Wasser
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Wasser Wasser:: Drahtzieher Drahtzieher und und Spielball Spielball im im globalen globalen Klimawandel Klimawandel Prof. Volkmar Wirth Universität Mainz Wasservorkommen der Erde Globale mittlere Tiefe [m] Ozeane Prozentualer Anteil [%] 2620 96.5 Polares Eis / Meereis / Gletscher 47 1.7 Grundwasser 46 1.7 Permafrost 0.59 0.02 Seen 0.35 0.013 Bodenwasser 0.032 0.0012 Atmosphäre 0.025 0.00093 Sümpfe 0.023 0.00083 Flüsse 0.0042 0.00015 Biologisches Wasser 0.0022 0.000081 Dresden, August 2002 Wasser: Drahtzieher und Spielball im globalen Klimawandel Klima atmosphärisches Wasser Übersicht • Einige Grundlagen • Der Treibhauseffekt • Hydrologische Extreme Starkregen-Ereignisse (Sommer 2002) Trockenperioden (Sommer 2003) • Wie sieht die Zukunft aus? • Zusammenfassung Einige Grundlagen distribution of water vapour (Peixoto and Oort 1992) Druck [100 hPa] Absolute Feuchte [g/kg] 2 4 6 8 10 Druck [100 hPa] 60S 30S EQ 30N 60N EQ 30N 60N 0 5 10 15 Relative Feuchte [%] 2 4 6 8 10 60S 30S 30% 50% 70% 90% Clausius-Clapeyron Clausius-Clapeyron Water vapor pressure (hPa) How much water vapour does the atmosphere contain in equilibrium with a liquid (solid) surface? 7% per K temperature distribution of water vapour (Peixoto and Oort 1992) Druck [100 hPa] Absolute Feuchte [g/kg] 2 4 6 8 10 Druck [100 hPa] 60S 30S EQ 30N 60N EQ 30N 60N 0 5 10 15 Relative Feuchte [%] 2 4 6 8 10 60S 30S 30% 50% 70% 90% how does the water get into the atmosphere? how is the water removed from the atmosphere? incoming energy Evaporation (E) Warming ocean Precipitation (P) Albedo Albedo Oberfläche Wolken Albedo = Anteil der reflektierten (sichtbaren) Sonnenstrahlung S S·α See, Ozean Eis Schnee Gras Wald Globales Mittel Bedingungen 100 m dick 500 m dick Zenitwinkel 30° 60° 85° alt-frisch Albedo α 0.4 0.7 0.05 0.10 0.6 0.25-0.35 0.45-0.85 0.2-0.3 0.1-0.2 0.3 die verschiedenen “Formen” von Wasser haben sehr unterschiedliche Albedo (Einfluss auf Energiebilanz) Der Treibhauseffekt Global Global energy energy balance balance first case: no atmosphere albedo = 0.16 288 W/m2 incoming solar radiation 288 W/m2 outgoing terrestrial radiation Global Global energy energy balance balance energy loss energy flux equilibrium incoming solar radiation energy gain outgoing terrestrial radiation temperature Te system is pretty stable Stefan-Boltzmann first case: no atmosphere albedo = 0.16 288 W/m2 288 W/m2 outgoing terrestrial radiation incoming solar radiation equilibrium at Ts = -6oC (observed: +15oC) second case: with atmosphere albedo = 0.3 240 W/m2 incoming solar radiation absorption < 240 W/m2 outgoing terrestrial radiation cold warm terrestrial radiation strongly interacts with the atmosphere (partial trapping) second case: with atmosphere albedo = 0.3 240 W/m2 incoming solar radiation absorption 240 W/m2 outgoing terrestrial radiation warmer equilibrium at Ts = +15oC atmosphere/surface system warms Æ satisfy energy balance system warms system warms less cold Greenhouse Greenhouse gases gases GHG = Gas which can absorb terrestrial radiation composition of the Earth’s atmosphere natural “anthropogenic” Gas content N2 O2 Ar 78 % 21 % 0.9 % H2O CO2 O3 CFC’s ….. 