Wiederholung 3. Stunde Welche Daten stehen für den Ozean zur Verfügung? Welche Daten stehen durch ISCCP zur Verfügung? Was ist das Cloud Radiative Forcing.

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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 Werte für 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 Jahresmittel [Wm-2] SW: μm LW: μm Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

2 Wiederholung 3. Stunde Welche weiteren klimarelevanten Daten können von Satelliten gemessen werden? Welche Informationen können als Proxy für die Paläoklimatologie genutzt werden? 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...) Historische Dokumente Baumringe Korallenringe Eisbohrkerne Speläologie (Höhlenkunde) Sedimente in Seen/Ozean Bohrlöcher Glaziale Oberflächen-Formung (Moränen) MSU ist Teil von TOVS Jones & Mann, 2004 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

3 Analysen in der Meteorologie
Erstellung eines möglichst genauen Bildes des wahren atmosphärischen Zustandes zu einem gegebenen Zeitpunkt erlaubt Überprüfung/Verständnis der atmosphärischen Diagnostik Initialzustand für Wettervorhersagemodelle Pseudo-Beobachtungen Erstellen einer Analyse aus 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)) PSD = particle size distribution In einem „gutartigen“ Modell propagieren Zusatzinformation mit der Zeit in die Modellphysik hinein (Prinzip der Datenassimilation) Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

4 Reanalyse-Projekte 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 ERA15 durch European Centre for Medium Range Forecast (ECMWF) NCEP durch Kombination von US-Wetterdienst (NMC) und dem National Center for Atmospheric Research (NCAR) ERA40 durch ECMWF auf Basis der NCEP Datenbasis mittels modernster Analyseschemata, Schwerpunkt auf der Assimilation von Satellitendaten, 6-stündliche Analysen PSD = particle size distribution Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

5 ERA40 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 : Assimilation der neuesten Beobachtungstypen (u.a. TOVS, SSM/I, ERS, ATOVS und CMW) : Konventionelle, nicht-Satellitenbeobachtungen (Synop, COADS, Radiosonden, GATE, FGGE, ALPEX, TOGA-COARE,..) : Assimilation einiger Satellitenbeobachtungen (VTPR, TOVS und CMW). GATE Atlantic Tropical Experiment of the GARP Global Atmospheric Research Program FGGE First Global GARP Experiment ALPEX Alpine Experiment TOGA-COARE TOGA-CORE?? Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

6 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 PSD = particle size distribution Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

7 Eingangsdaten für Analyse am ECMWF
Anzahl der verwendeten Beobachtungen pro Tag Anzahl der verschiedenen Quellen von Satelliten- beobachtungen Peter Bauer, ECMWF Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

8 Vorhersagegüte am ECMWF
Verbesserung um 2 Tage Eliminierung des NH-SH Unterschiedes Verbesserte räumlich/zeitliche Modellauflösung durch verbesserte Computerleistung Verbesserte physikalische Parametrisierungen (diabatisch, Land/Ozean-Atmos. etc.) Vermehrte Nutzung von Satellitenbeobachtungen Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

9 Hintergrund Background
Analyseablauf Operator Hintergrund Background Beobachtungen Observations +Fehler +Fehler + Fehler Assimilations- system Analysis Bayes’ Theorem: + Fehler Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

10 Datenassimilation Analysetechnik, die Beobachtungen in den Modellzustand einfließen läßt - unter Berücksichtigung von physikalischen Zwangsbedingungen - und deren zeitlicher Entwicklung PSD = particle size distribution Besonders geeignet für Reanalysen! Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

11 3D-Var x: 5·106 Kontrollvariable y: 106 Beobachtungen/12h
Variationelles Optimierungsproblem → Schätzung des Atmosphärenzustandes x Lösung optimal im Sinne der kleinsten Quadrate, bzw. wahrscheinlichste Lösung falls Gauß-Verteilung vorliegt x optimaler Zustandsvektor xb Hintergrundfeld B Kovarianz des Hintergrundes y Messungen H Vorwärtsmodell (Umwandlung Modellvariable Messung ) R Fehlerkovarianzmatrix (Messung) J Kostenfunktion Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

