Atmosphärische Strahlungsprozesse und Klima. Claus Fröhlich CH-7265 Davos Wolfgang

Transkript

1 Atmosphärische Strahlungsprozesse und Klima Claus Fröhlich CH-7265 Davos Wolfgang

2 2010/11 by Claus Fröhlich, CH 7265 Davos Wolfgang Dieses Vorlesungsskript wurde ursprünglich für die im Wintersemester 2008/2009 am Institut für Meteorolgie und Geophysik der Universität Innsbruck gehaltene Gastvorlesung zusammengestellt und für das Wintersemester 2009/2010 und 2010/2011 neu aufgelegt, erweitert bzw nochmals überarbeitet. Dieses Skript steht als einzelne Vorlesungen jeweils ab Vortag der Vorlesung und ab Mitte Februar 2011 als ganzes zur Verfügung und kann vom Verzeichnis ftp://ftp.pmodwrc.ch/pub/ Claus/Vorlesung2010 heruntergeladen werden.

3 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung Inhaltsangabe Globales Strahlungsdiagram als Ausgangspunkt Wellenlänge und Frequenz Raumwinkel Grundgrössen der Strahlung Konzept der Streuung und Absorption Schwarzkörperstrahlung Meteorologische Strahlungsgrössen Astronomische Gegebenheiten Literatur Strahlungsübergang und Modellatmosphären Inhaltsangabe Strahlungsgleichung Beer Bouguer Lambert Gesetz Gleichung von Scharzschild Lösung in plan-paralleler Atmosphäre Modell Atmosphären Wasserdampf in der Atmosphäre Temperaturschichtung und Stabilität Einheiten des Wasserdampfgehalts Erstellen von Atmosphären mit verschiedenen Wasserdampfgehalten Aerosole Literatur Streuung in der Atmosphäre Inhaltsangabe Streutheorie Rayleigh-Streuung Mie-Streuung Streuung an vielen Teilchen Gase Aerosole Aerosolgrössenverteilungen Junge Verteilungen Mathematische Funktionen für Verteilungen Verwendung in MODTRAN Literatur Anhang: Aerosolmodelle in MODTRAN

4 IV INHALTSVERZEICHNIS 4 Absorption der Sonnen- und Infrarotstrahlung Inhaltsangabe Absorption der Sonnenstrahlung Aufwärmraten durch die Sonne Vibrations- und Rotationsspektren Linienbeschreibung Absorption einer einzelnen Linie Bandmodell von Elsasser Bandmodell von Goody Strahlungsflüsse im Infraroten Abkühlungsraten durch IR Strahlung Literatur Mehrfachstreuung Inhaltsangabe Streuung der Sonnenstrahlung Einfachstreuung Zwei-Strom Methoden Discrete-Ordinate Methode Adding Methode Literatur Strahlung und Wolken Inhaltsangabe Einfluss der Wolken auf das Klima Optische Eigenschaften im kurzwelligen Bereich Optische Eigenschaften im langwelligen Bereich Gebrochene Wolken Literatur Grundlagen von MODTRAN Inhaltsangabe Einleitung und Geschichte Grundlagen Geometrie und Luftmasse Wellenlängenbereich und Auflösung Kontinuumsabsorption von Wasser, Sauerstoff und CO Transmissions-Modell Sonnenstrahlungsdaten Einfach-Streuung Mehrfach-Streuung Beispiele von MODTRAN R 5 Resultaten Literatur Anwendung von MODTRAN Inhaltsangabe Installation Benützung von MODTRAN R Anhang: Beschreibung der Steuerkarten

5 INHALTSVERZEICHNIS V 9 Klimamodelle Inhaltsangabe Gekoppelte General Circulation Models Atmospherische GCM, AGCM Meeres GCM, OGCM Gekoppelte Atmosphären-Ozean GCM, AOGCM Klima-Empfindlichkeit Klimaempfindlichkeit für eine Verdoppelung von CO Vergleiche des heutigen Klimas berechnet mit AOGCM und beobachtet Literatur Anhang: Beispiele von Resultaten aus IPCC Strahlungsbilanz der Erde von ERBE und CERES Inhaltsangabe Earth Radiation Budget Experiment: ERBE und CERES Erste Resultate von ERBE: Wolken-Forcing und Klima Klimaempfindlichkeiten aus ERBE, CERES und im Vergleich mit Klimamodellen Literatur Strahlungsbilanz der Erde: Einfluss der Wolken Inhaltsangabe Saisonale Variation aus ERBE Daten Grundsätzliches über Wolkenforcing und Vergleiche mit Modellen Literatur Strahlungsbilanz der Erde: Treibhauseffekt und Wasserdampf-Rückkopplung Inhaltsangabe Strahlungs Forcing der Treibhausgase Konzentration der Treibhausgase Strahlungs-Forcing der allgemeinen Treibhausgase Strahlungs-Forcing von Ozon Einfluss des Wasserdampfes Thermisches Gleichgewicht der Atmosphäre und Treibhauseffekt des Wasserdampfs Resultate von ERBE Literatur Strahlungsbilanz der Erde: Veränderung der Sonnenstrahlung I Inhaltsangabe Wieviel Klimaänderung kommt von der Sonne Veränderlichkeit der Sonnenstrahlung Einfluss der Sonnenflecken Einfluss der Fackeln und des Netzwerkes Bestimmung der Koeffizienten des Proxy-Modells Veränderung der spektralen Bestrahlungsstärke Langzeitveränderungen der Sonnenstrahlung Literatur Strahlungsbilanz der Erde: Veränderung der Sonnenstrahlung II Inhaltsangabe Einfluss von Veränderungen der Sonnenstrahlung auf das Erdklima Einfluss von spektralen Vernderungen Eine andere mögliche Wirkung der Sonnenaktivität auf unser Klima Literatur

6 VI INHALTSVERZEICHNIS 15 Strahlungsbilanz der Erdoberfläche Inhaltsangabe Bedeutung der Oberflächenstrahlungsbilanz Oberlächenstrahlungsbilanz, Treibhauseffekt und langwelliges Wolken-Forcing in den Alpen Oberflächenstrahlungsbilanz aus Satelliten Messungen Kurzwellige Einstrahlung Resultate des SRB Programms Langwellige Strahlung Literatur