31. Oktober 2006 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 1 Wiederholung 2. Stunde...
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Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 31. Oktober 2006 1
Wiederholung 2. Stunde
Defintion des Klimasystems über seine Komponenten und als System ineinander verschachtelter Kreisläufe. Welche?
Welche Randbedingungen (externen Antriebe) hat das Klimasystem?
Welche Raum-Zeit-Skalen sind relevant?→ Wieviele Freiheitsgrade hat die Atmosphäre?
Energie-, Wasser-, Spurenstoff-, Drehimpuls- und Gesamtmassenkreislauf
Auflösung bis in den viskosen Dissipationsbereich → Δx = 1mm
Raumgitter: Oberfläche = 4π R2 ~ 5 · 1020 mm2
→ Volumen bis 100 km Höhe ~ 5 · 1028 mm3
Variablen: u,v,w,p,T,Gase (CO2,O3, ..), Aerosol & Hydrometeore
- solare Einstrahlung (extraterrestrisch)
- geologisch: Land-/Meeverteilung, Orographie (terrestrisch)
ca. 1031 Freiheitsgrade
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Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 31. Oktober 2006 2
Wiederholung 2. Stunde
Warum ist eine deterministische Betrachtung des Klimasystems nicht möglich?
Mit welchen Maßen wird das Klimasytems beschrieben?
- Beschreibung des mittleren Zustandes
- der typischen Abweichungen des mittleren Zustandes
- der typische Zeitabläufe für diese Abweichungen
- der Wahrscheinlichkeiten für extreme Abweichungen
- zuviele Freiheitsgrade (1031) - derzeitige Rechenzeitkapazität 1010
- Anfangswerte können nicht bestimmt werden
- Nichtlinearität → chaotische Entwicklung
f(x)dx des Auftretens eines zufälligen Zustands X im Bereich dx
(f : Wahrscheinlichkeitsdichte)
xxxx dfT
dtt )(??)(
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Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 31. Oktober 2006 3
Gliederung
Einführung
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
- Synop-Stationen→ bodennahes Klima über Land
- freiwillige Handelsschiffe über Ozean → COADS- Datensatz (1850-1984)
- Radiosondenaufstiege→ vertikale Struktur seit ca. 1950 ca. 7 Stationen pro 2.5°x2.5°
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Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 31. Oktober 2006 4
100-jähr. aerologische Lindenberger Messreihe
1902 entdecken Assmann und de Bort die wärmere Schicht in der Höhe (Stratosphäre) es kommt zur klassischen Schichteinteilung der Atmosphäre (Troposphäre/Tropopause/ Stratosphäre)
Bedeutung der Kenntnis der Vertikalstruktur schon damals durch Assmann u.a. Forderung nach regelmäßigen Vertikalsondierungen
Homogenisierung von Sensoren
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Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 31. Oktober 2006 5
WOCE – World Ocean Circulation Experiment
1990 - 1998 Beobachtungen von Forschungsschiffen CTDs: T(D), C(D)
oberste 400 m zeigen markante Variabilität auf Jahreszeitenskala
Messungen der synoptischen Strömungs-verteilung jedoch unmöglich → nur über geostrophische Beziehung(CTD= Conductivity - Temperature - Depth)
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Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 31. Oktober 2006 6
Struktur Internationale Klimaforschung
WCRPWorld Climate Research Programm
GEWEXGlobal Energy and Water Experiment CLIVAR
Climate Variability and Prediction Programm
WOCEWorld Ocean
Circulation Experiment
SPARCStratospheric Processesand their Role in Climate
CLICClimate and
Cryosphere Programm
Analyse von globalen Beobachtungen/Prozessmodellierung
Schwerpunkt auf „schnellen Rückkopplungen“, welche die Verfügbarkeit von Süßwasser für die Biosphäre beeinflussen
ein Teilprojekt: ISCCP
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Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 31. Oktober 2006 7
International Satellite Cloud Climatology Project ISCCP
seit Juli 1983: Archivierung von Satellitenstrahldichten zur Bestimmung der globalen Verteilung von Wolken einschließlich deren Eigenschaften, Tagesgang, saisonale und interanuale Variabilität
Effekte auf den Strahlungshaushalt„CRF“: Cloud Radiative Forcing
Rolle bezüglich des globalen Wasserkreislaufes
Klimawirksamkeit von Wolken
... bisher im Internet verfügbar: bis Dezember 2004 ...http://isccp.giss.nasa.gov/
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Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 31. Oktober 2006 8
Bsp: ISCCP Cloud Amount
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Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 31. Oktober 2006 9
