31. Oktober 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 1 Wiederholung 2. Stunde...

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 31. Oktober 2006 1

Wiederholung 2. Stunde

Defintion des Klimasystems über seine Komponenten und als System ineinander verschachtelter Kreisläufe. Welche?

Welche Randbedingungen (externen Antriebe) hat das Klimasystem?

Welche Raum-Zeit-Skalen sind relevant?→ Wieviele Freiheitsgrade hat die Atmosphäre?

Energie-, Wasser-, Spurenstoff-, Drehimpuls- und Gesamtmassenkreislauf

Auflösung bis in den viskosen Dissipationsbereich → Δx = 1mm

Raumgitter: Oberfläche = 4π R2 ~ 5 · 1020 mm2

→ Volumen bis 100 km Höhe ~ 5 · 1028 mm3

Variablen: u,v,w,p,T,Gase (CO2,O3, ..), Aerosol & Hydrometeore

- solare Einstrahlung (extraterrestrisch)

- geologisch: Land-/Meeverteilung, Orographie (terrestrisch)

ca. 1031 Freiheitsgrade


Wiederholung 2. Stunde

Warum ist eine deterministische Betrachtung des Klimasystems nicht möglich?

Mit welchen Maßen wird das Klimasytems beschrieben?

- Beschreibung des mittleren Zustandes

- der typischen Abweichungen des mittleren Zustandes

- der typische Zeitabläufe für diese Abweichungen

- der Wahrscheinlichkeiten für extreme Abweichungen

- zuviele Freiheitsgrade (1031) - derzeitige Rechenzeitkapazität 1010

- Anfangswerte können nicht bestimmt werden

- Nichtlinearität → chaotische Entwicklung

f(x)dx des Auftretens eines zufälligen Zustands X im Bereich dx

(f : Wahrscheinlichkeitsdichte)

xxxx dfT

dtt )(??)(


Gliederung

Einführung

Datengrundlage- Messungen (direkt/indirekt)- Reanalysen (Modelle als Ergänzung)

Energiehaushalt der Erde- Strahlungs(konvektions)-gleichgewicht- Räumliche Verteilung, 3D-Energietransporte, „Wärmemaschine“ Klimasystem

Hydrologischer Zyklus- terrestrischer/ozeanischer Arm- Energietransporte im Ozean (thermohaline Zirkulation)

Natürliche Klimavariabilität- Interne Variabilität (ENSO)- Externe Variabilität (Sonne, Vulkane, Erdbahnparameter)

Klimamodellierung- GCM/Ensemble-Vorhersage/Parametrisierung- IPCC, Szenarien, anthropogene Effekte

Globaler Wandel- Detektion des anthropogenen Einflusse

- Synop-Stationen→ bodennahes Klima über Land

- freiwillige Handelsschiffe über Ozean → COADS- Datensatz (1850-1984)

- Radiosondenaufstiege→ vertikale Struktur seit ca. 1950 ca. 7 Stationen pro 2.5°x2.5°


100-jähr. aerologische Lindenberger Messreihe

1902 entdecken Assmann und de Bort die wärmere Schicht in der Höhe (Stratosphäre) es kommt zur klassischen Schichteinteilung der Atmosphäre (Troposphäre/Tropopause/ Stratosphäre)

Bedeutung der Kenntnis der Vertikalstruktur schon damals durch Assmann u.a. Forderung nach regelmäßigen Vertikalsondierungen

Homogenisierung von Sensoren


WOCE – World Ocean Circulation Experiment

1990 - 1998 Beobachtungen von Forschungsschiffen CTDs: T(D), C(D)

oberste 400 m zeigen markante Variabilität auf Jahreszeitenskala

Messungen der synoptischen Strömungs-verteilung jedoch unmöglich → nur über geostrophische Beziehung(CTD= Conductivity - Temperature - Depth)


