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Zusammenfassung: „Wärmemaschine“ Klimasystem. > 0. Strahlungsbilanz. Energietransporte. < 0. Wellentransporte. Kondensation Konvektion. Atmosphäre. Hadley-Zelle. innere Energie latente Energie potentielle Energie kinetische Energie. Niederschlag. Verdunstung. H. Passate. Wärme.

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Presentation Transcript

  1. Zusammenfassung: „Wärmemaschine“ Klimasystem > 0 Strahlungsbilanz Energietransporte < 0 Wellentransporte Kondensation Konvektion Atmosphäre Hadley-Zelle innere Energie latente Energie potentielle Energie kinetische Energie Niederschlag Verdunstung H Passate Wärme Erwärmu Eis Pol Äquator Salz Salz Salz Salz und Energie Ozean Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  2. Was sind die wichtigsten Komponenten des hydrologischen Zyklus? • In welche Sub-Kreisläufe (Arme) kann der hydrologische Zyklus aufgeteilt werden? • Was ist die klassische Wasserhaushaltsgleichung? • Wie sind Wasser- und Energie-kreislauf gekoppelt? • Was ist ein Sverdrup? • Welche Bedeutung hat der Abfluss für die Ozeane? • Was sind die 4 Schritte der thermohalinen Zirkulation? Wiederholung 7. Stunde - Tiefenwasserbildung - Verbreitung von Tiefenwasser - Auftrieb von Tiefenwasser - Oberflächenströme http://www.focus.de/wissen/wissenschaft/klima/ozean-duengung_nid_34590.html Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  3. Verknüpfung von Land/Ozean im terrestrischen Arm Haushaltsgleichung für die Salzkonzentration gemittelt über die vertikale Säule und die gesamte Ozeanoberfläche und die Wasserhaushaltsgleichung gemittelt über die gesamten Landoberflächen ergibt Zusammenhang Hydrologie der Ozeanoberfläche mit der Landoberfläche • bedeutet ein Defizit von Süßwasserzufuhr über dem Ozean eine Salzflussdivergenz, muss diese durch einen Massenfluss von Süßwasser von den Kontinenten ausgeglichen werden • besteht über den Kontinenten ein Überschuss von Süßwasserzufuhr muss über den Ozeanoberflächen mehr Verdunstung als Niederschlag auftreten • RO von den Kontinenten bedeutet einen horizontalen Export (negativen Import) von Salz über die Küsten aus dem Ozean hinaus Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  4. Hydrologischer Zyklus: atmosphärischer Arm Austausch zwischen Wasserdampf und kondensiertem Wasser stellt die Kondensationsrate dar Kontinuitätsgleichungen (Wassermassenerhaltung) für Wasserdampf q: für Flüssig-/Festphase qc: E > 0 von Oberfläche weggerichtet P > 0 zur Oberfläche hingerichtet Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  5. Hydrologischer Zyklus: atmosphärischer Arm wiederum: Betrachtung über ein vertikales Säulenmittel diese Wassersäule nimmt nur ab falls 1.) mehr Niederschlag ausfällt als über Verdunstung wieder aufgenommen wird 2.) oder wenn ein horizontaler Wassernettoabfluss besteht langjähriges Mittel d.h. (in Analogie zum Salzfluss des Ozeans) Zu-/Abfuhr von Wasser in eine atmosphärische Säule kann nur durch Konvergenzen/Divergenzen der horizontalen Wasserdampftransporte ausgeglichen werden. Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  6. Bild des global-gemittelten hydrologischen Zyklus • P-E < 0 über den Ozeanen • P-E > 0 über Landoberflächen Transportprozesse müssen Wasser von den Ozeanoberflächen zu den Landflächen „pumpen“ Salzüberschuss ( < 0) der Ozeane muss über kontinentalen Abfluss R0 balanciert werden benötigte Energie verfügbar durch positive Strahlungsbilanz in Tropen/Subtropen (Verdunstung E, Bereitstellung von LE an Atmosphäre) Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  7. Regionale Unterschiede des Hydrologischen Zyklus Kombination von Erhaltungsgleichungen und Beobachtungen vertikal gemittelte Wasserhaushaltsgleichungen für Klimasubsysteme: Atmosphäre: Biolithosphäre: