<html><head><meta name="color-scheme" content="light dark"></head><body><pre style="word-wrap: break-word; white-space: pre-wrap;">\documentclass[12pt,twoside]{article}
\usepackage[utf8]{inputenc}
\usepackage{ngerman} %deutsch neue rechtschreibung
\usepackage[papersize={148.5mm,105mm},hdivide={7mm,*,7mm},vdivide={7mm,*,7mm}]{geometry} % a6 seitenrÃ¤nder
%\usepackage{textcomp}           % z.b. fÃ¼r gradzeichen
%\usepackage{graphics}           % um Grafiken einzubinden
%\usepackage{graphicx}           % um Grafiken einzubinden
%\usepackage{m-pictex}           % fÃ¼r chemie
%\usepackage{m-ch-en}            % fÃ¼r chemie
\usepackage{wrapfig}             % bilder mit text daneben
\usepackage{picinpar}
\usepackage{SIunits}
\usepackage{amsmath}             % mathe zeug z.B. overset
\usepackage{mathbbol}
\usepackage{mathtime}
\usepackage{colortbl}            % tabellenfarbig
\usepackage{color}               % farbe
\definecolor{red}{rgb}{1,0,0}
\definecolor{green}{rgb}{0,1,0}
\definecolor{blue}{rgb}{0,0,1}
\definecolor{gray}{gray}{0.8}
\usepackage{multirow}            % zellen Ã¼ber mehrer zeilen

\newcommand{\abs}[1]{\lvert#1\rvert}

\usepackage[pdftex]{hyperref,graphicx,color} % xfig pdf files einbinden, pdflinks
\pdfoutput=1

\hypersetup
{%
pdftitle = {Land-Athomsphere-Climate Interactions},%
pdfsubject = {},%
pdfauthor = {Thomas Kuster (Master in Environmental Sciences, 1. Semester)},%
pdfkeywords = {Land-Athomsphere-Climate Interactions, Umweltnaturwissenschaften, KÃ¤rtchen},%
colorlinks = {true},%
linkcolor = {blue}
}

\setlength{\parindent}{0pt} %kein einzug links nach einem abschnitt

% Kopfzeile zeile
\markboth{Antwort}{Aerosol I}
\setlength{\headsep}{6pt}
\setlength{\headheight}{14mm}
\pagestyle{myheadings}

\setcounter{secnumdepth}{0} %keine titelnummerierung

\begin{document}

\begin{flushleft}
\setcounter{page}{-1}
\let\origitemize\itemize
\def\itemize{\origitemize\itemsep0pt}

\huge{}
Aerosol I

Hinweise zu den KÃ¤rtchen
\normalsize{}\newpage
Aerosol I

Die KÃ¤rtchen beziehen sich auf die Vorlesung von:
\begin{itemize}
\item Christoph SchÃ¤r
\item Sonia Seneviratne
\end{itemize}
welche im WS 2006/2007 gehalten wurde. Die Bilder stammen aus den Vorlesungsunterlagen.

Erstellt von: Thomas Kuster (MSc Env. 1. Semester)

VerfÃ¼gbar via: \hyperref{http://fam-kuster.ch}{}{}{http://fam-kuster.ch}\newpage
\newpage

\huge{}
Wieso Land-AtmosphÃ¤re Interaktionen studieren
\normalsize{}
\newpage
Relevant fÃ¼r\dots
\begin{itemize}
\item KilmavariabilitÃ¤t und extreme Ereignisse (DÃ¼rren, Hitzewellen, extreme NiederschlÃ¤ge, Hochwasser)
\item ComputergestÃ¼tzte Wettervorhersagen, Saisonale Prognossen, KilmaverÃ¤nderung,\dots
\item Wichtige Quelle von Unsicherheiten bei VerstÃ¤ndnis des Klimasystems auf Grund von Mangel an Beobachtungen und der KomplexitÃ¤t (RÃ¼ckkopplungen, HeterogenitÃ¤t)
\end{itemize}
\newpage

\huge{}
VerhÃ¤ltnis der Land- zur OzeanoberflÃ¤che
\normalsize{}
\newpage
$\frac{2}{3}$ der Erde ist mit Ozeanen bedeckt.
\newpage

