Meereisvorhersage für das Septemberminimum und die MOSAiC-Expedition

17. Juli 2020

Im Juni eines jeden Jahres beginnt das internationale Sea Ice Prediction Network (SIPN) mit der Vorhersage für das sommerliche Meereisminimum im September in der Arktis. Jeweils in den Monaten Juni, Juli und August kann eine Vorhersage eingereicht werden, wie die Meereisausdehnung im September in der Arktis insgesamt, aber auch regional aussehen wird. Die Methoden hierfür können ganz unterschiedlich sein und umfassen numerische Modellierung, heuristische Methoden, statistische Methoden, oder auch kombinierte Ansätze. Eine Übersicht über den Sea Ice Outlook (SIO) ist hier gegeben. Das AWI beteiligt sich seit vielen Jahren mit einem Beitrag, der auf numerischen Modellierungen basiert und der für den September 2020 eine Meereisausdehnung von 4,27 ± 0,38 Millionen km² prognostiziert. Dieser Wert ist im Rahmen der Fehlergrenzen ziemlich ähnlich der beobachteten Eisausdehnung der Jahre 2007 und 2019 und würde damit in die Gruppe der drei niedrigsten jemals beobachteten Eisausdehnung fallen (2012: 3,57 Millionen km²; 2007: 4,27 Millionen km²; 2019: 4,32 Millionen km²). Der Juni-Ausblick der Meereisausdehnung, basierend auf allen 33 in diesem Jahr eingereichten Beiträgen, beträgt für September 2020 4,33 Millionen km2, mit Quartilen von 4,06 und 4,59 Millionen km2 (Abb. 1). Die diesjährige Prognose liegt insgesamt nahe an der Prognose für Juni 2019, die 4,40 Millionen km2 betrug, und nahe an der im September 2019 beobachteten Meereisausdehnung von 4,32 Millionen km2. Für September 2020 gehen nur zwei der Aussichten von einer Meereisausdehnung aus, die unter dem historischen Tiefststand liegt. Daher gibt es ein Konsensurteil gegen ein neues Rekordtief der Meereisausdehnung im September. Eine detaillierte Beschreibung des SIO für Juni 2020 ist hier in der Übersetzung für Sie erstellt.


Meereisvorhersage für die Region der MOSAiC-Expedition: wird es genug Eis bis zum Herbst geben?


Das Vorhersage System, das am AWI für die MOSAiC-Prognosen verwendet wird, ähnelt dem System, das für die Vorhersage des September-Minimums verwendet wird, aber es gibt einige wichtige Unterschiede. Beide Systeme beginnen mit einer Analyse der Meereisverhältnisse im März und April, die durch die "Verschmelzung" von Beobachtungsdaten und Modellsimulationen ("Datenassimilation") erstellt wird. Zu den verwendeten Daten gehören satellitengestützte Beobachtungen der täglichen Eiskonzentrationen und der Temperatur der Meeresoberfläche (beide von der Ocean and Sea Ice Satellite Application Facility (OSI SAF)), der täglichen Schneedicke (von der Universität Bremen) und, was am wichtigsten ist, der monatlichen mittleren Eisdicke (CS2 / CS2SMOS vom AWI). Das Modell wird dann mit atmosphärischen Antriebsdaten aus einem Wettermodell (NCEP-CFSv2) bis zum Startzeitpunkt der Vorhersage (für diese MOSAiC-Studie: 3. Juni 2020) integriert und anschließend bis Ende Oktober mit Antriebsdaten der letzten zehn Jahre (für die 2020-Prognose vom 3. Juni bis Ende Oktober für die Jahre 2010 bis 2019) berechnet. Daraus ergibt sich ein Ensemble von zehn Szenarien, die mögliche Entwicklungen der Meereisverhältnisse beschreiben.

