Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 9. 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, NAO, QBO) - Externe Variabilität (Sonne, Vulkane, Erdbahnparameter)

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

Globaler Wandel- Detektion des anthropogenen Einflusse

16.1

23.130.1

6.2

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 9. Januar 2007 2

Klimavariabilität nach Stocker [2000]- extern gezwungene Änderungen- selbsterhaltende Oszillationen- nicht-deterministische Variabilität- abrupte Reorganisation → Wechsel zwischen verschiedenen Gleichgewichtszuständen

Mehrfache Gleichgewichtszustände für Ozeanzirkulation möglich→ Umschlagen von einem in den andern Zustand, z.B. durch Hudson-Bay Ereig.

Wie wahrscheinlich ist ein Umschlagen aufgrund der anthropogenen Erwärmung?

Wiederholung 10. StundeAbgesehen von Tages- und

Jahresgang sind externe Klimaschwankungen auf Zeitskalen

unterhalb 1000 Jahren marginal gegenüber Interner Klimavariabilität

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 9. Januar 2007 3

Zukünftige Entwicklung

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 9. Januar 2007 4

Temperaturspektrum

starke freie Variabilität innerhalb des Systems

- bodennah- Komposit- interne Energie

Ruddimann, 2001

http://www.whfreeman.com/ruddiman/

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 9. Januar 2007 5

1010 Periode in Jahren 10 -4

Temperaturspektrum aus freien Klimamodellierungen (ohne Trend) Beobachtungen: 1861 to 1998 aus IPCC, 2001

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 9. Januar 2007 6

Klimavariabilität schematisch

Externe Parameterhttp://www.ncdc.noaa.gov/paleo/forcing.html

http://www.ngdc.noaa.gov/paleo/ctl/about1.html

Mitchell, J. M., 1976. An Overview of Climatic Variability and Its Causal Mechanisms. Quaternary Research 6, 481-493.

Klimavariabilität resultiertaus komplexen Wechsel-wirkungen erzwungener und freier Variationen

Klimasystem ist- dissipativ- hoch nichtlinear- viele Quellen der Instabilität

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 9. Januar 2007 7

Klimavariabilität

Betrachtete Zeitskala im Bereich von Jahren:also nicht: Wetter oder Eiszeiten usw. ( Klimageschichte) bekannteste Beispiele für natürliche interne Klimavariabilität:

ENSO (El Nino / Southern Oscillation)ozeanische / atmosphärische Komponente- kalter Humboldtstrom wird durch warme Meeresströmung ersetzt- unregelmäßigen Abständen (3 bis 7 Jahre)- Dauer: ca. 12-15 Monate

NAO (North Atlantic Oscillation)- dominanter Mode der Winterklimavariabilität in der Nordatlantik-Region - Luftmassenschaukel zwischen Subtropen & Polar- Jahr-zu-Jahr Variabilität- bleibt in Phase über mehrere Jahre.

QBO (Quasi-Biennial Oscillation)- nahezu 2-jährige Oszillation der tropischen Stratosphäre (West- / Ostwinde)- Wechselwirkung von Wellen und mittlerer Strömung

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 9. Januar 2007 8

Klima des Pazifik

Hadley-Zirkulation mit Passatwinden von Nord(Süd) zum ÄquatorAufsteigen Äquator, Absinken Subtropen

Teil der Walker-Zirkulation mit Aufsteigen in Australien/Indonesien und Absinken vor Südamerika

Cubasch & Kasang (2000)

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 9. Januar 2007 9

Walker-Zirkulation (Sir Gilbert T. Walker, 1918 )

Vertikalbewegung ist unmittelbar an die Oberflächentemperatur gekoppelt

SST hoch AufsteigenSST niedrig Absinken

El Nino

starke Konvektion über Indien und Indonesien Konvektion über Ostafrika und Amazonasgebiet

starkes Absinken über dem äquatorialen Ostpazifik Absinken über West-Indik und Westafrika

