Hinweise zu den K¨artchen Wieso Land-Atmosph¨are Interaktionen studieren

(1)

Aerosol I

Hinweise zu den K¨artchen Wieso Land-Atmosph¨are Interaktionen studieren

Aerosol I 3

Verh¨altnis der Land- zur Ozeanoberfl¨ache

Aerosol I 5

Bedeutung der Ozeane

(2)

2 Antwort Relevant f¨ur. . .

•

Kilmavariabilität und extreme Ereignisse (Dürren, Hitzewellen, extreme Niederschläge, Hochwasser)

•

Computergest¨utzte Wettervorhersagen, Saisonale Prognossen, Kilmaver¨anderung,. . .

•

Wichtige Quelle von Unsicherheiten bei Verst¨andnis des Klimasystems auf Grund von Mangel an Beobachtungen und der Komplexit¨at

(R¨uckkopplungen, Heterogenit¨at)

0 Antwort

Aerosol I

Die K¨artchen beziehen sich auf die Vorlesung von:

•

Christoph Sch¨ar

•

Sonia Seneviratne

welche im WS 2006/2007 gehalten wurde. Die Bilder stammen aus den Vorlesungsunterlagen.

Erstellt von: Thomas Kuster (MSc Env. 1. Semester) Verf¨ugbar via:

http://fam-kuster.ch

6 Antwort

•

W¨armespeicher

•

W¨armetransport (Golfstrom, El Ni˜no)

•

” Erinnerung“: Einfluss auf mittlere und lanzeit Kilmavariabilit¨at (saisonale Vorhersagen)

Speicherung von Wasser auf dem Land spielt eine ¨ahnliche Rolle:

•

Kann sowohl dämpfen als auch verstärkend auf die Klimavarbilität wirken.

•

” Speicherung“: vorallem wichtig f¨ur saisonal Vorhersagen in den mittleren Breiten.

4 Antwort

2

3

der Erde ist mit Ozeanen bedeckt.

(3)

Land vs. Ozean Ben¨otigte Energien f¨ur das

Aufw¨armen und den Phasenwechsel von Wasser

Aerosol I 11

Land als Speicherkomponente f¨ur Energie und Wasser

Aerosol I 13

Ver¨anderung der gespeicherten Energiemenge im Boden

Formel

(4)

10 Antwort

23

Latent heat of vaporization

Comparison with specific heat of water (at 0^oC):

=> Evaporation uses the same amount of energy as a warming of ~590^oC !!

Phase changes

L = 2.5 10

⁶

J kg

^-1

at 0

^o

C L = 2.26 10

⁶

J kg

^-1

at 100

^o

C

c

_p

= 4.22 10

³

J kg

^-1

K

^-1

at 0

^o

C

24

For the warming from ice (0ºC) to water vapour (100ºC):

• 86% of the energy input is used for phase changes

• and only 14% for the warming itself!

Energy input

Temperature !E=L_w-d

!E=c_p,ice·!T

!E=L_e-w

Liquid water and water vapour

Liquid water

!E=cp,liquid water·!T

Water vapour

Ice and water Ice

Energy used for warming/phase changes

F¨ur das Aufw¨armen von Eis (0

^◦

C) zu Dampf (100

^◦

C) wird 86% der Energie f¨ur die Phasenwechsel ben¨otigt!

8 Antwort

Land Fl¨achen

wirken vorallem als Wasserspeicher

Ozean

wirkt vorallen als W¨armespeicher

14 Antwort

Ver¨anderung der gespeicherten Energie (Bodentemperatur, Schneeschmelze,. . . ):

∂

H

_s

∂

t

=

R

^∗

|{z}

Nettostrahlung=SW−L W

−

S H

|{z}

f¨uhlbare Waerme

−

L H

|{z}

Latentew¨arme

−

G

|{z}

W¨armefluss in den Boden

33

dH_s/dt

H2O, CO2

SW_net LW_net LH="E SH P E R_s

R_g

dS/dt

G

Land energy balance Land water balance

E

dS/dt

!

"H_s

"t = R* –SH–LH–G

Land energy and water balances

34

dH_s/dt

H2O, CO2

R_g

dS/dt

G

E

dS/dt

!

"H_s

"t = R* –SH–LH–G

Land energy and water balances

Change in energy storage (soil temperature, snow melting, ..)

Net radiation

= net shortwave - net longwave

Sensible heat flux

Latent heat flux

Ground heat flux

12 Antwort

27

energy, water, CO₂

ATMOSPHERE

LAND OCEANS

Liquid Water Water vapour ~ 2.45 J kg^-1(at 20^oC)

NB: Water storage is also an indirect heat storage!

