Allgemeine atmosphärische Zirkulation und Klima

Präsentation zum Thema: "Allgemeine atmosphärische Zirkulation und Klima"—  Präsentation transkript:

1 Allgemeine atmosphärische Zirkulation und Klima
Das Klimasystem und seine Modellierung ( ) – André Paul

2 Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre (AZA)
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)

3 Einfachst denkbare Zirkulation zwischen den heißen äquatorialen und den kalten polaren Gebieten [Abb aus Kraus (2004)].

4 Hypothetische Ein-Zellen-Struktur auf der Kugeloberfläche

5 Beobachtetes Druckfeld und Windfeld an der Erdoberfläche [Abb. 5
Beobachtetes Druckfeld und Windfeld an der Erdoberfläche [Abb. 5.4a aus Kraus (2004)].

6 Wie enstehen die Passate?
fünfminütige Bearbeitung in Nachbarschafts-gruppen

7 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”

8 Druck- und Windgürtel auf einer wasserbedeckten Erde
[Abb aus Kraus (2004)].

9 Drei-Zellen-Struktur der mittleren meridionalen Zirkulation
Drei-Zellen-Struktur der mittleren meridionalen Zirkulation. Dick ausgezogen: Tropopause mit Tropopausensprung in den Subtropen. Die Mittlebreitenzelle wird auch Ferrel-Zelle genannt [Abb aus Kraus (2004)].

10 Literatur Dietrich et al., Kapitel 4 Hartmann (1994), Kapitel 7
Kraus (2004), Kapitel 21 Stocker (2004), Abschnitte 7.1

11 Der große Kommunikator
Die allgemeine atmosphärische Zirkulation 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

12 Anteil der Windzonen am Weltmeer [Tab. 4.03, Dietrich et al. 1975]
Charaketeristika des Windes Fläche des Weltmeeres (%) Äquat. Kalmen schwachwindig, unbeständig 7 Passat stark, beständig 31 Monsun stark, beständig, jahreszeitlicher Richtungswechsel 8 Rossbreiten 20 Westwind stark, unbeständig 24 Polarer Ostwind 10

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

14 Gebiete mit tropischen Orkanen
[Abb4.15 aus Dietrich et al. (1975)]

15 Mittlere jährliche Anzahl von Orkanen (nach Gentilli, 1967)
[Tab aus Dietrich et al. (1975)] Seegebiet Anzahl/Jahr Ostasiatische Gewässer 21 Golf von Bengalen 10 Südindischer Ozean 7 Südlicher Nordatlantischer Ozean Südwestpazifischer Ozean 6 Nordwestaustralischer Ozean 2 Arabisches Meer Kalifornische Gewässer 1

16 Der große Kommunikator
Die allgemeine atmosphärische Zirkulation reagiert empfindlich auf Änderungen der Temperatur- und Feuchtegradienten wird verursacht durch die unterschiedliche Erwärmung der Erdoberfläche durch meridionale Gradienten in der Sonneneinstrahlung Schwankungen der Albedo

17 Energiehaushalt der Atmosphäre
Zeitliche Änderungsrate des Energieinhalts einer atmosphärischen Säule Erwärmung durch Strahlung Erwärmung durch Freiwerden der latenten Wärme beim Ausregnen der atmosphärischen Feuchte Fluss fühlbarer Wärme von der Erdoberfläche Divergenz des atmosphärischen Energietransports

18 Energiehaushalt der Atmosphäre
Strahlungsbilanz am Außenrand der Atmosphäre Strahlungsbilanz an der Erdoberfläche

19 Zur Erinnerung Wärmegewinn aus dem Strahlungsumsatz durch Einstrahlung und Ausstrahlung: Sonnenstrahlung reflektierte Sonnenstrahlung atmosphärische Gegenstrahlung Ausstrahlung

20 Zur Erinnerung mit as: Oberflächenalbedo

21 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)

