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Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 14. November 2006 1
Was sind die Milankovitch-Zyklen?Wie unterschied sich die solare Ein-strahlung vor 115 kyr zu Beginn der letzten Eiszeit (Glazial) von heute?
Wie sieht die globale Strahlungsbilanz als - Funktion der geographischen Breite aus?- Funktion der Höhe aus?
Was ist das Strahlungs-Konvektions-gleichgewicht?
Wie war die erste Klima-Vorhersage vonManabe und Wetherald, 1967?
Wiederholung 5. Stunde
Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 14. November 2006 2
Solare Variation
Ergebnisse Nairobi Konferenzhttp://www.rp-online.de/public/article/aktuelles/politik/ausland/377638http://www.sueddeutsche.de/,gl1/wissen/artikel/76/91984/
Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 14. November 2006 3
Manabe and Wetherald, 1967
300 ppm typischer Wert um 1960
Verdopplung des CO2-Gehaltes bedeutet eine Erhöhung der Bodentemperatur um 1.4 bis 3.0 K, je nach Behandlung des Wasserdampfes
1.) Festhalten der absoluten Feuchte ρw
2.) Festhalten der relativen Feuchte RH
CO2 Änderung konstante RH konstante ρw
300 auf 150 -2 K -1K
300 auf 600 +3.0 K +1.4 K
positive Wasserdampfrückkopplungwesentliche Rolle des Wasserdampfes!
Erste Vorhersagen zum Einfluss von CO2
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LWSWEd QQHte 1
Vertikal gemittelte, aber horizontal variable Energiebilanz des Klimasystems
I BH H
BBBIIII
Hp
pd dzTcdzLTcdzTcgdpLqTce
0 00000
0
)()(00
Gesamtenergietransport durch die beweglichen Komponenten des Klimasystems, aufteilbar in mittlere Strömung und turbulente Eddies („Wetter“ synoptische Eddies in Atmosphäre und Ozean)
Betrachtung von langjährigen Jahresmitteln:
0ted LWSWE QQH 1
vertikal und langjährig gemittelte Energiehaushaltsgleichung des Klimasystems
Atmosphäre Ozean Eis Boden
ed Energiedichte im Gesamtklimasystem (Jm-
2]HE horizontaler, 2-dim. Transport vonm ed
Horizontale Energietransporte
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Räumliche Verteilung der Strahlungsbilanzkomponenten
)(),(1 SS pS Netto thermische Ausstrahlung
Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 Quelle: Hartmann, D. L., Global Physical Climatology, 1994 14. November 2006 6
ISCCP
Räumliche Verteilung der Strahlungsbilanzkomponenten
Transporte zur Umverteilung!
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MODIS Klimatologie
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Kontraste in zonaler Richtung
Saharaanomalie hohe Bodenalbedo (Sand)
→ relatives Minimum der solaren Einstrahlung
hohe Temperaturen, hohe Trockenheit: solare Energie kann nicht zur Verdunstung von Wasser eingesetzt werden (Bowenverhältnis LE/H < 1) → hohe thermische Ausstrahlung
negative Strahlungsbilanz
positive Anomalien über tropischen Kontinenten und indonesischem Archipel (geringe thermische Ausstrahlung in Folge hoher Wolken)
negative Anomalien über ozeanischen Auftriebsgebieten(hohe Reflektion durch niedrige Stratusbewölkung)
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Zonal gemittelte Strahlungsgleichgewichtstemperaturen
TE: meridionaler Temperaturgradient von 100 K zwischen Pol-Äquator
TS & TBoden: nur 50K
Unterschiede müssen auf horizontale (vor allem meridionale)
Energietransporte zurückzuführen sein
Analogie zum 1-dim. vertikal aufgelöstem Fall
horz.&vert. gemittelt: energetische Überschüsse Tropen/Subtropen Bodennähe
TE berechnete StrahlungsgleichgewichttemperaturTS gemessene Strahlungstemperatur
