12. Oktober 2012 METSWN : Strahlung, Wolken, Niederschlag 5 Pflichtmodule METPHATPhysik der...

12. Oktober 2012

METSWN : Strahlung, Wolken, Niederschlag

5 PflichtmoduleMETPHAT Physik der AtmosphäreMETSWN Strahlung, Wolken, NiederschlagMETKLIM Phys. KlimatologieMETDYN Dynamik der AtmosphäreMETFPR Fortgeschrittenenpraktikum

1

Master „Physik der Erde und der Atmosphäre“

METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

12. Oktober 2012

Physikalische Meteorologie

Die Physikalische Meteorologie versteht sich als Teilgebiet der Meteorologie, welches die physikalischen Prozesse der Atmosphäre wie Wolkenphysik Strahlungoptische PhänomeneAusbreitung von elektro-magnetischen WellenAustauschprozesse der Atmosphäre mit der Land-‘oder Meeresoberfläche

untersucht.

METSWN METGRCHEM

2 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

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Wolkenphysik und NiederschlagRelevanz:

Wechselwirkungen von Wolken mit Strahlung stellen die größte Unsicherheit in heutigen Klimamodellen dar

Niederschlag hat große sozio-ökonomische Einflüsse

Forschung:

HD(CP)2: „High Definition Clouds and Precipitation for Climate Prediction“

EUCLIPSE - European Union Cloud Intercomparison, Process Study & Evaluation Project

„Precipitation Measurement Missions“ (NASA): TRMM, GPM


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StrahlungRelevanz:

Antrieb für atmosphärische Zirkulation

Wechselwirkungen von Wolken mit Strahlung stellen die größte Unsicherheit in heutigen Klimamodellen dar sub-skalige Effekte 3D Strahlungseffekte

„Strahlungsmodule“ stellen den rechnerisch aufwändigsten Teil von Vorhersagemodellen dar

Forschung:

Fernerkundungssensoren ermöglichen neuen Einblick in Atmosphäre globale Strahlungsbilanz

Strahlungswechselwirkungen: Charakteristika des spektralen Absorptions- und Streuverhaltens von Gasen, Aerosolen und Hydrometeoren sind ungenügend bekannt


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Dozenten: Susanne Crewell (Raum 325, [email protected])

Ulrich Löhnert (Raum 308, [email protected])

Emiliano Orlandi (Raum 328, [email protected])

Max Maahn (Raum 305, [email protected])

6 ECTS Punkte entsprechend 180 Stunden Arbeitszeit

Freitags, 9 – 13 Uhr Vorlesung Raum 324, Übung Raum 324 oder 304

Übungszettel Abgabe jeweils bis Donnerstag 12:00

Computerübungen zu- Größenverteilungen - Strahlungstransport- Heizraten

Projektarbeit und abschließende Vorträge zu Themen, die Wolken und Strahlung verbinden

Organisatorisches


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Organisatorisches

1 12. Oktober Einführung + Thermodynamik (UL)

2 19. Oktober Tropfennukleation

3 2. November Diffusionswachstum

4 9. November Koagulationswachstum

5 16. November Eisbildung und –wachstum

6 23. November Niederschlag und Gewitter

7 30. November Messung und Modellierung

8 7. Dezember Strahlung – Grundlagen

9 14. Dezember Reflektion / Thermische Emission

10 21. Dezember Transmission / Gasabsorption

11 11. Januar Erwärmungsraten

12 18. Januar Strahlungstransport und Präsentation Projekte

13 25. Januar Streuung und Präsentation Projekte

14 31. Januar Ersatztermin


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Literatur (Wolken) Rogers, R. R. & M. K. Yau, 1989:

"A short course in cloud physics", 3rd Edition, Butterworth-Heinemann, Int. Series in Nat. Philosophy, Vol. 113.

