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12. Oktober 2012 METSWN : Strahlung, Wolken, Niederschlag 5 Pflichtmodule METPHATPhysik der Atmosphäre METSWNStrahlung, Wolken, Niederschlag METKLIMPhys.

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1 12. Oktober 2012 METSWN : Strahlung, Wolken, Niederschlag 5 Pflichtmodule METPHATPhysik der Atmosphäre METSWNStrahlung, Wolken, Niederschlag METKLIMPhys. Klimatologie METDYNDynamik der Atmosphäre METFPRFortgeschrittenenpraktikum 1 Master Physik der Erde und der Atmosphäre METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

2 12. Oktober 2012 Physikalische Meteorologie Die Physikalische Meteorologie versteht sich als Teilgebiet der Meteorologie, welches die physikalischen Prozesse der Atmosphäre wie Wolkenphysik Strahlung optische Phänomene Ausbreitung von elektro- magnetischen Wellen Austauschprozesse der Atmosphäre mit der Land- oder Meeresoberfläche untersucht. METSWN METGRCHEM 2 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

3 12. Oktober Wolkenphysik und Niederschlag Relevanz: Wechselwirkungen von Wolken mit Strahlung stellen die größte Unsicherheit in heutigen Klimamodellen dar Niederschlag hat große sozio- ökonomische Einflüsse Forschung: HD(CP) 2 : High Definition Clouds and Precipitation for Climate Prediction EUCLIPSE - European Union Cloud Intercomparison, Process Study & Evaluation Project EUCLIPSE Precipitation Measurement Missions (NASA): TRMM, GPM Precipitation Measurement Missions METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

4 12. Oktober Strahlung Relevanz: Antrieb für atmosphärische Zirkulation Wechselwirkungen von Wolken mit Strahlung stellen die größte Unsicherheit in heutigen Klimamodellen dar sub-skalige Effekte 3D Strahlungseffekte Strahlungsmodule stellen den rechnerisch aufwändigsten Teil von Vorhersagemodellen dar Forschung: Fernerkundungssensoren ermöglichen neuen Einblick in Atmosphäre globale Strahlungsbilanz Strahlungswechselwirkungen: Charakteristika des spektralen Absorptions- und Streuverhaltens von Gasen, Aerosolen und Hydrometeoren sind ungenügend bekannt METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

5 12. Oktober Dozenten: Susanne Crewell (Raum 325, Ulrich Löhnert (Raum 308, Emiliano Orlandi (Raum 328, Max Maahn (Raum 305, 6 ECTS Punkte entsprechend 180 Stunden Arbeitszeit Freitags, 9 – 13 Uhr Vorlesung Raum 324, Übung Raum 324 oder 304 Übungszettel Abgabe jeweils bis Donnerstag 12:00 Computerübungen zu - Größenverteilungen - Strahlungstransport - Heizraten Projektarbeit und abschließende Vorträge zu Themen, die Wolken und Strahlung verbinden Organisatorisches METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

6 12. Oktober Organisatorisches 112. OktoberEinführung + Thermodynamik (UL) 219. OktoberTropfennukleation 32. NovemberDiffusionswachstum 49. NovemberKoagulationswachstum 516. NovemberEisbildung und –wachstum 623. NovemberNiederschlag und Gewitter 730. NovemberMessung und Modellierung 87. DezemberStrahlung – Grundlagen 914. DezemberReflektion / Thermische Emission DezemberTransmission / Gasabsorption JanuarErwärmungsraten JanuarStrahlungstransport und Präsentation Projekte JanuarStreuung und Präsentation Projekte JanuarErsatztermin METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

7 12. Oktober Literatur (Wolken) Rogers, R. R. & M. K. Yau, 1989: "A short course in cloud physics", 3rd Edition, Butterworth-Heinemann, Int. Series in Nat. Philosophy, Vol Pruppacher, H. R. und J. D. Klett, 1997: Microphysics of cloud and precipitation Atmospheric and Oceanographic Science Libary, Vol. 18, Kluwer Academic Publishers, Houze, R. A., 1993: Cloud Dynamics, Int. Geophys. Series, 53. Young, K. C., 1993: Microphysical Processes in Clouds. PROMET: - Wolkenphysik und Wolkendynamik I und II (1993) - Fernmessung von Wasserdampf und Wolken I (2011) $71.95 $ $66.32 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