\huge{}
Bedeutung der Ozeane
\normalsize{}
\newpage
\begin{itemize}
\item WÃ¤rmespeicher
\item WÃ¤rmetransport (Golfstrom, El NiÃ±o)
\item \glqq{}Erinnerung\grqq{}: Einfluss auf mittlere und lanzeit KilmavariabilitÃ¤t (saisonale Vorhersagen)
\end{itemize}
Speicherung von Wasser auf dem Land spielt eine Ã¤hnliche Rolle:
\begin{itemize}
\item Kann sowohl dÃ¤mpfen als auch verstÃ¤rkend auf die KlimavarbilitÃ¤t wirken.
\item \glqq{}Speicherung\grqq{}: vorallem wichtig fÃ¼r saisonal Vorhersagen in den mittleren Breiten.
\end{itemize}
\newpage

\huge{}
Land vs. Ozean
\normalsize{}
\newpage
\begin{description}
\item[Land FlÃ¤chen] wirken vorallem als Wasserspeicher
\item[Ozean] wirkt vorallen als WÃ¤rmespeicher
\end{description}
\newpage

\huge{}
BenÃ¶tigte Energien fÃ¼r das AufwÃ¤rmen und den Phasenwechsel von Wasser
\normalsize{}
\newpage
\includegraphics[page=12, viewport=46 115 523 330, clip ,width=\linewidth]{../unterlagen/LACI06_Lecture1_HO}

FÃ¼r das AufwÃ¤rmen von Eis (\unit{0}{\celsius}) zu Dampf (\unit{100}{\celsius}) wird 86\% der Energie fÃ¼r die Phasenwechsel benÃ¶tigt!
\newpage

\huge{}
Land als Speicherkomponente fÃ¼r Energie und Wasser
\normalsize{}
\newpage
\includegraphics[page=14, viewport=110 470 555 680, clip ,width=\linewidth]{../unterlagen/LACI06_Lecture1_HO}

Schnee und Eis Ablagerungen sind auch relevant fÃ¼r das Klima.
\newpage

\huge{}
VerÃ¤nderung der gespeicherten Energiemenge im Boden

\normalsize{}
Formel
\newpage
VerÃ¤nderung der gespeicherten Energie (Bodentemperatur, Schneeschmelze,\dots):
$$
\frac{\partial H_s}{\partial t} = \underbrace{R^*}_{\textnormal{Nettostrahlung} = SW-LW} - \underbrace{SH}_{\textnormal{fÃ¼hlbare Waerme}} - \underbrace{LH}_{\textnormal{LatentewÃ¤rme}} - \underbrace{G}_{\textnormal{WÃ¤rmefluss in den Boden}}
$$
\includegraphics[page=17, viewport=64 84 270 285, clip ,width=0.4\linewidth]{../unterlagen/LACI06_Lecture1_HO}
\newpage

\huge{}
VerÃ¤nderung der gespeicherten Wassermenge im Boden

\normalsize{}
Formel
\newpage
VerÃ¤nderung der gespeicherten Wassermenge (Bodenfeuchte, Schnee, OberflÃ¤chenwasser, Grundwasser):
$$
\frac{\partial S}{\partial t} = (\underbrace{P}_{\textnormal{Niederschlag}} - \underbrace{E}_{\textnormal{Evapotranspiration}}) - \underbrace{R_s}_{\textnormal{OberflÃ¤chenabfluss}} - \underbrace{R_g}_{\textnormal{Grundwasserabfluss}}
$$
\includegraphics[page=18, viewport=285 85 530 285, clip ,width=0.5\linewidth]{../unterlagen/LACI06_Lecture1_HO}
\newpage

\huge{}
Aufteilung zwischen fÃ¼hlbare und latente WÃ¤rme
\normalsize{}
\newpage
Die Aufteilung der Netto Strahlung in fÃ¼hlbare und latente WÃ¤rme wird ist von der der zur VerfÃ¼gung stehender Bodenfeuchte abhÃ¤ngig.
\newpage

\huge{}
Wasserkreislauf
\normalsize{}

Beeinflussung von Niederschlag und Evapotranspiration
\newpage
\begin{itemize}
\item Wichtiger Einfluss der Vegetation auf die Evapotranspiration z.\,B. hÃ¤ngt ab von der Pflanzenart, AtmosphÃ¤rischem CO$_2$-Konzentration,\dots
\item Komplexe Interaktionen zwischen Evapotranspiration und Niederschlag (Grenzschicht Prozesse).
\end{itemize}
\newpage

