Klimasysteme 2019, Übungsaufgaben 2 Aufgabe 1 - ETH Zürich
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
Klimasysteme 2019, Übungsaufgaben 2
Aufgabe 1
a) Betrachten Sie einen nassen und einen trockenen Sandkasten. Die Sonne geht
auf und scheint auf beide Sandkästen. Welcher erwärmt sich schneller?
Warum?
We examine two sandboxes where one of them is wet and the other one is dry.
The sun is rising and shining on both sandboxes. Which one is warming faster?
What is the reason for the faster warming?
b) Was hat das obige Beispiel mit der Klimaänderung zu tun? Welche Rolle spielt
die Bodenfeuchte in der Erwärmung? Erklären Sie kurz.
Can you place the example above into the context of global climate change?
What is the role of soil moisture in the warming? Explain.
c) Die Netto Strahlungsbilanz an der Oberfläche beträgt an einem Ort 100 W/m2,
die Bowen Ration ist 2/3, das System ist im Gleichgewicht. Wie gross ist der
latente Wärmefluss? Wie gross ist die Verdunstungsrate in mm/Tag? Beachte
dass 2.5 * 106 J benötigt werden um 1 kg Wasser zu verdampfen.
The surface net radiation at a particular location adds up to 100 W/m2, the
Bowen Ratio is 2/3 and the system is assumed to be in equilibrium. How large
is the latent heat flux? What is the rate of evaporation in mm/day? Take into
account that 2.5 * 10 6 J are required to evaporate 1 kg of water.
Aufgabe 2
Nehmen Sie als Schätzung an, dass sich die globale Atmosphäre über die letzten 50
Jahre um 0.6°C, und der Ozean sich um 0.03°C erwärmt hat. Die Wärmekapazität von
Wasser ist 4284 J/kg/°C, der Radius der Erde ist 6378 km, und die mittlere Tiefe des
Ozeans ist 3711 m. Die Wärmekapazität der Atmosphäre entspricht einer Schicht von
3 m des Ozeans (für eine Meeresbedeckung von 70% der Erdoberfläche).
As an estimate, assume that the global atmosphere has warmed by 0.6°C over the last
50 years, and the ocean has warmed by 0.03°C. The heat capacity of water is 4284
J/kg/°C, the radius of the earth is 6378 km, and the average depth of the ocean is 3711
m. The heat capacity of the atmosphere corresponds to a layer of 3 m of the ocean
(assuming 70% of the earth is covered by water).
a) Wie viel Energie wurde in den letzten 50 Jahre von der Atmosphäre
aufgenommen? Wie viel vom Ozean?
How much energy was taken up by the atmosphere over the last 50 years? How
much by the ocean?
b) Skizzieren Sie die vertikale Verteilung der Temperatur für den globalen Ozean
(mittlere Tiefe 3711 m), und geben Sie ungefähre Werte für die Oberfläche und
1den tiefen Ozean an. Skizzieren Sie ebenfalls die Verteilung der Erwärmung als
Funktion der Tiefe.
Sketch the distribution of temperature versus depth in the global ocean (average
depth of 3711 m), with approximate values at the surface and the bottom. Sketch
also the distribution of the warming signal versus depth.
c) Wenn Wasser über 4°C erwärmt wird, dehnt sich aus, und führt zu einem
Anstieg des Meeresspiegels. Ist die Ausdehnung dieselbe, wenn die
Erwärmung im tiefen Ozean geschieht, wie wenn sie nahe der Oberfläche bei
gleicher Energiezunahme geschieht? Falls nicht, in welchem Fall ist sie grösser
und warum?
Water that is heated above 4°C expands, which leads to a rising sea level as
the oceans get warmer. Is the extent of expansion the same whether the
warming occurs in the deep ocean or near the surface ocean, assuming a fixed
energy input? If not, in which case is the expansion larger and why?
Aufgabe 3
Die Inlandeis- und Meereisflächen des Nord- und Südpols haben in den vergangenen
Jahren an Masse verloren. (Nehmen Sie an, dass die durchschnittliche Lufttemperatur
über der Antarktis -30°C beträgt.)
