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gerd-borkenhagen
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Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 9. Januar 2007 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, NAO, QBO) - Externe Variabilität (Sonne, Vulkane, Erdbahnparameter)
Klimamodellierung- GCM/Ensemble-Vorhersage/Parametrisierung- IPCC, Szenarien, anthropogene Effekte
Globaler Wandel- Detektion des anthropogenen Einflusse
16.1
23.130.1
6.2
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Klimavariabilität nach Stocker [2000]- extern gezwungene Änderungen- selbsterhaltende Oszillationen- nicht-deterministische Variabilität- abrupte Reorganisation → Wechsel zwischen verschiedenen Gleichgewichtszuständen
Mehrfache Gleichgewichtszustände für Ozeanzirkulation möglich→ Umschlagen von einem in den andern Zustand, z.B. durch Hudson-Bay Ereig.
Wie wahrscheinlich ist ein Umschlagen aufgrund der anthropogenen Erwärmung?
Wiederholung 10. StundeAbgesehen von Tages- und
Jahresgang sind externe Klimaschwankungen auf Zeitskalen
unterhalb 1000 Jahren marginal gegenüber Interner Klimavariabilität
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Zukünftige Entwicklung
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Temperaturspektrum
starke freie Variabilität innerhalb des Systems
- bodennah- Komposit- interne Energie
Ruddimann, 2001
http://www.whfreeman.com/ruddiman/
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1010 Periode in Jahren 10 -4
Temperaturspektrum aus freien Klimamodellierungen (ohne Trend) Beobachtungen: 1861 to 1998 aus IPCC, 2001
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Klimavariabilität schematisch
Externe Parameterhttp://www.ncdc.noaa.gov/paleo/forcing.html
http://www.ngdc.noaa.gov/paleo/ctl/about1.html
Mitchell, J. M., 1976. An Overview of Climatic Variability and Its Causal Mechanisms. Quaternary Research 6, 481-493.
Klimavariabilität resultiertaus komplexen Wechsel-wirkungen erzwungener und freier Variationen
Klimasystem ist- dissipativ- hoch nichtlinear- viele Quellen der Instabilität
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Klimavariabilität
Betrachtete Zeitskala im Bereich von Jahren:also nicht: Wetter oder Eiszeiten usw. ( Klimageschichte) bekannteste Beispiele für natürliche interne Klimavariabilität:
ENSO (El Nino / Southern Oscillation)ozeanische / atmosphärische Komponente- kalter Humboldtstrom wird durch warme Meeresströmung ersetzt- unregelmäßigen Abständen (3 bis 7 Jahre)- Dauer: ca. 12-15 Monate
NAO (North Atlantic Oscillation)- dominanter Mode der Winterklimavariabilität in der Nordatlantik-Region - Luftmassenschaukel zwischen Subtropen & Polar- Jahr-zu-Jahr Variabilität- bleibt in Phase über mehrere Jahre.