\huge{}
Energiekreislauf
\normalsize{}

Beeinflussung der Strahlung
\newpage
\begin{itemize}
\item Wolken und Wasserdampf beeinflussen sowohl die einfallende kurzwellige Strahlung wie auch die abgestrahlte langwellige Strahlung.
\item Albedo ($\alpha$) hÃ¤ngt von der Schnee- und Vegetationsbedeckung ab ($SW_{net} = SW_{in}(1-\alpha)$)
\end{itemize}
\newpage

\huge{}
ZukÃ¼nftige Sommerhitzewellen
\normalsize{}

VerÃ¤nderung der charakteristischen (JJA) Temperatur
\newpage
\includegraphics[page=23, viewport=50 70 545 300, clip ,width=\linewidth]{../unterlagen/LACI06_Lecture1_HO}
\newpage

\huge{}
Energiebilanz
\normalsize{}

Wald vs. Weide
\newpage
Sommer 2003: Vegetationsbedeckung ist relevant fÃ¼r die Energiebilanz

\includegraphics[page=25, viewport=45 45 550 290, clip ,width=\linewidth]{../unterlagen/LACI06_Lecture1_HO}
\newpage

\huge{}
Globale Energiebilanz und Energieeintrag
\normalsize{}
\newpage
Die eingestrahlte Enegrie (aufgenommene) entspricht der abgestrahlten Energie (abgegebene).

Die einstrahlte Energie kommt von der Sonne. Die mittlere eingestrahlte Energie ist:
$$
S = \frac{1}{4}S_0
$$
$S_0 = 1367$\,Wm$^{-2}$ Extraterrestrische Solarkonstante, ist am hÃ¶chsten wenn die Sonne am nÃ¤chsten bei der Erde ist (im Januar).
\newpage

\huge{}
Albedo

\normalsize{}
Einige OberflÃ¤chen und ihre Werte sowie der globale Durchschnittswert
\newpage
\begin{tabular}{lr}
OberflÃ¤che &amp; Albedo $\alpha$\\
\hline
Wolken (100\,m dick) &amp; 0.4\\
Wolken (500\,m dick) &amp; 0.7\\
Ozean (Zenithwinkel $\unit{30}{\degree}$ &amp; 0.05\\
Ozean (Zenithwinkel $\unit{60}{\degree}$ &amp; 0.10\\
Ozean (Zenithwinkel $\unit{85}{\degree}$ &amp; 0.6\\
Eis &amp; 0.25--0.35\\
Schnee (alt--neu) &amp; 0.45--0.85\\
GrassflÃ¤che &amp; 0.2--0.3\\
Wald &amp; 0.1--0.2\\
globaler Durchschnitt &amp; 0.3
\end{tabular}
\newpage

\huge{}
Globale Energiebilanz
\normalsize{}
\newpage
\includegraphics[page=4, viewport=105 462 490 660, clip ,width=\linewidth]{../unterlagen/LACI06_Lecture2_HO}
\newpage

\huge{}
Bodenfeuchte
\normalsize{}

Wichtige Variablen und typische Werte
\newpage
\includegraphics[page=11, viewport=117 470 483 680, clip ,width=0.8\linewidth]{../unterlagen/LACI06_Lecture2_HO}

Typische Volumenanteile (grobe (z.\,B. Sand) -- feine Textur (z.\,B. Clay)):

PorositÃ¤t ($n$): 0.3--0.55

FeldkapazitÃ¤t ($FC$): 0.1--0.35

permanente Welkepunkt ($PWP$): 0.05--0.25

Trocken: 0
\newpage

\huge{}
CTL, SCEN, gekoppelt und ungekoppelt
\normalsize{}
\newpage
\begin{tabular}{lllll}
CTL &amp; HadAM3\_CTL &amp; 1960--1989 &amp; 1970--1989 &amp; Interactive\\
SCEN &amp; HadAM3\_A2 &amp; 2070--2099 &amp; 2080--2099 &amp; Interactive\\
CTL$_{\textnormal{uncoupled}}$ &amp; HadAM3\_CTL &amp; 1960--1989 &amp; 1970--1989 &amp; CTL climatology\\
SCEN$_{\textnormal{uncoupled}}$ &amp; HadAM3\_A2 &amp; 2070--2099 &amp; 2080--2099 &amp; SCEN climatology
\end{tabular}
\newpage

