Bewertung des AWI-Konsortium Sea Ice-Outlook Beitrags für Sommer 2015

F. Kauker1,3, T. Kaminski2,*, R. Ricker1, L. Toudal-Pedersen4, G. Dybkjaer4, C. Melsheimer5, S. Eastwood6, H. Sumata1, M. Karcher1,3, and R. Gerdes1,7

1 Alfred Wegener Institute, Bussestr. 24, 27570 Bremerhaven, Germany
2 The Inversion Lab, Tewessteg 4a, 20249 Hamburg, Germany
3 OASys, Tewessteg 4a, 20249 Hamburg, Germany
4 Danish Meteorological  Institute, Lyngbyvej  100, 2100 Copenhagen, Denmark
5 University of Bremen, Institute for Environmental Physics, Otto-Hahn-Allee 1, 28359 Bremen, Germany
6 The Norwegian Meteorological Institute, Blindern 43, 0313 Oslo, Norway
7 Jacobs University, Campus Ring 1, 28759 Bremen, Germany
* previously at FastOpt

Für weitere Fragen: Dr. Frank Kauker (AWI) frank.kauker@awi.de

Seit 2008 bietet der jährliche Sea Ice Outlook (SIO) einen freien Zugang zu Informationen und Vorhersagen über die in jedem Sommer anstehende minimale Ausdehnung des Meereises im September. Der SIO wird seit 2014 als Teil des Sea Ice Prediction Network (SIPN) organisiert. Jeweils im Juni, Juli und August werden hier Berichte über das zu erwartende Meereisminimum erstellt. Das Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresfroschung (AWI) beteiligt sich seit 2008 an dieser jährlichen Vorhersageaktivität. Die Vorhersage des Minimums der September-Meereisausdehnung wurde auch in diesem Jahr mit Ensembleläufen eines am AWI entwickelten gekoppelten Meereis-Ozeanmodells (NAOSIM) durchgeführt, das mit atmosphärischen Oberflächendaten der vorangegangenen Jahre angetrieben wird. Zusätzlich wurden Meereis- und Ozeansatellitenbeobachtungen der Monate März und April dieses Jahres in einer zweiten Gruppe von Ensembleläufen berücksichtigt.

Diese zweite Gruppe von Vorhersagen des AWI arbeitet dabei mit einem System, bei dem durch Assimilierung Satellitenfernerkundungs (CryoSat-2) - Meereisdickedaten vom AWI in Verbindung mit Schneedickedaten der Universität Bremen sowie OSI SAF (Ocean and Sea Ice Satellite Application Facility) Meereiskonzentrationsdaten und die Oberflächentemperatur mit in die Vorhersage einfließen. Im Folgenden wird kurz vorgestellt, wie unter Verwendung der so durchgeführten Initialisierung die Vorhersage entscheidend verbessert werden kann.

Abbildung 1 zeigt die Entwicklung der Meereisausdehnung für die Juni Vorhersage  2015 mit und ohne Berücksichtigung der Initialisierung mit März und April Beobachtungen aus Satellitendaten des Meereises und des Ozeans aus dem Jahr 2015. Dabei wird für die Läufe ohne Initialisierung das gekoppelte Meereis-Ozeanmodell von Januar 1948 bis zum 6. Juni 2015 (bzw. bis zum 6. Juli und 29. Juli) mit (Re) Analysen von Oberflächendaten angetrieben. Diese Simulationen werden verwendet, um die Anfangsbedingungen für die Vorhersage zu bestimmen. Danach wird das Modell zehnmal mit Antriebsdaten vom 7. Juni (bzw. 7. Juli und 30. Juli) bis zum 30. September für die Jahre 2005 bis 2014 gerechnet. Diese so bestimmten zehn Realisierungen der möglichen Entwicklung der Meereisausdehnung für 2015 bilden die erste Ensemblegruppe. Die Vorhersage ist der Mittelwert der Meereisdehnung des Ensembles im September. Die Standardabweichung der Septembermittelwerte des Ensembles dient als Maß für die Unsicherheit der Vorhersage.

Für die zweite Ensemblegruppe wird für die Monate März und April eine Assimilierung von Meereis- und Ozeansatellitenbeobachtungen durchgeführt. Hierbei werden für alle vier in die Assimilierung einfließenden Beobachtungsdatensätze die Abweichungen zur Modellsimulation berechnet, deren Summe durch Variation des Anfangszustands des Modells am 1. März minimiert wird (wir nennen das Initialisierung).

Zur Berechnung der Abweichungen werden Unsicherheiten der Beobachtungen benötigt, die entweder von den Beobachtern selbst geliefert oder mit Hilfe der Beobachter entwickelt wurden. Der Anfangszustand des Modelles besteht dabei aus den Eigenschaften des Meereises (Konzentration und Dicke), der Schneedicke sowie den Eigenschaften des Ozeans (Temperatur und Salzgehalt). Es zeigte sich, dass eine direkte Verwendung von CryoSat-2 Meereisdickedaten nicht zu einer deutlichen Verbesserung der Vorhersagen führte. Deshalb wurde eine sogenannte Biaskorrektur eingeführt und die Meereisdickedaten damit korrigiert. Die Korrektur wurde durch zusätzliche Assimilierungsexperimente in den Jahren 2012 bis 2014 abgeleitet. Bei diesen Experimenten wurden keine Eisdickedaten verwendet (aber alle anderen drei Datensätze), sondern durch ein Assimilierungsfenster vom 1. März bis zum 30. September Eisdicken für den März und April rekonstruiert, die zu optimalen Meereiskonzentrationen im September führen. Die über die drei Jahre 2012 bis 2014 gemittelten Quotienten der rekonstruierten Eisdicken und die CryoSat-2 Eisdicke im März und April ergeben räumlich und zeitlich variable Skalierungsfelder. Die CryoSat-2 Eisdicke im März und April 2015 wird mit diesen skaliert und dann assimiliert.

