Strahlungs-Konvektions
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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) Klimamodellierung - GCM/Ensemble-Vorhersage/Parametrisierung - IPCC, Szenarien, anthropogene Effekte Globaler Wandel - Detektion des anthropogenen Einflusse Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 23.1 30.1 6.2 23. Januar 2007 1 Wiederholung 12. Stunde Was besagt das Hasselmann‘sches Klimamodell? - Wechselwirkungen zwischen Klimakompartimenten können interne Klimavariabilität erzeugen - Dämpfung des Ozeans führen zu langfristigeren und stärkeren Schwankungen angetrieben von kurzfrsitiger atmosphärischen Variabilität Welche Parameter erzeugen externe Klimavariabilität? Warum ist Variabilität nicht exakt mit externem Antrieb korreliert? Welchen Einfluss haben Vulkane (wie lange)? Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 23. Januar 2007 2 Wiederholung 12. Stunde Welche Arten von Klimamodellen gibt es? Welche Rückkopplungen müssen berücksichtigt werden? - Wasserdampf-Rückkopplung Eis-Albedo-Rückkopplung Vegetation-Albedo-Rückkopplung Vegetation-Niederschlag-Rück. .. Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 23. Januar 2007 3 Atmosphärenmodelle EBM (0D-2D) Energiebilanzmodelle - Oberflächentemperatur Ts 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 23. Januar 2007 4 EBM: Energiebilanzmodell TE4 So 4 (1 ) Photosphäre TSonne=5783 K TE=255 K α=30% 6·107Wm-² So=1373 Wm-² TSi~106K 1373 ~240 W/m² absorbiert W/m² TS = 288 K 4 4 rS2 TSonne S o 4 rS2 E rE2 S o So 343 Wm-² 2 4 4 rE Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 TS = TE + ΔT 23. Januar 2007 5 EBM: Bedeutung der Albedo Algenblüte TE4 So 4 (1 ) TS = TE + ΔT ~ 288 K α TE /K ΔT/K 0.1 271 17 0.3 255 33 0.5 235 53 ..aber bei einer anderen Albedo würde sich eine andere Oberflächentemperatur Ts einstellen Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 23. Januar 2007 6 EBM: Bedeutung der Albedo Q αQ τFs Fa t Ta Fs Fa Ts Energiebilanz Q1 Fa Fs Fe 1 t 2 Fa Erdoberfläche Atmosphäre 1 t Q 1 Ts 4 2 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 t Transmissivität der Atmosphäre Fa Ta4 thermische Abstrahlung Fs Ts4 t Ts /K Ta /K 0.0 303 255 0.2 290 230 0.4 279 206 Bei einer durchschnittl. Oberflächentemperatur von 288 K ist die Transmissivität t = 0.225 die Emission = 0.775 23. Januar 2007 7 EBM: Energiebilanzmodell Änderung der global gemittelten Oberflächentemperatur T über Zeitraum Δt C T R R t C T 1 t (T ) Q1 (T ) T 4 t 2 C R↓ R↑ Q α t AE Δz w cw Wärmekapazität abwärts gericht. Strahlungsfluss aufwärts " " Solarer Input (=So/4 ~ 342 Wm-2) Albedo = f(Eis, Schnee, Wolken..) Transmissivität der Atmosphäre Fläche der Erde (5. 1·10x14 m2) Dicke der ozean. Deckschicht (70 m) Dichte von Wasser (103 kg m-3) spez. Wärmekap. Wasser (4200 Jkg-1K-1) auf der Erde ist Wärmekapazität i. W. vom Ozean bestimmt 0.7 Csäule w cw z 0.7 2.1108 [ J /( m2 K )] 0.3 Δz CErde w cw AE z 0.7 1.05 1023 [ J / K ] Ozean Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 Land 23. Januar 2007 8 EBM: Energiebilanzmodell dE T C R R dt t Ti 1 Ti 1 t (T ) C Q1 (T ) T 4 t 2 Taylor-Entwicklung um den Referenzzustand To T 4 To4 4To3 (T To ) A B(T To ) dT C (1 )Q A BT ' dt mit T ' T To Zeitkonstante τ Lineare Differentialgleichung 1.Ordnung dT B ' T const dt C B T (t ) T (0) exp t C Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 23. Januar 2007 9 EBM: Energiebilanzmodell Einstellzeit für das thermische Gleichgewicht C / B mit B~1.15 Wm-2 K-1 Atmosphäre Deckschicht (70 m) Oberer Ozean (360 m) Gesamter Ozean (3900 m) C (J m-2 K-1] τ (Jahren) 107 0.28 2·108 5.5 109 27.5 1.6·1010 440 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 23. Januar 2007 10 EBM: Energiebilanzmodell C/B von Storch, Güss und Heiman, 1999 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 23. Januar 2007 11 EBM: Energiebilanzmodell Gleichgewichtslösung (weder Erwärmung noch Abkühlung) C T 1 (T ) Q1 (T ) T 4 t 2 Gesucht: T = f (t,To,αQ,C,..) α 0.5 Eis kein Eis 0.1 273 R T/K 303 Q(1-α) 342 Wm-2 heutiges Klima T4 T/K Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 23. Januar 2007 12 Box-Modell Atmosphäre-Ozean K=10-4m2s-1; h=70m großer Einfluss der Diffusionsparametrisierung Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 K=10-3m2s-1; h=110 m 23. Januar 2007 13 Vorteile von Energiebilanzmodellen EBM nützlich zur Charakterisierung der Sensitivität des Klimasystems bzgl. externer Änderungen Kategorie konzeptionelle Modelle: Verstehen und Veranschaulichen von Strukturen, Prozessen und Wirkungsketten im Klimasystem EBM nützlich zur Abschätzung der Klimawirksamkeit des Milankovic-Zyklus (Eis/Warmzeiten) Erweiterungsmöglichkeit horizontale Dimension (1D EBM) - Berücksichtigung von horz. Energietransporten - zonale Abhänigkeit der solaren Einstrahlung / Albedo Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 erste Abschätzung der globalen Temperaturverteilung 23. Januar 2007 14 1D Energiebilanzmodelle Mc Guffie and Henderson-Sellers,1997 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 23. Januar 2007 15 Erweitertes Energiebilanzmodell Mc Guffie and Henderson-Sellers,1997 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 23. Januar 2007 16 EBM: Daisyworld http://www.gingerbooth.com/courseware/daisy.html konzeptuelles biophysikalisches Modell der Temperaturregulierung der Erde durch die Landbiosphäre [Watson and Lovelock, Tellus, 35B, 249-262] Erdoberfläche aufgeteilt in 3 Segmente (l=b,s,w): - nackte Oberfläche mit Albedo αb = 0.5 - schwarze Lilien („Daisies“) mit αs = 0.1 - weisse Lilien mit Albedo αw = 0.9 Planetare Albedo: αp = fb αb + fs αs + fw αw Planetare Temperatur abhängig von Hellogkeitsfaktor L Tp L 4 1 p Q Lokale Temperatur über den 3 Bereichen abhängig vom Mischungsfaktor R „Temperaturmischung“ zwischen den verschiedenen Bereichen: - R = 0 perfekte Mischung → Tl = Tp, - R=1 therm. Isolation der Bereiche (jeder einzeln im Strahlungsgleichgew.) Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 23. Januar 2007 17 Daisyworld Beispiel für Rückkopplung mit der Vegetation Wachstumsmodell für Lilien Wachstumsrate abhängig von der lokalen Temperatur Tl: 2 TI Topt bI 1 0.25 für Tmin < Tl < Tmax Tmax Tmin 0 sonst Flächenbedeckung durch die Lilien AI (l = s,w) dAI AI bI Ab d I dt mit Sterberate dI Es gibt immer eine minimale Lilienbedeckung (Al ≥= 0.01) Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 23. Januar 2007 18 Daisyworld Erweiterungen von Daisyworld: - Ausdehnung auf 3-d Erdkugel mit realistischer breitenabhängiger Einstrahlung - Komplexere Biologie/Ökologie: z.B. durch unterschiedliche Struktur der Lilien Daisyworld zeigt ,dass biophysikalische Rückkopplungseffekte das Erdsystem potentiell entscheidend beeinflussen können. Die Biosphäre ist daher als integrale Komponente des Klimasystems anzusehen. Die Plausibilität von Daisyworld (und ähnlicher Rückkopplungen zwischen Biosphäre und physikalischem Klimasystem) führten Lovelock zur Formulierung der „Gaia“ Hypothese (eine umstrittene Interpretation des Erdsystems als ein sich selbst regulierender/stabilisierender Organismus) Beispiel eines Optimierungsprinzips „Homeostasis“ = Stabilisierender biologischer Rückkopplungseffekt Ist Daisyworld „realistisch“? Beispiel für Effekte der Biodiversität? Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 23. Januar 2007 19 RC: Strahlungskonvektionsmodell Unterteilung der Atmosphäre in viele Schichten führt immer noch zu nicht realistischem Vertikalmodell Ruddiman, 2001 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 23. Januar 2007 20 SD: 2-D statistisch-dynamisches Modell zonal symmetrisches Modell Parametrisierung der transienten und stationären Eddies mittl. meridionaler Enthalpiefluss durch transiente Eddies Gradient-Fluss-Annahme vT K A T Re barokline Wellen werden durch mittl. meridionalen Temperatur gradienten angetrieben Ruddiman, 2001 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 23. Januar 2007 21 Klimamodelle: Historische Entwicklung Mcguffie and Henderson-Sellers, 2001 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 23. Januar 2007 22 GCM: 3-D Zirkulationsmodell Ruddiman, 2001 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 23. Januar 2007 23 Klimamodellierung McGuffie und Henderson-Sellers, 2001 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 23. Januar 2007 24 GCM: Bestandteile Atmosphärenmodell „Dynamik“ – Algemeine Zirkulation (Winde) „Physik“ – Strahlung • Absorption kurzwelliger (solarer) Strahlung • Emission und Absorption langwelliger (IR) Strahlung – Wolken • Konvektion, Niederschlag – Thermodynamik (Atmosphärische Temperatur) – Feuchte (Atmosphärische Feuchte) Oberflächen und Ozeane – Effekte von Eis, Schnee, Vegetation auf Temperatur, Albedo, Emissivität, Rauhigkeit Chemie – Zusammensetzung der Atmosphäre Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 23. Januar 2007 25 GCM: Validierung Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 23. Januar 2007 26 Problem der Modellierung Kaltstartproblem (spin-up) z.B. durch Treibhausgase Parametrisierungen hängen von der Auflösung ab Klimadrift bei Kopplung von Atmosphäre und Ozean durch Fehler in Flüssen (räumlich und zeitliche Flusskorrektur) Inputdaten (früheres Klima und Szenarien) Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 23. Januar 2007 27 Problem der Modellierung: Kaltstart Modell ist nicht ausblanciert bei Start, z.B. Wasserbilanz Ruddiman, 2001 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 23. Januar 2007 28
