7. November 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 1 Wiederholung 3. Stunde Welche Daten stehen für den Ozean zur Verfügung?

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 7. November 2006 1

Wiederholung 3. Stunde Welche Daten stehen für den Ozean zur Verfügung?

Welche Daten stehen durch ISCCP zur Verfügung?

Was ist das Cloud Radiative Forcing (CRF)? Wie sind die globalen Wertefür kurzwelliges, langwelliges und Netto-CRF?

- Synopbeobachtungen von freiwilligen Handelsschiffen (COADS: ab 1850) - Salzgehalt- und Temperaturprofile (CTD) - insbes. im Rahmen von WOCE- Ozeanoberflächentemp. (SST), Rauhigkeit, Höhe vom Satellit ab ~1980

- Vis. und Infrarot von polar & geost. Satelliten seit 1983- Radianzen, Bedeckungsgrad, opt. Dicke, Obergrenzentemp.,

Flüssigwassergehalt (LWP), Wolkentyp, Oberflächentemp. & -reflektivität

LW: 5 - 200 μm

SW:

0.2

- 5 μ

m

1983 - 2004 Jahresmittel [Wm-2]


Wiederholung 3. Stunde Welche weiteren klimarelevanten Daten können von Satelliten gemessen

werden?

Welche Informationen können als Proxy für die Paläoklimatologiegenutzt werden?

- Historische Dokumente- Baumringe- Korallenringe- Eisbohrkerne- Speläologie (Höhlenkunde)- Sedimente in Seen/Ozean- Bohrlöcher- Glaziale Oberflächen-Formung (Moränen)

- Microwave Sounding Unit (MSU) für Temperaturprofile seit 1979- SSM/I für Niederschlag, Flüsse und Wasserdampf über Ozean seit 1987- Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) für Vegetation seit ca. 1985- Forschungssatelliten für Prozesstudien (Kryosphäre, Wolken...)

Jones & Mann, 2004


Analysen in der Meteorologie

Erstellen einer Analyseaus Beobachtungen

überbestimmt – Interpolationsaufgabe meist jedoch unterbestimmt (siehe v.a. Ozeane, Pazifik!)

- Physikalische Zwangsbedingungen- Hintergrund B (oder auch a priori Information)

(z.B. vorherige Analyse (Persistenz/Modellvorhersage M))

In einem „gutartigen“ Modell propagieren Zusatzinformation mit der Zeit in die Modellphysik hinein (Prinzip der Datenassimilation)

Erstellung eines möglichst genauen Bildes des wahren atmosphärischen Zustandes zu einem gegebenen Zeitpunkt

erlaubt Überprüfung/Verständnis der atmosphärischen Diagnostik Initialzustand für Wettervorhersagemodelle Pseudo-Beobachtungen


Reanalyse-Projekte

1979-1993 ERA15 durch European Centre for Medium Range Forecast (ECMWF)

1957-1996 NCEP durch Kombination von US-Wetterdienst (NMC) und dem National Center for Atmospheric Research (NCAR)

1958-2001 ERA40 durch ECMWF auf Basis der NCEP Datenbasis mittels modernster Analyseschemata, Schwerpunkt auf der Assimilation von Satellitendaten, 6-stündliche Analysen

Übertragung der irregulär verteilten Beobachtungen auf ein reguläres Gitter geschieht täglich bei Wetter-diensten durch sogenannte numerische Analysen → Anfangsbedingung für numerische Wettervorhersage

Nutzung der operationellen Analysedaten problematisch, da Qualitäts-kontrollen und Analysetechniken kontinuierlich verbessert werden künstliche Variabilität

Lösung: modernen Analyseverfahren (optimale Interpolation/3d-Var) sollen auf alle alte Datensätze angewendet werden → Reanalyse


ERA40

1987-2002: Assimilation der neuesten Beobachtungstypen (u.a. TOVS, SSM/I, ERS, ATOVS und CMW)

1957-1972: Konventionelle, nicht-Satellitenbeobachtungen (Synop, COADS, Radiosonden, GATE, FGGE, ALPEX, TOGA-COARE,..)

1972-1988: Assimilation einiger Satellitenbeobachtungen (VTPR, TOVS und CMW).

