Wiederholung 2. Stunde

1
Wiederholung 2. Stunde

• Defintion des Klimasystems über seine Komponenten
  und als System ineinander verschachtelter
  Kreisläufe. Welche?
• Welche Randbedingungen (externen Antriebe) hat
  das Klimasystem?
• Welche Raum-Zeit-Skalen sind relevant?? Wieviele
  Freiheitsgrade hat die Atmosphäre?

Energie-, Wasser-, Spurenstoff-, Drehimpuls- und
Gesamtmassenkreislauf

• solare Einstrahlung (extraterrestrisch)
• geologisch Land-/Meeverteilung, Orographie
  (terrestrisch)

Auflösung bis in den viskosen Dissipationsbereich
? ?x 1mm Raumgitter Oberfläche 4p R2 5
1020 mm2 ? Volumen bis 100 km Höhe 5 1028
mm3 Variablen u,v,w,p,T,Gase (CO2,O3, ..),
Aerosol Hydrometeore
ca. 1031 Freiheitsgrade
2
Wiederholung 2. Stunde

• Warum ist eine deterministische Betrachtung des
  Klimasystems nicht möglich?
• Mit welchen Maßen wird das Klimasytems
  beschrieben?

• zuviele Freiheitsgrade (1031) - derzeitige
  Rechenzeitkapazität 1010
• Anfangswerte können nicht bestimmt werden
• Nichtlinearität ? chaotische Entwicklung

• Beschreibung des mittleren Zustandes
• der typischen Abweichungen des mittleren
  Zustandes
• der typische Zeitabläufe für diese Abweichungen
• der Wahrscheinlichkeiten für extreme Abweichungen

f(x)dx des Auftretens eines zufälligen Zustands X
im Bereich dx (f Wahrscheinlichkeitsdichte)
3
Gliederung

• Synop-Stationen? bodennahes Klima über Land
• freiwillige Handelsschiffe über Ozean ? COADS-
  Datensatz (1850-1984)
• Radiosondenaufstiege? vertikale Struktur seit
  ca. 1950 ca. 7 Stationen pro 2.5x2.5

• Einführung
• Datengrundlage- Messungen (direkt/indirekt)-
  Reanalysen (Modelle als Ergänzung)
• Energiehaushalt der Erde- Strahlungs(konvektions)
  -gleichgewicht- Räumliche Verteilung,
  3D-Energietransporte, Wärmemaschine Klimasystem
  
• Hydrologischer Zyklus- terrestrischer/ozeanischer
  Arm- Energietransporte im Ozean (thermohaline
  Zirkulation)
• Natürliche Klimavariabilität- Interne
  Variabilität (ENSO)- Externe Variabilität
  (Sonne, Vulkane, Erdbahnparameter)
• Klimamodellierung- GCM/Ensemble-Vorhersage/Parame
  trisierung- IPCC, Szenarien, anthropogene
  Effekte
• Globaler Wandel- Detektion des anthropogenen
  Einflusse

4
100-jähr. aerologische Lindenberger Messreihe

• 1902 entdecken Assmann und de Bort die wärmere
  Schicht in der Höhe (Stratosphäre) ? es kommt zur
  klassischen Schichteinteilung der Atmosphäre
  (Troposphäre/Tropopause/ Stratosphäre)
• Bedeutung der Kenntnis der Vertikalstruktur ?
  schon damals durch Assmann u.a. Forderung nach
  regelmäßigen Vertikalsondierungen

Homogenisierung von Sensoren
5
WOCE World Ocean Circulation Experiment

• Beobachtungen von Forschungsschiffen CTDs T(D),
  C(D)
• oberste 400 m zeigen markante Variabilität auf
  Jahreszeitenskala
• Messungen der synoptischen Strömungs-verteilung
  jedoch unmöglich ? nur über geostrophische
  Beziehung

