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31. Oktober 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 1 Wiederholung 2. Stunde Defintion des Klimasystems über seine Komponenten und.

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1 31. Oktober 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Wiederholung 2. Stunde Defintion des Klimasystems über seine Komponenten und als System ineinander verschachtelter Kreisläufe. Welche? Welche Randbedingungen (externen Antriebe) hat das Klimasystem? Welche Raum-Zeit-Skalen sind relevant? Wieviele Freiheitsgrade hat die Atmosphäre? Energie-, Wasser-, Spurenstoff-, Drehimpuls- und Gesamtmassenkreislauf Auflösung bis in den viskosen Dissipationsbereich Δx = 1mm Raumgitter:Oberfläche = 4 π R 2 ~ 5 · mm 2 Volumen bis 100 km Höhe ~ 5 · mm 3 Variablen:u,v,w,p,T,Gase (CO 2,O 3,..), Aerosol & Hydrometeore -solare Einstrahlung (extraterrestrisch) -geologisch: Land-/Meeverteilung, Orographie (terrestrisch) ca Freiheitsgrade

2 31. Oktober 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Wiederholung 2. Stunde Warum ist eine deterministische Betrachtung des Klimasystems nicht möglich? Mit welchen Maßen wird das Klimasytems beschrieben? -Beschreibung des mittleren Zustandes -der typischen Abweichungen des mittleren Zustandes -der typische Zeitabläufe für diese Abweichungen -der Wahrscheinlichkeiten für extreme Abweichungen -zuviele Freiheitsgrade (10 31 ) - derzeitige Rechenzeitkapazität Anfangswerte können nicht bestimmt werden -Nichtlinearität chaotische Entwicklung f(x)dx des Auftretens eines zufälligen Zustands X im Bereich dx (f : Wahrscheinlichkeitsdichte)

3 31. Oktober 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Gliederung Einführung Datengrundlage - Messungen (direkt/indirekt) - Reanalysen (Modelle als Ergänzung) Energiehaushalt der Erde - Strahlungs(konvektions)-gleichgewicht - Räumliche Verteilung, 3D-Energietransporte, Wärmemaschine Klimasystem Hydrologischer Zyklus - terrestrischer/ozeanischer Arm - Energietransporte im Ozean (thermohaline Zirkulation) Natürliche Klimavariabilität - Interne Variabilität (ENSO) - Externe Variabilität (Sonne, Vulkane, Erdbahnparameter) Klimamodellierung - GCM/Ensemble-Vorhersage/Parametrisierung - IPCC, Szenarien, anthropogene Effekte Globaler Wandel - Detektion des anthropogenen Einflusse -Synop-Stationen bodennahes Klima über Land -freiwillige Handelsschiffe über Ozean COADS- Datensatz ( ) -Radiosondenaufstiege vertikale Struktur seit ca ca. 7 Stationen pro 2.5°x2.5°

4 31. Oktober 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ jähr. aerologische Lindenberger Messreihe 1902 entdecken Assmann und de Bort die wärmere Schicht in der Höhe (Stratosphäre) es kommt zur klassischen Schichteinteilung der Atmosphäre (Troposphäre/Tropopause/ Stratosphäre) Bedeutung der Kenntnis der Vertikalstruktur schon damals durch Assmann u.a. Forderung nach regelmäßigen Vertikalsondierungen Homogenisierung von Sensoren

5 31. Oktober 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ WOCE – World Ocean Circulation Experiment Beobachtungen von Forschungsschiffen CTDs: T(D), C(D) oberste 400 m zeigen markante Variabilität auf Jahreszeitenskala Messungen der synoptischen Strömungs- verteilung jedoch unmöglich nur über geostrophische Beziehung (CTD= Conductivity - Temperature - Depth)

6 31. Oktober 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Struktur Internationale Klimaforschung WCRP World Climate Research Programm GEWEX Global Energy and Water Experiment CLIVAR Climate Variability and Prediction Programm WOCE World Ocean Circulation Experiment SPARC Stratospheric Processes and their Role in Climate CLIC Climate and Cryosphere Programm Analyse von globalen Beobachtungen/Prozessmodellierung Schwerpunkt auf schnellen Rückkopplungen, welche die Verfügbarkeit von Süßwasser für die Biosphäre beeinflussen ein Teilprojekt: ISCCP

7 31. Oktober 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ International Satellite Cloud Climatology Project ISCCP seit Juli 1983: Archivierung von Satellitenstrahldichten zur Bestimmung der globalen Verteilung von Wolken einschließlich deren Eigenschaften, Tagesgang, saisonale und interanuale Variabilität Effekte auf den Strahlungshaushalt CRF: Cloud Radiative Forcing Rolle bezüglich des globalen Wasserkreislaufes Klimawirksamkeit von Wolken... bisher im Internet verfügbar: bis Dezember

8 31. Oktober 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Bsp: ISCCP Cloud Amount

9 31. Oktober 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Cloud Radiative Forcing (CRF) Einfluss von Wolken auf die Strahlungsbilanz am Oberrand der Atmosphäre Daten: ERBE (Earth Radiation Budget Experiment) & ISCCP 1. Schritt: clear-sky climatology Mittelwert über alle Strahldichtemessungen an einem bestimmten geographischen Ort die als wolkenfrei identifiziert werden 2. Schritt: Bildung der Differenz zwischen den Strahldichtemessungen der clear-sky climatology und dem Mittelwert über alle Beobachtungen am entsprechenden geographischen Ort Einfluss der Wolken auf die Energiebilanz am Oberrand der Atmosphäre (cloud radiative forcing)

