Grundkurs Klima

414 Pages·2016·26.23 MB·German

by  Michael Hantel

Michael Hantel
Leopold Haimberger
Grundkurs
Klima
Grundkurs Klima
Michael Hantel · Leopold Haimberger
Grundkurs Klima
Michael Hantel Leopold Haimberger
Wien, Österreich Wien, Österreich
ISBN 978-3-662-48192-9 ISBN 978-3-662-48193-6 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-48193-6
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FÜR BARBARA UND ROMANA
Vorwort
DasvorliegendeBuchGrundkursKlimahateinZiel,dasbescheidenklingtunddoch
anspruchsvollist. Bescheidendeshalb,weilSie vomTitelherwahrscheinlicheine
EinführungindieKlimatologieerwarten.DiebekommenSieauch,undsogesehen
scheintunserVorhabenzunächstnureinweitererBeitragunterHundertenanderer
zumaktuellenKlimaproblemzusein.InfrüherenZeitenwusstemanimmerschon
umdiepraktischeBedeutungdesKlimas;dieWissenschaftbrachteunseremThema
ein freundliches Interesse entgegen, aber kaum mehr. Das hat sich in den letzten
Jahrzehntendramatischverändert.DieGründedafürsindvielfältig;einerderwich-
tigstenistdieTatsache,dasssichdasKlimaselbstverändert,unddasswirdieUr-
sachedafürsind.DieAuswirkungenreichenweitindieBereichegesellschaftlicher
Gestaltunghinein.
DasistabernichtunserThema.DerGrund,weshalbwirdasZielunseresBuches,
trotz der harmlos klingenden Ankündigung eines Grundkurses, als anspruchsvoll
bezeichnen, ist ein anderer. Wenn man die klassischen Ansätze der Klimatologie
durchgehtundaufihreAussagekraftabklopft,merktman,welcheGesetzmäßigkeit
dahintersteckt:esistdasHaushaltsprinzip.UnserAnliegenistes,Ihnendaszude-
monstrieren.DasHaushaltsprinzipmitseinemZusammenwirkenvonSpeicherung
S, Abfluss A und Umwandlung U der jeweiligen Zustandsgröße ist es, das hinter
denvielenneuerenStudienbeschreibenderundmodellierenderArterkennbarher-
vortritt;esbestehtinderForderung,dassdiedreiGrößenS,A,undUsichzunull
addieren müssen. Diese unspektakuläreBedingungin ihren Konsequenzenund in
ihrer Tiefe zu erläutern, ist das, nun leider wohl anspruchsvolle, Vorhaben dieses
Buches.
Das Haushaltsprinzip ist eine fundamentale konzeptionelle Vereinfachung;wir
betrachten es als die begriffliche Grundlage für das quantitative Verständnis des
Klimas.Darüberhinausistesnotwendig,umdasOrdnungsproblemderKlimadaten
zulösen.
Da werden Sie fragen, was anschließend an theoretischer Durchdringungnoch
kommenkann.IstdasHaushaltsprinzipvielleichtauchhinreichendfürdiePrognose
derzukünftigenEntwicklungdesKlimas?DieseFragewerdenwiramEndestellen,
vii
viii Vorwort
aber sie führt über das Anliegen dieses Buches hinaus. Wir begnügen uns damit,
exemplarischStärkenund Erfolgeebensowie die Grenzender Haushaltsaussagen
zustudieren,beschränktaufihrediagnostischeAnwendung.
DasBuchistinzweiTeilegegliedert(dieimInhaltsverzeichnisnichtabgebildet
sind):TeilIumfasstdieMethoden(KapitelEinsbisDrei),TeilIIdieAnwendungen
(KapitelVierbisZehn).DazugibtesKapitel11mitformalenAnhängen.
•
KapitelEins beschreibtdas Klimasystem unddas Ordnungsproblemder Kli-
matologie.DabeigehenwirdieklassischenLösungsansätzedurch.Alseigent-
licheLösungführenwirdasHaushaltsprinzipein,daswirmitelementarenBei-
spielenerläuternundbegründen.