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Bestimmung von HE aus der Strahlungsbilanz
rE
REDEE
eH
HHH ,,
Q ),(2
Helmholtztheorem:
Geschwindigkeits-potenzial
(divergenter Anteil)
Stromfunktion(rotationeller Anteil)
einsetzen in: LWSWE QQH 1
Poissongleichung: Lösung in Kugelgeometrie durch Dar-stellung mit Kugelfunktionen
EnergietransportEnergietransport
S N
Strahlungsbilanz > 0
S N
Strahlungsbilanz < 0
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Globale Verteilung von χ und HE,D
aus ISCCP
χ Potentialfunktionfarbig (W)
HE,D divergenter Energie-transportvektorPfeile (W/m)
maximale Transporte ca. 2·108 Wm-1 (vertikal-integrierte Energieflussdichte)
über den „0-Strahlungs-bilanz-Breitengrad“ werden ca. 6·1015 W transportiert
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Zonal gemittelter Energietransport (nordwärts)
Peixoto and Oort, 1992
SH NH
Quellregion max. Transporte Senke
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ISCCP
-
Senken:1.) Sahara-Region2.) Amazonas-Gebiet
Quellen:Tropen/Subtropen(v.a. Indonesischer Raum)
Energietransport: Zonale Asymmetrien
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Erstellung eines zusammenfassenden Bildes der notwendigen vertikalen und horizonalen Transporte
2D-Betrachtung (vertikal gemittelt) Tropen als Quellregion der Energietransporte mittlere Breiten (Strahlungsbilanz ~ 0) als Transportregion polare/subpolare Breiten als Senkregionen der Energietransporte
vertikale Betrachtung (horizontal gemittelt) Boden (=Ozean, Eis, Biosphäre, feste Erde) als Quellregion Troposphäre als Senkregion Stratosphäre im Strahlungsgleichgewicht (nur geringe Vertikaltransporte)
aufgrund hohem Bowenverhältnis (LE/H ~ 5) → tropische Ozeane als (überwiegende) Quelle der Energietransporte
Das energetische Bild des irdischen Klimasystems
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Das energetische Bild des irdischen Klimasystems
Konsequenzen der Verdunstung über den tropischen Ozeanen
1.) durch Kondensation des Wasserdampfes wird latenter Wärme wieder frei und erhöht die Energie der Atmosphäre (Auffüllung der Senke)
2.) ständige Verdunstung bedeutet eine Salzquelle für den Ozean → diese muss auch durch einen Transportprozess mit noch zu definierenden Salzsenken verbunden werden (Gesamtsalzgehalt der Ozeane konstant); daraus muss ein ozeanischer Energietransport resultieren
Gesamttransport von Energie erfolgt durch Atmosphäre und Ozean
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Nord(südwärts)-vertikal gerichteter Gesamttransport
dazu Betrachtung der Energiehaushaltsgleichung (in p-Koordinaten) mit e = cp+T + Lq [J/kg] für die Atmosphäre:
Mittelung in zonaler Richtung:
ergibt:
λ geogr. Breiteϕ geogr. LängeRe Erdradiusφ Geopotenzial
2
0 2),( dxx
)cos1 ELHQ
pgF
pF
Ret p
e
mit den zonal gemittelten merifionalen bzw. vertikalenEnergietransporten in der Atmosphäre
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langjähr. Mittel:
folgt:
Definition einer Transportfunktion ψe, s.d. Gleichung links indentisch erfüllt:
Bestimmungsgleichung für ψe (Transportstromfunktion) stellt eine Poissongleichung in der (ϕ,p) - Ebene dar
Man erhält ψe(ϕ,p), welche aus Messungen von Q, H und LE bestimmbar ist
0 -30 -603060SP NP
Nord(südwärts)-vertikal gerichteter Gesamttransport
P [db]
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zwischen 30 N und 30 S: großer Energietransport zum Boden → etwa die Hälfte der energie geht in den Boden (Ozeane)
