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Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 5. Dezember 2006 1

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Äqu

ato

r

Pol

Ozean

Atmosphäre

EisH

Zusammenfassung: „Wärmemaschine“ Klimasystem

Strahlungsbilanz

Salz

KondensationKonvektionHadley-

Zelleinnere Energielatente Energiepotentielle Energiekinetische EnergieNiederschlag

Salz Salz und Energie Salz

Passate

Verdunstung

Wellentransporte

Energietransporte

Wärme Erwärmu


Was sind die wichtigsten Komponenten des hydrologischen Zyklus?

In welche Sub-Kreisläufe (Arme) kann der hydrologische Zyklus aufgeteilt werden?

Was ist die klassische Wasserhaushaltsgleichung?

Wie sind Wasser- und Energie-kreislauf gekoppelt?

Was ist ein Sverdrup?

Welche Bedeutung hat der Abfluss für die Ozeane?

Was sind die 4 Schritte der thermohalinen Zirkulation?

Wiederholung 7. Stunde

UO RREPS

- Tiefenwasserbildung - Verbreitung von Tiefenwasser- Auftrieb von Tiefenwasser - Oberflächenströme

http://www.focus.de/wissen/wissenschaft/klima/ozean-duengung_nid_34590.html


Verknüpfung von Land/Ozean im terrestrischen Arm

Haushaltsgleichung für die Salzkonzentration gemittelt über die vertikale Säule und die gesamte Ozeanoberfläche

und die Wasserhaushaltsgleichung gemittelt über die gesamten Landoberflächen ergibt

Zusammenhang Hydrologie der Ozeanoberfläche mit der

Landoberfläche

bedeutet ein Defizit von Süßwasserzufuhr über dem Ozean eine Salzflussdivergenz, muss diese durch einen Massenfluss von Süßwasser von den Kontinenten ausgeglichen werden

besteht über den Kontinenten ein Überschuss von Süßwasserzufuhr muss über den Ozeanoberflächen mehr Verdunstung als Niederschlag auftreten

RO von den Kontinenten bedeutet einen horizontalen Export (negativen Import) von Salz über die Küsten aus dem Ozean hinaus


Hydrologischer Zyklus: atmosphärischer Arm

EPp

gqp

qp

qvqvqt

Pp

gqp

qp

qvqvqt ccccc

Kontinuitätsgleichungen (Wassermassenerhaltung)

für Wasserdampf q:

für Flüssig-/Festphase qc:

E > 0 von Oberfläche weggerichtetP > 0 zur Oberfläche hingerichtet

Austausch zwischen Wasserdampf und kondensiertem Wasser stellt die Kondensationsrate dar


Hydrologischer Zyklus: atmosphärischer Arm

wiederum: Betrachtung über ein vertikales Säulenmittel

diese Wassersäule nimmt nur ab falls

1.) mehr Niederschlag ausfällt als über Verdunstung wieder aufgenommen wird

2.) oder wenn ein horizontaler Wassernettoabfluss besteht

d.h. (in Analogie zum Salzfluss des Ozeans) Zu-/Abfuhr von Wasser in eine atmosphärische Säule kann nur durch Konvergenzen/Divergenzen der horizontalen Wasserdampftransporte ausgeglichen werden.

EPHt

Wq

langjähriges Mittel

0

0 0

0

0 0

p

c

p p

cHcHq

g

dpqqW

g

dpqqv

g

dpqqvH


Bild des global-gemittelten hydrologischen Zyklus

P-E < 0 über den Ozeanen P-E > 0 über Landoberflächen

Transportprozesse müssen Wasser von den Ozeanoberflächen zu den Landflächen „pumpen“

Salzüberschuss ( < 0) der Ozeane muss über kontinentalen Abfluss R0 balanciert werden

benötigte Energie verfügbar durch positive Strahlungsbilanz in Tropen/Subtropen(Verdunstung E, Bereitstellung von LE an Atmosphäre)

qH


Regionale Unterschiede des Hydrologischen Zyklus

Kombination von Erhaltungsgleichungen und Beobachtungen

vertikal gemittelte Wasserhaushaltsgleichungen für Klimasubsysteme:

Atmosphäre:

Biolithosphäre:

Ozean:

