Das Klimasystem und seine Modellierung (05-3103) – André Paul

Vorbesprechung

Lehrveranstaltungen

• Das Klimasystem und seine Modellierung– B.Sc., 3. Studienjahr, Vertiefungsmodul I und

II, 05-3103, WiSe

• Projektübung Klimamodellierung– B.Sc., 3. Studienjahr, Vertiefungsmodul III,

05-3034, SoSe

Lehrveranstaltungen

• Earth system modelling– M.Sc., 1st year, core field “Climate Change”, module

“Climate Modelling”, 05-5121, Winter term

• Modelling past and future climate changes– M.Sc., 1st year, core field “Climate Change”, module

“Climate Modelling”, 05-5122, Summer term

• Abrupt climate change– M.Sc., 1st year, core field “Climate Change”, module

“Climate Dynamics”, 05-5112, Summer term

Empfohlene Literatur• Dietrich, Günter, Kurt Kalle, Wolfgang Krauss, Gerold Siedler,

"Allgemeine Meereskunde", Gebrüder Borntraeger, Berlin, Stuttgart, 1975.

• Hartmann, Dennis L., "Global Physical Climatology", Academic Press, San Diego, 1994.

• Kraus, Helmut, "Die Atmosphäre der Erde. Eine Einführung in die Meteorologie", Springer, Berlin, Heidelberg, 2004.

• Stocker, T., 2004, Skript zur Vorlesung “Einführung in die Klimamodellierung”, 141 Seiten. PDF (16 MB), http://www.climate.unibe.ch/~stocker/papers/skript0405.pdf

• von Storch, Hans, Stefan Güss, Martin Heimann, "Das Klimasystem und seine Modellierung. Eine Einführung", Springer, Berlin, Heidelberg, 1999.

Vorlesungsplan• Einführung in das Klimasystem• Die globale Energiebilanz• Konzeptionelle Klimamodelle: Das 0-dimensionale

Energiebilanzmodell• Atmosphärischer Strahlungstransport und Klima• Konzeptionelle Klimamodelle: Das Strahlungs-

Konvektions-Modell• Wärmehaushalt der Erde• Wasserhaushalt der Erde (hydrologischer Kreislauf)

Vorlesungsplan• Klimaempfindlichkeit und Rückkopplungsmechanismen• Allgemeine atmosphärische Zirkulation und Klima• Allgemeine ozeanische Zirkulation und Klima• Konzeptionelle Klimamodelle: Das 1-dimensionale

Energiebilanzmodell• Realitätsnahe globale Klimamodelle

Computerübungen

• Das 0-dimensionale Energiebilanzmodell (global gemittelt)

• Das Strahlungs-Konvektions-Modell (vertikale Erstreckung)

• Das 1-dimensionale Energiebilanzmodell (meridionale/Nord-Süd-Erstreckung)

Benotung

• Übungsaufgaben (~14-tägig)

• Kolloquium– in letzten Vorlesungswoche (6.-10. Februar)

– in 2er-Gruppen

Website

• http://www.palmod.uni-bremen.de/~apau/klima/Material_zur_LV.html

Das Klimasystem und seine Modellierung (05-3103) – André Paul

Einführung in das Klimasystem

Einführung in das Klimasystem

• Klima

• Lufttemperatur

• Zusammensetzung der Luft

• Hydrostatisches Gleichgewicht

• Luftfeuchtigkeit

• Der Weltozean

• Meereis und Landeis

• Die Landoberfläche

1. Klima

„Klimaelemente“: Erwartungswerte der meteorologischen Elemente an einem Ort während eines bestimmten Zeitraums, z. B.,

• Jahresmittel, Verteilung im Jahresgang oder zwischenjährliche Variabilität

Meteorologische Elemente

• Druck p

• Dichte

• Temperatur T

• Feuchte q (Niederschlag P)

• Windgeschwindigkeit u

Physikalische Grundgrößen, die von Raum (x,y,z) und Zeit (t) abhängen

(Feldgrößen).

Wetter Bremen (Mo, 17.10., 08:00)

• 5°C °C, fast wolkenlos, 92% Luftfeuchtigkeit

• Niederschlag  : 0.0 l/m2 in 12 Std.

• Wolken: Untergrenze 1500 - 2000 m, Bedeckung 1/8, Gattung “Sc”

• Windgeschwindigkeit: 14 km/h

• Luftdruck (hPa): 1031, Tendenz (hPa in 3 Std.): + 0,3

Blick auf die Erde aus dem All(Apollo Saturn,AS10, NASA,18-26 Mai 1969)[Abbildung 1.1 aus Hartmann (1994)]

Das Klimasystem bestimmt die Verteilung von Energie und Wassernahe der Erdoberfäche.