Struktur Internationale Klimaforschung

WCRPWorld Climate Research Programm

GEWEXGlobal Energy and Water Experiment CLIVAR

Climate Variability and Prediction Programm

WOCEWorld Ocean

Circulation Experiment

SPARCStratospheric Processesand their Role in Climate

CLICClimate and

Cryosphere Programm

Analyse von globalen Beobachtungen/Prozessmodellierung

Schwerpunkt auf „schnellen Rückkopplungen“, welche die Verfügbarkeit von Süßwasser für die Biosphäre beeinflussen

ein Teilprojekt: ISCCP


International Satellite Cloud Climatology Project ISCCP

seit Juli 1983: Archivierung von Satellitenstrahldichten zur Bestimmung der globalen Verteilung von Wolken einschließlich deren Eigenschaften, Tagesgang, saisonale und interanuale Variabilität

Effekte auf den Strahlungshaushalt„CRF“: Cloud Radiative Forcing

Rolle bezüglich des globalen Wasserkreislaufes

Klimawirksamkeit von Wolken

... bisher im Internet verfügbar: bis Dezember 2004 ...http://isccp.giss.nasa.gov/


Bsp: ISCCP Cloud Amount


Cloud Radiative Forcing (CRF)

Einfluss von Wolken auf die Strahlungsbilanz am Oberrand der Atmosphäre

Daten: ERBE (Earth Radiation Budget Experiment) & ISCCP

1. Schritt: „clear-sky climatology“Mittelwert über alle Strahldichtemessungen an einem bestimmten geographischen Ort die als „wolkenfrei“ identifiziert werden

2. Schritt:Bildung der Differenz zwischen den Strahldichtemessungen der clear-skyclimatology und dem Mittelwert über alle Beobachtungen am entsprechendengeographischen Ort

Einfluss der Wolken auf die Energiebilanz am Oberrand der

Atmosphäre („cloud radiative forcing“)


Cloud Radiative Forcing (CRF)

global:

Positive Werte: Energiegewinn für das System Erde-Atmosphäre

Negative Werte: Energieverlust für das System Erde-Atmosphäre

(abhängig von: solarem Einfallswinkel, Tröpfengrößenspektrum, Phase)

,,

,

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( )

1 1

" " " "

TOA netto

TOA TOA netto netto clear sky clear skyclear sky

p p clear sky clear sky

p clear sky p clear sky

R Q F

R R Q Q F F

Q Q F F

Q F F

shortwave cloud forcing longwave cloud forcing


Earth Radiation Budget Experiment ERBE

Steve Ackerman and Tom Whittaker, 1999


CRF - global

Hartmann, 1994


Potter & Cess, 2004, JGR

DJF 85-89

Wolkeneinfluss auf den Strahlungshaushalt in Modellen im Vergleich zu Messungen des ERBE (1985-1989)


Fehlerabschätzungen: 10-15%

clearall sky solar

terrestrial

B.Carson, GISS 2004

alle unbewölkt


Klima Datensätze

clearall sky solar

terrestrial

B.Carson, GISS 2004

alle

GEWEX Newsletterhttp://www.gewex.org/Aug2006.pdf


MSU/AMSU Instrumente auf NOAA Satelliten

MSU 50.3 - 57.95 GHz (1978-heute) auf 8 NOAA Satelliten (polarumlaufend)

AMSU ab 1998, 2.5° Auflösung

keine absolute Kalibration (Interkalibration zwischen verschiedenen Satelliten nötig)

www.remss.com


Satellitentrends - MSU

MSU Kanal 2 (1979 – 2003)Globaler Trend: 0.129 K/Dekade

geographischeBreite


Satellitentrends - MSU

MSU Kanal 2

MSU Kanal 3

MSU Kanal 4


SSM/I – Special Sounder Microwave Imager

hier: August 2004, seit 1987, 19.35 - 85.5 (V/H) GHz, Erdabdeckung ~3 Tage, räumliche Auflösung 25-50 km, Nachfolge AMSR-E, TMI

vv in m/s (Rauigkeitlänge Polarisationsabh.) Wasserdampfsäule, mm

Wolkenwassersäule, mm Regenrate, mm/hr


Scatterometer

Räumliche Auflösung: ~ 45 km (entlang und senkrecht zur Flugrichtung)