Das für die MOSAiC-Prognosen verwendete System unterscheidet sich vom September-Mindestsystem jedoch dadurch, dass a) keine Bias-Korrektur und b) eine höhere Modellauflösung verwendet wird. Die Parameter im numerischen Modell für das vorherige System waren nicht optimal kalibriert, wodurch im Vergleich zu den tatsächlichen Beobachtungen im Sommer zu viel Meereis geschmolzen ist. Als die tatsächlich beobachteten Eisdicken im März und April assimiliert wurden, sagte das Modell eine zu geringe Eisbedeckung im Sommer voraus. Eine Bias-Korrektur der beobachteten Eisdicken glich diesen Effekt aus. Die Kalibrierung von numerischen Modellen ist ein langwieriger und komplizierter Prozess. Das am AWI verwendete numerische Modell wurde jedoch mit Hilfe eines genetischen Algorithmus wesentlich verbessert (Sumata et al. 2019 a und b), was eine Bias-Korrektur überflüssig machte. Somit kann das System nun nicht nur für September-Prognosen, sondern auch für andere Zeiten verwendet werden. Da die optimierten Parameter weitgehend skalenunabhängig sind, wurde auch die Auflösung des Modells verbessert, so dass es die Arktis in einem Rastermaßstab von 25x25 km² abbilden kann. Das Assimilationssystem blieb von diesen Änderungen unbeeinflusst.


Ergebnisse:


Für die MOSAiC-Vorhersage wurden in Zusammenarbeit mit Kollegen der Feldbeobachtungen aus der Arbeitsgruppe Meereisphysik des AWI geeignete Metriken für die Beurteilung festgelegt. Diese Metriken definieren Regionen mit a) mehr als 80 % Eisbedeckung und b) einer effektiven Eisdicke von mehr als 1 m in den eisbedeckten Zellen. Diese Größen sind für eine sichere Fortsetzung der Arbeiten auf der MOSAiC-Scholle wichtig. Abbildung 2 zeigt die Wahrscheinlichkeit (0-1), im Juli, August und September 2020 auf eine Eiskonzentration von 80 % oder mehr zu stoßen (rechte Spalten), während Abbildung 3 die Wahrscheinlichkeit zeigt, im gleichen Monat eine Eisdicke von mehr als 1 m vorzufinden (rechte Spalte). Zusätzlich zu der in den Abbildungen 2 und 3 gezeigten Wahrscheinlichkeit sind in den Abbildungen 4 und 5 der Ensemble-Mittelwert der Vorhersage der Eiskonzentration von 80 % oder höher und die Eisdicke von 1 m oder mehr dargestellt. Während die probabilistische Darstellung in den Abbildungen 2 und 4 die Variabilität innerhalb des Ensembles zeigt (ein Wert von Eins bedeutet, dass alle Ensemblemitglieder mindestens eine Eiskonzentration von 80% oder eine effektive Eisdicke von 1m an diesem Ort haben), erlaubt die Darstellung des Ensemblemittelwertes in Abbildung 4 einen besseren Vergleich mit der beobachteten Eiskonzentration von 80% oder in Abbildung 6 (untere Spalte) eine effektive Eisdicke von 1 m.

Es versteht sich von selbst, dass eine Vorhersage nicht besonders nützlich ist, wenn sie nicht durch Beobachtungsdaten validiert wurde. Das System kann durch rückwirkende Vorhersagen für frühere Jahre validiert werden. Im Prinzip kann dies ab 2011 erfolgen, da dies das erste Jahr mit Eisdickenbeobachtungen war. Bisher wurden jedoch nur die Jahre 2018 und 2019 rückwirkend prognostiziert und sind auch in Abbildung 2 für eine Eiskonzentration von 80 % oder höher zusammen mit der beobachteten 80 %-Isolinie aus dem OSI SAF (linke und mittlere Spalte) dargestellt. Eine Validierung der Eisdickenprognosen in den Monaten Juli bis September ist aufgrund fehlender Beobachtungen nicht möglich. Stattdessen zeigt Abbildung 6 eine Validierung für die erste Oktoberwoche, in der Beobachtungen verfügbar sind (15. bis 21. Oktober von CS2SMOS).

