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Wiederholung 5. Stunde Was sind die Milankovitch-Zyklen? Wie unterschied sich die solare Einstrahlung vor 115 kyr zu Beginn der letzten Eiszeit (Glazial) von heute? Wie sieht die globale Strahlungsbilanz als - Funktion der geographischen Breite aus? - Funktion der Höhe aus? Was ist das Strahlungs-Konvektionsgleichgewicht? Wie war die erste Klima-Vorhersage von Manabe und Wetherald, 1967? Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 14. November 2006 1 Solare Variation Ergebnisse Nairobi Konferenz http://www.rp-online.de/public/article/aktuelles/politik/ausland/377638 http://www.sueddeutsche.de/,gl1/wissen/artikel/76/91984/ Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 14. November 2006 2 Erste Vorhersagen zum Einfluss von CO2 300 ppm typischer Wert um 1960 Verdopplung des CO2-Gehaltes bedeutet eine Erhöhung der Bodentemperatur um 1.4 bis 3.0 K, je nach Behandlung des Wasserdampfes 1.) Festhalten der absoluten Feuchte ρw 2.) Festhalten der relativen Feuchte RH CO2 Änderung konstante RH konstante ρw 300 auf 150 -2 K -1K 300 auf 600 +3.0 K +1.4 K Manabe and Wetherald, 1967 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 positive Wasserdampfrückkopplung wesentliche Rolle des Wasserdampfes! 14. November 2006 3 Horizontale Energietransporte Vertikal gemittelte, aber horizontal variable Energiebilanz des Klimasystems ed 1 QLW H E QSW t p0 H ed HE Energiedichte im Gesamtklimasystem (Jm-2] horizontaler, 2-dim. Transport vonm ed H H I B dp 0 ed (c pT Lq) c0T0 0 dz I (cI TI LI )dz B cBTB dz g 0 0 0 0 Atmosphäre Ozean Eis Boden Gesamtenergietransport durch die beweglichen Komponenten des Klimasystems, aufteilbar in mittlere Strömung und turbulente Eddies („Wetter“ synoptische Eddies in Atmosphäre und Ozean) Betrachtung von langjährigen Jahresmitteln: ed 0 t 1 QLW H E QSW Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 vertikal und langjährig gemittelte Energiehaushaltsgleichung des Klimasystems 14. November 2006 4 Räumliche Verteilung der Strahlungsbilanzkomponenten S S 1 p ( , ) S ( ) Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 Netto thermische Ausstrahlung 14. November 2006 5 Räumliche Verteilung der Strahlungsbilanzkomponenten Transporte zur Umverteilung! ISCCP Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 Quelle: Hartmann, D. L., Global Physical 1994 14.Climatology, November 2006 6 MODIS Klimatologie Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 14. November 2006 7 Kontraste in zonaler Richtung Saharaanomalie hohe Bodenalbedo (Sand) → relatives Minimum der solaren Einstrahlung hohe Temperaturen, hohe Trockenheit: solare Energie kann nicht zur Verdunstung von Wasser eingesetzt werden (Bowenverhältnis LE/H < 1) → hohe thermische Ausstrahlung negative Strahlungsbilanz positive Anomalien über tropischen Kontinenten und indonesischem Archipel (geringe thermische Ausstrahlung in Folge hoher Wolken) negative Anomalien über ozeanischen Auftriebsgebieten (hohe Reflektion durch niedrige Stratusbewölkung) Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 14. November 2006 8 Zonal gemittelte Strahlungsgleichgewichtstemperaturen TE: meridionaler Temperaturgradient von 100 K zwischen Pol-Äquator TS & TBoden: nur 50K Unterschiede müssen auf horizontale (vor allem meridionale) Energietransporte zurückzuführen sein TE TS berechnete Strahlungsgleichgewichttemperatur gemessene Strahlungstemperatur Analogie zum 1-dim. vertikal aufgelöstem Fall horz.