Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 23. 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) - Externe Variabilität (Sonne, Vulkane, Erdbahnparameter)
Klimamodellierung- GCM/Ensemble-Vorhersage/Parametrisierung- IPCC, Szenarien, anthropogene Effekte
Globaler Wandel- Detektion des anthropogenen Einflusse
23.130.1
6.2
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Wiederholung 12. Stunde
Was besagt das Hasselmann‘sches Klimamodell?
Welche Parameter erzeugen externe Klimavariabilität?
Warum ist Variabilität nicht exakt mit externem Antrieb korreliert?
Welchen Einfluss haben Vulkane (wie lange)?
- Wechselwirkungen zwischen Klimakompartimenten können interne Klimavariabilität erzeugen
- Dämpfung des Ozeans führen zu langfristigeren und stärkeren Schwankungen angetrieben von kurzfrsitiger atmosphärischen Variabilität
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Wiederholung 12. Stunde
Welche Arten von Klimamodellen gibt es?
Welche Rückkopplungen müssen berücksichtigt werden?
- Wasserdampf-Rückkopplung
- Eis-Albedo-Rückkopplung
- Vegetation-Albedo-Rückkopplung
- Vegetation-Niederschlag-Rück.
- ..
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Atmosphärenmodelle
EBM (0D-2D)Energiebilanzmodelle - Oberflächentemperatur Ts
RC (1D) Strahlungs-Konvektions-Modelle - Temperaturprofile- Strahlungstransfer, Konvektion
SD (1D-3D)Statistisch-dynamische-Modelle - kein Wetter- gefilterte Gleichungen
GCM (3D)General circulation model Allgemeine Zirkulationsmodelle- ausführlich, realistisch- Bewegungsgleichungen
Kriterien
Zeit- unabhängig (Gleichgewicht)- abhängig Klimavariabilität
Raum- vertikal- zonal- meridional
Kopplung- ein/zwei Wege- asynchron- hyprid- voll
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EBM: Energiebilanzmodell
TSi~106K
Photosphäre
6·107Wm-² 1373 W/m²
~240 W/m²absorbiert
So=1373 Wm-²
343 Wm-²
α=30%TE=255 K
242 4 4 ESoSonneS rSTr 4 4
2
2
o
E
Eo
Sr
rS
)1(44 oE
ST
TSonne=5783 K
TS = 288 K
TS = TE + ΔT
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EBM: Bedeutung der Albedo Algenblüte
α TE /K ΔT/K
0.1 271 17
0.3 255 33
0.5 235 53
)1(44 oE
ST
TS = TE + ΔT ~ 288 K
..aber bei einer anderenAlbedo würde sich eineandere OberflächentemperaturTs einstellen
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Energiebilanz
Erdoberfläche
Atmosphäre
ae
sa
FtF
FFQ
21
1
EBM: Bedeutung der Albedo
Q αQ
t Ta
Fa
FaFs
τFs t Transmissivität der Atmosphäre
thermische Abstrahlung 4
4
ss
aa
TF
TF
Ts
4
2
11 sT
tQ
t Ts /K Ta /K
0.0 303 255
0.2 290 230
0.4 279 206
Bei einer durchschnittl. Ober-flächentemperatur von 288 K ist die Transmissivität t = 0.225 die Emission = 0.775
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EBM: Energiebilanzmodell
RRt
TC
C WärmekapazitätR↓ abwärts gericht. StrahlungsflussR↑ aufwärts " "Q Solarer Input (=So/4 ~ 342 Wm-2)α Albedo = f(Eis, Schnee, Wolken..)t Transmissivität der AtmosphäreAE Fläche der Erde (5. 1·10x14 m2)Δz Dicke der ozean. Deckschicht (70 m)w Dichte von Wasser (103 kg m-3) cw spez. Wärmekap. Wasser (4200 Jkg-1K-1)
auf der Erde ist Wärmekapazität i. W. vom Ozean bestimmt
]/[101.05 7.0
)]/([102.1 7.023
28
KJzAcC
KmJzcC
EwwErde
wwsäule
Änderung der global gemittelten Oberflächentemperatur T über Zeitraum Δt
Δz
Ozean Land
0.7 0.3
4
2
)(1)(1 T
TtTQ
t
TC
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EBM: Energiebilanzmodell
Taylor-Entwicklung um den Referenzzustand To
41
2
)(1)(1 T
TtTQ
t
TTC
RRt
TC
dt
dE
ii
)()(4 344oooo TTBATTTTT oTTT '
')1( BTAQdt
TdC
Lineare Differentialgleichung 1.Ordnung
constTC
B
dt
Td
'
t
C
BTtT exp)0()(
mit
Zeitkonstante τ
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EBM: Energiebilanzmodell
Einstellzeit für das thermische Gleichgewichtmit B~1.15 Wm-2 K-1
BC /
C (J m-2 K-1] τ (Jahren)
Atmosphäre 107 0.28
Deckschicht (70 m) 2·108 5.5
Oberer Ozean (360 m) 109 27.5
Gesamter Ozean (3900 m) 1.6·1010 440
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EBM: Energiebilanzmodell
von Storch, Güss und Heiman, 1999
BC /
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kein Eis
EBM: Energiebilanzmodell
Gleichgewichtslösung (weder Erwärmung noch Abkühlung)
Gesucht: T = f (t,To,αQ,C,..)