Pruppacher, H. R. und J. D. Klett, 1997:„Microphysics of cloud and precipitation“Atmospheric and Oceanographic Science Libary, Vol. 18,Kluwer Academic Publishers,

Houze, R. A., 1993:Cloud Dynamics, Int. Geophys. Series, 53.

Young, K. C., 1993:Microphysical Processes in Clouds.

PROMET: - „Wolkenphysik und Wolkendynamik I und II“ (1993) - „Fernmessung von Wasserdampf und Wolken I“ (2011)

$71.95

$282.00 $66.32


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Literatur (Strahlung)

Petty, G., 2006: “A first course in Atmospheric Radiation”, 2nd Edition, Sundog Publishing, 458 S., $ 36,- http://www.sundogpublishing.com/AtmosRad/

Bohren, Craig F. , und Eugene Clothiaux, 2006: „Fundamentals of Atmospheric Radiation: An Introduction with 400 Problems“, Wiley-VCH, 1st edition, 490 Seiten.

Liou, K.-N.,1992: „An Introduction to Atmospheric Radiation, Volume 84, Second Edition

Liou, K.-N.,1992: „Radiation and cloud processes in the atmosphere“. Oxford Univ. Press, Oxford, 487 S.,.

Goody, R.M. and Y.L. Young, 1995: „Atmospheric Radiation“. Oxford Univ. Press., 2nd Edition, 544 Seiten


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Wolkenphysik: GliederungI. Einführung

- Bedeutung und Definition von Wolken - Beobachtungen von Wolkenparametern - Größenverteilungen von Wolkenpartikeln- Thermodynamik

II. Wasserwolken- Bildung & Wachstum von Wolkentropfen- Wachstum von Tropfenpopulationen

III. Eiswolken - Nukleation- Wachstum von Eiskristallen

IV. Niederschlag- warmer und kalter Niederschlag- Radarmeteorologie

V. Messung von Wolkenparametern

VI. Modellierung von Wolken- spektrale Modelle- Wolkenparameterisierungen in NWP und Klimamodellen


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Relevante Forschungsrichtungen visuelle Wolkenbeobachtung

rein deskriptiv, Problem der QuantifizierungKarlsruher Wolkenatlas http://www.wolkenatlas.de

WolkenmikrophysikBildung von Wolken- und Niederschlagspartikeln, Phasenumwandlungen

Wolkenoptik und RadarmeteorologieWechselwirkung mit elektromagnetischer Strahlung

WolkendynamikMakrophysikalische Wolkenprozesse

WolkenelektrizitätElektr. Prozesse Wichtig für die Entstehung von Gewittern

Chemie der AtmosphärePolare stratosphärische Wolken, Entfernung von Schadstoffen


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Einige Fragen der Wolkenphysik Wie können wir Wolken klassifizieren?

- Früher Klassifikation nach Erscheinungsbild- Heute moderne Fernerkundungsverfahren

Welche Mechanismen kontrollieren die Entstehung von Wolken?

- Bedeutung von Aerosoleigenschaften - Welche Rolle spielt die Wolkenchemie (Schadstoffe)?

Wie entsteht Niederschlag (in seinen verschiedenen Formen)?

Wie können wir die zeitliche und räumliche Entwicklung von Wolken und Niederschlag voraussagen?

- Einsetzen von Niederschlag- unterkühltes Wasser- Kann das Auftreten von Blitzen zur

Niederschlagsvorhersage genutzt werden? METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

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Wolken sind extrem komplex!Von Hydrometeoren

über Einzelwolken

und Wolkenfelder

zum globalen System


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Skalenproblem

Wechselwirkung der unterschiedlichen Skalen,

die bis zu 14 Größen-ordnungen umfassen,komplizieren exakte

Beschreibung

0.1m

1.0m

100mm

10mm

1.0mm

100m

1.0m

1.0km

100m

10m

100km

10km

Aerosole

Wolkentropfen

Regentropfen

Eiskristalle

Schnee

Mikrophysikalische Wolkenmodelle (1D)

OperationelleWettervorhersagemo-delle der Mesoskala (3D)

Klimamodelle (3D)

Turbulenz Cumulus Stratus


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Woraus bestehen Wolken?

