Allgemeine atmosphrische Zirkulation und Klima Das Klimasystem und

Allgemeine atmosphärische Zirkulation und Klima Das Klimasystem und seine Modellierung (05 -3103) – André Paul

• Zirkulation – in sich geschlossene Strömung • Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre (AZA) – Gesamtheit der den Erdball umfassenden Zirkulationsphänomene – Zeitskala: mehrere Jahrzehnte – alle räumlichen Skalen (z. B. auch Wellen, Wirbel, Konvektionszellen)

Einfachst denkbare Zirkulation zwischen den heißen äquatorialen und den kalten polaren Gebieten [Abb. 21. 1 aus Kraus (2004)].

Hypothetische Ein. Zellen-Struktur auf der Kugeloberfläche

Beobachtetes Druckfeld und Windfeld an der Erdoberfläche [Abb. 5. 4 a aus Kraus (2004)].

• Wie enstehen die Passate? – fünfminütige Bearbeitung in Nachbarschaftsgruppen

Grundlagen zum Verständnis der Passate (und der AZA) nach Hadley (1835) • Differentielle Erwärmung • Coriolis-Beschleunigung • Erhaltung des Drehimpulses – Ostwindgebiete: Atmosphäre nimmt Drehimpuls von fester Erde auf – Westwindgebiete: Atmosphäre gibt Drehimpuls an fester Erde ab – Gesamtdrehimpuls bleibt erhalten Þ Äquivalenz der West- und Ostwindgebiete • Thermisch direkte Zirkulationszelle in den Tropen • aufsteigender Ast am Äquator, absteigender Ast “where the westerly winds are found”

Druck- und Windgürtel auf einer wasserbedeckten Erde [Abb. 21. 2 aus Kraus (2004)].

Drei-Zellen-Struktur der mittleren meridionalen Zirkulation. Dick ausgezogen: Tropopause mit Tropopausensprung in den Subtropen. Die Mittlebreitenzelle wird auch Ferrel-Zelle genannt [Abb. 21. 3 aus Kraus (2004)].

Literatur • Dietrich et al. , Kapitel 4 • Hartmann (1994), Kapitel 7 • Kraus (2004), Kapitel 21 • Stocker (2004), Abschnitte 7. 1

Der große Kommunikator Die allgemeine atmosphärische Zirkulation • bringt Wärme aus den Tropen in die Polarregionen • trägt das Wasser, das über den Ozeanen verdampft, in die Kontinente hinein • überträgt Impuls auf die Meeresströmungen, die Wärme, Salz und Nährstoffe transportieren

Anteil der Windzonen am Weltmeer [Tab. 4. 03, Dietrich et al. 1975] Zonen Charaketeristika des Windes Fläche des Weltmeeres (%) Äquat. Kalmen schwachwindig, unbeständig 7 Passat stark, beständig 31 Monsun stark, beständig, jahreszeitlicher Richtungswechsel Rossbreiten schwachwindig, unbeständig 20 Westwind stark, unbeständig 24 Polarer Ostwind stark, unbeständig 10 8

Die Monsungebiete der Erde Mittlere Häufigkeit der Hauptwindrichtungen mit einem Richtungswechsel vom Winter zu Sommer von wenigstens 120° [Abb. 4. 14 aus Dietrich et al. (1975)].

Gebiete mit tropischen Orkanen [Abb 4. 15 aus Dietrich et al. (1975)]

Mittlere jährliche Anzahl von Orkanen (nach Gentilli, 1967) [Tab. 4. 15 aus Dietrich et al. (1975)] Seegebiet Anzahl/Jahr Ostasiatische Gewässer 21 Golf von Bengalen 10 Südindischer Ozean 7 Südlicher Nordatlantischer Ozean 7 Südwestpazifischer Ozean 6 Nordwestaustralischer Ozean 2 Arabisches Meer 2 Kalifornische Gewässer 1

Der große Kommunikator Die allgemeine atmosphärische Zirkulation • reagiert empfindlich auf Änderungen der Temperatur- und Feuchtegradienten • wird verursacht durch die unterschiedliche Erwärmung der Erdoberfläche durch 1. meridionale Gradienten in der Sonneneinstrahlung 2. Schwankungen der Albedo

Energiehaushalt der Atmosphäre Zeitliche Änderungsrate des Energieinhalts einer atmosphärischen Säule Erwärmung durch Strahlung Erwärmung durch Freiwerden der latenten Wärme beim Ausregnen der atmosphärischen Feuchte Fluss fühlbarer Wärme von der Erdoberfläche Divergenz des atmosphärischen Energietransports