in Subtropen und mittleren Breiten weisen Stromlinien nordwärtsdabei wird langwellige Energie abgegeben
0 -30 -603060SP NP
Nord(südwärts)-vertikal gerichteter Gesamttransport
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Transportmechanismen in der Atmosphäre
vertikaler Transport: Konvektionsmechanismus bei instabiler Schichtung (Verfrachtung von überschüssiger Energie an der Grenzfläche Atmosphäre/Untergrund in die Defizitregion Troposhäre)
kein erkennbares Analogon für die horizontalen Transporte, vielmehr gibt es eine Reihe von Prozessen die für die Transporte verantwortlich sind (ableitbar aus Beobachtungen)
Ruddman, 2000
)(,)( evev
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Horizontale Transportmechanismen I
Mittlere Meridionalzirkulation (Hadley Zellen) Wasserdampfkondensation in den
Tropen/Subtropen führt zu einem ständigen Aufheizen der Atmosphäre → mittlere Aufwärtsbewegung
aus Massenerhaltungsgründen muss Luft aus den weiter nördlich/südlich gelegenen Gebieten nachgeführt werden (Passatwinde)
Gleichzeitiges polwärtsgerichtetes Ausströmen mit Ausbildung des Subtropenhochs („Azorenhochs“) bei ca. 30° Breite
nicht nur Massentransport, sondern Transport von
innerer, latenter und potentieller Energie
↓wesentlicher
Transportmechanismus in den Tropen/Subtropen
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Horizontale Transportmechanismen II
Atmosphärische Wellen der mittleren Breiten
(Transport durch sich neu bildende Hoch/Tiefdruckgebiete)
positive (nordwärtsgerichtete) Geschwindigkeiten fallen zusammen mit positiven Temperaturabweichungen
negative (südwärtsgerichtete) Geschwindigkeiten fallen zusammen mit negativen Temperaturabweichungen
Produkt aus Geschwindigkeitsabweichung und Temperaturabweichung immer positiv: Transport von innerer Energie nach Norden
entsprechendes gilt für latente und potentielle Energie
Wellen selber initiiert durch den Energieunterschied zwischen
mittleren Breiten und Subtropen (barokline Instabilität)
↓wesentlicher
Transportmechanismus in mittleren Breiten
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Transportmechanismen im Ozean
Gesamtsalzgehalt der Ozeane konstant ständige Verdunstung in den Tropen/Subtropen → Salzquelle für Ozean → durch einen Transportprozesse mit Salzsenken verbunden
ozeanischer Energietransport
Transport von latenter Energie führt in den mittleren Breiten zu verstärktem Freisetzen von latenter Wärme und damit auch zur Niederschlagsbildung, welcher dem Ozean zu Gute kommt (direkt/“run-off“) → Senke für Salzgehalt
das Bowenverhältnis (LE/H) ist endlich groß → zu einem geringeren Teil wird auch der Ozean von der solaren Einstrahlung erwärmt, d.h. Transport von innerer Energie aus den Tropen heraus
Transportmechanism: ozeanische „Wetterwirbel“ analog der atmosphärischen - Antarktischer Ringstrom (Zirkumspolarstrom)- Westliche Randströme (Golfstrom, Kurushio)
Transport von warmem, salzreichem Wasser aus den Tropen heraus
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Transportmechanismen Ozean/Atmosphäre im Vergleich
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> 0
< 0
Äqu
ator
Pol
Ozean
Atmosphäre
EisH
Zusammenfassung: „Wärmemaschine“ Klimasystem
Strahlungsbilanz
Salz
KondensationKonvektionHadley-
Zelleinnere Energielatente Energiepotentielle Energiekinetische EnergieNiederschlag
Salz Salz und Energie Salz
Passate
Verdunstung
Wellentransporte
Energietransporte
Wärme Erwärmu
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