7. november 2006 physikalische klimatologie, susanne crewell, ws 2006/2007 1 wiederholung 3. stunde ...
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Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 7. November 2006 1
Wiederholung 3. Stunde Welche Daten stehen für den Ozean zur Verfügung?
Welche Daten stehen durch ISCCP zur Verfügung?
Was ist das Cloud Radiative Forcing (CRF)? Wie sind die globalen Wertefür kurzwelliges, langwelliges und Netto-CRF?
- Synopbeobachtungen von freiwilligen Handelsschiffen (COADS: ab 1850) - Salzgehalt- und Temperaturprofile (CTD) - insbes. im Rahmen von WOCE- Ozeanoberflächentemp. (SST), Rauhigkeit, Höhe vom Satellit ab ~1980
- Vis. und Infrarot von polar & geost. Satelliten seit 1983- Radianzen, Bedeckungsgrad, opt. Dicke, Obergrenzentemp.,
Flüssigwassergehalt (LWP), Wolkentyp, Oberflächentemp. & -reflektivität
LW: 5 - 200 μm
SW:
0.2
- 5 μ
m
1983 - 2004 Jahresmittel [Wm-2]
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Wiederholung 3. Stunde Welche weiteren klimarelevanten Daten können von Satelliten gemessen
werden?
Welche Informationen können als Proxy für die Paläoklimatologiegenutzt werden?
- Historische Dokumente- Baumringe- Korallenringe- Eisbohrkerne- Speläologie (Höhlenkunde)- Sedimente in Seen/Ozean- Bohrlöcher- Glaziale Oberflächen-Formung (Moränen)
- Microwave Sounding Unit (MSU) für Temperaturprofile seit 1979- SSM/I für Niederschlag, Flüsse und Wasserdampf über Ozean seit 1987- Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) für Vegetation seit ca. 1985- Forschungssatelliten für Prozesstudien (Kryosphäre, Wolken...)
Jones & Mann, 2004
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Analysen in der Meteorologie
Erstellen einer Analyseaus Beobachtungen
überbestimmt – Interpolationsaufgabe meist jedoch unterbestimmt (siehe v.a. Ozeane, Pazifik!)
- Physikalische Zwangsbedingungen- Hintergrund B (oder auch a priori Information)
(z.B. vorherige Analyse (Persistenz/Modellvorhersage M))
In einem „gutartigen“ Modell propagieren Zusatzinformation mit der Zeit in die Modellphysik hinein (Prinzip der Datenassimilation)
Erstellung eines möglichst genauen Bildes des wahren atmosphärischen Zustandes zu einem gegebenen Zeitpunkt
erlaubt Überprüfung/Verständnis der atmosphärischen Diagnostik Initialzustand für Wettervorhersagemodelle Pseudo-Beobachtungen
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Reanalyse-Projekte
1979-1993 ERA15 durch European Centre for Medium Range Forecast (ECMWF)
1957-1996 NCEP durch Kombination von US-Wetterdienst (NMC) und dem National Center for Atmospheric Research (NCAR)
1958-2001 ERA40 durch ECMWF auf Basis der NCEP Datenbasis mittels modernster Analyseschemata, Schwerpunkt auf der Assimilation von Satellitendaten, 6-stündliche Analysen
Übertragung der irregulär verteilten Beobachtungen auf ein reguläres Gitter geschieht täglich bei Wetter-diensten durch sogenannte numerische Analysen → Anfangsbedingung für numerische Wettervorhersage
Nutzung der operationellen Analysedaten problematisch, da Qualitäts-kontrollen und Analysetechniken kontinuierlich verbessert werden künstliche Variabilität
Lösung: modernen Analyseverfahren (optimale Interpolation/3d-Var) sollen auf alle alte Datensätze angewendet werden → Reanalyse
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ERA40
1987-2002: Assimilation der neuesten Beobachtungstypen (u.a. TOVS, SSM/I, ERS, ATOVS und CMW)
1957-1972: Konventionelle, nicht-Satellitenbeobachtungen (Synop, COADS, Radiosonden, GATE, FGGE, ALPEX, TOGA-COARE,..)
1972-1988: Assimilation einiger Satellitenbeobachtungen (VTPR, TOVS und CMW).
