wiederholung 4. stunde
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Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 14. November 2006 1
Wiederholung 4. Stunde
Was ist eine Reanalyse?
Welche Daten wurden in ERA-40 verwendet und was ist der Output?
Wie funktioniert die variationelle Datenassimilation? Was machtder Operator H?
1957-1972: Konventionelle, nicht-Satellitenbeobachtungen 1972-1988: Assimilation einiger Satellitenbeobachtungen (VTPR, TOVS und CMW). 1987-2002: Assimilation neuester Obs. (u.a. TOVS, SSM/I, ERS, ATOVS und CMW)
- Erstellung eines möglichst genauen Bildes des wahren atmosphärischen Zustandes zu einem gegebenen Zeitpunkt (Pseudo-Beobachtungen)
Verschneidung von Beobachtungenund Hintergrundsfeld unter Berücksichtigung der jeweiligenFehler
Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 14. November 2006 2
Wiederholung 4. Stunde
Wie stark variiert die Solarkonstante zwischen Perihel und Aphel?
Wie hoch ist im Durchschnitt die tägliche Strahlungsleistung, die pro Tag auf eine Einheitsfläche an der Atmosphären-obergrenze (TOA) fällt? Wo/wann ist sie am höchsten?
Welche Erdbahnparameter steuern dieverfügbare Strahlung, d.h. die Solarkonst. TSI?
S0: 3,5 % entsprechend 48 W/m²; Messgenauigkeit ±0.3%
Präzession
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Sonnengeometrie für Köln
Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 14. November 2006 4
Schwankungen der solaren EinstrahlungErde als Kreisel http://www.greier-greiner.at/hc/praezession_ani.htm
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Schwankungen der solaren Einstrahlung
a) 115 kyr BP Beginn der letzten Eiszeit (Glazial)
b) 18 kyr BPHöhepunkt der letzten Eiszeit (Verhinderung von äquatorwärtsgerichteter Eisausbreitung)
c) 6 kyr BPKlimaoptimum („grüne Sahara“)
„Milankovitch“ Zyklen ausschließlicher Grund oder anstoßender Mechanismus ???BP - before present Hense (1993/94)
ca. 35 Wm-2 weniger als heute
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Korrelation mit Beobachtungen (Eisbohrkernen)
Wikipedia
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Netto-Solarstrahlung am Boden
Verfügbare Strahlung TOA+ Albedo+ Absorption in Atmosphäre
verfügbare Strahlung am Erdboden
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Kirchhoff‘sches Gesetz
ε Emissionsvermögen
Planck‘sche Ausstrahlung
1)exp(
12)(
2
3
Tkhc
hTB
b
Planck‘sches Strahlungsgesetz gilt für ideale „schwarze“ Strahler und beschreibt eine Strahldichte (W m-2 m-1 sr-1)
h Planck's Wirkungsquantumc Lichtgeschwindigkeitkb Boltzmann-Konstanteν FrequenzT Temperatur
BI
ln
000
dBd
BdBB
Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 Quelle: Hartmann, D.L., Global Physical Climatology, 1994 14. November 2006 9
Zusammensetzung der Atmosphäre (1990)
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Langwellige Ausstrahlung der Atmosphäre
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Das
terrestrische
Spektrum
Ausstrahlungskurveder Erdatmosphäre vom
Satelliten gemessen+
Planckkurven für verschiedene Temperaturen
Die am Atmosphärenoberrand gemessene langwellige Strahlung stammt aus
unterschiedlichen Höhen
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Strahlungsbilanz TOA
Hartmann, 1994
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Wolken und Strahlung
Hobbs, 1993
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Strahlungsgleichgewicht ohne Atmosphäre
Annahme: Die Erde ohne Atmosphäre steht im reinen Strahlungsgleichgewicht.