0–4% 380 ppmv 0-12 ppmv tiny fraction ….. (fraction by volume in dry air) no GHG greenhouse gases Humans increase CO2 (forcing) However the key question is: how does H2O respond! (feedback) Water Water vapor vapor feedback feedback Water vapor pressure (hPa) remember: Clausius-Clapeyron temperature There are good reasons to believe that the water vapor feedback is positive Higher HigherTTÆ Æmore moreatmospheric atmosphericHH22O? O? z atmospheric boundary layer ocean Model simulated change of water vapor in the upper troposphere Del Genio, Science, 2002 the role of clouds? Role Roleof ofclouds? clouds? solar radiation z cooling warming terrestial radiation ocean Contradictory Contradictoryrole roleof ofclouds clouds z short wave radiative forcing: -48 W/m2 long wave radiative forcing: +31 W/m2 net effect of clouds: -17 W/m2 ocean cooling warming cooling Einfluss Einflussder derWolken? Wolken? Erwärmungseffekt überwiegt Abkühlungseffekt überwiegt Role of clouds in different climate models 2xCO2 – 1xCO2 IPCC 2001 • large uncertainties • possibly right for the wrong reasons Hydrologische Extreme 1. Starkregenereignisse August 2002 ¾ Elbehöchststand seit Jahrhunderten ¾ Extreme Niederschläge im Erzgebirge ¾ ca 10 Mrd. Euro Schaden Niederschlag Niederschlag10.-13. 10.-13.August August2002 2002 Höchster Wert in ZinnwaldGeorgenfeld (südlich von Dresden): 353 mm / 24 Std. (Quelle: DWD) Quantifizierung Quantifizierungvon vonNiederschlag Niederschlag Durchschnittliche Werte: pro Jahr pro Tag Mainz 587 mm 1,6 mm Kemptner 2000 mm 5,5 mm 1000 mm 2,7 mm Hütte globales ca. 600 mm pro Jahr Mittel Zinnwald-Georgenfeld (August 2002): A = 1 m2 Æ ca. 600 Liter 353 mm / 24 h Wieviel Wasserdampf enthält die Atmosphäre unter normalen Bedingungen? z Wie kann es 353 mm in 24 Std. regnen? Feuchte muss (a) kontinuierlich durch den Wind herangeschafft werden (b) lokal zum Ausregnen gebracht weden z reicht für ca. 25 mm Niederschlag Niederschlag verursacht durch das Tief Ilse 2 Meteosat Satellitenbild (IR Kanal) vom 12. August 2002 Zyklonenzugbahn Vb Feuchtetransport durch das Tief Ilse 2 Quelle: G. Zängl (2004) Bodendruck (durchgezogen) und 500 hPa Geopotential (gestrichelt) am 12. August, 06 UTC 850 hPa Geoptential und Wind (Konturen und Symbole) und potentielles Regenwasser (schattiert) am 12. Aug., 18 UTC (Max.: 45 mm pot. Regenwasser) Eine Eine Summe Summe von von Faktoren Faktoren 1. Zugbahn Vb mit Feuchtetransport aus dem Süden 2. Orografisch erzwungenes Aufsteigen am Erzgebirge Æ Staueffekt und lokales Ausregnen 3. Tief nahezu stationär 4. Vorher schon zwei Episoden mit Starkniederschlägen Æ Boden gesättigt ! Hydrologische Extreme 2. Trockenperioden Sommer 2003 Sommer 2003 ¾ Über Wochen andauernde extrem hohe Temperaturen ¾ Maximum in Deutschland: 40.2 Grad C ¾ Sehr wenig Niederschlag ¾ >25000 zusätzliche Tote (bes. Frankreich) Verhältnisse Verhältnissein inder derSchweiz Schweiz Sommertemperatur 2003 liegt 5.4 Standardabweichungen über dem Mittelwert (Standardabwichung ermittelt aus den Jahren 1864-2000) Schär et al. 2004 Sommer 2003: seltener als 1x alle 10000 Jahre Sommer Sommer2003: 2003:sehr sehrtrocken trocken Niederschlag Deutschland, Sommer, Flächenmittel 1901-2003 400 1927 Niederschlagssummen in mm 350 1954 1956 1931 1910 1966 1980 1987 2002 300 250 200 1921 1964 1949 150 1947 1976 1904 2003 1983 1911 100 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 Zeit in Jahren 1970 1980 1990 2000 Quelle: Schönwiese et al. 2003 Hochdruckkeil Hochdruckkeil über über Westeuropa Westeuropa Synoptische SynoptischeEntwicklung Entwicklungüber überEuropa Europa Juni Junibis bisAugust August2003 2003 Daten: ECMWF-ERA Bearbeitung: B. Wecker, D. Reinert Verstärkung Verstärkungder derHitze Hitzedurch durch Austrocknen Austrocknender derBöden Böden Hochdrucklage: • Südwind • Sonnenschein • Hitze • Trockenheit Lange Dauer Æ Austrocknen der Böden (dauert 1-2 Monate!) eingestrahlte Energie eingestrahlte Energie Verdunstung Erwärmung normaler Boden Erwärmung Verdunstung trockener Boden Wie sieht die Zukunft aus? Wie ändert sich der Wasserkreislauf in einem sich ändernden Klima? Wir gehen von einem anthropogenen Klimawandel aus Fragen: 1. Wie wirkt sich der auf den Wasserkreislauf aus? 2. Speziell: die hydrologischen Extreme? Projektionen Projektionen der der Klimamodelle Klimamodelle ¾ Mehr Niederschlag im Winter ¾ Zunahme hydrologischer Extreme im Sommer weniger Niederschlag im Sommer (siehe Sommer 2003) …. … aber Zunahme von sommerlichen Starkniederschlägen (siehe Sommer 2002) PARADOX... Wasserspeicherkapazität Wasserspeicherkapazitätder derAtmosphäre Atmosphäre zur Erinnerung: Clausius-Clapeyron +7%/K temperature Atmosphäre 25 mm Wasser(dampf) Ozean / Erdoberfläche Niederschlag Niederschlag10.-13. 10.-13.August August2002 2002 (Quelle: DWD) Höchster Wert in ZinnwaldGeorgenfeld (südlich von Dresden): 353 mm / 24 Std. ΔT = 5oC Clausius-Clapeyron: 35% mehr Wasser. Æ 477 mm / 24 Std. Wie Wiewirkt wirktdie dieKlimaveränderung Klimaveränderungauf auf den denNiederschlag NiederschlagP? P? Wasserspeicherkapazität der Atmosphäre: • hängt stark von T ab (Clausius-Clapeyron) • 7% mehr Wasser pro Grad Erwärmung Im Einzelfall steht deutlich mehr Wasser für P zur Verfügung ¾ Extremniederschläge könnten zunehmen aber: nehmen Niederschläge insgesamt zu? Wie Wiewirkt wirktdie dieKlimaveränderung Klimaveränderungauf auf den denmittleren mittlerenNiederschlag? Niederschlag? ¾ Auf lange Sicht global gemittelt gilt: Niederschlag P = Verdunstung E ¾ Verdunstung von der Oberfläche erfordert Energie! eingestrahlte Energie P und E wird durch determiniert, nicht durch T! Atmosphäre >25 25 mm Wasser(dampf) Wasser(dampf) (2.7 2.7 mm/Tag) mm/Tag) E (> Ozean / Erdoberfläche P (>2.7 mm/Tag) (2.7 mm/Tag) Klimamodelle: Zunahme des Niederschlags in Abhängigkeit der Erwärmung Allen and Ingram (2002) ΔP = 2%/K (viel weniger als CC = 7%/K!) Residenzzeit Residenzzeitdes desWassers Wassersininder derAtmosphäre Atmosphäre Residenzzeit = Speicherterm Fluss = 25 mm = 9 Tage 2.7 mm/Tag eingestrahlte Energie Atmosphäre 25 mm Wasser(dampf) E (2.7 mm/Tag) Ozean / Erdoberfläche P (2.7 mm/Tag) Residenzzeit Residenzzeitdes desWassers Wassersininder derAtmosphäre Atmosphäre +7%/K Residenzzeit = Speicherterm Fluss +2%/K Residenzzeit von Wasser in der Atmosphäre erhöht sich eingestrahlte Energie Atmosphäre 25 mm Wasser(dampf) E (2.7 mm/Tag) Ozean / Erdoberfläche P (2.7 mm/Tag) Veränderung Veränderungdes deshydrologischen hydrologischenKreislaufs Kreislaufs Wasserspeicherkapazität der Atmosphäre erhöht sich Residenzzeit von Wasser in der Atmosphäre erhöht sich stärkere Niederschläge im Einzelfall gleichzeitig: Möglichkeit für längere Trockenphasen Zusammenfassung Wasser Wasser in in der der Atmosphäre Atmosphäre Drei Phasen: gasförmig, flüssig, fest physikalische Eigenschaften (Strahlung/Albedo) Treibhauseffekt: Wasserdampf: wichtigstes Treibhausgas Wasserdampf-Rückkopplung Rolle der Wolken Hydrologische Extreme Sommer 2002, Sommer 2003 Wasserkreislauf bei Klimaänderung? Wasserspeicherkapazität Residenzzeit Æ Zunahme von hydrologischen Extremen Vielen Dank!