Wolken bestehen ausschwebendenen Partikelnunterschiedlicher Größe Form Zusammensetzung © M. Quante


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Hydrometeore

Allgemein: Verschiedene Kategorien von Wolken- und Niederschlagsteilchen z.B. Wolkentropfen, Eiskristalle, Hagel, Graupel, Schnee, Regen

WMO 1975: Hydrometeore sind Ansammlungen von flüssigen oder gefrorenen Wasserteilchen, die in der Luft schweben oder fallen, durch den Wind von der Oberfläche aufgewirbelt sind, oder sich an Gegenständen am Boden bzw. in der Luft ansetzen.

WMO 1990: Vier Arten atmosphärischer Meteore: - Hydrometeore- Lithometeore (Dunst, Staub, Sand, Rauch, ..)- Photometeore (Halos, Regenboden, Glorien,..)- Elektrometeore (Blitz, Donner)

Häckel 1999: ... Wolken haben eine ausgeprägte Dynamik, währendsie sich auf der einen Seite ständig neu bilden, lösen sie sich auf der anderen Seite wieder auf. Eine Wolke ist also kein Gegenstand sondern ein Zustand ...


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Mikrophysikalische WolkenparameterWolken sind sichtbare, in der Luft schwebende Ansammlung von Kondensationsprodukten des Wasserdampfs (Hydrometeoren), d.h. von kleinen Wassertropfen ( ~10 m), Eiskristallen oder beiden gemeinsam

Größe der HydrometeoreEnsemble der Partikel wird mit der Tropfengrößenverteilung N(D) [m-4] beschrieben

Form- Flüssigwasserwolken haben kugelförmige Tropfen (Radius)- Niederschlagsteilchen näherungsweise Ellipsoide (Radius, Aspektverhältnis)- Eisteilchen können als Platten, Säulen, Dendriten, usw. ... auftreten- Partikel in Mischphase können sehr komplexe Form annehmen

Phase- flüssiges Wasser, Eis, Mischphase

Chemische Zusammensetzung


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Tropfengrößen

Fragen: - Wieviele Wolkentropfen machen einen Regentropfen?- Welche Radius- bzw. Massenwachstumsgeschwindigkeit muss herrschen, damit aus einem Wolkentropfen in 20 min ein Regentropfen entsteht?

D - Durchmessern - Tropfenkonzentration


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Typische Werte von Tropfengrößen

Durchmesser [μm]

Konzentration [liter-1]

Fallgeschwindig-keit [cm s-1]

Kondensationskern 0.1 106 0.0001

Wolkentropfen 10 106 1

großer Wolkentropfen

50 103 27

Regentropfen 1000 1 650

Hagelkorn < 10 000


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Tropfengrößenverteilung

Flugzeugmessungen mittels FSSPForward scattering spectrometer probe

idealisierte Verteilungen (hier für Stratus)

)exp()( rbrarN

a = 83.1 cm-3 μmb = 2.43 μm-1

α = 6.1γ = 1

N(r): Anzahl an Tropfen pro Volumen und Radiuseinheit

1 10 100 1000 10000diam eter [m ]

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

1E-2

1E-1

1E+0

1E+1

1E+2

1E+3

1E+4

1E+5

dN/d

D [

l-1

m-1

]

FSSP-ER2D -C2D -P

EC AV, 02.04.03, fligh t section 7, 954 m


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Momente des TropfenspektrumsN 0. Moment Tropfenkonzentration

LWC 3. Moment Flüssigwassergehalt

R ~3.5 Moment Niederschlagsrate (Massenfluss)

z 6. Moment Radarreflektivitätsfaktor

0

)()( dDDNDnm n

dDDNDLWC w )(6 0

3

dDDNDZ )(0

6

dDDNDDwDvR wM )()()(

6 0

3

Frage: Welche Werte haben N, LWC und z für das idealisierte Tropfenspektrum für Stratus?


