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Wiederholung 3. Stunde

Welche Daten stehen für den Ozean zur Verfügung? Welche Daten stehen durch ISCCP zur Verfügung? Was ist das Cloud Radiative Forcing (CRF) ? Wie sind die globalen Werte für kurzwelliges, langwelliges und Netto-CRF?. Wiederholung 3. Stunde.

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Wiederholung 3. Stunde

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Presentation Transcript

  1. Welche Daten stehen für den Ozean zur Verfügung? • Welche Daten stehen durch ISCCP zur Verfügung? • Was ist das Cloud Radiative Forcing (CRF)? Wie sind die globalen Wertefür kurzwelliges, langwelliges und Netto-CRF? Wiederholung 3. Stunde • Synopbeobachtungen von freiwilligen Handelsschiffen (COADS: ab 1850) • Salzgehalt- und Temperaturprofile (CTD) - insbes. im Rahmen von WOCE • Ozeanoberflächentemp. (SST), Rauhigkeit, Höhe vom Satellit ab ~1980 • Vis. und Infrarot von polar & geost. Satelliten seit 1983 • Radianzen, Bedeckungsgrad, opt. Dicke, Obergrenzentemp.,Flüssigwassergehalt (LWP), Wolkentyp, Oberflächentemp. & -reflektivität 1983 - 2004 Jahresmittel [Wm-2] SW: 0.2 - 5 μm LW: 5 - 200 μm Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  2. Welche weiteren klimarelevanten Daten können von Satelliten gemessenwerden? • Welche Informationen können als Proxy für die Paläoklimatologiegenutzt werden? Wiederholung 3. Stunde • Microwave Sounding Unit (MSU) für Temperaturprofile seit 1979 • SSM/I für Niederschlag, Flüsse und Wasserdampf über Ozean seit 1987 • Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) für Vegetation seit ca. 1985 • Forschungssatelliten für Prozesstudien (Kryosphäre, Wolken...) • Historische Dokumente • Baumringe • Korallenringe • Eisbohrkerne • Speläologie (Höhlenkunde) • Sedimente in Seen/Ozean • Bohrlöcher • Glaziale Oberflächen-Formung (Moränen) Jones & Mann, 2004 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  3. Analysen in der Meteorologie • Erstellung eines möglichst genauen Bildes des wahren atmosphärischen Zustandes zu einem gegebenen Zeitpunkt • erlaubt Überprüfung/Verständnis der atmosphärischen Diagnostik • Initialzustand für Wettervorhersagemodelle • Pseudo-Beobachtungen • Erstellen einer Analyse • aus Beobachtungen • überbestimmt – Interpolationsaufgabe • meist jedoch unterbestimmt (siehe v.a. Ozeane, Pazifik!) • Physikalische Zwangsbedingungen • Hintergrund B (oder auch a priori Information)(z.B. vorherige Analyse (Persistenz/Modellvorhersage M)) In einem „gutartigen“ Modell propagieren Zusatzinformation mit der Zeit in die Modellphysik hinein (Prinzip der Datenassimilation) Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  4. Reanalyse-Projekte • Übertragung der irregulär verteilten Beobachtungen auf ein reguläres Gitter geschieht täglich bei Wetter-diensten durch sogenannte numerische Analysen → Anfangsbedingung für numerische Wettervorhersage • Nutzung der operationellen Analysedaten problematisch, da Qualitäts-kontrollen und Analysetechniken kontinuierlich verbessert werden künstliche Variabilität • Lösung: modernen Analyseverfahren (optimale Interpolation/3d-Var) sollen auf alle alte Datensätze angewendet werden →Reanalyse • 1979-1993 ERA15 durch European Centre for Medium Range Forecast (ECMWF) • 1957-1996 NCEP durch Kombination von US-Wetterdienst (NMC) und dem National Center for Atmospheric Research (NCAR) • 1958-2001 ERA40 durch ECMWF auf Basis der NCEP Datenbasis mittels modernster Analyseschemata, Schwerpunkt auf der Assimilation von Satellitendaten, 6-stündliche Analysen Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  5. http://www.ecmwf.int/products/data/archive/descriptions/e4/ ERA40 • Ziele: • Erstellung eine umfassenden Analyse des Zustands von Atmosphäre, Land und Meereswellen-Bedingungen von Mitte 1957 bis August 2002. • Anwendung der modernen variationellen Datenassimilations-Technik auf frühere konventionelle und Satellitenbeobachtungen • 1987-2002: Assimilation der neuesten Beobachtungstypen (u.a. TOVS,SSM/I, ERS, ATOVS und CMW) • 1957-1972: Konventionelle, nicht-Satellitenbeobachtungen (Synop, COADS, Radiosonden, GATE, FGGE, ALPEX, TOGA-COARE,..) • 1972-1988: Assimilation einiger Satellitenbeobachtungen (VTPR, TOVS und CMW). GATE 1974 Atlantic Tropical Experiment of the GARP Global Atmospheric Research Program FGGE 1979 First Global GARP Experiment ALPEX 1982 Alpine Experiment TOGA-COARE 1992-1993 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  6. Inhalt - ERA40 • Auflösung – global • zeitliche (6 h) • räumlich horizontal 125 km • räumlich vertikal 0-65 km in 60 Schichten • Daten • Temperatur, Feuchte, Flüssigwasser, horizontaler Windvektor • stratosphärisches Ozon • Randwerte: Ozean-Oberflächen (SST) und Erdbodenparameter (Meereis/Schnee/Bodenalbedo/Bodenfeuchte/Rauigkeitslänge) • 3D-Var : dreidimensionale variationelle Datenassimilation • www Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  7. Eingangsdaten für Analyse am ECMWF Anzahl der verwendeten Beobachtungen pro Tag Anzahl der verschiedenenQuellen von Satelliten-beobachtungen Peter Bauer, ECMWF Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  8. Verbesserung um 2 Tage Vorhersagegüte am ECMWF Eliminierung desNH-SH Unterschiedes • Verbesserte räumlich/zeitliche Modellauflösung durch verbesserte Computerleistung • Verbesserte physikalische Parametrisierungen (diabatisch, Land/Ozean-Atmos. etc.) • Vermehrte Nutzung von Satellitenbeobachtungen Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  9. Analyseablauf Operator HintergrundBackground BeobachtungenObservations +Fehler + Fehler +Fehler Assimilations- system Analysis Bayes’ Theorem: + Fehler Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  10. Datenassimilation Analysetechnik, die Beobachtungenin den Modellzustand einfließen läßt - unter Berücksichtigung von physikalischen Zwangsbedingungen - und deren zeitlicher Entwicklung Besonders geeignet für Reanalysen! Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  11. x: 5·106 Kontrollvariable y: 106 Beobachtungen/12h 3D-Var Variationelles Optimierungsproblem → Schätzung des Atmosphärenzustandes xLösung optimal im Sinne der kleinsten Quadrate, bzw. wahrscheinlichste Lösung falls Gauß-Verteilung vorliegt x optimaler Zustandsvektor xb Hintergrundfeld B Kovarianz des Hintergrundes y Messungen H Vorwärtsmodell (Umwandlung Modellvariable Messung ) R Fehlerkovarianzmatrix (Messung) J Kostenfunktion Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  12. Kleiner Exkurs: 4D-Var Sehr geeignet für numerische Wettervorhersage, da am Ende des Assimiliationsfensters das Analysefeld „modellkonsistent“ ist (d.h. Informationen werden länger weiterpropagiert) • funktioniert nur bei kleinen Modellfehlern • erfordert die arbeitsaufwendige Bestimmng des „adjungierten Operators“ • Warten auf Messungen ... allerdings ... Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  13. Zusammenfassung: Die Daten • verlässliche Klimabeobachtungen in Bodennähe und an der Ozeanoberfläche sind seit ca. 1880 vorhanden auf diesen in Raum und Zeit unvollständigen Datensätzen beruht der beobachtete globale Temperaturtrend • regelmäßige Vertikalsondierungen (Abdeckung nur über Land) seit ca. 1950 vorhanden → Initialdaten für numerische Wettervorhersagemodelle • seit Mitte der 1970er Jahre tragen Satelliten zur globalen Klimadatenerfassung bei → Erforschung z.B. von ENSO-Phänomen bereits möglich → globale Temperaturtrends problematisch (Zeitspanne/Kalibration) • moderne Analysemethoden (3D-Var) ermöglichen die Bereitstellung von Klimadaten auf einem globalen, regelmäßigen Gitter unter Ausnutzung aller zu einem bestimmten Zeitpunkt vorhanden Daten Reanalyse, z.B. ERA40 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  14. Gliederung • 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- Energietransporte im Ozean (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

