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23. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 1 Gliederung Einführung Datengrundlage Energiehaushalt der Erde - Strahlungs(konvektions)-gleichgewicht.

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1 23. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ 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

2 23. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Wiederholung 12. Stunde Was besagt das Hasselmannsches 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

3 23. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ 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. -..

4 23. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Atmosphärenmodelle EBM (0D-2D) Energiebilanzmodelle - Oberflächentemperatur T s 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

5 23. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ EBM: Energiebilanzmodell T Si ~10 6 K Photosphäre 6·10 7 Wm - ² 1373 W/m² ~240 W/m² absorbiert S o =1373 Wm - ² 343 Wm - ² α=30% T E =255 K T Sonne =5783 K T S = 288 K T S = T E + ΔT

6 23. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ EBM: Bedeutung der Albedo Algenblüte αT E /KΔT/K T S = T E + ΔT ~ 288 K..aber bei einer anderen Albedo würde sich eine andere Oberflächentemperatur T s einstellen

7 23. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Energiebilanz Erdoberfläche Atmosphäre EBM: Bedeutung der Albedo Q αQ t T a FaFa FaFa FsFs τFsτFs t Transmissivität der Atmosphäre thermische Abstrahlung TsTs t T s /K T a /K Bei einer durchschnittl. Ober- flächentemperatur von 288 K ist die Transmissivität t = die Emission = 0.775

8 23. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ EBM: Energiebilanzmodell CWärmekapazität Rabwärts gericht. Strahlungsfluss Raufwärts " " QSolarer Input (=S o /4 ~ 342 Wm -2 ) αAlbedo = f(Eis, Schnee, Wolken..) t Transmissivität der Atmosphäre A E Fläche der Erde (5. 1·10 x14 m 2 ) ΔzDicke der ozean. Deckschicht (70 m) w Dichte von Wasser (10 3 kg m -3 ) c w spez. Wärmekap. Wasser (4200 Jkg -1 K -1 ) auf der Erde ist Wärmekapazität i. W. vom Ozean bestimmt Änderung der global gemittelten Oberflächentemperatur T über Zeitraum Δt ΔzΔz Ozean Land

9 23. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ EBM: Energiebilanzmodell Taylor-Entwicklung um den Referenzzustand T o Lineare Differentialgleichung 1.Ordnung mit Zeitkonstante τ

10 23. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ EBM: Energiebilanzmodell Einstellzeit für das thermische Gleichgewicht mit B~1.15 Wm -2 K -1 C (J m -2 K -1 ] τ (Jahren) Atmosphäre Deckschicht (70 m)2· Oberer Ozean (360 m) Gesamter Ozean (3900 m)1.6·

11 23. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ EBM: Energiebilanzmodell von Storch, Güss und Heiman, 1999

12 23. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ kein Eis EBM: Energiebilanzmodell Gleichgewichtslösung (weder Erwärmung noch Abkühlung) Gesucht: T = f (t,T o,αQ,C,..) α T/K R Eis Wm -2 heutiges Klima Q(1-α) T 4

13 23. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Box-Modell Atmosphäre-Ozean K=10 -4 m 2 s -1 ; h=70m K=10 -3 m 2 s -1 ; h=110 m großer Einfluss der Diffusionsparametrisierung

14 23. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ 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

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

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

17 23. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ 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 α b = schwarze Lilien (Daisies) mit α s = weisse Lilien mit Albedo α w = 0.9 Planetare Albedo: α p = f b α b + f s α s + f w α w Planetare Temperatur abhängig von Hellogkeitsfaktor L Lokale Temperatur über den 3 Bereichen abhängig vom Mischungsfaktor R Temperaturmischung zwischen den verschiedenen Bereichen: - R = 0perfekte Mischung T l = T p, - R=1therm. Isolation der Bereiche (jeder einzeln im Strahlungsgleichgew.)

18 23. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Daisyworld Beispiel für Rückkopplung mit der Vegetation Wachstumsmodell für Lilien Wachstumsrate abhängig von der lokalen Temperatur T l : für T min < T l < T max 0sonst Flächenbedeckung durch die Lilien A I (l = s,w) mit Sterberate d I Es gibt immer eine minimale Lilienbedeckung (A l = 0.01)

19 23. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ 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?

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

21 23. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Ruddiman, 2001 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

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

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

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

25 23. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ 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

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

27 23. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ 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)

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


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