The ice sheets and sea ice at the North and South Pole have lost mass during the last
years. (Assume that the mean air temperature above the Antarctic continent is -30°C).
a) Nennen Sie die zwei wichtigsten Prozesse die zum Massenverlust von Meereis-
und Inlandeisflächen im Allgemeinen beitragen.
Name the two major processes that contribute to the loss of mass of an ice sheet
in general.
b) Welcher der beiden oben genannten Prozesse dominiert in der Antarktis,
warum?
Which of the two processes above dominates in the Antarctic and why?
c) Die skandinavischen Gletscher haben während der 1990er Jahre trotz des
Temperaturanstieges an Masse und Länge gewonnen. Warum?
The Scandinavian glaciers have gained mass and length during the 1990s
despite the fact that temperature has increased. Why?
Aufgabe 4
a) Auf welche Weise interagieren Aerosole und Strahlung? Nennen Sie 3 Effekte.
Erklären sie, ob sie einen kühlenden oder wärmenden Effekt haben.
How do aerosols and radiation interact? Name three effects. Explain whether
they have a cooling or a warming effect.
2b) Spielt es eine Rolle für die Strahlungsbilanz, in welcher Höhe sich Wolken
befinden? Erklären Sie kurz.
Does the cloud height play a role in the radiation balance? Explain your answer.
c) Wie verändert sich die globale Verteilung der Wolken durch den Klimawandel?
Nennen Sie (nach dem heutigen Stand der Forschung) 4 robuste Effekte und
erkläre die Rückkopplung /wie sie sich wiederum auf das Klima auswirken.
How does the global cloud distribution change with climate change? Name 4
effects and explain the feedback/ how they act on the climate.
Aufgabe 5
a) Warum kommen im Ozean Temperaturen unter 0°C vor?
Why do temperatures below 0°C occur in the ocean?
b) Die Albedo von Wasser verändert sich stark mit dem Einstrahlungswinkel.
Warum wird der Sonnenstand mit Zunahme der Bewölkung unwichtiger für die
Albedo?
The albedo of water varies strongly with the angle of the incoming radiation.
Why does the position of the sun become less important with increasing
cloudiness?
Aufgabe 6
Betrachten Sie in der unteren Abbildung die Nettostrahlung (Summe kurz- und
langwelliger Strahlung) an der Erdoberfläche.
The figure below shows the net surface radiation (sum of short and longwave).
a) Wie erklären Sie die niedrigen Werte der Nettostrahlung in den hohen
Breitengraden auf beiden Hemisphären?
3How do you explain the low values in the high latitudes in both hemispheres?
b) Wie erklären Sie sich die niedrigen Werte über den Wüstengebieten?
How do you explain the low values in desert areas?
c) Was können Sie über die „Bowen ratio“ über den tropischen Ozeanen
gegenüber dem Land aussagen? Warum?
What can you say about the Bowen ratio over the tropical oceans as opposed
to the one over land? Why?
Aufgabe 7
Folgende Abbildung zeigt die Korrelation zwischen Temperatur und
Evapotranspiration.
The following figure shows the correlation between temperature and
evapotranspiration.
a) Warum ist die Korrelation zwischen Temperatur und Evapotranspiration über
der Region A negativ und über der Region B positiv?
Why is the correlation between temperature and evapotranspiration in region A
negative and in B positive?
b) Untenstehende Abbildung zeigt die Temperaturverteilung für die Region B mit
dem Mittelwert μ und Varianz σ. Extremereignisse sind definiert als diejenigen
ausserhalb des Bereiches der mit roten Linien eingegrenzt ist. Nehmen Sie an,
dass die Varianz σ konstant ist. Wie verändert sich diese Temperaturverteilung
durch eine Erwärmung? Wie verändern sich die Extremereignisse bzw. die
Wahrscheinlichkeit für Extremereignisse? Skizzieren Sie und beschreiben Sie
qualitativ.
4The figure below shows the temperature distribution for region B with a mean μ
and variance σ. Extreme events are defined as those outside the range marked
with the red lines. Assume that the variance σ is constant. How does the
distribution change with a warming trend? How do the extreme events and their
probability change? Sketch below and describe qualitatively.