WindrichtungBereich: 0 – 360° Genauigkeit: +-20°

Windgeschwindigkeit Bereich: 4 ms-1 - 24 ms-1 Genauigkeit: 2 ms-1 oder 10 %


Bestimmung des Windvektors

Rückstreuung ist maximal in und entgegen der Windrichtung, da hier Kapillarwellen senkrecht und Bragg-Streuung optimal

so ist minimal senkrecht zur Windrichtung, da hier die Kapillarwellen parallel und kaum Bragg-Streuung

Wegen der Form der Kapillarwellen in das relative Maximum entgegen der Windrichtung leicht größer

Eine höhere Windgeschw. führt für alle Richtungen zu einer höheren Rückstreuung


ERS – European Remote Sensing Satellites

ERS1: 1992-2000, ERS2: 1995-????

in ~780 km Höhe

Typ: polarumlaufend, sonnensynchron

T~100 min

“Repeat cycle”: 35 Tage

Instrumente- SAR “Synthetic Aperture Radar” - Wind Scatterometer- Radar Altimeter- passive Radiometer (ATSR)


El Niño im ATSR

earth.esa.int

SST, July1995 SST, July1997

ATSR:

Infra-Rot Radiometer (IRR): SST und Wolkenobergrenzen-temperaturen

Microwave Sounder (MWS): Wolkenwasser, Wasserdampf, SST

Differenz 1995-1997


NDVI – Normalized Difference Vegetation Index

http://earthobservatory.nasa.gov/

< 0.1: Stein/Wüste/Schnee0.2 - 0.3: Steppe/Grasland0.6 - 0.9: bewaldet - Regenwald

NDVI = (NIR — VIS)/(NIR + VIS)

Messungen via NOAA AVHRR Instrument (1 km2 Auflösung) bisher 2 Jahrzehnte globale Abdeckung


Eisbedeckungsgrad/Eisvolumen - ICESAT

Antarktische und Grönländische Eisplatten beinhalten 77% des Süßwassers (≅80 m Meeresniveau!)

Schmelzen von 0.1% bedeutet Meeresniveauanstieg von 8.3 cm

Jährliche Eisansammlung von 0.8 cm Meereseniveau ausgeglichen durch Rückfluss in den Ozean (Massenbalance)

Lokale und langzeitliche Unteschiede

Massenbalance sollte möglichst genau bestimmt werden

- ICESAT benutzt Lidar (Light Detecting and Ranging) Technolgie

- ICESSAT detektiert Änderungen der mittleren Eismächtigkeit von bis zu 0.3 cm → Meeresspiegelanstieg von bis zu 0.1 cm nachweisbar

Erstflug, 20.2.2003http://icesat.gsfc.nasa.gov


Zukünftige Missionen

A-Train (USA/Frankreich)

EarthCARE (ESA)


Beobachtungen zur Modellverbesserung

Klimamodelle benötigen kleinskalige Beobachtungen Verbesserte Parametrisierungen

- Aerosol/Wolken/Niedersschlagsprozesse- 3D-Strahlungstransfereffekte- Bodenmodule...

Validierung- Satellitenvalidation - Bodengebundene Validation

• CLIWA-NET• CLOUD-NET• Atmospheric Radiation Measurement

program ARM...

langzeitliche und detailierte Strahlungs- und mikrophysikalische Messungen notwendig


Paläoklimatologische Daten

Historische Dokumente Baumringe Korallenringe Eisbohrkerne Speläologie (Höhlenkunde) Sedimente in Seen und Ozean Bohrlöcher Glaziale Oberflächen-Formung (Moränen)

Jones & Mann, 2004:, Climate over past millenia, Reviews of Geophysics


Paläoklimatologische Daten

Jones & Mann, 2004:, Climate over past millenia, Reviews of Geophysics

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