1990 - 1998
(CTD Conductivity - Temperature - Depth)
6
Struktur Internationale Klimaforschung
WCRP World Climate Research Programm
GEWEX Global Energy and Water Experiment
WOCE World Ocean Circulation Experiment
CLIVAR Climate Variability and Prediction
Programm
SPARC Stratospheric Processes and their Role in
Climate
CLIC Climate and Cryosphere Programm

• Analyse von globalen Beobachtungen/Prozessmodellie
  rung
• Schwerpunkt auf schnellen Rückkopplungen,
  welche die Verfügbarkeit von Süßwasser für die
  Biosphäre beeinflussen

ein Teilprojekt ISCCP
7
International Satellite Cloud Climatology Project
ISCCP
seit Juli 1983 Archivierung von
Satellitenstrahldichten zur Bestimmung der
globalen Verteilung von Wolken einschließlich
deren Eigenschaften, Tagesgang, saisonale und
interanuale Variabilität
Klimawirksamkeit von Wolken
Effekte auf den Strahlungshaushalt CRF Cloud
Radiative Forcing
Rolle bezüglich des globalen Wasserkreislaufes
... bisher im Internet verfügbar bis Dezember
2004 ... http//isccp.giss.nasa.gov/
8
Bsp ISCCP Cloud Amount
9
Cloud Radiative Forcing (CRF)

• Einfluss von Wolken auf die Strahlungsbilanz am
  Oberrand der Atmosphäre
• Daten ERBE (Earth Radiation Budget Experiment)
  ISCCP
• 1. Schritt clear-sky climatology
• Mittelwert über alle Strahldichtemessungen an
  einem bestimmten geographischen Ort die als
  wolkenfrei identifiziert werden
• 2. Schritt
• Bildung der Differenz zwischen den
  Strahldichtemessungen der clear-sky
• climatology und dem Mittelwert über alle
  Beobachtungen am entsprechenden
• geographischen Ort
• Einfluss der Wolken auf die Energiebilanz am
  Oberrand der Atmosphäre (cloud radiative
  forcing)

10
Cloud Radiative Forcing (CRF)
global Positive Werte Energiegewinn für
das System Erde-Atmosphäre Negative Werte
Energieverlust für das System Erde-Atmosphäre (abh
ängig von solarem Einfallswinkel,
Tröpfengrößenspektrum, Phase)
11
Earth Radiation Budget Experiment ERBE
Steve Ackerman and Tom Whittaker, 1999
12
CRF - global
Hartmann, 1994
13
Wolkeneinfluss auf den Strahlungshaushalt in
Modellen im Vergleich zu Messungen des ERBE
(1985-1989)


DJF 85-89
Potter Cess, 2004, JGR
14
Fehlerabschätzungen 10-15
solar
clear
all sky
alle
unbewölkt
terrestrial
B.Carson, GISS 2004
15
Klima Datensätze
GEWEX Newsletter http//www.gewex.org/Aug2006.pdf
solar
clear
all sky
alle
terrestrial
B.Carson, GISS 2004
16
MSU/AMSU Instrumente auf NOAA Satelliten

• MSU 50.3 - 57.95 GHz (1978-heute) auf 8 NOAA
  Satelliten (polarumlaufend)
• AMSU ab 1998, 2.5 Auflösung
• keine absolute Kalibration (Interkalibration
  zwischen verschiedenen Satelliten nötig)

www.remss.com
17
Satellitentrends - MSU
geographischeBreite
MSU Kanal 2 (1979 2003) Globaler Trend 0.129
K/Dekade
18
Satellitentrends - MSU
MSU Kanal 2
MSU Kanal 3
MSU Kanal 4
19
SSM/I Special Sounder Microwave Imager
hier August 2004, seit 1987, 19.35 - 85.5 (V/H)
GHz, Erdabdeckung 3 Tage, räumliche Auflösung
25-50 km, Nachfolge AMSR-E, TMI
vv in m/s (Rauigkeitlänge Polarisationsabh.)
Wasserdampfsäule, mm
Wolkenwassersäule, mm
Regenrate, mm/hr
20
Scatterometer

• Räumliche Auflösung 45 km (entlang und
  senkrecht zur Flugrichtung)

