Gliederung

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

16.1 23.1 30.1 6.2
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Wiederholung 10. Stunde

• Klimavariabilität nach Stocker 2000- extern
  gezwungene Änderungen- selbsterhaltende
  Oszillationen- nicht-deterministische
  Variabilität- abrupte Reorganisation ?
  Wechsel zwischen verschiedenen Gleichgewichtszustä
  nden
• 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?

• Abgesehen 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
- bodennah - Komposit - interne Energie
Ruddimann, 2001
http//www.whfreeman.com/ruddiman/
starke freie Variabilität innerhalb des Systems
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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
Klimavariabilität resultiertaus komplexen
Wechsel-wirkungen erzwungener und freier
Variationen Klimasystem ist - dissipativ - hoch
nichtlinear - viele Quellen der Instabilität
Mitchell, J. M., 1976. An Overview of Climatic
Variability and Its Causal Mechanisms.
Quaternary Research 6, 481-493.
Externe Parameter http//www.ncdc.noaa.gov/paleo/f
orcing.html
http//www.ngdc.noaa.gov/paleo/ctl/about1.html
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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 ? ? Aufsteigen SST niedrig ? Absinken

• starke Konvektion über Indien und Indonesien
• Konvektion über Ostafrika und Amazonasgebiet
• starkes Absinken über dem äquatorialen
  Ostpazifik
• Absinken über West-Indik und Westafrika

El Nino
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ENSO Phänomen
http//www.tsgc.utexas.edu/topex/activities/elnino
/sld001.html
Southern Oszillation ist der Walker-Zirkulation
überlagert

• El Nino ("das Christkind")
• schwache Passatwinde
• warmes, nährstoffarmes Wasser
• starke Regenfälle über Pazifik
• Verlagerung des Jetstream?Telekonnektionen
• von Dez. bis Mai/Juni

• 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

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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 Australien höher vor Südamerika
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Niederschlag
Zentralpazifik
Südamerika
Hovmöller Diagramm
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Bestimmende ENSO Faktoren

• Wind (bzw. Druckfeld)?? Oberflächenströmung
• SST ? Strom latenter und fühlbarer Wärme
  (Intensität der Konvektion)

Instabile Wechselwirkungen von atmosphärischer
Konvektion, bodennahem Windfeld, ozeanische
Strömung und SST Variationen ? ENSO (El Niño /
Southern Oscillation) Bjerknes (1966)
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
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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

http//www.enso.info/
Alternativverfahren zum SOI sind der Oceanic Niño
Index (ONI), der Multivariate ENSO Index (MEI),
der JMA-Index und der TOPEX/Poseidon-El
Niño-Index.
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Aktuelle Situation des Pazifiks

• Multi-variater ENSO Index
• Luftdruck auf Meeresniveau
• Zonalwindkomponente am Boden
• Meridionalwindkomponente am Boden
• SST
• Lufttemperatur nahe der Oberfläche
• Bedeckungsgrad

http//www.cdc.noaa.gov/ENSO/enso.current.html htt
p//www.cpc.noaa.gov/products/analysis_monitoring/
enso_advisory/
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Ablauf eines ENSO Ereignisses
Dp Osterinseln - Darwin
Korrelationsanalyse Suche der max. Korrelation
zwischen den einzelnen Zeitreihen durch
sukzessive Zeitverschiebung rmax(?p,tx) -0.65
bei ?t 2 Monate rmax(?p, ?SST) -0.83 bei ?t
4.5 Mon. Änderung des Druckgradienten
bewirken zuerst eine Änderung des Windfeldes und
danach eine Änderung der SST
?x (Schubspannung), Zentralpazifik
DSST Ostpazifik
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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)

• 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
Hense Klimavariabilität durch interne
Wechselwirkungen, Promet, Jahrg. 28, Nr.3/4, 2002
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NAO Einfluss auf globales Klima
Korrelation NAO vs Wintertemperatur
Korrelation NAO vs Winterniederschlag
http//www.ldeo.columbia.edu/NAO/
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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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http//www.palmod.uni-bremen.de/gerrit/coral/KREI
SE1.jpg
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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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10 100
QBO Muster
Zonaler Wind an äquatornahenStationen (B.
Naujokat) Isoplethen in m/s Westwinde 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)
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QBO Zusammenhang mit tropischen Wirbelstürmen
Ost
West
Atlantische Hurrikane (vmax gt 51 m/s) von 1949-88
basierend auf Sep. 50 hPa Winden 9N,80W
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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
Nord-Pol Temp. in 30 hPa
1956-1986 QBO Ost
1956-1986 QBO West
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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