GATE 1974 Atlantic Tropical Experiment of the GARP Global Atmospheric Research Program

FGGE 1979 First Global GARP ExperimentALPEX 1982 Alpine ExperimentTOGA-COARE 1992-1993

http://www.ecmwf.int/products/data/archive/descriptions/e4/

Ziele: Erstellung eine umfassenden Analyse des Zustands von Atmosphäre,

Land und Meereswellen-Bedingungen von Mitte 1957 bis August 2002. Anwendung der modernen variationellen Datenassimilations-Technik auf

frühere konventionelle und Satellitenbeobachtungen


Inhalt - ERA40

Auflösung – global - zeitliche (6 h) - räumlich horizontal 125 km- räumlich vertikal 0-65 km in 60 Schichten

Daten- Temperatur, Feuchte, Flüssigwasser, horizontaler Windvektor- stratosphärisches Ozon- Randwerte: Ozean-Oberflächen (SST) und Erdbodenparameter

(Meereis/Schnee/Bodenalbedo/Bodenfeuchte/Rauigkeitslänge)

3D-Var : dreidimensionale variationelle Datenassimilation

www

http://www.ecmwf.int/research/demeter/d/inspect/catalog/research/era/Monitoring


Anzahl der verwendeten Beobachtungen pro Tag

Eingangsdaten für Analyse am ECMWF

Anzahl der verschiedenenQuellen von Satelliten-beobachtungen

Peter Bauer, ECMWF


Verbesserte räumlich/zeitliche Modellauflösung durch verbesserte Computerleistung Verbesserte physikalische Parametrisierungen (diabatisch, Land/Ozean-Atmos. etc.) Vermehrte Nutzung von Satellitenbeobachtungen

Verbesserung um 2 Tage

Eliminierung desNH-SH Unterschiedes

Vorhersagegüte am ECMWF


Assimilations-system

Hintergrund

Background

+Fehler

BeobachtungenObservations

+ Fehler

Analysis

+ Fehler

Operator

+Fehler

Bayes’ Theorem:

Analyseablauf


Datenassimilation

Analysetechnik, die Beobachtungen in den Modellzustand einfließen läßt - unter Berücksichtigung von physikalischen Zwangsbedingungen - und deren zeitlicher Entwicklung

Besonders geeignet fürReanalysen!


3D-Var

x optimaler Zustandsvektorxb HintergrundfeldB Kovarianz des Hintergrundesy MessungenH Vorwärtsmodell (Umwandlung

Modellvariable Messung )R Fehlerkovarianzmatrix (Messung)J Kostenfunktion

Variationelles Optimierungsproblem → Schätzung des Atmosphärenzustandes xLösung optimal im Sinne der kleinsten Quadrate, bzw. wahrscheinlichste Lösung falls Gauß-Verteilung vorliegt

x: 5·106 Kontrollvariabley: 106 Beobachtungen/12h


Kleiner Exkurs: 4D-Var

funktioniert nur bei kleinen Modellfehlern erfordert die arbeitsaufwendige Bestimmng

des „adjungierten Operators“ Warten auf Messungen ...

Sehr geeignet für numerische Wettervorhersage, da am Ende des Assimiliationsfensters das Analysefeld „modellkonsistent“ ist (d.h. Informationen werden länger weiterpropagiert)

allerdings ...


Zusammenfassung: Die Daten

verlässliche Klimabeobachtungen in Bodennähe und an der Ozeanoberfläche sind seit ca. 1880 vorhanden

auf diesen in Raum und Zeit unvollständigen Datensätzen beruht der beobachtete globale Temperaturtrend

regelmäßige Vertikalsondierungen (Abdeckung nur über Land) seit ca. 1950 vorhanden → Initialdaten für numerische Wettervorhersagemodelle

seit Mitte der 1970er Jahre tragen Satelliten zur globalen Klimadatenerfassung bei → Erforschung z.B. von ENSO-Phänomen bereits möglich → globale Temperaturtrends problematisch (Zeitspanne/Kalibration)

moderne Analysemethoden (3D-Var) ermöglichen die Bereitstellung von Klimadaten auf einem globalen, regelmäßigen Gitter unter Ausnutzung aller zu einem bestimmten Zeitpunkt vorhanden Daten

Reanalyse, z.B. ERA40


Gliederung 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- Energietransporte im Ozean (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


IPCC '01 Vorhersagen


Strahlungsbilanz des Klimasystems

LWggSW

LWSWSW

QQQ

QQQQ

)1(,

Solare Einstrahlung (Jahreszeiten, Breiten, Astronomische Zeitskalen)

