Ein Winter mit extrem niedriger Eisbedeckung in der Arktis geht zu Ende - Rückschau des Winters 2016/2017

09. März 2017

Unmittelbar vor Erreichen des winterlichen Maximums der Meereisausdehnung im Laufe des Märzes in der Arktis, lässt sich eine erste Bewertung des zurückliegenden Winters erstellen. Sowohl der letzte (2015/2016) als auch der aktuelle Winter (2016/2017) zeichneten sich durch erhöhte Lufttemperaturen und eine für diese Jahreszeit sehr geringe Meereisausdehnung aus, die ihrerseits wiederum die atmosphärische Zirkulation beeinflussen können. „Wie dies alles nun auf die Meereisbedeckung des anschließenden Sommers wirkt und ob es zu einer früheren und verstärktem Schmelzen des Meereises in diesem Jahr kommt, kann zu dieser Jahreszeit noch nicht gesagt werden, da dies von vielen verschiedenen Faktoren, abhängig ist, vor allem vom Wetter in den kommenden Monaten. Dennoch erwarten wir für den kommenden Sommer wieder einen starken Rückgang des Arktischen Meereises“, so Dr. Marcel Nicolaus, Meereisphysiker am Alfred-Wegener-Institut in Bremerhaven.

Aktuelle Meereissituation in der Arktis

Der gesamte Winter 2016/2017 ist geprägt durch eine sehr geringe Meereisbedeckung. Die Meereisausdehnung in der Arktis erreichte am 1. März einen Wert von 14,38 Mio. km² und liegt damit, wie schon bereits den gesamten Februar, leicht unter der zweifachen Standardabweichung des langjährigen Mittelwertes von 1981-2010 (siehe Abb. 1). Der Monatsmittelwert für Februar lag bei 14,14 Mio. km² (siehe Abb. 2) und ist damit der geringste Wert für den Monat Februar seit Beginn der Satellitenaufzeichnungen (siehe Abb. 3). Ähnlich niedrige Werte wurden nur 2006 (14,22 Mio. km²), 2011 (14,25 Mio. km²) und 2012 (14,25 Mio. km²) erreicht.

Entwicklung der Meereissituation im Winter 2016/2017

Das jährliche Meereisminimum wurde in 2016 vergleichsweise früh Anfang September erreicht. Bis Anfang Oktober begann sich das Meereis zunächst rasch wieder neu zu bilden. Danach verringerte sich die Meereisneubildung jedoch stark und bewegte sich bis Ende des Jahres weit unter der zweifachen Standardabweichung des langjährigen Mittelwertes, wie auch unter den Werten von 2012 und 2007 (Abbildung 1 und siehe News-Eintrag November). Zu Jahresbeginn 2017 wurden die sehr niedrigen Werte von 2012 und 2007 aber wieder erreicht und die tägliche Meereisausdehnung verlief entlang des unteren Randes der zweifachen Standardabweichung für den langjährigen Mittelwert der Meereisausdehnung (siehe Abbildung 1).

Meereisdicke im Januar 2016 und 2017 aus CryoSat2 Satellitendaten

Neben der Meereisausdehnung spielt die Meereisdicke eine entscheidende Rolle für die weitere Entwicklung des Meereises bis zum Sommer. Nur mit Hilfe der Meereisdicke können Aussagen über das Volumen des Meereises gemacht werden. Jedoch sind Informationen über die Dicke des Meereises weniger zuverlässig und erst in den vergangenen Jahren erlauben es Satellitenmessungen (wie z.B. von CryoSat2) arktisweite Datensätze der Eisdicke abzuleiten und diese mit einer gewissen Zuverlässigkeit zu quantifizieren. Abbildung 4 zeigt die Meereisdicke errechnet aus den CryoSat2-Satellitendaten für den Januar 2016 und 2017 sowie die Differenz zwischen den beiden Jahren. Bereiche, in denen wir 2017 dünneres Meereis vorliegen haben, liegen nach diesen Abschätzungen in der Tschuktschensee, in der sich das Meereis in diesem Winter erst relativ spät gebildet hat. Weiterhin finden sich Regionen von dünnerem Meereis im Vergleich zum letzten Jahr im Januar in der Kara- und Barentssee, in Teilen des Kanadischen Schelfs wie auch in Regionen der Zentralarktis. Es gibt aber auch viele Regionen, in denen das Meereis in diesem Januar größere Eisdicken aufweist wie z.B. in der Beaufortsee oder der Laptewsee  oder auch im Bereich des Amundsen Beckens, wo die transpolare Drift verläuft. Es lässt sich aber festhalten, dass sich ein sehr heterogenes Bild der Meereisdicke für beide Winter abzeichnet und dass sich dies auch auf interannuale Variabilität zurückführen lässt. Viele Faktoren werden diese vorliegenden Bedingungen vor der Schmelzperiode nun beeinflussen und lassen daher momentan keine eindeutigen Schlüsse darüber zu, wie sich das Meereis im Sommer 2017 entwickeln wird.

