Gliederung

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/Parame
  trisierung- IPCC, Szenarien, anthropogene
  Effekte
• Globaler Wandel- Detektion des anthropogenen
  Einflusse

23.1 30.1 6.2
2
Wiederholung 12. Stunde

• Was besagt das Hasselmannsches 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
TE255 K
Photosphäre
a30
TSonne5783 K
240 W/m² absorbiert
TSi106K
So1373 Wm-²
1373 W/m²
6107Wm-²
TS 288 K
343 Wm-²
TS TE ?T
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EBM Bedeutung der Albedo
Algenblüte
TS TE ?T 288 K
a TE /K ?T/K 0.1 271 17 0.3 255 33 0.5 235 53
..aber bei einer anderenAlbedo würde sich
eineandere OberflächentemperaturTs einstellen
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EBM Bedeutung der Albedo
Q aQ
tFs
t Transmissivität der Atmosphäre thermische
Abstrahlung
Fa
t Ta
t Ts /K Ta /K 0.0 303 255 0.2 290
230 0.4 279 206
Fs
Fa
Ts
Energiebilanz Erdoberfläche Atmosphäre
Bei einer durchschnittl. Ober-flächentemperatur
von 288 K ist die Transmissivität t 0.225
die Emission ? 0.775
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EBM Energiebilanzmodell
C Wärmekapazität R? abwärts gericht.
Strahlungsfluss R? aufwärts "
" Q Solarer Input (So/4 342 Wm-2) a Albedo
f(Eis, Schnee, Wolken..) t Transmissivität der
Atmosphäre AE Fläche der Erde (5. 110x14
m2) ?z Dicke der ozean. Deckschicht (70
m) ?w Dichte von Wasser (103 kg m-3) cw spez.
Wärmekap. Wasser (4200 Jkg-1K-1)
Änderung der global gemittelten
Oberflächentemperatur T über Zeitraum ?t
auf der Erde ist Wärmekapazität i. W. vom Ozean
bestimmt
0.7 0.3
?z
Ozean Land
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EBM Energiebilanzmodell
Taylor-Entwicklung um den Referenzzustand To
mit
Zeitkonstante t
Lineare Differentialgleichung 1.Ordnung
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EBM Energiebilanzmodell
Einstellzeit für das thermische Gleichgewicht mit
B1.15 Wm-2 K-1
C (J m-2 K-1 t (Jahren)
Atmosphäre 107 0.28
Deckschicht (70 m) 2108 5.5
Oberer Ozean (360 m) 109 27.5
Gesamter Ozean (3900 m) 1.61010 440
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EBM Energiebilanzmodell
von Storch, Güss und Heiman, 1999
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EBM Energiebilanzmodell
Gleichgewichtslösung (weder Erwärmung noch
Abkühlung) Gesucht T f (t,To,aQ,C,..)
a
Eis
0.5 0.1
kein Eis
T/K
273 303
R
Q(1-a)
342 Wm-2heutiges Klima
?T4
T/K
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Box-Modell Atmosphäre-Ozean

K10-4m2s-1 h70m
großer Einfluss der Diffusionsparametrisierung
K10-3m2s-1 h110 m
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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 Temperaturverteilun
g
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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 (lb,s,w)
  - nackte Oberfläche mit Albedo ab 0.5-
  schwarze Lilien (Daisies) mit as 0.1-
  weisse Lilien mit Albedo aw 0.9
• Planetare Albedo ap fb ab fs as fw aw
• Planetare Temperaturabhängig von
  Hellogkeitsfaktor L
• Lokale Temperatur über den 3 Bereichenabhängig
  vom Mischungsfaktor RTemperaturmischung
  zwischen den verschiedenen Bereichen- R
  0 perfekte Mischung ? Tl Tp,- R1 therm.
  Isolation der Bereiche (jeder einzeln im
  Strahlungsgleichgew.)

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Daisyworld

• Beispiel für Rückkopplung mit der Vegetation
• Wachstumsmodell für Lilien
• Wachstumsrate abhängig von der lokalen
  Temperatur Tl
• für Tmin lt Tl lt Tmax
• 0 sonst
• Flächenbedeckung durch die Lilien AI (l s,w)
• mit Sterberate dI
• Es gibt immer eine minimale Lilienbedeckung (Al
  0.01)

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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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RC Strahlungskonvektionsmodell
Unterteilung der Atmosphäre in viele
Schichtenführt immer noch zu nicht realistischem
Vertikalmodell
Ruddiman, 2001
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SD 2-D statistisch-dynamisches Modell
zonal symmetrisches Modell Parametrisierung der
transientenund stationären Eddies
mittl. meridionaler Enthalpie-fluss durch
transiente Eddies Gradient-Fluss-Annahme bar
okline Wellen werden durchmittl. meridionalen
Temperaturgradienten angetrieben
Ruddiman, 2001
22
Klimamodelle Historische Entwicklung
Mcguffie and Henderson-Sellers, 2001
23
GCM 3-D Zirkulationsmodell
Ruddiman, 2001
24
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
Modell ist nicht ausblanciert bei Start, z.B.
Wasserbilanz
Ruddiman, 2001