&vert. gemittelt: energetische Überschüsse Tropen/Subtropen Bodennähe Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 14. November 2006 9 Bestimmung von HE aus der Strahlungsbilanz Helmholtztheorem: H E H E ,D H E ,R H E e r Geschwindigkeitspotenzial (divergenter Anteil) einsetzen in: Stromfunktion (rotationeller Anteil) 1 QLW H E QSW 2 ( , ) Q Poissongleichung: Lösung in Kugelgeometrie durch Darstellung mit Kugelfunktionen Strahlungsbilanz > 0 S Energietransport N Energietransport Strahlungsbilanz < 0 S Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 N 14. November 2006 10 Globale Verteilung von χ und HE,D χ Potentialfunktion farbig (W) HE,D divergenter Energietransportvektor Pfeile (W/m) maximale Transporte ca. 2·108 Wm-1 (vertikal-integrierte Energieflussdichte) über den „0-Strahlungsbilanz-Breitengrad“ werden ca. 6·1015 W transportiert aus ISCCP Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 14. November 2006 11 Zonal gemittelter Energietransport (nordwärts) Quellregion max. Transporte SH Senke NH Peixoto and Oort, 1992 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 14. November 2006 12 Energietransport: Zonale Asymmetrien Senken: 1.) Sahara-Region 2.) Amazonas-Gebiet Quellen: Tropen/Subtropen (v.a. Indonesischer Raum) ISCCP Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 14. November 2006 13 Das energetische Bild des irdischen Klimasystems Erstellung eines zusammenfassenden Bildes der notwendigen vertikalen und horizonalen Transporte 2D-Betrachtung (vertikal gemittelt) Tropen als Quellregion der Energietransporte mittlere Breiten (Strahlungsbilanz ~ 0) als Transportregion polare/subpolare Breiten als Senkregionen der Energietransporte vertikale Betrachtung (horizontal gemittelt) Boden (=Ozean, Eis, Biosphäre, feste Erde) als Quellregion Troposphäre als Senkregion Stratosphäre im Strahlungsgleichgewicht (nur geringe Vertikaltransporte) aufgrund hohem Bowenverhältnis (LE/H ~ 5) → tropische Ozeane als (überwiegende) Quelle der Energietransporte Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 14. November 2006 14 Das energetische Bild des irdischen Klimasystems Konsequenzen der Verdunstung über den tropischen Ozeanen 1.) durch Kondensation des Wasserdampfes wird latenter Wärme wieder frei und erhöht die Energie der Atmosphäre (Auffüllung der Senke) 2.) ständige Verdunstung bedeutet eine Salzquelle für den Ozean → diese muss auch durch einen Transportprozess mit noch zu definierenden Salzsenken verbunden werden (Gesamtsalzgehalt der Ozeane konstant); daraus muss ein ozeanischer Energietransport resultieren Gesamttransport von Energie erfolgt durch Atmosphäre und Ozean Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 14. November 2006 15 Nord(südwärts)-vertikal gerichteter Gesamttransport dazu Betrachtung der Energiehaushaltsgleichung (in p-Koordinaten) mit e = cp+T + Lq [J/kg] für die Atmosphäre: Mittelung in zonaler Richtung: ergibt: x 0 2 x ( , ) d 2 e 1 F Fp g Q H LE ) t Re cos p p mit den zonal gemittelten merifionalen bzw. vertikalen Energietransporten in der Atmosphäre Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 λ ϕ Re φ geogr. Breite geogr. Länge Erdradius Geopotenzial 14. November 2006 16 Nord(südwärts)-vertikal gerichteter Gesamttransport Definition einer Transportfunktion ψe, s.d. Gleichung links indentisch erfüllt: langjähr. Mittel: folgt: Bestimmungsgleichung für ψe (Transportstromfunktion) stellt eine Poissongleichung in der (ϕ,p) - Ebene dar Man erhält ψe(ϕ,p), welche aus Messungen von Q, H und LE bestimmbar ist P [db] SP 60 30 0 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 -30 -60 NP 14. November 2006 17 Nord(südwärts)-vertikal gerichteter Gesamttransport zwischen 30 N und 30 S: großer Energietransport zum Boden → etwa die Hälfte der