Einfache Klima-Modelle Kurzvortrag von Sven Eiermann im Seminar zur Vorlesung „Theoretische Meteorologie III-2 (Atmosphärische Strahlung und Optik)“

Übersicht Einführung Modell-Klassen Energiebilanz-Modelle - Eis-Albedo-Rückkopplung - 2-Schichten-Modell mit hohen Wolken Daisyworld-Modell

Einführung Globales Klimasystem umfasst 3 Hauptkomponenten: Atmosphäre Ozeane Kryosphäre (von Eis bedeckte Oberfläche) Nichtlineare gekoppelte partielle DGLs sind die Ausgangsgleichungen viele Rückkopplungseffekte (Bsp.: EisAlbedo) Nichtlineare Wechselwirkungen der Subsysteme teilweise nicht gut simulierbar, da Rechenleistung beschränkt

Einführung Rand- und Anfangsbedingungen aus Beobachtungen teilweise nicht vorhanden oder ungenau Vereinfachungen und Spezialisierungen erforderlich für brauchbare Ergebnisse! 2 wesentliche Charaktaristika eines Klimamodells: Physikalisch: Grad der Vereinfachung Mathematisch: zeitl. u. räuml. Auflösung

Die Modell-Klassen 1.) 1-dimensionale Strahlungsbilanz-Modelle - Horizontal gemittelt, aber mehrere Schichten - Nützlich, um Strahlungseffekte zu berechnen 2.) 1-dimensionale Ozeanmodelle mit Diffusion - Wärmeaustausch mit Ozean und Landoberfläche - Thermohaline Zirkulation 3.) 1-dimensionale Energie-Bilanz-Modelle - Nur Variation mit geogr. Breite, ansonsten gemittelt - Prozesse des N-S-Wärmeausstauschs (Atmosphäre + Ozean) gewöhnlich durch Diffusion simuliert - Nützlich, um Rückkopplungs-Wechselwirkungen zu simulieren

Die Modell-Klassen 4.) 2-dimensionale Atmosphären+Ozean-Modelle - Erlauben realistischere Berechnungen des Wärmetransports als 1-dimensionale 5.) 3-dimensionale allgemeine Zirkulationsmodelle (engl.: General Circulation Models (GCMs)) - Am komplexesten von allen Modellen - Atmosphäre und Ozeane in horizontalem Gitter mit 2-4° Auflösung und 10-20 Schichten vertikal - Simulieren viele Prozesse

Die Auflösung der Modelle

Energiebilanz-Modelle

Gleichgewichtstemperatur

Eis-Albedo-Rückkopplung Parametrisierung der Albedo: α = m - n∙T Energiebilanz-Gleichung wird zu: Instabil, wenn Aufheizung durch Rückkopplung (linker Term) größer als Abstrahlungsterm rechts! ~T

Zweite Modellschicht: Hohe Wolken c є [0,1]: Wolkenbedeckung

Gleichgewichtstemperatur

Das „Daisyworld“-Modell Daisy (engl.) = Gänseblümchen Computersimulation eines hypothetischen Planeten, der einen sonnenähnlichen Stern umkreist Nur zwei Arten von Lebewesen: Weiße Daisies (reflektieren Licht) Schwarze Daisies (absorbieren Licht)

Das „Daisyworld“-Modell Beide Arten haben selbe Wachstumskurve Strahlungsleistung des Sterns (der Sonne) wird langsam erhöht Zu Beginn: Mehr schwarze Daisies (weil wärmer) Durch Temperaturanstieg können nun auch weiße Daisies wachsen Temperatur steigt über Optimum für schwarze Daisies => Weiße Daisies überholen schwarze Daisies Es stellt sich ein Gleichgewicht ein!

Das „Daisyworld“-Modell

Das „Daisyworld“-Modell

Klima auf dem eigenen PC: http://climateprediction.net

Quellen IPCC: http://www.ipcc.ch/graphics/gr-ar4-wg1.htm Jose P. Peixoto, Abraham A. Oort (1992): „Physics of Climate“ T. Stocker, Uni-Bern (2007): „Einführung in die Klimamodellierung“ (www.climate.unibe.ch/~stocker/papers/skript0405-1.pdf) FUTURE CLIMATE CHANGE & GLOBAL CLIMATE MODELS (http://www.staffs.ac.uk/schools/sciences/geography/staff/harrist/landev/lect21notes.htm) Mark Wittwer (2005): „Daisyworld Modelling and Feedback Mechanisms“ (www.sese.uwa.edu.au/__data/page/96394/Wittwer_2005.pdf) Titelbild: WIKIPEDIA: http://en.wikipedia.org/wiki/Climate_model