Regionale saisonale Vorhersage der Meereisbedingungen als Indikator für die Beschiffbarkeit der arktischen Passagen

27. Juli 2018

Der Meereisrückgang in der Arktis im Sommer ist ein wichtiger Indikator für den fortschreitenden Klimawandel und dessen Auswirkungen in den Polargebieten der nördlichen Hemisphäre. Seit  Beginn der kontinuierlichen Satellitenbeobachtungen im Jahre 1979 nimmt die Meereisbedeckung in der Arktis im September im Mittel um ca. 13,3 % pro Dekade relativ zum Langfristmittel der Jahre 1981-2010 ab und hat von anfänglich ca. 7,5 Mio. km² nun eine mittlere Ausdehnung von ca. 4,6 Mio. km² erreicht (Abbildung 1).

Dieser Meereisrückgang, der vornehmlich dramatische Folgen für das Klima- und Ökosystem der Arktis und darüber hinaus hat, eröffnet gleichzeitig auch Potentiale für mögliche Schifffahrtsrouten von Container- und Frachtschiffen sowie Kreuzfahrtschiffen für Tourismus zwischen dem Nordatlantik und dem Nordpazifik. Klassische Routen sind hier die Nordwest- und Nordostpassage, die den Arktischen Ozean in den Küstenrandmeeren durchqueren (Abbildung 2).

So würde ein Containerschiff von Hamburg nach Tokio statt der klassischen Route durch den Suezkanal von ca. 21.000 km nur eine Strecke von etwa 13.000 km entlang der Nordostpassage über die Barents-, Kara-, Laptew-, Ostsibirische- und Tschuktschensee zur Beringstraße fahren. Ein Schiff  von New York würde anstatt dem Seeweg durch den Panamakanal von etwa 18.500 km Länge nur 14.000 km entlang der Nordwestpassage durch die Davis-Straße, den kanadischen Archipel, die Beaufort-See und über die Beringstraße in den Nordpazifik fahren. Dies spart große Mengen an Treibstoff und Fahrtzeit, was in heutiger Zeit ein wichtiger Faktor im weltweiten Handel ist. Während im Jahr 2010 nur wenige Schiffe die sogenannten „Northern Sea Routes“ passierten, wurden in 2013 bereits mehr als 60 Schiffe registriert (Northern Sea Route Information Office; National Snow and Ice Center, Cosco, Lloyd‘s List). Es wird damit gerechnet, dass bis zum Jahr 2030  etwa 25 % (mehr als 2000 Schiffe) der kommerziellen Containerfracht zwischen Asien und Europa über die Northern Sea Routes abgewickelt werden. Dies bedarf einem hohen Investment in neue Schiffe und die arktische Infrastruktur.  

Aber wie sicher sind diese Schiffsrouten bezüglich Eisgang und kann man schon heute etwas zur Meereisvorhersage auf den Nordwest- und Nordostpassagen sagen? 

Kann die Beschiffbarkeit der Northern Sea Routes heute schon mit Vorhersagefenstern von mehreren Monaten gesicherte Ergebnisse liefern, um Schifffahrt mit möglichst geringem Risiko zu ermöglichen?

Diesen Fragen wird u.a. auch in der Meereismodellierungsgruppe des Alfred-Wegener-Instituts nachgegangen. Dr. Frank Kauker, Mitarbeiter in der Sektion Meereisphysik des Alfred-Wegener-Instituts und Mitentwickler des Meereis-Ozean-Modells NAOSIM führt seit 2008 Meereisvorhersagen im Rahmen des ‚Sea Ice Outlook‘ durch: „Ziel des SIO ist es, die sommerlichen Eisbedingungen vom Start der Schmelzsaison Ende Mai an vorherzusagen. Ende Juni und Ende Juli werden die Vorhersagen aktualisiert und als Juni, Juli und August SIO veröffentlicht. Es nehmen etwa 30 internationale Gruppen am SIO teil, von denen etwa 10 Gruppen auch regionale Vorhersagen abgeben“.

