das klima im computer andré paul. Übersicht physikalischen grundlagen des klimas...
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Das Klima im Computer
André Paul
Übersicht
• Physikalischen Grundlagen des Klimas
– Sonnenstrahlung und Wärmestrahlung
– Treibhauseffekt
• Einfache Klimamodelle
– Planet X
• Ergebnisse realitätsnaher Klimamodelle
Vegetation
Atmosphäre
Eis
Ozean
Land
From Apollo 17 flight, 7 December 1972
Klimamodell
Sonne
Natürlicher Antrieb
Erde
Wie ist ihre Antwort?
Modellbildung
• Mathematische Beschreibung
• Parametrisierung
Entweder
• Analytische Lösung
oder
• Diskretisierung
• Numerische Lösung
• Strahlungsflussdichte in einem bestimmten Abstand
von der Sonne
.mW1367 20
S
Solarkonstante
• Im mittleren Abstand der Erde von der Sonne (d =
1.496x1011 m):
(Wert nach Hartmann 1994)
Ein kugelförmiger Planet blendet aus dem Strahlungsfluss der Sonne gerade die Schattenfläche aus [Abbildung 2.2 aus Hartmann (1994)].
• Sonneneinstrahlung für die Erde:
20 342 W m4
SS
Sonneneinstrahlung
Entspricht ungefähr 6 Glühlampen je 60 Watt, die eine Fläche von einem Quadratmeter bescheinen
2342 W mS
Reflektierte Sonneneinstrahlung
?S
Reflektierte Sonnenstrahlung
Erde
Ozean
Schmelzwasser
Meereis
Landeis
• Wieviel Sonnenstrahlung wird reflektiert?
– Wasser: 5-20%
– Feuchter, dunkler Boden: 5-15%
– Trockener Boden, Wüste: 20-35%
– Meereis ohne Schnee: 25-40%
– Trockener Neuschnee: 70-90%
• Die Erdoberfläche reflektiert im Mittel rund
30% der Sonnenstrahlung:
0.3p
Reflexionsvermögen oder “Albedo”(“Wie weiß ist die Erde?”)
2342 W mS
Reflektierte Sonneneinstrahlung
pS S
0.3
Was passiert mit der Erdoberfläche?
Erde
Herdplatte
Wärmestrahlung
Temperatur Ts
F
Wärmestrahlung
Herdplatte Temperatur Ts
Je höher die Temperatur Ts, desto größer die Wärmestrahlung .F
4sF T
Das Gesetz von Stefan-Boltzmann:
mit der Stefan-Boltzmann-Konstante
82 4
W5.67 10 .
m K
sTemperatur T
Wärmestrahlung F
Ts ist die “absolute Temperatur” in K: 2
3
4
T T T
T T T T
T T T T T
Wärmestrah-lung
Sonneneinstrahlung
Reflektierte Sonnen-strahlung
Erde
4sF T
Wärmestrah-lung
Sonnenstrahlung
Reflektierte Sonnen-strahlung
2342 W mS
pS S
Erde
Wärmestrah-lung
Sonneneinstrahlung
Reflektierte Sonnen-strahlung
Wie warm wird die Erdoberfläche?
Temperaturänderung?
• Hängt ab von
– von der Wärmekapazität der Erdoberfläche
– von der Zeitdauer, während der die
Energiebilanz positiv ist.
Beispiele: Wasser - cp = 4182 J kg-1 K-1, Boden, anorg. Material - cp ~ 733 J kg-1 K-1
Wärmekapazität Temperaturänderung
Zeitdauer absorbierte Sonnenstrahlung Wärmestrahlung
Energiebilanz
144444444444444444444424444444444444444444443
Mathematische Gleichung
Parametrisierung
• Vereinfachte Darstellung komplexer
Prozesse
Zeitliche Diskretisierung:
, 0,1,2,t n t n K
Diskretisierung
, 1 , .i iC CC
t t
“Euler vorwärts” oder “Forward in Time (FT)”
Numerische Lösung
• Algorithmus in einer Programmiersprache
formulieren
Planet X
• Aufgabe 1: Berechne den zeitlichen Verlauf der Oberflächentemperatur mit dem Klimamodell planet_x.
• Schreibe deine Einstellungen und Beobachtungen.
1. Verändere die “Ozeantiefe” zum Beispiel zwischen 10 und 120 m. Wie ändert sich der zeitliche Verlauf? Wie ändert sich die Endtemperatur?
2. Verändere die “planetare Albedo” zwischen 0.058 (Merkur) und 0.71 (Venus). Wie ändert sich die Endtemperatur?
3. Du kannst auch noch mit Zeitschritt, Laufzeit und Anfangstemperatur experimentieren.
• Die gemessene Oberflächentemperatur für
die Erde ist ungefähr 15°C.
– Warum ist der Planet X so kalt?
– Was muss er tun, damit ihm wärmer wird?
Energiegewinn
Energieverlust Energiebilanz = Energiegewinn - Energiverlust
Energiegewinn
Energieverlust
Beispiel Treibhaus
Energiebilanz = Energiegewinn - Energiverlust
Energiequelle
Energieverlust
Treibhauseffekt
Energiegewinn
• Die Atmosphäre eines Planeten wirkt wie:
– eine warme Decke
– das Glasdach eines Treibhauses
Zusammensetzung der Atmosphäre
• Was die Atmosphäre enthält:
– Stickstoff (78%)
– Sauerstoff (21%)
– Wasserdampf (variabel)
– Kohlendioxid (1990: 353 ppmv - Teile pro Million nach
Volumen)
– Methan (1990: 1.72 ppmv)
• Welche Gase verursachen den Treibhauseffekt?
