Wiederholung 8 stunde
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Was unterscheidet die Wasserhaushaltsgleichungen von Atmosphäre, Biolithosphäre und Ozeanen? Was ist der Frischwasserfluss? Was macht seine Bestimmung problematisch?

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Wiederholung 8. Stunde

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Presentation Transcript


Wiederholung 8 stunde

  • Was unterscheidet die Wasserhaushaltsgleichungen von Atmosphäre, Biolithosphäre und Ozeanen?

  • Was ist der Frischwasserfluss? Was macht seineBestimmung problematisch?

  • Wie sieht die meridionale Verteilung derKomonenten des Wasserkreislaufs aus? Wo liegen die Quellen- und Senken des atmosphärischen Wasserdampfs?

  • Wie groß ist der Anteil des atmosphärischen Wasserdampftransport am polwärtigen Energietransport?

Wiederholung 8. Stunde

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007


Wiederholung 8 stunde

Wiederholung 8. Stunde

  • Wo finden die stärksten Abflüsse (run-off) statt?

  • Wie unterscheiden sich Atlantik, Pazifik und Indik?

  • Welche Rolle spielt der südliche Ozean?

wahrscheinlich ausgeglichenes P-E im Flächenmittel, übernimmt nur Transportfunktion?

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007


Wiederholung 8 stunde

Salzverteilung

Effekte von- Niederschlag

- Meereiskalben und Abflüssen

- Transporten

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007


Ostseeeinzugsgebiet

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


Ergebnisse aus schiffsbeobachtungen

Ergebnisse aus Schiffsbeobachtungen

COADS

Comprehensive Ocean Atmosphere Data Set

ca. 5 Meldungen pro Tag 1980 bis 1995

P aus Wetterschlüssel

Emittels Bulk-Methode

Eisbedeckte Flächen separat

-14 -10 -6 -2 +2 +6 +10 +14

P - E [mm / Monat]

Lindau [2002]

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007


Wasserhaushalt der ostsee

Wasserhaushalt der Ostsee:

Schiffsbeobachtungen

Jahreswerte in mmPE P-E

Henning [1988] 639 498 141

Omstedt & R [2000] 599 443 156

Jacob et al. [1997] 827 505 322

Lindau [2002] 603 537 66

150

100

50

0

-50

-100

P = 50.3 mm / Monat

E = -44.8 mm / Monat

P - E = 5.5 mm / Monat

Stationsdaten

Ozeanmodell

Reg. Klimamodell

Schiffsbeobachtungen

[mm / Monat]

Frischwasserzustrom aus Flüssen~ 1200 mm pro Jahr konsistente Verteilung desSalzgehaltes

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Monat

Lindau [2002]

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007


Detailstudien aus modelll ufen

Detailstudien aus Modellläufen

Zeitlich und räumlich differenzierte Haushaltsbetrachtungen nur durch Modellrechnungen

Konvergenz

August 1995

-0.5

2.6 1.7 3.4 2.0

0.1

0.8

September 1995

0.8

3.1 1.3 2.9 3.4

0.7

1.2

0.5

2.3 0.7 2.2 1.9

0.8

0.8

Niederschlag

Niederschlag

Oktober 1995

[ mm / Tag ]

Verdunstung

Speicher

Abfluss

[Karstens, pers. Mitteilung]

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Gliederung

Gliederung

http://www.nature.com/nature/journal/v438/n7068/pdf/438565a.pdf

  • 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- Ozeanische Zirkulation (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


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Die Ozeane

  • 2/3 der Erdoberfläche, 96.5 Prozent der Gesamtwasservorkommen der Erde

  • 45.9 % Pazifik, 23.2 % Atlantik, 20.3 % Indik+ Mittelmeere + Randmeere

  • Deckschicht (~100 m), obere Sprungschicht, Thermostad (~400 m), untere Sprungschicht (Thermokline), Kaltwassersphäre

  • Temperatur des Dichtemaximums und des Gefrierpunktes nehmen mit zunehmendem Salzgehalt ab (ca. [email protected]%)

  • ozeanische Zirkulation (horizontal/vertikal) durch Atmosphäre, Meeres-bodentopographie und Salzverteilung

nordwärts gericht. Wärmetransporte

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007


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Atmosphäre und ozeanische Zirkulation

  • die Summe aus Strahlungsbilanz Q und turbulentem Strom sensibler H und latenter Wärme LE wird über den Ozeanen im langährigen Mittel durch die Divergenz der ozeanischen Wärmetransporte (f(T)) ausgeglichen

  • die Divergenz zwischen Niederschlag P und Evaporationsfluss E wird im langjährigen Mittel durch die Divergenz des ozeanischen Salztransports ausgeglichen

- Q, H, LE beeinflussen T

- P, E verändern Salzgehalt S

Bosubskal. vert. Wärmetransport

Hssubskal. vert. Salztransport

τturbulente Impulstransport

vImpuls der Atmosphäre

ovoImpuls des Ozeans

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Energie- und Wasserumsatz an Grenzfläche

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Grundgleichungen des Ozeans: Impulserhaltung

Reibungskraft: vertikale Divergenz des vertikalen Impulsstromvektors

Randbedingung

fCoriolisparameter

erEinheitsvektor radial auswärts

vhozean. horiz. Strömungsgeschwindigkeit

wozean. vert. Strömungsgeschwindigkeit

τA vertikaler atmosphärischer Impulsstrom

ws,vssubskaligen Schwankungen des 3-d Geschwindigkeitsvektors

Hydrostatische Beziehung

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007


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Grundgleichungen des Ozeans

Bilanzgleichung für die Innere Energie ocwT:

Quellen für Wärme

und Salz

Bilanzgleichung für die Salzmasse oS:

liegen i.W. nur an der Ozeanoberfläche

Kontinuitätsgleichung:

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Ozeanische Zustandsgleichung

Verknüpfung von S, T, ρ0 in der ozeanischen Zustandsgleichung:

wobei  zwischen 1000 und 1040 kg m-3

Δ = 0.2 kg m-3 entspricht ungefährΔT = 1°C oder ΔS = 0.2%o

Druckabhängigkeit entfällt für nicht zu große Vertikalverschiebungen (inkompressibel) linearer Ansatz meist ausreichend (aus Messungen):

αthermische Ausdehungskoeff.- 5.26·10-5 K-1

βhaline Ausdehnungskoeff.