8 12. Oktober Literatur (Strahlung) Petty, G., 2006: A first course in Atmospheric Radiation, 2nd Edition, Sundog Publishing, 458 S., $ 36,- Bohren, Craig F., und Eugene Clothiaux, 2006: Fundamentals of Atmospheric Radiation: An Introduction with 400 Problems, Wiley-VCH, 1st edition, 490 Seiten. Liou, K.-N.,1992: An Introduction to Atmospheric Radiation, Volume 84, Second Edition Liou, K.-N.,1992: Radiation and cloud processes in the atmosphere. Oxford Univ. Press, Oxford, 487 S.,. Goody, R.M. and Y.L. Young, 1995: Atmospheric Radiation. Oxford Univ. Press., 2nd Edition, 544 Seiten METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

9 12. Oktober Wolkenphysik: Gliederung I.Einführung - Bedeutung und Definition von Wolken - Beobachtungen von Wolkenparametern - Größenverteilungen von Wolkenpartikeln - Thermodynamik II.Wasserwolken - Bildung & Wachstum von Wolkentropfen - Wachstum von Tropfenpopulationen III.Eiswolken - Nukleation - Wachstum von Eiskristallen IV.Niederschlag - warmer und kalter Niederschlag - Radarmeteorologie V.Messung von Wolkenparametern VI.Modellierung von Wolken - spektrale Modelle - Wolkenparameterisierungen in NWP und Klimamodellen METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

10 12. Oktober Relevante Forschungsrichtungen visuelle Wolkenbeobachtung rein deskriptiv, Problem der Quantifizierung Karlsruher Wolkenatlas Wolkenmikrophysik Bildung von Wolken- und Niederschlagspartikeln, Phasenumwandlungen Wolkenoptik und Radarmeteorologie Wechselwirkung mit elektromagnetischer Strahlung Wolkendynamik Makrophysikalische Wolkenprozesse Wolkenelektrizität Elektr. Prozesse Wichtig für die Entstehung von Gewittern Chemie der Atmosphäre Polare stratosphärische Wolken, Entfernung von Schadstoffen METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

11 12. Oktober Einige Fragen der Wolkenphysik Wie können wir Wolken klassifizieren? - Früher Klassifikation nach Erscheinungsbild - Heute moderne Fernerkundungsverfahren Welche Mechanismen kontrollieren die Entstehung von Wolken? - Bedeutung von Aerosoleigenschaften - Welche Rolle spielt die Wolkenchemie (Schadstoffe)? Wie entsteht Niederschlag (in seinen verschiedenen Formen)? Wie können wir die zeitliche und räumliche Entwicklung von Wolken und Niederschlag voraussagen? - Einsetzen von Niederschlag - unterkühltes Wasser - Kann das Auftreten von Blitzen zur Niederschlagsvorhersage genutzt werden? METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

12 12. Oktober Wolken sind extrem komplex! Von Hydrometeoren über Einzelwolken und Wolkenfelder zum globalen System METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

13 12. Oktober Skalenproblem Wechselwirkung der unterschiedlichen Skalen, die bis zu 14 Größen- ordnungen umfassen, komplizieren exakte Beschreibung 0.1 m 1.0 m 100 mm 10 mm 1.0 mm 100 m 1.0 m 1.0 km 100 m 10 m 100 km 10 km Aerosole Wolkentropfen Regentropfen Eiskristalle Schnee Mikrophysikalische Wolkenmodelle (1D) Operationelle Wettervorhersagemo- delle der Mesoskala (3D) Klimamodelle (3D) TurbulenzCumulusStratus METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

14 12. Oktober Woraus bestehen Wolken? Wolken bestehen aus schwebendenen Partikeln unterschiedlicher Größe Form Zusammensetzung © M. Quante METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

15 12. Oktober Hydrometeore Allgemein: Verschiedene Kategorien von Wolken- und Niederschlagsteilchen z.B. Wolkentropfen, Eiskristalle, Hagel, Graupel, Schnee, Regen WMO 1975: Hydrometeore sind Ansammlungen von flüssigen oder gefrorenen Wasserteilchen, die in der Luft schweben oder fallen, durch den Wind von der Oberfläche aufgewirbelt sind, oder sich an Gegenständen am Boden bzw. in der Luft ansetzen. WMO 1990: Vier Arten atmosphärischer Meteore: - Hydrometeore - Lithometeore (Dunst, Staub, Sand, Rauch,..) - Photometeore (Halos, Regenboden, Glorien,..) - Elektrometeore (Blitz, Donner) Häckel 1999:... Wolken haben eine ausgeprägte Dynamik, während sie sich auf der einen Seite ständig neu bilden, lösen sie sich auf der anderen Seite wieder auf. Eine Wolke ist also kein Gegenstand sondern ein Zustand... METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

