Wiederholung 4. Stunde

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 14. November 2006 1

Wiederholung 4. Stunde

Was ist eine Reanalyse?

Welche Daten wurden in ERA-40 verwendet und was ist der Output?

Wie funktioniert die variationelle Datenassimilation? Was machtder Operator H?

1957-1972: Konventionelle, nicht-Satellitenbeobachtungen 1972-1988: Assimilation einiger Satellitenbeobachtungen (VTPR, TOVS und CMW). 1987-2002: Assimilation neuester Obs. (u.a. TOVS, SSM/I, ERS, ATOVS und CMW)

- Erstellung eines möglichst genauen Bildes des wahren atmosphärischen Zustandes zu einem gegebenen Zeitpunkt (Pseudo-Beobachtungen)

Verschneidung von Beobachtungenund Hintergrundsfeld unter Berücksichtigung der jeweiligenFehler


Wiederholung 4. Stunde

Wie stark variiert die Solarkonstante zwischen Perihel und Aphel?

Wie hoch ist im Durchschnitt die tägliche Strahlungsleistung, die pro Tag auf eine Einheitsfläche an der Atmosphären-obergrenze (TOA) fällt? Wo/wann ist sie am höchsten?

Welche Erdbahnparameter steuern dieverfügbare Strahlung, d.h. die Solarkonst. TSI?

S0: 3,5 % entsprechend 48 W/m²; Messgenauigkeit ±0.3%

Präzession


Sonnengeometrie für Köln


Schwankungen der solaren EinstrahlungErde als Kreisel http://www.greier-greiner.at/hc/praezession_ani.htm


Schwankungen der solaren Einstrahlung

a) 115 kyr BP Beginn der letzten Eiszeit (Glazial)

b) 18 kyr BPHöhepunkt der letzten Eiszeit (Verhinderung von äquatorwärtsgerichteter Eisausbreitung)

c) 6 kyr BPKlimaoptimum („grüne Sahara“)

„Milankovitch“ Zyklen ausschließlicher Grund oder anstoßender Mechanismus ???BP - before present Hense (1993/94)

ca. 35 Wm-2 weniger als heute


Korrelation mit Beobachtungen (Eisbohrkernen)

Wikipedia


Netto-Solarstrahlung am Boden

Verfügbare Strahlung TOA+ Albedo+ Absorption in Atmosphäre

verfügbare Strahlung am Erdboden


Kirchhoff‘sches Gesetz

ε Emissionsvermögen

Planck‘sche Ausstrahlung

1)exp(

12)(

2

3

Tkhc

hTB

b

Planck‘sches Strahlungsgesetz gilt für ideale „schwarze“ Strahler und beschreibt eine Strahldichte (W m-2 m-1 sr-1)

h Planck's Wirkungsquantumc Lichtgeschwindigkeitkb Boltzmann-Konstanteν FrequenzT Temperatur

BI

ln

000

dBd

BdBB

Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 Quelle: Hartmann, D.L., Global Physical Climatology, 1994 14. November 2006 9

Zusammensetzung der Atmosphäre (1990)


Langwellige Ausstrahlung der Atmosphäre


Das

terrestrische

Spektrum

Ausstrahlungskurveder Erdatmosphäre vom

Satelliten gemessen+

Planckkurven für verschiedene Temperaturen

Die am Atmosphärenoberrand gemessene langwellige Strahlung stammt aus

unterschiedlichen Höhen


Strahlungsbilanz TOA

Hartmann, 1994


Wolken und Strahlung

Hobbs, 1993


Strahlungsgleichgewicht ohne Atmosphäre

Annahme: Die Erde ohne Atmosphäre steht im reinen Strahlungsgleichgewicht.

Langwellige Ausstrahlung entsprechend idealen Schwarzkörpers - über die gesamte Kugeloberfläche

Solare Einstrahlung entsprechend der Solarkonstanten - jeweils die Hälfte der Erdkugel wird von der Sonne bestrahlt- idealisierte Erdkugel hat eine Albedo von α=0.3

)1(4 242 oEEE SRTR

)18(25514

4 CKS

T ooE

So 1368 Wm-2

σ 5.67·10-8 Wm-2 K-4

RE 6378 km


Strahlungsgleichgewicht

TSi~106K

Photosphäre

6·107Wm-² 1373 W/m²

~240 W/m²absorbiert

So=1373 Wm-²

343 Wm-²

α=30%TE=255 K

Kr

rST

S

ESoS 5783

2

2

242 4 4 ESoSS rSTr 4 4

2

2

o

E

Eo

Sr

rS

)1(44 oE

ST


Treibhauseffekt: 2 Schichten-Modell

Im solaren Spektralbereich ist die Atmosphäre bis auf Wolken vollständig transparent (α=0.3).

