Gliederung Einführung Datengrundlage

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1 Gliederung Einführung Datengrundlage
Energiehaushalt der Erde - Strahlungs(konvektions)-gleichgewicht - Räumliche Verteilung, 3D-Energietransporte, „Wärmemaschine“ Klimasystem Hydrologischer Zyklus - terrestrischer/ozeanischer Arm - Ozeanische Zirkulation Natürliche Klimavariabilität - Änderungen der thermohaline Zirkulation - Interne Variabilität (ENSO) - Externe Variabilität (Sonne, Vulkane, Erdbahnparameter) Klimamodellierung - GCM/Ensemble-Vorhersage/Parametrisierung - IPCC, Szenarien, anthropogene Effekte Globaler Wandel - Detektion des anthropogenen Einflusse 23.1 30.1 6.2 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

2 Wiederholung 12. Stunde Was besagt das Hasselmann‘sches Klimamodell?
Welche Parameter erzeugen externe Klimavariabilität? Warum ist Variabilität nicht exakt mit externem Antrieb korreliert? Welchen Einfluss haben Vulkane (wie lange)? Wechselwirkungen zwischen Klimakompartimenten können interne Klimavariabilität erzeugen Dämpfung des Ozeans führen zu langfristigeren und stärkeren Schwankungen angetrieben von kurzfrsitiger atmosphärischen Variabilität Eis und Hebung der Erdkruste Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

3 Wiederholung 12. Stunde Welche Arten von Klimamodellen gibt es?
Welche Rückkopplungen müssen berücksichtigt werden? Wasserdampf-Rückkopplung Eis-Albedo-Rückkopplung Vegetation-Albedo-Rückkopplung Vegetation-Niederschlag-Rück. .. Eis und Hebung der Erdkruste Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

4 Atmosphärenmodelle EBM (0D-2D) Energiebilanzmodelle - Oberflächentemperatur Ts RC (1D) Strahlungs-Konvektions-Modelle - Temperaturprofile - Strahlungstransfer, Konvektion SD (1D-3D) Statistisch-dynamische-Modelle - kein Wetter - gefilterte Gleichungen GCM (3D) General circulation model Allgemeine Zirkulationsmodelle - ausführlich, realistisch - Bewegungsgleichungen Kriterien Zeit - unabhängig (Gleichgewicht) - abhängig Klimavariabilität Raum - vertikal - zonal - meridional Kopplung - ein/zwei Wege - asynchron - hyprid - voll Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

5 EBM: Energiebilanzmodell
TE=255 K Photosphäre α=30% TSonne=5783 K ~240 W/m² absorbiert TSi~106K So=1373 Wm-² 1373 W/m² 6·107Wm-² TS = 288 K Beispiel: Venus S = 2619 W/m2 a = 0.7 Te = 242 K; Ts=730 K ; dt auch durch adiabatisches absinken 343 Wm-² TS = TE + ΔT Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

6 EBM: Bedeutung der Albedo
Algenblüte TS = TE + ΔT ~ 288 K α TE /K ΔT/K ..aber bei einer anderen Albedo würde sich eine andere Oberflächentemperatur Ts einstellen Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

7 EBM: Bedeutung der Albedo
Q αQ τFs Fa t Transmissivität der Atmosphäre thermische Abstrahlung t Ta t Ts /K Ta /K Fs Fa Ts Energiebilanz Erdoberfläche Atmosphäre Bei einer durchschnittl. Ober- flächentemperatur von 288 K ist die Transmissivität t = die Emission  = 0.775 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

8 EBM: Energiebilanzmodell
C Wärmekapazität R↓ abwärts gericht. Strahlungsfluss R↑ aufwärts " " Q Solarer Input (=So/4 ~ 342 Wm-2) α Albedo = f(Eis, Schnee, Wolken..) t Transmissivität der Atmosphäre AE Fläche der Erde (5. 1·10x14 m2) Δz Dicke der ozean. Deckschicht (70 m) w Dichte von Wasser (103 kg m-3) cw spez. Wärmekap. Wasser (4200 Jkg-1K-1) Änderung der global gemittelten Oberflächentemperatur T über Zeitraum Δt auf der Erde ist Wärmekapazität i. W. vom Ozean bestimmt Beispiel:Scwimmingpool Δz Ozean Land Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

9 EBM: Energiebilanzmodell
Taylor-Entwicklung um den Referenzzustand To mit Zeitkonstante τ Lineare Differentialgleichung 1.Ordnung Beispiel:Scwimmingpool Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

10 EBM: Energiebilanzmodell
Einstellzeit für das thermische Gleichgewicht mit B~1.15 Wm-2 K-1 C (J m-2 K-1] τ (Jahren) Atmosphäre 107 0.28 Deckschicht (70 m) 2·108 5.5 Oberer Ozean (360 m) 109 27.5 Gesamter Ozean (3900 m) 1.6·1010 440 Beispiel:Scwimmingpool Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

11 EBM: Energiebilanzmodell
Beispiel:Scwimmingpool von Storch, Güss und Heiman, 1999 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

12 EBM: Energiebilanzmodell
Gleichgewichtslösung (weder Erwärmung noch Abkühlung) Gesucht: T = f (t,To,αQ,C,..) α Eis 0.5 0.1 kein Eis T/K R Q(1-α) 342 Wm-2 heutiges Klima Beispiel:Scwimmingpool T4 T/K Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

