Das Klima im Computer André Paul

Übersicht Physikalischen Grundlagen des Klimas Einfache Klimamodelle Sonnenstrahlung und Wärmestrahlung Treibhauseffekt Einfache Klimamodelle Planet X Ergebnisse realitätsnaher Klimamodelle

From Apollo 17 flight, 7 December 1972 Land Vegetation Ozean Atmosphäre Eis From Apollo 17 flight, 7 December 1972

Klimamodell

Sonne Natürlicher Antrieb

Erde Wie ist ihre Antwort?

Modellbildung Mathematische Beschreibung Parametrisierung Entweder Analytische Lösung oder Diskretisierung Numerische Lösung

Solarkonstante Strahlungsflussdichte in einem bestimmten Abstand von der Sonne Im mittleren Abstand der Erde von der Sonne (d = 1.496x1011 m): (Wert nach Hartmann 1994)

Ein kugelförmiger Planet blendet aus dem Strahlungsfluss der Sonne gerade die Schattenfläche aus [Abbildung 2.2 aus Hartmann (1994)]. Die Erde empfängt Sonnenstrahlung nur auf einer Halbkugel und so auf dem Empfänger-Querschnitt pi R_Erde^2 einen Strahlungsfluss I_K pi R_Erde^2 (Kraus, Abschnitt 9.3, S. 109).

Sonneneinstrahlung Sonneneinstrahlung für die Erde: Entspricht ungefähr 6 Glühlampen je 60 Watt, die eine Fläche von einem Quadratmeter bescheinen

Reflektierte Sonnenstrahlung Reflektierte Sonneneinstrahlung Erde

Ozean Meereis Landeis Schmelzwasser

Wieviel Sonnenstrahlung wird reflektiert? Wasser: 5-20% Feuchter, dunkler Boden: 5-15% Trockener Boden, Wüste: 20-35% Meereis ohne Schnee: 25-40% Trockener Neuschnee: 70-90%

Die Erdoberfläche reflektiert im Mittel rund 30% der Sonnenstrahlung: Reflexionsvermögen oder “Albedo” (“Wie weiß ist die Erde?”)

Reflektierte Sonneneinstrahlung Was passiert mit der Erdoberfläche? 0.3 Erde

Wärmestrahlung Wärmestrahlung Herdplatte Temperatur Ts

Je höher die Temperatur Ts, desto größer die Wärmestrahlung . Herdplatte Temperatur Ts

von Stefan-Boltzmann: Das Gesetz von Stefan-Boltzmann: s Temperatur T Wärmestrahlung mit der Stefan-Boltzmann- Konstante Ts ist die “absolute Temperatur” in K:

Sonneneinstrahlung Reflektierte Sonnen-strahlung Wärmestrah-lung Erde

Sonnenstrahlung Reflektierte Sonnen-strahlung Wärmestrah-lung Erde

Wie warm wird die Erdoberfläche? Sonneneinstrahlung Reflektierte Sonnen-strahlung Wärmestrah-lung Temperaturänderung?

Hängt ab von von der Wärmekapazität der Erdoberfläche Beispiele: Wasser - cp = 4182 J kg-1 K-1, Boden, anorg. Material - cp ~ 733 J kg-1 K-1 Hängt ab von von der Wärmekapazität der Erdoberfläche von der Zeitdauer, während der die Energiebilanz positiv ist.

Mathematische Gleichung

Parametrisierung Vereinfachte Darstellung komplexer Prozesse

Diskretisierung Zeitliche Diskretisierung: “Euler vorwärts” oder “Forward in Time (FT)”

Numerische Lösung Algorithmus in einer Programmiersprache formulieren

Planet X Aufgabe 1: Berechne den zeitlichen Verlauf der Oberflächentemperatur mit dem Klimamodell planet_x. Schreibe deine Einstellungen und Beobachtungen. Verändere die “Ozeantiefe” zum Beispiel zwischen 10 und 120 m. Wie ändert sich der zeitliche Verlauf? Wie ändert sich die Endtemperatur? Verändere die “planetare Albedo” zwischen 0.058 (Merkur) und 0.71 (Venus). Wie ändert sich die Endtemperatur? Du kannst auch noch mit Zeitschritt, Laufzeit und Anfangstemperatur experimentieren.