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Eiswolken

Miloshevich et al. [2001]


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Einschub: Wiederholung Thermodynamik ...


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Wolkenbeobachtungen –Satellit

International Satellite Cloud Climatology Product (ISCCP) http://isccp.giss.nasa.gov


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Globale Wolkenbeobachtungen

Wolkenbedeckungsgrad ist global ca. 60 %

NASA

NASA

1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 19940

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

in %

W olkenbedeckungsgrad und Streuung (Ozeangebiete)

NCEP-Reanalysen

COADS

ISCCP-D2

N C EP-R eanalysen (S treuung)

ISCCP-D2 (Streuung)COADS-(Streuung)


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Wolkenbeobachtungen vom BodenKombination verschiedener Messsysteme (Radar, Lidar, Mikrowelle) und Modellvorhersagen

Lindenberg, 12. August 2011www.cloud-net.org


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Von der “Realität” zur Modellierung von Wolken in der Wettervorhersage

Wolken- und Niederschlagsparameter haben niedrigste Vorhersagequalität

Mikrophysik zu komplex für exakteLösungen

Räumliche Skala ist klein gegenüber der Auflösung von Wettervorher-sagemodellen (Δx ~ 1-10 km)

Parametrisierungen notwendig

Beobachtung von Wolkenparametern stellt ein komplexes Problem dar

Datenassimilation von Wolken und Niederschlag stehen erst am Anfang


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Bedeutung von Wolken im KlimasystemObwohl nur ca. 1 % des Wassers in der Atmosphäre in Form von Wolken existiert sind

Wolken sind extrem wirkungsvolleStrahlungsregulatoren

Wolken immer Ausgangspunkt für Niederschlag

Komplexe Rückkopplungseffekte

mehr Schneefall Erhöhung der Bodenalbedo

Reduktion der Absorption solarer Strahlung

mehr Niederschlag mehr Vegetationswachstum dunklere Boden

höhere Absorption

Wichtige Komponente in Wasser- und Energiekreislauf der Erde


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Planetare Albedo Absorption

Transmission

Streuung

Reflektion

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Strahlungseffekte von Wolken: quantitativ

Im kurzwelligen Spektralbereich kühlen Wolken das Klimasystem durch ihre hohe Reflektion solarer Strahlung Albedoeffekt

Im langwelligen Spektralbereich tragen Wolken zum Treibhauseffekt bei, da sie weniger thermische Energie in den Weltraum abstrahlen als die Erdoberfläche.

Im globalen Mittel kühlen Wolken die Atmosphäre um ca. 20 Wm-2


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Strahlungsbilanz der Erde/Atmosphäre

KIEHL J., and K. TRENBERTH, 1997: Earth´s annual global mean budget. Bull. Am. Met. Soc., 78, 197-208.

Strahlung beeinflusst Wetter und Klima

wirksamer je länger die Zeitskalaselbst auf der kleinen Skala (Initiierung von Konvektion, Tau Bildung ...)


Atmosphäre verliert im Mittel ~100 Wm-2 (Strahlungsdefizit) größtenteils balanciert durch Fluss latenter Wärme atmosphärische Verluste sind Maß für den globalen Wasserkreislauf

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Wasserkreislauf

E - Verdunstung [kg m-2 s-1 ]P - Niederschlag [kg m-2 s-1 ]

Wasser - die Schlüsselkomponente des Klimasystems

Wasser verknüpft physikalische, biologische und sozio-ökonomische Systeme

physikalische Besonderheiten - drei Phasen (Eis, Wasser, Wasserdampf) - fünf Kompartimente