16 12. Oktober Mikrophysikalische Wolkenparameter Wolken sind sichtbare, in der Luft schwebende Ansammlung von Kondensationsprodukten des Wasserdampfs (Hydrometeoren), d.h. von kleinen Wassertropfen ( ~10 m), Eiskristallen oder beiden gemeinsam Größe der Hydrometeore Ensemble der Partikel wird mit der Tropfengrößenverteilung N(D) [m -4 ] beschrieben Form - Flüssigwasserwolken haben kugelförmige Tropfen (Radius) - Niederschlagsteilchen näherungsweise Ellipsoide (Radius, Aspektverhältnis) - Eisteilchen können als Platten, Säulen, Dendriten, usw.... auftreten - Partikel in Mischphase können sehr komplexe Form annehmen Phase - flüssiges Wasser, Eis, Mischphase Chemische Zusammensetzung METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

17 12. Oktober Tropfengrößen Fragen: - Wieviele Wolkentropfen machen einen Regentropfen? - Welche Radius- bzw. Massenwachstumsgeschwindigkeit muss herrschen, damit aus einem Wolkentropfen in 20 min ein Regentropfen entsteht? D - Durchmesser n - Tropfenkonzentration METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

18 12. Oktober Typische Werte von Tropfengrößen Durchmesser [μm] Konzentration [liter -1 ] Fallgeschwindig- keit [cm s -1 ] Kondensationskern Wolkentropfen großer Wolkentropfen Regentropfen Hagelkorn< METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

19 12. Oktober Tropfengrößenverteilung Flugzeugmessungen mittels FSSP Forward scattering spectrometer probe idealisierte Verteilungen (hier für Stratus) a = 83.1 cm -3 μm b = 2.43 μm -1 α = 6.1 γ = 1 N(r): Anzahl an Tropfen pro Volumen und Radiuseinheit METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

20 12. Oktober Momente des Tropfenspektrums N 0. Moment Tropfenkonzentration LWC3. Moment Flüssigwassergehalt R~3.5 Moment Niederschlagsrate (Massenfluss) z6. Moment Radarreflektivitätsfaktor Frage: Welche Werte haben N, LWC und z für das idealisierte Tropfenspektrum für Stratus? METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

21 12. Oktober Eiswolken Miloshevich et al. [2001] METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

22 12. Oktober Einschub: Wiederholung Thermodynamik... METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

23 12. Oktober Wolkenbeobachtungen – Satellit International Satellite Cloud Climatology Product (ISCCP) METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

24 12. Oktober Globale Wolkenbeobachtungen Wolkenbedeckungsgrad ist global ca. 60 % NASA METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

25 12. Oktober Wolkenbeobachtungen vom Boden Kombination verschiedener Messsysteme (Radar, Lidar, Mikrowelle) und Modellvorhersagen Lindenberg, 12. August METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

26 12. Oktober Von der Realität zur Modellierung von Wolken in der Wettervorhersage Wolken- und Niederschlagsparameter haben niedrigste Vorhersagequalität Mikrophysik zu komplex für exakte Lösungen Räumliche Skala ist klein gegenüber der Auflösung von Wettervorher- sagemodellen (Δx ~ 1-10 km) Parametrisierungen notwendig Beobachtung von Wolkenparametern stellt ein komplexes Problem dar Datenassimilation von Wolken und Niederschlag stehen erst am Anfang METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

27 12. Oktober Bedeutung von Wolken im Klimasystem Obwohl nur ca. 1 % des Wassers in der Atmosphäre in Form von Wolken existiert sind Wolken sind extrem wirkungsvolle Strahlungsregulatoren Wolken immer Ausgangspunkt für Niederschlag Komplexe Rückkopplungseffekte mehr Schneefall Erhöhung der Bodenalbedo Reduktion der Absorption solarer Strahlung mehr Niederschlag mehr Vegetationswachstum dunklere Boden höhere Absorption Wichtige Komponente in Wasser- und Energiekreislauf der Erde METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

28 12. Oktober 2012 Planetare Albedo Absorption Transmission Streuung Reflektion 28 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

29 12. Oktober Strahlungseffekte von Wolken: quantitativ Im kurzwelligen Spektralbereich kühlen Wolken das Klimasystem durch ihre hohe Reflektion solarer Strahlung Albedoeffekt Im langwelligen Spektralbereich tragen Wolken zum Treibhauseffekt bei, da sie weniger thermische Energie in den Weltraum abstrahlen als die Erdoberfläche. Im globalen Mittel kühlen Wolken die Atmosphäre um ca. 20 Wm -2 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

30 12. Oktober Strahlungsbilanz der Erde/Atmosphäre KIEHL J., and K. TRENBERTH, 1997: Earth´s annual global mean budget. Bull. Am. Met. Soc., 78, Strahlung beeinflusst Wetter und Klima wirksamer je länger die Zeitskala selbst auf der kleinen Skala (Initiierung von Konvektion, Tau Bildung...) METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 Atmosphäre verliert im Mittel ~100 Wm -2 (Strahlungsdefizit) größtenteils balanciert durch Fluss latenter Wärme atmosphärische Verluste sind Maß für den globalen Wasserkreislauf

