden erzeugen können. So wurde z. B. über dem Deister, einer Bergkette von nur 300m Höhe über dem norddeutschen Flachland, im Wellensegelflug eine Höhe von 8000m erreicht. Somit läßt sich nicht generalisieren, dass die Amplitude proportional zu Höhe der Bergkette ist.

Bei zwei oder mehreren, parallel zueinander laufenden Gebirgszügen erfährt die Wellenströmung aufgrund des Resonanzeffektes eine entsprechende Modifikation. Wie in Abb. 3.14 zeigt, kann oberhalb bzw. im Lee des sekundären Hindernisses eine verstärkte Amplitude auftreten, wenn die Wellen mit dem Relief in Phase sind. Im Gegensatz dazu kann es aber auch zu einer Dämpfung der Amplitude kommen.

 

 

Aufgrund der Komplexität der alpinen Gebirgszüge spielt der Resonanzeffekt in den Alpen eine wesentliche Rolle. Die Auswertung der Segelflugdaten zeigt, dass im Lee des Tennengebirges Aufwindgeschwindigkeiten von bis zu 10 m/s angetroffen wurden. Ursache für diese hohen Vertikalgeschwindigkeiten dürften eine dafür günstigen Form der Topographie, sowie Resonanzeffekte sein (siehe dazu Abb. 5.12, Kapitel 5.3.3).

 

b) Aerologische Einflußfaktoren

Die Leewellenamplitude hängt vom vertikalen Windprofil und vom Vertikalprofil des Scorerparameters ab. Je stärker die Abnahme des Scorerparameters mit der Höhe ist, desto günstiger sind die Bedingungen für Wellen mit großen Amplituden (Corby und Wallington, 1956). Eine starke Abnahme des Scorerparameters mit zunehmender Höhe steht in Verbindung mit vertikal zunehmenden Wind und/oder vertikal abnehmender Stabilität. Für große Amplituden ist ein Windprofil günstig, bei dem der Wind nach oben hin nicht zu stark zunimmt und im Bereich des Kammniveaus nicht zu stark ist. (Corby und Wallington, 1956). Da für die Entstehung von Leewellen, insbesondere bei hohen Gebirgen, eine gewisse Mindestwindgeschwindigkeit in Kammniveau nötig ist, muss die Abnahme des Scorerparameters hauptsächlich über die Stabilität erfolgen, um Voraussetzungen für Wellen mit großen Amplituden zu schaffen. Zusammenfassend ist also festzustellen: günstig für Leewellen mit großer Amplitude ist eine Abnahme der Stabilität nach oben, bei nicht zu starker vertikaler Windzunahme.

 

3.4.3 Die Vertikalgeschwindigkeit

Die Vertikalbewegungen, die in Wellenaufwindgebieten erreicht werden, liegen um mehr als zwei Größenordnungen über jenen von synoptischskaligen Systemen. Die Aufwindgeschwindigkeiten bewegen sich im Bereich von 3 m/s bis 8 m/s, in manchen Fällen können Geschwindigkeiten von mehr als 10 m/s erreicht werden (vgl. "Abtenauer Welle" in Abb. 5.12 von Kapitel 5.3.2). Leewellen stellen somit ein effektives Aufwindpotential für den Streckensegelflug, aber auch eine Gefahrenquelle für die internationale Luftfahrt dar.

Die Vertikalgeschwindigkeit zeigt hinsichtlich ihrer Abhängigkeit bezüglich der topographischen und aerologischen Faktoren ein ähnliches Verhalten wie die Amplitude. Hohe Aufwindgeschwindigkeiten stehen im Zusammenhang mit hohen Windgeschwindigkeiten. Weiters treten sie im allgemeinen im Lee von höheren Gebirgen auf. Hinsichtlich der Form des Gebirges wirkt sich ein steiler, tief abfallender Leehang sehr günstig für hohe Vertikalgeschwindigkeiten aus.
Resonanzeffekte können die Aufwinde essentiell verstärken oder abschwächen, sodaß auch oberhalb bzw. im Lee von kleineren Bergen größere Vertikalbewegungen vorgefunden werden als bei höheren Bergen.

Wellenaufwinde treten in langen, jedoch schmalen Bändern parallel zum luvseitig vorgelagertem Gebirge auf. Die Breite der Aufwindgebiete liegt im Bereich von eingen Hundert Metern bis Kilometern.

Die Auswertungen von den Segelflügen zeigen, dass die Vertikalgeschwindigkeit in vielen Fällen in den unteren Bereichen der Welle am größten ist und nach oben hin stetig abnimmt. Eine quantitative Auswertung der Vertikalverteilung der Aufwindgeschwindigkeit im Lee des Schneeberges und des Hochschwabs läßt diese Abnahme mit der Höhe gut erkennen. Nähere Details dazu sind in der Diplomarbeit von Prodinger (2001) nachzulesen.