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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, NAO, QBO) - 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. Klimavariabilität nach Stocker [2000]- extern gezwungene Änderungen- selbsterhaltende Oszillationen- nicht-deterministische Variabilität- abrupte Reorganisation → Wechsel zwischen verschiedenen Gleichgewichtszuständen • Mehrfache Gleichgewichtszustände für Ozeanzirkulation möglich→ Umschlagen von einem in den andern Zustand, z.B. durch Hudson-Bay Ereig. • Wie wahrscheinlich ist ein Umschlagen aufgrund der anthropogenen Erwärmung? Abgesehen von Tages- und Jahresgang sind externe Klimaschwankungen auf Zeitskalen unterhalb 1000 Jahren marginal gegenüber Interner Klimavariabilität Wiederholung 10. Stunde Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  3. Zukünftige Entwicklung Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  4. Temperaturspektrum - bodennah - Komposit - interne Energie Ruddimann, 2001 http://www.whfreeman.com/ruddiman/ starke freie Variabilität innerhalb des Systems Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  5. 1010 Periode in Jahren 10-4 Temperaturspektrum aus freien Klimamodellierungen (ohne Trend) Beobachtungen: 1861 to 1998 aus IPCC, 2001 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  6. Klimavariabilität schematisch Klimavariabilität resultiertaus komplexen Wechsel-wirkungen erzwungener und freier Variationen Klimasystem ist - dissipativ - hoch nichtlinear - viele Quellen der Instabilität Mitchell, J. M., 1976. An Overview of Climatic Variability and Its Causal Mechanisms. Quaternary Research 6, 481-493. 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. Klimavariabilität Betrachtete Zeitskala im Bereich von Jahren: also nicht: Wetter oder Eiszeiten usw. ( Klimageschichte) bekannteste Beispiele für natürliche interne Klimavariabilität: • ENSO (El Nino / Southern Oscillation)ozeanische / atmosphärische Komponente- kalter Humboldtstrom wird durch warme Meeresströmung ersetzt- unregelmäßigen Abständen (3 bis 7 Jahre)- Dauer: ca. 12-15 Monate • NAO (North Atlantic Oscillation)- dominanter Mode der Winterklimavariabilität in der Nordatlantik-Region - Luftmassenschaukel zwischen Subtropen & Polar- Jahr-zu-Jahr Variabilität- bleibt in Phase über mehrere Jahre. • QBO (Quasi-Biennial Oscillation)- nahezu 2-jährige Oszillation der tropischen Stratosphäre (West- / Ostwinde)- Wechselwirkung von Wellen und mittlerer Strömung Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  8. Klima des Pazifik Hadley-Zirkulation mit Passatwinden von Nord(Süd) zum ÄquatorAufsteigen Äquator, Absinken Subtropen Teil der Walker-Zirkulation mit Aufsteigen in Australien/Indonesien und Absinken vor Südamerika Cubasch & Kasang (2000) Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  9. Walker-Zirkulation (Sir Gilbert T. Walker, 1918 ) • Vertikalbewegung ist unmittelbar an die Oberflächentemperatur gekoppelt • SST hoch   Aufsteigen • SST niedrig  Absinken • starke Konvektion über Indien und Indonesien • Konvektion über Ostafrika und Amazonasgebiet • starkes Absinken über dem äquatorialen Ostpazifik • Absinken über West-Indik und Westafrika El Nino Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  10. ENSO Phänomen http://www.tsgc.utexas.edu/topex/activities/elnino/sld001.html Southern Oszillation ist der Walker-Zirkulation überlagert • Normalbedingungen • Passatwinde wehen westwärts • → warmes Oberflächenwasser nach Australien und Neuguinea • → kaltes, nährstoffreiches Wasser an Westküste Südamerika • Niederschlag im westl. tropischen Pazifik vor allem über Indonesien • El Nino ("das Christkind") • schwache Passatwinde • warmes, nährstoffarmes Wasser • starke Regenfälle über Pazifik • Verlagerung des Jetstream→Telekonnektionen • von ~Dez. bis Mai/Juni Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  11. Satellitenüberwachung El Niño • Ozeanoberflächentemperaturen bestimmt aus thermischen Infrarot • Meeresoberflächenhöhe sind aus Altimeter • El Nino Ereignis 1997/1998 mit TOPEX/POSEIDON niedriger in Australien höher vor Südamerika Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  12. Niederschlag Zentralpazifik Südamerika Hovmöller Diagramm Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  13. Bestimmende ENSO Faktoren • Wind (bzw. Druckfeld) Oberflächenströmung • SST  Strom latenter und fühlbarer Wärme (Intensität der Konvektion) Instabile Wechselwirkungen von atmosphärischer Konvektion, bodennahem Windfeld, ozeanische Strömung und SST Variationen → ENSO (El Niño / Southern Oscillation) Bjerknes (1966) Korrelationsanalyse: stark positive Korrelation zwischen pDarwin und der SST im zentralen und östlichen Pazifik und in Teilen des Indischen Ozeans pDarwin hoch  SST hoch  ENSO pDarwin niedrig  SST niedrig  Anti-ENSOLa Niña Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  14. ENSO Variabilität Southern Oscillation Index (SOI) • Luftdruckschaukel (Osterinseln/Tahiti und Darwin) • Abweichung von deren Differenz (Ost minus West) vom langjährigen Mittel • positives Vorzeichen → Druck im Osten/Westen über/unter Mittelwert → verstärkter Passat, kühlere SST im Ostpazifik • negatives Vorzeichen → Anzeichen für El Nino http://www.enso.info/ Alternativverfahren zum SOI sind der Oceanic Niño Index (ONI), der Multivariate ENSO Index (MEI), der JMA-Index und der TOPEX/Poseidon-El Niño-Index. Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  15. Aktuelle Situation des Pazifiks • Multi-variater ENSO Index • Luftdruck auf Meeresniveau • Zonalwindkomponente am Boden • Meridionalwindkomponente am Boden • SST • Lufttemperatur nahe der Oberfläche • Bedeckungsgrad http://www.cdc.noaa.gov/ENSO/enso.current.html http://www.cpc.noaa.gov/products/analysis_monitoring/enso_advisory/ Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  16. Ablauf eines ENSO Ereignisses Dp= Osterinseln - Darwin • Korrelationsanalyse • Suche der max. Korrelation zwischen den einzelnen Zeitreihen durch sukzessive Zeitverschiebung • rmax(Δp,τx) = -0.65 bei Δt = 2 Monate • rmax(Δp, ΔSST) = -0.83 bei Δt = 4.5 Mon. • Änderung des Druckgradienten bewirken zuerst eine Änderung des Windfeldes und danach eine Änderung der SST x (Schubspannung), Zentralpazifik DSST Ostpazifik Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  17. ENSO Mechanismus Wechselwirkung von ostwärts laufenden Kelvin-Wellen und westwärts laufenden Rossby-Wellen im Ozean Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  18. ENSO Mechanismus Eine äquatoriale Kelvin-Welle ist eine lineare Welle mit entweder erhöhten oder vermindertenTemperaturen. • Wellen bewegen sich ostwärts entlang des Äquators mit einer Geschwindigkeit von ca. 2,5 m/sdies entspricht ca. 200 km/Tag • Pazifik in 2-3 Monaten • Wellenlängen größer als die Wassertiefe. • Thermokline dient als Leitlinie • Küste lenkt Kelvin-Welle nach Norden und Süden (Küsten-Kelvinwelle)→ Auslösung einer nach Westen wandernde Rossby-Welle Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  19. Auswirkungen vom El Nino Januar 98 (El Niño): kaum Chlorophyll Juli 98: hohe Chlorophyll-Konzentration Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  20. Telekonnektionen Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  21. Nord-Atlantische Oszillation (NAO) • quasiperiodische Schwankungen im Luftdruckfeld über dem Nordatlantik • starke negative Korrelation zwischen den ausgeprägten Drucksystemen Islandtief und Azorenhoch • Luftdruckunterschied zwischen Stykkisholmur (Island) und südlicherer Station Ponta Delgada (Azoren), Lisabon (Portugal) oder Gibraltar http://www.met.rdg.ac.uk/cag/NAO/index.html Hense: Klimavariabilität durch interne Wechselwirkungen, Promet, Jahrg. 28, Nr.3/4, 2002 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  22. NAO Einfluss auf globales Klima Korrelation NAO vs Wintertemperatur Korrelation NAO vs Winterniederschlag http://www.ldeo.columbia.edu/NAO/ Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  23. Nord-Atlantische Oszillation (NAO) Luftdruckgradient zwischen Azoren und Island ist besonders steil→ Westwinde über dem Nordatlantik vor (Zonalität); feuchte, milde Meeresluft strömt mit wandernden Zyklonenfamilien nach Europa und verdrängt arktische Luftmassen Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  24. Nord-Atlantische Oszillation (NAO) zonaler Grundstrom schwach, meridionale, blockierende Wetterlagen überwiegen → die Winter in Europa werden kälter. Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  25. http://www.palmod.uni-bremen.de/~gerrit/coral/KREISE1.jpg Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  26. Quasi-Biennale Oszillation (QBO) • sehr regelmäßiger Wechsel von Westwind- und Ostwindregime in der äquatornahen Stratosphäre • Extremwerte von -30 bis + 20 m/s, max. in Höhen um 24 km • Zyklus im Mittel 26 Monate • QBO Signal setzt sich mit ca. 1 km/Monat in niedrigere Höhen fort • unsymmetrisch: Westwindphasen meist etwas länger, Ostwindphasen dafür wesentlich intensiver http://www.cpc.noaa.gov/data/indices/ Resultat von Wellen-Wechselwirkungen mit mittlerem Fluss Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  27. 10 100 QBO Muster Zonaler Wind an äquatornahenStationen (B. Naujokat) Isoplethen in m/s Westwinde in grau Canton Island (Jan 53 - Aug 67)Canton Island (Sep 67 - Dez 75) Gan/Maldiven (Jan 76 - April 85) Singapore (Mai 85 - Aug 1997) Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  28. QBO: Zusammenhang mit tropischen Wirbelstürmen Ost West Atlantische Hurrikane (vmax > 51 m/s) von 1949-88 basierend auf Sep. 50 hPa Winden 9°N,80°W Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  29. Sonnenflecken • Dunkle Flecken in Photosphäre • Stark magnetische Regionen • Dauer von Tagen bis Wochen • Photosphärentemperatur kann bis auf 3700 K abfallen • Sonnenfleckenzyklus mit ca. 11 Jahren • Sonnenflecken haben bevorzugte Bildungslokationen während verschiedener Phasen dieses Zyklus http://sohowww.nascom.nasa.gov/hotshots/2001_11_06/ Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  30. QBO: Zusammenhang solare Strahlung Nord-Pol Temp. in 30 hPa 1956-1986 QBO Ost 1956-1986 QBO West Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  31. QBO und Klima • Einfluss auf die Häufigkeit von tropischen Wirbelstürmen • Einfluss auf den Monsun • Einfluss auf Niederschlag in der Sahel-Zone • Wechselwirkung mit ENSO • Auswirkungen auf Aerosolgehalt in der Stratosphäre nach Vulkanausbrüchen Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

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