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Vorbesprechung

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

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Presentation Transcript

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

  2. 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

  3. 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

  4. 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.

  5. 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)

  6. Vorlesungsplan • Klimaempfindlichkeit und Rückkopplungsmechanismen • Allgemeine atmosphärische Zirkulation und Klima • Allgemeine ozeanische Zirkulation und Klima • Konzeptionelle Klimamodelle: Das 1-dimensionale Energiebilanzmodell • Realitätsnahe globale Klimamodelle

  7. Computerübungen • Das 0-dimensionale Energiebilanzmodell (global gemittelt) • Das Strahlungs-Konvektions-Modell (vertikale Erstreckung) • Das 1-dimensionale Energiebilanzmodell (meridionale/Nord-Süd-Erstreckung)

  8. Benotung • Übungsaufgaben (~14-tägig) • Kolloquium • in letzten Vorlesungswoche (6.-10. Februar) • in 2er-Gruppen

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

  10. Einführung in das Klimasystem Das Klimasystem und seine Modellierung (05-3103) – André Paul

  11. Einführung in das Klimasystem • Klima • Lufttemperatur • Zusammensetzung der Luft • Hydrostatisches Gleichgewicht • Luftfeuchtigkeit • Der Weltozean • Meereis und Landeis • Die Landoberfläche

  12. 1. Klima „Klimaelemente“: Erwartungswerte der meteorologischen Elemente an einem Ort während eines bestimmten Zeitraums, z. B., • Jahresmittel, Verteilung im Jahresgang oder zwischenjährliche Variabilität

  13. Meteorologische Elemente Physikalische Grundgrößen, die von Raum (x,y,z) und Zeit (t) abhängen (Feldgrößen). • Druck p • Dichte r • Temperatur T • Feuchte q (Niederschlag P) • Windgeschwindigkeit u

  14. 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

  15. 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 Wasser nahe der Erdoberfäche. Literatur: Kapitel 1 aus Hartmann, D. L., Global Physical Climatology, Academic Press, San Diego 1994.

  16. 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)

  17. Zunahme aufgrund Absorption von UV-Strahlung Abnahme zwischen ungefähr 50 und 100 km Höhe Zunahme aufgrund Absorption kurzwelliger strahlung durch Ozon Abnahme der Temperatur mit einer Rate von 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)]

  18. Abhängigkeit von der geographischen Breite In mittleren und hohen Breiten: Temperatur der unteren Stratosphäre nahezu unabhängig von der Höhe Mittlere Temperaturprofile für die unteren 20 km der Atmosphäre in drei Breitenzonen[Abbildung 1.3 aus Hartmann (1994); Daten von Oort (1983)]

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

  20. Bodennahe Lufttemperatur übersteigt 26°C nahe dem Äquator Große jahreszeitliche Schwankung auf der Nordhalbkugel (mehr als 25°C) Bodennahe Lufttemperatur als Funktion der geograpischen Breite für Januar, Juli und im Jahresmittel (°C)[Abbildung 1.5 aus Hartmann (1994); Daten von Oort (1983)]

  21. 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)]

  22. Oberflächennahe Lufttemperatur (Daten aus der NCEP-Reanalyse) Nordwinter (Dezember-Januar-Februar) Nordsommer (Juni-Juli-August)

  23. Große jahreszeitliche Schwankung im Inneren Nordamerikas und Asiens Geringe jahreszeitliche Schwankung auf der Südhalbkugel (größerer Ozeananteil) Amplitude des Jahresgangs der Oberflächentemperatur [Abbildung 1.7 aus Hartmann (1994); Daten von Shea (1986)]

  24. 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

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

  26. 4. Hydrostatisches Gleichgewicht Die vertikale Kräftebilanz (Schwerkraft gleich Druckgradientenkraft) pro Masseneinheit lautet: g=9.806 m s-2: Schwerebeschleunigung.

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

  28. Einsetzen in die vertikale Kräftebilanz (1) liefert oder

  29. Mit der Skalenhöhe ergibt sich die Differentialgleichung

  30. Barometrische Höhenformel Wenn die Atmosphäre isotherm ist, also die Temperatur und mit ihr die Skalenhöhe konstant sind, dann ergibt sich für den hydrostatischen Druck der Ausdruck: wobei ps der Oberflächendruck ist. Die Skalenhöhebeträgt für eine mittlere Temperatur der Erdatmosphäre von 255 K rund 7500 m.

  31. Beziehung zwischen Masse und Druckunterschied Die vertikale Kräftebilanz (1) lässt sich auch wie folgt schreiben: d.h. die Masse dm zwischen zwei um dz verschiedenen Höhenflächen ist proportional zum Druckunterschied dp.

  32. Statische Grundgleichung: Vertikale Komponente der Druckgradientenkrtaft = Schwerkraft Exponentielle Abnahme mit der Höhe Untere Atmosphäre am Wichtigsten für Klima Druck (~Masse) nahe der Oberfläche am größten Vertikalprofile des Luftdrucks und des Partialdrucks von Wasserdampf (jeweils normiert auf 1013.25 hPa und 17.5 hPa)[Abbildung 1.8 aus Hartmann (1994)]

  33. 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

  34. 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)]

  35. 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

  36. [Tabelle 1.2 aus Hartmann (1994)]

  37. Deckschicht („mixed layer“, ~oberflächennahe Lufttemperatur) Thermokline (~1 km) Zwischen- und Tiefenwasser Vertikalprofile der mittleren Temperaturen (°C)[Abbildung 1.10 aus Hartmann (1994); Daten von Levitus (1982)]

  38. Beispiel für ein CTD-Profil (einmalige Punktmessung) Deckschicht Thermokline 23°S, 11°30‘ E (GeoB 84121) 13.3.2003 METEOR-Reise M57-2 Daten von Volker Mohrholz und Toralf Heene (IOW)

  39. Stationen und Fahrtroute M57/2 Kranzwasserschöpfer mit CTD des IOW

  40. Zusammensetzung des Meerewassers [Tabelle 1.3 aus Hartmann (1994]

  41. Subtropen: P < E, hoher Salzgehalt. Mittlere und hohe Breiten: P > E, geringer hoher Salzgehalt. Salzgehaltsbereich: 32-38 Salzgehalt beeinflusst Dichte des Meerwassers Vertikalprofile des mittleren Salzgehalts [Abbildung 1.11 aus Hartmann (1994); Daten von Levitus (1982)]

  42. 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)

  43. [Tabelle 1.4 aus Hartmann (1994]

  44. 8. Die Landoberfläche • Klima (Temperatur und Bodenfeuchte) bestimmt natürliche Vegetation und landwirtschaftliches Potential • Vegetation, Schneebedeckung und Bodenbeschaffenheit beeinflussen das lokale und globale Klima

  45. 70% der Landfläche liegen auf der Nordhalbkugel Klimate der Nord- und Südhalbkugeln sind deutlich verschieden Bruchteil der landbedeckten Oberfläche einer Breitenzone (durchgezogene Linie) und Beitrag jeder Breitenzone zur globalen Landoberfläche (durchgezogene Linie).[Abbildung 1.12 aus Hartmann (1994)]

  46. Gebirgszüge beeinflussen Klima Himalaya Rocky Mountains Anden Topographie der Erde (m)[Abbildung 1.13 aus Hartmann (1994)]

  47. Klima bestimmt Landnutzung [Tabelle 1.5 aus Hartmann (1994)]

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