Cloud Radiative Forcing (CRF)
Einfluss von Wolken auf die Strahlungsbilanz am Oberrand der Atmosphäre
Daten: ERBE (Earth Radiation Budget Experiment) & ISCCP
1. Schritt: „clear-sky climatology“Mittelwert über alle Strahldichtemessungen an einem bestimmten geographischen Ort die als „wolkenfrei“ identifiziert werden
2. Schritt:Bildung der Differenz zwischen den Strahldichtemessungen der clear-skyclimatology und dem Mittelwert über alle Beobachtungen am entsprechendengeographischen Ort
Einfluss der Wolken auf die Energiebilanz am Oberrand der
Atmosphäre („cloud radiative forcing“)
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Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 31. Oktober 2006 10
Cloud Radiative Forcing (CRF)
global:
Positive Werte: Energiegewinn für das System Erde-Atmosphäre
Negative Werte: Energieverlust für das System Erde-Atmosphäre
(abhängig von: solarem Einfallswinkel, Tröpfengrößenspektrum, Phase)
,,
,
,
( )
1 1
" " " "
TOA netto
TOA TOA netto netto clear sky clear skyclear sky
p p clear sky clear sky
p clear sky p clear sky
R Q F
R R Q Q F F
Q Q F F
Q F F
shortwave cloud forcing longwave cloud forcing
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Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 31. Oktober 2006 11
Earth Radiation Budget Experiment ERBE
Steve Ackerman and Tom Whittaker, 1999
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Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 31. Oktober 2006 12
CRF - global
Hartmann, 1994
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Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 31. Oktober 2006 13
Potter & Cess, 2004, JGR
DJF 85-89
Wolkeneinfluss auf den Strahlungshaushalt in Modellen im Vergleich zu Messungen des ERBE (1985-1989)
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Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 31. Oktober 2006 14
Fehlerabschätzungen: 10-15%
clearall sky solar
terrestrial
B.Carson, GISS 2004
alle unbewölkt
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Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 31. Oktober 2006 15
Klima Datensätze
clearall sky solar
terrestrial
B.Carson, GISS 2004
alle
GEWEX Newsletterhttp://www.gewex.org/Aug2006.pdf
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Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 31. Oktober 2006 16
MSU/AMSU Instrumente auf NOAA Satelliten
MSU 50.3 - 57.95 GHz (1978-heute) auf 8 NOAA Satelliten (polarumlaufend)
AMSU ab 1998, 2.5° Auflösung
keine absolute Kalibration (Interkalibration zwischen verschiedenen Satelliten nötig)
www.remss.com
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Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 31. Oktober 2006 17
Satellitentrends - MSU
MSU Kanal 2 (1979 – 2003)Globaler Trend: 0.129 K/Dekade
geographischeBreite
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Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 31. Oktober 2006 18
Satellitentrends - MSU
MSU Kanal 2
MSU Kanal 3
MSU Kanal 4
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Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 31. Oktober 2006 19
SSM/I – Special Sounder Microwave Imager
hier: August 2004, seit 1987, 19.35 - 85.5 (V/H) GHz, Erdabdeckung ~3 Tage, räumliche Auflösung 25-50 km, Nachfolge AMSR-E, TMI
vv in m/s (Rauigkeitlänge Polarisationsabh.) Wasserdampfsäule, mm
Wolkenwassersäule, mm Regenrate, mm/hr
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Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 31. Oktober 2006 20
Scatterometer
Räumliche Auflösung: ~ 45 km (entlang und senkrecht zur Flugrichtung)
WindrichtungBereich: 0 – 360° Genauigkeit: +-20°
Windgeschwindigkeit Bereich: 4 ms-1 - 24 ms-1 Genauigkeit: 2 ms-1 oder 10 %
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Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 31. Oktober 2006 21
Bestimmung des Windvektors
Rückstreuung ist maximal in und entgegen der Windrichtung, da hier Kapillarwellen senkrecht und Bragg-Streuung optimal
so ist minimal senkrecht zur Windrichtung, da hier die Kapillarwellen parallel und kaum Bragg-Streuung
Wegen der Form der Kapillarwellen in das relative Maximum entgegen der Windrichtung leicht größer
Eine höhere Windgeschw. führt für alle Richtungen zu einer höheren Rückstreuung
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Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 31. Oktober 2006 22
ERS – European Remote Sensing Satellites
ERS1: 1992-2000, ERS2: 1995-????
