Troposphärische Zirkulation - Institut für Physik der Atmosphäre

Klimaphysik und Klimamodellierung
Quelle: Deutsches Museum
Sommersemester 2017
André Butz und Martin Dameris
Prof. Dr. André Butz
Prof. Dr. Martin Dameris
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
Institut für Physik der Atmosphäre
Oberpfaffenhofen
Tel.: 08153 - 28 2568 (Butz)
Tel.: 08153 - 28 1558 (Dameris)
E-Mail: [email protected]
E-mail: [email protected]
Organisatorisches
 Bitte auf Liste eintragen, damit Ihr Name, Ihre EmailAdresse und Matrikelnummer vorliegen.
 Zeit: montags, 8:15 - 9:45 Uhr (in der Regel Dameris);
mittwochs, 12:15-14:15 Uhr (in der Regel Butz).
 Sprache: Deutsch/Englisch?
 Prüfung: Ende des Semesters, Bestehen qualifiziert für 6
ECTS
 Informationsweitergabe: Download der
Vorlesungsmaterialen via
http://www.pa.op.dlr.de/~AndreButz/vorlesung/climatephysics/
Literatur (Teil Dameris)
 Einzelne wissenschaftliche Artikel, auf die in der
Vorlesung hingewiesen werden
 WMO Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2006,
2010, 2014 (Klima-Chemie (Ozon) Wechselwirkungen)
 IPCC 2007 und 2013 (Klimaberichte)
 Demystifying Climate Models, A users guide to Earth
System Models; Autoren: Gettelman und Rood
(SpringerOpen)
Literatur (Teil Butz)
 Petty, G., Atmospheric Thermodynamics, Sundog
publishing, 2008
 Rödel, W., Physik unsere Umwelt – Die Atmosphäre,
2000
 Pierrehumbert, R., Principles of Planetary Climate, 2010
 Archer, D. and Pierrehumbert, R., The Warming Papers,
2013
 Peixoto, J.P. und A.H. Oort, 1993, Physics of Climate,
American Institute of Physics, New York, 520 pp.
Einführung und Übersicht
2015
2015
Aktuell: Globale Erwärmung in den letzten 110 Jahren: 0,87°C
Hansen et al., 2016
Entwicklung der Bodentemperatur seit 1880
Weltweit und in Deutschland
Abweichung des Jahresmittels der Temperatur
vom Mittel der Periode 1961-90 im globalen Durchschnitt
(Hadley Centre CRUT3v und NASA (GISS))
sowie in Deutschland
2.0
1.5
1.0
Deutschland
[°C]
K
0.5
0.0
-0.5
-1.0
Globaler Durchschnitt
-1.5
-2.0
1880
1890
1900
1910
global (GISS)
1920
1930
1940
1950
global (Hadley)
1960
1970
1980
1990
2000
2010
Deutschland
Quelle: DWD
Entwicklung der Bodentemperatur seit 1761
4 Stationen Mitteleuropas (bezogen auf 1761-1960)
Abweichungen in °C
Abweichungen der zehnjährigen Mitteltemperaturen
Zeitraum
Zeitraum
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
1761-1770
1771-1780
1781-1790
1791-1800
1801-1810
1811-1820
1821-1830
1831-1840
1841-1850
1851-1860
1861-1870
1871-1880
1881-1890
1891-1900
1901-1910
1911-1920
1921-1930
1931-1940
1941-1950
1951-1960
1961-1970
1971-1980
1981-1990
1991-2000
2001-2010
Temperaturentwicklung in Bayern (1961-2014)
Trends der Jahresmitteltemperaturen 1901-2005
in mm
Änderungen des globalen Meeresspiegels
zwischen 1900-2012
1930-1992: 1,4 mm/Jahr
1993-2015: 2,6 mm/Jahr
Watsen u.a., 2015
Jahr
Quelle: IPCC
Entwicklung der Kohlendioxidkonzentration
in der Atmosphäre
CO2-Mischungsverhältnis [ppmv]
2016: 400 ppmv
In den letzten
Jahren:
+ 2 ppmv/Jahr
2013 und 2015:
+ 3 ppmv/Jahr
Schwankungsbreite
der letzten 650.000
Jahre
Jahre v.h.