  15. IPCC '01 Vorhersagen Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  16. Strahlungsbilanz des Klimasystems • Solare Einstrahlung (Jahreszeiten, Breiten, Astronomische Zeitskalen) • Langwellige Ausstrahlung • Absorptionscharakteristika / Wolken • Strahlungsgleichgewicht (N-Plattenmodell) Strahlungsbilanz am Oberrand der Atmosphäre (TOA) SW short wave 0.2 - 5 μm LW longwave 5 - 200 μm α planetare Albedo Q Strahlungsflussdichte [Wm-2] Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  17. R2 r2 r1 R1 A2 A1 Solare Strahlung Stefan-Boltzmann Gesetz SS: Schwarzkörperstrahlung der Sonne (T ~ 6000 K); Energie die die Sonne pro m2 und Zeiteinheit in den Weltraum ausstrahlt • Variationvon So durch • Variation der Sonnenaktivität • Variation des Abstands Sonne - Erde Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  18. Solarkonstante • Strahlungsflussdichte (oder Bestrahlungsstärke) am Oberrand der Atmosphäre (TOA) bezogen auf eine Einheitsfläche senkrecht zur einfallenden Strahlung in der mittleren Entfernung der Erde von der Sonne (1 AU = 1,496  108 km); Einheit: W/m² • die Solarkonstante zeigt Variationen in verschiedenen Zeitskalen, ist also streng genommen keine Konstante; in der englischsprachigen Fachliteratur wird jetzt der Begriff TSI (total solar irradiance) verwendet • für das Klimasystem ist es wichtig, wieviel Strahlungsenergie am Oberrand der Atmosphäre zur Verfügung steht. Dies hängt ab von: • Energieabgabe der Sonne • Entfernung zwischen Erde und Sonne • Mittlerer Wert der Solarkonstanten S0: 1366,5 W/m² 33,5 kWh m-2 d-1 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  19. Solarkonstante Sonnenfleckenzyklus Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  20. Variation der solaren Einstrahlung aufgrund elliptischer Planetenbewegung Mittlere Entfernung Erde-Sonne 149.598.000 km (1 AU) Minimum (Perihel 3.1) 147.085.800 kmMaximum (Aphel 3.7) 152.104.980 km Exzentrität der Umlaufbahn 0,0167 S0:  3,5 % entspricht  48 W/m² Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  21. Strahlungsenergie am Atmosphärenoberrand Verfügbarkeit als Funktion der geographischen Position und des Tages im Jahr: Z Sonnenaufgang/-untergang h=H → Z = π/2 S0 Solarkonstante Z Sonnenzenitwinkel R0 Mittlerer Abstand Erde-Sonne (=1 AU) R aktueller Abstand Erde-Sonne (Funktion des Tages) δDeklination:Winkel zwischen Sonnenrichtung und der Äquatorebene φgeographische Breite h Stundenwinkel vom lokalen Meridian Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  22. Verfügbare Strahlungsenerggie über einen Tag Integration über einen Tag von Sonnenauf- bis -untergang Funktion des Tages im Jahr (-23,5°    +23,5°) h=0 Sonnenhöchststand Veränderung von h mit ~15° pro Stunde Λ Umlaufwinkel um die Sonne ε Neigung der Erdachse zur Ekliptik (jugoslawischer Geophysiker Milankovitsch in den 30er Jahren) Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  23. Mittlere tägliche Einstrahlung TOA • δ, φ, r bestimmt für jeden Punkt • Integration von S über eine Tageslänge (Variable h) → Sd Tagesumme der auf eine horizontale Fläche amAtmosphärenoberrand einfallenden Strahlung in 106 J m-2 Peixoto and Oort, 1992 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  24. Solare Einstrahlung Abhängigkeit von Sd von der Neigung zur Ekliptik ε ε= 23,5° ε= 0° nur so "unsere" Jahreszeiten! Mittlere jährliche Einstrahlung (global-gemittelt) Stot bleibt jedoch konstant: ε= 90° ε= 45° Stot Integration über r(t), Λ(t), φ: e Exzentrizität der Erdumlaufbahn 0.0167 ~340 W/m2 Hense (1993/94) Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

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