Da es zurzeit noch keine verlässlichen saisonalen Vorhersagen der Atmosphäre in der Arktis gibt, werden bei den Vorhersagen mit NAOSIM die sommerlichen atmosphärischen Bedingungen der vorherigen Dekade benutzt und so ein Ensemble mit 10 Einzelsimulationen (sog. Ensemble-Mitgliedern) erzeugt. Die Vorhersage ist der Mittelwert der Eisbedingungen des gesamten Ensembles und eine Unsicherheit kann durch die Streuung der Eisbedingungen des Ensembles errechnet werden. Eine deutliche Steigerung der Güte der Vorhersagen konnte seit 2015 durch die Benutzung von satelliten-gestützten Beobachtungen im März und April des aktuellen Jahres erzielt werden (https://www.the-cryosphere-discuss.net/tc-2015-171). Die Beobachtungen umfassen Meereisdicken, die am AWI unter Verwendung des CryoSat-2 Satelliten erstellt werden, Meereiskonzentrationen und Meeresoberflächentemperaturen von OSI SAF (http://www.osi-saf.org/) sowie Schneedicken der Universität Bremen (https://seaice.uni-bremen.de/sea-ice-concentration). Durch die Verwendung dieser Beobachtungen konnte der Fehler der Vorhersage der Pan-arktischen Meereisausdehnung im September in etwa halbiert werden und liegt z.Z. bei etwa 0.3 Millionen km².

Die Vorhersagemethode erlaubt auch regionale Vorhersagen, wobei man allerdings bedenken muss, dass diese als noch stärker experimentell angesehen werden sollten, als die Vorhersage der Meereisausdehnung insgesamt. Die Gründe dafür sind vielfältig: zum einen ist es die Güte des Meereis-Ozean Modelles, das in dieser Anwendung nur eine Auflösung von etwa 50 km hat und auch auf noch nicht ausreichend verstandenen Prozessen beruht (z.B. Presseisrückenbildung); die Güte des atmosphärischen Antriebs, die wegen der sehr geringen Anzahl von vor-Ort (in-situ) Beobachtungen über dem Meereis nur unzureichend bewertet werden kann (es laufen im Moment große Forschungsprogramme, um die Situation zu verbessern, koordiniert im ‚Year of Polar Predictions‘ (YoPP, http://www.polarprediction.net/); die Güte der satelliten-gestützten Beobachtungen, deren Auflösung z.Z. im Bereich von etwa 25 km liegt und die auch wegen der geringen Anzahl von in-situ Beobachtungen unzureichend bewertet werden können (auch hier werden Beobachtungsprogramme vorbereitet, insbesondere das Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of ArctiClimate‘ (MOSAiC, http://www.mosaicobservatory.org/)). Trotzdem werden seit einigen Jahren beim SIO auch regionale Vorhersagen eingereicht. Dabei zeigte sich, dass die AWI Vorhersagen im internationalen Vergleich durchaus bestehen können (siehe z.B. Abbildung 11 bis 13 im SIO Jahresbericht 2017).

In den Karten in Abbildung 3 ist die Wahrscheinlichkeit für die Jahre 2012 bis 2018 gezeigt, dass die mittlere Eiskonzentration im September einen Wert größer als 15% annimmt. Alle Vorhersagen wurden Anfang Juli gestartet (July SIO). Gezeigt wird auch die aus satelliten-gestützten Beobachtungen abgeleitete Lage der 15% Meereiskonzentration-Isolinie der Jahre 2012 bis 2017. Die regionalen Vorhersagen der Jahre 2012 bis 2014 sind allerdings nicht vollständig unabhängig von den sommerlichen Bedingungen, da das Vorhersagesystem eine sogenannte Biaskorrektur verwendet, die mit Hilfe der September Meereisbedingungen der Jahre 2012 bis 2014 errechnet wurde. Diese Biaskorrektur ist zeitlich nicht veränderlich. Eine perfekte Vorhersage hätte eine Wahrscheinlichkeit von 1 innerhalb der beobachteten 15%-Isolinie. Es zeigt sich, dass die regionale Vorhersage i.A. eine hohe Güte hat. Mit der Einschränkung der Biaskorrektur, wäre das System sogar in der Lage gewesen, das Allzeit-Minimum des Jahres 2012 recht gut zu beschreiben. Deutlich ist im Jahr 2012 zu sehen, dass die Nord-Ost-Passage als gut befahrbar vorhergesagt wurde. Auch der nördliche Teil der Nord-West Passage wurde als befahrbar vorhergesagt. Hierbei ist zu bedenken, die die Vorhersagbarkeit in den schmalen Straßen des Kanadischen Archipels besonders schwierig ist und nicht betrachtet werden sollte. Auch in den Jahren 2014, 2015 und 2017 wurde eine gute Befahrbarkeit vorhergesagt, wobei hingegen in den Jahren 2013 und 2017 in der Nord-West Passage nördlich der Ostsibirischen See deutlich höhere Wahrscheinlichkeiten für das Vorhandensein von Meereis vorhergesagt wurden. Die aktuelle Vorhersage für September 2018 zeigt in diesem Gebiert die höchste Wahrscheinlichkeit für das Vorhandensein von Meereis der letzten Jahre.