• WindrichtungBereich 0 360 Genauigkeit
  -20
• Windgeschwindigkeit Bereich 4 ms-1 - 24 ms-1
  Genauigkeit 2 ms-1 oder 10

21
Bestimmung des Windvektors

• Rückstreuung ist maximal in und entgegen der
  Windrichtung, da hier Kapillarwellen senkrecht
  und Bragg-Streuung optimal
• so ist minimal senkrecht zur Windrichtung, da
  hier die Kapillarwellen parallel und kaum
  Bragg-Streuung
• Wegen der Form der Kapillarwellen in das relative
  Maximum entgegen der Windrichtung leicht größer
• Eine höhere Windgeschw. führt für alle Richtungen
  zu einer höheren Rückstreuung

22
ERS European Remote Sensing Satellites

• ERS1 1992-2000, ERS2 1995-????
• in 780 km Höhe
• Typ polarumlaufend, sonnensynchron
• T100 min
• Repeat cycle 35 Tage
• Instrumente
• SAR Synthetic Aperture Radar
• Wind Scatterometer
• Radar Altimeter
• passive Radiometer (ATSR)

23
El Niño im ATSR
SST, July1995
SST, July1997
Differenz 1995-1997

• ATSR
• Infra-Rot Radiometer (IRR) SST und
  Wolkenobergrenzen-temperaturen
• Microwave Sounder (MWS) Wolkenwasser,
  Wasserdampf, SST

earth.esa.int
24
NDVI Normalized Difference Vegetation Index
http//earthobservatory.nasa.gov/
lt 0.1 Stein/Wüste/Schnee 0.2 - 0.3
Steppe/Grasland 0.6 - 0.9 bewaldet - Regenwald
NDVI (NIR VIS)/(NIR VIS)

• Messungen via NOAA AVHRR Instrument (1 km2
  Auflösung)
• bisher 2 Jahrzehnte globale Abdeckung

25
Eisbedeckungsgrad/Eisvolumen - ICESAT

• Antarktische und Grönländische Eisplatten
  beinhalten 77 des Süßwassers (?80 m
  Meeresniveau!)
• Schmelzen von 0.1 bedeutet Meeresniveauanstieg
  von 8.3 cm
• Jährliche Eisansammlung von 0.8 cm Meereseniveau
  ausgeglichen durch Rückfluss in den Ozean
  (Massenbalance)
• Lokale und langzeitliche Unteschiede
• Massenbalance sollte möglichst genau bestimmt
  werden

Erstflug, 20.2.2003
http//icesat.gsfc.nasa.gov

• ICESAT benutzt Lidar (Light Detecting and
  Ranging) Technolgie
• ICESSAT detektiert Änderungen der mittleren
  Eismächtigkeit von bis zu 0.3 cm ?
  Meeresspiegelanstieg von bis zu 0.1 cm nachweisbar

26
Zukünftige Missionen
A-Train (USA/Frankreich)
EarthCARE (ESA)
27
Beobachtungen zur Modellverbesserung

• Klimamodelle benötigen kleinskalige Beobachtungen
  
• Verbesserte Parametrisierungen-
  Aerosol/Wolken/Niedersschlagsprozesse-
  3D-Strahlungstransfereffekte- Bodenmodule...
• Validierung- Satellitenvalidation -
  Bodengebundene Validation
• CLIWA-NET
• CLOUD-NET
• Atmospheric Radiation Measurement program ARM
• ...

langzeitliche und detailierte Strahlungs- und
mikrophysikalische Messungen notwendig
28
Paläoklimatologische Daten

• Historische Dokumente
• Baumringe
• Korallenringe
• Eisbohrkerne
• Speläologie (Höhlenkunde)
• Sedimente in Seen und Ozean
• Bohrlöcher
• Glaziale Oberflächen-Formung (Moränen)

Jones Mann, 2004, Climate over past millenia,
Reviews of Geophysics
29
Paläoklimatologische Daten
Jones Mann, 2004, Climate over past millenia,
Reviews of Geophysics