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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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 Atmosphäre, Biolithosphäre und Ozeanen?

  • 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


Salzverteilung Atmosphäre, Biolithosphäre und Ozeanen?

Effekte von- Niederschlag

- Meereiskalben und Abflüssen

- Transporten

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007


Ostseeeinzugsgebiet
Ostseeeinzugsgebiet Atmosphäre, Biolithosphäre und Ozeanen?

  • 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 Atmosphäre, Biolithosphäre und Ozeanen?

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: Atmosphäre, Biolithosphäre und Ozeanen?

Schiffsbeobachtungen

Jahreswerte in mm PE 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 des Salzgehaltes

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 Atmosphäre, Biolithosphäre und Ozeanen?

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]

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007


Gliederung
Gliederung Atmosphäre, Biolithosphäre und Ozeanen?

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


Die Ozeane Atmosphäre, Biolithosphäre und Ozeanen?

  • 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


Atmosphäre und ozeanische Zirkulation Atmosphäre, Biolithosphäre und Ozeanen?

  • 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

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007


Energie- und Wasserumsatz an Grenzfläche Atmosphäre, Biolithosphäre und Ozeanen?

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007


Grundgleichungen des Ozeans: Impulserhaltung Atmosphäre, Biolithosphäre und Ozeanen?

Reibungskraft: vertikale Divergenz des vertikalen Impulsstromvektors

Randbedingung

f Coriolisparameter

erEinheitsvektor radial auswärts

vh ozean. horiz. Strömungsgeschwindigkeit

w ozean. vert. Strömungsgeschwindigkeit

τA vertikaler atmosphärischer Impulsstrom

ws,vs subskaligen Schwankungen des 3-d Geschwindigkeitsvektors

Hydrostatische Beziehung

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007


Grundgleichungen des Ozeans Atmosphäre, Biolithosphäre und Ozeanen?

Bilanzgleichung für die Innere Energie ocwT:

Quellen für Wärme

und Salz

Bilanzgleichung für die Salzmasse oS:

liegen i.W. nur an der Ozeanoberfläche

Kontinuitätsgleichung:

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007


Ozeanische Zustandsgleichung Atmosphäre, Biolithosphäre und Ozeanen?

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

0o mittlere Dichte von Meerwasser bei 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


Isopyknen des Meerwassers Atmosphäre, Biolithosphäre und Ozeanen?

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


Jahresmittel der Dichte des Oberflächenwassers Atmosphäre, Biolithosphäre und Ozeanen?

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007


Isopyknen des Meerwassers Atmosphäre, Biolithosphäre und Ozeanen? abhängig 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


Die Ozeane Atmosphäre, Biolithosphäre und Ozeanen?

  • 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


Küsteneffekte Atmosphäre, Biolithosphäre und Ozeanen?

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


Ekman Konvergenz in Subtropen/mittl. Breiten (NH) Atmosphäre, Biolithosphäre und Ozeanen?

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

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007


In Subtropen sind Westseiten der Atmosphäre, Biolithosphäre und Ozeanen? 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


Ozeanströmungen Atmosphäre, Biolithosphäre und Ozeanen?

Peixoto and Oort, 1992

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007


Ozeanströmungen Atmosphäre, Biolithosphäre und Ozeanen?

Peixoto and Oort, 1992

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007


Kopplung von Wärme-, Salzflüssen und Dichtequellen Atmosphäre, Biolithosphäre und Ozeanen?

auf Flussform bringen, dann

Integration über Ozeanvolumen:

DOOzeanoberfläche

DOzeantiefe

Randbedingungen

am Boden und an der Oberfläche

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007


Kopplung von Wärme-, Salzflüssen und Dichtequellen Atmosphäre, Biolithosphäre und Ozeanen?

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


Ozeanzirkulation: Approximierte BWGL Atmosphäre, Biolithosphäre und Ozeanen?

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“

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007


Thermischer Wind Atmosphäre, Biolithosphäre und Ozeanen?

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


Vertikale Umlagerungen im Ozean Atmosphäre, Biolithosphäre und Ozeanen?

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


Einfaches Bild der thermohalinen Zirkulation Atmosphäre, Biolithosphäre und Ozeanen?

  • 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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