Land as storage component for energy & water

“negative heat” storage

28

ATMOSPHERE

LAND OCEANS

Land as storage component for energy & water

Moreover: Also snow and ice storage are relevant for climate

Schnee und Eis Ablagerungen sind auch relevant f¨ur das Klima.

(5)

Ver¨anderung der gespeicherten Wassermenge im Boden

Formel

Aufteilung zwischen f¨uhlbare und latente W¨arme

Aerosol I 19

Wasserkreislauf

Beeinflussung von Niederschlag und Evapotranspiration

Aerosol I 21

Energiekreislauf

Beeinflussung der Strahlung

(6)

18 Antwort Die Aufteilung der Netto Strahlung in fühlbare und latente Wärme wird ist von der der zur Verfügung stehender Bodenfeuchte abhängig.

16 Antwort

Ver¨anderung der gespeicherten Wassermenge (Bodenfeuchte, Schnee, Oberfl¨achenwasser, Grundwasser):

∂

S

∂

t

=(

P

|{z}

Niederschlag

−

E

|{z}

Evapotranspiration

)−

R

_s

|{z}

Oberfl¨achenabfluss

−

R

_g

|{z}

Grundwasserabfluss

35

dH_s/dt

H₂O, CO₂

SWnet LWnet LH="E SH P E R_s

R_g

dS/dt

G

E

dS/dt

Land energy and water balances

36

dH_s/dt

H₂O, CO₂

R_g

dS/dt

G

E

dS/dt

Land energy and water balances

Change in water storage (soil moisture, snow, surface water, groundwater)

Precipitation Evapo- transpiration

Surface runoff

Ground- water runoff

22 Antwort

•

Wolken und Wasserdampf beeinflussen sowohl die einfallende

kurzwellige Strahlung wie auch die abgestrahlte langwellige Strahlung.

•

Albedo (

α

) h¨angt von der Schnee- und Vegetationsbedeckung ab (SW

_net =

SW

_{i n}(

1

−α)

)

20 Antwort

•

Wichtiger Einfluss der Vegetation auf die Evapotranspiration z. B. h¨angt ab von der Pflanzenart, Atmosph¨arischem CO

₂

-Konzentration,. . .

•

Komplexe Interaktionen zwischen Evapotranspiration und Niederschlag

(Grenzschicht Prozesse).

(7)

Zuk¨unftige Sommerhitzewellen

Ver¨anderung der charakteristischen (JJA) Temperatur

Energiebilanz

Wald vs. Weide

Aerosol I 27

Globale Energiebilanz und Energieeintrag

Aerosol I 29

Albedo

Einige Oberfl¨achen und ihre Werte sowie der globale Durchschnittswert

(8)

26 Antwort Sommer 2003: Vegetationsbedeckung ist relevant f¨ur die Energiebilanz

49

Standard deviation of the summer (JJA) 2-m temperature

SCEN CTL

CTL_UNCOUPLED SCEN_UNCOUPLED

Most of the enhancement of summer temperature variability in SCEN disappears in the SCEN_UNCOUPLED simulation

(Seneviratne et al. 2006, Nature, 443, 205-209)

Soil moisture and future summer heatwaves

Energy balance: Forests vs. Pastures

50

(Zaitchik et al. 2006, Int. J. Clim.) Aster Satellite

(NASA/Japan) 5x5 km view in Central France

NDVI:

active vegetation

IR:

soil temperature

32 ºC 47 ºC

500 m

August 10, 2003

+11 ºC +20 ºC

NDVI:

-0.00 NDVI:

-0.35

27 ºC 42 ºC

500 m

August 1, 2000

crops and pastures

forest

Summer 2003: Vegetation cover relevant for energy balance!

24 Antwort

Outline

45

• Why study land-atmosphere interactions?

• Land as storage component for energy and water

• Overview of land energy and water balances

• Example of some relevant feedbacks and interactions

46

[ºC] [%]

Soil moisture and future summer heatwaves

(Schär et al. 2004, Nature)

$%/%

$T

Changes in summer (JJA) temperature characteristics

Changes in T^o variability are likely to be as important (or more important) than changes in the mean

30 Antwort

Oberfl¨ache Albedo

α

Wolken (100 m dick) 0.4

Wolken (500 m dick) 0.7

Ozean (Zenithwinkel 30

^◦

0.05 Ozean (Zenithwinkel 60

^◦

0.10 Ozean (Zenithwinkel 85

^◦

0.6 Eis 0.25–0.35

Schnee (alt–neu) 0.45–0.85

Grassfl¨ache 0.2–0.3

Wald 0.1–0.2

globaler Durchschnitt 0.3

28 Antwort

Die eingestrahlte Enegrie (aufgenommene) entspricht der abgestrahlten Energie (abgegebene).

