Jordens strålningsbalans och
atmosfärens allmänna cirkulation:
Hadleycellen, subtropiska högtryck, intertropska konvergenszonen ITCZ, vissa globala förhållanden
Marcus Löfverström
[email protected]
Vem är jag?
• Utbildad meteorolog och doktorand sedan 2009
• Intresserar mig för atmosfärens allmänna cirkulation
med specialisering på mellanbreddernas dynamik
• Nuvarande forskning behandlar:
1) Långa vågors interaktion med latent värme
2) Ickelinjära effekter av topografi på barotropa och
baroklina flöden
Marcus Löfverström
[email protected]
Dagens föreläsning behandlar...
• Jordens strålningsbalans
• Begreppet allmän cirkulation
• Hadleycellen och ITCZ
• Subtropiska högtryck
• Cirkulationen på mellanlatituderna
Milankovitchparametrar
Olika orbitala parameterar
har väldigt olika tidsskala
Precession - precision av rotationsaxeln
Obliquity - lutning på rotationsaxeln
Eccentricity - hur elliptisk jordens bana
är
Milankovitchparametrar
Jordens strålningsbalans
För ett “stabilt” klimatsystem måste det råda en balans
mellan inkommande och utgående strålning!
Jordens strålningsbalans
För ett “stabilt” klimatsystem måste det råda en balans
mellan inkommande och utgående strålning!
- Planeten som helhet -
Jordens strålningsbalans
För ett “stabilt” klimatsystem måste det råda en balans
mellan inkommande och utgående strålning!
In: 342 Wm-2
Ut: (235+107) Wm-2 = 342 Wm-2
Jordens strålningsbalans
Enklaste tänkbara strålningsbalansmodell
Radiation model
tion model
− α)πr
S0 (1 − α)πr2
Project Plan for Ph.D studies
solar radiation
Radiation model
Radiation modelS0 (1
− α)πr
longwave radiation
Radiation model
2
σT 4 4πr2
Marcus
Johansson
S (1 − α)πr2
0
S0 (1 − α)πr2
2
S0 (1 − α)πr2
4
2
σT 4 4πrNovember
4
2
σT
4πr
!
28,
2010
σT 4πr
σT 4 4πr2
4 S0 (1 − α)
2
4
2
surface
S0 (1 − α)πr = σT 4πr ⇒ T =
= 255 K =
!
4σ S0 (1 − α)
! S (1!−!α)πr
2
4
2
= 255 K
S
−=α)σT 4πr ⇒ T =
0
0 (1
2
4
2
◦
S
(1
−
α)
4σ
0
S
− α)πr
α)πr
= σT
σT4 4πr
4πr
T==− α)
=255255
K
= −18
S0T(1
24 ⇒
◦ ◦ C
0 (1
4−
22 =
S
(1
⇒
=
K
=
−18
C
0
4σ
1
Background
= σT 4πr ⇒ T =
4σ = 255 K◦ = −18 C
real
4σvalue is 288 K = 15 C ⇒
4
2
4
4
real value is 288 K = 15◦ C ⇒ greenhouse gases accounts for a heating of 33K
greenhouse
gases
accounts for a heating of 33K
in
this simple
model
The atmospheres large-scale circulation has been carefully studied for several
Jordens strålningsbalans
Hur ser det ut i verkligheten?
150,000,000 km
På grund av att jorden är (nästan) sfärisk
träffas tropikerna av mer strålning än polerna
i medeltal (värdigt stark säsongsvariation)
Jordens strålningsbalans
Hur ser det ut i verkligheten?
Årsmedelvärde av strålning på
789)
!""#$%&'($")*+!),$-.$/0")123425)6)'
-2
toppen av atmosfären (Wm )
Inkommande strålning
!:;0,:(-)<6)
(kortvågig)
Utgående
strålning
+#=>0.">)?6)
(långvågig)
Jordens strålningsbalans
Hur ser det ut i verkligheten?
SW - kortvågig (inkommande)
LW - långvågig (utgående)
Tre viktiga observationer i figuren
1. Mer inkommande än utgående strålning i tropikerna
2. Mer utgående än inkommande strålning på höga latituder
3. Större latitudinal variation hos SW än hos LW
energy balance model
Jordens strålningsbalans
Hur ser det ut i verkligheten?
radiation model
ergy exchange
För att strålningsbalansen skall gå ihop måste det
finnas en transport av energi till högre latituder
Begreppet allmän cirkulation
Beskriver...
