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 23.1 30.1 6.2 Seit wann gibt es flächendeckend verlässliche Daten zu Abschätzung des Klimas Klimaskeptiker: http://www.klimaforschung.net/ Der erste messbare leichte Anstieg erfolgte ca. 1920 als Langwellensender in Betrieb genommen wurden. Der nächste bereits größere Temperaturanstieg wurde ca. 1940 nachgewiesen, als Kurzwellensender hinzu kamen. Ein extrem steiler Anstieg wird seit 1950 gemessen der kontinuierlich mit der Einführung neuen Sendetechniken einher geht. Diese globale Temperaturmessungen zeigen, dass parallel zum ansteigenden Funkverkehr die Klimaerwärmung bis heute um 0,7 Grad angestiegen ist. Die aktuelle Situation in Deutschland ist charakterisiert durch ca. 60 Millionen Handys und ca. 40 000 bis 50 000 Basisstationen. Dazu kommen noch unendlich viele schnurlose DECT-Telefone. Eine Mittelwelle hat ungefähr bis zu 18 Millionen Watt Energie. Ein D 1/D 2-Mast hat maximal 50 Watt, und ein Handy hat 2 Watt. Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

Wiederholung 12. Stunde Was besagt das Hasselmann‘sches 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 Eis und Hebung der Erdkruste Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

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. .. Eis und Hebung der Erdkruste Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

Atmosphärenmodelle EBM (0D-2D) Energiebilanzmodelle - Oberflächentemperatur Ts 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 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

EBM: Energiebilanzmodell TE=255 K Photosphäre α=30% TSonne=5783 K ~240 W/m² absorbiert TSi~106K So=1373 Wm-² 1373 W/m² 6·107Wm-² TS = 288 K Beispiel: Venus S = 2619 W/m2 a = 0.7 Te = 242 K; Ts=730 K ; dt auch durch adiabatisches absinken 343 Wm-² TS = TE + ΔT Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

EBM: Bedeutung der Albedo Algenblüte TS = TE + ΔT ~ 288 K α TE /K ΔT/K 0.1 271 17 0.3 255 33 0.5 235 53 ..aber bei einer anderen Albedo würde sich eine andere Oberflächentemperatur Ts einstellen Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

EBM: Bedeutung der Albedo Q αQ τFs Fa t Transmissivität der Atmosphäre thermische Abstrahlung t Ta t Ts /K Ta /K 0.0 303 255 0.2 290 230 0.4 279 206 Fs Fa Ts Energiebilanz Erdoberfläche Atmosphäre Bei einer durchschnittl. Ober- flächentemperatur von 288 K ist die Transmissivität t = 0.225 die Emission  = 0.775 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

EBM: Energiebilanzmodell C Wärmekapazität R↓ abwärts gericht. Strahlungsfluss R↑ aufwärts " " Q Solarer Input (=So/4 ~ 342 Wm-2) α Albedo = f(Eis, Schnee, Wolken..) t Transmissivität der Atmosphäre AE Fläche der Erde (5. 1·10x14 m2) Δz Dicke der ozean. Deckschicht (70 m) w Dichte von Wasser (103 kg m-3) cw spez. Wärmekap. Wasser (4200 Jkg-1K-1) Änderung der global gemittelten Oberflächentemperatur T über Zeitraum Δt auf der Erde ist Wärmekapazität i. W. vom Ozean bestimmt Beispiel:Scwimmingpool 0.7 0.3 Δz Ozean Land Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

EBM: Energiebilanzmodell Taylor-Entwicklung um den Referenzzustand To mit Zeitkonstante τ Lineare Differentialgleichung 1.Ordnung Beispiel:Scwimmingpool Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

EBM: Energiebilanzmodell Einstellzeit für das thermische Gleichgewicht mit B~1.15 Wm-2 K-1 C (J m-2 K-1] τ (Jahren) Atmosphäre 107 0.28 Deckschicht (70 m) 2·108 5.5 Oberer Ozean (360 m) 109 27.5 Gesamter Ozean (3900 m) 1.6·1010 440 Beispiel:Scwimmingpool Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

EBM: Energiebilanzmodell Beispiel:Scwimmingpool von Storch, Güss und Heiman, 1999 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

EBM: Energiebilanzmodell Gleichgewichtslösung (weder Erwärmung noch Abkühlung) Gesucht: T = f (t,To,αQ,C,..) α Eis 0.5 0.1 kein Eis 273 303 T/K R Q(1-α) 342 Wm-2 heutiges Klima Beispiel:Scwimmingpool T4 T/K Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

Box-Modell Atmosphäre-Ozean K=10-4m2s-1; h=70m großer Einfluss der Diffusionsparametrisierung K=10-3m2s-1; h=110 m Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

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 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

1D Energiebilanzmodelle Mc Guffie and Henderson-Sellers,1997 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

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

EBM: Daisyworld http://www.gingerbooth.com/courseware/daisy.html konzeptuelles biophysikalisches Modell der Temperaturregulierung der Erde durch die Landbiosphäre [Watson and Lovelock, Tellus, 35B, 249-262] Erdoberfläche aufgeteilt in 3 Segmente (l=b,s,w): - nackte Oberfläche mit Albedo αb = 0.5 - schwarze Lilien („Daisies“) mit αs = 0.1 - weisse Lilien mit Albedo αw = 0.9 Planetare Albedo: αp = fb αb + fs αs + fw αw Planetare Temperatur abhängig von Hellogkeitsfaktor L Lokale Temperatur über den 3 Bereichen abhängig vom Mischungsfaktor R „Temperaturmischung“ zwischen den verschiedenen Bereichen: - R = 0 perfekte Mischung → Tl = Tp, - R=1 therm. Isolation der Bereiche (jeder einzeln im Strahlungsgleichgew.) Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

Daisyworld Beispiel für Rückkopplung mit der Vegetation Wachstumsmodell für Lilien Wachstumsrate abhängig von der lokalen Temperatur Tl: für Tmin < Tl < Tmax 0 sonst Flächenbedeckung durch die Lilien AI (l = s,w) mit Sterberate dI Es gibt immer eine minimale Lilienbedeckung (Al ≥= 0.01) Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

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? Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

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

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 Ruddiman, 2001 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

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

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

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

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 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

GCM: Validierung Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

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) Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

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