Klimawirkung von Vulkanausbrüchen
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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) 16.1 Klimamodellierung - GCM/Ensemble-Vorhersage/Parametrisierung - IPCC, Szenarien, anthropogene Effekte 23.1 30.1 Globaler Wandel - Detektion des anthropogenen Einflusse Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 6.2 16. Januar 2007 1 Wiederholung 11. Stunde Auf welchen Skalen macht sich interne Klimavariabilität bemerkbar? Was zeichnet die Walker-Zirkulation aus? Was ist die ENSO? Was passiert während eines El Nino Ereignisses? Aufgrund welcher Maße lassen sich El Nino und La Nina erkennen? Wie läßt sich ein El Nino Ereignis voraussagen? Was ist die NAO? Welchen Einfluss hat die NAO auf Europa? Was zeichnet die QBO aus? Was zeigen Sonnenflecken an? Welchen Zusammenhang mit anderen Variablen des Klimasystems gibt es? Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 16. Januar 2007 2 Interne Klimavariabilität Erzeugung interner Variabilität (abgesehen von baroklinen Instabilitäten und Nicht-Linearitäten) im Ozean durch: 1. nicht-lineare Prozesse der großräumigen ozeanischen Zirkulation (v.a. der thermohalinen Zirkulation) „normal“ 2. Instabilitäten der Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre und Ozean z.B. ENSO 3. Integration stochastischer atmosphärischer Schwankungen durch den Ozean (Hasselmann 1976) Diese Grundsätze gelten auch für die Wechselwirkungen zwischen anderen Klimakompartimenten Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 El Niño La Niña 16. Januar 2007 3 „Hasselmann‘sches Klimamodell“ Atmosphärische Wettervariationen laufen auf sehr viel kleineren Zeitskalen als die ozeanischen ab Ozean „bemerkt“ erst Serien von atmosphärischen Wettervariationen (kaum miteinander korreliert, d.h. „weißes Rauschen“) Mathematisch erfassbar als statistische DGL (Typ Langevin): d T T xa (t ) dt Änderung der (langsamen) ozeanischen Temperaturabweichung stochastische Schwankungen der Atmosphäre (unbekannt, aber statistische Eigenschaften verfügbar) Dämpfung Da nur die Statistik von xa bekannt ist, erhält man als Lösung der DGL ein Varianz-Spektrum in Abhängigkeit der Frequenz ω T E T 2 a 2 2 mit Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 x E xa 2 a const . 16. Januar 2007 4 „Hasselmann‘sches Klimamodell“ Hense: Klimavariabilität durch interne Wechselwirkungen, Promet, 28(3/4), 2002 je geringer die Systemdämpfung, desto langfristigere und stärkere Schwankungen erfolgen in dem langsamen System „Ozean“ allein durch die Existenz von mit mehreren wechselwirkenden Klimakomponenten mit unterschiedlichen Zeitskalen wird IKV erzeugt Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 16. Januar 2007 5 Externe Klimavariabilität astronomisch bedingte Klimavariabilitäten Milankovich Theorie Externe Parameter http://www.ncdc.noaa.gov/paleo/forcing.html http://www.ngdc.noaa.gov/paleo/ctl/about1.html Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 16. Januar 2007 6 Externe Klimavariabilität: Erdbahnparameter zeitlich und räumlich unterschiedliche Sonneneinstrahlung ist der „Motor“ für die meisten extern angetriebenen Wetter- und Klimaprozesse: Tagesgang, Jahresgang der lokalen Klimasituation Jahreszeitliche Abhängigkeit der globalen Kreisläufe auf zeitichen Skalen > 1000 Jahren wirken die Variabilitäten der Erdbahnparameter signifikant auf das Klimageschehen Achtung: Eis-Albedo-Rückkopplung Lässt sich der 100 000 jährige Eiszeit/Warmzeit-Zyklus mit der Milankovic-Theorie erklären? Proxy-Daten / moderne Klimamodelle / geophysikalische Theorien Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 16. Januar 2007 7 Rekonstruktion der Erdbahnparameter Exzentrität der elliptischen Erdbahn - derzeit 0.017 - ca. 110 000 jähriger Zyklus - Variation des jährlichen Flusses von +0.014 bis -0.17 % im Vergleich zu heute Neigung der Erdachse gegenüber der Ekliptik - derzeit ca. 23.5° - ca. 40 000 jähriger Zyklus - keine Änderung des Gesamtflusses aber stärkere Jahreszeiten Präzession, Verschiebung der Ellipse (vor allem Anziehung des Jupiters) - derzeit Perihel am 5. Januar - ca. 23 000 und 18 800 jähriger Zyklus - keine Änderung des Gesamtflusses aber räumlich zeitl. Vaiationen Überlagerung der Effekte, unterschiedliche Lage der Kontinente, nichtlineare Rückkopplungen Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 16. Januar 2007 8 Rekonstruktion der Erdbahnparameter Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 16. Januar 2007 9 Erdbahnparameter und Eisbedeckung Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 16. Januar 2007 10 Eisbedeckung Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 16. Januar 2007 11 Erdbahnparameter Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 16. Januar 2007 12 Erdbahnparameter Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 16. Januar 2007 13 Sonnenflecken 11-jähriger Sonnenfleckenzyklus (Schwabe) - Schwankung der Solarkonstanten 0.1% 80-jähriger Sonnenfleckenzyklus (Gleißberg) - Schwankung der Solarkonstanten 0.24-0.30% Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 16. Januar 2007 14 Theorie Eis/Warmzeiten durch