Vorbesprechung Das Klimasystem und seine Modellierung (05-3103) – André Paul

Slide 1: The Blue Marble. Good evening! Thank you for being here. We live in interesting times. We live in that era when humans, because of our industrial capacity and our sheer numbers have reached the point where our actions can compete with the natural capacities of Earth to recycle the elements of life. Global warming refers to the idea that humans are changing the climate and increasing the temperature at the surface of the Earth. is one symptom of this era, which is well symbolized by this image from the Apollo 17 flight in taken in December 7 1972 (Pearl Harbor Day 1972). More than 30 years ago,.

Lehrveranstaltungen Das Klimasystem und seine Modellierung B.Sc., 3. Studienjahr, Vertiefungsmodul I und II, 05-3103, WiSe Projektübung Klimamodellierung B.Sc., 3. Studienjahr, Vertiefungsmodul III, 05-3034, SoSe

Lehrveranstaltungen Earth system modelling M.Sc., 1st year, core field “Climate Change”, module “Climate Modelling”, 05-5121, Winter term Modelling past and future climate changes M.Sc., 1st year, core field “Climate Change”, module “Climate Modelling”, 05-5122, Summer term Abrupt climate change M.Sc., 1st year, core field “Climate Change”, module “Climate Dynamics”, 05-5112, Summer term

Empfohlene Literatur Dietrich, Günter, Kurt Kalle, Wolfgang Krauss, Gerold Siedler, "Allgemeine Meereskunde", Gebrüder Borntraeger, Berlin, Stuttgart, 1975. Hartmann, Dennis L., "Global Physical Climatology", Academic Press, San Diego, 1994. Kraus, Helmut, "Die Atmosphäre der Erde. Eine Einführung in die Meteorologie", Springer, Berlin, Heidelberg, 2004. Stocker, T., 2004, Skript zur Vorlesung “Einführung in die Klimamodellierung”, 141 Seiten. PDF (16 MB), http://www.climate.unibe.ch/~stocker/papers/skript0405.pdf von Storch, Hans, Stefan Güss, Martin Heimann, "Das Klimasystem und seine Modellierung. Eine Einführung", Springer, Berlin, Heidelberg, 1999.

Vorlesungsplan Einführung in das Klimasystem Die globale Energiebilanz Konzeptionelle Klimamodelle: Das 0-dimensionale Energiebilanzmodell Atmosphärischer Strahlungstransport und Klima Konzeptionelle Klimamodelle: Das Strahlungs-Konvektions-Modell Wärmehaushalt der Erde Wasserhaushalt der Erde (hydrologischer Kreislauf)

Vorlesungsplan Klimaempfindlichkeit und Rückkopplungsmechanismen Allgemeine atmosphärische Zirkulation und Klima Allgemeine ozeanische Zirkulation und Klima Konzeptionelle Klimamodelle: Das 1-dimensionale Energiebilanzmodell Realitätsnahe globale Klimamodelle

Computerübungen Das 0-dimensionale Energiebilanzmodell (global gemittelt) Das Strahlungs-Konvektions-Modell (vertikale Erstreckung) Das 1-dimensionale Energiebilanzmodell (meridionale/Nord-Süd-Erstreckung)

Benotung Übungsaufgaben (~14-tägig) Kolloquium in letzten Vorlesungswoche (6.-10. Februar) in 2er-Gruppen

Website http://www.palmod.uni-bremen.de/~apau/klima/Material_zur_LV.html

Einführung in das Klimasystem Das Klimasystem und seine Modellierung (05-3103) – André Paul

Einführung in das Klimasystem Lufttemperatur Zusammensetzung der Luft Hydrostatisches Gleichgewicht Luftfeuchtigkeit Der Weltozean Meereis und Landeis Die Landoberfläche

1. Klima „Klimaelemente“: Erwartungswerte der meteorologischen Elemente an einem Ort während eines bestimmten Zeitraums, z. B., Jahresmittel, Verteilung im Jahresgang oder zwischenjährliche Variabilität Von Storch et al. (S. 5): Das Klima im herkömmlichen Sinne beschreibt die über einen langen Zeitraum gemittelten Eigenschaften der unteren Atmosphäre (Temperatur, Wind, Strahlung, Feuchte, Bewölkung und Niederschlag). Hartmann (p. 1): Climate can be defined using the expected values of the meteorological elements at a location during a certain month or season. Usually the values of the “climatic elements” such as average temperature, precipitation, wind, pressure, cloudiness, and humidity are employed at the surface of the Earth. More information than the annual means are required: the distribution through the year or the interannual variability.

Meteorologische Elemente Physikalische Grundgrößen, die von Raum (x,y,z) und Zeit (t) abhängen (Feldgrößen). Druck p Dichte r Temperatur T Feuchte q (Niederschlag P) Windgeschwindigkeit u Siehe Kraus, Die Atmosphäre der Erde, S. 21.