Langwellige Ausstrahlung entsprechend idealen Schwarzkörpers - über die gesamte Kugeloberfläche
Solare Einstrahlung entsprechend der Solarkonstanten - jeweils die Hälfte der Erdkugel wird von der Sonne bestrahlt- idealisierte Erdkugel hat eine Albedo von α=0.3
)1(4 242 oEEE SRTR
)18(25514
4 CKS
T ooE
So 1368 Wm-2
σ 5.67·10-8 Wm-2 K-4
RE 6378 km
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Strahlungsgleichgewicht
TSi~106K
Photosphäre
6·107Wm-² 1373 W/m²
~240 W/m²absorbiert
So=1373 Wm-²
343 Wm-²
α=30%TE=255 K
Kr
rST
S
ESoS 5783
2
2
242 4 4 ESoSS rSTr 4 4
2
2
o
E
Eo
Sr
rS
)1(44 oE
ST
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Treibhauseffekt: 2 Schichten-Modell
Im solaren Spektralbereich ist die Atmosphäre bis auf Wolken vollständig transparent (α=0.3).
Im terrestrischen Spektralbereich ist die Atmosphäre ein schwarzer Körper (ε=1).
Atmo-sphäre
Erd-ober-fläche
solar terrestrisch
So/4 α So/4
σTB4
σTA4
σTA4
02 44 BA TT
Global gemittelte 2-m Temperatur ca. 287 K Ausstrahlungstemperatur der Erde ca. 255 K
)30( 303
)18( 255
CKT
C-KT
B
A
047,044 kAB
ITT
Atmosphäre ist grau (ε = 0,7706) TB=288 K und TA=242 K
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4 4021
4 p S
ST T
4 42 12T T
4 4 41 22sT T T
Ts = 335 K
T2 = 303 K
T1 = 255 K
Goody und Walker, 1972
Treibhauseffekt: 3 Schichten-Modell
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N-Plattenmodell ... (Platte N+1: andere Subsysteme)
1111
4
)1( jjjjj
j
IMI
TM
mit:
( analog)jI
gilt für jede Platte:
Reines Strahlungsgleichgewicht
04211 ojjjjjjjjjSrMIIII
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Reines Strahlungsgleichgewicht
N = 25, entspricht 2 km dicken Schichten zwischen 0 und 50 km
rj = 0 (keine solare Absorption)
Emissionvermögen konstant auf 0.05, 0.1, 0.2
unrealistische Temperaturprofile (zu hohe Gradienten, extrem labile Schichtung)
auch die Berücksichtigung realer ε führt nicht zu besseren Ergebnissen
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Vergleich Strahlungsgleichgewicht - Realität
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Strahlungsgleichgewicht:
→ Energieüberschuss am Boden
→ Energiedefizit in der Atmosphäre
Schlüsse aus reinem Strahlungsgleichgewicht
LEHQp
get
e spezifische Energie [J/kg]H turbulenter fühlbarer Wärmefluss LE turbulenter latenter Wärmefluss
0
ausgleichender Tranportprozess notwendig um Beobachtungen gerecht zu werden ...,
dazu Betrachtung der horizontal gemittelten Energiebilanz der Klimasystems:
sehr hohe Labilität inBodennähe
Energietransport von unten
nach oben möglich, da
0p
Q
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Strahlungskonvektionsgleichgewicht
1.) vertikaler Wärmetransport ab einem Temperaturgradienten von 6.5 K/km
(~10 K/km trockenadiabatisch, > 5 K/km feuchtadiabatisch)
2.) keine Nettomassentransport (Erfüllung Kontinuitätsgleichung)
Strahlungsgleichgewicht Strahlungskonvektionsgleichgewicht
Manabe and Strickler 1964
Troposphäre horizontal gemittelt im Strahlungskonvektionsgleichgewicht Stratosphäre im Strahlungsgleichgewicht
Erstes "Klimamodell" zur
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global und langjährig gemittelte Energiebilanz:
0
0
0
ppLEHQ
LEHQp
g
40S
% bezogen auf
geothermischer Fluss (~0.06 Wm-2) vernachlässigt
(Zahlen z.T. unsicher)
Strahlungsbilanz → Energiebilanz
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Manabe and Wetherald, 1967
300 ppm typischer Wert um 1960
Verdopplung des CO2-Gehaltes bedeutet eine Erhöhung der Bodentemperatur um 1.4 bis 3.0 K, je nach Behandlung des Wasserdampfes
1.) Festhalten der absoluten Feuchte ρw
2.) Festhalten der relativen Feuchte RH
CO2 Änderung konstante RH konstante ρw
300 auf 150 -2 K -1K
300 auf 600 +3.0 K +1.4 K
positive Wasserdampfrückkopplungwesentliche Rolle des Wasserdampfes!
Erste Vorhersagen zum Einfluss von CO2
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