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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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  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 23.1 30.1 6.2 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  2. Was besagt das Hasselmann‘sches Klimamodell? • Welche Parameter erzeugen externe Klimavariabilität? • Warum ist Variabilität nicht exakt mit externem Antrieb korreliert? • Welchen Einfluss haben Vulkane (wie lange)? Wiederholung 12. Stunde • Wechselwirkungen zwischen Klimakompartimenten können interne Klimavariabilität erzeugen • Dämpfung des Ozeans führen zu langfristigeren und stärkeren Schwankungen angetrieben von kurzfrsitiger atmosphärischen Variabilität Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  3. Welche Arten von Klimamodellen gibt es? • Welche Rückkopplungen müssen berücksichtigt werden? Wiederholung 12. Stunde • Wasserdampf-Rückkopplung • Eis-Albedo-Rückkopplung • Vegetation-Albedo-Rückkopplung • Vegetation-Niederschlag-Rück. • .. Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  4. Atmosphärenmodelle • EBM (0D-2D)Energiebilanzmodelle - Oberflächentemperatur Ts • 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

  5. EBM: Energiebilanzmodell TE=255 K Photosphäre α=30% TSonne=5783 K ~240 W/m² absorbiert TSi~106K So=1373 Wm-² 1373 W/m² 6·107Wm-² TS = 288 K 343 Wm-² TS = TE + ΔT Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  6. EBM: Bedeutung der Albedo Algenblüte TS = TE + ΔT ~ 288 K α TE /KΔT/K 0.1271 17 0.3 255 33 0.5 235 53 ..aber bei einer anderenAlbedo würde sich eineandere OberflächentemperaturTs einstellen Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  7. EBM: Bedeutung der Albedo Q αQ τFs tTransmissivität der Atmosphäre thermische Abstrahlung Fa t Ta t Ts /KTa /K 0.0303 255 0.2 290 230 0.4 279 206 Fs Fa Ts Energiebilanz Erdoberfläche Atmosphäre Bei einer durchschnittl. Ober-flächentemperatur von 288 K ist die Transmissivität t= 0.225 die Emission  = 0.775 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  8. EBM: Energiebilanzmodell C Wärmekapazität R↓ abwärts gericht. Strahlungsfluss R↑ aufwärts " " Q Solarer Input (=So/4 ~ 342 Wm-2) αAlbedo = f(Eis, Schnee, Wolken..) t Transmissivität der Atmosphäre AE Fläche der Erde (5. 1·10x14 m2) Δz Dicke der ozean. Deckschicht (70 m) w Dichte von Wasser (103 kg m-3) cw spez. Wärmekap. Wasser (4200 Jkg-1K-1) Änderung der global gemittelten Oberflächentemperatur T über Zeitraum Δt auf der Erde ist Wärmekapazität i. W. vom Ozean bestimmt 0.7 0.3 Δz Ozean Land Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  9. EBM: Energiebilanzmodell Taylor-Entwicklung um den Referenzzustand To mit Zeitkonstante τ Lineare Differentialgleichung 1.Ordnung Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  10. EBM: Energiebilanzmodell Einstellzeit für das thermische Gleichgewicht mit B~1.15 Wm-2 K-1 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  11. EBM: Energiebilanzmodell von Storch, Güss und Heiman, 1999 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  12. EBM: Energiebilanzmodell Gleichgewichtslösung (weder Erwärmung noch Abkühlung) Gesucht: T = f (t,To,αQ,C,..) α Eis 0.5 0.1 kein Eis T/K 273 303 R Q(1-α) 342 Wm-2heutiges Klima T4 T/K Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  13. Box-Modell Atmosphäre-Ozean K=10-4m2s-1; h=70m großer Einfluss der Diffusionsparametrisierung K=10-3m2s-1; h=110 m Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  14. Vorteile von Energiebilanzmodellen • EBM nützlich zur Charakterisierung der Sensitivität des Klimasystems bzgl. externer Änderungen • Kategorie konzeptionelle Modelle: Verstehen und Veranschaulichen von Strukturen, Prozessen und Wirkungsketten im Klimasystem • EBM nützlich zur Abschätzung der Klimawirksamkeit des Milankovic-Zyklus (Eis/Warmzeiten) • Erweiterungsmöglichkeithorizontale Dimension (1D EBM) - Berücksichtigung von horz. Energietransporten - zonale Abhänigkeit der solaren Einstrahlung / Albedo erste Abschätzung der globalen Temperaturverteilung Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  15. 