Im terrestrischen Spektralbereich ist die Atmosphäre ein schwarzer Körper (ε=1).

Atmo-sphäre

Erd-ober-fläche

solar terrestrisch

So/4 α So/4

σTB4

σTA4

σTA4

02 44 BA TT

Global gemittelte 2-m Temperatur ca. 287 K Ausstrahlungstemperatur der Erde ca. 255 K

)30( 303

)18( 255

CKT

C-KT

B

A

047,044 kAB

ITT

Atmosphäre ist grau (ε = 0,7706) TB=288 K und TA=242 K


4 4021

4 p S

ST T

4 42 12T T

4 4 41 22sT T T

Ts = 335 K

T2 = 303 K

T1 = 255 K

Goody und Walker, 1972

Treibhauseffekt: 3 Schichten-Modell


N-Plattenmodell ... (Platte N+1: andere Subsysteme)

1111

4

)1( jjjjj

j

IMI

TM

mit:

( analog)jI

gilt für jede Platte:

Reines Strahlungsgleichgewicht

04211 ojjjjjjjjjSrMIIII


Reines Strahlungsgleichgewicht

N = 25, entspricht 2 km dicken Schichten zwischen 0 und 50 km

rj = 0 (keine solare Absorption)

Emissionvermögen konstant auf 0.05, 0.1, 0.2

unrealistische Temperaturprofile (zu hohe Gradienten, extrem labile Schichtung)

auch die Berücksichtigung realer ε führt nicht zu besseren Ergebnissen


Vergleich Strahlungsgleichgewicht - Realität


Strahlungsgleichgewicht:

→ Energieüberschuss am Boden

→ Energiedefizit in der Atmosphäre

Schlüsse aus reinem Strahlungsgleichgewicht

LEHQp

get

e spezifische Energie [J/kg]H turbulenter fühlbarer Wärmefluss LE turbulenter latenter Wärmefluss

0

ausgleichender Tranportprozess notwendig um Beobachtungen gerecht zu werden ...,

dazu Betrachtung der horizontal gemittelten Energiebilanz der Klimasystems:

sehr hohe Labilität inBodennähe

Energietransport von unten

nach oben möglich, da

0p

Q


Strahlungskonvektionsgleichgewicht

1.) vertikaler Wärmetransport ab einem Temperaturgradienten von 6.5 K/km

(~10 K/km trockenadiabatisch, > 5 K/km feuchtadiabatisch)

2.) keine Nettomassentransport (Erfüllung Kontinuitätsgleichung)

Strahlungsgleichgewicht Strahlungskonvektionsgleichgewicht

Manabe and Strickler 1964

Troposphäre horizontal gemittelt im Strahlungskonvektionsgleichgewicht Stratosphäre im Strahlungsgleichgewicht

Erstes "Klimamodell" zur


global und langjährig gemittelte Energiebilanz:

0

0

0

ppLEHQ

LEHQp

g

40S

% bezogen auf

geothermischer Fluss (~0.06 Wm-2) vernachlässigt

(Zahlen z.T. unsicher)

Strahlungsbilanz → Energiebilanz


Manabe and Wetherald, 1967

300 ppm typischer Wert um 1960

Verdopplung des CO2-Gehaltes bedeutet eine Erhöhung der Bodentemperatur um 1.4 bis 3.0 K, je nach Behandlung des Wasserdampfes

1.) Festhalten der absoluten Feuchte ρw

2.) Festhalten der relativen Feuchte RH

CO2 Änderung konstante RH konstante ρw

300 auf 150 -2 K -1K

300 auf 600 +3.0 K +1.4 K

positive Wasserdampfrückkopplungwesentliche Rolle des Wasserdampfes!

Erste Vorhersagen zum Einfluss von CO2

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