31 12. Oktober Wasserkreislauf E -Verdunstung [kg m -2 s -1 ] P - Niederschlag [kg m -2 s -1 ] Wasser - die Schlüsselkomponente des Klimasystems Wasser verknüpft physikalische, biologische und sozio-ökonomische Systeme physikalische Besonderheiten - drei Phasen (Eis, Wasser, Wasserdampf) - fünf Kompartimente Zeitliche und räumliche Änderungen der Austauschprozesse Global: P - E = 0 Niederschlag Verdunstung Abfluss Wind Transporte Eis Bodenfeuchte Biosphäre Speicherung METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

32 12. Oktober Energiekreislauf B Q S - Q L - H - LE - B = 0 QSQS LE H QLQL Q S -Nettostrahlung solar [W m -2 ] Q L -Nettostrahlung terrestrisch [W m -2 ] H - Fluss fühlbarer Wärme [W m -2 ] LE -Fluss latenter Wärme [W m -2 ] B -Bodenwärmestrom [W m -2 ] Energieumsatz bei Phasenübergängen Kopplung von Wasser- und Energiekreislauf Wolken wirken auf großräumige atmosphärische Dynamik durch Transport latenter Wärme (meridionaler Gradient) wichtige Komponente in Hadley- und Monsun- Zirkulation Vertikaltransporte in konvektiven Wolken Kumuluskonvektion (Wasserdampf als Treibstoff, Wolken als Motor) Eis/Schnee bewirken starke Erhöhung der Albedo METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

33 12. Oktober Kopplung Energie- und Wasserkreislauf E - Verdunstung [kg m -2 s -1 ] w - Dichte von Wasser (10 3 kg m -3 ) L- Verdunstungswärme (~2.5 ·10 6 J kg -1 ) LE - Fluss latenter Wärme [W m -2 ] LE = L · E Globales Mittel : - 32 Milligramm pro Quadratmeter und Sekunde - entsprechend 80 Watt pro Quadratmeter - entsprechend 1000 mm pro Jahr - entsprechend 10 7 Kubikmeter pro Sekunde Golfstrom transportiert bis zu 150 Sverdrup= 150·10 6 km 3 s -1 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

34 12. Oktober N S Atmospheric Model Intercomparison (AMIP), Gates et. al Geographische Breite LWP / kg m -2 Vergleich von 14 Klimamodellen: Vertikal integrierter Wolkenwassergehalt Modellierung von Wolken im Klimasystem Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC)...the most urgent scientific problems requiring attention to determine the rate and magnitude of climate change and sea level rise are the factors controlling the distribution of clouds and their radiative characteristics... METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

35 12. Oktober Sensitivität des Klimasystems CO 2 Verdopplung bewirkt ca. 3-5 W m -2 Wirkung von Wolken auf den Strahlungshaushalt der Troposphäre bei CO 2 Verdopplung IPCC 2001, Seite 430 nach LeTreut und McAveny, 2000 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

36 12. Oktober 2012 IPCC, 4th assessment METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

37 12. Oktober Zahlenspiele: Flüssigwasserwolke Wieviel Energie hat eine Wolke? Flüssigwassergehalt (LWC) = 0.5 g m -3 Horizontale/Vertikale Erstreckung 5000 m/4000 m Wassergehalt = kg = t Kondensationsenergie = 5·10 7 kg · 2.5 ·10 6 J kg -1 = 1.25 ·10 13 J Vergleich: 1) Badewanne hat 2 m 3 = 2 Tonnen Füllungen 2) Nagasaki Bombe (22 kT TNT; 1 kT TNT = 4.2 ·10 12 J ) 9.4 ·10 13 J Energie in der Flüssigphase der Wolke entspricht in etwa einer Nagasaki Bombe METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

38 12. Oktober Zahlenspiele: Flüssigwasserwolke Schönwetter-Cumulus Kumuluswolke entsteht durch Warmluftblase am Lifting Condensation Level Halbkugel mit Durchmesser 1 km Flüssigwassergehalt (LWC) = 1 g m -3 Volumen = 2.62 ·10 8 m 3 Wasservolumen = 250 m 3 Bodenfläche von der das Wasser verdunstet: m 3 Wassersäule von 0.3 mm muss verdunstet werden Frage: Angenommen die Wolke ist in 900 hPa, 10 Grad warm, und hat 100% relative Feuchte, wie ist das Verhältnis von Wasserdampf zu Wolkenwasser? METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13


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