Ein weiteres Maß für die Eisfreiheit der Passagen ist derjenige Tag im Jahr, wann zum ersten Mal eisfreie Bedingungen (Meereiskonzentrationen von weniger als 15 %) auftreten. Auch dieser Tag ist von Jahr zu Jahr sehr verschieden und in Abbildung 4 dargestellt. Sind im Jahre 2012 die meisten Gebiete, die bis Ende September eisfrei wurden, schon im Juli oder spätestens im August als eisfrei vorhergesagt, so wurde die Eisfreiheit im Jahre 2013 und auch 2014 sehr viel später vorhergesagt. Auch 2018 ist nach der aktuellen Vorhersage mit einem sehr späten Eintritt der Eisfreiheit in vielen Gebieten zu rechnen.

Die Wahrscheinlichkeit der Meereiskonzentration unter 15% wird im SIO benutzt, ist aber eigentlich kein gutes Maß für die Beschiffbarkeit der Region. Wichtiger für die Beschiffbarkeit ist das Auftreten von dickem Eis, da es dazu führen kann, dass sich das Schiff festfährt oder im schlimmsten Fall havariert. Abbildung 5 zeigt die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Eisdicken größer als 0,5 m. Der Wert von 0,5 m wurde dabei gewählt, da diese Eisdicken von Schiffen mit der kleinsten Eisklasse noch als durchfahrbar gelten. Die Wahrscheinlichkeiten sind i.A. sehr ähnlich zu den in Abbildung 3 gezeigten. Besonders nördlich der Ostsibirischen See sind sie aber oft deutlich größer. Auch im Jahre 2018 ist laut der aktuellen Vorhersage bei der Passage Vorsicht geboten. Ein Vergleich der Vorhersage mit den tatsächlich eingetretenen Meereisdicken ist leider nicht möglich, da es keine flächendeckenden Meereisdickenbeobachtungen für den Monat September gibt.

Analog zum ersten Tage der Eisfreiheit in Abbildung 4 ist in Abbildung 6 der erste Tag der ‚Beschiffbarkeit‘ (mittlere Eisdicken kleiner 0,5 m) abgebildet. Auch hier zeigt sich eine große Ähnlichkeit zu der analogen Abbildung der Eisfreiheit, aber in Detail ist auch hier zu sehen, dass der erste Tag der Beschiffbarkeit oft später Eintritt als der erste Tag der Eisfreiheit.

Trotz aller Unsicherheiten die heute noch bestehen, kann die saisonale Vorhersage der Eisbedingungen auch heute schon zum sicheren Transport von Gütern und Personen beitragen. Die Planung von Schiffsreisen dauert oft Monate. Die Vorhersagen der mittleren Eisdicken als auch des ersten Tag der Befahrbarkeit können bei der Planung hilfreich sein. So ist sicherlich im aktuellen Jahr bei der Nord-Ost Passage deutlich mehr Wert auf die Sicherheit zu legen als es z.B. im Jahr 2012 nötig war.

Natürlich können die saisonalen Vorhersagen keine zeitnahen hochaufgelöste Meereisvorhersagen auf der Basis von speziellen Satellitenfernerkundungs-Verfahren wie z.B. das ‚Synthetic Aperture Radar‘ ersetzen (siehe z.B. http://driftnoise.com/data-portal/und Esa-Projekt PRIIMA). Diese erlauben die aktuellen Meereisbedingungen und Vorhersagen über einige wenige Tage mit Auflösungen von etwa 100 m zu bestimmen. „Saisonale Vorhersagen könnten jedoch zur besseren Planung von arktischen Schiffspassagen in wenigen Jahren sehr hilfreich werden, und somit zum sicheren Transport durch die Arktis beitragen“, fasst Frank Kauker die Bedeutung von langfristigen Vorhersageprodukten zusammen.

Weiterführende Literatur:

Kauker, F., Kaminski, T., Ricker, R., Toudal-Pedersen, L., Dybkjaer, G., Melsheimer, C., Eastwood, S., Sumata, H., Karcher, M., and Gerdes, R.: Seasonal sea ice predictions for the Arctic based on assimilation of remotely sensed observations, The Cryosphere Discuss., 9, 5521-5554, doi.org/10.5194/tcd-9-5521-2015, 2015.

Ansprechpartner:

Dr. Frank Kauker (Alfred-Wegener-Institut)

Dr. Klaus Grosfeld (Alfred-Wegener-Institut)

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