Ozean: wBBodenfeuchte [kg m-3] Ro Abfluss [kg m-2] s Salzgehalt [kg m-3] s* spez. Salzgehalt [kg/kg] D vert. Dicke der Ozeansäule Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  8. Hydrologischer Zyklus: Datensätze zur Untersuchung Teil des WCRP (WMO) 2.5°x2.5° 1°x1° Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  9. Global Precipitation Climatology Project (GPCP) [mm/Tag] http://lwf.ncdc.noaa.gov/oa/wmo/wdcamet-ncdc.html Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  10. Genauigkeit von Niederschlagsbeobachtungen CRU Climatic Research Unit, University of East Angliahttp://www.cru.uea.ac.uk/cru/data/hrg.htm GPCC Global Precipition Climate Centerhttp://www.dwd.de/en/FundE/Klima/KLIS/int/GPCC/GPCC.htm Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  11. Genauigkeit von Niederschlagsbeobachtungen mm/Tag schwarz: GPCP gelb: GPCC grün: CRU Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  12. Und wie bestimmen wir die Verdunstung Wasserdampftransport durch turbulente Vertikalbewegungen Direktmessung Dichte der feuchten Luftq spezifische Feuchtew Vertikalgeschwindigkeit wenigeStationenüber Land E =  q’ w’ Profil-Methode (Parametrisierung) K turbulenter Austauschkoeffizient Bulk-Formelu Windstärke (10 m)CE Bulk-Transferkoeffizient (~1.3 10-3)qs Sättigungsfeuchte der Oberflächeqb bodennahe spez. Feuchte (2 m) gut überOzean • Ozean: qb = qS(p, TS) • Land:E(qS) heißt potentielle Verdunstung, es gilt qb = αqS(p, TS), • αabhängig von Bewuchs, Bodenart (Problem bei Transpiration!) Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  13. Globale Beobachtung der Verdunstung • Beobachtungen von freiwilligen HandelsschiffenComprehensive Ocean Atmosphere Dataset http://icoads.noaa.gov/ • Flüsse aus COADS, National Oceanography Centre, Southampton http://www.noc.soton.ac.uk/JRD/MET/fluxclimmon.php • Flüsse aus passiven Mikrowellenbeobachtungenhttp://www.hoaps.zmaw.de/ Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  14. Globale Beobachtung der Verdunstung • Beobachtungen von freiwilligen HandelsschiffenComprehensive Ocean Atmosphere Dataset http://icoads.noaa.gov/ • Flüsse aus COADS, National Oceanography Centre, Southampton http://www.noc.soton.ac.uk/JRD/MET/fluxclimmon.php • Flüsse aus passiven Mikrowellenbeobachtungen, Hamburg Ocean Atmosphere Parameters and Fluxes from Satellite Data, http://www.hoaps.zmaw.de/ Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  15. Verdunstung aus ERA-Reanalyse • Maximum über den subtropischen Ozeanen (~2000 mm/a) • Verdunstung auf Kontinenten deutlich geringer (α < 1) • In den inneren Tropen: Verdunstung über Land und Ozean vergleichbar (~1200 mm/a), tropische Regenwälder α ~ 1 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  16. Frischwasserfluss P-E: Langjähriges Mittel stationärer Fall • P-E < 0 Wasserdampfquellgebiete (Divergenz) • P-E > 0 Wasserdampfsenkgebiete (Konvergenz) Verbindung durch horizontale Transporte Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  17. P-E: Langjähriges Jahresmittel Einführung des Wasserdampf-transportpotentialsχq: → stationäre Wasserbilanz der Atmosphäre in Analogie zum Energietransport stationäre Verhältnisse, vertikal gemittelt χq bestimmbar falls P, E bekannt (Lösung der Poissongleichungen) Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  18. Divergenz des Wassertransports • horizontaler, vertikal-gemittelter Transport • Divergenzen: subtropische Ozeane • Konvergenzen:indonesisches Archipel, Niederschlagsgebiete der mittleren Breiten Peixoto & Oort 1992 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  19. Wasserbilanzkomponenten im zonalen, langzeitliches Mittel • P-E: „Süßwasserbilanz“ (mm/Tag) • höchste Verdunstung in den Subtropen ~ +/- 20° Breite (1500 mm/a) • relatives Minimum in den inneren Tropen • starke