Aufgabe 7
a) Welche Grösse wird zu Rate gezogen, um herauszufinden ob eine Strömung
laminar oder turbulent ist?
To find out if a flow is laminar or turbulent, which quantity is considered?
b) Der Wind bläst mit 5 m/s und wir befinden uns auf der Höhe eines Busches, 1
Meter über dem Boden. Die Viskosität ist 10-5 m2/s. Herrscht hier laminare oder
turbulente Strömung? Warum?
The wind blows with 5 m/s and we are at the height of a 1 meter shrub, the
viscosity is 10-5 m2/s. Do we have a laminar or a turbulent flow? Why?
c) Es herrscht Nebel in Zürich. Was kann man über die vertikale Verteilung der
potentiellen Temperatur aussagen? Was kann man über die relative Feuchte
unter der Nebelobergrenze aussagen? Begründen Sie kurz.
We see fog in Zurich. What can you say about the vertical distribution of
potential temperature? What can you say about the relative humidity below the
upper boundary of the fog? Explain briefly.
Aufgabe 8
a) Nennen Sie 2 Gründe warum die Kryosphäre für das globale Klimasystem
relevant ist.
Give two reasons why the cryosphere is relevant for the global climate system.
5b) Ein Gletscher mit konstanter Breite ist im Gleichgewicht. Folgende Abbildung
zeigt den jährlichen, vertikal integrierten Fluss von Eis entlang des Gletschers.
A glacier with constant width is in equilibrium. The following figure shows the
annually and vertically integrated ice flux along the length of the glacier.
c) Was ist die Gleichgewichtslinie? Wo in der obenstehenden Graphik liegt diese?
Beschreiben Sie qualitativ was mit der Gleichgewichtslinie und der obigen
Kurve passiert, wenn sich das Klima erwärmt/abkühlt (Niederschlag bleibt
konstant)? Skizzieren Sie.
What is the equilibrium line? Where in the figure is it located? Describe
qualitatively the changes to the equilibrium line and the above curve if the
climate is warming/cooling (constant precipitation). Sketch the changes in the
above figure.
Aufgabe 9
Am 26.12.1999 zog Orkan Lothar über die Schweiz. Während der intensivsten Phase
um 11 Uhr MEZ wurde in Lahr am Westrand des Schwarzwalds ein auf Meereshöhe
reduzierter Luftdruck von 981.1 hPa registriert, während am Flughafen Zürich 987.8
hPa gemessen wurden. Die Distanz zwischen den beiden Standorten beträgt 112 km.
On Dec 26, 1999 the storm Lothar hit Switzerland. During the most intense phase at
11am CET the air pressure (reduced to sea level) in Lahr (western part of the Black
Forest) was measured at 981.1 hPa, while the airport Zurich measured 987.8 hPa. The
distance between the two places is 112 km.
a) Berechnen Sie mit Hilfe dieser Angaben die Stärke des geostrophischen
Windes. (Coriolisparameter f=10-4 s-1 und Dichte ρ=1kg m-3).
Calculate the magnitude of the geostrophic wind (Coriolis parameter f=10-4 s-1
and density ρ=1kg m-3).
6b) Ausser auf exponierten Gipfeln im Schwarzwald waren die gemessenen
Windgeschwindigkeiten tiefer. Warum?
Except for some summits in the Black Forest, the measured wind speeds were
lower. Why?
c) Noch ein Tag vor dem Auftreten Lothars zeigten fast alle operationellen
Wettervorhersagemodelle keinen Sturm an. Beschreiben Sie kurz, wodurch
dieser Vorhersagefehler zu Stande gekommen sein könnte.
Even a day before Lothar hit, most operational weather prediction models did
not indicate a storm. Explain briefly why such prediction errors could arise.
d) Obwohl Wettermodelle bereits für Vorhersagezeiten von einer Woche grosse
Fehler aufweisen, sind sinnvolle Aussagen aus Klimasimulationen über
Zeiträume von Jahrzehnten möglich. Warum?
Even though weather prediction models have large errors for predictions a week
into the future, it is possible to extract useful information from climate models
decades into the future. Why?
