Wasser: Drahtzieher und Spielball im globalen Klimawandel - Prof. Volkmar Wirth
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
Wasser
Wasser::
Drahtzieher
Drahtzieher und
und Spielball
Spielball
im
im globalen
globalen Klimawandel
Klimawandel
Prof. Volkmar Wirth
Universität Mainz
Wasservorkommen der Erde
Globale mittlere Prozentualer
Tiefe [m] Anteil [%]
Ozeane 2620 96.5
Polares Eis / Meereis / Gletscher 47 1.7
Grundwasser 46 1.7
Permafrost 0.59 0.02
Seen 0.35 0.013
Bodenwasser 0.032 0.0012
Atmosphäre 0.025 0.00093
Sümpfe 0.023 0.00083
Flüsse 0.0042 0.00015
Biologisches Wasser 0.0022 0.000081
Dresden, August 2002
Wasser:
Drahtzieher und Spielball im globalen Klimawandel
Klima
atmosphärisches
Wasser
Übersicht
• Einige Grundlagen
• Der Treibhauseffekt
• Hydrologische Extreme
Starkregen-Ereignisse (Sommer 2002)
Trockenperioden (Sommer 2003)
• Wie sieht die Zukunft aus?
• Zusammenfassung
Einige Grundlagen
distribution of water vapour
(Peixoto and Oort 1992)
Absolute Feuchte [g/kg]
Druck [100 hPa]
2
4
6
8
10
60S 30S EQ 30N 60N 0 5 10 15
Relative Feuchte [%]
Druck [100 hPa]
2
4
6
8
10
60S 30S EQ 30N 60N 30% 50% 70% 90%Clausius-Clapeyron
Clausius-Clapeyron
How much water vapour does the atmosphere contain
in equilibrium with a liquid (solid) surface?
Water vapor pressure (hPa)
7% per K
temperaturedistribution of water vapour
(Peixoto and Oort 1992)
Absolute Feuchte [g/kg]
Druck [100 hPa]
2
4
6
8
10
60S 30S EQ 30N 60N 0 5 10 15
Relative Feuchte [%]
Druck [100 hPa]
2
4
6
8
10
60S 30S EQ 30N 60N 30% 50% 70% 90%how does the water get how is the water removed
into the atmosphere? from the atmosphere?
incoming
energy
Evaporation (E)
Precipitation (P)
Warming
oceanAlbedo
Albedo
Oberfläche Bedingungen Albedo α
Wolken 100 m dick 0.4
Albedo = Anteil der 500 m dick 0.7
reflektierten (sichtbaren) See, Ozean Zenitwinkel 30° 0.05
Sonnenstrahlung 60° 0.10
85° 0.6
Eis 0.25-0.35
S S·α Schnee alt-frisch 0.45-0.85
Gras 0.2-0.3
Wald 0.1-0.2
Globales Mittel 0.3
die verschiedenen “Formen”
von Wasser haben sehr
unterschiedliche Albedo
(Einfluss auf Energiebilanz)Der Treibhauseffekt
Global
Global energy
energy balance
balancefirst case: no atmosphere
albedo = 0.16
288 W/m2 288 W/m2
incoming outgoing
solar radiation terrestrial
radiationGlobal
Global energy
energy balance
balance
energy loss
energy
flux
equilibrium
incoming
solar radiation
energy gain
outgoing
terrestrial
radiation
temperature
Te
system is pretty stable Stefan-Boltzmannfirst case: no atmosphere
albedo = 0.16
288 W/m2 288 W/m2
incoming outgoing
solar radiation terrestrial
radiation
equilibrium
at Ts = -6oC
(observed: +15oC)second case: with atmosphere
albedo = 0.3
< 240 W/m2
240 W/m2
outgoing
incoming absorption terrestrial
solar radiation radiation
cold
warm
terrestrial radiation strongly interacts with the atmosphere
(partial trapping)second case: with atmosphere
albedo = 0.3
240 W/m2
240 W/m2
outgoing
incoming absorption terrestrial
solar radiation radiation
less cold
system warms
system warms
warmer
equilibrium
at Ts = +15oC
atmosphere/surface system warms Æ satisfy energy balanceGreenhouse
Greenhouse gases
gases
GHG = Gas which can absorb terrestrial radiation
composition of the Earth’s atmosphere
Gas content (fraction by volume in dry air)
N2 78 %
O2 21 % no GHG
natural Ar 0.9 %
H2O 0–4%
CO2 380 ppmv
“anthropo-
O3 0-12 ppmv greenhouse
genic” gases
CFC’s tiny fraction
….. …..Humans increase CO2
(forcing)
However
the key question is:
how does H2O respond!
(feedback)Water
Water vapor
vapor feedback
feedback
remember: Clausius-Clapeyron
Water vapor pressure (hPa)
temperature
There are good
reasons to believe
that the
water vapor feedback
is positiveHigherTTÆ
Higher Æmore
moreatmospheric
atmosphericHH22O?