Abnahme der Verdunstungs-raten polwärts (Minimum ~200 mm/a), exponentielle Abnahme von qS schwarz: GPCC grün: ERA40 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  20. Zonal gemittelter Wasserdampftransport • polwärtige Transporte polwärts von 20° Breite • Maxima bei 2 m/s g/kg • entgegengesetzte Transporte innerhalb der Tropen • Versorgung der Innertropen und der Extratropen mit Wasserdampf aus den subtropischen Ozeanen(Wasserdampfquellen) -20 20 0 Peixoto & Oort 1992 Wasserdampftransport über einen 40° Breitenkreis ~0.75*1015 W (entspricht 15-20% des meridionalen Gesamtenergietransportes) Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  21. Betrachtung des Atlantiks Bilde Flächenmittel der Wassertransportdivergenzen über die Ozeanfläche Man erhält atmosphärische Transporte zwischen Ozean/Land bzw. Ozean/Ozean (Passage zwischen Australien und Antarktis, Drake Passage) über der Atlantikoberfläche verdunstet mehr als ihr durch Niederschlag wieder zugeführt wird „Wiedergutmachung“ durch kontinentalen „Run-off“ (Abfluss)?? ... Schließlich gehen die stärksten Abflüsse in den Atlantik ... Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  22. Die 10 größten Abflüsse nach Berücksichtigung der Flüsse bleibt jedoch ein Nettoverlust von Süßwasser (Salzgewinn) im Atlantik übrig ausgleichende Transporte notwendig Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  23. Die größten Abflüsse Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  24. Die anderen Ozeane Pazifik Nettowasserinput durch atmosphärische Transporte über die Küstenlinien • höhere Niederschlags- als Evaporationsrate • kontinentaler Abfluss geringer als im Atlantik (Yangtse und Mekong) • Süßwasserüberschuss, Salzdefizit • Indischer Ozean/Südlicher Ozean • Indischer Ozean: ähnliches Verhalten wie Atlantik • Südlicher Ozean: wahrscheinlich ausgeglichenes P-E im Flächenmittel, übernimmt nur Transportfunktion? Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  25. Resultierende Transporte • Salztransport aus Atlantik und Indik in den Pazifik (via SO) • dieser entspricht einem mittleren Wassertransport von • direkt: EAtl → PPaz • indirekt: EAtl → Run-offPaz • Indirekte Hinweise (Beobachtungen der oberen Ozeanschichten) • die Salzgehalte im Pazifik sind in jeder Breite auf der Nordhemisphäre etwa 2.0 ‰ niedriger als im Atlantik • dieser Unterschied gleicht sich auf der Südhemisphäre aus • (in den Subtropen der Südhemisphäre nur noch etwa 1.0 ‰ dann weiter nach Süden noch weniger) Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  26. Zusammenfassung Hydrologischer Kreislauf • Überlagerung von zwei Komponenten • Nord – Süd Komponente: • verbindet subtropische Quellregionen für Wasserdampf in der Atmosphäre und Salz im Ozean mit den tropischen bzw. außertropischen Senkenregionen • Ost - West Komponente: verbindet die Quellregion Atlantik (Indik) für Wasserdampf und Salz mit der Senkenregion Pazifik ähnlich wie beim Wasserdampftransport, der mittlere Massen in der Atmosphäre bewegt (Zirkulation), werden durch die Quellen und Senken des Frischwassers (Salzgehaltes) ozeanische Wassermassen umgelagert Thermohaline Zirkulation des Ozeans ... Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  27. Globale Ozeanzirkulation Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  28. BALTEX- Energie- und Wasserkereislauf der Ostsee Die Ostsee als großer „Regensammler“ Niederschlag Abfluss DS Flüsse DänischeStraßen DS Abflüsse Verdunstung Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  29. Ostsee-Bathymetrie Ausströmen vonsalzarmem Ostseewasser DänischeStraßen Einströmen von salzreichenNordseewasser Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  30. 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

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