Abbildung 4: Meereisdickedaten für Januar 2016 (links), Januar 2017 (Mitte) und die Differenz der beiden Monate rechts. Blaue (rote) Bereiche rechts kennzeichnen Gebiete, in denen im Januar 2017 das Meereis dicker (dünner) war als im Januar 2016. Ergänzend ist für Januar 2017 noch die mittlere Meereisausdehnung für September 2016 eingezeichnet (grüne Linie) (links) und zum langjährigen Mittelwert . Blau sind Regionen gekennzeichnet, die mehr Meereis im Vergleich zum Vorjahr zeigen, während rote Regionen weniger Meereis aufweisen.

Anomalien der Meereisentwicklung

Sehr gut zu erkennen sind diese zeitlichen Entwicklungen auch in der Karte der täglichen Anomalie der Meereiskonzentration relativ zum langjährigen Mittelwert von 1981-2000 (siehe Abbildung 5). Die tägliche Anomalie der Meereisausdehnung wies im gesamten Jahr 2016 negative Werte auf. Mit Beginn des Monats Oktober lag diese Anomalie weit unterhalb der Werte von 2007 und 2012, den beiden Jahren der bisher geringsten sommerlichen Meereisausdehnungen, und diese Tendenz setzte sich im Januar 2017 fort. Aussagen darüber, wie stark die momentane geringe Meereisausdehnung Auswirkungen auf die sommerlichen Meereisbedingungen hat, kann man aus diesen Informationen jedoch nicht direkt ableiten. Es lässt sich jedoch festhalten, dass das arktische Meereis in den letzten vier Jahrzehnten starke Veränderungen gezeigt hat, sowohl in der Ausdehnung, der Dicke wie auch dem Alter des Meereises, die ihrerseits wiederum auf das Meereis und seine Eigenschaften zurückwirkt.

Im Vergleich zum Vorjahr und auch zum langjährigen Mittelwert  war die Meereisausdehnung im Oktober besonders niedrig in der Beaufort-, Laptev-, Kara- und Ostsibirischen See (Abbildung 6). Die Baffinbucht in Kanada und die Karasee zeigten auch noch im November deutliche Unterschiede zum letzten Winter. Die Unterschiede in der Meereisausdehnung reduzierten sich dann im Verlauf des Winters, so dass die Startbedingungen für die beginnende Schmelzsaison in diesem Jahr denen im letzten Jahr sehr ähnlich sind. Nordöstlich von Spitzbergen ist die Eisausdehnung im Vergleich zu 2016 geringer, während sie nördlich und in der Barentssee größer ist. Auch in der Beringsee gibt es eine Ost-West-Änderung, mit mehr Eis auf der kanadischen Seite und weniger Eis auf der Russischen.

Abbildung 6: Vergleich der monatlich gemittelten Position der Eiskante (15 % Meereiskonzentration) für die Monate Oktober 2016 bis Februar 2017 mit den jeweiligen Vorjahreswerten (links) und zum langjährigen Mittelwert . Blau sind Regionen gekennzeichnet, die mehr Meereis im Vergleich zum Vorjahr zeigen, während rote Regionen weniger Meereis aufweisen.