1D Energiebilanzmodelle Mc Guffie and Henderson-Sellers,1997 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  16. Erweitertes Energiebilanzmodell Mc Guffie and Henderson-Sellers,1997 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  17. EBM: Daisyworld http://www.gingerbooth.com/courseware/daisy.html • konzeptuelles biophysikalisches Modell der Temperaturregulierung der Erde durch die Landbiosphäre [Watson and Lovelock, Tellus, 35B, 249-262] • Erdoberfläche aufgeteilt in 3 Segmente (l=b,s,w): - nackte Oberfläche mit Albedo αb = 0.5- schwarze Lilien („Daisies“) mit αs = 0.1- weisse Lilien mit Albedo αw = 0.9 • Planetare Albedo: αp= fbαb+ fsαs + fwαw • Planetare Temperaturabhängig von Hellogkeitsfaktor L • Lokale Temperatur über den 3 Bereichenabhängig vom Mischungsfaktor R„Temperaturmischung“ zwischen den verschiedenen Bereichen:- R = 0 perfekte Mischung → Tl = Tp,- R=1 therm. Isolation der Bereiche (jeder einzeln im Strahlungsgleichgew.) Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  18. Daisyworld • Beispiel für Rückkopplung mit der Vegetation • Wachstumsmodell für Lilien • Wachstumsrate abhängig von der lokalen Temperatur Tl: • für Tmin < Tl < Tmax 0 sonst • Flächenbedeckung durch die Lilien AI (l = s,w) mit Sterberate dI • Es gibt immer eine minimale Lilienbedeckung (Al≥= 0.01) Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  19. Daisyworld • Erweiterungen von Daisyworld:- Ausdehnung auf 3-d Erdkugel mit realistischer breitenabhängiger Einstrahlung- Komplexere Biologie/Ökologie: z.B. durch unterschiedliche Struktur der Lilien • Daisyworld zeigt ,dass biophysikalische Rückkopplungseffekte das Erdsystem potentiell entscheidend beeinflussen können. Die Biosphäre ist daher als integrale Komponente des Klimasystems anzusehen. • Die Plausibilität von Daisyworld (und ähnlicher Rückkopplungen zwischen Biosphäre und physikalischem Klimasystem) führten Lovelock zur Formulierung der „Gaia“ Hypothese (eine umstrittene Interpretation des Erdsystems als ein sich selbst regulierender/stabilisierender Organismus) • Beispiel eines Optimierungsprinzips • „Homeostasis“ = Stabilisierender biologischer Rückkopplungseffekt • Ist Daisyworld „realistisch“? • Beispiel für Effekte der Biodiversität? Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  20. RC: Strahlungskonvektionsmodell Unterteilung der Atmosphäre in viele Schichtenführt immer noch zu nicht realistischem Vertikalmodell Ruddiman, 2001 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  21. SD: 2-D statistisch-dynamisches Modell zonal symmetrisches Modell Parametrisierung der transientenund stationären Eddies mittl. meridionaler Enthalpie-fluss durch transiente Eddies Gradient-Fluss-Annahme barokline Wellen werden durchmittl. meridionalen Temperaturgradienten angetrieben Ruddiman, 2001 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  22. Klimamodelle: Historische Entwicklung Mcguffie and Henderson-Sellers, 2001 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  23. GCM: 3-D Zirkulationsmodell Ruddiman, 2001 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

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

  25. „Dynamik“ Algemeine Zirkulation (Winde) „Physik“ Strahlung Absorption kurzwelliger (solarer) Strahlung Emission und Absorption langwelliger (IR) Strahlung Wolken Konvektion, Niederschlag Thermodynamik (Atmosphärische Temperatur) Feuchte (Atmosphärische Feuchte) Oberflächen und Ozeane Effekte von Eis, Schnee, Vegetation aufTemperatur, Albedo, Emissivität, Rauhigkeit Chemie Zusammensetzung der Atmosphäre GCM: Bestandteile Atmosphärenmodell Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  26. GCM: Validierung Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  27. Problem der Modellierung • Kaltstartproblem (spin-up) z.B. durch Treibhausgase • Parametrisierungen hängen von der Auflösung ab • Klimadrift bei Kopplung von Atmosphäre und Ozean durch Fehler in Flüssen (räumlich und zeitliche Flusskorrektur) • Inputdaten (früheres Klima und Szenarien) Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  28. Problem der Modellierung: Kaltstart Modell ist nicht ausblanciert bei Start, z.B. Wasserbilanz Ruddiman, 2001 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

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