Weather Forecas,ng for Mariners: Lecture 1 Trip Planning - PowerPoint PPT Presentation

Weather ¡Forecas,ng ¡for ¡Mariners: ¡ Lecture ¡1 ¡– ¡Trip ¡Planning ¡ ¡ h;p://www.meteo.psu.edu/~wfr1/tayc-­‑2013/taycwx.pdf ¡ ¡ Bill ¡Ryan ¡ Department ¡of ¡Meteorology ¡ The ¡Pennsylvania ¡State ¡University ¡ wfr1@psu.edu ¡or ¡wfryan335@mac.com ¡ ¡

Day ¡1: ¡ ¡Outline ¡ • Basic ¡Weather ¡Knowledge: ¡ – Weather ¡moves ¡in ¡waves. ¡ – What ¡makes ¡the ¡waves? ¡ – What ¡does ¡your ¡posi,on ¡on ¡the ¡wave ¡mean ¡about ¡ your ¡weather? ¡ • How ¡to ¡Apply ¡this ¡Knowledge ¡for ¡Trip ¡Planning: ¡ – ¡Visualize ¡the ¡waves. ¡ – The ¡4 ¡Charts ¡You’ll ¡Meet ¡in ¡Weather. ¡ – An ¡example ¡

First ¡Take ¡Home ¡Message ¡ • Weather, ¡on ¡average, ¡follows ¡certain ¡rules ¡of ¡thumb. ¡ • Weather ¡tomorrow, ¡however, ¡is ¡unique. ¡ • Mathema,cally, ¡weather ¡is ¡a ¡bounded, ¡aperiodic ¡ phenomenon ¡ à ¡chao,c. ¡ • Bounded ¡means ¡it’s ¡constrained ¡by ¡the ¡basic ¡physics ¡of ¡a ¡ rota,ng ¡system. ¡It ¡never ¡totally ¡gets ¡out ¡of ¡hand. ¡ • Weather ¡is ¡bounded ¡by ¡a ¡system ¡of ¡7 ¡equa,on ¡and ¡7 ¡ unknowns. ¡ • These ¡equa,ons ¡can ¡be ¡solved ¡by ¡complex ¡numerical ¡ weather ¡predic,on ¡models ¡(NWP). ¡ • All ¡of ¡our ¡forecasts ¡are ¡based ¡on ¡analyzing ¡NWP ¡model ¡ output. ¡ ¡There ¡are ¡no ¡true ¡shortcuts. ¡

Second ¡Take ¡Home ¡Message ¡ • The ¡atmosphere, ¡in ¡our ¡neck ¡of ¡the ¡woods, ¡is ¡ organized ¡in ¡wave ¡pa;erns ¡of ¡a ¡variety ¡of ¡sizes ¡ that ¡overlap ¡(super-­‑imposed). ¡ • Now ¡to ¡the ¡White ¡Board ¡1-­‑3. ¡

White ¡Board ¡1: ¡ ¡Waves ¡ The ¡atmosphere ¡is ¡organized ¡ in ¡waves. ¡ ¡ This ¡allows ¡numerical ¡solu,ons ¡ of ¡the ¡weather ¡(models) ¡as ¡ waves ¡can ¡be ¡easily ¡described ¡ mathema,cally. ¡ ¡ There ¡is ¡no ¡single ¡wave ¡but ¡ rather ¡a ¡super-­‑posi,oning ¡of ¡ waves ¡of ¡various ¡lengths ¡and ¡ amplitudes. ¡ ¡ The ¡interac,on ¡of ¡different ¡ waves ¡creates ¡temporary ¡ imbalances ¡that ¡cause ¡ “weather”. ¡

White ¡Board ¡2: ¡ ¡General ¡Circula,on ¡ Differen,al ¡hea,ng ¡of ¡the ¡Earth ¡ starts ¡the ¡wave ¡process. ¡ ¡ The ¡equator ¡is ¡closer ¡and ¡aligns ¡ perpendicular ¡to ¡the ¡sun ¡so ¡that ¡ it ¡takes ¡in ¡more ¡heat ¡than ¡it ¡ loses. ¡ ¡ This ¡causes ¡upward ¡mo,on ¡at ¡ the ¡equator. ¡