Energiehaushalt der Atmosphäre Strahlungsbilanz am Außenrand der Atmosphäre Strahlungsbilanz an der Erdoberfläche

Zur Erinnerung Wärmegewinn aus dem Strahlungsumsatz durch Einstrahlung und Ausstrahlung: Sonnenstrahlung reflektierte Sonnenstrahlung atmosphärische Gegenstrahlung Ausstrahlung

Zur Erinnerung mit as: Oberflächenalbedo

Sonneneinstrahlung • Die Pole empfangen viel weniger Strahlung als die niedrigen Breiten – Unterschied im Einfallswinkel der Sonneneinstrahlung (Zenitwinkel) – Polarnacht nördlich des Polarkreises – Arktisches und antarktisches Meer- und Landeis reflektieren einen großen Teil der Sonneneinstrahlung zurück ins Weltall (hohe Oberflächenalbedo)

Meridionale Verteilung der Komponenten des atmosphärischen Energiehaushalts im zonalen Jahresmittel (W m-2) [Abb. 6. 1 aus Hartmann (1994)].

Allgemeine atmosphärischen Zirkulation: Schlüssel zum Verständnis 1. Angetrieben durch meridionale Gradienten in der Sonneneinstrahlung zwischen dem Äquator und den Polen. Transportiert Wärme in hohe Breiten. 2. Hadley-Zelle: warme Luft steigt auf und strömt zu den Polen 3. Ferrel-Zelle (in mittleren Breiten): angetrieben durch Wärme- und Impulstransporte der “Eddies” 4. Coriolis-Kraft: Auf der Nordhalbkugel wird ein Fluid (Luft oder Wasser) nach rechts, auf der Südhalbkugel nach links abgelenkt 5. Eine einzige Zelle vom Äquator bis zum Pol ist in Gegenwart der Corioliskraft instabil 6. Rotation führt zu Passaten, Westwinden und den Strahlströmen (“Jets”) in der oberen Troposphäre

Zur Erinnerung: Jahresgang der oberflächennahen Lufttemperatur Großer Temperaturkontrast in hohen Breiten Besonders groß über dem Land – warum? Abbildungen von Martin Visbeck

Allgemeine atmosphärischen Zirkulation: Großskaliger Energietransport Zirkulation eines nichtrotierenden Planeten. Welche Auswirkungen hätte die Coriolis. Kraft?

Allgemeine atmosphärischen Zirkulation: Großskaliges Windsystem Zirkulation eines langsam rotierenden Planeten.

Allgemeine atmosphärische Zirkulation: Großskaliges Windsystem Eine Drei. Zellen. Struktur entsteht: 1. Polare Zelle 2. Ferrel-Zelle (in mittleren Breiten) 3. Hadley. Zelle

Stromlinien des mittleren meridionalen Massentransports in der Atmosphäre. Negative Werte sind grau unterlegt. Zahlenwerte in 1010 kg s-1 [Abb. 6. 5 aus Hartmann (1994), Daten von Oort (1983)].

Allgemeine atmosphärische Zirkulation: Oberflächenwind und -luftdruck Warum gibt es in den Rossbreiten (auf einer geographischen Breite von ~30°) ein Hoch?

Die tropische Zirkulation • Konvektion in der ITCZ Tiefdruckgebiet • Sinken nahe 30°N/S Hochdruckgebiet

Allgemeine atmosphärische Zirkulation: Oberflächenwind und -luftdruck Warum gibt im Bereich der Polarfront (auf einer geographischen Breite von ~60°) ein Tief?

Allgemeine atmosphärische Zirkulation: Oberflächenwind und -luftdruck Oberflächenwind • Polarer Ostwind • Westwind • Passat Oberflächenluftdruck • ITCZ (Tief) • Subtropisches Hoch • Subpolares Tief

Verteilung des zonalen Windes im zonalen Mittel mit der geographi-schen Breite und Höhe für DJF und JJA. Der Isolinienabstand beträgt 5 m s-1 [Abb. 6. 4 aus Hartmann (1994) nach Daten von Oort (1983)].

Oberflächenluftdruck Nordwinter (Januar) 1. Hoch über dem Land 2. Tief über dem Ozean [Abb. 5. 4 a aus Kraus (2004)]

Mittlerer Luftdruck in Meereshöhe und Windvektoren auf der 1000 mb-Druckfläche im Januar. Analyse der Ergebnisse eines numerischen Wettervorhersagemodells für 1980 -1987. Der Isolinienabstand beträgt 5 mb und der größte Windvektor stellt eine Windgeschwindigkeit von 12 m s-1 dar [Abb. 6. 18 a von Hartmann (1994)].