• Storskaliga rörelser i atmosfär och hav
• Energi och masstransport
• Nederbördsmönster
• Säsongsvariationer och variationer från år till år
Den allmänna cirkulationen är viktig att förstå
för att kunna säga någonting om utvecklingen av
klimatsystemet
Begreppet allmän cirkulation
För att strålningsbalansen skall gå ihop måste det
finnas en transport av energi till högre latituder
Energi i atmosfären
transporteras i tre
cirkulationsceller
• Hadley cellen
• Ferrel cellen
• Polar cellen
Begreppet allmän cirkulation
För att strålningsbalansen skall gå ihop måste det
finnas en transport av energi till högre latituder
Energi i atmosfären
transporteras av tre
cirkulationsceller
• Hadley cellen
• Ferrel cellen
• Polar cellen
Begreppet allmän cirkulation
Marktemperatur
Marktemperatur
!"#$%&'()'*+(,-./01(2(°C)
.3(
Jan
4%5"%#6(
Jul
4"76(
!"#$%"&'%(()%"'*+%(,'-.#/'
Begreppet allmän cirkulation
Temperatur & vind
!"#$"%&'(%")*+,-)&./)0+.&1)23./)*#45-)
*6,78-)
Januari
9&.(&%:)
Juli9(1:)
Begreppet allmän cirkulation
Nederbörd
!""#$%&$"'&()"$%&*+$"&,-+./,/0$1)"&2**3'$45
&
Årsmedel (mm/dag)
Begreppet allmän cirkulation
Termohalina cirkulationen
Långsam cirkulation >1000 år!
Hadley cirkulationen & ITCZ
Hadley cirkulationen
• Termiskt direkt cirkulation
(varm luft stiger och kall luft sjunker)
• Direkt resultat av differentiell strålning
• Upptäckt av George Hadley på tidiga 1700-talet
ITCZ - Inter Tropical Convergence Zone
• Avgör var “uppåtdelen” av Hadleycellen
befinner sig
Hadley cirkulationen & ITCZ
Vad är fel med Hadleys idé?
!"#$%&'"(#')%**%$$'
Hadley 1735!
Ferrell 1857!
Hadley cirkulationen & ITCZ
Schematisk bild av cirkulationen
H
30S
Varmt
L
Eq
Kallt
H
30N
Hadley cirkulationen & ITCZ
Schematisk bild av cirkulationen
ITCZ
H
30S
Varmt
L
Eq
Kallt
H
30N
Hadley cirkulationen & ITCZ
Markvindar (ms-1)567(
!"#$%&'()*+,(-./012(3(4
8%+"%#9(
Januari
Juli 8":9(
Hadley cirkulationen & ITCZ
Vertikala vindar
Negativt betyder i detta fall uppåt
Hadley cirkulationen & ITCZ
Masstransporten i Hadleycellen
Årsmedel
DJF
JJA
Hadley cirkulationen & ITCZ
Numerisk simulering
Subtropiska högtryck
!"#$%"&"%$'("))*("$+,-./0$1/#2$
Marktryck
Jan
Högtrycken på södra halvklotet
är mer permanenta än3#4*#(5$
de på
norra halvklotet
Azoriska högtrycket är ett
exampel på ett kvasipermenent
högtryck
Notera lågtrycken över Atlanten
och Stilla Havet i januari
De subtropiska högtrycken3*%5$
ligger över jordens öknar
Jul
Subtropiska högtryck
• Permanenta högtryck i subtropikern (~30° latitud)
• En direkt konsekvens av Hadley cirkulationen
Cirkulationen på mellanlatituderna
Norra halvklotets vinter!"#$%"&"%$'("))*("$+,-./0$1/#2$
• Över haven finns de så
Jan
kallade “stormtracken”
där lågtrycken föds och 3#4*#(5$
tar sig fram
• Viktiga för transport av
värme till höga latituder
• Ingen riktig motsvarighet3*%5$
på södra halvklotet
Jul
Cirkulationen på mellanlatituderna
Ferrelcellen
• Termiskt indirekt cirkulation
(kall luft stiger och varm luft
sjunker)
• Drivs av energitransport
i lågtryck
• Dynamiskt komplicerad
cirkulation som endast existerar
i medelvärdesbildade fält
Cirkulationen på mellanlatituderna
Polarcellen
• Termiskt direkt cirkulation
(varm luft stiger och kall luft
sjunker)
• Drivs delvis av
energitransport i lågtryck
• Mycket svag cirkulation
Sammanfattning
• Atmosfärens allmänna cirkulation drivs av
strålningsimbalansen mellan tropikerna och
höga latituder
• Tre stora cirkulationsceller
Hadley [30S - 30N] termiskt direkt
Ferrel [30S/N-60S/N] termiskt indirekt
drivs av energitransport i lågtryck
Polar [60S/N-90S/N] termiskt direkt men
också bidras från energitransport
Frågor?