Wetter Bremen (Mo, 17.10., 08:00) 5°C °C, fast wolkenlos, 92% Luftfeuchtigkeit Niederschlag  : 0.0 l/m2 in 12 Std. Wolken: Untergrenze 1500 - 2000 m, Bedeckung 1/8, Gattung “Sc” Windgeschwindigkeit: 14 km/h Luftdruck (hPa): 1031, Tendenz (hPa in 3 Std.): + 0,3

Das Klimasystem bestimmt die Verteilung von Energie und Wasser nahe der Erdoberfäche. Blick auf die Erde aus dem All (Apollo Saturn, AS10, NASA, 18-26 Mai 1969) [Abbildung 1.1 aus Hartmann (1994)] Literatur: Kapitel 1 aus Hartmann, D. L., Global Physical Climatology, Academic Press, San Diego 1994.

2. Lufttemperatur Globales Mittel der Lufttemperatur an der Erdoberfläche: 288 K oder 15°C oder 59°F Temperaturbereich (niedrigste bzw. höchste Tagestemperaturen): von -89.2°C am 21. Juli 1983 in Vostok, Antarktis (3420 m NN) bis 58°C am 13. September 1922 in El Asisija, Libyen (112 m NN) Siehe Website des DWD: http://www.dwd.de/de/wir/Interessantes/Rekorde/Lufttemperatur/welt.html

Zunahme aufgrund Absorption von UV-Strahlung Abnahme zwischen ungefähr 50 und 100 km Höhe Zunahme aufgrund Absorption kurzwelliger strahlung durch Ozon Abnahme der Temperatur mit einer Rate von Kraus, Kapitel 10, Der Aufbau der Atmosphäre Aufbau der Atmosphäre definiert an Hand eines mittleren vertikalen Temperaturprofils für 15°N [Abbildung 1.2 aus Hartmann (1994); Daten aus U.S. Standard Atmosphere Supplements (1966)]

Abhängigkeit von der geographischen Breite In mittleren und hohen Breiten: Temperatur der unteren Stratosphäre nahezu unabhängig von der Höhe Mittlere Temperaturprofile für die unteren 20 km der Atmosphäre in drei Breitenzonen [Abbildung 1.3 aus Hartmann (1994); Daten von Oort (1983)]

Abhängigkeit von der Jahreszeit Im Winter und Frühling in hohen Breiten: Temperatur nimmt in der unteren Troposphäre mit der Höhe zu (Temperatur-Inversion) Oberfläche strahlt langwellige Strahlung besser ab als Luft Wärme wird aus niedrigen Breiten importiert Jahreszeitliche Schwankung der vertikalen Temperaturprofile auf 75°N [Abbildung 1.4 aus Hartmann (1994); Daten von Oort (1983)]

Bodennahe Lufttemperatur übersteigt 26°C nahe dem Äquator Große jahreszeitliche Schwankung auf der Nordhalbkugel (mehr als 25°C) Bodennahe Lufttemperatur als Funktion der geograpischen Breite für Januar, Juli und im Jahresmittel (°C) [Abbildung 1.5 aus Hartmann (1994); Daten von Oort (1983)]

Kontinente im Inneren im Winter kälter deutlich als ozeanische Gebiete, im Sommer deutlich wärmer Oberflächennahe Lufttemperatur (°C) im Januar (a) und im Juli (b) [Abbildung 1.6 aus Hartmann, Daten von Shea (1986)]

Oberflächennahe Lufttemperatur (Daten aus der NCEP-Reanalyse) Nordwinter (Dezember-Januar-Februar) Nordsommer (Juni-Juli-August)

Große jahreszeitliche Schwankung im Inneren Nordamerikas und Asiens Geringe jahreszeitliche Schwankung auf der Südhalbkugel (größerer Ozeananteil) Amplitude des Jahresgangs der Oberflächentemperatur [Abbildung 1.7 aus Hartmann (1994); Daten von Shea (1986)]

3. Zusammensetzung der Luft Luftzusammensetzung wichtig für Wechselwirkung mit Strahlungsenergie Trockene Luft besteht hauptsächlich aus Stickstoff (78%) und Sauerstoff (21%) Die wichtigsten klimawirksamen Gase sind Wasserdampf, Kohlendioxid und Ozon Kraus, Abschnitt 5.1

[Tabelle 1.1 aus Hartmann (1994); Daten von Walker (1977)]

4. Hydrostatisches Gleichgewicht Die vertikale Kräftebilanz (Schwerkraft gleich Druckgradientenkraft) pro Masseneinheit lautet: Siehe Kraus, Die Atmosphäre der Erde, S. 26, “statische Grundgleichung”, die aus der einfachen Vorstellung einer Luftschicht folg (Bild 5.1). g=9.806 m s-2: Schwerebeschleunigung.