in ~780 km Höhe
Typ: polarumlaufend, sonnensynchron
T~100 min
“Repeat cycle”: 35 Tage
Instrumente- SAR “Synthetic Aperture Radar” - Wind Scatterometer- Radar Altimeter- passive Radiometer (ATSR)
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Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 31. Oktober 2006 23
El Niño im ATSR
earth.esa.int
SST, July1995 SST, July1997
ATSR:
Infra-Rot Radiometer (IRR): SST und Wolkenobergrenzen-temperaturen
Microwave Sounder (MWS): Wolkenwasser, Wasserdampf, SST
Differenz 1995-1997
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Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 31. Oktober 2006 24
NDVI – Normalized Difference Vegetation Index
http://earthobservatory.nasa.gov/
< 0.1: Stein/Wüste/Schnee0.2 - 0.3: Steppe/Grasland0.6 - 0.9: bewaldet - Regenwald
NDVI = (NIR — VIS)/(NIR + VIS)
Messungen via NOAA AVHRR Instrument (1 km2 Auflösung) bisher 2 Jahrzehnte globale Abdeckung
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Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 31. Oktober 2006 25
Eisbedeckungsgrad/Eisvolumen - ICESAT
Antarktische und Grönländische Eisplatten beinhalten 77% des Süßwassers (≅80 m Meeresniveau!)
Schmelzen von 0.1% bedeutet Meeresniveauanstieg von 8.3 cm
Jährliche Eisansammlung von 0.8 cm Meereseniveau ausgeglichen durch Rückfluss in den Ozean (Massenbalance)
Lokale und langzeitliche Unteschiede
Massenbalance sollte möglichst genau bestimmt werden
- ICESAT benutzt Lidar (Light Detecting and Ranging) Technolgie
- ICESSAT detektiert Änderungen der mittleren Eismächtigkeit von bis zu 0.3 cm → Meeresspiegelanstieg von bis zu 0.1 cm nachweisbar
Erstflug, 20.2.2003http://icesat.gsfc.nasa.gov
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Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 31. Oktober 2006 26
Zukünftige Missionen
A-Train (USA/Frankreich)
EarthCARE (ESA)
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Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 31. Oktober 2006 27
Beobachtungen zur Modellverbesserung
Klimamodelle benötigen kleinskalige Beobachtungen Verbesserte Parametrisierungen
- Aerosol/Wolken/Niedersschlagsprozesse- 3D-Strahlungstransfereffekte- Bodenmodule...
Validierung- Satellitenvalidation - Bodengebundene Validation
• CLIWA-NET• CLOUD-NET• Atmospheric Radiation Measurement
program ARM...
langzeitliche und detailierte Strahlungs- und mikrophysikalische Messungen notwendig
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Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 31. Oktober 2006 28
Paläoklimatologische Daten
Historische Dokumente Baumringe Korallenringe Eisbohrkerne Speläologie (Höhlenkunde) Sedimente in Seen und Ozean Bohrlöcher Glaziale Oberflächen-Formung (Moränen)
Jones & Mann, 2004:, Climate over past millenia, Reviews of Geophysics
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Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 31. Oktober 2006 29
Paläoklimatologische Daten
Jones & Mann, 2004:, Climate over past millenia, Reviews of Geophysics