Das Klimasystem und seine Modellierung (05-3103) – André Paul

Allgemeine atmosphärische Zirkulation und Klima

• Zirkulation– in sich geschlossene Strömung

• Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre (AZA)– Gesamtheit der den Erdball umfassenden

Zirkulationsphänomene

– Zeitskala: mehrere Jahrzehnte

– alle räumlichen Skalen (z. B. auch Wellen, Wirbel, Konvektionszellen)

Einfachst denkbare Zirkulation zwischen den heißen äquatorialen und den kalten polaren

Gebieten [Abb. 21.1 aus Kraus (2004)].

Hypothetische Ein-Zellen-Struktur auf der Kugeloberfläche

Beobachtetes Druckfeld und Windfeld an der Erdoberfläche [Abb. 5.4a aus Kraus (2004)].

• Wie enstehen die Passate?– fünfminütige Bearbeitung in Nachbarschafts-

gruppen

Grundlagen zum Verständnis der Passate (und der AZA) nach Hadley (1835)

• Differentielle Erwärmung

• Coriolis-Beschleunigung

• Erhaltung des Drehimpulses– Ostwindgebiete: Atmosphäre nimmt Drehimpuls von fester Erde auf

– Westwindgebiete: Atmosphäre gibt Drehimpuls an fester Erde ab

– Gesamtdrehimpuls bleibt erhalten

Äquivalenz der West- und Ostwindgebiete

• Thermisch direkte Zirkulationszelle in den Tropen• aufsteigender Ast am Äquator, absteigender Ast “where the

westerly winds are found”

Druck- und Windgürtel auf einer wasserbedeckten Erde

[Abb. 21.2 aus Kraus (2004)].

Drei-Zellen-Struktur der mittleren meridionalen Zirkulation. Dick ausgezogen: Tropopause mit Tropopausensprung in

den Subtropen. Die Mittlebreitenzelle wird auch Ferrel-Zelle genannt [Abb. 21.3 aus Kraus (2004)].

Literatur

• Dietrich et al., Kapitel 4

• Hartmann (1994), Kapitel 7

• Kraus (2004), Kapitel 21

• Stocker (2004), Abschnitte 7.1

Der große Kommunikator

• bringt Wärme aus den Tropen in die Polarregionen

• trägt das Wasser, das über den Ozeanen verdampft, in die Kontinente hinein

• überträgt Impuls auf die Meeresströmungen, die Wärme, Salz und Nährstoffe transportieren

Die allgemeine atmosphärische Zirkulation

Zonen Charaketeristika des Windes

Fläche des Weltmeeres (%)

Äquat. Kalmen schwachwindig, unbeständig

7

Passat stark, beständig 31

Monsun stark, beständig, jahreszeitlicher Richtungswechsel

8

Rossbreiten schwachwindig, unbeständig

20

Westwind stark, unbeständig 24

Polarer Ostwind stark, unbeständig 10

Anteil der Windzonen am Weltmeer [Tab. 4.03, Dietrich et al. 1975]

Mittlere Häufigkeit der Hauptwindrichtungen mit einem Richtungswechsel vom Winter zu Sommer von wenigstens 120° [Abb. 4.14 aus Dietrich et al. (1975)].

Die Monsungebiete der Erde

[Abb4.15 aus Dietrich et al. (1975)]

Gebiete mit tropischen Orkanen

Mittlere jährliche Anzahl von Orkanen (nach Gentilli, 1967) [Tab. 4.15 aus Dietrich et al. (1975)]

Seegebiet Anzahl/Jahr

Ostasiatische Gewässer 21

Golf von Bengalen 10

Südindischer Ozean 7

Südlicher Nordatlantischer Ozean

7

Südwestpazifischer Ozean 6

Nordwestaustralischer Ozean 2

Arabisches Meer 2

Kalifornische Gewässer 1

Der große Kommunikator

• reagiert empfindlich auf Änderungen der Temperatur- und Feuchtegradienten

• wird verursacht durch die unterschiedliche Erwärmung der Erdoberfläche durch

1. meridionale Gradienten in der Sonneneinstrahlung

2. Schwankungen der Albedo

Die allgemeine atmosphärische Zirkulation

Energiehaushalt der Atmosphäre

LP SH ,aa a

E R Ft

aEt

Zeitliche Änderungsrate des Energieinhalts einer atmosphärischen Säule

aR

LP

SH

aF

Erwärmung durch Strahlung

Erwärmung durch Freiwerden der latenten Wärme beim Ausregnen der atmosphärischen Feuchte

Fluss fühlbarer Wärme von der Erdoberfläche

Divergenz des atmosphärischen Energietransports

LP SH=a aR F

Energiehaushalt der Atmosphäre

TOAa sR R R

Strahlung Umwandlung latenter Wärme fühlbarer WärmeflussEnergieexport durch atmosphärische Zirkulation

