Physische Geographie - Klimatologie

Vorlesung im WS 2022/23 Klimatologie 

Dozenten: Christoph Gerbig, Sönke Zaehle
Ort: Hörsaal Gebäude: Wöllnitzer Straße 7
Zeit: Montag 14:15 - 16:00 Uhr
Erste Vorlesung: Montag, 17.10.2022

 

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Hintergrund und Ziel der Vorlesung

Die Vorlesung Klimatologie soll einen Überblick über das globale Klimasystem vermitteln. Dabei werden klimarelevante Prozesse in den verschiedenen Komponenten des Klimasystems (Atmosphäre, Ozean, Landoberflächen und Kryosphäre), sowie deren Wechselwirkungen behandelt.

Unter Klima verstehen wir den Zustand unserer Umwelt, charakterisiert durch Temperatur, Feuchte, Niederschlag etc. gemittelt über einen genügend langen Zeitraum, z.B. 30 Jahre, um die kurzfristigen Schwankungen, das Wetter, zu eliminieren.

Das Klima der Erde unterliegt zeitlichen Schwankungen, die durch Änderungen äußerer Einflüsse (z.B. Änderungen der Globalstrahlung durch sich verändernde kosmische Bedingungen), aber auch durch interne Änderungen in der Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Komponenten des Klimasystems hervorgerufen werden. Der Wechsel der Jahreszeiten oder die Eiszeitzyklen werden durch Änderung der solaren Einstrahlung verursacht. Andere Klimaschwankungen wie etwa das "El Niño-Southern Oscillation" Phänomen, oder die Dürreperiode im Sahel werden durch interne Umschichtungen im Atmosphären-Ozean-Landoberflächensystem erzeugt.

Die unterschiedliche räumliche Einstrahlung der Sonnenergie zwischen Äquator und Polen, die Meeresströmungen und der große Kontrast in den Eigenschaften von Land und See führen zur Ausbildung von unterschiedlichen Klimazonen welche das regionale Klima charakterisieren. Auf kleineren räumlichen und zeitlichen Skalen bestimmt die atmosphärische Zirkulation und die Wettersysteme das lokale Klima.

Während das heutige Klima durch direkte sowie durch satellitengestützte Messungen beobachtet werden kann, geben so genannte Proxy-Daten z.B. aus Eisbohrkernuntersuchungen oder Untersuchung von Baumringen Aufschluss über historische Klimaänderungen.

Zusätzlich zu den natürlichen Klimaschwankungen beeinflusst heute der Mensch das Klima durch Emissionen von Treibhausgasen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe, aber auch durch Änderungen der Landnutzung (z.B. Rodung von Wäldern). Um die potentiellen Auswirkungen auf das globale Klimasystem abzuschätzen, werden zur Zeit grosse Anstrengungen unternommen, die verschiedenen Wechselwirkungsketten zu entschlüsseln und in numerischen Simulationsmodellen des Erdsystems darzustellen. Mit Hilfe dieser Modelle lassen sich dann Projektionen des "globalen Wandels" basierend auf Szenarien der zukünftigen Bevölkerungs- und Wirtschaftsentwicklung der Erde erstellen.

 

In der Vorlesung werden die folgenden Themenbereiche behandelt:

    1. Klimavariabilität: Überblick über die jüngere Klimageschichte.
    2. Energiebilanz, Rückkopplungseffekte
    3. Komponenten des Klimasystems und deren Dynamik basierend auf den physikalisch-chemisch-biologischen Grundgleichungen:
             - Atmosphäre
             - Ozean
             - Kryosphäre
             - Landoberflächen und hydrologischer Kreislauf
    4. Beobachtungen: von lokaler Temperaturmessung bis zur Fernerkundung mittels Satelliten
    5. Klimaklassifikation: Klimazonen, regionales Klima, lokales Klima
    6. Darstellung des Klimasystems in numerischen Simulationsmodellen
    7. Natürliche Klimavariabilität: ENSO, Sonnenflecken, Milankovitch Zyklen
    8. Globaler Wandel:
            - Anthropogene Antriebsfaktoren
            - Simulationen des globalen Wandels
            - Detektion des anthropogenen Einflusses

Zum Vertiefen des Vorlesungsstoffes werden einfache Prozessmodelle einzelner Systemkomponenten entwickelt um damit die verschiedenen Wechselwirkungsketten zu erforschen. Alle Materialien werden im Laufe der Vorlesung auf dem Netz an dieser Stelle zum Download zur Verfügung gestellt.
Voraussetzungen für die Teilnahme sind elementare Kenntnisse der Physik, Chemie und Mathematik.

 

Literatur

M. Kappas: "Klimatologie", Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, 2009 (ISBN 978-3-8274-1827-2)

J. M. Wallace and P. V. Hobbs: "Atmospheric Science", Academic Press, San Diego, 2002 (ISBN 0-12-732950-1)

J. R. Holton (Editor): "Encyclopedia of atmospheric sciences" Academic Press, Amsterdam, 2003 (ISBN: 0-12-227090-8)

L.D. Danny Harvey: "Global Warming, the Hard Science". Pearson Education Limited, Harlow, UK, 2000 (ISBN 0582-38167-3).

D. Archer: “Global Warming, Understanding the Forecast”, Blackwell, (ISBN 978-1-4051-4039-3)

Eine auch für nicht-Naturwissenschaftler verständliche Übersicht über das globale Klimasystem findet sich in: Storch, H.v., S. Guess, and M. Heimann: "Modellierung des Klimasystems: Eine Einführung in Funktionsweise, Anwendungen und Grenzen von konzeptionellen und realitätsnahen Modellen". Springer, Heidelberg, 1999.