Die gemessene Oberflächentemperatur für die Erde ist ungefähr 15°C. Warum ist der Planet X so kalt? Was muss er tun, damit ihm wärmer wird?

Energiebilanz = Energiegewinn - Energiverlust Energieverlust Energiegewinn

Beispiel Treibhaus Energiebilanz = Energieverlust Energiegewinn - Energiverlust Energieverlust Energiegewinn

Treibhauseffekt Energiequelle Energieverlust Energiegewinn

Die Atmosphäre eines Planeten wirkt wie: eine warme Decke das Glasdach eines Treibhauses

Zusammensetzung der Atmosphäre Was die Atmosphäre enthält: Stickstoff (78%) Sauerstoff (21%) Wasserdampf (variabel) Kohlendioxid (1990: 353 ppmv - Teile pro Million nach Volumen) Methan (1990: 1.72 ppmv) Welche Gase verursachen den Treibhauseffekt?

Wir müssen in das Modell des “Planeten X” eine Parametrisierung des Treibhauseffekts einbauen.

Ausstrahlung der Atmosphäre Sonneneinstrahlung „Fensterstrahlung“ Ausstrahlung der Atmosphäre Sonneneinstrahlung Atmosphärentemperatur TA Gegenstrah-lung Reflektierte Sonnen-strahlung Wärmestrah-lung Oberflächentemperatur Ts

Planet X mit Treibhauseffekt Aufgabe 2: Berechne die Oberflächen-und Atmosphärentemperatur mit dem Klimamodell planet_x mit eingestelltem Treibhauseffekt und mit einem “Ausstrahlungsvermögen der Atmosphäre” von 77.5 % (0.775), mit Werten für das Austrahlungsvermögen zwischen 0 und 100 % (1.0).

Planet X mit Treibhauseffekt Um wieviel muss man das Austrahlungsvermögen vergrößern, um eine Erhöhung der Oberflächentemperatur von 15°C auf 18°C zu erreichen?

in jüngerer Vergangenheit seit der industriellen Geschichte des atmosphärischen Kohlendioxids Wert für 2006 = 381 Anstieg von 0.45% pro Jahr in jüngerer Vergangenheit Zunahme um 35% seit der industriellen Revolution CO2-Konzentration in Teile pro Million (ppm) vorindustrieller Wert = 275 Mauna Loa grönlandischer Eiskern Jahr Dennis Hartmann, University of Washington

Vostok, Antarctica Ice Core Data from Petit,et al. (1999), and GISS (2003) Previous Warm Periods Previous Glacial Periods 2000 1990 1980 1970 1960 1750 Vostok, Antarctica Ice Core UW Atmospheric Sciences

Worauf geht der vom Menschen verursachte Treibhauseffekt zurück?

Was wir alles vergessen haben… Kiehl and Trenberth (1997)

Energy Flow in the Climate System UW Atmospheric Sciences

Was wir alles vergessen haben… Zum Beispiel: Wärmetransport durch die Winde die Meeresströmungen Eis-Albedo-Rückkopplung Wolkenrückopplung.

Beobachtetes Druckfeld und Windfeld an der Erdoberfläche [Abb. 5 Beobachtetes Druckfeld und Windfeld an der Erdoberfläche [Abb. 5.4a aus Kraus (2004)].

Falschfarbenbild der Meeresoberflächentemperatur im nordwestlichen Atlantischen Ozean zeigt Wirbel und Strommäander des Golfstroms an der nordamerikanischen Ostküste [s. Abb. 7.9 in Hartmann (1994)]

Rolle des Ozeans: Aufnahme, Transport und Freigabe von Wärme Tiefenwasser- bildung Einheiten sind „Sverdrups“ (Sv, Millionen Kubikmeter pro Sekunde). Beachte Absinken im Nordatlantischen Ozean [Tafel 4b aus Alley et al. (2003)].

