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Das Klima im Computer André Paul. Übersicht Physikalischen Grundlagen des Klimas –Sonnenstrahlung und Wärmestrahlung –Treibhauseffekt Einfache Klimamodelle.

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Präsentation zum Thema: "Das Klima im Computer André Paul. Übersicht Physikalischen Grundlagen des Klimas –Sonnenstrahlung und Wärmestrahlung –Treibhauseffekt Einfache Klimamodelle."—  Präsentation transkript:

1 Das Klima im Computer André Paul

2 Übersicht Physikalischen Grundlagen des Klimas –Sonnenstrahlung und Wärmestrahlung –Treibhauseffekt Einfache Klimamodelle –Planet X Ergebnisse realitätsnaher Klimamodelle

3 Vegetation Atmosphäre Eis Ozean Land From Apollo 17 flight, 7 December 1972

4 Klimamodell

5 Sonne Natürlicher Antrieb

6 Erde Wie ist ihre Antwort?

7 Modellbildung Mathematische Beschreibung Parametrisierung Entweder Analytische Lösung oder Diskretisierung Numerische Lösung

8 Strahlungsflussdichte in einem bestimmten Abstand von der Sonne Solarkonstante Im mittleren Abstand der Erde von der Sonne (d = 1.496x10 11 m): (Wert nach Hartmann 1994)

9 Ein kugelförmiger Planet blendet aus dem Strahlungsfluss der Sonne gerade die Schattenfläche aus [Abbildung 2.2 aus Hartmann (1994)].

10 Sonneneinstrahlung für die Erde: Sonneneinstrahlung Entspricht ungefähr 6 Glühlampen je 60 Watt, die eine Fläche von einem Quadratmeter bescheinen

11 Reflektierte Sonneneinstrahlung Reflektierte Sonnenstrahlung Erde

12 Ozean Schmelzwasser Meereis Landeis

13 Wieviel Sonnenstrahlung wird reflektiert? –Wasser: 5-20% –Feuchter, dunkler Boden: 5-15% –Trockener Boden, Wüste: 20-35% –Meereis ohne Schnee: 25-40% –Trockener Neuschnee: 70-90%

14 Die Erdoberfläche reflektiert im Mittel rund 30% der Sonnenstrahlung: Reflexionsvermögen oder Albedo (Wie weiß ist die Erde?)

15 Reflektierte Sonneneinstrahlung 0.3 Was passiert mit der Erdoberfläche? Erde

16 Herdplatte Wärmestrahlung Temperatur T s Wärmestrahlung

17 Herdplatte Temperatur T s Je höher die Temperatur T s, desto größer die Wärmestrahlung.

18 Das Gesetz von Stefan-Boltzmann: mit der Stefan-Boltzmann- Konstante s Temperatur T Wärmestrahlung T s ist die absolute Temperatur in K:

19 Wärmestrah- lung Sonneneinstrahlung Reflektierte Sonnen- strahlung Erde

20 Wärmestrah- lung Sonnenstrahlung Reflektierte Sonnen- strahlung Erde

21 Wärmestrah- lung Sonneneinstrahlung Reflektierte Sonnen- strahlung Wie warm wird die Erdoberfläche? Temperaturänderung?

22 Hängt ab von –von der Wärmekapazität der Erdoberfläche –von der Zeitdauer, während der die Energiebilanz positiv ist. Beispiele: Wasser - c p = 4182 J kg -1 K -1, Boden, anorg. Material - c p ~ 733 J kg -1 K -1

23 Mathematische Gleichung

24 Parametrisierung Vereinfachte Darstellung komplexer Prozesse

25 Zeitliche Diskretisierung: Diskretisierung Euler vorwärts oder Forward in Time (FT)

26 Numerische Lösung Algorithmus in einer Programmiersprache formulieren

27 Planet X Aufgabe 1: Berechne den zeitlichen Verlauf der Oberflächentemperatur mit dem Klimamodell planet_x. Schreibe deine Einstellungen und Beobachtungen. 1.Verändere die Ozeantiefe zum Beispiel zwischen 10 und 120 m. Wie ändert sich der zeitliche Verlauf? Wie ändert sich die Endtemperatur? 2.Verändere die planetare Albedo zwischen (Merkur) und 0.71 (Venus). Wie ändert sich die Endtemperatur? 3.Du kannst auch noch mit Zeitschritt, Laufzeit und Anfangstemperatur experimentieren.

28 Die gemessene Oberflächentemperatur für die Erde ist ungefähr 15°C. –Warum ist der Planet X so kalt? –Was muss er tun, damit ihm wärmer wird?

29 Energiegewinn Energieverlust Energiebilanz = Energiegewinn - Energiverlust

30 Energiegewinn Energieverlust Beispiel Treibhaus Energiebilanz = Energiegewinn - Energiverlust

31 Energiequelle Energieverlust Treibhauseffekt Energiegewinn

32 Die Atmosphäre eines Planeten wirkt wie: –eine warme Decke –das Glasdach eines Treibhauses

33 Zusammensetzung der Atmosphäre Was die Atmosphäre enthält: –Stickstoff (78%) –Sauerstoff (21%) –Wasserdampf (variabel) –Kohlendioxid (1990: 353 ppmv - Teile pro Million nach Volumen) –Methan (1990: 1.72 ppmv) Welche Gase verursachen den Treibhauseffekt?