Oberflächenluftdruck Nordsommer (Juli) 1. Hoch über dem Ozean 2. Tief über dem Land [Abb. 5. 4 b aus Kraus (2004)]

Mittlerer Luftdruck in Meereshöhe und Windvektoren auf der 1000 mb-Druckfläche im Juli. Analyse der Ergebnisse eines numerischen Wettervorhersagemodells für 1980 -1987. Der Isolinienabstand beträgt 5 mb und der größte Windvektor stellt eine Windgeschwindigkeit von 12 m s-1 dar [Abb. 6. 18 b von Hartmann (1994)].

Schema der zonalen Walker-Zirkulation entlang des Äquators. In Konvektionsgebieten mit einer mittleren Aufwärtsbewegung kommt es zur Konvergenz [Abb. 6. 22 aus Hartmann (1994)].

Durchschnittliche Höhe der 500 mb-Druckfläche im Januar auf der Nordhalbkugel. Der Isolinienabstand beträgt 100 m [Abb. 6. 7 aus Hartmann (1994)].

Isolinien des nordwärts gerichteten Temperaturflusses auf 850 mb von Eddies mit einer Lebensdauer von weniger als 6 Tagen. Zahlenwerte in m s-1 K [Abb. 617 b aus Hartmann (1994)].

Monsun Hervorgerufen durch unterschiedliches Aufheizen und Abkühlen von Land und Meer (auf großer räumlicher Skala und im Jahresgang) und Coriolis-Kraft

Mittler Luftdruck in Meereshöhe und 1000 mb-Winde im Bereich des asiatischen Monsuns im Januar. Der Isolinienabstand beträgt 2 mb und der größte Windvektor stellt eine Windgeschwindigkeit von 17 m s-1 dar [Abb. 6. 19 a von Hartmann (1994)]. Monatsmittel des Niederschlags in Indien im Januar. Der Isolinienabstand beträgt 10 mm [Abb. 6. 20 a von Hartmann (1994)].

Mittler Luftdruck in Meereshöhe und 1000 mb-Winde im Bereich des asiatischen Monsuns im Juli. Der Isolinienabstand beträgt 2 mb und der größte Windvektor stellt eine Windgeschwindigkeit von 17 m s-1 dar [Abb. 6. 19 a von Hartmann (1994)]. Monatsmittel des Niederschlags in Indien im Juli. Der Isolinienabstand beträgt 10 mm [Abb. 6. 20 a von Hartmann (1994)].

Allgemeine atmosphärische Zirkulation: und Energietransport Differentielle Erwärmung des Systems Erde-Atmosphäre

Allgemeine atmosphärische Zirkulation: Energietransport Hadley cell Polar cell Ferrel cell • Mittlere meridionale Zirkulation – Zwei thermisch direkte Zellen: Hadley-Zelle, Polare Zelle – Eine thermisch indirekte Zelle: Ferrel-Zelle (Tiefdruckgebiete)

Polwärtiger Wärmetransport durch Wettersysteme

Nordwärts gerichteter Energietransport im Jahresmittel, abgetragen gegen die geographische Breite auf der Nordhalbkugel. Zahlenwerte in PW = 1015 W. Mittlere Meridionalzirkulation [Abb. 6. 11 aus Hartmann (1994) nach Daten von Oort (1971)].

Konvergenz des meridionalen Feuchtetransports in cm a-1. MMC: mittlere Meridionalzirkulation [Abb. 6. 12 aus Hartmann (1994) nach Daten von Peixóto and Oort (1971)].

Ungefährer Bereich der Skalen, der von einem Klimamodell erfasst werden kann Raum- und Zeitskalen atmosphärischer Phänomene [Abb. 6. 2 aus Hartmann (1994)].

Allgemeine atmosphärische Zirkulation: Klimazonen

Allgemeine atmosphärischen Zirkulation: Schlüssel zum Verständnis 1. Angetrieben durch meridionale Gradienten in der Sonneneinstrahlung zwischen dem Äquator und den Polen. Transportiert Wärme in hohe Breiten. 2. Hadley-Zelle: warme Luft steigt auf und strömt zu den Polen 3. Ferrel-Zelle (in mittleren Breiten): angetrieben durch Wärme- und Impulstransporte der “Eddies” 4. Coriolis-Kraft: Auf der Nordhalbkugel wird ein Fluid (Luft oder Wasser) nach rechts, auf der Südhalbkugel nach links abgelenkt 5. Eine einzige Zelle vom Äquator bis zum Pol ist in Gegenwart der Corioliskraft instabil 6. Rotation führt zu Passaten, Westwinden und den Strahlströmen (“Jets”) in der oberen Troposphäre