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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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- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
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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
  • 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

wiederholung 12 stunde

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

wiederholung 12 stunde1

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

slide4

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

ebm energiebilanzmodell
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

slide6

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

slide7

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

ebm energiebilanzmodell1
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

ebm energiebilanzmodell2
EBM: Energiebilanzmodell

Taylor-Entwicklung um den Referenzzustand To

mit

Zeitkonstante τ

Lineare Differentialgleichung 1.Ordnung

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

ebm energiebilanzmodell3
EBM: Energiebilanzmodell

Einstellzeit für das thermische Gleichgewicht

mit B~1.15 Wm-2 K-1

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

ebm energiebilanzmodell4
EBM: Energiebilanzmodell

von Storch, Güss und Heiman, 1999

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

ebm energiebilanzmodell5
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

slide13

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

slide14

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

slide15

1D Energiebilanzmodelle

Mc Guffie and Henderson-Sellers,1997

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

slide16

Erweitertes Energiebilanzmodell

Mc Guffie and Henderson-Sellers,1997

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

slide17

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

slide18

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

slide19

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

slide20

RC: Strahlungskonvektionsmodell

Unterteilung der Atmosphäre in viele Schichtenführt immer noch zu nicht realistischem Vertikalmodell

Ruddiman, 2001

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

slide21

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

slide22

Klimamodelle: Historische Entwicklung

Mcguffie and Henderson-Sellers, 2001

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

slide23

GCM: 3-D Zirkulationsmodell

Ruddiman, 2001

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

slide24

Klimamodellierung

McGuffie und Henderson-Sellers, 2001

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

gcm bestandteile atmosph renmodell
„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

slide26

GCM: Validierung

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

slide27

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

slide28

Problem der Modellierung: Kaltstart

Modell ist nicht ausblanciert bei Start, z.B. Wasserbilanz

Ruddiman, 2001

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007