Obwohl die Biaskorrektur die zu initialisierenden Meereisdickedaten verändert, ist sie nicht durch Schwächen der CryoSat-2 Meereisdickedaten alleine bedingt. Grund für den Bias sind Schwächen im gesamten Vorhersagesystem: bestehend aus dem Meereis-Ozeanmodell, den Oberflächenantriebsdaten und den Meereis- und Ozeansatellitenbeobachtungsdaten. Anschließend wird das Modell von den optimierten Anfangsbedingungen am 1. März bis zum 6. Juni (und bis zum 6.Juli und 29. Juli) integriert und dann die Ensemblevorhersage gestartet. Die zweite Gruppe der Ensemblevorhersagen unterscheidet sich daher von der ersten „nur“ durch den veränderten Anfangszustandes des Meereis-Ozeansystem, was in Abbildung 2 durch den veränderten (niedrigeren) Startwert der Meereisausdehnung am 7. Juni zu erkennen ist.

Mit Initialisierung errechnen wir bei der Vorhersage am 7. Juni 2015 bereits einen Wert der sehr nahe an dem dann tatsächlich gemessenen Septembermonatsmittelwert von 4,68 Mio. km² liegt. Auf die Streuung (Unsicherheit) der Vorhersage hat die Initialisierung dabei keinen großen Einfluss. Dies ändert sich jedoch beim Juli und August SIO (gestartet am 7. Juli bzw. 30. Juli), bei denen die Streuung mit Initialisierung deutlich reduziert wird (siehe Abbildung 2). Dies kann auf die durch die Initialisierung reduzierte Eisdicken in der Beaufort- und Tschuktschensee zu Beginn der Ensembleläufe zurückgeführt werden.

Abbildung 2 zeigt die vorhersagten Monatsmittelwerte der Meereisausdehnung basierend auf den drei Vorhersagen für das Septemberminimum berechnet am 7. Juni, 7. Juli und 30. Juli 2015 mit und ohne Initialisierung. Gut zu erkennen sind die deutlich dichter an der Beobachtung liegenden Werte mit Initialisierung (blau gekennzeichnet). Die Vorhersage vom 7. Juli 2015 unterscheidet sich dabei kaum von der Vorhersage vom 30. Juli 2015. Ohne Initialisierung liegen alle Werte weit oberhalb der Werte mit Initialisierung und die Beobachtung befindet sich für den SIO von Juli und August mit Initialisierung innerhalb der einfachen Standardabweichung.

Abbildung 3 zeigt für den Juli SIO, basierend auf den durchgeführten SIO Vorhersagen mit und ohne Initialisierung, die Wahrscheinlichkeiten, dass Eiskonzentrationen von über 15 % und mittlere Eisdicken größer 0,5 m im September erreicht werden. Die Eisdickenschwelle von 0,5 m wird dabei gewählt, weil bei dieser Eisdicke Schiffe mit der kleinsten polaren Eisklasse (PC-7) noch navigieren können.

Eine Wahrscheinlichkeit von 100 % (helles grün) an einem Ort bedeutet dabei, dass alle Ensemblemitglieder eine Meereiskonzentration größer oder gleich 15 % (Eisdicke größer oder gleich 0,5 m) vorhersagen. Von einer guten Eisvorhersage würde man erwarten, dass eine hohe Wahrscheinlichkeit für eine Konzentration größer 15 % innerhalb der tatsächlich beobachteten 15 % Eiskonzentrationsisolinie liegt (durchgezogene magentarote Linie in Abbildung 3). Eisdicken größer als 0,5 m sollte man außerhalb der 15 % Isolinie ebenfalls nicht erwarten. Darüber hinaus ist die 50 % Eiskonzentrationsisolinie ebenfalls eingezeichnet, da Eisdicken größer als 0,5 m innerhalb dieser Isolinie zu erwarten sind (gestrichelte magentarote Linie). Für beide Wahrscheinlichkeiten ist eine deutliche Verbesserung der Vorhersage, unter der Verwendung der Initialisierung zu erkennen (Abbildungen auf der rechten Seite). Ohne Initialisierung werden die Meereiskonzentration und die Meereisdicke insbesondere in der Beaufortsee wie auch in Gebieten der Ostsibirischen- und Tschuktschensee in der Vorhersage überschätzt und über dem Europäischen Basin unterschätzt. Hier bringt die Initialisierung eine gute Annäherung an die beobachten Werte. Zum Vergleich ist in Abbildung 4 die beobachtete Meereisausdehnung für September 2015 dargestellt.

Mehr Informationen finden sich in der folgenden Veröffentlichung:

Seasonal sea ice predictions for the Arctic based on assimilation of remotely sensed observations (The Cryosphere Discuss., 9, 5521-5554, 2015 www.the-cryosphere-discuss.net/9/5521/2015/doi:10.5194/tcd-9-5521-2015)