Während für die Vorhersagen der Meereisausdehnung im September (15% Eiskonzentration) in den letzten zehn Jahren innerhalb des SIO viel Erfahrung gesammelt wurde, sind Vorhersagen für die Bedingungen der 80%igen Eiskonzentration und 1m Eisdicke experimentell und sollten mit Vorsicht interpretiert werden.

Für alle drei Monate (Juli, August und September) zeigen die Wahrscheinlichkeit (Abbildung 2) und der Ensemble-Mittelwert (Abbildung 4) eine gewisse Überschätzung der 80%-Isolinie in den Jahren 2018 und 2019 in der Beaufortsee und nördlich der Laptewsee, während die 80%ige Isolinie zwischen Svalbard und Franz-Joseph-Land relativ gut vorhergesagt wird. In der 2020-Prognose ist die Wahrscheinlichkeit und der Ensemble-Mittelwert der 80%-Isolinie erheblich nach Norden, nördlich der Tschuktschensee, der Ostsibirischen See und der Laptewsee verschoben, was auf eine wesentlich längere eisfreie Saison entlang des Nördlichen Seewegs im Vergleich zu 2018 und 2019 hindeutet. Zwischen Spitzbergen und Franz-Joseph-Land ähnelt die Lage der 80%-Isolinie eher der von 2019 als der von 2018, wo die Isolinie weiter nördlich liegt. Insgesamt ist die Fläche innerhalb der 80%-Isolinie im Jahr 2020 im Vergleich zu 2018 und 2019 deutlich niedriger.

Die Wahrscheinlichkeit (Abbildung 3) und der Ensemble-Mittelwert (Abbildung 5) der effektiven Eisdicke von mehr als 1 m zeigen ebenfalls im Juli 2020 eine Verschiebung der Isolinie in Richtung Norden, nördlich der Tschuktschensee, der Ostsibirischen See und der Laptewsee, aber eine Verschiebung nach Westen in der südlichen Beaufortsee im Vergleich zu 2018 und 2019. Zwischen Spitzbergen und Franz-Joseph-Land ist die Isolinie im Juli 2020 ähnlich wie im Juli 2019, während im Juli 2018 die Isolinie deutlich nach Norden verschoben ist (in Übereinstimmung mit der beobachteten Eiskonzentration). Die Monate August und September zeigen eine Fortsetzung der für Juli diskutierten Unterschiede. Aus der 1-m-Isolinie lässt sich ableiten, dass das Eisvolumen innerhalb dieser Isolinie im Jahr 2020 niedriger ist als für 2018 und 2019 für alle drei Monate. Dies gilt auch für die Woche vom 15. bis 21. Oktober (Abbildung 6), in der eine Validierung für 2018 und 2019 möglich war.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass hinsichtlich der Position von FS Polarstern nördlich der Framstraße in den kommenden Monaten erwartet werden kann, dass die Eisverhältnisse den Bedingungen von 2019 ziemlich ähnlich sein werden, während im Jahr 2018 die Isolinien von 80% und 1 m weiter nördlich lagen.

Weiterführende Literatur:
Sumata, H., Kauker, F., Karcher, M. and Gerdes, R. (2019a): Simultaneous Parameter Optimization of an Arctic Sea Ice–Ocean Model by a Genetic Algorithm, Monthly Weather Review. doi:10.1175/MWR-D-18-0360.1

Sumata, H., Kauker, F., Karcher, M. and Gerdes, R. (2019b): Covariance of optimal parameters of an Arctic sea ice-ocean model, Monthly Weather Review. doi:10.1175/MWR-D-18-0375.1

Kontakt:
Frank Kauker (AWI)
Klaus Grosfeld (AWI) 


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