•
Kapitel Zwei behandelt das Identitätsproblem der Fluidpartikel anhand der
Kontinuitätsgleichung;insbesonderediskutierenwirdenSchrittvonderdiskre-
tenzurkontinuierlichenDarstellungeinerZustandsgröße.AufdieserGrundlage
stellenwirdenPrototypderKlimahaushaltsgleichungauf.Diesistdermetho-
discheKernunsererDarstellung,ersteHälfte.
•
Kapitel Drei behandeltdie Methoden der Datenaufbereitunganhandder drei
MechanismendesHaushaltsgesetzes:dieZeitreihenanalyse,dieräumlicheAna-
lyseunddiestofflicheAnalyse.DerZeitreihenanalysekommtdabeidasHaupt-
gewichtzu.Manbrauchtsiezunächst,umausdenvorhandenenMessungenzu
einemwohldefiniertenKlimazustandzukommen.DazuführenwirindasVer-
fahren der dynamischen Datenassimilation ein, mit dem wir die Daten in die
Haushalte hineinbringen. Ihre raumzeitliche Variabilität wird nun erneut mit
MethodenderZeitreihenanalyseuntersucht.DiesistdermethodischeKernun-
sererDarstellung,zweiteHälfte.
•
Kapitel Vier bis Zehn In diesem zweiten Teil des Buches behandelnwir die
wichtigstenHaushalteim Klimasystem.Diese betreffenzunächstdieMassen-
bilanzvonAtmosphäreundOzean(Kapitel4).EsfolgtderBewegungszustand
derKlimafluide(Kapitel5);dasistderImpulshaushalt,derdenWindunddie
allgemeineZirkulationderAtmosphäresowiedasStrömungssystemimOzean
kontrolliert.DerEnergiezyklusderGeofluidewirdinKapitel6besprochen,der
hydrologischeKreislaufinKapitel7.InKapitel8kommtderKohlenstoffhaus-
haltandieReihe.InKapitel9beleuchtenwirkurzdiePartikelhaushalte(Wol-
kenundAerosole)undinKapitel10ansatzweisedieHaushaltelebenderSyste-
me.
Der methodische Teil I des Buches besteht darin, das handwerkliche Rüstzeug
dermodernenanalysierendenKlimatologiebereitzustellen;hierwerdendiebegriff-
lichenGrundlagengelegtundbreitbesprochen.
DerangewandteTeilIIdesBuchesistdieZusammenschaudersoentwickelten
globalen Haushaltsklimatologie, abgeleitet vornehmlich aus den Re-Analysen des
EuropäischenZentrumsfürMittelfristwettervorhersage(EZMW).Wirpräsentieren
siehierinFormvonKartenundHorizontalprofilendesKlimasystems(Atmosphäre,
OzeanundEisschilde).
Bei den Einzelhaushalten ist Gelegenheit, wichtige Klimaphänomene in ihrer
Erscheinungsformebensowie in ihrer haushaltsmäßigenBedingtheitzu erläutern.
Vorwort ix
SokommenwirzueinerzusammenhängendenglobalenKlimatologie,derenStärke
einefrühernichtmöglicheVollständigkeitundinnereKonsistenzallerbetrachteten
Felderist(endgültigerreichtmandiesenIdealzustandnie).
Dies ist übrigens auch der Fortschritt der hier präsentierten Klimatologie ge-
genüberherkömmlichenklimatologischenDatensammlungen.Einederneuerenist
das Werk Observed Global Climate, das 2005 in der Reihe Landolt-Börnsteiner-
schienenist[1].DiedamalsbearbeitetenDatenwarenzentriertumdasZeitintervall
1991–1995.SiewurdenjedochfürdieKlimasubsystemeinunterschiedlicherWei-
se ausgewertetundsindinderRegelnichtgegeneinanderabgeglichen.Aufdieses
Werkbeziehenwirunsmehrfach,insbesondereaufdieglobalenKartenimdortigen
Kapitel17(vgl.[2]).
