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

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1 9. 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, NAO, QBO) - Externe Variabilität (Sonne, Vulkane, Erdbahnparameter) Klimamodellierung - GCM/Ensemble-Vorhersage/Parametrisierung - IPCC, Szenarien, anthropogene Effekte Globaler Wandel - Detektion des anthropogenen Einflusse

2 9. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Klimavariabilität nach Stocker [2000] - extern gezwungene Änderungen - selbsterhaltende Oszillationen - nicht-deterministische Variabilität - abrupte Reorganisation Wechsel zwischen verschiedenen Gleichgewichtszuständen Mehrfache Gleichgewichtszustände für Ozeanzirkulation möglich Umschlagen von einem in den andern Zustand, z.B. durch Hudson-Bay Ereig. Wie wahrscheinlich ist ein Umschlagen aufgrund der anthropogenen Erwärmung? Wiederholung 10. Stunde Abgesehen von Tages- und Jahresgang sind externe Klimaschwankungen auf Zeitskalen unterhalb 1000 Jahren marginal gegenüber Interner Klimavariabilität

3 9. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Zukünftige Entwicklung

4 9. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Temperaturspektrum starke freie Variabilität innerhalb des Systems - bodennah - Komposit - interne Energie Ruddimann, 2001

5 9. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Periode in Jahren Temperaturspektrum aus freien Klimamodellierungen (ohne Trend) Beobachtungen: 1861 to 1998 aus IPCC, 2001

6 9. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Klimavariabilität schematisch Externe Parameter Mitchell, J. M., An Overview of Climatic Variability and Its Causal Mechanisms. Quaternary Research 6, Klimavariabilität resultiert aus komplexen Wechsel- wirkungen erzwungener und freier Variationen Klimasystem ist - dissipativ - hoch nichtlinear - viele Quellen der Instabilität

7 9. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Klimavariabilität Betrachtete Zeitskala im Bereich von Jahren: also nicht: Wetter oder Eiszeiten usw. ( Klimageschichte) bekannteste Beispiele für natürliche interne Klimavariabilität: ENSO (El Nino / Southern Oscillation) ozeanische / atmosphärische Komponente - kalter Humboldtstrom wird durch warme Meeresströmung ersetzt - unregelmäßigen Abständen (3 bis 7 Jahre) - Dauer: ca Monate NAO (North Atlantic Oscillation) - dominanter Mode der Winterklimavariabilität in der Nordatlantik-Region - Luftmassenschaukel zwischen Subtropen & Polar - Jahr-zu-Jahr Variabilität - bleibt in Phase über mehrere Jahre. QBO (Quasi-Biennial Oscillation) - nahezu 2-jährige Oszillation der tropischen Stratosphäre (West- / Ostwinde) - Wechselwirkung von Wellen und mittlerer Strömung

8 9. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Klima des Pazifik Hadley-Zirkulation mit Passatwinden von Nord(Süd) zum Äquator Aufsteigen Äquator, Absinken Subtropen Teil der Walker-Zirkulation mit Aufsteigen in Australien/Indonesien und Absinken vor Südamerika Cubasch & Kasang (2000)

9 9. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Walker-Zirkulation (Sir Gilbert T. Walker, 1918 ) Vertikalbewegung ist unmittelbar an die Oberflächentemperatur gekoppelt SST hoch Aufsteigen SST niedrig Absinken El Nino starke Konvektion über Indien und Indonesien Konvektion über Ostafrika und Amazonasgebiet starkes Absinken über dem äquatorialen Ostpazifik Absinken über West-Indik und Westafrika

10 9. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ ENSO Phänomen El Nino ("das Christkind") schwache Passatwinde warmes, nährstoffarmes Wasser starke Regenfälle über Pazifik Verlagerung des JetstreamTelekonnektionen von ~Dez. bis Mai/Juni Normalbedingungen Passatwinde wehen westwärts warmes Oberflächenwasser nach Australien und Neuguinea kaltes, nährstoffreiches Wasser an Westküste Südamerika Niederschlag im westl. tropischen Pazifik vor allem über Indonesien Southern Oszillation ist der Walker-Zirkulation überlagert

11 9. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Satellitenüberwachung El Niño Ozeanoberflächentemperaturen bestimmt aus thermischen Infrarot Meeresoberflächenhöhe sind aus Altimeter El Nino Ereignis 1997/1998 mit TOPEX/POSEIDON niedriger in Australien höher vor Südamerika

12 9. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Niederschlag Hovmöller Diagramm Südamerika Zentralpazifik

13 9. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Bestimmende ENSO Faktoren Wind (bzw. Druckfeld) Oberflächenströmung SST Strom latenter und fühlbarer Wärme (Intensität der Konvektion) Korrelationsanalyse: stark positive Korrelation zwischen p Darwin und der SST im zentralen und östlichen Pazifik und in Teilen des Indischen Ozeans p Darwin hoch SST hoch ENSO p Darwin niedrig SST niedrig Anti-ENSO La Niña Instabile Wechselwirkungen von atmosphärischer Konvektion, bodennahem Windfeld, ozeanische Strömung und SST Variationen ENSO (El Niño / Southern Oscillation) Bjerknes (1966)

