Klimatologie - Climatology

Klimatologie ist die wissenschaftliche Erforschung des Klimas.

Klimatologie (aus dem Griechischen κλίμα , klima , "Ort, Zone"; und -λογία , -logia ) oder Klimawissenschaft ist die wissenschaftliche Erforschung des Klimas , wissenschaftlich definiert als über einen Zeitraum gemittelte Wetterbedingungen. Dieses moderne Studienfach gilt als Teilgebiet der Atmosphärenwissenschaften und als Teilgebiet der Physischen Geographie , die zu den Geowissenschaften gehört . Die Klimatologie umfasst heute Aspekte der Ozeanographie und Biogeochemie .

Die wichtigsten Methoden der Klimatologen sind die Analyse von Beobachtungen und die Modellierung der physikalischen Gesetze, die das Klima bestimmen. Forschungsschwerpunkte sind die Erforschung der Klimavariabilität , der Mechanismen des Klimawandels und des modernen Klimawandels . Grundkenntnisse des Klimas können für die kurzfristige Wettervorhersage genutzt werden , zum Beispiel über Klimazyklen wie die El Niño-Southern Oscillation (ENSO), die Madden-Julian Oscillation (MJO), die North Atlantic Oscillation (NAO), die Arctic Oscillation (AO), die Pacific Decadal Oscillation (PDO) und die Interdecadal Pacific Oscillation (IPO).

Klimamodelle werden für eine Vielzahl von Zwecken verwendet, von der Untersuchung der Dynamik des Wetters und des Klimasystems bis hin zu Projektionen des zukünftigen Klimas. Wetter ist als Zustand der Atmosphäre über einen bestimmten Zeitraum bekannt, während das Klima mit dem atmosphärischen Zustand über einen längeren bis unbestimmten Zeitraum zu tun hat.

Geschichte

Die Griechen begannen mit dem formalen Studium des Klimas; Tatsächlich leitet sich das Wort Klima vom griechischen Wort klima ab, was "Steigung" bedeutet und sich auf die Neigung oder Neigung der Erdachse bezieht. Der wohl einflussreichste klassische Text zum Thema Klima war On Airs, Water and Places, geschrieben von Hippokrates um 400 v . Diese Arbeit kommentierte die Auswirkungen des Klimas auf die menschliche Gesundheit und kulturelle Unterschiede zwischen Asien und Europa. Diese Idee, dass das Klima kontrolliert, welche Länder sich je nach ihrem Klima auszeichnen, oder klimatischer Determinismus , blieb im Laufe der Geschichte einflussreich. Chinesische Wissenschaftler Shen Kuo (1031-1095) abgeleitet , dass Klima natürlich über eine enorme Zeitspanne verschoben, nachdem die Beobachtung versteinerten Bambusse gefunden U - Bahn in der Nähe von Yanzhou (heute Yan'an , Shaanxi Provinz), ein Trockenklima Bereich ungeeignet für das Wachstum von Bambus.

Die Erfindung des Thermometers und des Barometers während der wissenschaftlichen Revolution ermöglichte eine systematische Aufzeichnung, die bereits 1640–1642 in England begann . Zu den frühen Klimaforschern gehört Edmund Halley , der 1686 nach einer Reise zur Südhalbkugel eine Karte der Passatwinde veröffentlichte. Benjamin Franklin (1706–1790) kartierte zuerst den Verlauf des Golfstroms für den Versand von Post aus den Vereinigten Staaten nach Europa . Francis Galton (1822–1911) erfand den Begriff Antizyklon . Helmut Landsberg (1906–1985) förderte die Verwendung der statistischen Analyse in der Klimatologie, was zu ihrer Entwicklung zu einer physikalischen Wissenschaft führte.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts konzentrierte sich die Klimatologie hauptsächlich auf die Beschreibung des regionalen Klimas. Diese beschreibende Klimatologie war hauptsächlich eine angewandte Wissenschaft, die Landwirten und anderen Interessierten Statistiken darüber lieferte, wie das normale Wetter war und wie groß die Wahrscheinlichkeit von Extremereignissen war. Dazu mussten Klimatologen eine Klimanormale oder einen Durchschnitt von Wetter und Wetterextremen über einen Zeitraum von typischerweise 30 Jahren definieren.