Upward ¡Mo,on ¡at ¡the ¡ITCZ ¡

White ¡Board ¡3: ¡ ¡General ¡Circula,on ¡ In ¡areas ¡of ¡converging ¡ air, ¡get ¡localized ¡regions ¡ of ¡very ¡strong ¡winds ¡ aloj ¡– ¡Jet ¡Streams. ¡ ¡ There ¡are ¡two ¡we ¡are ¡ concerned ¡with: ¡ ¡ 1. ¡Sub-­‑Tropical ¡Jet ¡(the ¡ “Pineapple ¡Express”) ¡ 2. ¡Polar ¡Jet ¡

Wave ¡Structure ¡ To ¡White ¡Board ¡4 ¡

General ¡Circula,on ¡ Follows: ¡ ¡White ¡Board ¡1, ¡2 ¡and ¡3 ¡

White ¡Board ¡4: ¡ ¡Troughs ¡and ¡Ridges ¡ Simplified ¡view ¡of ¡wave ¡structure ¡ in ¡our ¡la,tudes. ¡ ¡ The ¡tops ¡of ¡the ¡waves ¡are ¡“ridges” ¡ and ¡the ¡bo;oms ¡are ¡“troughs”. ¡ ¡ The ¡weather ¡we ¡are ¡most ¡concerned ¡ about ¡occur ¡near ¡the ¡base ¡of ¡the ¡ troughs. ¡

Waves ¡Best ¡Seen ¡at ¡500 ¡mb ¡ (~ ¡5 ¡km ¡above ¡ground) ¡ Follows ¡White ¡Board ¡4 ¡

The ¡4 ¡Charts ¡You’ll ¡Meet ¡in ¡Weather: ¡500 ¡mb ¡

Interes,ng ¡Weather ¡Typically ¡Occurs ¡Just ¡East ¡ (or ¡Downstream) ¡of ¡the ¡Base ¡of ¡the ¡Trough ¡ X ¡

Troughs ¡Can ¡Over-­‑Amplify ¡and, ¡Like ¡Breaking ¡ Waves, ¡can ¡“Cut ¡Off” ¡ Sunday, ¡May ¡5 ¡ Friday, ¡May ¡3 ¡ “Cut ¡off” ¡lows, ¡detached ¡from ¡the ¡main ¡belt ¡of ¡the ¡westerlies, ¡move ¡slowly ¡ and ¡bring ¡lots ¡of ¡rain ¡– ¡this ¡occurred ¡last ¡week ¡ What ¡are ¡the ¡fancy ¡colors ¡for, ¡by ¡the ¡way? ¡ ¡ ¡See, ¡White ¡Boards ¡5, ¡6 ¡& ¡7 ¡

White ¡Board ¡6: ¡ ¡Vor,city ¡ Vor,city ¡is ¡a ¡measure ¡of ¡spin ¡ ¡ For ¡those ¡who ¡s,ll ¡remember ¡their ¡ Calculus: ¡ ¡“del ¡cross ¡ ​𝑊 ”, ¡where ¡ ​𝑊 ¡ is ¡velocity. ¡ ¡ Counter ¡Clockwise ¡Spin ¡= ¡Posi,ve ¡ posi,ve ¡ ¡ ¡ ¡Vor,city ¡ Clockwise ¡Spin ¡= ¡Nega,ve ¡Vor,city ¡ ¡ Downwind ¡of ¡Posi,ve ¡Vor,city ¡= ¡ Upward ¡Mo,on ¡(where ¡the ¡ac,ve ¡ weather ¡usually ¡is) ¡ ¡ Downwind ¡of ¡Nega,ve ¡Vor,city ¡= ¡ nega,ve ¡ Downward ¡Mo,on, ¡ojen ¡fair ¡weather. ¡ ¡

White ¡Board ¡7: ¡Vor,city ¡and ¡Ver,cal ¡Mo,on ¡ Downwind ¡of ¡Posi,ve ¡ ¡ Vor,city ¡= ¡ ¡Upward ¡ Mo,on ¡(where ¡the ¡ac,ve ¡ weather ¡usually ¡is) ¡ Nega,ve ¡ ¡ Nega,ve ¡ Posi,ve ¡ Downwind ¡of ¡Nega,ve ¡ (-­‑) ¡ (-­‑) ¡ (+) ¡ Vor,city ¡= ¡Downward ¡ Mo,on, ¡ojen ¡fair ¡ weather. ¡