Aufgabe 10
Die globalen Ozeane sind vom energetischen Standpunkt her eine der
Schlüsselgrössen welche das globale Klima beeinflussen. Sie sind massgebend für
die Speicherung, Verteilung und das Freisetzen von Energie.
The global oceans are from an energy point of view one of the key components
affecting global climate. They are most important for long-term storage, transport and
release of energy.
a) Der grösste Anteil des Tiefenwassers, welches das Globale Förderband
(thermohaline Zirkulation) antreibt, entsteht in den polaren Regionen der
südhemisphärischen Ozeane und dem Nord Atlantik. Warum wird im
Nordpazifik kein Tiefenwasser produziert? Führen Sie zwei Gründe an.
Most deep water driving the global conveyer belt (thermohaline circulation) is
produced in the polar Southern Hemisphere Oceans and the North Atlantic. Why
is there no production of deep water in the North Pacific? Give two reasons.
b) Wird die Produktion von Tiefenwasser, bzw. die thermohaline Zirkulation im
Nordatlantik durch den Klimawandel tendenziell verstärkt oder abgeschwächt?
Would climate change tend to increase or decrease the North Atlantic deep
water formation or thermohaline circulation respectively? Name two of the main
mechanisms.
7c) Nehmen Sie an die globalen Ozeane und die globale Atmosphäre werden
uniform um 1 K erwärmt. Die Wärmekapazität von Salzwasser ist 4284 J/kg*K,
der Radius der Erde ist 6378 km und die durchschnittliche Tiefe der Ozeane
beträgt 3711 m. Die mittlere Dichte des Meerwassers ist 1.02 g/cm3, verwenden
Sie ausserdem 70% Bedeckung als Schätzung für den Anteil der
Ozeanoberfläche an der Gesamtfläche der Erde. Die Wärmekapazität der Luft
ist 1005 J/kg*K und ihre Spezifische Masse ist 104 kg/m2. Berechnen Sie den
Prozentsatz der Energie welcher benötigt wird um die Temperatur der
Atmosphäre um 1 K zu erhöhen im Verhältnis zur Energie die für die Erwärmung
des Ozeans um 1 K benötigt wird.
Assume that the global atmosphere and global oceans have warmed uniformly
by 1 K. The heat capacity of saltwater is 4284 J/kg*K, the radius of the earth is
6378 km, and the average depth of the ocean is 3711 m. The mean density of
the seawater is 1.02 g/cm3, also use 70% coverage as an estimate for the ocean
area. The heat capacity of air is 1005 J/kg*K and the specific mass is 104 kg/m2.
Calculate the percentage of energy used to heat the atmosphere by 1 K in
relation to heat the oceans by 1 K.
Aufgabe 11
a) Geben Sie je ein Beispiel für ein Klimavariabilitäts-Phänomen auf interannueller
Zeitskala und eines auf einer Zeitskala von zehntausenden von Jahren. Was
sind die Antriebskräfte und relevanten Prozesse?
Give a prominent example of climate variability in interannual timescale and one
on timescales of ten thousands of years. What are the driving mechanisms and
processes?
b) Würden Sie erwarten, dass man einen menschlichen Einfluss besser für ein
Ereignis mit einer Rückkehrperiode mit einem Jahr erkennt oder für eines mit
10 Jahren? Warum?
Would you expect to detect a human influence more easily in an event with a
return period of one year or of 10 years? Why?
Aufgabe 12
a) Nehmen wir an, wir könnten den Gefrierpunkt von Wasser um 5 Grad Celsius
erhöhen. Wie ändern sich die Strahlungsbilanz und die Temperatur global? Und
was passiert in der Arktis?
Assume we could increase the freezing point of water by 5 degrees Celsius.
How would the radiation balance and temperature change globally? What would
happen in the Arctic?
b) Sonnenstrahlen treffen auf eine horizontale Fläche, der Winkel zwischen dem
einfallenden Strahl und der Vertikalen (Lot, normal zur Ebene) beträgt 40 Grad.
Im anderen Material beträgt der Winkel zwischen dem weggehenden Strahl und
dem Lot 30 Grad. Was ist der Brechungsindex des Materials wenn der
Brechungsindex von Luft eins ist?