O?
z
atmospheric boundary layer
oceanModel simulated change of water vapor
in the upper troposphere
Del Genio, Science, 2002the role of clouds?
Role
Roleof
ofclouds?
clouds?
solar
radiation
z cooling
warming
terrestial
radiation
oceanContradictory
Contradictoryrole
roleof
ofclouds
clouds
z cooling
short wave radiative forcing: -48 W/m2
long wave radiative forcing: +31 W/m2 warming
net effect of clouds: -17 W/m2 cooling
oceanEinfluss
Einflussder
derWolken?
Wolken?
Erwärmungseffekt Abkühlungseffekt
überwiegt überwiegtRole of clouds in different climate models
2xCO2 – 1xCO2
IPCC 2001
• large uncertainties
• possibly right for the wrong reasonsHydrologische Extreme 1. Starkregenereignisse
August 2002 ¾ Elbehöchststand seit Jahrhunderten ¾ Extreme Niederschläge im Erzgebirge ¾ ca 10 Mrd. Euro Schaden
Niederschlag
Niederschlag10.-13.
10.-13.August
August2002
2002
Höchster Wert
in Zinnwald-
Georgenfeld
(südlich von
Dresden):
353 mm / 24 Std.
(Quelle: DWD)Quantifizierung
Quantifizierungvon
vonNiederschlag
Niederschlag
Durchschnittliche Werte:
pro Jahr pro Tag
Mainz 587 mm 1,6 mm
Kemptner 2000 mm 5,5 mm
Hütte
globales 1000 mm 2,7 mm
ca. 600 mm Mittel
pro Jahr
Zinnwald-Georgenfeld
(August 2002):
A = 1 m2 Æ ca. 600 Liter 353 mm / 24 hWie kann es 353 mm
in 24 Std. regnen?
Wieviel Wasserdampf
enthält die Atmosphäre Feuchte muss
unter normalen (a) kontinuierlich durch den Wind
herangeschafft werden
Bedingungen? (b) lokal zum Ausregnen gebracht weden
z z
reicht für
ca. 25 mm
NiederschlagNiederschlag verursacht durch das
Tief Ilse 2
Meteosat
Satellitenbild
(IR Kanal)
vom
12. August 2002
Zyklonen-
zugbahn VbFeuchtetransport durch das Tief Ilse 2
Quelle: G. Zängl (2004)
850 hPa Geoptential und Wind
Bodendruck (durchgezogen) und (Konturen und Symbole) und
500 hPa Geopotential (gestrichelt) potentielles Regenwasser
am 12. August, 06 UTC (schattiert) am 12. Aug., 18 UTC
(Max.: 45 mm pot. Regenwasser)Eine
Eine Summe
Summe von
von Faktoren
Faktoren
1. Zugbahn Vb mit Feuchtetransport aus dem Süden
2. Orografisch erzwungenes Aufsteigen am Erzgebirge
Æ Staueffekt und lokales Ausregnen
3. Tief nahezu stationär
4. Vorher schon zwei Episoden mit Starkniederschlägen
Æ Boden gesättigt !Hydrologische Extreme
2. TrockenperiodenSommer 2003 Sommer 2003 ¾ Über Wochen andauernde extrem hohe Temperaturen ¾ Maximum in Deutschland: 40.2 Grad C ¾ Sehr wenig Niederschlag ¾ >25000 zusätzliche Tote (bes. Frankreich)
Verhältnisse
Verhältnissein
inder
derSchweiz
Schweiz
Sommertemperatur 2003 liegt 5.4 Standardabweichungen
über dem Mittelwert
(Standardabwichung ermittelt aus den Jahren 1864-2000)
Schär et al. 2004
Sommer 2003: seltener als 1x alle 10000 JahreSommer
Sommer2003:
2003:sehr
sehrtrocken
trocken
Niederschlag Deutschland, Sommer, Flächenmittel 1901-2003
400
1927 1954 1956
1931
350 1910 1966
1980
Niederschlagssummen in mm
1987 2002
300
250
200
1964
1921 1949
150 1947
2003
1983
1976
1904
1911
Quelle:
100 Schönwiese
1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 et al. 2003
Zeit in JahrenHochdruckkeil
Hochdruckkeil über
über Westeuropa
WesteuropaSynoptische
SynoptischeEntwicklung
Entwicklungüber
überEuropa
Europa
Juni
Junibis
bisAugust
August2003
2003
Daten:
ECMWF-ERA
Bearbeitung:
B. Wecker,
D. ReinertVerstärkung
Verstärkungder
derHitze
Hitzedurch
durch
Austrocknen
Austrocknender
derBöden
Böden
Hochdrucklage: • Südwind • Hitze
• Sonnenschein • Trockenheit
Lange Dauer Æ Austrocknen der Böden (dauert 1-2 Monate!)
eingestrahlte eingestrahlte
Energie Energie
Verdunstung Erwärmung
Erwärmung Verdunstung
normaler Boden trockener BodenWie sieht die
Zukunft aus?
