Einführung in die Klimatologie

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Dennis Fleischer
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1 Einführung in die Klimatologie 3) Klimahaushalt 4) Strahlung 4.1 Elementare Strahlungsgesetze ( ) 4.2 Globales Strahlungsgleichgewicht ( ) 4.3 Globaler Strahlungshaushalt ( ) 4.4 Strahlungs-konvektives Gleichgewicht ( ) 5) Energie Das wichtigste Bild dieses Kapitels ist das IPCC-Bild

2 4.2) Globales Strahlungsgleichgewicht Solarkonstante Planetare Albedo Absorbierte solare Strahlung Emittierte terrestrische Strahlung Planetares Strahlungsgleichgewicht

4 Strahlungsgleichgewichtsmodell der Erde Das ist ein O-D Strahlungsmodell Das einfache Strahlungsmodell eines Planeten arbeitet wie die Kaffeetasse. Die solare Strahlung von der Sonne wärmt. Sie wird vom Erdquerschnitt empfangen. Die terrestrische Ausstrahlung der Erde kühlt. Sie wird von der Gesamtfläche abgestrahlt, die ist 4mal so groß wie der Querschnitt Beide zusammen sind im Gleichgewicht.

6 Solare Einstrahlung TOA Das ist die ankommende solare Strahlung im zonalen Mittel. Diese Kurven kann man geometrisch aus dem Sonnenstand berechnen. Hier ist noch keine Albedo berücksichtigt. Der weltweite Mittelwert (342 W/m^2) ist genau ein Viertel der Solarkonstante. Er schwankt im Jahresgang durch den wechselnden Sonnenabstand von 331 (Juni/Juli) auf 353 W/m^2 (Dezember/Januar). Im Sommer ist die Einstrahlung in der jeweiligen Halbkugel fast breitenkonstant. Im Winter nimmt die Einstrahlung in der jeweiligen Halbkugel praktisch linear zum Pol hin auf Null ab.

7 Solare Albedo TOA Die Albedo ist das Verhältnis reflektierter zu einkommender Strahlung. Im globalen Mittel beträgt die Albedo 30%. In der inneren Tropenzone beträgt die Albedo um 10%. In den hohen Breiten steigt sie auf über 60% an. Die reflektierte Strahlung ist der einkommenden Strahlung entgegengesetzt. Die algebraische Summe bezeichnet man als Strahlungsbilanz.

8 Die Strahlungsbilanz Das ist die algebraische Summe aller Strahlungsflüsse, die durch ein Niveau hindurchgehen. Vorzeichenkonvention: Flusskomponenten sind positiv zu rechnen in positiver Koordinatenrichtung (meist nach unten). Berechne die Strahlungsbilanz im OD- Modell in den Niveaus TOA, upper cloud level und BOA (Erdoberfläche)

Das ist die Netto-Einstrahlung am Oberrand der Atmosphäre (TOA) im solaren Spektralbereich. Netto bedeutet: Die reflektierte Strahlung ist schon abgezogen.

9 Das ist die Netto-Einstrahlung am Oberrand der Atmosphäre (TOA) im solaren Spektralbereich. Netto bedeutet: Die reflektierte Strahlung ist schon abgezogen. Man bezeichnet das auch als solare Strahlungsbilanz. Der Mittelwert der Messwerte ist W/m^2. Das ist mit dem Wert 239 W/m^2 weiter unten zu vergleichen, der vom IPCC angegeben wird. Die kleinsten Werte sieht man über den Polen, extrem in Antarktika (bis 60 W/m^2). Das liegt an der geringen Einstrahlung in den Polargebieten allgemein. Ferner an der in Antarktika extrem hohen Albedo. In den Tropen ist die Einstrahlung höher als 260 W/m^2. Maximal über dem äquatorialen Pazifik. Das liegt an der allgemein hohen Einstrahlung in den niedrigen Breiten. Ferner an der im äquatorialen Pazifik besonders niedrigen Bewölkung.

Die Ausstrahlung im terrestrischen Spektralbereich ist minimal in den Polargebieten (absolutes Minimum über Antarktika). Sie ist maximal in den Tropen. Jedoch sind die Unterschiede viel geringer (d.h. das Feld ist gleichmäßiger) als bei der solaren Einstrahlung.

10 Die Ausstrahlung im terrestrischen Spektralbereich ist minimal in den Polargebieten (absolutes Minimum über Antarktika). Sie ist maximal in den Tropen. Jedoch sind die Unterschiede viel geringer (d.h. das Feld ist gleichmäßiger) als bei der solaren Einstrahlung. Wie misst man die Gleichmäßigkeit oder Ungleichmäßigkeit eines Feldes? Durch das Verhältnis zwischen Standardabweichung und rms-wert. Das Feld ist am gleichmäßigsten (d.h. überall konstant), wenn dieses Verhältnis Null ist. Es ist am ungleichmäßigsten (der Mittelwert des Feldes ist dann Null), wenn das Verhältnis eins ist. Hier bei der terrestrischen Strahlung beträgt es 27/235=12% (relativ klein, Feld ist gleichmäßig) Bei der solaren Einstrahlung beträgt es 78/248=31% (relativ groß, Feld ist ungleichmäßig)

Das ist die globale Strahlungsbilanz am Oberrand des Klimasystems. Diese muss im globalen Mittel Null sein. Der gemessene Mittelwert (2.35 W/m^2) ist weitgehend durch den Messfehler bedingt.

11 Das ist die globale Strahlungsbilanz am Oberrand des Klimasystems. Diese muss im globalen Mittel Null sein. Der gemessene Mittelwert (2.35 W/m^2) ist weitgehend durch den Messfehler bedingt. Hier ist das Verhältnis Standardabweichung zu rms-wert 99.9%, also praktisch 1. Man sieht, dass für die Einschätzung der Größenordnung eines Feldes der Mittelwert nicht viel taugt. Angemessener ist der rms-wert.

12 Hier ist die Strahlungsbilanz separat für die Polargebiete dargestellt. Antarktika ist weniger negativ als das Nordpolargebiet. Das liegt daran, dass das Nordpolargebiet wesentlich höhere Temperaturen hat. Daher kann es mehr terrestrische Strahlung abgeben. Die Gebiete mit der Linie -100 W/m^2 in Antarktika sind auf die ozeanischen Sektoren beschränkt.

13 Netto-Strahlung TOA Hier noch einmal die Strahlungsbilanz des Klimasystems im zonalen Mittel. Im Jahresmittel ist sie in den Tropen positiv, in den Außertropen negativ. In den extremen Jahreszeiten ist sie auf der jeweiligen Sommerhalbkugel praktisch überall positiv. Auf der jeweiligen Winterhalbkugel ist sie praktisch überall negativ.

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