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

23 Allgemeine atmosphärischen Zirkulation: Schlüssel zum Verständnis
Angetrieben durch meridionale Gradienten in der Sonneneinstrahlung zwischen dem Äquator und den Polen. Transportiert Wärme in hohe Breiten. Hadley-Zelle: warme Luft steigt auf und strömt zu den Polen Ferrel-Zelle (in mittleren Breiten): angetrieben durch Wärme- und Impulstransporte der “Eddies” Coriolis-Kraft: Auf der Nordhalbkugel wird ein Fluid (Luft oder Wasser) nach rechts, auf der Südhalbkugel nach links abgelenkt Eine einzige Zelle vom Äquator bis zum Pol ist in Gegenwart der Corioliskraft instabil Rotation führt zu Passaten, Westwinden und den Strahlströmen (“Jets”) in der oberen Troposphäre

24 Zur Erinnerung:Jahresgang der oberflächennahen Lufttemperatur
Großer Temperaturkontrast in hohen Breiten Besonders groß über dem Land – warum? Abbildungen von Martin Visbeck

25 Allgemeine atmosphärischen Zirkulation: Großskaliger Energietransport
Zirkulation eines nichtrotierenden Planeten. Welche Auswirkungen hätte die Coriolis-Kraft?

26 Allgemeine atmosphärischen Zirkulation: Großskaliges Windsystem
eines langsam rotierenden Planeten.

27 Allgemeine atmosphärische Zirkulation: Großskaliges Windsystem
Eine Drei- Zellen- Struktur entsteht: Polare Zelle Ferrel-Zelle (in mittleren Breiten) Hadley-Zelle

28 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)].

29 Allgemeine atmosphärische Zirkulation: Oberflächenwind und -luftdruck
Warum gibt es in den Rossbreiten (auf einer geographischen Breite von ~30°) ein Hoch?

30 Die tropische Zirkulation
Konvektion in der ITCZ Tiefdruckgebiet Sinken nahe 30°N/S Hochdruckgebiet

31 Allgemeine atmosphärische Zirkulation: Oberflächenwind und -luftdruck
Warum gibt im Bereich der Polarfront (auf einer geographischen Breite von ~60°) ein Tief?

32 Allgemeine atmosphärische Zirkulation: Oberflächenwind und -luftdruck
Polarer Ostwind Westwind Passat Oberflächenluftdruck ITCZ (Tief) Subtropisches Hoch Subpolares Tief

33 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)].

34 Oberflächenluftdruck
Nordwinter (Januar) Hoch über dem Land Tief über dem Ozean [Abb. 5.4a aus Kraus (2004)]

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

36 Oberflächenluftdruck
Nordsommer (Juli) Hoch über dem Ozean Tief über dem Land [Abb. 5.4b aus Kraus (2004)]

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

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

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

40 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)].

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

42 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)].

43 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)].

44 Allgemeine atmosphärische Zirkulation: und Energietransport
Differentielle Erwärmung des Systems Erde-Atmosphäre

45 Allgemeine atmosphärische Zirkulation: Energietransport
Hadley cell Ferrel cell Polar cell Mittlere meridionale Zirkulation Zwei thermisch direkte Zellen: Hadley-Zelle, Polare Zelle Eine thermisch indirekte Zelle: Ferrel-Zelle (Tiefdruckgebiete)

46 Polwärtiger Wärmetransport durch Wettersysteme

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

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

49 Ungefährer Bereich der Skalen, der von einem Klimamodell erfasst werden kann
Raum- und Zeitskalen atmosphärischer Phänomene [Abb. 6.2 aus Hartmann (1994)].

50 Allgemeine atmosphärische Zirkulation: Klimazonen

51 Allgemeine atmosphärischen Zirkulation: Schlüssel zum Verständnis
Angetrieben durch meridionale Gradienten in der Sonneneinstrahlung zwischen dem Äquator und den Polen. Transportiert Wärme in hohe Breiten. Hadley-Zelle: warme Luft steigt auf und strömt zu den Polen Ferrel-Zelle (in mittleren Breiten): angetrieben durch Wärme- und Impulstransporte der “Eddies” Coriolis-Kraft: Auf der Nordhalbkugel wird ein Fluid (Luft oder Wasser) nach rechts, auf der Südhalbkugel nach links abgelenkt Eine einzige Zelle vom Äquator bis zum Pol ist in Gegenwart der Corioliskraft instabil Rotation führt zu Passaten, Westwinden und den Strahlströmen (“Jets”) in der oberen Troposphäre