\huge{}
Grenzschicht Theorie
\normalsize{}
\newpage
Latenter WÃ¤remfluss
$$
LH = L \cdot ET = L \varrho \overline{q' w'}
$$

FÃ¼hlbarer WÃ¤rmefluss
$$
SH = c_p \varrho \overline{T' w'}
$$
Grenzschichttheorie
$$
\overline{q' w'} \approx C_W u_a (q_a - q_a)
$$
$$
\overline{T' w'} \approx C_H u_a (T_s -T_a)
$$
$u_a$: horizontaler Wind auf der HÃ¶he $z_a$ (z.\,B. $z_a = 10$\,m)

$q_s, T_s$: spezifische Feuchte und Tempertaur bei der OberflÃ¤che

$q_a, T_a$: spezifische Feuchte und Tempertaur auf der HÃ¶he $z_a$

$C_W, C_H$: Aerodynamischertransferkoeffizient fÃ¼r Feuchte und WÃ¤rme (HÃ¤ngt ab von: der StabilitÃ¤t, Struktur der Grenzschicht, OberflÃ¤chen Eigenschaften,\dots)
\newpage

\huge{}
Bowen Ratio
\normalsize{}
\newpage
$$
B = \frac{SH}{LH}
$$
$B \ll 1$ feuchte OberflÃ¤che, $LH$ dominiert Ã¼ber $SH$

$B \gg 1$ trockene OberflÃ¤che, $SH$ dominiert Ã¼ber $LH$

Aus der Grenzschicht Theorie:
$$
LH = L \varrho C_W u_a (q_s - q_a)
$$
$$
SH = c_p \varrho C_H u_a (T_s - T_a)
$$
$X_s$ an der OberflÃ¤che

$X_a$ Messwert auf HÃ¶he $z_a$

mit $C_W \approx C_H$ folgt:
$$
B = \frac{c_p (T_s - T_a)}{L(q_s - q_a)}
$$
\newpage

\huge{}
Messen des turbulenten Flusses
\normalsize{}
\newpage
$$
SH = c_p \varrho \overline{T' w'}
$$
$$
LH = L \varrho \overline{q' w'}
$$

Messung von $w'$ (mit einem Sonic-Anemometer (Ultraschall)), $T'$ und $q'$ mit sehr hoher zeitlicher AuflÃ¶sung (bis zu $\approx 100\,$Hz).

Die Messung von $T'$ ($SH$) ist genauer als die von $q'$ ($LH$).
\newpage

\huge{}
Reynoldsmittelung
\normalsize{}

Reynolds averaging
\newpage
Impulsgleichung ($f=0$, 2D):
$$
\frac{\partial u}{\partial t} + u \frac{\partial u}{\partial x} + w \frac{\partial u}{\partial z} = - \frac{1}{\varrho}\frac{\partial p}{\partial x}
$$
$u=\bar{u}+u' \quad p=\bar{p}+p' \quad \textnormal{vernachlÃ¤ssigen von } \varrho'$
$$
\underbrace{\frac{\partial \bar{u}}{\partial t} + \bar{u}\frac{\partial \bar{u}}{\partial x} + \bar{w}\frac{\partial \bar{u}}{\partial z} = - \frac{1}{\varrho}\frac{\partial \bar{p}}{\partial x}}_{\textnormal{Inpulsgleichung fÃ¼r den mittleren Fluss}} \underbrace{-\overline{u'\frac{\partial u'}{\partial x}} -\overline{w'\frac{\partial u'}{\partial z}}}_{\textnormal{Turbulenzterm}}
$$
\newpage

\huge{}
\glqq{}Bucket\grqq{} Model
\normalsize{}

Formel
\newpage
\begin{itemize}
\item Verwendet Widerstand um das Evapotranspirationslimit zu representieren
\item Aerodynamischerwiderstand (Turbulenterdiffusionsterm hindert Evapotranspiration)
\item Limitiert durch Bodenfeuchtedefizit ($\beta$-Faktor: $0 \leq \beta \leq 1$)
\end{itemize}
$$
SH = \varrho c_p \frac{T_s -T_r}{r_a}
$$
$$
E = \frac{LH}{L} = \varrho \beta \frac{q_{sat}(T_s)-q_r}{r_a} = \beta E_{POT}
$$
$T_r$: Temperatur bei ReferenzhÃ¶he