Beschreibung der atmosphärischen Bedingungen des diesjährigen Winters (2016/2017) im Vergleich zum letzten Winter (2015/2016)

Die atmosphärische Zirkulation ist eine wichtige Ursache für die extremen Temperaturverhältnisse des vorherigen (2015/2016) und des letzten (2016/2017) Winters in der Arktis. Beide Winter zeichneten sich durch sehr warme Bedingungen aus.

Die Monate Dezember 2015 bis Februar 2016 bildeten die bisher wärmste Wintersaison in der Arktis. Die Analysen der Anomalien der Oberflächentemperaturen waren besonders ausgeprägt in den Gebieten mit verringerter Meereisausdehnung: Kara- und Barentssee und im südwestlichen Arktischen Ozean bei Alaska (siehe Abbildung 7 links). Eine weitere Region fand sich im eisbedeckten zentralen Arktischen Ozean. Atmosphärische Fernwirkungseffekte (sog. Telekonnektionen) vom Atlantik trugen zur Erwärmung über den Landoberflächen der hohen Breiten Euroasiens bei, Fernwirkungseffekte hervorgerufen durch den starken El-Niño 2015 erklären die Erwärmung des südlichen Alaskas und von British Columbia, während die Temperaturanomalien in der Zentralarktis im Januar und Februar mit einer erhöhten Konzentration von Wasserdampf in der Atmosphäre und einem dadurch erhöhten abwärts gerichteten Wärmefluss verbunden sind (Cullather et al. 2016). Atmosphärische Zirkulationsmuster der mittleren Breiten spielten eine entscheidende Rolle bei der Entstehung dieser sehr warmen Verhältnisse (Overland et al., 2016).

Die abrupte Erwärmung Ende Dezember 2015 (siehe Newseintrag Januar 2016) wurde durch den Einstrom von warmer und feuchter Luft in die Arktis, bedingt durch einen starken atlantischen Sturm, im späten Dezember 2015 hervorgerufen, der an der östlichen Küste von Grönland im späten Dezember 2015 endete. Hiermit verbunden war ein Anstieg der nach unten gerichteten langwelligen Strahlung in den Gebieten niedriger Eisbedeckung in der Barents- und Karasee. Er wurde jedoch gefolgt von einer langanhaltenden blockierenden Wetterlage zu Beginn des Jahres 2016, die den Einstrom warmer Luftmassen in die Arktis und die damit verbundene Erwärmung unterstütze (Kim et al., 2016). In Abbildung 7 sind rechts die korrespondierenden Werte für den Winter 2016/2017 abgebildet. Zwar zeigen die Monate Januar und Februar eine geringere Erwärmung in der zentralen Arktis an, als im Winter davor, jedoch lagen die Temperaturanomalien in den Monaten Oktober bis November 2016 deutlich höher als im Vergleichszeitraum 2015. Eine wärmere Atmosphäre verringert den Temperaturgradienten zwischen Ozean und Atmosphäre und reduziert damit das Meereiswachstum.

In Abbildung 8 ist für die entsprechenden Monate die geopotentielle Höhe (500 hPa) dargestellt, die die Höhe des Druckniveaus der 500 hPa-Fläche über der Arktis wiedergibt. Die geopotentielle Höhe auf diesem Druckniveau ermöglicht Aussagen über die großskalige Luftdruckverteilung und damit die Zirkulation, da sie die Hoch- und Tiefdruckverteilung und die Zirkulation der freien Atmosphäre beschreibt. Diese Druckverteilung ist verbunden mit der Arktischen Oszillation (AO). Eine positive (negative) AO-Phase ist charakterisiert durch einen stärkeren (schwächeren) Druckgradienten zwischen der Arktis und den Mittleren Breiten. Entsprechend werden die Westwinde in den Mittleren Breiten stärker (schwächer) und die Luftströmung für eine positive AO vorwiegend zonal (von West nach Ost oder auch von Ost nach West) bzw. für eine negative AO meridional (von Nord nach Süd oder auch von Süd nach Nord) ausgerichtet. Dies wiederum führt zu mehr (weniger) blockierenden Wetterlagen über der Nordhemisphäre. Positive AO-Werte sind mit einem mehr kreisförmig ausgebildeten Wirbel (Vortex) verbunden. Dieses Muster führt zu einer stärkeren Barriere des Luftmassenaustauschs zwischen Arktis und Mittleren Breiten. Negative Werte der AO hingegen ergeben einen mehr wellenförmiges Vortexmuster, das auch Einströme von wärmeren Luftmassen in die Arktis und Ausströme kalter Luftmassen von der Arktis in mittlere Breiten begünstigt. Letzteres konnte in den letzten beiden Wintern beobachtet werden. Beide Ausprägungen der AO können zu Extremen (Temperatur, Winden) führen.

