Wiederholung 8. Stunde

1. Was unterscheidet die Wasserhaushaltsgleichungen von Atmosphäre, Biolithosphäre und Ozeanen? • Was ist der Frischwasserfluss? Was macht seineBestimmung problematisch? • Wie sieht die meridionale Verteilung derKomonenten des Wasserkreislaufs aus? Wo liegen die Quellen- und Senken des atmosphärischen Wasserdampfs? • Wie groß ist der Anteil des atmosphärischen Wasserdampftransport am polwärtigen Energietransport? Wiederholung 8. Stunde Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

2. Wiederholung 8. Stunde • Wo finden die stärksten Abflüsse (run-off) statt? • Wie unterscheiden sich Atlantik, Pazifik und Indik? • Welche Rolle spielt der südliche Ozean? wahrscheinlich ausgeglichenes P-E im Flächenmittel, übernimmt nur Transportfunktion? Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

3. Salzverteilung Effekte von- Niederschlag - Meereiskalben und Abflüssen - Transporten Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

4. Ostseeeinzugsgebiet • kontinentales Einzugsgebiet • 2.14 · 106 km2 (Ostsee 19 %) • 14 Länder • 84 Mill. Einwohner • rasche wirtschaftl. Entwicklung • hohe Dichte von Beobachtungen • Hydrologie, Ozeanographie, Meteorologie, Biologie... Eis Boreale Wälder Seen DänischeStraßen Landwirt-schaft Industrie Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

5. Ergebnisse aus Schiffsbeobachtungen COADS Comprehensive Ocean Atmosphere Data Set ca. 5 Meldungen pro Tag 1980 bis 1995 P aus Wetterschlüssel Emittels Bulk-Methode Eisbedeckte Flächen separat -14 -10 -6 -2 +2 +6 +10 +14 P - E [mm / Monat] Lindau [2002] Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

6. Wasserhaushalt der Ostsee: Schiffsbeobachtungen Jahreswerte in mm PE P-E Henning [1988] 639 498 141 Omstedt & R [2000] 599 443 156 Jacob et al. [1997] 827 505 322 Lindau [2002] 603 537 66 150 100 50 0 -50 -100 P = 50.3 mm / Monat E = -44.8 mm / Monat P - E = 5.5 mm / Monat Stationsdaten Ozeanmodell Reg. Klimamodell Schiffsbeobachtungen [mm / Monat] Frischwasserzustrom aus Flüssen~ 1200 mm pro Jahr konsistente Verteilung des Salzgehaltes 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Monat Lindau [2002] Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

7. Detailstudien aus Modellläufen Zeitlich und räumlich differenzierte Haushaltsbetrachtungen nur durch Modellrechnungen Konvergenz August 1995 -0.5 2.6 1.7 3.4 2.0 0.1 0.8 September 1995 0.8 3.1 1.3 2.9 3.4 0.7 1.2 0.5 2.3 0.7 2.2 1.9 0.8 0.8 Niederschlag Niederschlag Oktober 1995 [ mm / Tag ] Verdunstung Speicher Abfluss [Karstens, pers. Mitteilung] Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

8. Gliederung http://www.nature.com/nature/journal/v438/n7068/pdf/438565a.pdf • Einführung • Datengrundlage- Messungen (direkt/indirekt)- Reanalysen (Modelle als Ergänzung) • Energiehaushalt der Erde- Strahlungs(konvektions)-gleichgewicht- Räumliche Verteilung, 3D-Energietransporte, „Wärmemaschine“ Klimasystem • Hydrologischer Zyklus- terrestrischer/ozeanischer Arm- Ozeanische Zirkulation (thermohaline Zirkulation) • Natürliche Klimavariabilität- Interne Variabilität (ENSO)- Externe Variabilität (Sonne, Vulkane, Erdbahnparameter) • Klimamodellierung- GCM/Ensemble-Vorhersage/Parametrisierung- IPCC, Szenarien, anthropogene Effekte • Globaler Wandel- Detektion des anthropogenen Einflusse Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

9. Die Ozeane • 2/3 der Erdoberfläche, 96.5 Prozent der Gesamtwasservorkommen der Erde • 45.9 % Pazifik, 23.2 % Atlantik, 20.3 % Indik+ Mittelmeere + Randmeere • Deckschicht (~100 m), obere Sprungschicht, Thermostad (~400 m), untere Sprungschicht (Thermokline), Kaltwassersphäre • Temperatur des Dichtemaximums und des Gefrierpunktes nehmen mit zunehmendem Salzgehalt ab (ca. -3°@3.5%) • ozeanische Zirkulation (horizontal/vertikal) durch Atmosphäre, Meeres-bodentopographie und Salzverteilung nordwärts gericht. Wärmetransporte Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

10. Atmosphäre und ozeanische Zirkulation • die Summe aus Strahlungsbilanz Q und turbulentem Strom sensibler H und latenter Wärme LE wird über den Ozeanen im langährigen Mittel durch die Divergenz der ozeanischen Wärmetransporte (f(T)) ausgeglichen • die Divergenz zwischen Niederschlag P und Evaporationsfluss E wird im langjährigen Mittel durch die Divergenz des ozeanischen Salztransports ausgeglichen - Q, H, LE beeinflussen T - P, E verändern Salzgehalt S Bosubskal. vert. Wärmetransport Hssubskal. vert. Salztransport τturbulente Impulstransport vImpuls der Atmosphäre ovoImpuls des Ozeans Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

11. Energie- und Wasserumsatz an Grenzfläche Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

12. Grundgleichungen des Ozeans: Impulserhaltung Reibungskraft: vertikale Divergenz des vertikalen Impulsstromvektors Randbedingung f Coriolisparameter erEinheitsvektor radial auswärts vh ozean. horiz. Strömungsgeschwindigkeit w ozean. vert. Strömungsgeschwindigkeit τA vertikaler atmosphärischer Impulsstrom ws,vs subskaligen Schwankungen des 3-d Geschwindigkeitsvektors Hydrostatische Beziehung Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

