14. November 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 1 Was sind die Milankovitch-Zyklen? Wie unterschied sich die solare Ein-

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


Solare Variation

Ergebnisse Nairobi Konferenzhttp://www.rp-online.de/public/article/aktuelles/politik/ausland/377638http://www.sueddeutsche.de/,gl1/wissen/artikel/76/91984/

http://www.rp-online.de/public/article/aktuelles/politik/ausland/377638

http://www.sueddeutsche.de/,gl1/wissen/artikel/76/91984/

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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


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


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!


MODIS Klimatologie


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)


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


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


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


Zonal gemittelter Energietransport (nordwärts)

Peixoto and Oort, 1992

SH NH

Quellregion max. Transporte Senke


ISCCP

-

Senken:1.) Sahara-Region2.) Amazonas-Gebiet

Quellen:Tropen/Subtropen(v.a. Indonesischer Raum)

Energietransport: Zonale Asymmetrien


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


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


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


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


P [db]


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



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


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


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


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


Transportmechanismen Ozean/Atmosphäre im Vergleich


> 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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