Wechselwirkungen Ozean – Atmosphäre Was passiert an der

Fortbildungstag der DMG, Fürstenfeldbruck, 30. Mai 2008
Wechselwirkungen Ozean – Atmosphäre
Was passiert an der Grenzschicht?
Detlef Quadfasel
Institut für Meereskunde
KlimaCampus der Universität Hamburg
1
Meeresoberflächentemperatur
Meridionale Verteilung:
Sonneneinstrahlung
Ost-West Asymmetrien:
Ozeanströmungen
- windgetrieben
- dichtegetrieben
Küstennahe Anomalien:
Auftrieb
Tomczak & Godfrey, 2004
Oberflächentemperatur ist repräsentativ für die oberen 10 –
50 m der Wassersäule;
2
in Polarregionen bis 1000 m im Winter
1
El Nino – Southern Oscillation
Walker Circulation
Pazifik
küstennah kaltes
Oberflächenwasser
hoher Wasserstand
tiefe Thermokline
niedriger Wasserstand
flache Thermokline
Thermokline: Grenzfläche zwischen kaltem Tiefen- und warmen Oberflächenwasser
3
El Nino – Southern Oscillation
Westliche Windanomalie März 1997
Führt zu einer Depression der Thermoklinen und erhöhtem Wasserstand, die
sich nach Osten ausbreiten (äquatoriale Kelvinwelle)
4
2
El Nino – Southern Oscillation
Radar Altimeter
Oberflächenauslenkung aus TP Daten
Picaut et al., 2001
http://topex-www.jpl.nasa.gov/education/education.html
5
El Nino – Southern Oscillation
Picaut et al., 2001
6
3
El Nino – Southern Oscillation
Picaut et al., 2001
7
El Nino – Southern Oscillation
Picaut et al., 2001
8
4
El Nino – Southern Oscillation
Picaut et al., 2001
9
El Nino – Southern Oscillation
Picaut et al., 2001
10
5
El Nino – Southern Oscillation
Picaut et al., 2001
11
El Nino – Southern Oscillation
Picaut et al., 2001
12
6
El Nino – Southern Oscillation
Erwärmung des
küstennahen
Oberflächenwassers
geringerer Wasserstand
flachere Thermokline
höherer Wasserstand
tiefere Thermokline
13
El Nino – Southern Oscillation
Äquatoriale Kelvinwelle (1)
4
3
2
1
4
5
3
2
Ausbreitung der
Meeresoberflächenanomalie entlang der
Westküsten (Küstenkelvinwelle) (2)
Abstrahlung von ozeanischen
Rossbywellen (3)
Küstenkelvinwellen im Westpazifik (4)
Äquatoriale Kelvinwelle (Auftrieb), die den
Ausgangszustand wieder herstellt (5)
NINO3 Index: Oberflächentemperatur
im östlichen äquatorialen Pazifik
SOI-Index: Luftdruckdifferenz zwischen
Tahiti und Darwin
14
7
El Nino – Southern Oscillation
Oberflächentemperatur
Niederschlag
15
Physikalische Eigenschaften
Wasserdichte = f (Temperatur, Salzgehalt, Druck)
typisch: 1020 – 1030 kg/m3
Luftdichte = f (Druck, Temperatur, Feuchte)
typisch 1.3 kg/m3
Spezifische Wärmekapazitäten:
cp-Wasser ~ 4100 J/kg K
cp-Luft ~ 1000 J/kg K
Wird 1 m Wassersäule um 1 K
abgekühlt, kann mit dieser
Wärmemenge eine Luftsäule von
3000 m um 1 K erwärmt werden.
16
8
Vertikale Struktur des Ozeans
Deckschicht 10 – 50 m)
Saisonale Thermokline
Tiefenwasser
17
Tomczak & Godfrey, 2004
Vertikale Struktur des Ozeans
54° S
Äqu.
62° N
Temperatur
Nord-Südschnitt im
zentralen Atlantik
WOCE Atlas, 2001
Alle Isothermen (Linien gleicher Temperatur) schneiden die Meeresoberfläche.