TOAR

sR

Strahlungsbilanz am Außenrand der Atmosphäre

Strahlungsbilanz an der Erdoberfläche

Zur Erinnerung

(0) (0) (0) (0)sR S S F F

(0)S

(0)S

(0)F

(0)F

Sonnenstrahlung

reflektierte Sonnenstrahlung

atmosphärische Gegenstrahlung

Ausstrahlung

Wärmegewinn aus dem Strahlungsumsatz durch Einstrahlung und Ausstrahlung:

(0) (0) (0) 1 sS S S

mit as: Oberflächenalbedo

Zur Erinnerung

0TOA 1

4 pS

R F

Sonneneinstrahlung

• Die Pole empfangen viel weniger Strahlung als die niedrigen Breiten– Unterschied im Einfallswinkel der Sonneneinstrahlung

(Zenitwinkel)

– Polarnacht nördlich des Polarkreises

– Arktisches und antarktisches Meer- und Landeis reflektieren einen großen Teil der Sonneneinstrahlung zurück ins Weltall (hohe Oberflächenalbedo)

Meridionale Verteilung der Komponenten des atmosphärischen Energiehaushalts im zonalen Jahresmittel (W m-2) [Abb. 6.1 aus Hartmann (1994)].

Allgemeine atmosphärischen Zirkulation: Schlüssel zum Verständnis

1. Angetrieben durch meridionale Gradienten in der Sonneneinstrahlung zwischen dem Äquator und den Polen. Transportiert Wärme in hohe Breiten.

2. Hadley-Zelle: warme Luft steigt auf und strömt zu den Polen

3. Ferrel-Zelle (in mittleren Breiten): angetrieben durch Wärme- und Impulstransporte der “Eddies”

4. Coriolis-Kraft: Auf der Nordhalbkugel wird ein Fluid (Luft oder Wasser) nach rechts, auf der Südhalbkugel nach links abgelenkt

5. Eine einzige Zelle vom Äquator bis zum Pol ist in Gegenwart der Corioliskraft instabil

6. Rotation führt zu Passaten, Westwinden und den Strahlströmen (“Jets”) in der oberen Troposphäre

Zur Erinnerung:Jahresgang der oberflächennahen Lufttemperatur

Abbildungen von Martin Visbeck

Großer Temperaturkontrast in hohen Breiten

Besonders groß über dem Land – warum?

Allgemeine atmosphärischen Zirkulation: Großskaliger Energietransport

Zirkulation eines nichtrotierenden Planeten.

Welche Auswirkungen hätte die Coriolis-Kraft?

Allgemeine atmosphärischen Zirkulation: Großskaliges Windsystem

Zirkulation eines langsam rotierenden Planeten.

Allgemeine atmosphärische Zirkulation: Großskaliges Windsystem

1.Polare Zelle

2.Ferrel-Zelle (in mittleren Breiten)

3.Hadley-Zelle

Eine Drei- Zellen- Struktur entsteht:

Stromlinien des mittleren meridionalen Massentransports in der Atmosphäre. Negative Werte sind grau unterlegt. Zahlenwerte in 1010 kg s-1 [Abb. 6.5 aus Hartmann (1994), Daten von Oort (1983)].

Allgemeine atmosphärische Zirkulation: Oberflächenwind und -luftdruck

Warum gibt es in den Rossbreiten (auf einer geographischen Breite von ~30°) ein Hoch?

Die tropische Zirkulation

• Konvektion in der ITCZ Tiefdruckgebiet

• Sinken nahe 30°N/S Hochdruckgebiet

Allgemeine atmosphärische Zirkulation: Oberflächenwind und -luftdruck

Warum gibt im Bereich der Polarfront (auf einer geographischen Breite von ~60°) ein Tief?

Allgemeine atmosphärische Zirkulation: Oberflächenwind und -luftdruck

Oberflächenwind

Oberflächenluftdruck

• Polarer Ostwind

• Westwind

• Passat

• ITCZ (Tief)

• Subtropisches Hoch

• Subpolares Tief

Verteilung des zonalen Windes im zonalen Mittel mit der geographi-schen Breite und Höhe für DJF und JJA. Der Isolinienabstand beträgt 5 m s-1 [Abb. 6.4 aus Hartmann (1994) nach Daten von Oort (1983)].

Oberflächenluftdruck

1.Hoch über dem Land

2.Tief über dem Ozean

Nordwinter (Januar)

[Abb. 5.4a aus Kraus (2004)]

Mittlerer Luftdruck in Meereshöhe und Windvektoren auf der 1000 mb-Druckfläche im Januar. Analyse der Ergebnisse eines numerischen Wettervorhersagemodells für 1980-1987. Der Isolinienabstand beträgt 5 mb und der größte Windvektor stellt eine Windgeschwindigkeit von 12 m s-1 dar [Abb. 6.18a von Hartmann (1994)].