Nicht-Linearitäten 100 000 jähriger Eis/WarmzeitWechsel durch lineare Modelle nicht erklärbar Herterich Promet, 28(3/4), 2002 „Sägezahn“-Verlauf verdeutlicht Nicht-Linearität Spektralanalyse der Sonneneinstrahlung für verschiedene Jahreszeiten und verschiedene Orte ergibt deutliche Perioden bei 19, 23 und 40 kJ ... aber nicht sehr deutlich bei 100 kJ Notwendigkeit nicht-linearer Klimamodelle Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 16. Januar 2007 15 Modellierung der natürlichen Klimavariabilität Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 16. Januar 2007 16 Externe Klimavariabilität: Vulkane Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 16. Januar 2007 17 Klimawirkung von Vulkanausbrüchen vulkanisches Aerosol in der Stratosphäre hauptverantwortlich für typische Klimabeeinflussung auf Skalen von 1-3 Jahren hochreichende, schwefelhaltige Eruptionen führen zu einer Zunahme des stratosphärischen Schwefelsäureaerosols Abnahme der direkten Sonneneinstrahlung um bis zu 100 W/m2 gleichzeitige Zunahme der diffusen Strahlung (milchig weißer Himmel) Differenz von ca. -1 bis -10 W/m2 bewirkt Abkühlung am Boden Absorption von solarer Strahlung im nahen Infrarot und terrestrischer Strahlung bewirkt Erhöhung der Temperatur in vulkanischer Aerosolschicht Effekte am höchsten wo die solare Einstrahlung und die Bodentemperatur am höchsten, d.h. in den Tropen meridionale Temperaturunterschiede bewirken Änderung globaler Zirkulationsmuster Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 16. Januar 2007 18 Vulkanausbrüche: Strahlungseffekte Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 16. Januar 2007 19 Klimawirkung von Vulkanausbrüchen Ozonchemie: abhängig von UV-Strahlung, Temperatur und Oberflächen an denen heterogene chemische Reaktionen stattfinden können alle diese Faktoren durch vullanische Aerosole beeinflusst Erwärmung der aerosolführenden Schicht führt zum Anheben der Isentropenflächen Ozontransport in höhere Schicht Erniedrigung der Ozon-Gleichgewichtskonz. durch erhöhte Photodissoziation Heteorogene Chemie führt zum Ozonabbau Aerosolteilchen wirken wie PSC („Polar Stratospheric Clouds“) an deren Oberflächen in der Polarnacht Chloratome aus FCKWs freigesetzt werden die aus Schwefelsäure und Wasser bestehenden Aerosolwolken bewirken einen effektiven und globalen Ozonabbau anhropogener Ozonabbau wirkt der Aufheizung der Aerosolschicht entgegen und dämpft somit mögliche dynamische Auswirkungen Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 16. Januar 2007 20 Klimawirkung: Vulkanausbruch und saurer Regen! Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 Cubasch&Kasang, 2000 16. Januar 2007 21 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 16. Januar 2007 22 Externe Klimavariabilität: Vulkane Ruddiman, 2001 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 16. Januar 2007 23 Klimamodellierung: Warum? Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 16. Januar 2007 24 Klimamodellierung: Was ist ein Modell? Modelle sind kleiner als die Realität (begrenzte Anzahl der Prozesse, reduzierte Größe des Phasenraums) einfacher als die Realität (idealisierte Beschreibung der Prozesse) geschlossen, während die Realität offen ist (unbegrenzte Anzahl von externenm unvorhersagbaren Bestimmungsfaktoren wird of einige wenige reduziert) [H. von Storch] Modell-Beispiele Modelle zur Skalierung (Häuser, Autos..) Karten, Skizzen oder Zeichnungen Numerische Modelle (konzeptuelle, quasi-realistische, Surrogate) Models put numbers on ideas (W. F. Ruddiman) http://www.palmod.uni-bremen.de/~apau/ec_modeling/mcguffie_henderson_sellers_2001.pdf Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 16. Januar 2007 25 Klimamodellierung: Was ist ein Modell? http://www.hamburger-bildungsserver.de/welcome.phtml?unten=/klima/infothek.htm Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 16. Januar 2007 26 Klimamodellierung http://www.palmod.uni-bremen.de/~apau/ec_modeling/mcguffie_henderson_sellers_2001.pdf Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 16. Januar 2007 27 Rückkopplungen Wasserdampf Rückkopplung Vegetation-Albedo Rückkopplung Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 Eis-Albedo Rückkopplung Vegetations-Niederschlags Rückkopplung 16. Januar 2007 28 Atmosphärenmodelle EBM (0D-2D) Energiebilanzmodelle - Oberflächentemperatur 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 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 Kriterien Zeit - unabhängig (Gleichgewicht) - abhängig Klimavariabilität Raum - vertikal - zonal - meridional Kopplung - ein/zwei Wege - asynchron - hyprid - voll 16. Januar 2007 29 Klimamodelle: Historische Entwicklung Hamburger Bildungsserver Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 16. Januar 2007 30 Klimamodellierung McGuffie und Henderson-Sellers, 2001 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 16. Januar 2007 31 EBCM: Energiebilanzmodell http://www.bgc-jena.mpg.de/%7Emartin.heimann/vorlesung/bgc/ws2003/EnergieBilanzModell_v1/index.html http://www.gingerbooth.com/courseware/daisy.html Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 16. Januar 2007 32