Zeitliche und räumliche Änderungen der Austauschprozesse

Global: P - E = 0

Niederschlag

Verdunstung

Abfluss

Wind

Transporte

Eis

Bodenfeuchte

Biosphäre

Speicherung


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Energiekreislauf

B

QS - QL - H - LE - B = 0

QS

LEH

QL

QS - Nettostrahlung solar [W m-2]

QL - Nettostrahlung terrestrisch [W m-2]

H - Fluss fühlbarer Wärme [W m-2]LE -Fluss latenter Wärme [W m-2]B - Bodenwärmestrom [W m-2]

Energieumsatz bei Phasenübergängen Kopplung von Wasser- und Energiekreislauf

Wolken wirken auf großräumige atmosphärische Dynamik durch Transport latenter Wärme (meridionaler Gradient)

wichtige Komponente in Hadley- und Monsun-Zirkulation

Vertikaltransporte in konvektiven Wolken Kumuluskonvektion (Wasserdampf als Treibstoff, Wolken als Motor)

Eis/Schnee bewirken starke Erhöhung der Albedo


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Kopplung Energie- und Wasserkreislauf

E - Verdunstung [kg m-2 s-1 ]

w - Dichte von Wasser (103 kg m-3)

L - Verdunstungswärme (~2.5 ·106 J kg-1)

LE - Fluss latenter Wärme [W m-2]

LE = L · E

Globales Mittel:- 32 Milligramm pro Quadratmeter und Sekunde

- entsprechend 80 Watt pro Quadratmeter

- entsprechend 1000 mm pro Jahr

- entsprechend 107 Kubikmeter pro Sekunde

Golfstrom transportiert bis zu 150 Sverdrup= 150·106 km3 s-1


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90N 80 60 40 20 0 -20 -40 -60 -80 90S

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

Atmospheric Model Intercomparison (AMIP), Gates et. al. 1999

Geographische Breite

LW

P /

kg m

-2

Vergleich von 14 Klimamodellen: Vertikal integrierter Wolkenwassergehalt

Modellierung von Wolken im Klimasystem

Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC)„ ...the most urgent scientific problems requiring attention to determine the rate and magnitude of climate change and sea level rise are the factors controlling the distribution of clouds and their radiative characteristics ...“


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Sensitivität des Klimasystems

CO2 Verdopplung

bewirkt ca. 3-5 W m-2

Wirkung von Wolken auf den Strahlungshaushalt der Troposphäre bei CO2 Verdopplung

IPCC 2001, Seite 430 nach LeTreut und McAveny, 2000


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IPCC, 4th assessment


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Zahlenspiele: Flüssigwasserwolke

Wieviel Energie hat eine Wolke?

Flüssigwassergehalt (LWC) = 0.5 g m-3 Horizontale/Vertikale Erstreckung 5000 m/4000 m

Wassergehalt = 50 000 000 kg = 50 000 t

Kondensationsenergie = 5·107 kg · 2.5 ·106 J kg-1 = 1.25 ·1013 J

Vergleich: 1) Badewanne hat 2 m3 = 2 Tonnen 25 000 Füllungen

2) Nagasaki Bombe (22 kT TNT; 1 kT TNT = 4.2 ·1012 J )

→ 9.4 ·1013 J

Energie in der Flüssigphase der Wolke entspricht in etwa einer Nagasaki Bombe


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Zahlenspiele: Flüssigwasserwolke

Schönwetter-Cumulus

Kumuluswolke entsteht durch Warmluftblaseam Lifting Condensation Level

Halbkugel mit Durchmesser 1 km

Flüssigwassergehalt (LWC) = 1 g m-3

Volumen = 2.62 ·108 m3

Wasservolumen = 250 m3

Bodenfläche von der das Wasser verdunstet: 785 000 m3

Wassersäule von 0.3 mm muss verdunstet werden

Frage: Angenommen die Wolke ist in 900 hPa, 10 Grad warm, und hat 100% relative Feuchte, wie ist das Verhältnis von Wasserdampf zu Wolkenwasser?


Date post:	06-Apr-2015
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