EPHt

Wq

EPRwt B

0

EPD

sHs

tOZ

S *

wB Bodenfeuchte [kg m-3]Ro Abfluss [kg m-2]s Salzgehalt [kg m-3]s* spez. Salzgehalt [kg/kg]D vert. Dicke der

Ozeansäule


Hydrologischer Zyklus: Datensätze zur Untersuchung

2.5°x2.5°

1°x1°

Teil des WCRP (WMO)


Global Precipitation Climatology Project (GPCP)

http://lwf.ncdc.noaa.gov/oa/wmo/wdcamet-ncdc.html

[mm/Tag]


Genauigkeit von Niederschlagsbeobachtungen

CRU Climatic Research Unit, University of East Anglia http://www.cru.uea.ac.uk/cru/data/hrg.htm

GPCC Global Precipition Climate Center http://www.dwd.de/en/FundE/Klima/KLIS/int/GPCC/GPCC.htm


mm/Tag

schwarz: GPCPgelb: GPCCgrün: CRU

Genauigkeit von Niederschlagsbeobachtungen


Und wie bestimmen wir die Verdunstung

Wasserdampftransport durch turbulente Vertikalbewegungen

E = q’ w’

z

qKE

bsE qqCuE

Profil-Methode (Parametrisierung)

K turbulenter Austauschkoeffizient

Bulk-Formelu Windstärke (10 m)CE Bulk-Transferkoeffizient (~1.3 10-3)qs Sättigungsfeuchte der Oberflächeqb bodennahe spez. Feuchte (2 m)

Direktmessung Dichte der feuchten Luft

q spezifische Feuchte

w Vertikalgeschwindigkeit

Ozean: qb = qS(p, TS)

Land: E(qS) heißt potentielle Verdunstung, es gilt qb = αqS(p, TS),

α abhängig von Bewuchs, Bodenart (Problem bei Transpiration!)

wenigeStationenüber Land

gut überOzean


Globale Beobachtung der Verdunstung

Beobachtungen von freiwilligen HandelsschiffenComprehensive Ocean Atmosphere Dataset http://icoads.noaa.gov/

Flüsse aus COADS, National Oceanography Centre, Southampton http://www.noc.soton.ac.uk/JRD/MET/fluxclimmon.php

Flüsse aus passiven Mikrowellenbeobachtungenhttp://www.hoaps.zmaw.de/


Globale Beobachtung der Verdunstung

Beobachtungen von freiwilligen HandelsschiffenComprehensive Ocean Atmosphere Dataset http://icoads.noaa.gov/

Flüsse aus COADS, National Oceanography Centre, Southampton http://www.noc.soton.ac.uk/JRD/MET/fluxclimmon.php

Flüsse aus passiven Mikrowellenbeobachtungen, Hamburg Ocean Atmosphere Parameters and Fluxes from Satellite Data, http://www.hoaps.zmaw.de/


Verdunstung aus ERA-Reanalyse

Maximum über den subtropischen Ozeanen (~2000 mm/a)

Verdunstung auf Kontinenten deutlich geringer (α < 1)

In den inneren Tropen: Verdunstung über Land und Ozean vergleichbar (~1200 mm/a), tropische Regenwälder α ~ 1


Frischwasserfluss P-E: Langjähriges Mittel

stationärer Fall

P-E < 0 Wasserdampfquellgebiete (Divergenz)

P-E > 0 Wasserdampfsenkgebiete (Konvergenz)

Verbindung durch horizontale Transporte


P-E: Langjähriges Jahresmittel

Einführung des Wasserdampf-transportpotentials χq:

rotqqq HH

→ stationäre Wasserbilanz der Atmosphäre

)(2 EPq

χq bestimmbar falls P, E bekannt(Lösung der Poissongleichungen)

in Analogie zum Energietransport

stationäre Verhältnisse, vertikal gemittelt


Divergenz des Wassertransports

horizontaler, vertikal-gemittelter Transport

Divergenzen: subtropische Ozeane

Konvergenzen:indonesisches Archipel, Niederschlagsgebiete der mittleren Breiten

EPH q Peixoto & Oort 1992


Wasserbilanzkomponenten im zonalen, langzeitliches Mittel

P-E: „Süßwasserbilanz“ (mm/Tag)

höchste Verdunstung in den Subtropen ~ +/- 20° Breite (1500 mm/a)

relatives Minimum in den inneren Tropen

starke Abnahme der Verdunstungs-raten polwärts (Minimum ~200 mm/a), exponentielle Abnahme von qS

schwarz: GPCCgrün: ERA40


Zonal gemittelter Wasserdampftransport

Wasserdampftransport über einen 40° Breitenkreis ~0.75*1015 W (entspricht 15-20% des meridionalen Gesamtenergietransportes)

polwärtige Transporte polwärts von 20° Breite

Maxima bei 2 m/s g/kg

entgegengesetzte Transporte innerhalb der Tropen

Versorgung der Innertropen und der Extratropen mit Wasserdampf aus den subtropischen Ozeanen(Wasserdampfquellen)