13 Box-Modell Atmosphäre-Ozean
K=10-4m2s-1; h=70m großer Einfluss der Diffusionsparametrisierung K=10-3m2s-1; h=110 m Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

14 Vorteile von Energiebilanzmodellen
EBM nützlich zur Charakterisierung der Sensitivität des Klimasystems bzgl. externer Änderungen Kategorie konzeptionelle Modelle: Verstehen und Veranschaulichen von Strukturen, Prozessen und Wirkungsketten im Klimasystem EBM nützlich zur Abschätzung der Klimawirksamkeit des Milankovic-Zyklus (Eis/Warmzeiten) Erweiterungsmöglichkeit horizontale Dimension (1D EBM) - Berücksichtigung von horz. Energietransporten - zonale Abhänigkeit der solaren Einstrahlung / Albedo erste Abschätzung der globalen Temperaturverteilung Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

15 1D Energiebilanzmodelle
Mc Guffie and Henderson-Sellers,1997 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

16 Erweitertes Energiebilanzmodell
Mc Guffie and Henderson-Sellers,1997 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

17 EBM: Daisyworld konzeptuelles biophysikalisches Modell der Temperaturregulierung der Erde durch die Landbiosphäre [Watson and Lovelock, Tellus, 35B, ] Erdoberfläche aufgeteilt in 3 Segmente (l=b,s,w): - nackte Oberfläche mit Albedo αb = schwarze Lilien („Daisies“) mit αs = weisse Lilien mit Albedo αw = 0.9 Planetare Albedo: αp = fb αb + fs αs + fw αw Planetare Temperatur abhängig von Hellogkeitsfaktor L Lokale Temperatur über den 3 Bereichen abhängig vom Mischungsfaktor R „Temperaturmischung“ zwischen den verschiedenen Bereichen: - R = 0 perfekte Mischung → Tl = Tp, - R=1 therm. Isolation der Bereiche (jeder einzeln im Strahlungsgleichgew.) Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

18 Daisyworld Beispiel für Rückkopplung mit der Vegetation
Wachstumsmodell für Lilien Wachstumsrate abhängig von der lokalen Temperatur Tl: für Tmin < Tl < Tmax 0 sonst Flächenbedeckung durch die Lilien AI (l = s,w) mit Sterberate dI Es gibt immer eine minimale Lilienbedeckung (Al ≥= 0.01) Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

19 Daisyworld Erweiterungen von Daisyworld: - Ausdehnung auf 3-d Erdkugel mit realistischer breitenabhängiger Einstrahlung - Komplexere Biologie/Ökologie: z.B. durch unterschiedliche Struktur der Lilien Daisyworld zeigt ,dass biophysikalische Rückkopplungseffekte das Erdsystem potentiell entscheidend beeinflussen können. Die Biosphäre ist daher als integrale Komponente des Klimasystems anzusehen. Die Plausibilität von Daisyworld (und ähnlicher Rückkopplungen zwischen Biosphäre und physikalischem Klimasystem) führten Lovelock zur Formulierung der „Gaia“ Hypothese (eine umstrittene Interpretation des Erdsystems als ein sich selbst regulierender/stabilisierender Organismus) Beispiel eines Optimierungsprinzips „Homeostasis“ = Stabilisierender biologischer Rückkopplungseffekt Ist Daisyworld „realistisch“? Beispiel für Effekte der Biodiversität? Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

20 RC: Strahlungskonvektionsmodell
Unterteilung der Atmosphäre in viele Schichten führt immer noch zu nicht realistischem Vertikalmodell Ruddiman, 2001 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

21 SD: 2-D statistisch-dynamisches Modell
zonal symmetrisches Modell Parametrisierung der transienten und stationären Eddies mittl. meridionaler Enthalpie- fluss durch transiente Eddies Gradient-Fluss-Annahme barokline Wellen werden durch mittl. meridionalen Temperatur gradienten angetrieben Ruddiman, 2001 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

22 Mcguffie and Henderson-Sellers, 2001
Klimamodelle: Historische Entwicklung Mcguffie and Henderson-Sellers, 2001 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

23 GCM: 3-D Zirkulationsmodell
Ruddiman, 2001 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

24 Klimamodellierung McGuffie und Henderson-Sellers, 2001
Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

25 GCM: Bestandteile Atmosphärenmodell
„Dynamik“ Algemeine Zirkulation (Winde) „Physik“ Strahlung Absorption kurzwelliger (solarer) Strahlung Emission und Absorption langwelliger (IR) Strahlung Wolken Konvektion, Niederschlag Thermodynamik (Atmosphärische Temperatur) Feuchte (Atmosphärische Feuchte) Oberflächen und Ozeane Effekte von Eis, Schnee, Vegetation auf Temperatur, Albedo, Emissivität, Rauhigkeit Chemie Zusammensetzung der Atmosphäre Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

26 GCM: Validierung Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

27 Problem der Modellierung
Kaltstartproblem (spin-up) z.B. durch Treibhausgase Parametrisierungen hängen von der Auflösung ab Klimadrift bei Kopplung von Atmosphäre und Ozean durch Fehler in Flüssen (räumlich und zeitliche Flusskorrektur) Inputdaten (früheres Klima und Szenarien) Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

28 Problem der Modellierung: Kaltstart
Modell ist nicht ausblanciert bei Start, z.B. Wasserbilanz Ruddiman, 2001 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007