1.Hoch über dem Ozean

2.Tief über dem Land

Oberflächenluftdruck

Nordsommer (Juli)

[Abb. 5.4b aus Kraus (2004)]

Mittlerer Luftdruck in Meereshöhe und Windvektoren auf der 1000 mb-Druckfläche im Juli. Analyse der Ergebnisse eines numerischen Wettervorhersagemodells für 1980-1987. Der Isolinienabstand beträgt 5 mb und der größte Windvektor stellt eine Windgeschwindigkeit von 12 m s-1 dar [Abb. 6.18b von Hartmann (1994)].

Schema der zonalen Walker-Zirkulation entlang des Äquators. In Konvektionsgebieten mit einer mittleren Aufwärtsbewegung kommt es zur Konvergenz [Abb. 6.22 aus Hartmann (1994)].

Durchschnittliche Höhe der 500 mb-Druckfläche im Januar auf der Nordhalbkugel. Der Isolinienabstand beträgt 100m [Abb. 6.7 aus Hartmann (1994)].

Isolinien des nordwärts gerichteten Temperaturflusses auf 850 mb von Eddies mit einer Lebensdauer von weniger als 6 Tagen. Zahlenwerte in m s-1 K [Abb. 617b aus Hartmann (1994)].

MonsunHervorgerufen durch unterschiedliches Aufheizen und Abkühlen von Land und Meer (auf großer räumlicher Skala und im Jahresgang) und Coriolis-Kraft

Mittler Luftdruck in Meereshöhe und 1000 mb-Winde im Bereich des asiatischen Monsuns im Januar. Der Isolinienabstand beträgt 2 mb und der größte Windvektor stellt eine Windgeschwindigkeit von 17 m s-1 dar [Abb. 6.19a von Hartmann (1994)].

Monatsmittel des Niederschlags in Indien im Januar. Der Isolinienabstand beträgt 10 mm [Abb. 6.20a von Hartmann (1994)].

Mittler Luftdruck in Meereshöhe und 1000 mb-Winde im Bereich des asiatischen Monsuns im Juli. Der Isolinienabstand beträgt 2 mb und der größte Windvektor stellt eine Windgeschwindigkeit von 17 m s-1 dar [Abb. 6.19a von Hartmann (1994)].

Monatsmittel des Niederschlags in Indien im Juli. Der Isolinienabstand beträgt 10 mm [Abb. 6.20a von Hartmann (1994)].

Allgemeine atmosphärische Zirkulation: und Energietransport

Differentielle Erwärmung des Systems Erde-Atmosphäre

Allgemeine atmosphärische Zirkulation: Energietransport

Hadley cellFerrel cellPolar cell

• Mittlere meridionale Zirkulation– Zwei thermisch direkte Zellen: Hadley-Zelle, Polare Zelle

– Eine thermisch indirekte Zelle: Ferrel-Zelle (Tiefdruckgebiete)

Polwärtiger Wärmetransport durch Wettersysteme

Nordwärts gerichteter Energietransport im Jahresmittel, abgetragen gegen die geographische Breite auf der Nordhalbkugel. Zahlenwerte in PW = 1015 W. Mittlere Meridionalzirkulation [Abb. 6.11 aus Hartmann (1994) nach Daten von Oort (1971)].

Konvergenz des meridionalen Feuchtetransports in cm a-1. MMC: mittlere Meridionalzirkulation [Abb. 6.12 aus Hartmann (1994) nach Daten von Peixóto and Oort (1971)].

Raum- und Zeitskalen atmosphärischer Phänomene [Abb. 6.2 aus Hartmann (1994)].

Ungefährer Bereich der Skalen, der von einem Klimamodell erfasst werden kann

Allgemeine atmosphärische Zirkulation:Klimazonen

Allgemeine atmosphärischen Zirkulation: Schlüssel zum Verständnis

1. Angetrieben durch meridionale Gradienten in der Sonneneinstrahlung zwischen dem Äquator und den Polen. Transportiert Wärme in hohe Breiten.

2. Hadley-Zelle: warme Luft steigt auf und strömt zu den Polen

3. Ferrel-Zelle (in mittleren Breiten): angetrieben durch Wärme- und Impulstransporte der “Eddies”

4. Coriolis-Kraft: Auf der Nordhalbkugel wird ein Fluid (Luft oder Wasser) nach rechts, auf der Südhalbkugel nach links abgelenkt

5. Eine einzige Zelle vom Äquator bis zum Pol ist in Gegenwart der Corioliskraft instabil

6. Rotation führt zu Passaten, Westwinden und den Strahlströmen (“Jets”) in der oberen Troposphäre