Rückkopplungen im Klimasystem Eis-Albedo-Rückkopplung Erhöhe Temperatur Erhöhe solare Absorption Schmelze Eis Eis-Albedo-Rückopplungs- schleife Die Eis-Albedo-Rückkopplung verstärkt die Empfindlichkeit des Klimas um rund 30%. Dennis Hartmann, University of Washington

Wolkentypen

Beispiel für ein Bild aus dem Über der jadegrünen Laguna Verde steht eine einzelne Wolke. Es ist ein Altocumulus, der sich in einer Höhe zwischen 6000 und 7000 Meter befindet. Dieser präsentiert sich langgestreckt, mit glatten Ober- und Unterseiten und hat ein stromlinienförmiges linsen- oder mandelförmiges Erscheinungsbild (lenticularis). Die Überströmung der hier rund 6000 Meter hoch aufragenden Andenberge gibt Anlaß zur Entstehung dieser Wolke. Es werden Wellenbewegungen in der Strömung hervorgerufen, in deren aufsteigendem Ast sich solche lenticularis-Wolken ausbilden. Im Gegensatz zu anderen Wolken, die mit der Strömung verfrachtet werden, verändern zwar auch lenticularis-Wolken unentwegt ihre Form, bleiben aber stationär und werden durchströmt. Der Wind bläst kräftig aus Osten und erreicht selbst am Boden zumindest zeitweise Sturmstärke. In der freien Atmosphäre sind noch höhere Windgeschwindigkeiten anzunehmen. Die Temperatur beträgt hier in 4700 Meter Höhe tagsüber nur wenig über Null Grad C. Trotz hoher Windgeschwindigkeiten gelangen kaum Staubpartikel in die Luft, zudem ist die Luft sehr trocken, entsprechend exzellent die Sicht. © Copyright: Bernhard Mühr Beispiel für ein Bild aus dem „Karlsruher Wolkenatlas“ (www.wolkenatlas.de): Altocumulus, der sich in einer Höhe zwischen 6000 und 7000 befindet.

Rückkopplungen im Klimasystem Wolkenrückkopplung Erhöhe Temperatur Ändere Wolken Ändere Energiebilanz Wolkenrückopplungs- schleife Potentiell wichtig, aber weder Vorzeichen noch Betrag bekannt. ? Dennis Hartmann, University of Washington

Ergebnisse realitätsnaher Klimamodelle “Wie wird das Klima in Bremen gegen Ende des 21. Jarhunderts?”

Dreidimensionales Gitter eines Ozeanmodells [Abbildung 3-30 aus Ruddiman (2001)]

IPCC-Simulationen Bericht des “Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimawandel der Vereinten Nationen” (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) geplant für Anfang 2007 1/4 der gesamten Ressourcen des Deutschen Klimarechenzentrums (DKRZ) für ein Jahr

“Ungestörter” vorindustrieller Klimazustand Klimaentwicklung seit Mitte des 19. Jahrhunderts unter Vorgabe beobachteter atmosphärischer Spurenstoffkonzentrationen (Treibhausgase und Aerosole) Szenarienexperimente zum Klimawandel mit unterschiedlichen Annahmen über zukünftige Konzentrationen atmosphärischer Spurenstoffe Sensitivitätsexperimente mit jährlicher Zuwachsrate der CO 2-Konzentration von 1% angenommen wird

Modellkomponenten atmospärische Komponente ECHAM5 horizontale Auflösung ~200 km (“T63”), 31 Modellschichten ozeanische Komponente MPI-OM regional unterschiedliche Auflösung zwischen ~10 km und ~150 km

Speicherbedarf Umfang der IPCC-Simulationsdaten: ~80 Terabytes, also 80 000 Gigabytes!

Antrieb

Globale Mitteltemperatur

Arktische Eisbedeckung

Ergebnisse Globale Erwärmung gegen Ende dieses Jahrhunderts (relativ zum Mittelwert der Jahre 1961-1990) zwischen 2.5°C und 4.1°C Abnahme der Eisbedeckung zwischen 30% und 50% Arktis könnte gegen Ende dieses Jahrhunderts im Spätsommer eisfrei sein

Ende Notebook!