Um die Mitte des 20. Jahrhunderts betrachteten viele Annahmen in der Meteorologie und Klimatologie das Klima als ungefähr konstant. Während die Wissenschaftler über vergangene Klimaänderungen wie die Eiszeiten Bescheid wussten , war das Konzept des Klimas als unveränderlich bei der Entwicklung einer allgemeinen Theorie darüber, was das Klima bestimmt, nützlich. Dies begann sich in den folgenden Jahrzehnten zu ändern, und während die Geschichte der Klimaforschung früher begann, wurde der Klimawandel erst in den siebziger Jahren und später zu einem der durchschnittlichen Studienthemen für Klimatologen.

Unterfelder

Karte der Durchschnittstemperatur über 30 Jahre. Datensätze, die aus dem langjährigen Durchschnitt historischer Wetterparameter gebildet werden, werden manchmal als "Klimatologie" bezeichnet.

Verschiedene Teilgebiete der Klimatologie untersuchen verschiedene Aspekte des Klimas. In der Klimatologie gibt es unterschiedliche Kategorisierungen der Fachgebiete. Die American Meteorological Society beispielsweise identifiziert die deskriptive Klimatologie, die wissenschaftliche Klimatologie und die angewandte Klimatologie als die drei Unterkategorien der Klimatologie, eine Kategorisierung basierend auf der Komplexität und dem Zweck der Forschung. Angewandte Klimatologen wenden ihre Expertise in unterschiedlichen Branchen wie der verarbeitenden Industrie und der Landwirtschaft an .

Die Paläoklimatologie versucht, vergangene Klimata zu rekonstruieren und zu verstehen, indem sie Aufzeichnungen wie Eisbohrkerne und Jahrringe untersucht ( Dendroklimatologie ). Die Paläotempestologie verwendet dieselben Aufzeichnungen, um die Häufigkeit von Hurrikanen über Jahrtausende zu bestimmen. Historische Klimatologie ist die Erforschung des Klimas in Bezug auf die Menschheitsgeschichte und konzentriert sich daher nur auf die letzten paar tausend Jahre.

Die Grenzschichtklimatologie beschäftigt sich mit dem Austausch von Wasser, Energie und Impuls in Oberflächennähe. Weitere identifizierte Teilgebiete sind die physikalische Klimatologie, die dynamische Klimatologie, die Tornado-Klimatologie , die regionale Klimatologie, die Bioklimatologie und die synoptische Klimatologie. Die Untersuchung des Wasserkreislaufes über lange Zeitskalen wird manchmal hydroclimatology, insbesondere aufgerufen , wenn auf dem Wasserkreislauf , die Auswirkungen des Klimawandels zu studieren.

Methoden

Das Studium des zeitgenössischen Klimas umfasst meteorologische Daten, die über viele Jahre gesammelt wurden, wie Niederschlagsaufzeichnungen, Temperatur und atmosphärische Zusammensetzung. Das Wissen über die Atmosphäre und ihre Dynamik spiegelt sich auch in verkörperte Modelle , entweder statistische oder mathematische , die Hilfe von verschiedenen Beobachtungen zu integrieren und zu testen , wie sie zusammenpassen. Modellierung wird verwendet, um vergangene, gegenwärtige und potenzielle zukünftige Klimata zu verstehen.

Die Klimaforschung wird durch den großen Maßstab, die langen Zeiträume und die komplexen Prozesse, die das Klima bestimmen, erschwert. Das Klima unterliegt physikalischen Gesetzen, die als Differentialgleichungen ausgedrückt werden können . Diese Gleichungen sind gekoppelt und nichtlinear, so dass Näherungslösungen erhalten werden, indem numerische Methoden verwendet werden, um globale Klimamodelle zu erstellen . Das Klima wird manchmal als stochastischer Prozess modelliert , aber dies wird allgemein als Annäherung an Prozesse akzeptiert, die ansonsten zu kompliziert zu analysieren sind.