Literatur: Kapitel 1 aus Hartmann, D. L., Global Physical Climatology,Academic Press, San Diego 1994.

2. Lufttemperatur

• Globales Mittel der Lufttemperatur an der Erdoberfläche: 288 K oder 15°C oder 59°F

• Temperaturbereich (niedrigste bzw. höchste Tagestemperaturen):– von -89.2°C am 21. Juli 1983 in Vostok, Antarktis

(3420 m NN)

– bis 58°C am 13. September 1922 in El Asisija, Libyen (112 m NN)

Aufbau der Atmosphäre definiert an Hand eines mittleren vertikalen Temperaturprofils für 15°N [Abbildung 1.2 aus Hartmann (1994); Daten aus U.S. Standard Atmosphere Supplements (1966)]

Abnahme der Temperatur mit einer Rate von

1-kmK5.6zT

Zunahme aufgrund Absorption kurzwelliger strahlung durch Ozon

Abnahme zwischen ungefähr 50 und 100 km Höhe

Zunahme aufgrund Absorption von UV-Strahlung

Mittlere Temperaturprofile für die unteren 20 km der Atmosphäre in drei Breitenzonen[Abbildung 1.3 aus Hartmann (1994); Daten von Oort (1983)]

Abhängigkeit von der geographischen Breite

In mittleren und hohen Breiten: Temperatur der unteren Stratosphäre nahezu unabhängig von der Höhe

Jahreszeitliche Schwankung der vertikalen Temperaturprofile auf 75°N [Abbildung 1.4 aus Hartmann (1994); Daten von Oort (1983)]

Abhängigkeit von der Jahreszeit

Im Winter und Frühling in hohen Breiten:Temperatur nimmt in der unteren Troposphäre mit der Höhe zu (Temperatur-Inversion)

•Oberfläche strahlt langwellige Strahlung besser ab als Luft•Wärme wird aus niedrigen Breiten importiert

Bodennahe Lufttemperatur als Funktion der geograpischen Breite für Januar, Juli und im Jahresmittel (°C)[Abbildung 1.5 aus Hartmann (1994); Daten von Oort (1983)]

Bodennahe Lufttemperatur übersteigt 26°C nahe dem Äquator

Große jahreszeitliche Schwankung auf der Nordhalbkugel (mehr als 25°C)

Kontinente im Inneren im Winter kälter deutlich als ozeanische Gebiete, im Sommer deutlich wärmer

Oberflächennahe Lufttemperatur (°C) im Januar (a) und im Juli (b) [Abbildung 1.6 aus Hartmann, Daten von Shea (1986)]

Oberflächennahe Lufttemperatur (Daten aus der NCEP-Reanalyse)

Nordwinter(Dezember-Januar-Februar)

Nordsommer(Juni-Juli-August)

Amplitude des Jahresgangs der Oberflächentemperatur [Abbildung 1.7 aus Hartmann (1994); Daten von Shea (1986)]

Große jahreszeitliche Schwankung im Inneren Nordamerikas und Asiens

Geringe jahreszeitliche Schwankung auf der Südhalbkugel (größerer Ozeananteil)

3. Zusammensetzung der Luft

• Luftzusammensetzung wichtig für Wechselwirkung mit Strahlungsenergie

• Trockene Luft besteht hauptsächlich aus Stickstoff (78%) und Sauerstoff (21%)

• Die wichtigsten klimawirksamen Gase sind Wasserdampf, Kohlendioxid und Ozon

[Tabelle 1.1 aus Hartmann (1994); Daten von Walker (1977)]

4. Hydrostatisches Gleichgewicht

)1(.dd1zpg

Die vertikale Kräftebilanz (Schwerkraft gleich Druckgradientenkraft) pro Masseneinheit lautet:

g=9.806 m s-2: Schwerebeschleunigung.

RTp

.RTp

oder

Die Zustandsgleichung eines idealen Gases verknüpft p: Druck, : Dichte, R=287.04 J kg-1 K-1: Gaskonstante für trockene Luft und T: Temperatur. Es gilt

zp

pRTg

dd

.dd p

RTg

zp

oder

Einsetzen in die vertikale Kräftebilanz (1) liefert

.1dd p

Hzp

gRTH

Mit der Skalenhöhe

ergibt sich die Differentialgleichung

Wenn die Atmosphäre isotherm ist, also die Temperatur und mit ihr die Skalenhöhe konstant sind, dann ergibt sich für den hydrostatischen Druck der Ausdruck:

),/exp( Hzpp s wobei ps der Oberflächendruck ist.

