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Gliederung

Gliederung. Einführung Datengrundlage Energiehaushalt der Erde - Strahlungs(konvektions)-gleichgewicht - Räumliche Verteilung, 3D-Energietransporte, „Wärmemaschine“ Klimasystem Hydrologischer Zyklus - terrestrischer/ozeanischer Arm - Ozeanische Zirkulation

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Presentation Transcript

  1. Gliederung • Einführung • Datengrundlage • Energiehaushalt der Erde- Strahlungs(konvektions)-gleichgewicht- Räumliche Verteilung, 3D-Energietransporte, „Wärmemaschine“ Klimasystem • Hydrologischer Zyklus- terrestrischer/ozeanischer Arm- Ozeanische Zirkulation • Natürliche Klimavariabilität- Änderungen der thermohaline Zirkulation - Interne Variabilität (ENSO) - Externe Variabilität (Sonne, Vulkane, Erdbahnparameter) • Klimamodellierung- GCM/Ensemble-Vorhersage/Parametrisierung- IPCC, Szenarien, anthropogene Effekte • Globaler Wandel- Detektion des anthropogenen Einflusse 16.1 23.1 30.1 6.2 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  2. Auf welchen Skalen macht sich interne Klimavariabilität bemerkbar? • Was zeichnet die Walker-Zirkulation aus? • Was ist die ENSO? Was passiert währendeines El Nino Ereignisses? • Aufgrund welcher Maße lassen sich El Nino und La Nina erkennen? • Wie läßt sich ein El Nino Ereignis voraussagen? • Was ist die NAO? Welchen Einfluss hat die NAO auf Europa? • Was zeichnet die QBO aus? • Was zeigen Sonnenflecken an? • Welchen Zusammenhang mitanderen Variablen desKlimasystems gibt es? Wiederholung 11. Stunde Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  3. Interne Klimavariabilität Erzeugung interner Variabilität (abgesehen von baroklinen Instabilitäten und Nicht-Linearitäten) im Ozean durch: • nicht-lineare Prozesse der großräumigen ozeanischen Zirkulation (v.a. der thermohalinen Zirkulation) • Instabilitäten der Wechselwirkungenzwischen Atmosphäre und Ozeanz.B. ENSO • Integration stochastischer atmosphärischerSchwankungen durch den Ozean (Hasselmann 1976) „normal“ El Niño Diese Grundsätze gelten auch für die Wechselwirkungen zwischen anderen Klimakompartimenten La Niña Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  4. „Hasselmann‘sches Klimamodell“ • Atmosphärische Wettervariationen laufen auf sehr viel kleineren Zeitskalen als die ozeanischen ab • Ozean „bemerkt“ erst Serien von atmosphärischen Wettervariationen (kaum miteinander korreliert, d.h. „weißes Rauschen“) • Mathematisch erfassbar als statistische DGL (Typ Langevin): stochastische Schwankungen der Atmosphäre (unbekannt, aber statistische Eigen-schaften verfügbar) Änderung der (langsamen) ozeanischen Temperaturabweichung Dämpfung Da nur die Statistik von xabekannt ist, erhält man als Lösung der DGL ein Varianz-Spektrum in Abhängigkeit der Frequenz ω mit Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  5. „Hasselmann‘sches Klimamodell“ Hense: Klimavariabilität durch interne Wechselwirkungen, Promet, 28(3/4), 2002 • je geringer die Systemdämpfung, desto langfristigere und stärkere Schwankungen erfolgen in dem langsamen System „Ozean“ • allein durch die Existenz von mit mehreren wechselwirkenden Klimakomponenten mit unterschiedlichen Zeitskalen wird IKV erzeugt Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  6. Externe Klimavariabilität astronomisch bedingte KlimavariabilitätenMilankovich Theorie Externe Parameter http://www.ncdc.noaa.gov/paleo/forcing.html http://www.ngdc.noaa.gov/paleo/ctl/about1.html Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  7. Externe Klimavariabilität: Erdbahnparameter • zeitlich und räumlich unterschiedliche Sonneneinstrahlung ist der „Motor“ für die meisten extern angetriebenen Wetter- und Klimaprozesse: • Tagesgang, Jahresgang der lokalen Klimasituation Jahreszeitliche Abhängigkeit der globalen Kreisläufe • auf zeitichen Skalen > 1000 Jahren wirken die Variabilitäten der Erdbahnparameter signifikant auf das Klimageschehen Achtung: Eis-Albedo-Rückkopplung Lässt sich der 100 000 jährige Eiszeit/Warmzeit-Zyklus mit der Milankovic-Theorie erklären?  Proxy-Daten / moderne Klimamodelle / geophysikalische Theorien Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  8. Rekonstruktion der Erdbahnparameter Exzentrität der elliptischen Erdbahn- derzeit 0.017 - ca. 110 000 jähriger Zyklus- Variation des jährlichen Flusses von +0.014 bis -0.17 % im Vergleich zu heute Neigung der Erdachse gegenüber der Ekliptik - derzeit ca. 23.5°- ca. 40 000 jähriger Zyklus- keine Änderung des Gesamtflusses aber stärkere Jahreszeiten Präzession, Verschiebung der Ellipse (vor allem Anziehung des Jupiters) - derzeit Perihel am 5. Januar - ca. 23 000 und 18 800 jähriger Zyklus - keine Änderung des Gesamtflusses aber räumlich zeitl. Vaiationen Überlagerung der Effekte, unterschiedliche Lage der Kontinente, nichtlineare Rückkopplungen Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  9. Rekonstruktion der Erdbahnparameter Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  10. Erdbahnparameter und Eisbedeckung Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  11. Eisbedeckung Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  12. Erdbahnparameter Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  13. Erdbahnparameter Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  14. Sonnenflecken • 11-jähriger Sonnenfleckenzyklus (Schwabe)- Schwankung der Solarkonstanten 