UnserBuchunterscheidetsichnochineinemgrundsätzlicherenSinnevomTyp
derherkömmlichenSammelwerke.BeidiesenstandderGedankeimVordergrund,
denFachleuteneinegeprüfteSammlungzuverlässigerDatenderklimatologischen
Messwerte zu bieten. Dieses Ziel wird heute nicht mehr durch gedruckte Bücher
erreicht;vielmehrwerdendieDatenausdemInternetheruntergeladen.DieAufga-
be, außer dem theoretischen Hintergrund auch ausgewertete Felddarstellungen zu
bieten,diealsStandardderKlimatologieanzusehenwaren,erfülltegeradenochdas
klassischeWerkvonPeixotoundOort[3]fürdieKlimaforschungdesausgehenden
zwanzigstenJahrhunderts.
Unsere Felder sind daher eher als Illustrationen anzusehen und dürften sich in
manchen Details wieder ändern. Von mehr bleibendemWert sind die inneren Zu-
sammenhänge,diewirherauszuarbeitenversuchen.UnsereDarstellungistaufJah-
resmittel der Periode2001-2012undräumlichauf das vertikaleMittel von Atmo-
sphäreundWeltmeerkonzentriert.InEinzelfällenzeigenwirauchdenJahresgang
unddenLangzeittrend.ImMittelpunktstehenjeweilsdievertikalenStrömeunddie
horizontalen Transporte. Diese sind bei einem stationären Klima im Fließgleich-
gewicht;wenndasKlimainstationärwird(Klimaschwankungen,Klimawandel),ist
dasGleichgewichtgestörtunddieZustandsgrößen(z.B.Temperatur,Eisbedeckung,
Meeresspiegelhöhe)wanderninRichtungaufandere(möglicherweiseunerwünsch-
te)Arbeitspunkteab.
Die letztgenannten Implikationen des Klimawandels behandeln wir in diesem
Buch jedochnichtund verweisen dazu stellvertretendauf den Bericht IPCC-2013
desWeltklimaratesundweitereeinschlägigePublikationen[4,5,6].DasneuePhä-
nomendesKlimawandelshatzweiDimensionen:eineSachverhaltsdimension;die-
se ist von der Wissenschaft theoretisch zu analysieren, das sehen wir als unsere
Aufgabe an. Und eine gesellschaftliche Dimension; diese ist von der Gesellschaft
praktischzugestalten–dasistdieAufgabederPolitik.
Diese Trennungder Aufgabenwird übrigensauch vom Weltklimarat [4] ange-
strebt, obwohl man nicht übersehen kann, dass gerade dessen Berichte bis hin zu
IPCC-2013mitseinerAnalysedergesellschaftlichenAuswirkungenunddermög-
lichenVermeidungsmaßnahmentiefindiepolitischenEntscheidungsprozessehin-
einreicht.DieseletzterePerspektivestehtbeiunsnichtimVordergrund.
WasdieSachverhaltsdimensionderBerichtedesWeltklimaratesangeht,sozeigt
essich,dassderenSchlussfolgerungeninzunehmendemMaßeaufHaushaltsargu-
x Vorwort
menten aufsetzen.Mit unseremBuch wollen wir nun ein Instrumentbereitstellen,
um fundiertargumentierenzu können.Die hier präsentiertenMethodenkannman
lernen(deshalbgibtesimBuchÜbungsaufgabenmitLösungen),siesinddieGrund-
lagefürdieErarbeitungbelastbarerAussagen.WirbetrachtenindiesemGrundkurs
denscheinbarwenigaufregenden,abergrundlegendenAspekt:dasallerKlimaana-
lysezugrundeliegendeHaushaltsgesetzinseinenvielfältigenErscheinungsformen.
Dabei hoffenwir, dass Sie Gefallen an diesem Vorgehen finden und nebenbeiein
vertieftesVerständnisfürdieaktuelleKlimadiskussiongewinnenwerden.
Einige Aufgabenlösungen sind in der Programmiersprache Python formuliert
undauchdieCodesfürmancheBildersindinPythongeschrieben.Siekönnenals
IPythonNotebooksheruntergeladenwerdenvon:
• http://homepage.univie.ac.at/leopold.haimberger/GrundkursKlima_Beispiele.ipynbbzw.
