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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-61734
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2013/6173/


Climate and Climate Variability in an Aquaplanet Set-up

Klima und Klimavariabilität auf einem Aquaplaneten

Dahms, Eileen

Originalveröffentlichung: (2013) Berichte zur Erdsystemforschung Nr. 132 (2013)
pdf-Format:
 Dokument 1.pdf (14.697 KB) 


SWD-Schlagwörter: Meteorologie , Klima
Freie Schlagwörter (Deutsch): Aquaplanet , Klimamodell , Klimavariabilität , Antarktis
Freie Schlagwörter (Englisch): aquaplanet , climate model , climate variability , Antarctica
Basisklassifikation: 38.80
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Fraedrich, Klaus (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 22.01.2013
Erstellungsjahr: 2013
Publikationsdatum: 17.05.2013
Kurzfassung auf Deutsch: Es gibt immer noch viele grundlegende Fragen in der Klimawissenschaft, die bis heute nicht beantwortet werden konnten. Diese Dissertation hat zum einen das Ziel, den Einfluss von topographischen Hindernissen im Ozean auf die Zirkulation und auf das globale Klima zu untersuchen. Zum anderen soll sie zu einem besseren Verständnis von intern erzeugter, langfristiger Klimavariabilität und von Prozessen, die für vergangene Klimaveränderungen, insbesondere für die Vereisung der Antarktis, verantwortlich sind, beitragen. Um sich mit diesen Fragen zu befassen, wird ein idealisiertes Modell von Atmosphäre und Ozean verwendet. Während komplexe Modelle das Klimasystem so wirklichkeitsgetreu wie möglich abbilden, sind idealisierte Modelle hilfreiche Instrumente, um einfache Mechanismen zu verstehen. Aquaplaneten, in denen das komplexe Erdsystem auf seine fundamentalen, wichtigsten Prozesse reduziert wird, werden angewandt, um das Klima in seiner elementarsten Form zu untersuchen.

Im ersten Teil dieser Arbeit werden Aquaplaneten analysiert, die um unterschiedliche meridionale Begrenzungen im Ozean erweitert werden. Während der reine Aquaplanet keine geostrophisch ausbalancierte Strömung aufrecht erhalten kann, wird die Ozeanzirkulation durch das Einsetzen einer meridionalen Berandung komplett modifiziert. Darüber hinaus wird der Einfluss von Meeresstraßen untersucht. Wenn die Berandung eine Passage in den Tropen aufweist (die den Isthmus von Panama repräsentiert), hat dies äquatorialen Tiefenwasseraufstieg zur Folge sowie verstärkten polwärtigen ozeanischen Wärmetransport in höheren Breiten. Eine idealisierte Drake Passage (im Südpolarmeer) führt zu einer großen interhemisphärischen Zirkulationszelle im Ozean mit verstärktem nordwärts und abgeschwächtem südwärts gerichteten ozeanischen Wärmetransport.

Im zweiten Teil wird die langfristige Klimavariabilität des Aquaplaneten untersucht. Hauptsächlich ergibt sich eine ausgeprägte, niederfrequente Schwankung zwischen kälteren und wärmeren Klimazuständen mit einer Periode von ca. 700 Jahren. Die warmen Phasen sind durch eisfreie Polarmeere und eine schwächere meridionale Umwälzbewegung gekennzeichnet. In kälteren Phasen sind die Pole mit Eis bedeckt und die Zellen der Umwälzzirkulation sind stärker ausgeprägt. Das Klima ändert sich in Atmosphäre und Ozean, wobei die Meeresoberflächen durch die schwankende Meereisbedeckung besonders stark betroffen sind.

Im dritten Teil der Arbeit werden Sensitivitätsstudien durchgeführt, um drei Hypothesen zu untersuchen, die die Vereisung der Antarktis erklären sollen: die Öffnung der Drake Passage, abnehmendes atmosphärisches CO2 und sich verändernde Erdbahnparameter. Um sich auf die wesentlichen Mechanismen zu konzentrieren, werden die Simulationen unter idealisierten Bedingungen durchgeführt. Unter Einbezug aller drei Antriebe nehmen die Temperaturen ab und Schnee akkumuliert, was günstige Bedingungen für eine Vereisung schafft. Die relative Bedeutung jedes einzelnen Einflussfaktors wird untersucht. Obwohl alle Mechanismen zu einer Abkühlung des Klimas der südlichen hohen Breiten beitragen, sind die Anteile vom abnehmenden CO2 und von der Öffnung der Drake Passage relativ klein im Vergleich zur Auswirkung der veränderten Erdbahnparameter, dem wichtigsten Einflussfaktor in dieser Studie.
Kurzfassung auf Englisch: There are many fundamental problems in climate research, which have not been solved up to this day. This thesis aims at contributing to a better understanding of the influence of topographic ocean barriers on the circulation regime and the global climate state, of internally generated long-term variability mechanisms, and of processes that may be responsible for past climate changes, in particular for the onset of the Antarctic glaciation. To address these questions, an idealized model of atmosphere and ocean is applied. While complex models, which simulate the climate system as realistically as possible, have many advantages, idealized models are very helpful tools to understand basic physical mechanisms. Aquaplanets are used for studying the climate in its most elemental form by reducing the complex Earth system to its fundamental governing processes.

In the first part of this thesis, different aquaplanet configurations are analyzed, which contain meridional barriers in the ocean. While the pure aquaplanet cannot support geostrophically balanced flow, the insertion of a meridional barrier completely alters the ocean circulation regime. Moreover, the impact of ocean gateways is studied. A passage in the barrier, which is located in the tropics (representing the isthmus of Panama), causes strong equatorial upwelling but also increased poleward ocean heat transport at higher latitudes. An idealized Drake Passage (a passage in the barrier located in the southern ocean) leads to a large cross-equatorial overturning cell in the ocean with increased northward and decreased southward ocean heat transport.

In the second part of the study, long-term variability of the aquaplanet climate is analyzed. The main feature is a very dominant low-frequency oscillation between colder and warmer climate states with a period of approximately 700 years. The warm phases are characterized by ice-free polar waters and a weaker meridional overturning circulation. During cold phases, the poles are completely covered with sea ice and the meridional overturning cells are stronger. The climate state changes throughout atmosphere and ocean, however, surface areas in high latitudes are especially affected due to the changing sea ice cover.

In the third part of this thesis, sensitivity simulations are conducted to test three hypotheses about the onset of the Antarctic glaciation: the opening of the Drake Passage, declining atmospheric CO2, and changing orbital parameters. The simulations are carried out under idealized conditions to focus on the essentials. When all three forcings are included, temperatures decrease and snow accumulates, creating favorable conditions for glaciation. The relative importance of each forcing is explored. While all mechanisms indeed cool the climate of the southern high latitudes, the contributions from declining CO2 and from the opening of the Drake Passage are relatively small compared to the impact of changing orbital parameters, which appears to be the main forcing in this set-up.

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