Die einstrahlte Energie kommt von der Sonne. Die mittlere eingestrahlte Energie ist:

S

=

1 4 S

₀

S

₀=

1367 Wm

⁻²

Extraterrestrische Solarkonstante, ist am h¨ochsten wenn die

Sonne am n¨achsten bei der Erde ist (im Januar).

(9)

Globale Energiebilanz Bodenfeuchte

Wichtige Variablen und typische Werte

Aerosol I 35

CTL, SCEN, gekoppelt und ungekoppelt

Aerosol I 37

Grenzschicht Theorie

(10)

34 Antwort

11

Schär, ETH Zürich

Summary on soil moisture content 27

All pores saturated

Completely dry sample BodensubstratWasserLuft

0 1

Volumenanteil

n Porenvolumen FK Feldkapazität

θ Wassergehalt

soil substrateairwater

0 ≤ θ ≤ n

Volume fraction

Water content θ

1

0

Porosity n

Plants wilt Wilting point PWP

Maximum water content in balance with capillary forces Field capacity FK

Schär, ETH Zürich

Typical values of

n

,

FK, PWP

28

volume fraction

Porosity n 0.3 - 0.55

Field capacity FC 0.1 - 0.35

Permanent wilting point PWP 0.05 - 0.25

Dry 0

Coarse texture

(z.B. Sand) Fine texture

(e.g. clay)

Typische Volumenanteile (grobe (z. B. Sand) – feine Textur (z. B. Clay)):

Porosit¨at (n): 0.3–0.55 Feldkapazit¨at (F C ): 0.1–0.35

permanente Welkepunkt (P W P): 0.05–0.25 Trocken: 0

32 Antwort

4

Schär, ETH Zürich

11

Global energy balance

Short Wave

global radiation

–100% +22% +8%

+42%

+28%

Long Wave +60%

–113% +101%

+10%

Latent Heat

–25%

Sensible Heat

–5%

–58% +5% +25%

CO2

H20

Space

Atmosphere

Land / Ocean

(based on data of Ohmura and Wild)

Transport of heat and water vapor

342 W/m²

Schär, ETH Zürich

12

Outline

Global energy cycle Global water cycle

Reservoirs of the water cycle Residence times in the water cycle

38 Antwort

Latenter W¨aremfluss

L H

=

L

·

E T

=

L

%

q

⁰w⁰

F¨uhlbarer W¨armefluss

S H

=

c

_p%

T

⁰w⁰

Grenzschichttheorie

q

⁰w⁰≈

C

_W

u

_a(

q

_a−

q

_a)

T

⁰w⁰≈

C

_H

u

_a(

T

_s−

T

_a)

u

_a

: horizontaler Wind auf der H¨ohe z

_a

(z. B. z

_a =

10 m) q

_s,

T

_s

: spezifische Feuchte und Tempertaur bei der Oberfl¨ache q

_a,

T

_a

: spezifische Feuchte und Tempertaur auf der H¨ohe z

_a

C

_W,

C

_H

: Aerodynamischertransferkoeffizient für Feuchte und Wärme (Hängt ab von: der Stabilität, Struktur der Grenzschicht, Oberflächen

Eigenschaften,. . . )

36 Antwort

CTL HadAM3 CTL 1960–1989 1970–1989 Interactive SCEN HadAM3 A2 2070–2099 2080–2099 Interactive

CTL

uncoupled

HadAM3 CTL 1960–1989 1970–1989 CTL climatology

SCEN

_uncoupled

HadAM3 A2 2070–2099 2080–2099 SCEN climatology

(11)

Bowen Ratio Messen des turbulenten Flusses

Aerosol I 43

Reynoldsmittelung

Reynolds averaging

Aerosol I 45

” Bucket“ Model

Formel

(12)

42 Antwort

S H

=

c

_p%

T

⁰w⁰

L H

=

L

%

q

⁰w⁰

Messung von

w⁰

(mit einem Sonic-Anemometer (Ultraschall)), T

⁰

und q

⁰

mit sehr hoher zeitlicher Aufl¨osung (bis zu

≈

100 Hz).

Die Messung von T

⁰

(S H ) ist genauer als die von q

⁰

(L H ).