Klimadaten

Die Sammlung langer Aufzeichnungen von Klimavariablen ist für das Studium des Klimas unerlässlich. Die Klimatologie beschäftigt sich mit den aggregierten Daten, die die Meteorologie gesammelt hat. Wissenschaftler nutzen sowohl direkte als auch indirekte Klimabeobachtungen, von Erdbeobachtungssatelliten und wissenschaftlichen Instrumenten wie einem globalen Netz von Thermometern bis hin zu prähistorischem Eis, das aus Gletschern gewonnen wurde . Da sich die Messtechnik im Laufe der Zeit verändert, können Datenaufzeichnungen nicht direkt verglichen werden. Da Städte im Allgemeinen wärmer sind als das Umland, hat die Urbanisierung es notwendig gemacht, die Daten für diesen urbanen Wärmeinseleffekt ständig zu korrigieren .

Modelle

Klimamodelle verwenden quantitative Methoden, um die Wechselwirkungen von Atmosphäre, Ozeanen, Landoberfläche und Eis zu simulieren. Sie werden für eine Vielzahl von Zwecken verwendet, von der Untersuchung der Dynamik des Wetter- und Klimasystems bis hin zu Projektionen des zukünftigen Klimas. Alle Klimamodelle gleichen die einfallende Energie als kurzwellige (einschließlich sichtbare) elektromagnetische Strahlung auf die Erde mit der ausgehenden Energie als langwellige (infrarote) elektromagnetische Strahlung von der Erde aus. Jede Unwucht führt zu einer Änderung der durchschnittlichen Temperatur der Erde. Die meisten Klimamodelle berücksichtigen die Strahlungswirkungen von Treibhausgasen wie Kohlendioxid . Diese Modelle sagen einen Aufwärtstrend der Oberflächentemperaturen sowie einen schnelleren Temperaturanstieg in höheren Breiten voraus .

Modelle können von relativ einfach bis komplex reichen:

  • Ein einfaches Strahlungswärmeübertragungsmodell, das die Erde als einen einzelnen Punkt behandelt und die ausgehende Energie mittelt
  • dies kann vertikal (radiativ-konvektive Modelle) oder horizontal erweitert werden
  • Gekoppelte globale Klimamodelle aus Atmosphäre-Ozean- Meereis diskretisieren und lösen die vollständigen Gleichungen für Massen- und Energietransfer und Strahlungsaustausch.
  • Erdsystemmodelle umfassen außerdem die Biosphäre.

Forschungsthemen

Themen, die Klimatologen untersuchen, lassen sich grob in drei Kategorien einteilen: Klimavariabilität , Mechanismen des Klimawandels und moderner Klimawandel .

Klimatologische Prozesse

Verschiedene Faktoren beeinflussen den durchschnittlichen Zustand der Atmosphäre an einem bestimmten Ort. Mittlere Breiten weisen beispielsweise einen ausgeprägten jahreszeitlichen Temperaturzyklus auf, während tropische Regionen im Jahresverlauf nur geringe Temperaturschwankungen aufweisen. Ein weiterer wichtiger Einflussfaktor für das Klima ist die Kontinentalität: die Entfernung zu großen Wasserkörpern wie den Ozeanen . Ozeane wirken als mäßigender Faktor, so dass Land in seiner Nähe typischerweise milde Winter und gemäßigte Sommer hat. Die Atmosphäre interagiert mit anderen Sphären des Klimasystems , wobei Winde Meeresströmungen erzeugen , die Wärme rund um den Globus transportieren.

