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14. November 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 1  Was sind die Milankovitch-Zyklen? Wie unterschied sich die solare Ein-

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1 14. November 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/  Was sind die Milankovitch-Zyklen? Wie unterschied sich die solare Ein- strahlung vor 115 kyr zu Beginn der letzten Eiszeit (Glazial) von heute?  Wie sieht die globale Strahlungsbilanz als - Funktion der geographischen Breite aus? - Funktion der Höhe aus?  Was ist das Strahlungs-Konvektions- gleichgewicht?  Wie war die erste Klima-Vorhersage von Manabe und Wetherald, 1967? Wiederholung 5. Stunde

2 14. November 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Solare Variation Ergebnisse Nairobi Konferenz

3 14. November 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Manabe and Wetherald, 1967  300 ppm typischer Wert um 1960  Verdopplung des CO 2 -Gehaltes bedeutet eine Erhöhung der Bodentemperatur um 1.4 bis 3.0 K, je nach Behandlung des Wasserdampfes 1.) Festhalten der absoluten Feuchte ρ w 2.) Festhalten der relativen Feuchte RH CO 2 Änderungkonstante RHkonstante ρ w 300 auf K-1K 300 auf K+1.4 K positive Wasserdampfrückkopplung wesentliche Rolle des Wasserdampfes! Erste Vorhersagen zum Einfluss von CO 2

4 14. November 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Vertikal gemittelte, aber horizontal variable Energiebilanz des Klimasystems Gesamtenergietransport durch die beweglichen Komponenten des Klimasystems, aufteilbar in mittlere Strömung und turbulente Eddies („Wetter“  synoptische Eddies in Atmosphäre und Ozean) Betrachtung von langjährigen Jahresmitteln: vertikal und langjährig gemittelte Energiehaushaltsgleichung des Klimasystems Atmosphäre Ozean EisBoden e d Energiedichte im Gesamtklimasystem (Jm -2 ] H E horizontaler, 2-dim. Transport vonm e d Horizontale Energietransporte

5 14. November 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Räumliche Verteilung der Strahlungsbilanzkomponenten Netto thermische Ausstrahlung

6 14. November 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 Quelle: Hartmann, D. L., Global Physical Climatology, ISCCP Räumliche Verteilung der Strahlungsbilanzkomponenten Transporte zur Umverteilung!

7 14. November 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ MODIS Klimatologie

8 14. November 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Kontraste in zonaler Richtung Saharaanomalie  hohe Bodenalbedo (Sand) → relatives Minimum der solaren Einstrahlung  hohe Temperaturen, hohe Trockenheit: solare Energie kann nicht zur Verdunstung von Wasser eingesetzt werden (Bowenverhältnis LE/H < 1) → hohe thermische Ausstrahlung negative Strahlungsbilanz  positive Anomalien über tropischen Kontinenten und indonesischem Archipel (geringe thermische Ausstrahlung in Folge hoher Wolken)  negative Anomalien über ozeanischen Auftriebsgebieten (hohe Reflektion durch niedrige Stratusbewölkung)

9 14. November 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Zonal gemittelte Strahlungsgleichgewichtstemperaturen  T E : meridionaler Temperaturgradient von 100 K zwischen Pol-Äquator  T S & T Boden : nur 50K Unterschiede müssen auf horizontale (vor allem meridionale) Energietransporte zurückzuführen sein Analogie zum 1-dim. vertikal aufgelöstem Fall horz.&vert. gemittelt: energetische Überschüsse Tropen/Subtropen Bodennähe T E berechnete Strahlungsgleichgewichttemperatur T S gemessene Strahlungstemperatur

10 14. November 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Bestimmung von H E aus der Strahlungsbilanz Helmholtztheorem: Geschwindigkeits- potenzial (divergenter Anteil) Stromfunktion (rotationeller Anteil) einsetzen in: Poissongleichung: Lösung in Kugelgeometrie durch Dar- stellung mit Kugelfunktionen Energietransport S N Strahlungsbilanz > 0 SN Strahlungsbilanz < 0

11 14. November 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Globale Verteilung von χ und H E,D aus ISCCP χ Potentialfunktion farbig (W) H E,D divergenter Energie- transportvektor Pfeile (W/m)  maximale Transporte ca. 2·10 8 Wm -1 (vertikal-integrierte Energieflussdichte)  über den „0-Strahlungs- bilanz-Breitengrad“ werden ca. 6·10 15 W transportiert

12 14. November 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Zonal gemittelter Energietransport (nordwärts) Peixoto and Oort, 1992 SH NH Quellregion max. TransporteSenke

13 14. November 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ ISCCP - Senken: 1.) Sahara-Region 2.) Amazonas-Gebiet Quellen: Tropen/Subtropen (v.a. Indonesischer Raum) Energietransport: Zonale Asymmetrien

14 14. November 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Erstellung eines zusammenfassenden Bildes der notwendigen vertikalen und horizonalen Transporte 2D-Betrachtung (vertikal gemittelt)  Tropen als Quellregion der Energietransporte  mittlere Breiten (Strahlungsbilanz ~ 0) als Transportregion  polare/subpolare Breiten als Senkregionen der Energietransporte vertikale Betrachtung (horizontal gemittelt)  Boden (=Ozean, Eis, Biosphäre, feste Erde) als Quellregion  Troposphäre als Senkregion  Stratosphäre im Strahlungsgleichgewicht (nur geringe Vertikaltransporte) aufgrund hohem Bowenverhältnis (LE/H ~ 5) → tropische Ozeane als (überwiegende) Quelle der Energietransporte Das energetische Bild des irdischen Klimasystems