GATE 1974 Atlantic Tropical Experiment of the GARP Global Atmospheric Research Program
FGGE 1979 First Global GARP ExperimentALPEX 1982 Alpine ExperimentTOGA-COARE 1992-1993
http://www.ecmwf.int/products/data/archive/descriptions/e4/
Ziele: Erstellung eine umfassenden Analyse des Zustands von Atmosphäre,
Land und Meereswellen-Bedingungen von Mitte 1957 bis August 2002. Anwendung der modernen variationellen Datenassimilations-Technik auf
frühere konventionelle und Satellitenbeobachtungen
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Inhalt - ERA40
Auflösung – global - zeitliche (6 h) - räumlich horizontal 125 km- räumlich vertikal 0-65 km in 60 Schichten
Daten- Temperatur, Feuchte, Flüssigwasser, horizontaler Windvektor- stratosphärisches Ozon- Randwerte: Ozean-Oberflächen (SST) und Erdbodenparameter
(Meereis/Schnee/Bodenalbedo/Bodenfeuchte/Rauigkeitslänge)
3D-Var : dreidimensionale variationelle Datenassimilation
www
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Anzahl der verwendeten Beobachtungen pro Tag
Eingangsdaten für Analyse am ECMWF
Anzahl der verschiedenenQuellen von Satelliten-beobachtungen
Peter Bauer, ECMWF
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Verbesserte räumlich/zeitliche Modellauflösung durch verbesserte Computerleistung Verbesserte physikalische Parametrisierungen (diabatisch, Land/Ozean-Atmos. etc.) Vermehrte Nutzung von Satellitenbeobachtungen
Verbesserung um 2 Tage
Eliminierung desNH-SH Unterschiedes
Vorhersagegüte am ECMWF
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Assimilations-system
Hintergrund
Background
+Fehler
BeobachtungenObservations
+ Fehler
Analysis
+ Fehler
Operator
+Fehler
Bayes’ Theorem:
Analyseablauf
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Datenassimilation
Analysetechnik, die Beobachtungen in den Modellzustand einfließen läßt - unter Berücksichtigung von physikalischen Zwangsbedingungen - und deren zeitlicher Entwicklung
Besonders geeignet fürReanalysen!
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3D-Var
x optimaler Zustandsvektorxb HintergrundfeldB Kovarianz des Hintergrundesy MessungenH Vorwärtsmodell (Umwandlung
Modellvariable Messung )R Fehlerkovarianzmatrix (Messung)J Kostenfunktion
Variationelles Optimierungsproblem → Schätzung des Atmosphärenzustandes xLösung optimal im Sinne der kleinsten Quadrate, bzw. wahrscheinlichste Lösung falls Gauß-Verteilung vorliegt
x: 5·106 Kontrollvariabley: 106 Beobachtungen/12h
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Kleiner Exkurs: 4D-Var
funktioniert nur bei kleinen Modellfehlern erfordert die arbeitsaufwendige Bestimmng
des „adjungierten Operators“ Warten auf Messungen ...
Sehr geeignet für numerische Wettervorhersage, da am Ende des Assimiliationsfensters das Analysefeld „modellkonsistent“ ist (d.h. Informationen werden länger weiterpropagiert)
allerdings ...
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Zusammenfassung: Die Daten
verlässliche Klimabeobachtungen in Bodennähe und an der Ozeanoberfläche sind seit ca. 1880 vorhanden
auf diesen in Raum und Zeit unvollständigen Datensätzen beruht der beobachtete globale Temperaturtrend
regelmäßige Vertikalsondierungen (Abdeckung nur über Land) seit ca. 1950 vorhanden → Initialdaten für numerische Wettervorhersagemodelle
seit Mitte der 1970er Jahre tragen Satelliten zur globalen Klimadatenerfassung bei → Erforschung z.B. von ENSO-Phänomen bereits möglich → globale Temperaturtrends problematisch (Zeitspanne/Kalibration)
moderne Analysemethoden (3D-Var) ermöglichen die Bereitstellung von Klimadaten auf einem globalen, regelmäßigen Gitter unter Ausnutzung aller zu einem bestimmten Zeitpunkt vorhanden Daten
Reanalyse, z.B. ERA40
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Gliederung 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/Parametrisierung- IPCC, Szenarien, anthropogene Effekte