energie geht in den Boden (Ozeane) in Subtropen und mittleren Breiten weisen Stromlinien nordwärts dabei wird langwellige Energie abgegeben SP 60 30 0 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 -30 -60 NP 14. November 2006 18 Transportmechanismen in der Atmosphäre vertikaler Transport: Konvektionsmechanismus bei instabiler Schichtung (Verfrachtung von überschüssiger Energie an der Grenzfläche Atmosphäre/Untergrund in die Defizitregion Troposhäre) kein erkennbares Analogon für die horizontalen Transporte, vielmehr gibt es eine Reihe von Prozessen die für die Transporte v ( e ) , v (e ) verantwortlich sind (ableitbar aus Beobachtungen) Ruddman, 2000 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 14. November 2006 19 Horizontale Transportmechanismen I Mittlere Meridionalzirkulation (Hadley Zellen) nicht nur Massentransport, sondern Transport von innerer, latenter und potentieller Energie ↓ wesentlicher Transportmechanismus in den Tropen/Subtropen Wasserdampfkondensation in den Tropen/Subtropen führt zu einem ständigen Aufheizen der Atmosphäre → mittlere Aufwärtsbewegung aus Massenerhaltungsgründen muss Luft aus den weiter nördlich/südlich gelegenen Gebieten nachgeführt werden (Passatwinde) Gleichzeitiges polwärtsgerichtetes Ausströmen mit Ausbildung des Subtropenhochs („Azorenhochs“) bei ca. 30° Breite Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 14. November 2006 20 Horizontale Transportmechanismen II Atmosphärische Wellen der mittleren Breiten (Transport durch sich neu bildende Hoch/Tiefdruckgebiete) Wellen selber initiiert durch den Energieunterschied zwischen mittleren Breiten und Subtropen (barokline Instabilität) ↓ wesentlicher Transportmechanismus in mittleren Breiten positive (nordwärtsgerichtete) Geschwindigkeiten fallen zusammen mit positiven Temperaturabweichungen negative (südwärtsgerichtete) Geschwindigkeiten fallen zusammen mit negativen Temperaturabweichungen Produkt aus Geschwindigkeitsabweichung und Temperaturabweichung immer positiv: Transport von innerer Energie nach Norden entsprechendes gilt für latente und potentielle Energie Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 14. November 2006 21 Transportmechanismen im Ozean Gesamtsalzgehalt der Ozeane konstant ständige Verdunstung in den Tropen/Subtropen → Salzquelle für Ozean → durch einen Transportprozesse mit Salzsenken verbunden ozeanischer Energietransport Transport von latenter Energie führt in den mittleren Breiten zu verstärktem Freisetzen von latenter Wärme und damit auch zur Niederschlagsbildung, welcher dem Ozean zu Gute kommt (direkt/“run-off“) → Senke für Salzgehalt das Bowenverhältnis (LE/H) ist endlich groß → zu einem geringeren Teil wird auch der Ozean von der solaren Einstrahlung erwärmt, d.h. Transport von innerer Energie aus den Tropen heraus Transportmechanism: ozeanische „Wetterwirbel“ analog der atmosphärischen - Antarktischer Ringstrom (Zirkumspolarstrom) - Westliche Randströme (Golfstrom, Kurushio) Transport von warmem, salzreichem Wasser aus den Tropen heraus Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 14. November 2006 22 Transportmechanismen Ozean/Atmosphäre im Vergleich Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 14. November 2006 23 Zusammenfassung: „Wärmemaschine“ Klimasystem >0 Strahlungsbilanz Energietransporte Wellentransporte Atmosphäre Kondensation Konvektion HadleyZelle Niederschlag <0 innere Energie latente Energie potentielle Energie kinetische Energie Pol Eis Salz Ozean H Wärme Salz Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 Passate Salz und Energie Erwärmu Äquator Verdunstung Salz 14. November 2006 24