Quelle: IPCC
CO2-Mischungsverhältnis [ppmv]
Entwicklung der Kohlendioxidkonzentration
in der Atmosphäre (1958-2016)
Quelle: UBA
The Earth‘s energy budget
[IPCC, Chapter 2, 2013]
The Earth‘s energy budget: a simple 2-layer model
[IPCC, Chapter 2, 2013]
Greenhouse effect
OLR: outgoing longwave radiation
[Pierrehumbert., 2010]
Radiative transfer basics
Sun: incoming radiation
Atmosphere:
Refraction,
Absorption,
Emission,
Scattering
Earth: Reflection, Absorption, Emission
?
Radiative transfer basics: Schwarzschild equation
[Thomas and Stamnes, 1999]
The Earth‘s energy budget: a simple 2-layer model
[IPCC, Chapter 2, 2013]
Sensible and latent heat fluxes at the surface
[http://www.ecmwf.int/research/
era/ERA-40_Atlas/docs/index.html]
Sensible and latent heat fluxes at the surface
[Pierrehumbert., 2010]
[http://www.ecmwf.int/research/
era/ERA-40_Atlas/docs/index.html]
Radiation imbalance driving dynamics
[Trenberth and Caron, JAMS, 2001]
Radiation imbalance driving dynamics in the atmosphere
[Trenberth and Caron, JAMS, 2001]
[Gordon and Zarmi, Am. J.
Phys., 1989]
Radiation imbalance driving dynamics in the atmosphere
[Lorenz, A History of the
Prevailing Ideas about the
General Circulation of the
Atmosphere, AMS, 1983]
[Trenberth and Caron, JAMS, 2001]
[Gordon and Zarmi, Am. J.
Phys., 1989]
Radiation imbalance driving dynamics in the ocean
[NOAA, http://oceanservice.noaa.gov/education/tutorial_currents/05conveyor2.html]
Hydrological cycle
[Trenberth, JMH, 2007]
change in column water vapor / %
Hydrological cycle
Climate model simulations
[Held and Soden, J. Climate, 2006]
[Trenberth, JMH, 2007]
Climate change
[IPCC AR5, 2013]
Paleo climate
[Kump, Nature, 2005]
warm
cold
Kopplung der Atmosphärenschichten
Prozesse der Klimaänderung beeinflussen die Dynamik
der Troposphäre, aber auch die der Stratosphäre und
Mesosphäre (mittlere Atmosphäre: 10-100 km). Die
Atmosphärenschichten sind auf vielfältige Weise
miteinander gekoppelt.
 Die dynamische Kopplung der Troposphäre und der mittleren
Atmosphäre wird primär durch Dynamik von großskaligen
planetaren Wellen vermittelt; diese Wellen werden vor allem in der
Troposphäre angeregt.
 Interannuale Variabilität und jede systematische Änderung (Trend)
in der Erzeugung, Ausbreitung oder Dissipation von diesen Wellen
wird systematische Änderungen in der Temperaturstruktur und
Zirkulation der Atmosphäre zur Folge haben.
 Es wurde erkannt, dass stratosphärische Veränderungen die
Troposphäre beeinflussen (mehr dazu im Verlauf der Vorlesung).
Änderungen in der oberen Troposphäre und
unteren Stratosphäre
Troposphäre und Stratosphäre beeinflussen
sich gegenseitig. Es ist
zu erwarten, dass sich
der Austausch von
Luftmassen zwischen
der Troposphäre und
der Stratosphäre bei
einer Klimaänderung
verändert!
WMO, 2003: Fig. 2-1
Klima-Chemie Wechselwirkungen
Um ein vollständiges Verständnis der atmosphärischen
Dynamik und Chemie zu erlangen ist es erforderlich, die
wechselwirkenden Mechanismen der Klimaänderung zu
identifizieren und zu quantifizieren.
 Der Anstieg der Konzentrationen gut durchmischter Treibhausgase
in der Atmosphäre führt zu höheren troposphärischen
Temperaturen und niedrigeren stratosphärischen Temperaturen.
 Die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre ist direkt durch
eine Vielzahl temperaturabhängiger chemischer Reaktionen
beeinflusst.
 Darüber hinaus führen Änderungen in der Temperaturstruktur der
Atmosphäre zu Zirkulationsänderungen in der Troposphäre und
Stratosphäre, was wiederum den Transport von chemischen
Substanzen und Partikeln verändert.
Rolle der Stratosphäre
•
Um den Einfluss der Klimaänderung auf die Stratosphäre
zu bestimmen, muss folgende Frage beantwortet
werden:
“Welches sind die wichtigsten physikalischen,
dynamischen und chemischen Prozesse, die die
Wechselwirkung zwischen Klimaänderung und
Variationen der Stratosphäre bestimmen?”