Globaler Wandel- Detektion des anthropogenen Einflusse
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IPCC '01 Vorhersagen
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Strahlungsbilanz des Klimasystems
LWggSW
LWSWSW
QQQ
QQQQ
)1(,
Solare Einstrahlung (Jahreszeiten, Breiten, Astronomische Zeitskalen)
Langwellige Ausstrahlung Absorptionscharakteristika / Wolken Strahlungsgleichgewicht (N-Plattenmodell)
Strahlungsbilanz am Oberrand der Atmosphäre (TOA)
SW short wave 0.2 - 5 μmLW longwave 5 - 200 μmα planetare AlbedoQ Strahlungsflussdichte [Wm-2]
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Solare Strahlung
428
4
1067.5
KWm
TSS
Stefan-Boltzmann Gesetz
Variationvon So durch Variation der Sonnenaktivität Variation des Abstands Sonne - Erde
A1
R2R1r1
r2
A2
SS : Schwarzkörperstrahlung der Sonne (T ~ 6000 K); Energie die die Sonne pro m2 und Zeiteinheit in den Weltraum ausstrahlt
2 21 1 1 1
2 1 12 22 2 2
S A r RS S SA r R
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Solarkonstante
Strahlungsflussdichte (oder Bestrahlungsstärke) am Oberrand der Atmosphäre (TOA) bezogen auf eine Einheitsfläche senkrecht zur einfallenden Strahlung in der mittleren Entfernung der Erde von der Sonne (1 AU = 1,496 108 km); Einheit: W/m²
die Solarkonstante zeigt Variationen in verschiedenen Zeitskalen, ist also streng genommen keine Konstante; in der englischsprachigen Fachliteratur wird jetzt der Begriff TSI (total solar irradiance) verwendet
für das Klimasystem ist es wichtig, wieviel Strahlungsenergie am Oberrand der Atmosphäre zur Verfügung steht. Dies hängt ab von:
Energieabgabe der Sonne Entfernung zwischen Erde und Sonne
Mittlerer Wert der Solarkonstanten S0: 1366,5 W/m² 33,5 kWh m-2 d-1
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Solarkonstante
Sonnenfleckenzyklus
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Variation der solaren Einstrahlung aufgrund elliptischer Planetenbewegung
S0: 3,5 %entspricht 48 W/m²
Mittlere Entfernung Erde-Sonne 149.598.000 km (1 AU)Minimum (Perihel 3.1) 147.085.800 kmMaximum (Aphel 3.7) 152.104.980 km Exzentrität der Umlaufbahn 0,0167
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Strahlungsenergie am AtmosphärenoberrandVerfügbarkeit als Funktion der geographischen Position und des Tages im Jahr:
ZRRStS cos,
2
00
S0 Solarkonstante
Z Sonnenzenitwinkel R0 Mittlerer Abstand Erde-Sonne (=1 AU)
R aktueller Abstand Erde-Sonne (Funktion des Tages)δ Deklination: Winkel zwischen Sonnenrichtung und der
Äquatorebeneφ geographische Breiteh Stundenwinkel vom lokalen Meridian
coshcoscossinsincos Z
Z
ZFF SWSW cos0
Sonnenaufgang/-untergang h=H → Z = π/2
tantancos H
sth
864002
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Integration über einen Tag von Sonnenauf- bis -untergang
Verfügbare Strahlungsenerggie über einen Tag
(jugoslawischer Geophysiker Milankovitsch in den 30er Jahren)
dtthtttrrS
ZtrrStS
t
t
))(cos()(coscos)(sinsin)(
cos)(
),(
2
00
2
00
h=0 SonnenhöchststandVeränderung von h mit ~15° pro Stunde
Λ Umlaufwinkel um die Sonneε Neigung der Erdachse zur Ekliptik
sinsinsin Funktion des Tages im Jahr (-23,5° +23,5°)
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Mittlere tägliche Einstrahlung TOA
δ, φ, r bestimmt für jeden Punkt
Integration von S über eine Tageslänge (Variable h) → Sd
Peixoto and Oort, 1992
Tagesumme der auf eine horizontale Fläche amAtmosphärenoberrand einfallenden Strahlung
in 106 J m-2
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Stot Integration über r(t), Λ(t), φ:
e Exzentrizität der Erdumlaufbahn 0.0167
Solare Einstrahlung
Hense (1993/94)
Abhängigkeit von Sd von der Neigung zur Ekliptik ε
20
1
14 e
SStot
~340 W/m2
Mittlere jährliche Einstrahlung (global-gemittelt) Stot bleibt jedoch konstant:
nur so "unsere" Jahreszeiten!
ε = 23,5° ε = 0°
ε = 45° ε = 90°