Wir müssen in das Modell des “Planeten
X” eine Parametrisierung des
Treibhauseffekts einbauen.
Wärmestrah-lung
Sonneneinstrahlung
Reflektierte Sonnen-strahlung
Oberflächentemperatur Ts
Atmosphärentemperatur TA
Gegenstrah-lung
Ausstrahlung der Atmosphäre
„Fensterstrahlung“
Planet X mit Treibhauseffekt
• Aufgabe 2: Berechne die Oberflächen-und Atmosphärentemperatur mit dem Klimamodell planet_x mit eingestelltem Treibhauseffekt und
– mit einem “Ausstrahlungsvermögen der Atmosphäre” von 77.5 % (0.775),
– mit Werten für das Austrahlungsvermögen zwischen 0 und 100 % (1.0).
Planet X mit Treibhauseffekt
– Um wieviel muss man das
Austrahlungsvermögen vergrößern, um eine
Erhöhung der Oberflächentemperatur von
15°C auf 18°C zu erreichen?
grönlandischer EiskernMauna Loa
vorindustrieller Wert = 275
Wert für 2006 = 381
Zunahme um 35%seit der industriellen
Revolution
Anstieg von 0.45% pro Jahrin jüngerer Vergangenheit
Dennis Hartmann, University of Washington
Jahr
CO
2-K
on
zen
tra
tion
in T
eile
pro
Mill
ion
(pp
m) Geschichte des atmosphärischen Kohlendioxids
20001990198019701960
PreviousWarm
Periods
PreviousGlacialPeriods
Vostok, Antarctica Ice Core
1750
Data from Petit,et al. (1999), and GISS (2003)
• Worauf geht der vom Menschen
verursachte Treibhauseffekt zurück?
Was wir alles vergessen haben…
Kiehl and Trenberth (1997)
Energy Flow in the Climate SystemEnergy Flow in the Climate System
Was wir alles vergessen haben…
Zum Beispiel:
• Wärmetransport durch
– die Winde
– die Meeresströmungen
• Eis-Albedo-Rückkopplung
• Wolkenrückopplung.
Beobachtetes Druckfeld und Windfeld an der Erdoberfläche [Abb. 5.4a aus Kraus (2004)].
Falschfarbenbild der Meeresoberflächentemperatur im nordwestlichen Atlantischen Ozean zeigt Wirbel und Strommäander des Golfstroms an der nordamerikanischen Ostküste [s. Abb. 7.9 in Hartmann (1994)]
Rolle des Ozeans: Aufnahme, Transport und Freigabe von Wärme
Einheiten sind „Sverdrups“ (Sv, Millionen Kubikmeter pro Sekunde). Beachte Absinken im Nordatlantischen Ozean [Tafel 4b aus Alley et al. (2003)].
Tiefenwasser-bildung
Eis-Albedo-Rückopplungs-schleife
ErhöheTemperatur
Schmelze Eis Erhöhe solareAbsorption
Eis-Albedo-Rückkopplung
Die Eis-Albedo-Rückkopplung verstärkt die Empfindlichkeit des Klimas um rund 30%.
Rückkopplungen im Klimasystem
Dennis Hartmann, University of Washington
Wolkentypen
Beispiel für ein Bild aus dem „Karlsruher Wolkenatlas“ (www.wolkenatlas.de):Altocumulus, der sich in einer Höhe zwischen 6000 und 7000 befindet.
Wolkenrückopplungs-schleife
ErhöheTemperatur
Ändere Wolken
Ändere Energiebilanz
Wolkenrückkopplung
Potentiell wichtig, aber weder Vorzeichen noch Betrag bekannt.
??
Rückkopplungen im Klimasystem
Dennis Hartmann, University of Washington
Ergebnisse realitätsnaher Klimamodelle
• “Wie wird das Klima in Bremen gegen
Ende des 21. Jarhunderts?”
[Abbildung 3-30 aus Ruddiman (2001)]
Dreidimensionales Gitter eines Ozeanmodells
IPCC-Simulationen
• Bericht des “Zwischenstaatlichen Ausschusses
für Klimawandel der Vereinten Nationen”
(Intergovernmental Panel on Climate Change,
IPCC) geplant für Anfang 2007
• 1/4 der gesamten Ressourcen des Deutschen
Klimarechenzentrums (DKRZ) für ein Jahr
1. “Ungestörter” vorindustrieller Klimazustand
2. Klimaentwicklung seit Mitte des 19. Jahrhunderts • unter Vorgabe beobachteter atmosphärischer
Spurenstoffkonzentrationen (Treibhausgase und Aerosole)
3. Szenarienexperimente zum Klimawandel• mit unterschiedlichen Annahmen über zukünftige
Konzentrationen atmosphärischer Spurenstoffe
4. Sensitivitätsexperimente • mit jährlicher Zuwachsrate der CO 2-Konzentration von 1%
angenommen wird
Modellkomponenten
• atmospärische Komponente ECHAM5
– horizontale Auflösung ~200 km (“T63”), 31
Modellschichten
• ozeanische Komponente MPI-OM
– regional unterschiedliche Auflösung zwischen
~10 km und ~150 km
Speicherbedarf
• Umfang der IPCC-Simulationsdaten: ~80
Terabytes, also 80 000 Gigabytes!
Antrieb
Globale Mitteltemperatur
Arktische Eisbedeckung
Ergebnisse
• Globale Erwärmung gegen Ende dieses Jahrhunderts (relativ zum Mittelwert der Jahre 1961-1990) zwischen 2.5°C und 4.1°C
• Abnahme der Eisbedeckung zwischen 30% und 50%
– Arktis könnte gegen Ende dieses Jahrhunderts im Spätsommer eisfrei sein
Notebook!
Ende