12 Kleiner Exkurs: 4D-Var Sehr geeignet für numerische Wettervorhersage, da am Ende des Assimiliationsfensters das Analysefeld „modellkonsistent“ ist (d.h. Informationen werden länger weiterpropagiert) PSD = particle size distribution funktioniert nur bei kleinen Modellfehlern erfordert die arbeitsaufwendige Bestimmng des „adjungierten Operators“ Warten auf Messungen ... allerdings ... Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

13 Zusammenfassung: Die Daten
verlässliche Klimabeobachtungen in Bodennähe und an der Ozeanoberfläche sind seit ca vorhanden auf diesen in Raum und Zeit unvollständigen Datensätzen beruht der beobachtete globale Temperaturtrend regelmäßige Vertikalsondierungen (Abdeckung nur über Land) seit ca 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 PSD = particle size distribution Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

14 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 Seit wann gibt es flächendeckend verlässliche Daten zu Abschätzung des Klimas Klimaskeptiker: Der erste messbare leichte Anstieg erfolgte ca als Langwellensender in Betrieb genommen wurden. Der nächste bereits größere Temperaturanstieg wurde ca nachgewiesen, als Kurzwellensender hinzu kamen. Ein extrem steiler Anstieg wird seit 1950 gemessen der kontinuierlich mit der Einführung neuen Sendetechniken einher geht. Diese globale Temperaturmessungen zeigen, dass parallel zum ansteigenden Funkverkehr die Klimaerwärmung bis heute um 0,7 Grad angestiegen ist. Die aktuelle Situation in Deutschland ist charakterisiert durch ca. 60 Millionen Handys und ca bis Basisstationen. Dazu kommen noch unendlich viele schnurlose DECT-Telefone. Eine Mittelwelle hat ungefähr bis zu 18 Millionen Watt Energie. Ein D 1/D 2-Mast hat maximal 50 Watt, und ein Handy hat 2 Watt. Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

15 IPCC '01 Vorhersagen Global mean sea level is projected to rise by 0.09 to 0.88 metres between 1990 and 2100, for the full range of SRES scenarios. This is due primarily to thermal expansion and loss of mass from glaciers and ice caps (Figure 5e). The range of sea level rise presented in the SAR was 0.13 to 0.94 metres based on the IS92 scenarios. Despite the higher temperature change projections in this assessment, the sea level projections are slightly lower, primarily due to the use of improved models, which give a smaller contribution from glaciers and ice sheets. Seit wann gibt es flächendeckend verlässliche Daten zu Abschätzung des Klimas Klimaskeptiker: Der erste messbare leichte Anstieg erfolgte ca als Langwellensender in Betrieb genommen wurden. Der nächste bereits größere Temperaturanstieg wurde ca nachgewiesen, als Kurzwellensender hinzu kamen. Ein extrem steiler Anstieg wird seit 1950 gemessen der kontinuierlich mit der Einführung neuen Sendetechniken einher geht. Diese globale Temperaturmessungen zeigen, dass parallel zum ansteigenden Funkverkehr die Klimaerwärmung bis heute um 0,7 Grad angestiegen ist. Die aktuelle Situation in Deutschland ist charakterisiert durch ca. 60 Millionen Handys und ca bis Basisstationen. Dazu kommen noch unendlich viele schnurlose DECT-Telefone. Eine Mittelwelle hat ungefähr bis zu 18 Millionen Watt Energie. Ein D 1/D 2-Mast hat maximal 50 Watt, und ein Handy hat 2 Watt. Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

16 Strahlungsbilanz des Klimasystems
Solare Einstrahlung (Jahreszeiten, Breiten, Astronomische Zeitskalen) Langwellige Ausstrahlung Absorptionscharakteristika / Wolken Strahlungsgleichgewicht (N-Plattenmodell) Strahlungsbilanz am Oberrand der Atmosphäre (TOA) SW short wave μm LW longwave μm α planetare Albedo Q Strahlungsflussdichte [Wm-2] skalenunabhängigkeit Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

