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 16.1 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 10. Stunde 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? Abgesehen von Tages- und Jahresgang sind externe Klimaschwankungen auf Zeitskalen unterhalb 1000 Jahren marginal gegenüber Interner Klimavariabilität Wie erhöht sich die Dichte von Meewasser (Wärmeabgabe, Salzzufuhr) Vert. integrierter Massentransport. , peruanische Küste, nördliche Winde -> Transport weg von der Küste (7 k kälter als vergleichbare Breite) Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

Zukünftige Entwicklung 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

Temperaturspektrum - bodennah - Komposit - interne Energie Ruddimann, 2001 http://www.whfreeman.com/ruddiman/ starke freie Variabilität innerhalb des Systems Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

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. 1010 Periode in Jahren 10-4 Temperaturspektrum aus freien Klimamodellierungen (ohne Trend) Beobachtungen: 1861 to 1998 aus IPCC, 2001 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

Klimavariabilität schematisch Klimavariabilität resultiert aus komplexen Wechsel-wirkungen erzwungener und freier Variationen Klimasystem ist - dissipativ - hoch nichtlinear - viele Quellen der Instabilität Mitchell, J. M., 1976. An Overview of Climatic Variability and Its Causal Mechanisms. Quaternary Research 6, 481-493. Externe Parameter http://www.ncdc.noaa.gov/paleo/forcing.html 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. http://www.ngdc.noaa.gov/paleo/ctl/about1.html Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

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. 12-15 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 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

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) Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

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

ENSO Phänomen http://www.tsgc.utexas.edu/topex/activities/elnino/sld001.html Southern Oszillation ist der Walker-Zirkulation überlagert 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 El Nino ("das Christkind") schwache Passatwinde warmes, nährstoffarmes Wasser starke Regenfälle über Pazifik Verlagerung des Jetstream →Telekonnektionen von ~Dez. bis Mai/Juni Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

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 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

Niederschlag Hovmöller Diagramm Zentralpazifik Südamerika Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

Bestimmende ENSO Faktoren Wind (bzw. Druckfeld) Oberflächenströmung SST  Strom latenter und fühlbarer Wärme (Intensität der Konvektion) Instabile Wechselwirkungen von atmosphärischer Konvektion, bodennahem Windfeld, ozeanische Strömung und SST Variationen → ENSO (El Niño / Southern Oscillation) Bjerknes (1966) Korrelationsanalyse: stark positive Korrelation zwischen pDarwin und der SST im zentralen und östlichen Pazifik und in Teilen des Indischen Ozeans pDarwin hoch  SST hoch  ENSO pDarwin niedrig  SST niedrig  Anti-ENSO La Niña La Nina Australia's strongest recent examples were in 1973-74 (Brisbane's worst flooding this century in January 1974) and 1988-89 (vast areas of inland Australia had record rainfall in March 1989). Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

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 http://www.enso.info/ Alternativverfahren zum SOI sind der Oceanic Niño Index (ONI), der Multivariate ENSO Index (MEI), der JMA-Index und der TOPEX/Poseidon-El Niño-Index. Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

Aktuelle Situation des Pazifiks Multi-variater ENSO Index Luftdruck auf Meeresniveau Zonalwindkomponente am Boden Meridionalwindkomponente am Boden SST Lufttemperatur nahe der Oberfläche Bedeckungsgrad http://www.cdc.noaa.gov/ENSO/enso.current.html http://www.cpc.noaa.gov/products/analysis_monitoring/enso_advisory/ Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

Ablauf eines ENSO Ereignisses Dp= Osterinseln - Darwin Korrelationsanalyse Suche der max. Korrelation zwischen den einzelnen Zeitreihen durch sukzessive Zeitverschiebung rmax(Δp,τx) = -0.65 bei Δt = 2 Monate rmax(Δp, ΔSST) = -0.83 bei Δt = 4.5 Mon. Änderung des Druckgradienten bewirken zuerst eine Änderung des Windfeldes und danach eine Änderung der SST x (Schubspannung), Zentralpazifik DSST Ostpazifik Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

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

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 ausgelöst. Diese werden im Westen des Pazifiks reflektiert und kehren als Kelvinwellen nach Osten zurück. Dieses Mal transportieren die Kelvinwellen ein Abkühlungssignal, Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

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

Telekonnektionen Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

Nord-Atlantische Oszillation (NAO) 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 http://www.met.rdg.ac.uk/cag/NAO/index.html Hense: Klimavariabilität durch interne Wechselwirkungen, Promet, Jahrg. 28, Nr.3/4, 2002 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

NAO Einfluss auf globales Klima Korrelation NAO vs Wintertemperatur Korrelation NAO vs Winterniederschlag http://www.ldeo.columbia.edu/NAO/ Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

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 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

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

http://www.palmod.uni-bremen.de/~gerrit/coral/KREISE1.jpg Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

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 http://www.cpc.noaa.gov/data/indices/ Resultat von Wellen-Wechselwirkungen mit mittlerem Fluss Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

QBO Muster 10 Zonaler Wind an äquatornahen Stationen (B. Naujokat) 100 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) Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

QBO: Zusammenhang mit tropischen Wirbelstürmen Ost West Atlantische Hurrikane (vmax > 51 m/s) von 1949-88 basierend auf Sep. 50 hPa Winden 9°N,80°W Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

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 http://sohowww.nascom.nasa.gov/hotshots/2001_11_06/ Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

QBO: Zusammenhang solare Strahlung Nord-Pol Temp. in 30 hPa 1956-1986 QBO Ost 1956-1986 QBO West Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

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 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007