Hier besteht Kontakt der Wassermassen mit der Atmosphäre.
18
9
Flüsse an der Meeresoberfläche
Wärmeflüsse
kurzwellige Einstrahlung der Sonne
langwellige Einstrahlung der Atmosphäre (Wolken)
langwellige Ausstrahlung
latente Wärme (Verdunstung)
sensible Wärme (molekulare Diffusion in turbulente Grenzschicht)
Süsswasserflüsse
Niederschläge
Eisschmelze
Eintrag von Land
Verdunstung
Eisbildung
Atmosphäre
Impulsflüsse
Ozean
19
Bestimmung der Oberflächenflüsse
Experimentelle
Prozessuntersuchungen
Solare Einstrahlung
Entwickung von Bulkformeln,
die einfach zu messende
Parameter benutzen.
FSW =f (Solarkonstante,
Zenitwinkel, Feuchte,
Wassertiefe, Transparenz)
Frequenzabhängiges
Eindringen der solaren
Strahlung ins Meer. Energie
am Aussenrand der
Atmosphäre, schwarzer
Strahler, Meeresniveau, 1 cm,
1 m, 10 m, 100m Tiefe.
Dietrich et al., 1975
20
10
Bestimmung der Oberflächenflüsse
Sensibler Wärmefluss
Dietrich et al., 1975
Molekulare Wärmediffusion in der Skin-Layer (einige mm dick)
Transfer ins Innere durch Turbulenz Æ erhöhter Austausch
FSH = -ρ cp <w‘T‘>
FSH = -ρ cp CDH (u10 – u0)(T10-T0)
21
Nettowärmefluss - Klimatologie
22
11
Verdunstung & Niederschlag - Klimatolgie
23
Laminare Grenzschichten
Kantha & Clayson, 2000
24
12
Auftriebsflüsse & Dissipation
Atmosphärische Grenzschicht
Stark turbulent, vertikal durchmischt
Ozeanische Grenzschicht (Deckschicht)
(Tiefen mit Grenzschichtdicke skaliert)
Kantha & Clayson, 2000
25
Langmuir Zirkulation
Wechselwirkung von Oberflächenwellen
(Stokes drift) und winderzeugten
Strömungsanomalien
Leibovich, 2001
26
13
Ekman Spirale
Balance zwischen den Reibungs- und
Coriolistermen
Transport ist 90° nach rechts in
Windrichtung auf der Nordhemisphere.
(nach links auf der Südhemisphäre)
Cushman-Roisin, 1994
27
Ekman Spirale
Geostrophischer Wind
Grenzschicht
In geostrophischen
Strömungen balancieren
sich der Druckgradient und
die Corioliskraft. Die
Strömung ist entlang der
Isobaren.
Geostrophische Ozeanströmung
Ozean
Logarithmische Tiefenskala
Atmosphäre
Kantha & Clayson, 2000
28
14
Kelvin-Helmholtz billows – brechende Interne Wellen
Tankexperiment
Modellexperiment
29
Konvektion
Temperaturprofile in einem
Tank mit linearer Schichtung,
der von unten geheizt wird.
Kantha & Clayson, 2000
30
15
Konvektion & Mischung
Kantha & Clayson, 2000
31
Deckschichtprozesse
32
Moum & Smyth, 2001
16
Deckschichttiefe - Klimatologie
August - Oktober
Februar - April
Tomczak & Godfrey, 2001
33
Spitzbergen
WIND
Grönland
Ei
sk
an
t
e
Kaltluftausbruch im Nordmeer
34
17
Entwicklung der atmosphärischen Bodengrenzschicht
Wassertemperatur
Brümmer, 1996
35
Deckschichtentwicklung im Nordatlantik
Dichte, Sauerstoff- und
Chlorophyllverteilung entlang des
Weges eines autonomnen
profilierenden Drifter (ARGO)
36
18
Oberflächenflüsse und Ozeanzirkulation
Abkühlung
Niederschlag
Erwärmung
Verdunstung
Abkühlung
Niederschlag
37
19