17 Solare Strahlung R2 R1 A2 A1 Stefan-Boltzmann Gesetz
SS : Schwarzkörperstrahlung der Sonne (T ~ 6000 K); Energie die die Sonne pro m2 und Zeiteinheit in den Weltraum ausstrahlt A1 R2 R1 r1 r2 A2 aktueller Wert So checken, evtl. Diskrepanzen aufzeigen Variationvon So durch Variation der Sonnenaktivität Variation des Abstands Sonne - Erde Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

18 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: ,5 W/m² ,5 kWh m-2 d-1 aktueller Wert So checken, evtl. Diskrepanzen aufzeigen Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

19 Solarkonstante Sonnenfleckenzyklus
Caption: Measurements from six independent space-based radiometers since 1978 (top) have been combined to produce the composite total solar irradiance (TSI) over two decades (bottom). They show that the Sun's output fluctuates during each 11-year sunspot cycle, changing by about 0.1 percent between maxima (1980 and 1990) and minima (1987 and 1997) of solar activity. Temporary dips of up to 0.3 percent and a few days duration are the result of large sunspots passing over the visible hemisphere. The larger number of sunspots near the peak in the 11-year cycle is accompanied by a general rise in magnetic activity that creates an increase in the luminous output that exceeds the cooling effects of sunspots. The data are from the Hickey-Frieden (HF) radiometer of the Earth Radiation Budget (ERB) experiment on the Nimbus-7 spacecraft ( ), the two Active Cavity Radiometer Irradiance Monitors (ACRIM I and II) placed aboard the Solar Maximum Mission satellite (SMM, ) and the Upper Atmosphere Research Satellite (UARS, 1991-), respectively, and the VIRGO radiometers flying on the SOlar and Heliospheric Observatory (SOHO, 1996-). Also shown are the data from the radiometer on the Earth Radiation Budget Satellite (ERBS, 1984-), and SOVA2 as part of the Solar Variability Experiment (SOVA) on the European Retrievable Carrier (EURECA, ). Offsets among the various data sets are the direct result of uncertainties in the absolute radiometer scale of the radiometers (±0.3%). Despite these biases, each data set clearly shows varying radiation levels that track the overall 11-year solar activity cycle. Sonnenfleckenzyklus Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

20 Solarkonstante – zeitliche Entwicklung
Beer et al. 2000 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

21 Variation der solaren Einstrahlung aufgrund elliptischer Planetenbewegung
Mittlere Entfernung Erde-Sonne km (1 AU) Minimum (Perihel 3.1) km Maximum (Aphel 3.7) km Exzentrität der Umlaufbahn 0,0167 S0:  3,5 % entspricht  48 W/m² Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

22 Strahlungsenergie am Atmosphärenoberrand
Verfügbarkeit als Funktion der geographischen Position und des Tages im Jahr: Z Sonnenaufgang/-untergang h=H → Z = π/2 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 Äquatorebene φ geographische Breite h Stundenwinkel vom lokalen Meridian Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

23 Verfügbare Strahlungsenerggie über einen Tag
Integration über einen Tag von Sonnenauf- bis -untergang Funktion des Tages im Jahr (-23,5°    +23,5°) h=0 Sonnenhöchststand Veränderung von h mit ~15° pro Stunde Λ Umlaufwinkel um die Sonne ε Neigung der Erdachse zur Ekliptik (jugoslawischer Geophysiker Milankovitsch in den 30er Jahren) Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

24 Mittlere tägliche Einstrahlung TOA
δ, φ, r bestimmt für jeden Punkt Integration von S über eine Tageslänge (Variable h) → Sd Tagesumme der auf eine horizontale Fläche am Atmosphärenoberrand einfallenden Strahlung in 106 J m-2 Vorsicht, Q nicht gleich Q der vorherigen Folien Peixoto and Oort, 1992 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

25 nur so "unsere" Jahreszeiten!
Solare Einstrahlung Abhängigkeit von Sd von der Neigung zur Ekliptik ε ε = 23,5° ε = 0° nur so "unsere" Jahreszeiten! Mittlere jährliche Einstrahlung (global-gemittelt) Stot bleibt jedoch konstant: ε = 45° ε = 90° Stot Integration über r(t), Λ(t), φ: e Exzentrizität der Erdumlaufbahn ~340 W/m2 Hense (1993/94) Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007