13. Grundgleichungen des Ozeans Bilanzgleichung für die Innere Energie ocwT: Quellen für Wärme und Salz Bilanzgleichung für die Salzmasse oS: liegen i.W. nur an der Ozeanoberfläche Kontinuitätsgleichung: Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

14. Ozeanische Zustandsgleichung Verknüpfung von S, T, ρ0 in der ozeanischen Zustandsgleichung: wobei  zwischen 1000 und 1040 kg m-3 Δ = 0.2 kg m-3 entspricht ungefährΔT = 1°C oder ΔS = 0.2%o Druckabhängigkeit entfällt für nicht zu große Vertikalverschiebungen (inkompressibel) linearer Ansatz meist ausreichend (aus Messungen): αthermische Ausdehungskoeff.- 5.26·10-5 K-1 βhaline Ausdehnungskoeff. 7.86 ·10-4 psu-1 0o mittlere Dichte von Meerwasser bei T0 (0°C) und S0 (35 psu) Welche Wirkung haben atmosphärisch-induzierte Dichtevariationen auf den Zirkulationszustand des Ozeans? Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

15. Isopyknen des Meerwassers abhängig von Temperaturund Salzgehalt Isopyknen = Linien gleicher Dichte, in [kg/m3 ] Bei p= Atmosphärendruck Bei S > 25 gibt es keine „Anomalie des Wasses“ mehr Quelle: Bergmann Schäfer Band 7, Abb.2.1; p.55 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

16. Jahresmittel der Dichte des Oberflächenwassers Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

17. Isopyknen des Meerwassersabhängig von Temperaturund Druck bei Salinität S= 35 1 dezi bar == 1 m Wassersäule Quelle: Bergmann Schäfer Band 7, p.55, Abb.2.1b Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

18. Die Ozeane • ozeanische Bewegungsgleichungen analog zur Atmosphäre • Schubkraft des atmosphärischenWindes führt zu Oberflächen-strömung, die durch Wirkung derCorioliskraft mit der Tiefe sich geostrophisch nähert (Ekman-Spirale) Wassergeschwindigkeit ist ca. 1%(0.5-1 km/h) der Windgeschwindigkeit Stocker, T., The ocean in the climate system: observing and modeling its variability, in Physics and chemistry of the atmospheres of the Earth and other objects of the solar system, edited by C. Boutron, pp. 39-90, Les Editions de Physique, Les Ulis, 1996. Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

19. Küsteneffekte Peixoto and Oort, 1992 Wind transportiert Wassermasse zur (von der) Küste (weg) → Auftriebsgeschwindigkeiten ca. 5.5 m/Tag Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

20. Ekman Konvergenz in Subtropen/mittl. Breiten (NH) In den Tropen führen Passatwinde entsprechend zu Ekman-Divergenz und somit Aufquellen (upwelling) Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

21. In Subtropen sind Westseiten der Kontinente wärmer als Ostseiten Ozeanströmungen zirkumpolare Antarktistrift durch Westwinddrift Linksablenkung führen zu Humboldt- und Benguelastrom Aufquellgebiete Peixoto and Oort, 1992 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

22. Ozeanströmungen Peixoto and Oort, 1992 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

23. Ozeanströmungen Peixoto and Oort, 1992 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

24. Kopplung von Wärme-, Salzflüssen und Dichtequellen auf Flussform bringen, dann Integration über Ozeanvolumen: DOOzeanoberfläche DOzeantiefe Randbedingungen am Boden und an der Oberfläche Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

25. Kopplung von Wärme-, Salzflüssen und Dichtequellen ergibt: d.h., im Mittel werden thermohaline Dichteschwankungen erzeugt durch: • Energie- und Süßwasserflüsse an der Ozeanoberfläche aus der Atmosphäre • Wärme- und Salz- (bzw. Süßwasser) flüsse über die seitlichen Ränder der Ozeane Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

26. Ozeanzirkulation: Approximierte BWGL Durchführung einer Skalenanalyse für typische ozeanische Bewegungsabläufe ergibt für die Impulsgleichung: Auflösen nach geostrophische Balancierung außerhalb von Schichten, wo wesentlicher Impulstransfer stattfindet LSG: „large scale geostrophic system“ Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

27. Thermischer Wind Bilde ... d.h. das horizontale Feld der thermohalinen Dichteschwankungen bestimmt die vertikale Scherung der ozeanischen Strömungsgeschwindigkeiten (außerhalb der Tiefen, wo signifikante Reibung stattfindet) www.bsh.de thermischer Wind als Tangente an die Konturen Stärke proportional zur Drängung der Konturen Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

28. Vertikale Umlagerungen im Ozean Kombination Dichtegleichung & thermischer Windbeziehung, nachwauflösen Annahme: stationäre Verhältnisse & große Entfernung zu Dichtequellen / Senken: • da Dichteschichtung des Ozeans immer stabil • bedeutet dies für die Nordhemisphäre (f> 0): • bei zyklonaler Drehung vonvhmit zunehmender Tiefe eine aufsteigende Wassermassenbewegung • entsprechend bei antizyklonaler Drehung vonvhmit zunehmender Tiefe eine absinkende Wassermassenbewegung Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

29. Einfaches Bild der thermohalinen Zirkulation • Voumina tendieren dazu sich auf Flächen konstanter Dichte zu bewegen • ist ein Winkel zwischen tatsächlicher Geschwindigkeit und Dichtekonturen vorhanden, so werden Volumina auf- oder abwärts gelenkt Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007