Die Skalenhöhe beträgt für eine mittlere Temperatur der Erdatmosphäre von 255 K rund 7500 m.

Barometrische Höhenformel

Die vertikale Kräftebilanz (1) lässt sich auch wie folgt schreiben:

,gddd pzm

d.h. die Masse dm zwischen zwei um dz verschiedenen Höhenflächen ist proportional zum Druckunterschied dp.

Beziehung zwischen Masse und Druckunterschied

Untere Atmosphäre am Wichtigsten für Klima

Vertikalprofile des Luftdrucks und des Partialdrucks von Wasserdampf (jeweils normiert auf 1013.25 hPa und 17.5 hPa)[Abbildung 1.8 aus Hartmann (1994)]

Exponentielle Abnahme mit der Höhe

Statische Grundgleichung:Vertikale Komponente der Druckgradientenkrtaft = Schwerkraft

Druck (~Masse) nahe der Oberfläche am größten

5. Luftfeuchtigkeit

• Die Atmosphäre muss das von der Oberfläche verdunstete Wasser (Quelle) zu den Regengebieten (Senke) transportieren

• Wasserdampf ist das wichtigste Treibhausgas und bildet Wolken

Rasche Abnahme mit der Höhe und der geographischen Breite

Wasserdampf an der Oberfläche konzentriert

Warme Luft kann mehr Wasserdampf aufnehmen

Spezifische Luftfeuchtigkeit (g/kg)[Abbildung 1.9 aus Hartmann (1994); Daten from Oort (1983)]

6. Der Weltozean

• bedeckt rund 71% der Erdoberfläche (mittlere Tiefe: 3700 m)

• enthält 97% allen Wassers auf der Erde• kann große Wärmemengen aufnehmen

und abgeben• trägt zur Hälfte zum Wärmetransport vom

Äquator zu den Polen bei • ist die Quelle (fast) allen Wasserdampfs

[Tabelle 1.2 aus Hartmann (1994)]

Vertikalprofile der mittleren Temperaturen (°C)[Abbildung 1.10 aus Hartmann (1994); Daten von Levitus (1982)]

Deckschicht(„mixed layer“, ~oberflächennahe Lufttemperatur)

Thermokline (~1 km)

Zwischen- und Tiefenwasser

23°S, 11°30‘ E (GeoB 84121)13.3.2003METEOR-Reise M57-2

Daten von Volker Mohrholz und Toralf Heene (IOW)

Deckschicht

Thermokline

Beispiel für ein CTD-Profil (einmalige Punktmessung)

Stationen und Fahrtroute M57/2

Kranzwasserschöpfer mit CTD des IOW

[Tabelle 1.3 aus Hartmann (1994]

Zusammensetzung des Meerewassers

Vertikalprofile des mittleren Salzgehalts [Abbildung 1.11 aus Hartmann (1994); Daten von Levitus (1982)]

Subtropen: P < E,hoher Salzgehalt.Mittlere und hohe Breiten: P > E, geringer hoher Salzgehalt.

Salzgehaltsbereich:32-38

Salzgehalt beeinflusst Dichte des Meerwassers

7. Meereis und Landeis

• Etwa 2% des Wassers der Erde ist gefroren

• Für das Klima ist nicht die Dicke, sondern die Ausdehnung des Eises wichtig (Eis-Albedo-Effekt)

[Tabelle 1.4 aus Hartmann (1994]

8. Die Landoberfläche

• Klima (Temperatur und Bodenfeuchte) bestimmt natürliche Vegetation und landwirtschaftliches Potential

• Vegetation, Schneebedeckung und Bodenbeschaffenheit beeinflussen das lokale und globale Klima

Bruchteil der landbedeckten Oberfläche einer Breitenzone (durchgezogene Linie) und Beitrag jeder Breitenzone zur globalen Landoberfläche (durchgezogene Linie).[Abbildung 1.12 aus Hartmann (1994)]

70% der Landfläche liegen auf der Nordhalbkugel

Klimate der Nord- und Südhalbkugeln sind deutlich verschieden

Topographie der Erde (m)[Abbildung 1.13 aus Hartmann (1994)]

Gebirgszüge beeinflussen Klima

Rocky Mountains

Himalaya

Anden

[Tabelle 1.5 aus Hartmann (1994)]

Klima bestimmt Landnutzung