Wie ändert sich der Wasserkreislauf
in einem sich ändernden Klima?Wir gehen von einem
anthropogenen Klimawandel aus
Fragen: 1. Wie wirkt sich der auf den
Wasserkreislauf aus?
2. Speziell:
die hydrologischen Extreme?Projektionen
Projektionen der
der Klimamodelle
Klimamodelle
¾ Mehr Niederschlag im Winter
¾ Zunahme hydrologischer Extreme im Sommer
weniger Niederschlag im Sommer (siehe Sommer 2003) ….
… aber Zunahme von sommerlichen Starkniederschlägen
(siehe Sommer 2002)
PARADOX...Wasserspeicherkapazität
Wasserspeicherkapazitätder
derAtmosphäre
Atmosphäre
zur Erinnerung:
Clausius-Clapeyron
+7%/K
temperature
Atmosphäre
25 mm
Wasser(dampf)
Ozean / ErdoberflächeNiederschlag
Niederschlag10.-13.
10.-13.August
August2002
2002
(Quelle: DWD)
Höchster Wert
in Zinnwald-
Georgenfeld
(südlich von
Dresden):
353 mm / 24 Std.
ΔT = 5oC
Clausius-Clapeyron:
35% mehr Wasser.
Æ 477 mm / 24 Std.Wie
Wiewirkt
wirktdie
dieKlimaveränderung
Klimaveränderungauf
auf
den
denNiederschlag
NiederschlagP?
P?
Wasserspeicherkapazität der Atmosphäre:
• hängt stark von T ab (Clausius-Clapeyron)
• 7% mehr Wasser pro Grad Erwärmung
Im Einzelfall steht deutlich mehr Wasser für P zur Verfügung
¾ Extremniederschläge könnten zunehmen
aber: nehmen Niederschläge insgesamt zu?Wie
Wiewirkt
wirktdie
dieKlimaveränderung
Klimaveränderungaufauf
den
denmittleren
mittlerenNiederschlag?
Niederschlag?
¾ Auf lange Sicht global gemittelt gilt: Niederschlag P = Verdunstung E
¾ Verdunstung von der Oberfläche erfordert Energie!
eingestrahlte P und E wird durch determiniert, nicht durch T!
Energie
>25
25 mm Atmosphäre
Wasser(dampf)
Wasser(dampf)
E (>
(2.7
2.7
mm/Tag)
mm/Tag) P (>2.7
(2.7 mm/Tag)
mm/Tag)
Ozean / ErdoberflächeKlimamodelle: Zunahme des Niederschlags
in Abhängigkeit der Erwärmung
Allen and Ingram (2002)
ΔP = 2%/K (viel weniger als CC = 7%/K!)Residenzzeit
Residenzzeitdes
desWassers
Wassersininder
derAtmosphäre
Atmosphäre
Speicherterm 25 mm
Residenzzeit = = = 9 Tage
Fluss 2.7 mm/Tag
eingestrahlte
Energie
25 mm Atmosphäre
Wasser(dampf)
E (2.7 mm/Tag) P (2.7 mm/Tag)
Ozean / ErdoberflächeResidenzzeit
Residenzzeitdes
desWassers
Wassersininder
derAtmosphäre
Atmosphäre
+7%/K Residenzzeit von
Speicherterm Wasser in der Atmosphäre
Residenzzeit =
+2%/K erhöht sich
Fluss
eingestrahlte
Energie
25 mm Atmosphäre
Wasser(dampf)
E (2.7 mm/Tag) P (2.7 mm/Tag)
Ozean / ErdoberflächeVeränderung
Veränderungdes
deshydrologischen
hydrologischenKreislaufs
Kreislaufs
Wasserspeicherkapazität der Atmosphäre erhöht sich
Residenzzeit von Wasser in der Atmosphäre erhöht sich
stärkere Niederschläge im Einzelfall
gleichzeitig: Möglichkeit für längere TrockenphasenZusammenfassung
Wasser
Wasser in
in der
der Atmosphäre
Atmosphäre
Drei Phasen:
gasförmig, flüssig, fest
physikalische Eigenschaften (Strahlung/Albedo)
Treibhauseffekt:
Wasserdampf: wichtigstes Treibhausgas
Wasserdampf-Rückkopplung
Rolle der Wolken
Hydrologische Extreme
Sommer 2002, Sommer 2003
Wasserkreislauf bei Klimaänderung?
Wasserspeicherkapazität
Residenzzeit
Æ Zunahme von hydrologischen ExtremenVielen Dank!
Sie können auch lesen