7.86 ·10-4 psu-1

0omittlere Dichte von Meerwasserbei T0 (0°C) und S0 (35 psu)

Welche Wirkung haben atmosphärisch-induzierte Dichtevariationen auf den Zirkulationszustand des Ozeans?

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007


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Isopyknen des Meerwassers

abhängig von Temperaturund Salzgehalt

Isopyknen = Linien gleicher Dichte,

in [kg/m3 ]

Bei p= Atmosphärendruck

Bei S > 25 gibt es

keine „Anomalie des Wasses“ mehr

Quelle: Bergmann Schäfer Band 7, Abb.2.1; p.55

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007


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Jahresmittel der Dichte des Oberflächenwassers

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007


Wiederholung 8 stunde

Isopyknen des Meerwassersabhängig von Temperaturund Druck

bei Salinität S= 35

1 dezi bar == 1 m Wassersäule

Quelle: Bergmann Schäfer Band 7, p.55, Abb.2.1b

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007


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Die Ozeane

  • ozeanische Bewegungsgleichungen analog zur Atmosphäre

  • Schubkraft des atmosphärischenWindes führt zu Oberflächen-strömung, die durch Wirkung derCorioliskraft mit der Tiefe sich geostrophisch nähert (Ekman-Spirale)

    Wassergeschwindigkeit ist ca. 1%(0.5-1 km/h) der Windgeschwindigkeit

Stocker, T., The ocean in the climate system: observing and modeling its variability, in Physics and chemistry of the atmospheres of the Earth and other objects of the solar system, edited by C. Boutron, pp. 39-90, Les Editions de Physique, Les Ulis, 1996.

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007


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Küsteneffekte

Peixoto and Oort, 1992

Wind transportiert Wassermasse zur (von der) Küste (weg)

→ Auftriebsgeschwindigkeiten ca. 5.5 m/Tag

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007


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Ekman Konvergenz in Subtropen/mittl. Breiten (NH)

In den Tropen führen Passatwinde entsprechend zu Ekman-Divergenz und somit Aufquellen (upwelling)

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007


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In Subtropen sind Westseiten der Kontinente wärmer als Ostseiten

Ozeanströmungen

zirkumpolare Antarktistrift durch Westwinddrift

Linksablenkung führen zu Humboldt- und Benguelastrom

Aufquellgebiete

Peixoto and Oort, 1992

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007


Wiederholung 8 stunde

Ozeanströmungen

Peixoto and Oort, 1992

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007


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Ozeanströmungen

Peixoto and Oort, 1992

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007


Wiederholung 8 stunde

Kopplung von Wärme-, Salzflüssen und Dichtequellen

auf Flussform bringen, dann

Integration über Ozeanvolumen:

DOOzeanoberfläche

DOzeantiefe

Randbedingungen

am Boden und an der Oberfläche

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Kopplung von Wärme-, Salzflüssen und Dichtequellen

ergibt:

d.h., im Mittel werden thermohaline Dichteschwankungen erzeugt durch:

  • Energie- und Süßwasserflüsse an der Ozeanoberfläche aus der Atmosphäre

  • Wärme- und Salz- (bzw. Süßwasser) flüsse über die seitlichen Ränder der Ozeane

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007


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Ozeanzirkulation: Approximierte BWGL

Durchführung einer Skalenanalyse für typische ozeanische Bewegungsabläufe ergibt für die Impulsgleichung:

Auflösen nach

geostrophische Balancierung außerhalb von Schichten, wo wesentlicher Impulstransfer stattfindet

LSG: „large scale geostrophic system“

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Thermischer Wind

Bilde ...

d.h. das horizontale Feld der thermohalinen Dichteschwankungen bestimmt die vertikale Scherung der ozeanischen Strömungsgeschwindigkeiten

(außerhalb der Tiefen, wo signifikante Reibung stattfindet)

www.bsh.de

thermischer Wind als Tangente an die Konturen

Stärke proportional zur Drängung der Konturen

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007


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Vertikale Umlagerungen im Ozean

Kombination Dichtegleichung & thermischer Windbeziehung, nachwauflösen

Annahme: stationäre Verhältnisse & große Entfernung zu Dichtequellen / Senken:

  • da Dichteschichtung des Ozeans immer stabil

  • bedeutet dies für die Nordhemisphäre (f> 0):

  • bei zyklonaler Drehung vonvhmit zunehmender Tiefe eine aufsteigende Wassermassenbewegung

  • entsprechend bei antizyklonaler Drehung vonvhmit zunehmender Tiefe eine absinkende Wassermassenbewegung

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007


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Einfaches Bild der thermohalinen Zirkulation

  • Voumina tendieren dazu sich auf Flächen konstanter Dichte zu bewegen

  • ist ein Winkel zwischen tatsächlicher Geschwindigkeit und Dichtekonturen vorhanden, so werden Volumina auf- oder abwärts gelenkt

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007


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