Einführung in die Klimamodellierung André Paul. Vegetation Atmosphäre Eis Ozean Land Apollo 17,...
-
Upload
erdmann-altmann -
Category
Documents
-
view
104 -
download
0
Transcript of Einführung in die Klimamodellierung André Paul. Vegetation Atmosphäre Eis Ozean Land Apollo 17,...
Einführung in die Klimamodellierung
André Paul
Vegetation
Atmosphäre
Eis
Ozean
Land
Apollo 17, 7. Dezember 1972
Klimamodellierung
Klimasystem
Konzeptionelles Modell auf der Grundlage der Abbildung 1-5 (unten) von Ruddiman (2001)
Warum Modellierung?
• Ohne Beobachtungen werden Theorien
schnell irrelevant.
• Ohne Theorie sind Beobachtungen nicht
interpretierbar.
Henning Rodhe (2000), Carl Wunsch (2007)
Warum Modellierung?
• Das Erdsystem kann in quantitativer Weise
untersucht werden, weil sich seine Eigenschaften
in Zahlen fassen lassen
• Quantitatives theoretisches Verständnis erwächst
aus der Simulation eines Systems oder von
Teilen eines Systems und numerischem
Experimentieren mit dem simulierten System
• Beispiel: Globaler Wandel (“global change”)
Walker (1991)
Ziele der Klimamodellierung
Verstehen vergangener Klimazustände
– Formulieren und Testen von Hypothesen
– Untersuchen der Antwort des Klimasystems
auf eine äußere Anfachung, Anregung oder
Störung
– Verstehen von Wechselwirkungen und
Rückkopplungen zwischen Komponenten
des Klimasystems
Welche Arten von Modellen gibt es?
• Es gibt– konzeptionelle Modelle,– mathematische Modelle
– analytische oder numerische
– prozessorientierte Modelle– realistische
Modelle
Beispiel für ein dreidimensionales
Ozeanmodell
• Massachusetts Institute of Technology general circulation model (MITgcm:http://mitgcm.org)
• mit “cubed-sphere grid system”: 32x32 Gitterpunkte x 6 Seiten, 15 Tiefenniveaus
[Abbildung 3-30 aus Ruddiman (2001)]
Gitterzellen in einem dreidimensionalen Ozeanmodell
Programm „Paläozeanographische Modellierung“
1. Durchführung von Experimenten mit einem zweidimensionalen Klimamodell (CLISIM)
• Installation auf einem Notebook
• Erstes kurzes Experiment (200 Modelljahre)
• Langes Experiment mit CLISIM (4000 Modelljahre)→ Wie lange benötigt das Klimamodell, um in ein Gleichgewicht zu kommen?
• CLISIM: Sensitivitätsexperimente (je 2000 Modelljahre)→ Welche Rolle spielen die atmosphärische CO2-Konzentration und die Lage
der Westwindzone auf der Südhalbkugel für die Wassermassenverteilung und die Meridionalzirkulation im Atlantischen Ozean?
2. Analyse von Experimenten mit einem dreidimensionalen Kilmamodell
→ Zusätzlich: Wie wirken sich Änderungen in der großräumigen Zirkulation auf die Verteilung von Nährsalzen und Kohlenstoff im Meer und die Lage der CCD aus?
Werkzeuge
• MATLAB (und Fortran) für die numerische Simulationen
• MATLAB und Panoply für die Analyse und graphische Darestellung der Ergebnisse
MATLAB
• MATLAB is eine Programmiersprache für
technisch-wissenschaftliches Rechnen
➔ Berechnung, Visualisierung und
Programmierung in einer einzigen, einfach
zu bedienenden Umgebung
➔ Aufgaben und ihre Lösung in gewohnter
mathematischer Schreibweise
Panoply
• Website:– http://www.giss.nasa.gov/tools/panoply
• Geeignet für– Anzeige des Inhalts einer Datei im
NetCDF-Format– horizontale Karten und vertikale Schnitte– Vektordarstellung (Wind, Strömungen)– Anomalien
Stromfunktion/Sv der meridionalen Umwälzbewegung im Atlantischen Ozean im dreidimensionalen
Klimamodell UVic ESCM
Meeresoberflächentemperatur/°C im Südtlantischen Ozean im im dreidimensionalen Klimamodell
UVic ESCM
CLISIM: ein einfaches Klimamodell in MATLAB
Klimasystem
Konzeptionelles Modell auf der Grundlage der Abbildung 1-5 (unten) von Ruddiman (2001)
CLISIM: ein einfaches Klimamodell in MATLAB
• Komponenten Eis, Landoberfläche und Vegetation vernachlässigt, Atmosphäre stark vereinfacht
• Modellgebiet: Atlantischer Ozean von 76°S bis 76°N, Ost-West-Ausdehnung 70°, flacher Boden in 4000 m Tiefe
• Beschränkung auf zweidimensionale Bewegungsvorgänge in Nord-Süd-Richtung und vertikaler Richtung
CLISIM: ein einfaches Klimamodell in MATLAB
• Atmosphäre: vorgeschrieben oder Einschichtenmodell
• Ozean: Mehrschichtenmodell Ozean wird in 25 Schichten zerlegt, über die vertikal
integriert wird. Durch numerische Integration des so erhaltenen
Gleichungssystems erhält man Mittelwerte für jede Schicht.
CLISIM: ein einfaches Klimamodell in MATLAB
• Randbedingungen:– an der Meeresoberfläche vorgebene Temperatur- und
Süßwasserflussfelder (für den Wasserumsatz zwischen Ozean und Atmosphäre, dass heißt den Unterschied zwischen Niederschlag und Vedunstung)
– Die oberflächennahe Lufttemperatur wird entweder fest vorgeschrieben (als “Referenztemperatur” oder “restoring temperature”) oder mit einfachen Modell für den Wärmehaushalt der Atmosphäre (“energy balance model”, EBM) berechnet.
– Einfluss des Windes: Vorgabe der zonalen (Ost-West-) Komponente der tangentialen Windschubspannung an der Meeresoberfläche