QBO (Quasi-Biennial Oscillation)- nahezu 2-jährige Oszillation der tropischen Stratosphäre (West- / Ostwinde)- Wechselwirkung von Wellen und mittlerer Strömung
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Klima des Pazifik
Hadley-Zirkulation mit Passatwinden von Nord(Süd) zum ÄquatorAufsteigen Äquator, Absinken Subtropen
Teil der Walker-Zirkulation mit Aufsteigen in Australien/Indonesien und Absinken vor Südamerika
Cubasch & Kasang (2000)
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Walker-Zirkulation (Sir Gilbert T. Walker, 1918 )
Vertikalbewegung ist unmittelbar an die Oberflächentemperatur gekoppelt
SST hoch AufsteigenSST niedrig Absinken
El Nino
starke Konvektion über Indien und Indonesien Konvektion über Ostafrika und Amazonasgebiet
starkes Absinken über dem äquatorialen Ostpazifik Absinken über West-Indik und Westafrika
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ENSO Phänomen
El Nino ("das Christkind")
schwache Passatwinde
warmes, nährstoffarmes Wasser
starke Regenfälle über Pazifik
Verlagerung des Jetstream→Telekonnektionen
von ~Dez. bis Mai/Juni
http://www.tsgc.utexas.edu/topex/activities/elnino/sld001.html
Normalbedingungen
Passatwinde wehen westwärts
→ warmes Oberflächenwasser nach Australien und Neuguinea
→ kaltes, nährstoffreiches Wasser an Westküste Südamerika
Niederschlag im westl. tropischen Pazifik vor allem über Indonesien
Southern Oszillation ist der Walker-Zirkulation überlagert
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Satellitenüberwachung El Niño
Ozeanoberflächentemperaturen bestimmt aus thermischen Infrarot
Meeresoberflächenhöhe sind aus Altimeter
El Nino Ereignis 1997/1998 mit TOPEX/POSEIDON
niedriger in Australienhöher vor Südamerika
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Niederschlag
Hov
möl
ler
Dia
gram
m
SüdamerikaZentralpazifik
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Bestimmende ENSO Faktoren
Wind (bzw. Druckfeld) Oberflächenströmung SST Strom latenter und fühlbarer Wärme (Intensität der Konvektion)
Korrelationsanalyse:stark positive Korrelation zwischen pDarwin und der SST
im zentralen und östlichen Pazifik und in Teilen des Indischen Ozeans
pDarwin hoch SST hoch ENSO
pDarwin niedrig SST niedrig Anti-ENSO
La Niña
Instabile Wechselwirkungen von atmosphärischer Konvektion, bodennahem Windfeld, ozeanische Strömung und SST Variationen→ ENSO (El Niño / Southern Oscillation) Bjerknes (1966)
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ENSO Variabilität
Southern Oscillation Index (SOI) Luftdruckschaukel (Osterinseln/Tahiti und Darwin) Abweichung von deren Differenz (Ost minus West) vom langjährigen Mittel positives Vorzeichen → Druck im Osten/Westen über/unter Mittelwert
→ verstärkter Passat, kühlere SST im Ostpazifik negatives Vorzeichen → Anzeichen für El Nino
Alternativverfahren zum SOI sind der Oceanic Niño Index (ONI), der Multivariate ENSO Index (MEI), der JMA-Index und der TOPEX/Poseidon-El Niño-Index.
http://www.enso.info/
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Aktuelle Situation des Pazifiks
http://www.cdc.noaa.gov/ENSO/enso.current.htmlhttp://www.cpc.noaa.gov/products/analysis_monitoring/enso_advisory/
Multi-variater ENSO Index Luftdruck auf Meeresniveau Zonalwindkomponente am Boden Meridionalwindkomponente am Boden SST Lufttemperatur nahe der Oberfläche Bedeckungsgrad
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Ablauf eines ENSO Ereignisses
p= Osterinseln - Darwin
x (Schubspannung), Zentralpazifik
SST Ostpazifik
x
uK
xK turbulenter Austauschkoeffizient
mittlere Luftdichte
Korrelationsanalyse
Suche der max. Korrelation zwischen den einzelnen Zeitreihen durch sukzessive Zeitverschiebung
rmax(Δp,τx) = -0.65 bei Δt = 2 Monate
rmax(Δp, ΔSST) = -0.83 bei Δt = 4.5 Mon.
Änderung des Druckgradienten bewirken zuerst eine Änderung des Windfeldes und danach eine Änderung der SST
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ENSO Mechanismus
Wechselwirkung von ostwärts laufenden Kelvin-Wellen und westwärts laufenden Rossby-Wellen im Ozean
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ENSO Mechanismus
Eine äquatoriale Kelvin-Welle ist eine lineare Welle mit entweder erhöhten oder vermindertenTemperaturen.
Wellen bewegen sich ostwärts entlang des Äquators mit einer Geschwindigkeit von ca. 2,5 m/sdies entspricht ca. 200 km/Tag
Pazifik in 2-3 Monaten
Wellenlängen größer als die Wassertiefe.