Peixoto & Oort 1992

0-20 20


Betrachtung des Atlantiks

Bilde Flächenmittel der Wassertransportdivergenzen über die Ozeanfläche

Man erhält atmosphärische Transporte zwischen Ozean/Land bzw. Ozean/Ozean (Passage zwischen Australien und Antarktis, Drake Passage)

über der Atlantikoberfläche verdunstet mehr als ihr durch Niederschlag wieder zugeführt wird

„Wiedergutmachung“ durch kontinentalen „Run-off“ (Abfluss)?? ... Schließlich gehen die stärksten Abflüsse in den Atlantik ...


Die 10 größten Abflüsse

nach Berücksichtigung der Flüsse bleibt jedoch ein Nettoverlust von Süßwasser (Salzgewinn) im Atlantik übrig

ausgleichende Transporte notwendig


Die größten Abflüsse


Die anderen Ozeane

Pazifik Nettowasserinput durch atmosphärische Transporte über die Küstenlinien

..

coscosPazPaz

ddEddP

höhere Niederschlags- als Evaporationsrate

kontinentaler Abfluss geringer als im Atlantik (Yangtse und Mekong)

Süßwasserüberschuss, Salzdefizit

Indischer Ozean/Südlicher Ozean

Indischer Ozean: ähnliches Verhalten wie Atlantik

Südlicher Ozean: wahrscheinlich ausgeglichenes P-E im Flächenmittel, übernimmt nur Transportfunktion?


Resultierende Transporte

Salztransport aus Atlantik und Indik in den Pazifik (via SO)

dieser entspricht einem mittleren Wassertransport von

- direkt: EAtl → PPaz

- indirekt: EAtl → Run-offPaz

Indirekte Hinweise (Beobachtungen der oberen Ozeanschichten)1. die Salzgehalte im Pazifik sind in jeder Breite auf der Nordhemisphäre

etwa 2.0 ‰ niedriger als im Atlantik2. dieser Unterschied gleicht sich auf der Südhemisphäre aus

(in den Subtropen der Südhemisphäre nur noch etwa 1.0 ‰ dann weiter nach Süden noch weniger)


Zusammenfassung Hydrologischer Kreislauf

Überlagerung von zwei Komponenten

Nord – Süd Komponente: verbindet subtropische Quellregionen für Wasserdampf in der Atmosphäre und Salz im Ozean mit den tropischen bzw. außertropischen Senkenregionen Ost - West Komponente: verbindet die Quellregion Atlantik (Indik) für Wasserdampf und Salz mit der Senkenregion Pazifik

ähnlich wie beim Wasserdampftransport, der mittlere Massen in der Atmosphäre bewegt (Zirkulation), werden durch die Quellen und Senken des Frischwassers (Salzgehaltes) ozeanische Wassermassen umgelagert

Thermohaline Zirkulation des Ozeans ...


Globale Ozeanzirkulation


BALTEX- Energie- und Wasserkereislauf der Ostsee

Die Ostsee als großer „Regensammler“

DänischeStraßen DS

AbflüsseVerdunstung

Niederschlag

FlüsseAbfluss DS


Einströmen vonsalzreichenNordseewasser

Ausströmen vonsalzarmemOstseewasser

DänischeStraßen

Ostsee-Bathymetrie


Ostseeeinzugsgebiet

kontinentales Einzugsgebiet

2.14 · 106 km2 (Ostsee 19 %)

14 Länder

84 Mill. Einwohner

rasche wirtschaftl. Entwicklung

hohe Dichte von Beobachtungen

Hydrologie, Ozeanographie, Meteorologie, Biologie...

Boreale Wälder

Seen

Eis

Industrie

Landwirt-schaft

DänischeStraßen

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