Eine (wesentlich weitergehende) Zusammenfassung aller Fakten zum globalen Klimawandel findet sich im "Fifth Assessment Report" des Intergovernmental Panel on Climate Change, WG I (ca. 1600 Seiten):

T. Stocker et al. (Eds.): "Climate Change 2013: The Physical Science Basis". Cambridge University Press, Cambridge, 2013. (ISBN 978-1-107-05799-1). Dieser Bericht ist online verfügbar auf den Webseiten der Arbeitsgruppe I des IPCC.

Eine Zusammenfassung (115 Seiten) findet sich im "Technical Summary of WG I Report". Für Entscheidungsträger und nicht-Fachspezialisten gibt es noch das "Summary for Policymakers" (29 Seiten). Letzteres wurde Satz-für-Satz von den Delegierten der in IPCC vertretenen Nationen abgesegnet.

 

Hilfsmaterial

Website mit den aktuellen Satellitenbildern von EUMETSAT. Diese hochauflösenden Bilder werden von einem geostationären Satelliten (Meteosat 0 degree) über dem Äquator bei O°E aufgenommen und stündlich aktualisiert. Die Farben entstehen dadurch, dass drei spektrale Kanäle im sichtbaren Licht mit etwas unterschiedlichen Wellenlängenbereichen zu einem RGB Bild kombiniert werden.

 

Energiebillanzmodelle

CDF Module

CDF Format: Benötigt zum Abspielen den kostenlosen CDF Player von Wolfram

Einfache Energiebilanzmodelle (zip Datei): eb1.cdf mit einer Atmosphärenschicht und konstanter Albedo, eb2.cdf mit temperaturabhängiger Albedo, und eb3.cdf mit temperaturabhängiger Albedo und zusätzlichen Rauschen

 

Ältere Java und C- Versionen

Webversion des zeitabhägigen EBM (Courtesy of Sebastian Heimann; verlangt Java-fähigen Browser)

c-Version des zeitabhängigen EBM (aus v. Storch, Guess, Heimann)

 

Weiteres Material zur Energiebilanz

Animationen (klimatologischer Jahresgang basierend auf den Reanalysen des amerikanischen Wetterdienstes NCEP, bereitgestellt von Department of Geography der University of Oregon).

• Komponenten der Strahlungsbilanzan der Erdoberfläche
• Energiebilanz(fühlbarer und latenter Wärmefluss, Nettostrahlung und Speicherterm) an der Erdoberfläche

Man beachte:

• der fülbare Wärmefluss ist positiv, d.h. nach oben gerichtet, wenn die Oberfläche wärmer ist als die darüberliegende Atmosphäre,
• der latente Wärmefluss ist immer positiv, d.h. ein Energieverlust der Erdoberfläche, ausser bei der Bildung von Rauhreif am Erdboden im Winter
• negative Werte beim Speicherterm bezeichnen eine Energieaufnahme der Erdoberfläche. Der Speicherterm ist im allgemeinen negativ in der Sommerhalbkugel und negativ in der Winterhalbkugel. Man beachte, dass der äquatoriale Ozean im Pazifik immer eine Energiesenke darstellt: hier strömt kühles Wasser aus tieferen Schichten auf und wird an der Oberfläche erwärmt.

• Oberflächentemperatur
• Oberflächenwind und Bodendruck

Man beachte, dass Nordamerika und Eurasien im Winter klimatologisch unter Hochdruckeinfluss liegen (absinkende Luft) und im Sommer im Mittel ein Tiefdruckgebiet mit aufsteigenden Luftmassen darstellen. Entsprechend ist die Zirkulation im Winter vom Kontinent weggerichtet, und im Sommer zum Kontinent gerichtet (Monsunzirkulation).

• 500 hPa Wind
• Vertikalwind bei 500hPa (dargestellt ist Omega = dP/dt - negative Werte bezeichnen aufsteigende Luftmassen). Man beachte die äquatorialen Gebiete mit aufsteigenden Luftmassen = innertropische Konvergenzzone.
• Komponenten des Wasserkreislauf: Precipitation: Niederschlag, P-E: Niederschlag - Verdunstung, Runoff: Wasser das nicht vom Boden aufgenommen und durch Gewässerabfluss wegtransportiert wird, Soil moisture: im Erdboden (oberster Meter) gespeichertes Wasser.
   

Weiteres Material zu Prozesse im Klimasystem, Atmosphäre

Animation der Wolkenbewegungen über Europa von 10.Jan.2005 bis 8.Okt.2005, gesehen vom geostationären Satelliten (METEOSAT) im infraroten Spektralbereich (Man beachte den Tagesgang der Temperatur der Erdoberfläche der Sahara - dunkle Farben = warm). (Vorsicht: Dateigrösse 40MB!)

globale Animation der Wolkenbewegungen sowie Temperaturen von Landoberflächen und Ozeanen, gesehen von verschiedenen geostationären Satelliten im infraroten Spektralbereich.

globale Animation der Wolkenbewegungen, gesehen von verschiedenen geostationären Satelliten im infraroten Spektralbereich.

globale Animation von atmosphärischem Wasserdampf, gesehen von verschiedenen geostationären Satelliten im infraroten Spektralbereich (andere Wellenlängenbereiche als Wolken).

 

Daisyworld

Daisyworld: Java Version eines Spielprogramms zur "Erforschung" von Daisyworld (Courtesy of Ginger Booth, Yale University)