$q_{sat}$: abolute Luftfeuchte bei SÃ¤ttigung

$q_r$: spezifische Luftfeuchte bei ReferenzhÃ¶he

$r_q$: Aerodynamischerwiderstand

$\beta$: limitierender Faktor basierend auf Bodenfeuchtegehalt

$E_{POT}$: potentielle Evapotranspiration
\newpage


\huge{}
\glqq{}Bucket\grqq{} Model
\normalsize{}

Parametrisierung/Ergebnisse
\newpage
Sehr einfache Parametrisierung
\begin{itemize}
\item Die Evapotranspiration von rohem Boden wird Ã¼berschÃ¤tzt in allen Systemen
\item Keine ReprÃ¤sentation des Vegetationseinfluss (Stomatawiderstand)
\item Keine ReprÃ¤sentation von anderen limitierenden Faktoren (gekoppelt zu Stomatawiderstand): Strahlungstemperatur, Wasserdruckdefizit, Vegetationsstatus
\item Unter stressfreien Bedingungen: Immer noch ÃœberschÃ¤tzung von Evapotranspiration (potentielle Evaporation anstelle von potentieller Evapotranspiration (keine Null-Werte des Stomatawiderstands))
\end{itemize}
$\Rightarrow$ Allgemein: ÃœberschÃ¤tzung der Evapotranspiration in allen Systemen
\newpage

\huge{}
Biophysikalisches Modell
\normalsize{}
\newpage
\small{}
$$
E_{TR(leaf)} = \varrho \frac{q_{sat}(T_f)-q_{af}}{r_{la}+r_s}
\qquad
r_s = r_{s\,min} f(PAR, T, W , \delta e)
$$
$\bullet{}$ Viel detailiertere Wiedergabe der Land OberflÃ¤chen Prozesse als das \glqq{}Bucket\grqq{}-Modell

$\bullet{}$ HauptmÃ¤ngel des \glqq{}Bucket\grqq{}-Modell werden berÃ¼cksichtigt

$\bullet{}$ Explizite ReprÃ¤sentation der Vegetation (Stomatwiderstand)

$\bullet{}$ Geographische Variation der relevanten Parameter (Wurzeltiefe, Albedo, minimaler Stomatawiderstand, Bodenfeuchteparameter,\dots) abhÃ¤ngig von der Vegetation und des Bodenfeuchtetyps (look-up tables)

Trotzdem:

$\bullet{}$ Keine explizite ReprÃ¤sentation der Kohlenstoffassimilation/Photosynthese, z.\,B. kein Einfluss der CO$_2$-Konzentration auf die Evapotranspiration (evtl. relevant: KilmaverÃ¤nderung)

$\bullet{}$ Hochgradig abhÃ¤ngig von Evapotranspiration ($r_{s\,min}$) und Kalibrierungskurven welche die AbhÃ¤ngigkeit von $r_s$ von $PAR, T , W, \delta e$ reprÃ¤sentieren (nur wenige Beobachtungen stehen zur VerfÃ¼gung).

$\Rightarrow$ Stat-of-the-art ReprÃ¤sentation der LandoberflÃ¤chenprozesse in aktuellen Kilmamodellen.
\newpage

\huge{}
Physiologisches Modell
\normalsize{}
\newpage
\begin{itemize}
\item Erlaubt die expilizite ReprÃ¤sentation von Kohlenstoff Assimilation/Photosynthesis
\item Wichtig im Kontext der KilmaverÃ¤nderung (CO$_2$-Wasser Beziehung, Kohlenstoffkreislauf,\dots)
\end{itemize}
Trotzdem:
\begin{itemize}
\item HÃ¤ngt auch von kalibrierten Beziehungen und einigen Beobachtungen ab
\item Einige Unsicherheiten bleiben: z.\,B. CO$_2$-DÃ¼ngung, erhÃ¶hte Wassereffizienz,\dots (einige laufende Feldexperimente)
\item Phenology/Vegetations AktivitÃ¤t wird durch Fernmessungmethoden festgelegt.
\item Immer noch Annahme eines grossen Blattes, keine Beachtung von subgrid-scale HeterogenitÃ¤t
\end{itemize}
\newpage


%%%
\huge{}

\normalsize{}
\newpage

\newpage

\end{flushleft}

\end{document}

</pre></body></html>