Abbildung 9 zeigt die Anomalie der Monatsmittelwerte der 2 m Temperatur in Ny-Ålesund für den Winter 2015/2016 und 2016/2017 zum langjährigen Mittelwert von 1994 bis 2015. Sehr gut zu erkennen ist dort, dass der Januar und Februar 2016 sehr viel wärmer war als der aktuelle Winter in diesem Zeitraum. Dafür war der Oktober und November 2016 jedoch wärmer, als die entsprechenden Monate im vorigen Winter 2015. 

Ein weiteres Kennzeichen wärmerer Luftmassen in der Arktis ist ihr atmosphärischer Feuchtegehalt. Satellitendaten zeigen, dass die arktische Atmosphäre für die meisten Monate in den letzten Jahren feuchter geworden ist (Boisvert and Stroeve, 2015). Ein Anstieg des atmosphärischen Wasserdampfgehaltes und dem damit verbundenen Treibhauseffekt führt zu einer Erwärmung der Erdoberfläche. Die zusätzliche Feuchte über dem Meereis kann im Mai beispielsweise bedingen, dass die damit verbundene höhere langwellige Rückstrahlung das Schmelzen des Meereises begünstigt. Ein früheres Einsetzen der Eisschmelze im Frühjahr kann wiederum dazu führen, dass eisfreie Bereiche des Ozeans sich stärker erwärmen können, was ebenfalls eine Erhöhung des Wassergehaltes der Atmosphäre bewirken kann. Abbildung 10 zeigt die Jahre mit dem höchsten integrierten Wasserdampf der Atmosphäre, der niederschlagen kann (precipitable water vapor TGV) für den Zeitraum Oktober bis Dezember (links) und Januar und Februar (rechts). Hier ist deutlich zu erkennen, dass sich der aktuelle Winter im Dezember durch eine extrem hohe Luftfeuchtigkeit auszeichnete. Dies war im Winter 2015/2016 nicht der Fall. 

Beide Winter 2015/2016 und 2016/2017 unterscheiden sich durch die Ursachen der Entstehung ihrer extremen Bedingungen. Während der Winter 2015/2016 durch atmosphärische Prozesse, wie dem geteilten Vortex (siehe Abbildung 8), begünstigt wurde könnte die Situation im aktuellen Winter mit dem starken Eintrag von Feuchte in die arktische Atmosphäre im Herbst zu tun haben.

 

Ansprechpartner:

Prof. Dr. Christian Haas; Dr. Marcel Nicolaus; Dr. Monica Ionita-Scholz (AWI)

Dr. Gunnar Spreen and Dr. Georg Heygster (Universität Bremen)

Quellen:

Boisvert L. N. und Stroeve J.C.: The Arctic is becoming warmer and wetter as revealed by the atmopsheric infrared sounder, 2015, Geophysical Research Letter, doi: 10.1002/2015GL063775

Cullather R., Lim Y., Boisvert L. N., Brucker L., Lee J. N. und Nowicki S. M.: Analysis of the warmest Arctic winter, 2015-2016, Geophysical Research Letters, 2016, doi: 10.1002/2016GL071228

Kim B.-M., Hong J.Y, Jun S.-Y., Zhang X., Kwon H., Kim S.-J., Kim S.-W. und Kim H.-K., Major cause of unprecedented Arctic warming in January 2016: critical role of an Atlantic windstorm, 2016, Nature Scientific Reports, doi: 10.1038/srep40051

Overland J. E. und Wang M.: Recent extreme Arctic temperatures are due to a split polar vortex, American Meteorological Society, 2016, doi: 10.1175/JCLI-D-16-0320.1

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