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Physikalische Klimatologie

Physikalische Klimatologie. http://koeppen-geiger.vu-wien.ac.at/. Klima in den Medien. Google Klima: 41.600.000 Hits Climate: 172.000.000 Hits → No. 6 Deutsches Klimarechenzentrum ( http://www.dkrz.de/ ) IPCC Intergovermental Panel on Climate Change ( http://www.ipcc.ch/ )

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Physikalische Klimatologie

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Presentation Transcript

  1. Physikalische Klimatologie http://koeppen-geiger.vu-wien.ac.at/ Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  2. Klima in den Medien Google Klima: 41.600.000 Hits Climate: 172.000.000 Hits → No. 6 Deutsches Klimarechenzentrum (http://www.dkrz.de/) IPCC Intergovermental Panel on Climate Change (http://www.ipcc.ch/) IPCC Third Assessment Report (TAR) – Climate Change 2001; Fourth Assessment in 2007 Sonstiges ESPERE: Das Klimainformationsprojekt für Schule und Bevölkerung vom MPI: http://www.atmosphere.mpg.de/enid/05bbfa7db122a0e0f8c805b453783f30,0/Service/Home_ic.html http://meted.ucar.edu/index.htm http://www.deutsches-museum.de/dmznt/klima/ http://www.einslive.de/daswort/derservice/umwelt/klimawandel/index.phtml (Interview M. Kerschgens) Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  3. Physikalische Klimatologie Anforderung an die moderne Klimatologie: quantitative Abschätzungen und Extrapolationen erfordert mathematisch-physikalische Behandlung und Beschreibung des Klimasystems Ziel: Verständnis der Zusammenhänge des (vom Menschen ungestörten) Klimasystems erst dann können aufgesetzte Störungen interpretiert und diskutiert werden Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  4. Globale Mitteltemperatur in der Vergangenheit Mann et al. 2003 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  5. Anthropogene Spurengasemissionen IPCC, 2001 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  6. Energiebilanz im Klimasystem Kiehl, J., and K. Trenberth, 1997: Earth´s annual global mean budget. Bull. Am. Met. Soc., 78,197-208. Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  7. Stand der Forschung IPCC, 2001 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  8. Globale Mitteltemperatur IPCC, 2001 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  9. Gliederung Kryo-sphäre Litho-sphäre Atmo-sphäre Biosphäre Hydro-sphäre • Einführung → Definition des Klimasystems • Datengrundlage- Messungen (direkt/indirekt)- Reanalysen (Modelle als Ergänzung) • Energiehaushalt der Erde- Strahlungs(konvektions)gleichgewicht- Räumliche Verteilung, 3D-Energietransporte, „Wärmemaschine“ Klimasystem • Hydrologischer Zyklus- terrestrischer/ozeanischer Arm- Energietransporte im Ozean (thermohaline Zirkulation) • Natürliche Klimavariabilität- Interne Variabilität (ENSO)- Externe Variabilität (Sonne, Vulkane, Erdbahnparameter) • Klimamodellierung- GCM/Ensemble-Vorhersage/Parametrisierung- IPCC, Szenarien, anthropogene Effekte • Globaler Wandel- Detektion des anthropogenen Einflusse Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  10. Literatur • Peixoto, J. P. und A. H. Oort, 1992 : Physics of Climate, AIP Press, 564 S., € 74,85 • Hartmann, D. L., 1994:Global Physical Climatology, Academic Press, 411 S., € 80,50 • K. McGuffie, 2005: A Climate Modelling Primer,John Wiley and Sons Ltd; 3rd edition, 288 S., € 54,50 • Cubasch, U. und D. Kasang, 2001:Anthropogener Klimawandel, Klett, 128 S. , € 13,90 • von Storch, H., S. Güss und M. Heimann, 1999:Das Klimasystem und seine Modellierung, Springer, Berlin, 255 S. € 29,95 • Schönwiese, Ch.-D., 2003: Klimatologie, UTB Stuttgart, 2. Auflage, 450 S., € 29,90 • von Houghton, J.T., Y. Ding, D.J. Griggs, M. Noguer, P.J. van der Linden, X. Dai, K. Maskell, and C.A. Johnson (Eds.), 2002: Climate Change 2001: The Scientific Basis". Cambridge University Press, Cambridge • Skript zur Vorlesung Klimatologie (SS93/94) von Prof. Andreas Hense an der Universität Bonn Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  11. Organisatorisches • Internet: Vorlesungsfolien (.pdf) zu erhalten nach der jeweiligen Sitzung auf • → Lehre → Veranstaltungen → Materialien zu den Übungen und Vorlesungen • http://www.meteo.uni-koeln.de/meteo.php?show=De_Le_Ve • password: metvo • Fragen und Anregungen: • während der Vorlesung • oder auch Mi, 11-12, Zimmer 218, Institut für Geophysik und Meteorologie, Kerpener Str. 13 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  12. Ursprung Klimabegriff • Wortursprung griechisch = klino („ich neige“) • Klima als reiner Effekt des mittleren Sonnenstandes • geprägt bzw. verwendet von Parmenides (um 500 v. Chr.), Hippokrates (460-375 v. Chr.) und Aristoteles (384-322 v. Chr.), um die Bedeutung der Neigung der Erdachse gegen die Ebene der Erdumlaufbahn • daraus resultierende Abhängigkeit des durchschnittlichen Wettergeschehens vom Einfallswinkel der Sonnenstrahlung Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  13. Definition des Klimasystems • Klimatologie als Wissenschaft der Physik des globalen Ökosystems • Abgrenzung durch Grenzen des Massenaustauschs • Einteilung des Klimasystems in 5 Untersysteme • Atmosphäre • Hydrosphäre • Kryosphäre • Biosphäre • Lithosphäre Unterteilung prinzipiell möglich für jedes beliebige Ökosystem, evtl. mit anderer Gewichtung Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  14. Definition des Klimasystems • Unterteilung erfolgt auf Grund von • beteilgten Medien- Gase, Wasser (flüssig & fest), biologische Materialien, Festkörper • Zeitskalen- Zeiten typischer Änderungen (problemangepasst) • Kopplungen zwischen den Systemen- bestimmte, definierte Wechselwirkungen (WW)- Beschreibung der WW macht Klimatologie zur höchst interdisziplinären Wissenschaft • Wissenschaftliche Modellierung- wird erleichtert aufgrund der Beschränkung auf ein (oder mehrere) Untersysteme Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  15. Atmosphäre • Hauptsächlich gasförmiges Subsystem - N2, O2, Ar, CO2, CH4, ... , H2O • In der Minderheit (höchst-strahlungsrelevant): flüssige und feste Partikel - Hydrometeore, Aerosole • Bestimmt den Strahlungshaushalt der Erde durch starke elektromagnetische Wechselwirkung der solaren Strahlung mit atmosphärischen Komponenten • Zeitskalen - Troposhäre: 1 – 10 d - Stratospäre 100 d – 1 a • Masse: M = 5.3 · 1015 t • Wärmekapazität: C = cp· M = 5.3 · 1015 MJ/K Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  16. Hydrosphäre • umfasst flüssige Wasserphase des Klimasystems→ Ozeane, Binnengewässer (Flüsse/Seen), Grundwasser • enorme Bedeutung des Salzgehaltes der Weltmeere→ großräumige Ozeanströmungen (Thermohaline Zirkulation) • WasserdampfquelleCO2-Senke für Atmosphäre • Zeitskalen - Deckschicht (0 - ~250 m): 1 m – 1 a - Tiefer Ozean: > 1000 a • „klimawirksame (0-250 m) “ Ozeanmasse M = 8.7 1016 t • Wärmekapazität: C = cO·M = 36.5 · 1016 MJ/K Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  17. Hydrosphäre Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  18. Kryosphäre • umfasst feste Wasserphase des Klimasystems • Meereis→ Zeitskala: 1 – 5 a • Gletschermassen (Gebirge), keine großen Klimaeffekte dafür aber hervoragende Klimaindikatoren → Zeitskala: 102 – 104 a • Landeismassen (Antarktis/Grönland)→ Zeitskala: 104 – 106 a • Permafrostgebiete (Kanada/Sibirien)→ Zeitskala ~103 a • Eis ist elastisch-plastisch verformbar • hohe Albedo von Eis und Schnee im solaren Bereich • „Schwarzkörper“ im terrestrischen Bereich • geringe Wärmeleitfähigkeit (Isolator) Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  19. Biosphäre • physikalisch/mathematisch komplexestes Subsystem • wichtiger Faktor im CO2-Haushalt der Atmosphäre • Quelle für andere Spuren-gase (z. B. CH4, Methylsulfid) • Einfluss auf den Energie-haushalt über die Albedo der Erdoberfläche • Einfluss auf den Wasserkreislauf vor allem über über Verdunstung • Zeitskalen- Wechsel der Blattmasse ~1 a - Ein-/Auswanderung von Populationen ~100 a • pflanzlicher Teil von hoher Bedeutung für das Klimasystem- terrestrischer Pflanzenbewuchs- ozeanische Anteil (Phytoplankton) Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  20. Lithosphäre • Effiziente Energieumsatzfläche durch Absorption solarer Strahlung (Albedo relativ gering) • Energietransport im Boden durch Wärmeleitung • Lithosphäre als größter Speicher im Kohlenstoffkreislauf • Höhe beeinflusst Klima • Gebirge als Barrieren in der atmosphärischen Zirkulation • Zeitskalen:- erste Meter, 10 d – 1 a- tiefes Grundwasser: ~104 a- Erosion: ~105 a • „klimarelevante“ Masse: M = 3 ·1015 t • Wärmekapazität: C = cb·M = 2.4 · 1015 MJ/K Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  21. Wärmekapazität Atmosphäre – Ozean - Land bezüglich Energieumsetzungen besitzt der Ozean die größte Trägheit 3,5 m des Ozeans entsprechen der Wärmekapazität der gesamten Atmosphäre Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  22. Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

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