• http://homepage.univie.ac.at/leopold.haimberger/GrundkursKlima_Loesungen.ipynb
Zusätzlich verweisen wir auf einige instruktive Animationen zu den behandelten
ThemenimInternet:
1. ModellversuchzumTreibhauseffekt:
http://www.chf.de/eduthek/Treibhauseffekt/Treibhauseffekt.swf
HierwirddieTemperaturerhöhungdurchCO ineinemGlashausdemonstriert.
2
2. CO -Anstieg:
2
https://www.youtube.com/watch?v=t0dXjmoA0dw
HierwirddiezeitlicheVeränderungdesCO -GehaltsderAtmosphäreanwelt-
2
weitverteiltenMess-Stationen(MaunaLoa,Südpoletc.)demonstriert.
3. KöppenscheKlimaklassifikation.:
http://koeppen-geiger.vu-wien.ac.at/
DiesewebsitebietetAnimationenfürdiePerioden1900–2000und2000–2100.
Dieses Lehrbuch richtet sich an Studierende mittlerer Semester im Bachelor-Stu-
diumderUmweltwissenschaften,jedochauchandasallgemeininteressiertePubli-
kum. Die Kapitel 1 und 10 sind allgemein und ohne Mathematik verständlich. In
denKapiteln2bis9sowieimAnhangwirdMathematikgebraucht.
Im Kapitel 2 behandeln wir die Kontinuitätsgleichung der Fluide – da geht es
ohne elementare Differenzial- und Integralrechnungnicht ab. Im Kapitel 3 erläu-
ternwirdenstochastischenCharaktervonMessdaten–dagehtesohnestatistische
Grundgesetzenichtab. In den Kapiteln 4 bis 9 werden mathematischeHilfsmittel
benutzt,aberdieanschaulicheInterpretationderErgebnissestehtimVordergrund.
UnserZielistes,dieansicheinfachen,indenDetailsabervertrackten(undmit
Mathematikdurchsetzten)BegriffsbildungeninihrerNotwendigkeitverständlichzu
begründen.DabeischreckenwirvorhistorischenbishinzuphilosophischenKurz-
betrachtungenebensowenigzurückwievordidaktischerklärenderKleinarbeitoder
auch mathematischen Zumutungen. Es hilft nichts: Fließgleichgewicht im Klima
kann man nicht ohne den Begriff der Flussdivergenz und Datengenauigkeit kann
mannichtohnedenBegriffderWahrscheinlichkeitsdichtefunktionverständlichma-
chen.WennSieGeschmackandieserMethodefinden,dannistdashierIhrKlima-
buch.
Vorwort xi
Danksagung
Beider VorbereitungdiesesBucheshabenwir vielfacheBeratung,Datenhilfeund
sachlicheUnterstützungbishinzukritischerDurchsichtdesManuskriptsvonKol-
legInnenerfahren.Ihnenallendankenwirhiermit,insbesondere:
BodoAhrens,Frankfurt/Main
IngeAuer,Wien
RainerBleck,Boulder(CO)
GünterBlöschl,Wien
NicolausBuhlmanncan.reg.,Klosterneuburg
DonChambers,Austin(TX)
HildegardundEgbertDierker,Wien
AndreasHense,Bonn
ReginaHitzenberger,Wien
DorianHolzer,Wien
HelmuthHorvath,Wien
BernhardHynek,Wien
RuprechtJaenicke,Mainz
MarkusKottek,Klagenfurt
ChristophKottmeier,Karlsruhe
LukasKugler,Wien
KonradMauersberger,Minneapolis(MN)
MichaelMayer,Wien
HannsMooshammer,Wien
PeterNevir,Berlin
AtsumuOhmura,Zürich
MariannePopp,Wien
HansPuxbaum,Wien
JörgRapp,Frankfurt/Main
FranzRubel,Wien
RobertSausen,Oberpfaffenhofen
HaukeSchmidt,Hamburg
MarionSchroedter-Homscheidt,Oberpfaffenhofen
SusanneSchuck-Zöller,Hamburg
GeorgAntonSeyerl,Wien
ReinholdSteinacker,Innsbruck
MartinSteinheimer,Wien
BjornStevens,Hamburg
RainerStowasser,Wien
SimonTschannett,Wien
WilfriedWiniwarter,Wien