40 Antwort

B

=

S H L H B 1 feuchte Oberfläche, L H dominiert über S H B 1 trockene Oberfläche, S H dominiert über L H Aus der Grenzschicht Theorie:

L H

=

L

%

C

_W

u

_a(

q

_s −

q

_a)

S H

=

c

_p%

C

_H

u

_a(

T

_s−

T

_a)

X

_s

an der Oberfl¨ache

X

_a

Messwert auf H¨ohe z

_a

mit C

_W ≈

C

_H

folgt:

B

=

c

_p(

T

_s −

T

_a)

L

(

q

_s−

q

_a)

46 Antwort

•

Verwendet Widerstand um das Evapotranspirationslimit zu representieren

•

Aerodynamischerwiderstand (Turbulenterdiffusionsterm hindert Evapotranspiration)

•

Limitiert durch Bodenfeuchtedefizit (

β

-Faktor: 0

≤β ≤

1) S H

=%

c

_p

T

_s −

T

_r

r

_a

E

=

L H

L

=%β

q

_sat(

T

_s)−

q

_r

r

_a =β

E

_{P O T}

T

_r

: Temperatur bei Referenzh¨ohe

q

_sat

: abolute Luftfeuchte bei S¨attigung q

_r

: spezifische Luftfeuchte bei Referenzh¨ohe r

_q

: Aerodynamischerwiderstand

β

: limitierender Faktor basierend auf Bodenfeuchtegehalt E

_{P O T}

: potentielle Evapotranspiration

44 Antwort

Impulsgleichung ( f

=

0, 2D):

∂

u

∂

t

+

u

∂

u

∂

x

+w∂

u

∂

z

= −

1

%

∂

p

∂

x u

= ¯

u

+

u

⁰

p

= ¯

p

+

p

⁰

vernachl¨assigen von

%⁰

∂

u

¯

∂

t

+ ¯

u

∂

u

¯

∂

x

+ ¯w∂

u

¯

∂

z

= −

1

%

∂

p

¯

∂

x

| {z }

Inpulsgleichung f¨ur den mittleren Fluss

−

u

⁰∂

u

⁰

∂

x

−w⁰∂

u

⁰

∂

z

| {z }

Turbulenzterm

(13)

” Bucket“ Model

Parametrisierung/Ergebnisse

Biophysikalisches Modell

Aerosol I 51

Physiologisches Modell

Aerosol I -1

Aerosol I

Hinweise zu den K¨artchen

(14)

50 Antwort

E_{T R}₍_{lea f}₎=%q_sat(T_f)−q_{a f}

r_la+r_s r_s =r_{s mi n}f(P A R,T,W, δe)

•Viel detailiertere Wiedergabe der Land Oberfl¨achen Prozesse als das

”Bucket“-Modell

•Hauptm¨angel des

”Bucket“-Modell werden ber¨ucksichtigt

•Explizite Repr¨asentation der Vegetation (Stomatwiderstand)

•Geographische Variation der relevanten Parameter (Wurzeltiefe, Albedo, minimaler Stomatawiderstand, Bodenfeuchteparameter,. . . ) abh¨angig von der Vegetation und des Bodenfeuchtetyps (look-up tables)

Trotzdem:

•Keine explizite Repr¨asentation der Kohlenstoffassimilation/Photosynthese, z. B. kein Einfluss der CO2-Konzentration auf die Evapotranspiration (evtl. relevant:

Kilmaver¨anderung)

•Hochgradig abhängig von Evapotranspiration (rs mi n) und Kalibrierungskurven welche die Abhängigkeit vonrs von P A R,T,W, δerepräsentieren (nur wenige Beobachtungen stehen zur Verfügung).

⇒Stat-of-the-art Repr¨asentation der Landoberfl¨achenprozesse in aktuellen Kilmamodellen.

48 Antwort

Sehr einfache Parametrisierung

•

Die Evapotranspiration von rohem Boden wird ¨ubersch¨atzt in allen Systemen

•

Keine Repr¨asentation des Vegetationseinfluss (Stomatawiderstand)

•

Keine Repr¨asentation von anderen limitierenden Faktoren (gekoppelt zu Stomatawiderstand): Strahlungstemperatur, Wasserdruckdefizit,

Vegetationsstatus

•

Unter stressfreien Bedingungen: Immer noch ¨ Ubersch¨atzung von Evapotranspiration (potentielle Evaporation anstelle von potentieller Evapotranspiration (keine Null-Werte des Stomatawiderstands))

⇒

Allgemein: ¨ Ubersch¨atzung der Evapotranspiration in allen Systemen

Aerosol I -1

Aerosol I

Hinweise zu den K¨artchen

52 Antwort

•

Erlaubt die expilizite Repr¨asentation von Kohlenstoff Assimilation/Photosynthesis

•

Wichtig im Kontext der Kilmaver¨anderung (CO

₂

-Wasser Beziehung, Kohlenstoffkreislauf,. . . )

Trotzdem:

•

H¨angt auch von kalibrierten Beziehungen und einigen Beobachtungen ab

•

Einige Unsicherheiten bleiben: z. B. CO

2

-D¨ungung, erh¨ohte Wassereffizienz,. . . (einige laufende Feldexperimente)

•

Phenology/Vegetations Aktivit¨at wird durch Fernmessungmethoden festgelegt.

•