Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 23. Januar 2007 1

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

23.130.1

6.2

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Wiederholung 12. Stunde

Was besagt das Hasselmann‘sches Klimamodell?

Welche Parameter erzeugen externe Klimavariabilität?

Warum ist Variabilität nicht exakt mit externem Antrieb korreliert?

Welchen Einfluss haben Vulkane (wie lange)?

- Wechselwirkungen zwischen Klimakompartimenten können interne Klimavariabilität erzeugen

- Dämpfung des Ozeans führen zu langfristigeren und stärkeren Schwankungen angetrieben von kurzfrsitiger atmosphärischen Variabilität

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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.

- ..

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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

Kriterien

Zeit- unabhängig (Gleichgewicht)- abhängig Klimavariabilität

Raum- vertikal- zonal- meridional

Kopplung- ein/zwei Wege- asynchron- hyprid- voll

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EBM: Energiebilanzmodell

TSi~106K

Photosphäre

6·107Wm-² 1373 W/m²

~240 W/m²absorbiert

So=1373 Wm-²

343 Wm-²

α=30%TE=255 K

242 4 4 ESoSonneS rSTr 4 4

2

2

o

E

Eo

Sr

rS

)1(44 oE

ST

TSonne=5783 K

TS = 288 K

TS = TE + ΔT

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EBM: Bedeutung der Albedo Algenblüte

α TE /K ΔT/K

0.1 271 17

0.3 255 33

0.5 235 53

)1(44 oE

ST

TS = TE + ΔT ~ 288 K

..aber bei einer anderenAlbedo würde sich eineandere OberflächentemperaturTs einstellen

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Energiebilanz

Erdoberfläche

Atmosphäre

ae

sa

FtF

FFQ

21

1

EBM: Bedeutung der Albedo

Q αQ

t Ta

Fa

FaFs

τFs t Transmissivität der Atmosphäre

thermische Abstrahlung 4

4

ss

aa

TF

TF

Ts

4

2

11 sT

tQ

t Ts /K Ta /K

0.0 303 255

0.2 290 230

0.4 279 206

Bei einer durchschnittl. Ober-flächentemperatur von 288 K ist die Transmissivität t = 0.225 die Emission = 0.775

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EBM: Energiebilanzmodell

RRt

TC

C WärmekapazitätR↓ abwärts gericht. StrahlungsflussR↑ aufwärts " "Q Solarer Input (=So/4 ~ 342 Wm-2)α Albedo = f(Eis, Schnee, Wolken..)t Transmissivität der AtmosphäreAE Fläche der Erde (5. 1·10x14 m2)Δz Dicke der ozean. Deckschicht (70 m)w Dichte von Wasser (103 kg m-3) cw spez. Wärmekap. Wasser (4200 Jkg-1K-1)

auf der Erde ist Wärmekapazität i. W. vom Ozean bestimmt

]/[101.05 7.0

)]/([102.1 7.023

28

KJzAcC

KmJzcC

EwwErde

wwsäule

Änderung der global gemittelten Oberflächentemperatur T über Zeitraum Δt

Δz

Ozean Land

0.7 0.3

4

2

)(1)(1 T

TtTQ

t

TC

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EBM: Energiebilanzmodell

Taylor-Entwicklung um den Referenzzustand To

41

2

)(1)(1 T

TtTQ

t

TTC

RRt

TC

dt

dE

ii

)()(4 344oooo TTBATTTTT oTTT '

')1( BTAQdt

TdC

Lineare Differentialgleichung 1.Ordnung

constTC

B

dt

Td

'

t

C

BTtT exp)0()(

mit

Zeitkonstante τ

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EBM: Energiebilanzmodell

Einstellzeit für das thermische Gleichgewichtmit B~1.15 Wm-2 K-1

BC /

C (J m-2 K-1] τ (Jahren)

Atmosphäre 107 0.28

Deckschicht (70 m) 2·108 5.5

Oberer Ozean (360 m) 109 27.5

Gesamter Ozean (3900 m) 1.6·1010 440

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EBM: Energiebilanzmodell

von Storch, Güss und Heiman, 1999

BC /

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kein Eis

EBM: Energiebilanzmodell

Gleichgewichtslösung (weder Erwärmung noch Abkühlung)

Gesucht: T = f (t,To,αQ,C,..)

α

T/K

R

T/K

273 303

Eis0.5

0.1

342 Wm-2

heutiges Klima

Q(1-α)

T4

4

2

)(1)(1 T

TTQ

t

TC

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Box-Modell Atmosphäre-Ozean

K=10-4m2s-1; h=70m

K=10-3m2s-1; h=110 mgroßer Einfluss der Diffusionsparametrisierung

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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)

Erweiterungsmöglichkeithorizontale Dimension (1D EBM) - Berücksichtigung von horz. Energietransporten - zonale Abhänigkeit der solaren Einstrahlung / Albedo

erste Abschätzung der globalen Temperaturverteilung

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1D Energiebilanzmodelle

Mc Guffie and Henderson-Sellers,1997

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Erweitertes Energiebilanzmodell

Mc Guffie and Henderson-Sellers,1997

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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 Temperaturabhängig von Hellogkeitsfaktor L

Lokale Temperatur über den 3 Bereichenabhängig vom Mischungsfaktor R„Temperaturmischung“ zwischen den verschiedenen Bereichen:- R = 0 perfekte Mischung → Tl = Tp,- R=1 therm. Isolation der Bereiche (jeder einzeln im Strahlungsgleichgew.)

QLT pp

14

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Daisyworld

Beispiel für Rückkopplung mit der Vegetation

Wachstumsmodell für Lilien

Wachstumsrate abhängig von der lokalen Temperatur Tl:

für Tmin < Tl < Tmax

0 sonst

Flächenbedeckung durch die Lilien AI (l = s,w)

mit Sterberate dI

Es gibt immer eine minimale Lilienbedeckung (Al ≥= 0.01)

2

minmax

25.01

TT

TTb optII

IbIII dAbA

dt

dA

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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?

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Ruddiman, 2001

RC: Strahlungskonvektionsmodell

Unterteilung der Atmosphäre in viele Schichtenführt immer noch zu nicht realistischem Vertikalmodell

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Ruddiman, 2001

SD: 2-D statistisch-dynamisches Modell

zonal symmetrisches Modell Parametrisierung der transientenund stationären Eddies

eA R

TKTv

mittl. meridionaler Enthalpie-fluss durch transiente EddiesGradient-Fluss-Annahme

barokline Wellen werden durchmittl. meridionalen Temperaturgradienten angetrieben

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Klimamodelle: Historische Entwicklung

Mcguffie and Henderson-Sellers, 2001

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Ruddiman, 2001

GCM: 3-D Zirkulationsmodell

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Klimamodellierung

McGuffie und Henderson-Sellers, 2001

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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 aufTemperatur, Albedo, Emissivität, Rauhigkeit

Chemie

– Zusammensetzung der Atmosphäre

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GCM: Validierung

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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)

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Problem der Modellierung: Kaltstart

Ruddiman, 2001

Modell ist nicht ausblanciert bei Start, z.B. Wasserbilanz