Klimaklassifizierung

Klassifikation ist ein wichtiger Aspekt vieler Wissenschaften, um komplizierte Prozesse zu vereinfachen. Im Laufe der Jahrhunderte wurden verschiedene Klimaklassifikationen entwickelt, die ersten im antiken Griechenland . Wie Klimas klassifiziert werden, hängt von der Anwendung ab. Ein Windenergieproduzent benötigt bei der Klassifizierung andere Angaben (Wind) als jemand, der sich für die Landwirtschaft interessiert, für den Niederschlag und Temperatur wichtiger sind. Die am weitesten verbreitete Klassifikation, die Köppener Klimaklassifikation , wurde Ende des 19. Jahrhunderts entwickelt und basiert auf der Vegetation. Es verwendet monatliche Temperatur- und Niederschlagsdaten .

Klimavariabilität

El Niño-Auswirkungen

Es gibt verschiedene Arten der Variabilität: wiederkehrende Temperaturmuster oder andere Klimavariablen. Sie werden mit unterschiedlichen Indizes quantifiziert. Ähnlich wie der Dow Jones Industrial Average , der auf den Aktienkursen von 30 Unternehmen basiert, die Schwankungen des gesamten Aktienmarktes abbildet, werden Klimaindizes verwendet, um die wesentlichen Elemente des Klimas abzubilden. Klimaindizes werden im Allgemeinen mit dem doppelten Ziel der Einfachheit und Vollständigkeit entwickelt, und jeder Index repräsentiert typischerweise den Status und das Timing des Klimafaktors, den er repräsentiert. Indizes sind naturgemäß einfach und kombinieren viele Details zu einer verallgemeinerten Gesamtbeschreibung der Atmosphäre oder des Ozeans, mit der sich die Faktoren charakterisieren lassen, die das globale Klimasystem beeinflussen.

El Niño-Southern Oscillation (ENSO) ist ein gekoppeltes Ozean-Atmosphären-Phänomen im Pazifischen Ozean, das für den größten Teil der globalen Temperaturschwankungen verantwortlich ist und einen Zyklus zwischen zwei und sieben Jahren hat. Die Nordatlantische Oszillation ist ein Variabilitätsmodus, der hauptsächlich auf die untere Atmosphäre, die Troposphäre, beschränkt ist . Die darüber liegende Atmosphärenschicht, die Stratosphäre, ist ebenfalls in der Lage, ihre eigene Variabilität zu erzeugen, vor allem in der Madden-Julian-Oszillation (MJO), die einen Zyklus von ungefähr 30-60 Tagen hat. Die interdekadische pazifische Oszillation kann auf dekadischen Zeitskalen Veränderungen im Pazifischen Ozean und in der unteren Atmosphäre bewirken.

Klimawandel

Klimawandel tritt auf, wenn Veränderungen im Klimasystem der Erde zu neuen Wettermustern führen, die über einen längeren Zeitraum an Ort und Stelle bleiben. Diese Zeitspanne kann nur wenige Jahrzehnte bis hin zu Millionen von Jahren betragen. Das Klimasystem bezieht fast seine gesamte Energie von der Sonne. Das Klimasystem gibt auch Energie an den Weltraum ab . Das Gleichgewicht der ein- und ausgehenden Energie und der Durchgang der Energie durch das Klimasystem bestimmen den Energiehaushalt der Erde . Wenn die eingehende Energie größer ist als die ausgehende Energie, ist der Energiehaushalt der Erde positiv und das Klimasystem erwärmt sich. Wenn mehr Energie ausgeht, ist der Energiehaushalt negativ und die Erde erfährt eine Abkühlung. Der Klimawandel beeinflusst auch den durchschnittlichen Meeresspiegel .

Der moderne Klimawandel wird durch die durch den Menschen verursachten Treibhausgasemissionen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe angetrieben, die die globale mittlere Oberflächentemperatur in die Höhe treiben . Steigende Temperaturen sind jedoch nur ein Aspekt des modernen Klimawandels, der beobachtete Veränderungen von Niederschlag , Sturmspuren und Bewölkung umfasst. Wärmere Temperaturen treiben weitere Veränderungen im Klimasystem voran , wie zum Beispiel die weit verbreitete Gletscherschmelze , den Anstieg des Meeresspiegels und Verschiebungen in Flora und Fauna.

