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Einfache Klima-ModelleKurzvortrag von Sven Eiermann

im Seminar zur Vorlesung„Theoretische Meteorologie III-2

(Atmosphärische Strahlung und Optik)“

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(1) Einführung

(2) Modell-Klassen

(3) Energiebilanz-Modelle

- Eis-Albedo-Rückkopplung - 2-Schichten-Modell mit hohen Wolken

(4) Daisyworld-Modell

Übersicht

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Einführung Globales Klimasystem umfasst 3

Hauptkomponenten:- Atmosphäre- Ozeane- Kryosphäre (von Eis bedeckte Oberfläche)

Nichtlineare gekoppelte partielle DGLs sind die Ausgangsgleichungen viele Rückkopplungseffekte (Bsp.: EisAlbedo)

Nichtlineare Wechselwirkungen der Subsysteme teilweise nicht gut simulierbar, da Rechenleistung beschränkt

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Rand- und Anfangsbedingungen aus Beobachtungen teilweise nicht vorhanden oder ungenau

Einführung

Vereinfachungen und Spezialisierungen erforderlich für brauchbare Ergebnisse!

2 wesentliche Charaktaristika eines Klimamodells:I. Physikalisch: Grad der VereinfachungII. Mathematisch: zeitl. u. räuml. Auflösung

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Die Modell-Klassen 1.) 1-dimensionale Strahlungsbilanz-Modelle - Horizontal gemittelt, aber mehrere Schichten - Nützlich, um Strahlungseffekte zu berechnen

2.) 1-dimensionale Ozeanmodelle mit Diffusion - Wärmeaustausch mit Ozean und Landoberfläche - Thermohaline Zirkulation

3.) 1-dimensionale Energie-Bilanz-Modelle - Nur Variation mit geogr. Breite, ansonsten gemittelt - Prozesse des N-S-Wärmeausstauschs (Atmosphäre + Ozean) gewöhnlich durch Diffusion simuliert

- Nützlich, um Rückkopplungs-Wechselwirkungen zu simulieren

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Die Modell-Klassen

4.) 2-dimensionale Atmosphären+Ozean-Modelle - Erlauben realistischere Berechnungen des Wärmetransports als 1-dimensionale

5.) 3-dimensionale allgemeine Zirkulationsmodelle (engl.: General Circulation Models (GCMs))

- Am komplexesten von allen Modellen - Atmosphäre und Ozeane in horizontalem Gitter mit 2-4° Auflösung und 10-20 Schichten vertikal - Simulieren viele Prozesse

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Theoretische Meteorologie III -2 (M)(Atmosphärische Strahlung und Optik)

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Die Auflösung der Modelle

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Energiebilanz-Modelle

11

422

2

TσεRπ4Sα)(1Rπ

dt

dTCρhRπ4

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Gleichgewichtstemperatur

14°C

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Eis-Albedo-Rückkopplung

Parametrisierung der Albedo: α = m - n∙T Energiebilanz-Gleichung wird zu:

Instabil, wenn Aufheizung durch Rückkopplung (linker Term) größer als Abstrahlungsterm rechts!

~T

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Zweite Modellschicht: Hohe Wolken

c є [0,1]: Wolkenbedeckung

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Gleichgewichtstemperatur

14°C

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Das „Daisyworld“-Modell

Daisy (engl.) = Gänseblümchen

Computersimulation eines hypothetischen Planeten, der einen sonnenähnlichen Stern umkreist

Nur zwei Arten von Lebewesen:- Weiße Daisies (reflektieren Licht)- Schwarze Daisies (absorbieren Licht)

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Das „Daisyworld“-Modell

Beide Arten haben selbe Wachstumskurve Strahlungsleistung des Sterns (der Sonne) wird

langsam erhöht Zu Beginn: Mehr schwarze Daisies (weil wärmer) Durch Temperaturanstieg können nun auch weiße

Daisies wachsen Temperatur steigt über Optimum für schwarze

Daisies => Weiße Daisies überholen schwarze Daisies

Es stellt sich ein Gleichgewicht ein!

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Das „Daisyworld“-Modell

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Das „Daisyworld“-Modell

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Klima auf dem eigenen PC:http://climateprediction.net

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Quellen

1) IPCC: http://www.ipcc.ch/graphics/gr-ar4-wg1.htm

2) Jose P. Peixoto, Abraham A. Oort (1992): „Physics of Climate“

3) T. Stocker, Uni-Bern (2007): „Einführung in die Klimamodellierung“

(www.climate.unibe.ch/~stocker/papers/skript0405-1.pdf)

4) FUTURE CLIMATE CHANGE & GLOBAL CLIMATE MODELS (http://www.staffs.ac.uk/schools/sciences/geography/staff/harrist/landev/lect21notes.htm)

5) Mark Wittwer (2005): „Daisyworld Modelling and Feedback Mechanisms“(www.sese.uwa.edu.au/__data/page/96394/Wittwer_2005.pdf)

6) Titelbild: WIKIPEDIA: http://en.wikipedia.org/wiki/Climate_model