8Sunlight hits a horizontal surface, the angle between the incoming ray and the
vertical (normal to the surface) is 40 degrees relative. In the other material the
outgoing ray encloses an angle of 30 degrees relative to the vertical. What is
the refraction index of the material if the refraction index of air is one?
Aufgabe 13
Geben Sie für jede der 12 folgenden Aussagen an ob sie wahr oder falsch ist. Keine
Begründung nötig.
For each of the 12 following statements indicate whether it is true or false. No
explanations needed.
a) Der geostrophische Wind ist tangential zu den Isobaren und parallel zum
Druckgradienten.
The geostrophic wind is tangential to the isobars and parallel to the pressure
gradient.
b) Die Atmosphäre ist ein chaotisches System, deshalb führen kleine Fehler in den
Anfangsbedingungen eines Modells zu grossen Fehlern in den Vorhersagen.
The atmosphere is a chaotic system, therefore small errors in the initial
conditions of a model lead to large errors in the predictions.
c) Mehr Bodenfeuchte führt lokal zwingend zu mehr Regen, da mehr Wasser
verdunsten kann.
More soil moisture locally inevitably leads to more rain, because more water can
evaporate.
d) La Nina bezeichnet die Phase mit reduziertem Aufquellen von kaltem Wasser
vor der Küste Südamerikas als Folge der stärkeren Passatwinde.
La Nina is the phase with reduced upwelling at the coast of South America as a
result of stronger trade winds.
e) Schmutz und Partikel auf einer Gletscherzunge erhöhen die Albedo und
verstärken damit das Schmelzen des Gletschers.
Dirt and particles on a glacier tongue increase the albedo and amplify the
melting of the glacier.
f) Eisbohrkerne in der Antarktis zeigen Klimaschwankungen, die durch
Variationen in den Erdbahnparametern verursacht sind.
9Ice cores in Antarctica reveal climate variations which are caused by changes
in the earth orbit around the sun.
g) Eine Änderung der Häufigkeit von Extremereignissen kann sowohl durch eine
Änderung des Mittelwertes als auch durch eine Änderung der Variabilität
verursacht sein.
A change in frequency of extreme weather events can be caused either by a
change in the mean or by a change in variability.
h) Eine nicht-lineare Änderung in einem System ist irreversibel.
A nonlinear change in a system is irreversible.
i) Über 95% des gefrorenen Wassers auf der Erde sind in Grönland und der
Antarktis.
More than 95% of the frozen water on earth is in Greenland and in Antarctica.
j) Grönland verliert den grössten Teil seiner Masse durch oberflächliches
Abschmelzen.
Greenland is losing the largest fraction of his mass by surface melting.
k) Weil extreme Wetterereignisse eine so grosse Amplitude aufweisen, ist ein
Trend in ihrer Häufigkeit statistisch signifikant nachweisbar.
Because extreme weather events have a large amplitude, trends in their
occurrence are significant.
l) ENSO ist über ein paar Monate voraussagbar, weil der Ozean wesentlich
längere Zeitskalen hat als die Atmosphäre.
ENSO is predictable up to a few months in advance because the ocean has
much longer timescales that the atmosphere.
m) Gemäss der Theorie von Milankovitch, wird die einkommende kurzwellige
globale Jahresmittelstrahlung nur durch die Präzession bestimmt.
According to Milankovitch the annual mean global mean incoming shortwave
radiation is only determined by precession.
n) Mit der Erwärmung nimmt der Niederschlag lokal zu, weil warme Luft mehr
Wasser aufnehmen kann.
10In a warmer world, precipitation increases locally, because warm air can hold
more moisture.
o) Die Zunahme der Infrastrukturschäden von Wetterereignissen ist auf die
Zunahme der Häufigkeit solcher Wetterereignisse zurückzuführen.
The increase in damage of weather events is a result of the increase in the
number of such events.
p) Würde man die jährlichen CO2 Emissionen auf heutigem stabil halten, dann
würde sich die globale Temperatur nach einigen Jahrhunderten stabilisieren.
If we were to keep the annual CO2 Emissions at today’s level, then global
temperature would stabilize after a few centuries.
11Sie können auch lesen