Die Zustandsgleichung eines idealen Gases verknüpft p: Druck, r: Dichte, R=287.04 J kg-1 K-1: Gaskonstante für trockene Luft und T: Temperatur. Es gilt oder

Einsetzen in die vertikale Kräftebilanz (1) liefert oder

Mit der Skalenhöhe ergibt sich die Differentialgleichung

Barometrische Höhenformel Wenn die Atmosphäre isotherm ist, also die Temperatur und mit ihr die Skalenhöhe konstant sind, dann ergibt sich für den hydrostatischen Druck der Ausdruck: Kraus, Die Atmosphäre der Erde, S. 27/28 Fall a), T=const, isotherme Atmosphäre. Fall b), linearer Ansatz für die Temperatur wobei ps der Oberflächendruck ist. Die Skalenhöhe beträgt für eine mittlere Temperatur der Erdatmosphäre von 255 K rund 7500 m.

Beziehung zwischen Masse und Druckunterschied Die vertikale Kräftebilanz (1) lässt sich auch wie folgt schreiben: d.h. die Masse dm zwischen zwei um dz verschiedenen Höhenflächen ist proportional zum Druckunterschied dp.

Statische Grundgleichung: Vertikale Komponente der Druckgradientenkrtaft = Schwerkraft Exponentielle Abnahme mit der Höhe Untere Atmosphäre am Wichtigsten für Klima Druck (~Masse) nahe der Oberfläche am größten Vertikalprofile des Luftdrucks und des Partialdrucks von Wasserdampf (jeweils normiert auf 1013.25 hPa und 17.5 hPa) [Abbildung 1.8 aus Hartmann (1994)]

5. Luftfeuchtigkeit Die Atmosphäre muss das von der Oberfläche verdunstete Wasser (Quelle) zu den Regengebieten (Senke) transportieren Wasserdampf ist das wichtigste Treibhausgas und bildet Wolken

Rasche Abnahme mit der Höhe und der geographischen Breite Wasserdampf an der Oberfläche konzentriert Warme Luft kann mehr Wasserdampf aufnehmen Spezifische Luftfeuchtigkeit (g/kg) [Abbildung 1.9 aus Hartmann (1994); Daten from Oort (1983)]

6. Der Weltozean bedeckt rund 71% der Erdoberfläche (mittlere Tiefe: 3700 m) enthält 97% allen Wassers auf der Erde kann große Wärmemengen aufnehmen und abgeben trägt zur Hälfte zum Wärmetransport vom Äquator zu den Polen bei ist die Quelle (fast) allen Wasserdampfs

[Tabelle 1.2 aus Hartmann (1994)]

Deckschicht („mixed layer“, ~oberflächennahe Lufttemperatur) Thermokline (~1 km) Zwischen- und Tiefenwasser Vertikalprofile der mittleren Temperaturen (°C) [Abbildung 1.10 aus Hartmann (1994); Daten von Levitus (1982)]

Beispiel für ein CTD-Profil (einmalige Punktmessung) Deckschicht Beispiel für ein CTD-Profil (einmalige Punktmessung) Thermokline 23°S, 11°30‘ E (GeoB 84121) 13.3.2003 METEOR-Reise M57-2 Daten von Volker Mohrholz und Toralf Heene (IOW)

Stationen und Fahrtroute M57/2 Kranzwasserschöpfer mit CTD des IOW

Zusammensetzung des Meerewassers [Tabelle 1.3 aus Hartmann (1994]

Subtropen: P < E, hoher Salzgehalt. Mittlere und hohe Breiten: P > E, geringer hoher Salzgehalt. Salzgehaltsbereich: 32-38 Salzgehalt beeinflusst Dichte des Meerwassers Vertikalprofile des mittleren Salzgehalts [Abbildung 1.11 aus Hartmann (1994); Daten von Levitus (1982)]

7. Meereis und Landeis Etwa 2% des Wassers der Erde ist gefroren Für das Klima ist nicht die Dicke, sondern die Ausdehnung des Eises wichtig (Eis-Albedo-Effekt)

[Tabelle 1.4 aus Hartmann (1994]

8. Die Landoberfläche Klima (Temperatur und Bodenfeuchte) bestimmt natürliche Vegetation und landwirtschaftliches Potential Vegetation, Schneebedeckung und Bodenbeschaffenheit beeinflussen das lokale und globale Klima

70% der Landfläche liegen auf der Nordhalbkugel Klimate der Nord- und Südhalbkugeln sind deutlich verschieden Bruchteil der landbedeckten Oberfläche einer Breitenzone (durchgezogene Linie) und Beitrag jeder Breitenzone zur globalen Landoberfläche (durchgezogene Linie). [Abbildung 1.12 aus Hartmann (1994)]

Gebirgszüge beeinflussen Klima Himalaya Rocky Mountains Anden The arrangement and orientation of mountain ranges are key determinants of climate in land areas. The Northern hemisphere has much more dramatic east-west variations in continental elevation, e.g., the Himalaya and Rocky Mountains. Topographie der Erde (m) [Abbildung 1.13 aus Hartmann (1994)]

[Tabelle 1.5 aus Hartmann (1994)] Klima bestimmt Landnutzung [Tabelle 1.5 aus Hartmann (1994)]