Unterschiede zur Meteorologie

Im Gegensatz zur Meteorologie , die sich auf kurzfristige Wettersysteme von bis zu einigen Wochen konzentriert, untersucht die Klimatologie die Häufigkeit und Trends dieser Systeme. Es untersucht die Periodizität von Wetterereignissen über Jahre bis Jahrtausende sowie Veränderungen der langfristigen durchschnittlichen Wettermuster in Abhängigkeit von atmosphärischen Bedingungen. Klimatologen untersuchen sowohl die Natur des Klimas – lokal, regional oder global – als auch die natürlichen oder vom Menschen verursachten Faktoren, die Klimaänderungen verursachen. Die Klimatologie betrachtet die Vergangenheit und kann helfen , den zukünftigen Klimawandel vorherzusagen .

Phänomene von klimatologischem Interesse sind die atmosphärische Grenzschicht , Zirkulationsmuster , Wärmeübertragung ( strahlend , konvektiv und latent ), Wechselwirkungen zwischen der Atmosphäre und den Ozeanen und der Landoberfläche (insbesondere Vegetation, Landnutzung und Topographie ) sowie die chemische und physikalische Zusammensetzung von Atmosphäre.

Verwendung in der Wettervorhersage

Eine kompliziertere Art, eine Vorhersage zu machen, erfordert die analoge Technik, sich an ein vorheriges Wetterereignis zu erinnern, von dem erwartet wird, dass es durch ein bevorstehendes Ereignis nachgeahmt wird. Was die Anwendung dieser Technik erschwert, ist, dass es selten ein perfektes Analogon für eine zukünftige Veranstaltung gibt. Einige nennen diese Art der Vorhersagemustererkennung, die nach wie vor eine nützliche Methode zur Beobachtung von Regenfällen über Datenlücken wie Ozeanen mit Kenntnissen darüber ist, wie sich Satellitenbilder auf die Niederschlagsraten über Land beziehen, sowie die Vorhersage von Niederschlagsmengen und -verteilung in der Zukunft. Eine Variation dieses Themas wird bei der Vorhersage mittlerer Reichweite verwendet, die als Televerbindungen bekannt ist , wenn Systeme an anderen Standorten verwendet werden, um den Standort eines Systems innerhalb des umgebenden Regimes zu bestimmen. Eine Methode zur Nutzung von Telekonnektionen besteht in der Verwendung von Klimaindizes wie beispielsweise ENSO-bezogenen Phänomenen.

Siehe auch

Verweise

Bücher

  • Robinson, Peter J. Robinson; Henderson-Sellers, Ann (1999). Zeitgenössische Klimatologie . Harlow, England: Pearson Prentice Hall. ISBN 0582276314.
  • Rohli, Robert. V.; Vega, Anthony J. (2018). Klimatologie (vierte Aufl.). Jones & Bartlett Lernen. ISBN 9781284126563.
  • Rohli, Robert. V.; Vega, Anthony J. (2011). Klimatologie (zweite Aufl.). Jones & Bartlett Lernen.
  • Wang, Shih-Yu; Gillies, Robert R., Hrsg. (2012). Moderne Klimatologie . Rijeka, Kroatien: InTech. ISBN 978-953-51-0095-9.

Weiterlesen

  • Jenny Uglow , "What the Weather Is" (Rezension von Sarah Dry, Waters of the World: The Story of the Scientists Who Unraveled the Mysteries of Our Oceans, Atmosphere and Ice Sheets and Made the Planet Whole , University of Chicago Press, 2019 , 332 pp.), The New York Review of Books , vol. LXVI, Nr. 20 (19. Dezember 2019), S. 56–58.

Externe Links