34 Wir müssen in das Modell des Planeten X eine Parametrisierung des Treibhauseffekts einbauen.

35 Wärmestrah- lung Sonneneinstrahlung Reflektierte Sonnen- strahlung Oberflächentemperatur T s Atmosphärentemperatur T A Gegenstrah- lung Ausstrahlung der Atmosphäre Fensterstrahlung

36 Planet X mit Treibhauseffekt Aufgabe 2: Berechne die Oberflächen-und Atmosphärentemperatur mit dem Klimamodell planet_x mit eingestelltem Treibhauseffekt und –mit einem Ausstrahlungsvermögen der Atmosphäre von 77.5 % (0.775), –mit Werten für das Austrahlungsvermögen zwischen 0 und 100 % (1.0).

37 Planet X mit Treibhauseffekt –Um wieviel muss man das Austrahlungsvermögen vergrößern, um eine Erhöhung der Oberflächentemperatur von 15°C auf 18°C zu erreichen?

38 grönlandischer Eiskern Mauna Loa vorindustrieller Wert = 275 Wert für 2006 = 381 Zunahme um 35% seit der industriellen Revolution Anstieg von 0.45% pro Jahr in jüngerer Vergangenheit Dennis Hartmann, University of Washington Jahr CO2-Konzentration in Teile pro Million (ppm) Geschichte des atmosphärischen Kohlendioxids

39 Previous Warm Periods Previous Glacial Periods Vostok, Antarctica Ice Core 1750 Data from Petit,et al. (1999), and GISS (2003)

40 Worauf geht der vom Menschen verursachte Treibhauseffekt zurück?

41 Was wir alles vergessen haben… Kiehl and Trenberth (1997)

42 Energy Flow in the Climate System

43 Was wir alles vergessen haben… Zum Beispiel: Wärmetransport durch –die Winde –die Meeresströmungen Eis-Albedo-Rückkopplung Wolkenrückopplung.

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

45 Falschfarbenbild der Meeresoberflächentemperatur im nordwestlichen Atlantischen Ozean zeigt Wirbel und Strommäander des Golfstroms an der nordamerikanischen Ostküste [s. Abb. 7.9 in Hartmann (1994)]

46 Rolle des Ozeans: Aufnahme, Transport und Freigabe von Wärme Einheiten sind Sverdrups (Sv, Millionen Kubikmeter pro Sekunde). Beachte Absinken im Nordatlantischen Ozean [Tafel 4b aus Alley et al. (2003)]. Tiefenwasser- bildung

47 Eis-Albedo-Rückopplungs- schleife Erhöhe Temperatur Schmelze Eis Erhöhe solare Absorption Eis-Albedo-Rückkopplung Die Eis-Albedo-Rückkopplung verstärkt die Empfindlichkeit des Klimas um rund 30%. Rückkopplungen im Klimasystem Dennis Hartmann, University of Washington

48 Wolkentypen

49 Beispiel für ein Bild aus dem Karlsruher Wolkenatlas (www.wolkenatlas.de):www.wolkenatlas.de Altocumulus, der sich in einer Höhe zwischen 6000 und 7000 befindet.

50 Wolkenrückopplungs- schleife Erhöhe Temperatur Ändere Wolken Ändere Energiebilanz Wolkenrückkopplung Potentiell wichtig, aber weder Vorzeichen noch Betrag bekannt. ? Rückkopplungen im Klimasystem Dennis Hartmann, University of Washington

51 Ergebnisse realitätsnaher Klimamodelle Wie wird das Klima in Bremen gegen Ende des 21. Jarhunderts?

52 [Abbildung 3-30 aus Ruddiman (2001)] Dreidimensionales Gitter eines Ozeanmodells

53 IPCC-Simulationen Bericht des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimawandel der Vereinten Nationen (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) geplant für Anfang /4 der gesamten Ressourcen des Deutschen Klimarechenzentrums (DKRZ) für ein Jahr

54 1.Ungestörter vorindustrieller Klimazustand 2.Klimaentwicklung seit Mitte des 19. Jahrhunderts unter Vorgabe beobachteter atmosphärischer Spurenstoffkonzentrationen (Treibhausgase und Aerosole) 3.Szenarienexperimente zum Klimawandel mit unterschiedlichen Annahmen über zukünftige Konzentrationen atmosphärischer Spurenstoffe 4.Sensitivitätsexperimente mit jährlicher Zuwachsrate der CO 2-Konzentration von 1% angenommen wird

55 Modellkomponenten atmospärische Komponente ECHAM5 –horizontale Auflösung ~200 km (T63), 31 Modellschichten ozeanische Komponente MPI-OM –regional unterschiedliche Auflösung zwischen ~10 km und ~150 km

56 Speicherbedarf Umfang der IPCC-Simulationsdaten: ~80 Terabytes, also Gigabytes!

57 Antrieb

58 Globale Mitteltemperatur

59 Arktische Eisbedeckung

60 Ergebnisse Globale Erwärmung gegen Ende dieses Jahrhunderts (relativ zum Mittelwert der Jahre ) zwischen 2.5°C und 4.1°C Abnahme der Eisbedeckung zwischen 30% und 50% –Arktis könnte gegen Ende dieses Jahrhunderts im Spätsommer eisfrei sein

61 Notebook! Ende


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