Rolle der Stratosphäre
•
•
•
•
Um diese Frage zu beantworten, müssen Beobachtungen analysiert und Ergebnisse von Modellstudien
untersucht werden.
Atmosphärische Modelle helfen dabei, Prozesse zu
identifizieren und zu verstehen und die Bedeutung
einzelner Prozesse für das gesamte System zu
quantifizieren.
Gekoppelte Klima-Chemie Modelle (engl. ClimateChemistry Models, CCMs) sind nützliche Werkzeuge, um
die Wechselwirkungen zu untersuchen.
Mit CCMs, die mittels Beobachtungen überprüft wurden,
sind auch Abschätzungen zukünftiger Entwicklungen
möglich.
Pressure (hPa)
Globale Temperaturtrends (1958-99)
ºK/decade
Globale Temperaturtrends (1979-99)
Natürliche Einflussfaktoren
und deren Variationen
Troposphärische Zirkulation
Troposphärische Zirkulation
Troposphärische Zirkulation
Der NAO-Index ist definiert als die Differenz zwischen dem normalisierten
winterlichen Luftdruck in Meeresniveau in Lissabon und Stykkisholmur
(Island). Die Normalisierung der Luftdruckanomalien an jeder Station wurde
erzielt durch die Division jedes saisonalen Drucks durch den langjährigen
Durchschnitt (seit 1864).
Das stratosphärische System
solares UV
Sonne
O2 Photolyse
Ozon
Heizung
Temperatur
T-abhängige
Chemie
Chemie
Transport
HOx NOx
ClOx BrOx
Deposition
(rain-out, HCl, HNO3)
Transport
Emissionen
(H2O, N2O, CFC)
Energietransport
(Wärme, Impuls)
Dynamik
Wellenausbreitung
Wechselwirkung Troposphäre-Stratosphäre:
Brewer-Dobson Zirkulation
Änderungen der Aktivität planetarer Wellen
Schematische Darstellung des Einflusses planetarer Wellen des Polarjets
auf den stratosphärischen Polarwirbel.
Änderungen der Aktivität planetarer Wellen
Klimaänderungen verändern die Erzeugung von planetaren
Wellen in der Troposphäre. Ihr Ausbreitungsverhalten durch
die Stratosphäre verändert sich. Die Dissipation dieser Wellen
hängt vom Zustand der Stratosphäre ab. Es ist unklar, wie
sich die stratosphärische Zirkulation entwickeln wird, vor allem
in der Nordhemisphäre!
Atmosphärische Chemie und Klima
Aktivität der Sonne
Monatsmittelwerte der 10,7 cm (2,8 GHz) Strahlung der
Sonne - Zeitraum: 1947 bis 2013
Vulkanisches Aerosol
Temperaturresponse auf Vulkaneruptionen
500hPa
@ 500
hPa
Mt. Agung
El Chichon
Mt. Pinatubo
0
Temperature Difference
-0.1
-0.2
-0.3
-0.4
-0.5
-0.6
-0.7
-0.8
Models
Sonde
Temperaturresponse auf Vulkaneruptionen
50hPa
@ 50 hPa
4.5
Temperature Difference
4
3.5
3
2.5
Models
Sonde
2
1.5
1
0.5
0
Mt. Agung
El Chichon
Mt. Pinatubo
Entwicklung der Temperatur in der Stratosphäre:
Ergebnisse von CCMs
Anomalien der global gemittelten Temperatur in 20 km Höhe
Szenarien der Zukunft
(Konzentrationen und Emissionen)
Zukünftige Entwicklung der globalen
Oberflächentemperatur
+4,0°C (2,4°-6,0°)
+1,8°C (1,1°-2,9°)
+0,6°C
IPCC, 2007
Global gemittelte Temperatur @ 50hPa: A2 Szenario
Global gemittelte Temperatur @ 10hPa: A2 Szenario
Pressure (hPa)
Global gemittelter Temperaturtrend 2000-2100
K/decade
Ozon in der Stratosphäre
Ozonverteilung
Entwicklung der Fluorchlorkohlenwasserstoffe
Entwicklung der Ozonschicht (1960-2100): 60°S-60°N
Satelliten und Modelldaten
Entwicklung der Ozonschicht (1960-2100)
Satelliten und Modelldaten
Antarktisches Ozonloch