15 14. November 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Das energetische Bild des irdischen Klimasystems Konsequenzen der Verdunstung über den tropischen Ozeanen 1.) durch Kondensation des Wasserdampfes wird latenter Wärme wieder frei und erhöht die Energie der Atmosphäre (Auffüllung der Senke) 2.) ständige Verdunstung bedeutet eine Salzquelle für den Ozean → diese muss auch durch einen Transportprozess mit noch zu definierenden Salzsenken verbunden werden (Gesamtsalzgehalt der Ozeane konstant); daraus muss ein ozeanischer Energietransport resultieren Gesamttransport von Energie erfolgt durch Atmosphäre und Ozean

16 14. November 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Nord(südwärts)-vertikal gerichteter Gesamttransport dazu Betrachtung der Energiehaushaltsgleichung (in p-Koordinaten) mit e = cp+T + Lq [J/kg] für die Atmosphäre: Mittelung in zonaler Richtung: ergibt: λ geogr. Breite ϕ geogr. Länge R e Erdradius φ Geopotenzial mit den zonal gemittelten merifionalen bzw. vertikalen Energietransporten in der Atmosphäre

17 14. November 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ langjähr. Mittel: folgt: Definition einer Transportfunktion ψ e, s.d. Gleichung links indentisch erfüllt:  Bestimmungsgleichung für ψ e (Transportstromfunktion) stellt eine Poissongleichung in der ( ϕ,p) - Ebene dar  Man erhält ψ e ( ϕ,p), welche aus Messungen von Q, H und LE bestimmbar ist SPNP Nord(südwärts)-vertikal gerichteter Gesamttransport P [db]

18 14. November 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/  zwischen 30 N und 30 S: großer Energietransport zum Boden → etwa die Hälfte der energie geht in den Boden (Ozeane)  in Subtropen und mittleren Breiten weisen Stromlinien nordwärts dabei wird langwellige Energie abgegeben SPNP Nord(südwärts)-vertikal gerichteter Gesamttransport

19 14. November 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Transportmechanismen in der Atmosphäre  vertikaler Transport: Konvektionsmechanismus bei instabiler Schichtung (Verfrachtung von überschüssiger Energie an der Grenzfläche Atmosphäre/Untergrund in die Defizitregion Troposhäre)  kein erkennbares Analogon für die horizontalen Transporte, vielmehr gibt es eine Reihe von Prozessen die für die Transporte verantwortlich sind (ableitbar aus Beobachtungen) Ruddman, 2000

20 14. November 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Horizontale Transportmechanismen I Mittlere Meridionalzirkulation (Hadley Zellen)  Wasserdampfkondensation in den Tropen/Subtropen führt zu einem ständigen Aufheizen der Atmosphäre → mittlere Aufwärtsbewegung  aus Massenerhaltungsgründen muss Luft aus den weiter nördlich/südlich gelegenen Gebieten nachgeführt werden (Passatwinde)  Gleichzeitiges polwärtsgerichtetes Ausströmen mit Ausbildung des Subtropenhochs („Azorenhochs“) bei ca. 30° Breite nicht nur Massentransport, sondern Transport von innerer, latenter und potentieller Energie ↓ wesentlicher Transportmechanismus in den Tropen/Subtropen

21 14. November 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Horizontale Transportmechanismen II Atmosphärische Wellen der mittleren Breiten (Transport durch sich neu bildende Hoch/Tiefdruckgebiete)  positive (nordwärtsgerichtete) Geschwindigkeiten fallen zusammen mit positiven Temperaturabweichungen  negative (südwärtsgerichtete) Geschwindigkeiten fallen zusammen mit negativen Temperaturabweichungen  Produkt aus Geschwindigkeitsabweichung und Temperaturabweichung immer positiv: Transport von innerer Energie nach Norden  entsprechendes gilt für latente und potentielle Energie Wellen selber initiiert durch den Energieunterschied zwischen mittleren Breiten und Subtropen (barokline Instabilität) ↓ wesentlicher Transportmechanismus in mittleren Breiten

22 14. November 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Transportmechanismen im Ozean  Gesamtsalzgehalt der Ozeane konstant ständige Verdunstung in den Tropen/Subtropen → Salzquelle für Ozean → durch einen Transportprozesse mit Salzsenken verbunden ozeanischer Energietransport  Transport von latenter Energie führt in den mittleren Breiten zu verstärktem Freisetzen von latenter Wärme und damit auch zur Niederschlagsbildung, welcher dem Ozean zu Gute kommt (direkt/“run-off“) → Senke für Salzgehalt  das Bowenverhältnis (LE/H) ist endlich groß → zu einem geringeren Teil wird auch der Ozean von der solaren Einstrahlung erwärmt, d.h. Transport von innerer Energie aus den Tropen heraus Transportmechanism: ozeanische „Wetterwirbel“ analog der atmosphärischen -Antarktischer Ringstrom (Zirkumspolarstrom) -Westliche Randströme (Golfstrom, Kurushio) Transport von warmem, salzreichem Wasser aus den Tropen heraus

23 14. November 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Transportmechanismen Ozean/Atmosphäre im Vergleich

24 14. November 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ > 0 < 0 Äquator Pol Ozean Atmosphäre Eis H Zusammenfassung: „Wärmemaschine“ Klimasystem Strahlungsbilanz Salz Kondensation Konvektion Hadley- Zelle innere Energie latente Energie potentielle Energie kinetische Energie Niederschlag Salz Salz und Energie Salz Passate Verdunstung Wellentransporte Energietransporte Wärme Erwärmu


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