Schneedicke auf arktischem Meereis

12. Februar 2019

Schnee auf Meereis spielt eine wichtige Rolle im arktischen Klimasystem. Durch seine hohe Albedo reflektiert der Schnee einen Großteil der einfallenden solaren Strahlung und verlangsamt dadurch das Abschmelzen des Meereises im Sommer.Informationen über die Schneedicke sind außerdem wichtig für die Bestimmung der Meereisdicke mittels Messungen von Satelliten-Altimetern wie CryoSat-2.Die große Ausdehnung des arktischen Meereises und die extremen Wetterbedingungen machen es schwierig, die Schneedicke während des arktischen Winters vor Ort zu beobachten. Daher sind Feldmessungen der Schneedicke auf Meereis selten und häufig auf den arktischen Frühling und Sommer begrenzt. Driftbojen liefern zwar Schneemessungen über den ganzen Winter, diese sind jedoch nur repräsentativ für eine kleine Fläche im Umkreis der Boje.Hier präsentieren wir ein neue Methode zur Bestimmung der Schneedicke auf arktischem Meereis basierend auf Beobachtungen von Mikrowellen-Radiometer Satelliten (Rostosky et al., 2018). Die Messungen der Mikrowellen-Helligkeitstemperatur (Tb) der Erdoberfläche sind unabhängig vom Tageslicht und großenteils auch von Wolken. Die Satelliten liefern tägliche Daten der gesamten Arktis mit einer räumlichen Auflösung von 25 km. Die neue Methode nutzt die unterschiedlichen Streueigenschaften von Mikrowellenstrahlung im Schnee bei verschiedenen Frequenzen aus. Die Stärke der Streuung nimmt mit steigender Frequenz und steigender Schneedicke zu und schwächt demensprechend das beobachtete Satellitensignal (Tb) ab. Aus diesem Zusammenhang lässt sich eine empirische Beziehung zwischen der Schneedicke und den Satellitendaten gewinnen. Methoden zur Schneedickenbestimmung mittels passiven Mikrowellen-Radiomter Satelliten existieren seit den 1990ern. Die neu entwickelte Methode nutzt jedoch Satellitenmessungen auf niedrigeren Frequenzen als bisher (7 GHz und 19 GHz im Vergleich zu 19 GHz und 36 GHz), welche erst seit 2002 zur Verfügung stehen. Dies erlaubt eine Erweiterung der Methode auf mehrjähriges Meereis, was mit den bisherigen Methoden nicht möglich war.

Die neue Methode basiert auf einem empirischen Zusammenhang zwischen der Schneedicke und dem sogenannten Gradientenverhältnis (GR(v1,v2)= (Tbv1 – Tbv2)/(Tbv1 +Tbv2)) und hat die Form Sd =a+b*GR(19/7). Hier ist Sd die Schneedicke und a und b sind empirisch abgeleitete Regressionskonstanten.
Um diese Konstanten abzuleiten wurden die Satellitenbeobachtungen mit Schneedickenmessungen vom Flugzeug der NASA „Operation IceBridge“ (OIB) Kampagne verglichen. Abbildung 1 zeigt das Streudiagramm zwischen GR(19/7) und den OIB Schneedicken für einjähriges Meereis. Die Korrelation (cor) zwischen beiden Datensätzen ist –0.73 und der mittlere quadratische Fehler (RMSD) beträgt 3.71 cm. Über mehrjährigem Meereis ist die Korrelation zwischen den Satellitenbeobachtung und den OIB Referenz-Schneemessungen etwas geringer (–0.57) und der RMSD ist mit 6.63 cm fast doppelt so hoch.
In Abbildung 2 ist die monatlich gemittelte Schneedicke für März 2015 dargestellt, abgeleitet mit der neuen Methode. Die schwarze Linie markiert die Grenze zwischen mehrjährigem und einjährigem Meereis. Die höchsten Schneedicken sind nördlich des Kanadischen Archipels zu finden und liegen zwischen 35 cm und 45 cm. In der zentralen Arktis beträgt die Schneedicke um 20 cm. Die niedrigsten Schneedicken sind in der Kara- und Laptev See zu finden und liegen zwischen 10 cm und 15 cm.

Da die OIB Schneemessungen nur im März und April vorhanden sind, ist die neue Methode momentan nur für diese beiden Monate getestet. Für diese Monate ergibt sich ein sehr gutes Ergebnis über einjährigem Meereis und ein angemessenes Ergebnis über mehrjährigem Meereis. Abbildung 3 zeigt als Beispiel die jährlichen Schwankungen und die Saisonalität der neuen Satelliten-Schneedicken für die Beaufortsee der Jahre 2005 bis 2016. Wir finden eine hohe jahreszeitliche Variabilität der Schneedicke in allen Wintermonaten. „Der Winter 2014/2015 startet beispielsweise mit einer Schneedicke von über 25 cm im Oktober, welche bis Januar um weitere 8 cm ansteigt und dann stark absingt. In den meisten anderen Jahren gibt es einen monotonen Anstieg der Schneedicke von Oktober bis Januar.“, unterstreichen die Autoren.

Referenz:
Rostosky, P., G. Spreen, S.L. Farrell, T. Frost, G. Heygster, and C. Melsheimer, 2018: Snow Depth Retrieval on Arctic Sea Ice From Passive Microwave Radiometers – Improvements and Extensions to Multiyear Ice Using Lower Frequencies, Journal of Geophysical Research: Oceans, 123, doi.org/10.1029/2018JC014028

Kontakt:
Autoren: P. Rostosky, G. Heygster, C. Melsheimer, G. Spreen (IUP) Bremen