14 9. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ ENSO Variabilität Southern Oscillation Index (SOI) Luftdruckschaukel (Osterinseln/Tahiti und Darwin) Abweichung von deren Differenz (Ost minus West) vom langjährigen Mittel positives Vorzeichen Druck im Osten/Westen über/unter Mittelwert verstärkter Passat, kühlere SST im Ostpazifik negatives Vorzeichen Anzeichen für El Nino Alternativverfahren zum SOI sind der Oceanic Niño Index (ONI), der Multivariate ENSO Index (MEI), der JMA-Index und der TOPEX/Poseidon-El Niño-Index.Oceanic Niño IndexMultivariate ENSO IndexJMA-IndexTOPEX/Poseidon-El Niño-Index

15 9. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Aktuelle Situation des Pazifiks Multi-variater ENSO Index Luftdruck auf Meeresniveau Zonalwindkomponente am Boden Meridionalwindkomponente am Boden SST Lufttemperatur nahe der Oberfläche Bedeckungsgrad

16 9. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Ablauf eines ENSO Ereignisses p= Osterinseln - Darwin x (Schubspannung), Zentralpazifik SST Ostpazifik Korrelationsanalyse Suche der max. Korrelation zwischen den einzelnen Zeitreihen durch sukzessive Zeitverschiebung r max (Δp, τ x ) = bei Δt = 2 Monate r max (Δp, ΔSST) = bei Δt = 4.5 Mon. Änderung des Druckgradienten bewirken zuerst eine Änderung des Windfeldes und danach eine Änderung der SST

17 9. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ ENSO Mechanismus Wechselwirkung von ostwärts laufenden Kelvin-Wellen und westwärts laufenden Rossby-Wellen im Ozean

18 9. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ ENSO Mechanismus Eine äquatoriale Kelvin-Welle ist eine lineare Welle mit entweder erhöhten oder vermindertenTemperaturen. Wellen bewegen sich ostwärts entlang des Äquators mit einer Geschwindigkeit von ca. 2,5 m/s dies entspricht ca. 200 km/Tag Pazifik in 2-3 Monaten Wellenlängen größer als die Wassertiefe. Thermokline dient als Leitlinie Küste lenkt Kelvin-Welle nach Norden und Süden (Küsten- Kelvinwelle) Auslösung einer nach Westen wandernde Rossby-Welle

19 9. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Auswirkungen vom El Nino Januar 98 (El Niño): kaum Chlorophyll Juli 98: hohe Chlorophyll-Konzentration

20 9. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Telekonnektionen

21 9. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Nord-Atlantische Oszillation (NAO) Hense: Klimavariabilität durch interne Wechselwirkungen, Promet, Jahrg. 28, Nr.3/4, 2002 quasiperiodische Schwankungen im Luftdruckfeld über dem Nordatlantik starke negative Korrelation zwischen den ausgeprägten Drucksystemen Islandtief und Azorenhoch Luftdruckunterschied zwischen Stykkisholmur (Island) und südlicherer Station Ponta Delgada (Azoren), Lisabon (Portugal) oder Gibraltar

22 9. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ NAO Einfluss auf globales Klima Korrelation NAO vs Wintertemperatur Korrelation NAO vs Winterniederschlag

23 9. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Nord-Atlantische Oszillation (NAO) Luftdruckgradient zwischen Azoren und Island ist besonders steil Westwinde über dem Nordatlantik vor (Zonalität); feuchte, milde Meeresluft strömt mit wandernden Zyklonenfamilien nach Europa und verdrängt arktische Luftmassen

24 9. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Nord-Atlantische Oszillation (NAO) zonaler Grundstrom schwach, meridionale, blockierende Wetterlagen überwiegen die Winter in Europa werden kälter.

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

26 9. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Quasi-Biennale Oszillation (QBO) sehr regelmäßiger Wechsel von Westwind- und Ostwindregime in der äquatornahen Stratosphäre Extremwerte von -30 bis + 20 m/s, max. in Höhen um 24 km Zyklus im Mittel 26 Monate QBO Signal setzt sich mit ca. 1 km/Monat in niedrigere Höhen fort unsymmetrisch: Westwindphasen meist etwas länger, Ostwindphasen dafür wesentlich intensiver Resultat von Wellen-Wechselwirkungen mit mittlerem Fluss

27 9. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ QBO Muster Zonaler Wind an äquatornahen Stationen (B. Naujokat) Isoplethen in m/s Westwinde in grau Canton Island (Jan 53 - Aug 67) Canton Island (Sep 67 - Dez 75) Gan/Maldiven (Jan 76 - April 85) Singapore (Mai 85 - Aug 1997)

28 9. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ QBO: Zusammenhang mit tropischen Wirbelstürmen Atlantische Hurrikane (v max > 51 m/s) von basierend auf Sep. 50 hPa Winden 9°N,80°W Ost West

29 9. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ Sonnenflecken Dunkle Flecken in Photosphäre Stark magnetische Regionen Dauer von Tagen bis Wochen Photosphärentemperatur kann bis auf 3700 K abfallen Sonnenfleckenzyklus mit ca. 11 Jahren Sonnenflecken haben bevorzugte Bildungslokationen während verschiedener Phasen dieses Zyklus

30 9. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ QBO: Zusammenhang solare Strahlung QBO West QBO Ost Nord-Pol Temp. in 30 hPa

31 9. Januar 2007 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/ QBO und Klima Einfluss auf die Häufigkeit von tropischen Wirbelstürmen Einfluss auf den Monsun Einfluss auf Niederschlag in der Sahel-Zone Wechselwirkung mit ENSO Auswirkungen auf Aerosolgehalt in der Stratosphäre nach Vulkanausbrüchen


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