Thermokline dient als Leitlinie
Küste lenkt Kelvin-Welle nach Norden und Süden (Küsten-Kelvinwelle)→ Auslösung einer nach Westen wandernde Rossby-Welle
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Auswirkungen vom El Nino
Januar 98 (El Niño): kaum Chlorophyll Juli 98: hohe Chlorophyll-Konzentration
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Telekonnektionen
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Nord-Atlantische Oszillation (NAO)
Hense: Klimavariabilität durch interne Wechselwirkungen, Promet, Jahrg. 28, Nr.3/4, 2002
quasiperiodische Schwankungen im Luftdruckfeld über dem Nordatlantik
starke negative Korrelation zwischen den ausgeprägten Drucksystemen Islandtief und Azorenhoch
Luftdruckunterschied zwischen Stykkisholmur (Island) und südlicherer Station Ponta Delgada (Azoren), Lisabon (Portugal) oder Gibraltar
http://www.met.rdg.ac.uk/cag/NAO/index.html
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NAO Einfluss auf globales Klima
http://www.ldeo.columbia.edu/NAO/
Korrelation NAO vs Wintertemperatur
Korrelation NAO vs Winterniederschlag
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Nord-Atlantische Oszillation (NAO)
Luftdruckgradient zwischen Azoren und Island ist besonders steil→ Westwinde über dem Nordatlantik vor (Zonalität); feuchte, milde Meeresluft strömt mit wandernden Zyklonenfamilien nach Europa und verdrängt arktische Luftmassen
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Nord-Atlantische Oszillation (NAO)
zonaler Grundstrom schwach, meridionale, blockierende Wetterlagen überwiegen→ die Winter in Europa werden kälter.
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Quasi-Biennale Oszillation (QBO)
sehr regelmäßiger Wechsel von Westwind- und Ostwindregime in der äquatornahen Stratosphäre
Extremwerte von -30 bis + 20 m/s, max. in Höhen um 24 km
Zyklus im Mittel 26 Monate
QBO Signal setzt sich mit ca. 1 km/Monat in niedrigere Höhen fort
unsymmetrisch: Westwindphasen meist etwas länger, Ostwindphasen dafür wesentlich intensiver
http://www.cpc.noaa.gov/data/indices/
Resultat von Wellen-Wechselwirkungen mit mittlerem Fluss
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QBO Muster
Zonaler Wind an äquatornahenStationen (B. Naujokat)
Isoplethen in m/sWestwinde in grau
Canton Island (Jan 53 - Aug 67)Canton Island (Sep 67 - Dez 75)Gan/Maldiven (Jan 76 - April 85)Singapore (Mai 85 - Aug 1997)
10
100
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QBO: Zusammenhang mit tropischen Wirbelstürmen
Atlantische Hurrikane (vmax > 51 m/s) von 1949-88 basierend auf Sep. 50 hPa Winden 9°N,80°W
Ost West
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Sonnenflecken
Dunkle Flecken in Photosphäre
Stark magnetische Regionen
Dauer von Tagen bis Wochen
Photosphärentemperatur kann bis auf 3700 K abfallen
Sonnenfleckenzyklus mit ca. 11 Jahren
Sonnenflecken haben bevorzugte Bildungslokationen während verschiedener Phasen dieses Zyklus
http://sohowww.nascom.nasa.gov/hotshots/2001_11_06/
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QBO: Zusammenhang solare Strahlung
1956-1986 QBO West1956-1986 QBO Ost
Nord-PolTemp. in 30 hPa
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QBO und Klima
Einfluss auf die Häufigkeit von tropischen Wirbelstürmen
Einfluss auf den Monsun
Einfluss auf Niederschlag in der Sahel-Zone
Wechselwirkung mit ENSO
Auswirkungen auf Aerosolgehalt in der Stratosphäre nach Vulkanausbrüchen