0.1% • 80-jähriger Sonnenfleckenzyklus (Gleißberg)- Schwankung der Solarkonstanten 0.24-0.30% Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  15. Theorie Eis/Warmzeiten durch Nicht-Linearitäten 100 000 jähriger Eis/Warmzeit-Wechsel durch lineare Modelle nicht erklärbar HerterichPromet, 28(3/4), 2002 • „Sägezahn“-Verlauf verdeutlicht Nicht-Linearität • Spektralanalyse der Sonneneinstrahlung für verschiedene Jahreszeiten und verschiedene Orte ergibt deutliche Perioden bei 19, 23 und 40 kJ ... aber nicht sehr deutlich bei 100 kJ Notwendigkeit nicht-linearer Klimamodelle Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  16. Modellierung der natürlichen Klimavariabilität Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  17. Externe Klimavariabilität: Vulkane Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  18. Klimawirkung von Vulkanausbrüchen • vulkanisches Aerosol in der Stratosphäre hauptverantwortlich für typische Klimabeeinflussung auf Skalen von 1-3 Jahren • hochreichende, schwefelhaltige Eruptionen führen zu einer Zunahme des stratosphärischen Schwefelsäureaerosols  Abnahme der direkten Sonneneinstrahlung um bis zu 100 W/m2  gleichzeitige Zunahme der diffusen Strahlung (milchig weißer Himmel)  Differenz von ca. -1 bis -10 W/m2 bewirkt Abkühlung am Boden • Absorption von solarer Strahlung im nahen Infrarot und terrestrischer Strahlung bewirkt Erhöhung der Temperatur in vulkanischer Aerosolschicht  Effekte am höchsten wo die solare Einstrahlung und die Bodentemperatur am höchsten, d.h. in den Tropen  meridionale Temperaturunterschiede bewirken Änderung globaler Zirkulationsmuster Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  19. Vulkanausbrüche: Strahlungseffekte Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  20. Klimawirkung von Vulkanausbrüchen • Ozonchemie: abhängig von UV-Strahlung, Temperatur und Oberflächenan denen heterogene chemische Reaktionen stattfinden können  alle diese Faktoren durch vullanische Aerosole beeinflusst • Erwärmung der aerosolführenden Schicht führt zum Anheben der Isentropenflächen  Ozontransport in höhere Schicht  Erniedrigung der Ozon-Gleichgewichtskonz. durch erhöhte Photodissoziation • Heteorogene Chemie führt zum Ozonabbau  Aerosolteilchen wirken wie PSC („Polar Stratospheric Clouds“) an deren Oberflächen in der Polarnacht Chloratome aus FCKWs freigesetzt werden  die aus Schwefelsäure und Wasser bestehenden Aerosolwolken bewirken einen effektiven und globalen Ozonabbau  anhropogener Ozonabbau wirkt der Aufheizung der Aerosolschicht entgegen und dämpft somit mögliche dynamische Auswirkungen Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  21. Klimawirkung: Vulkanausbruch und saurer Regen! Cubasch&Kasang, 2000 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  22. Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  23. Externe Klimavariabilität: Vulkane Ruddiman, 2001 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  24. Klimamodellierung: Warum? Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  25. Klimamodellierung: Was ist ein Modell? • Modelle sind • kleinerals die Realität(begrenzte Anzahl der Prozesse, reduzierte Größe des Phasenraums) • einfacherals die Realität(idealisierte Beschreibung der Prozesse) • geschlossen, während die Realität offen ist(unbegrenzte Anzahl von externenm unvorhersagbaren Bestimmungsfaktorenwird of einige wenige reduziert) [H. von Storch] • Modell-Beispiele • Modelle zur Skalierung (Häuser, Autos..) • Karten, Skizzen oder Zeichnungen • Numerische Modelle (konzeptuelle, quasi-realistische, Surrogate) • Models put numbers on ideas (W. F. Ruddiman) http://www.palmod.uni-bremen.de/~apau/ec_modeling/mcguffie_henderson_sellers_2001.pdf Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  26. Klimamodellierung: Was ist ein Modell? http://www.hamburger-bildungsserver.de/welcome.phtml?unten=/klima/infothek.htm Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  27. Klimamodellierung http://www.palmod.uni-bremen.de/~apau/ec_modeling/mcguffie_henderson_sellers_2001.pdf Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  28. Rückkopplungen Eis-AlbedoRückkopplung WasserdampfRückkopplung Vegetations-NiederschlagsRückkopplung Vegetation-AlbedoRückkopplung Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  29. Atmosphärenmodelle • EBM (0D-2D)Energiebilanzmodelle - Oberflächentemperatur • RC (1D) Strahlungs-Konvektions-Modelle - Temperaturprofile- Strahlungstransfer, Konvektion • SD (1D-3D)Statistisch-dynamische-Modelle - kein Wetter- gefilterte Gleichungen • GCM (3D)General circulation model Allgemeine Zirkulationsmodelle- ausführlich, realistisch- Bewegungsgleichungen Kriterien • Zeit- unabhängig (Gleichgewicht)- abhängig Klimavariabilität • Raum- vertikal- zonal- meridional • Kopplung- ein/zwei Wege- asynchron- hyprid- voll Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  30. Klimamodelle: Historische Entwicklung Hamburger Bildungsserver Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  31. Klimamodellierung McGuffie und Henderson-Sellers, 2001 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  32. EBCM: Energiebilanzmodell http://www.bgc-jena.mpg.de/%7Emartin.heimann/vorlesung/bgc/ws2003/EnergieBilanzModell_v1/index.html http://www.gingerbooth.com/courseware/daisy.html Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

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