Langwellige Ausstrahlung Absorptionscharakteristika / Wolken Strahlungsgleichgewicht (N-Plattenmodell)

Strahlungsbilanz am Oberrand der Atmosphäre (TOA)

SW short wave 0.2 - 5 μmLW longwave 5 - 200 μmα planetare AlbedoQ Strahlungsflussdichte [Wm-2]


Solare Strahlung

428

4

1067.5

KWm

TSS

Stefan-Boltzmann Gesetz

Variationvon So durch Variation der Sonnenaktivität Variation des Abstands Sonne - Erde

A1

R2R1r1

r2

A2

SS : Schwarzkörperstrahlung der Sonne (T ~ 6000 K); Energie die die Sonne pro m2 und Zeiteinheit in den Weltraum ausstrahlt

2 21 1 1 1

2 1 12 22 2 2

S A r RS S SA r R


Solarkonstante

Strahlungsflussdichte (oder Bestrahlungsstärke) am Oberrand der Atmosphäre (TOA) bezogen auf eine Einheitsfläche senkrecht zur einfallenden Strahlung in der mittleren Entfernung der Erde von der Sonne (1 AU = 1,496 108 km); Einheit: W/m²

die Solarkonstante zeigt Variationen in verschiedenen Zeitskalen, ist also streng genommen keine Konstante; in der englischsprachigen Fachliteratur wird jetzt der Begriff TSI (total solar irradiance) verwendet

für das Klimasystem ist es wichtig, wieviel Strahlungsenergie am Oberrand der Atmosphäre zur Verfügung steht. Dies hängt ab von:

Energieabgabe der Sonne Entfernung zwischen Erde und Sonne

Mittlerer Wert der Solarkonstanten S0: 1366,5 W/m² 33,5 kWh m-2 d-1


Solarkonstante

Sonnenfleckenzyklus


Variation der solaren Einstrahlung aufgrund elliptischer Planetenbewegung

S0: 3,5 %entspricht 48 W/m²

Mittlere Entfernung Erde-Sonne 149.598.000 km (1 AU)Minimum (Perihel 3.1) 147.085.800 kmMaximum (Aphel 3.7) 152.104.980 km Exzentrität der Umlaufbahn 0,0167


Strahlungsenergie am AtmosphärenoberrandVerfügbarkeit als Funktion der geographischen Position und des Tages im Jahr:

ZRRStS cos,

2

00

S0 Solarkonstante

Z Sonnenzenitwinkel R0 Mittlerer Abstand Erde-Sonne (=1 AU)

R aktueller Abstand Erde-Sonne (Funktion des Tages)δ Deklination: Winkel zwischen Sonnenrichtung und der

Äquatorebeneφ geographische Breiteh Stundenwinkel vom lokalen Meridian

coshcoscossinsincos Z

Z

ZFF SWSW cos0

Sonnenaufgang/-untergang h=H → Z = π/2

tantancos H

sth

864002


Integration über einen Tag von Sonnenauf- bis -untergang

Verfügbare Strahlungsenerggie über einen Tag

(jugoslawischer Geophysiker Milankovitsch in den 30er Jahren)

dtthtttrrS

ZtrrStS

t

t

))(cos()(coscos)(sinsin)(

cos)(

),(

2

00

2

00

h=0 SonnenhöchststandVeränderung von h mit ~15° pro Stunde

Λ Umlaufwinkel um die Sonneε Neigung der Erdachse zur Ekliptik

sinsinsin Funktion des Tages im Jahr (-23,5° +23,5°)


Mittlere tägliche Einstrahlung TOA

δ, φ, r bestimmt für jeden Punkt

Integration von S über eine Tageslänge (Variable h) → Sd

Peixoto and Oort, 1992

Tagesumme der auf eine horizontale Fläche amAtmosphärenoberrand einfallenden Strahlung

in 106 J m-2


Stot Integration über r(t), Λ(t), φ:

e Exzentrizität der Erdumlaufbahn 0.0167

Solare Einstrahlung

Hense (1993/94)

Abhängigkeit von Sd von der Neigung zur Ekliptik ε

20

1

14 e

SStot

~340 W/m2

Mittlere jährliche Einstrahlung (global-gemittelt) Stot bleibt jedoch konstant:

nur so "unsere" Jahreszeiten!

ε = 23,5° ε = 0°

ε = 45° ε = 90°

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