10 31. Oktober 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Cloud Radiative Forcing (CRF) global: Positive Werte: Energiegewinn für das System Erde-Atmosphäre Negative Werte: Energieverlust für das System Erde-Atmosphäre (abhängig von: solarem Einfallswinkel, Tröpfengrößenspektrum, Phase)

11 31. Oktober 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Earth Radiation Budget Experiment ERBE Steve Ackerman and Tom Whittaker, 1999

12 31. Oktober 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ CRF - global Hartmann, 1994

13 31. Oktober 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Potter & Cess, 2004, JGR DJF Wolkeneinfluss auf den Strahlungshaushalt in Modellen im Vergleich zu Messungen des ERBE ( )

14 31. Oktober 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Fehlerabschätzungen: 10-15% clearall sky solar terrestrial B.Carson, GISS 2004 alle unbewölkt

15 31. Oktober 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Klima Datensätze clearall sky solar terrestrial B.Carson, GISS 2004 alle GEWEX Newsletter

16 31. Oktober 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ MSU/AMSU Instrumente auf NOAA Satelliten MSU GHz (1978-heute) auf 8 NOAA Satelliten (polarumlaufend) AMSU ab 1998, 2.5° Auflösung keine absolute Kalibration (Interkalibration zwischen verschiedenen Satelliten nötig)

17 31. Oktober 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Satellitentrends - MSU MSU Kanal 2 (1979 – 2003) Globaler Trend: K/Dekade geographische Breite

18 31. Oktober 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Satellitentrends - MSU MSU Kanal 2 MSU Kanal 3 MSU Kanal 4

19 31. Oktober 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ SSM/I – Special Sounder Microwave Imager hier: August 2004, seit 1987, (V/H) GHz, Erdabdeckung ~3 Tage, räumliche Auflösung km, Nachfolge AMSR-E, TMI vv in m/s (Rauigkeitlänge Polarisationsabh.) Wasserdampfsäule, mm Wolkenwassersäule, mmRegenrate, mm/hr

20 31. Oktober 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Scatterometer Räumliche Auflösung: ~ 45 km (entlang und senkrecht zur Flugrichtung) Windrichtung Bereich:0 – 360° Genauigkeit: +-20° Windgeschwindigkeit Bereich: 4 ms ms -1 Genauigkeit: 2 ms -1 oder 10 %

21 31. Oktober 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Bestimmung des Windvektors Rückstreuung ist maximal in und entgegen der Windrichtung, da hier Kapillarwellen senkrecht und Bragg-Streuung optimal s o ist minimal senkrecht zur Windrichtung, da hier die Kapillarwellen parallel und kaum Bragg-Streuung Wegen der Form der Kapillarwellen in das relative Maximum entgegen der Windrichtung leicht größer Eine höhere Windgeschw. führt für alle Richtungen zu einer höheren Rückstreuung

22 31. Oktober 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ ERS – European Remote Sensing Satellites ERS1: , ERS2: 1995-???? in ~780 km Höhe Typ: polarumlaufend, sonnensynchron T~100 min Repeat cycle: 35 Tage Instrumente -SAR Synthetic Aperture Radar -Wind Scatterometer -Radar Altimeter -passive Radiometer (ATSR)

23 31. Oktober 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ El Niño im ATSR earth.esa.int SST, July1995SST, July1997 ATSR: Infra-Rot Radiometer (IRR): SST und Wolkenobergrenzen- temperaturen Microwave Sounder (MWS): Wolkenwasser, Wasserdampf, SST Differenz

24 31. Oktober 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ NDVI – Normalized Difference Vegetation Index / < 0.1: Stein/Wüste/Schnee : Steppe/Grasland :bewaldet - Regenwald NDVI = (NIR VIS)/(NIR + VIS) Messungen via NOAA AVHRR Instrument (1 km 2 Auflösung) bisher 2 Jahrzehnte globale Abdeckung

25 31. Oktober 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Eisbedeckungsgrad/Eisvolumen - ICESAT Antarktische und Grönländische Eisplatten beinhalten 77% des Süßwassers ( 80 m Meeresniveau!) Schmelzen von 0.1% bedeutet Meeresniveauanstieg von 8.3 cm Jährliche Eisansammlung von 0.8 cm Meereseniveau ausgeglichen durch Rückfluss in den Ozean (Massenbalance) Lokale und langzeitliche Unteschiede Massenbalance sollte möglichst genau bestimmt werden -ICESAT benutzt Lidar (Light Detecting and Ranging) Technolgie -ICESSAT detektiert Änderungen der mittleren Eismächtigkeit von bis zu 0.3 cm Meeresspiegelanstieg von bis zu 0.1 cm nachweisbar Erstflug,

26 31. Oktober 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Zukünftige Missionen A-Train (USA/Frankreich) EarthCARE (ESA)

27 31. Oktober 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Beobachtungen zur Modellverbesserung Klimamodelle benötigen kleinskalige Beobachtungen Verbesserte Parametrisierungen - Aerosol/Wolken/Niedersschlagsprozesse - 3D-Strahlungstransfereffekte - Bodenmodule... Validierung - Satellitenvalidation - Bodengebundene Validation CLIWA-NET CLOUD-NET Atmospheric Radiation Measurement program ARM... langzeitliche und detailierte Strahlungs- und mikrophysikalische Messungen notwendig

28 31. Oktober 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Paläoklimatologische Daten Historische Dokumente Baumringe Korallenringe Eisbohrkerne Speläologie (Höhlenkunde) Sedimente in Seen und Ozean Bohrlöcher Glaziale Oberflächen-Formung (Moränen) Jones & Mann, 2004:, Climate over past millenia, Reviews of Geophysics

29 31. Oktober 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Paläoklimatologische Daten Jones & Mann, 2004:, Climate over past millenia, Reviews of Geophysics


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