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 9. Januar 2007 10

ENSO Phänomen

El Nino ("das Christkind")

schwache Passatwinde

warmes, nährstoffarmes Wasser

starke Regenfälle über Pazifik

Verlagerung des Jetstream→Telekonnektionen

von ~Dez. bis Mai/Juni

http://www.tsgc.utexas.edu/topex/activities/elnino/sld001.html

Normalbedingungen

Passatwinde wehen westwärts

→ warmes Oberflächenwasser nach Australien und Neuguinea

→ kaltes, nährstoffreiches Wasser an Westküste Südamerika

Niederschlag im westl. tropischen Pazifik vor allem über Indonesien

Southern Oszillation ist der Walker-Zirkulation überlagert

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 9. Januar 2007 11

Satellitenüberwachung El Niño

Ozeanoberflächentemperaturen bestimmt aus thermischen Infrarot

Meeresoberflächenhöhe sind aus Altimeter

El Nino Ereignis 1997/1998 mit TOPEX/POSEIDON

niedriger in Australienhöher vor Südamerika

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 9. Januar 2007 12

Niederschlag

Hov

möl

ler

Dia

gram

m

SüdamerikaZentralpazifik

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 9. Januar 2007 13

Bestimmende ENSO Faktoren

Wind (bzw. Druckfeld) Oberflächenströmung SST Strom latenter und fühlbarer Wärme (Intensität der Konvektion)

Korrelationsanalyse:stark positive Korrelation zwischen pDarwin und der SST

im zentralen und östlichen Pazifik und in Teilen des Indischen Ozeans

pDarwin hoch SST hoch ENSO

pDarwin niedrig SST niedrig Anti-ENSO

La Niña

Instabile Wechselwirkungen von atmosphärischer Konvektion, bodennahem Windfeld, ozeanische Strömung und SST Variationen→ ENSO (El Niño / Southern Oscillation) Bjerknes (1966)

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 9. Januar 2007 14

ENSO Variabilität

Southern Oscillation Index (SOI) Luftdruckschaukel (Osterinseln/Tahiti und Darwin) Abweichung von deren Differenz (Ost minus West) vom langjährigen Mittel positives Vorzeichen → Druck im Osten/Westen über/unter Mittelwert

→ verstärkter Passat, kühlere SST im Ostpazifik negatives Vorzeichen → Anzeichen für El Nino

Alternativverfahren zum SOI sind der Oceanic Niño Index (ONI), der Multivariate ENSO Index (MEI), der JMA-Index und der TOPEX/Poseidon-El Niño-Index.

http://www.enso.info/

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 9. Januar 2007 15

Aktuelle Situation des Pazifiks

http://www.cdc.noaa.gov/ENSO/enso.current.htmlhttp://www.cpc.noaa.gov/products/analysis_monitoring/enso_advisory/

Multi-variater ENSO Index Luftdruck auf Meeresniveau Zonalwindkomponente am Boden Meridionalwindkomponente am Boden SST Lufttemperatur nahe der Oberfläche Bedeckungsgrad

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 9. Januar 2007 16

Ablauf eines ENSO Ereignisses

p= Osterinseln - Darwin

x (Schubspannung), Zentralpazifik

SST Ostpazifik

x

uK

xK turbulenter Austauschkoeffizient

mittlere Luftdichte

Korrelationsanalyse

Suche der max. Korrelation zwischen den einzelnen Zeitreihen durch sukzessive Zeitverschiebung

rmax(Δp,τx) = -0.65 bei Δt = 2 Monate

rmax(Δp, ΔSST) = -0.83 bei Δt = 4.5 Mon.

Änderung des Druckgradienten bewirken zuerst eine Änderung des Windfeldes und danach eine Änderung der SST

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 9. Januar 2007 17

ENSO Mechanismus

Wechselwirkung von ostwärts laufenden Kelvin-Wellen und westwärts laufenden Rossby-Wellen im Ozean

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 9. Januar 2007 18

ENSO Mechanismus

Eine äquatoriale Kelvin-Welle ist eine lineare Welle mit entweder erhöhten oder vermindertenTemperaturen.

Wellen bewegen sich ostwärts entlang des Äquators mit einer Geschwindigkeit von ca. 2,5 m/sdies entspricht ca. 200 km/Tag

Pazifik in 2-3 Monaten

Wellenlängen größer als die Wassertiefe.