α
T/K
R
T/K
273 303
Eis0.5
0.1
342 Wm-2
heutiges Klima
Q(1-α)
T4
4
2
)(1)(1 T
TTQ
t
TC
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Box-Modell Atmosphäre-Ozean
K=10-4m2s-1; h=70m
K=10-3m2s-1; h=110 mgroßer Einfluss der Diffusionsparametrisierung
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Vorteile von Energiebilanzmodellen
EBM nützlich zur Charakterisierung der Sensitivität des Klimasystems bzgl. externer Änderungen
Kategorie konzeptionelle Modelle: Verstehen und Veranschaulichen von Strukturen, Prozessen und Wirkungsketten im Klimasystem
EBM nützlich zur Abschätzung der Klimawirksamkeit des Milankovic-Zyklus (Eis/Warmzeiten)
Erweiterungsmöglichkeithorizontale Dimension (1D EBM) - Berücksichtigung von horz. Energietransporten - zonale Abhänigkeit der solaren Einstrahlung / Albedo
erste Abschätzung der globalen Temperaturverteilung
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1D Energiebilanzmodelle
Mc Guffie and Henderson-Sellers,1997
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Erweitertes Energiebilanzmodell
Mc Guffie and Henderson-Sellers,1997
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EBM: Daisyworld http://www.gingerbooth.com/courseware/daisy.html
konzeptuelles biophysikalisches Modell der Temperaturregulierung der Erde durch die Landbiosphäre [Watson and Lovelock, Tellus, 35B, 249-262]
Erdoberfläche aufgeteilt in 3 Segmente (l=b,s,w): - nackte Oberfläche mit Albedo αb = 0.5- schwarze Lilien („Daisies“) mit αs = 0.1- weisse Lilien mit Albedo αw = 0.9
Planetare Albedo: αp = fb αb + fs αs + fw αw
Planetare Temperaturabhängig von Hellogkeitsfaktor L
Lokale Temperatur über den 3 Bereichenabhängig vom Mischungsfaktor R„Temperaturmischung“ zwischen den verschiedenen Bereichen:- R = 0 perfekte Mischung → Tl = Tp,- R=1 therm. Isolation der Bereiche (jeder einzeln im Strahlungsgleichgew.)
QLT pp
14
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Daisyworld
Beispiel für Rückkopplung mit der Vegetation
Wachstumsmodell für Lilien
Wachstumsrate abhängig von der lokalen Temperatur Tl:
für Tmin < Tl < Tmax
0 sonst
Flächenbedeckung durch die Lilien AI (l = s,w)
mit Sterberate dI
Es gibt immer eine minimale Lilienbedeckung (Al ≥= 0.01)
2
minmax
25.01
TT
TTb optII
IbIII dAbA
dt
dA
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Daisyworld
Erweiterungen von Daisyworld:- Ausdehnung auf 3-d Erdkugel mit realistischer breitenabhängiger Einstrahlung- Komplexere Biologie/Ökologie: z.B. durch unterschiedliche Struktur der Lilien
Daisyworld zeigt ,dass biophysikalische Rückkopplungseffekte das Erdsystem potentiell entscheidend beeinflussen können. Die Biosphäre ist daher als integrale Komponente des Klimasystems anzusehen.
Die Plausibilität von Daisyworld (und ähnlicher Rückkopplungen zwischen Biosphäre und physikalischem Klimasystem) führten Lovelock zur Formulierung der „Gaia“ Hypothese (eine umstrittene Interpretation des Erdsystems als ein sich selbst regulierender/stabilisierender Organismus)
Beispiel eines Optimierungsprinzips
„Homeostasis“ = Stabilisierender biologischer Rückkopplungseffekt
Ist Daisyworld „realistisch“?
Beispiel für Effekte der Biodiversität?
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Ruddiman, 2001
RC: Strahlungskonvektionsmodell
Unterteilung der Atmosphäre in viele Schichtenführt immer noch zu nicht realistischem Vertikalmodell
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Ruddiman, 2001
SD: 2-D statistisch-dynamisches Modell
zonal symmetrisches Modell Parametrisierung der transientenund stationären Eddies
eA R
TKTv
mittl. meridionaler Enthalpie-fluss durch transiente EddiesGradient-Fluss-Annahme
barokline Wellen werden durchmittl. meridionalen Temperaturgradienten angetrieben
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Klimamodelle: Historische Entwicklung
Mcguffie and Henderson-Sellers, 2001
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Ruddiman, 2001
GCM: 3-D Zirkulationsmodell
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Klimamodellierung
McGuffie und Henderson-Sellers, 2001
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GCM: Bestandteile Atmosphärenmodell
„Dynamik“
– Algemeine Zirkulation (Winde) „Physik“
– Strahlung
• Absorption kurzwelliger (solarer) Strahlung
• Emission und Absorption langwelliger (IR) Strahlung
– Wolken
• Konvektion, Niederschlag
– Thermodynamik (Atmosphärische Temperatur)
– Feuchte (Atmosphärische Feuchte) Oberflächen und Ozeane
– Effekte von Eis, Schnee, Vegetation aufTemperatur, Albedo, Emissivität, Rauhigkeit
Chemie
– Zusammensetzung der Atmosphäre
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GCM: Validierung
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Problem der Modellierung
Kaltstartproblem (spin-up) z.B. durch Treibhausgase
Parametrisierungen hängen von der Auflösung ab
Klimadrift bei Kopplung von Atmosphäre und Ozean durch Fehler in Flüssen (räumlich und zeitliche Flusskorrektur)
Inputdaten (früheres Klima und Szenarien)
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Problem der Modellierung: Kaltstart
Ruddiman, 2001
Modell ist nicht ausblanciert bei Start, z.B. Wasserbilanz