The ¡4 ¡Charts ¡You’ll ¡Meet ¡in ¡Weather ¡ 200-­‑300 ¡mb ¡Height ¡and ¡ ¡ Divergence ¡at ¡ Wind ¡Speed: ¡ ¡Posi,on ¡ high ¡levels ¡ of ¡jet ¡stream, ¡presence ¡of ¡jet ¡ streaks. ¡ Mid-­‑level ¡upward ¡ 500 ¡mb ¡Vor:city ¡and ¡Height : ¡ mo,on ¡ Upward ¡mo,on ¡downwind ¡ of ¡maximum ¡vor,city ¡ 850 ¡mb ¡Temperature, ¡winds ¡and ¡ Convergence ¡at ¡low ¡ height : ¡ ¡Loca,on ¡of ¡fronts. ¡ levels ¡ Surface ¡Temperature, ¡moisture ¡ and ¡wind: ¡ ¡

White ¡Board ¡8: ¡ ¡850 ¡mb ¡Chart ¡ Just ¡downwind ¡of ¡the ¡base ¡ of ¡the ¡trough, ¡warm, ¡moist ¡ air ¡collides ¡with ¡cool, ¡dry ¡ air. ¡ ¡ Warm, ¡moist ¡air ¡is ¡more ¡ buoyant ¡and ¡rises ¡upward. ¡

The ¡4 ¡Charts ¡You’ll ¡Meet ¡in ¡Weather: ¡ ¡850 ¡mb ¡ (Height, ¡Temperature ¡and ¡Wind) ¡ Next: ¡ ¡White ¡Board ¡8 ¡

Pusng ¡1 ¡(500 ¡mb) ¡and ¡2 ¡(850 ¡mb) ¡Together ¡ X ¡ X ¡

850 ¡Chart ¡Can ¡Iden,fy ¡Frontal ¡Boundaries ¡

The ¡4 ¡Weather ¡Maps ¡You ¡Really ¡Need ¡ 200-­‑300 ¡mb ¡Height ¡and ¡ ¡ Divergence ¡at ¡ Wind ¡Speed: ¡ ¡Posi,on ¡ high ¡levels ¡ of ¡jet ¡stream, ¡presence ¡of ¡jet ¡ streaks. ¡ Mid-­‑level ¡upward ¡ 500 ¡mb ¡Vor:city ¡and ¡Height : ¡ mo,on ¡ Loca,on ¡of ¡maximum ¡vor,city ¡ 850 ¡mb ¡Temperature, ¡winds ¡and ¡ Convergence ¡at ¡low ¡ height : ¡ ¡Loca,on ¡of ¡fronts. ¡ levels ¡ Surface ¡Temperature, ¡moisture ¡ and ¡wind: ¡ ¡

Wind ¡Speed ¡at ¡250 ¡mb ¡(~ ¡10 ¡km): ¡ Areas ¡of ¡Very ¡High ¡Winds ¡are ¡Embedded ¡in ¡ the ¡Jet ¡Stream ¡(Jet ¡Streaks) ¡ Polar ¡Jet ¡ Jet ¡Streaks ¡ Sub-­‑Tropical ¡Jet ¡

Jet ¡Stream ¡is ¡Like ¡a ¡Ribbon ¡

Rota,ons ¡Around ¡Jet ¡Streaks ¡Provide ¡the ¡ Missing ¡Upward ¡Mo,on ¡

In ¡our ¡Example, ¡a ¡jet ¡streak ¡is ¡moving ¡through ¡ the ¡base ¡of ¡the ¡trough ¡(“Sweet ¡Spot”) ¡

The ¡4 ¡Charts ¡You ¡Meet ¡in ¡Weather ¡ 200-­‑300 ¡mb: ¡ Height ¡and ¡ ¡ Divergence ¡at ¡ Wind ¡Speed, ¡gives ¡posi,on ¡ high ¡levels ¡ of ¡jet ¡stream ¡and ¡presence ¡ ¡ of ¡jet ¡streaks. ¡ Mid-­‑level ¡upward ¡ 500 ¡mb: ¡ Vor,city ¡and ¡Height, ¡ mo,on ¡ Loca,on ¡of ¡maximum ¡vor,city ¡ And ¡thus ¡upward ¡mo,on ¡down-­‑ ¡ wind. ¡ 850 ¡mb: ¡ Temperature ¡and ¡Winds, ¡ Convergence ¡at ¡low ¡ give ¡loca,on ¡of ¡fronts. ¡ levels ¡ Surface: ¡ Temperature, ¡moisture ¡ and ¡wind. ¡

4 ¡Charts: ¡ ¡An ¡Example ¡from ¡April ¡18th ¡ 250 ¡mb ¡ 500 ¡mb ¡ Surface ¡ 850 ¡mb ¡