Thermokline dient als Leitlinie

Küste lenkt Kelvin-Welle nach Norden und Süden (Küsten-Kelvinwelle)→ Auslösung einer nach Westen wandernde Rossby-Welle

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 9. Januar 2007 19

Auswirkungen vom El Nino

Januar 98 (El Niño): kaum Chlorophyll Juli 98: hohe Chlorophyll-Konzentration

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 9. Januar 2007 20

Telekonnektionen

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 9. Januar 2007 21

Nord-Atlantische Oszillation (NAO)

Hense: Klimavariabilität durch interne Wechselwirkungen, Promet, Jahrg. 28, Nr.3/4, 2002

quasiperiodische Schwankungen im Luftdruckfeld über dem Nordatlantik

starke negative Korrelation zwischen den ausgeprägten Drucksystemen Islandtief und Azorenhoch

Luftdruckunterschied zwischen Stykkisholmur (Island) und südlicherer Station Ponta Delgada (Azoren), Lisabon (Portugal) oder Gibraltar

http://www.met.rdg.ac.uk/cag/NAO/index.html

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 9. Januar 2007 22

NAO Einfluss auf globales Klima

http://www.ldeo.columbia.edu/NAO/

Korrelation NAO vs Wintertemperatur

Korrelation NAO vs Winterniederschlag

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 9. Januar 2007 23

Nord-Atlantische Oszillation (NAO)

Luftdruckgradient zwischen Azoren und Island ist besonders steil→ Westwinde über dem Nordatlantik vor (Zonalität); feuchte, milde Meeresluft strömt mit wandernden Zyklonenfamilien nach Europa und verdrängt arktische Luftmassen

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 9. Januar 2007 24

Nord-Atlantische Oszillation (NAO)

zonaler Grundstrom schwach, meridionale, blockierende Wetterlagen überwiegen→ die Winter in Europa werden kälter.

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 9. Januar 2007 25http://www.palmod.uni-bremen.de/~gerrit/coral/KREISE1.jpg

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 9. Januar 2007 26

Quasi-Biennale Oszillation (QBO)

sehr regelmäßiger Wechsel von Westwind- und Ostwindregime in der äquatornahen Stratosphäre

Extremwerte von -30 bis + 20 m/s, max. in Höhen um 24 km

Zyklus im Mittel 26 Monate

QBO Signal setzt sich mit ca. 1 km/Monat in niedrigere Höhen fort

unsymmetrisch: Westwindphasen meist etwas länger, Ostwindphasen dafür wesentlich intensiver

http://www.cpc.noaa.gov/data/indices/

Resultat von Wellen-Wechselwirkungen mit mittlerem Fluss

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 9. Januar 2007 27

QBO Muster

Zonaler Wind an äquatornahenStationen (B. Naujokat)

Isoplethen in m/sWestwinde in grau

Canton Island (Jan 53 - Aug 67)Canton Island (Sep 67 - Dez 75)Gan/Maldiven (Jan 76 - April 85)Singapore (Mai 85 - Aug 1997)

10

100

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 9. Januar 2007 28

QBO: Zusammenhang mit tropischen Wirbelstürmen

Atlantische Hurrikane (vmax > 51 m/s) von 1949-88 basierend auf Sep. 50 hPa Winden 9°N,80°W

Ost West

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 9. Januar 2007 29

Sonnenflecken

Dunkle Flecken in Photosphäre

Stark magnetische Regionen

Dauer von Tagen bis Wochen

Photosphärentemperatur kann bis auf 3700 K abfallen

Sonnenfleckenzyklus mit ca. 11 Jahren

Sonnenflecken haben bevorzugte Bildungslokationen während verschiedener Phasen dieses Zyklus

http://sohowww.nascom.nasa.gov/hotshots/2001_11_06/

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 9. Januar 2007 30

QBO: Zusammenhang solare Strahlung

1956-1986 QBO West1956-1986 QBO Ost

Nord-PolTemp. in 30 hPa

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 9. Januar 2007 31

QBO und Klima

Einfluss auf die Häufigkeit von tropischen Wirbelstürmen

Einfluss auf den Monsun

Einfluss auf Niederschlag in der Sahel-Zone

Wechselwirkung mit ENSO

Auswirkungen auf Aerosolgehalt in der Stratosphäre nach Vulkanausbrüchen