Eisausdehnung ab 2018 neu berechnet!

12.09.2020

Die Meereisausdehnung in der Arktis ruft jedes Jahr im September eine hohe Aufmerksamkeit hervor, da in diesem Monat das Ende der Schmelzperiode und damit das sommerliche Minimum der Eisausdehnung erreicht wird. Seit Beginn der kontinuierlichen Satellitenbeobachtungen im Jahre 1979 wird die tägliche Eisbedeckung in Arktis und Antarktis flächenhaft erfasst und liefert dadurch ein Zeugnis der klimatischen Veränderungen in den beiden Polarregionen. Die Arktis hat sich in dieser Periode als Hotspot der Klimaveränderungen herauskristallisiert, an dem die globale Erwärmung fast doppelt so schnell stattfindet und die Meereisausdehnung in den letzten 42 Jahren im September um etwa 14 % pro Dekade zurückgegangen ist, das heißt um etwa 50 %. Dies hat nicht allein große Auswirkungen auf das Natur- und Ökosystem der Arktis, sondern beeinflusst auch die Klimaentwicklung in den mittleren Breiten, was sich in den letzten Jahren durch eine Zunahme von Extremwetterereignissen manifestiert (siehe Artikel hier).

Daher erfahren die Darstellung und Analyse der Eisausdehnung in der Arktis ein hohes Interesse nicht nur in der Wissenschaft, sondern auch in der Öffentlichkeit, dem wir durch den Aufbau von meereisportal.de seit 2013 Rechnung tragen. Hier werden wissenschaftliche Daten und Informationen anschaulich aufbereitet und darüber hinaus als Rohdaten der Öffentlichkeit und der Wissenschaft zur Verfügung gestellt und durch Experten in ihrer Bedeutung bewertet.


Welches Problem haben wir in der Datenverarbeitung identifiziert?

In diesem Jahr zeichnet sich die Meereisausdehnung, nach 2012 und 2019, erneut durch eine niedrige Ausdehnung aus und steuert nun am Ende des Sommers auf ein sehr niedriges Niveau zu. Auf meereisportal.de lief dieser Rückgang sogar auf das bisher absolute Minimum des Jahres 2012 zu, was eine hohe Aufmerksamkeit in Wissenschaft und Öffentlichkeit ausgelöst hat. Dies führte zu einer zusätzlichen intensiven Auseinandersetzung und Diskussion innerhalb der Gruppe der Meereisexperten. Allerdings haben wir durch Vergleich mit anderen Datenprovidern festgestellt, dass unsere Ergebnisse für 2020 deutlich weniger Eis zeigten als Produkte anderer Auswertealgorithmen. Deshalb kam es zu einer erneuten wissenschaftlichen Analyse der aktuell voll automatisch laufenden Datenauswertung, um eine Erklärung für diese Abweichungen zu finden und sie zu quantifizieren.

Was sind Auswertealgorithmen von Satellitendaten und welche Korrekturen wurden vorgenommen?

Satelliten zur Untersuchung der Meereiseigenschaften messen die Mikrowellenausstrahlung der Erde in mehreren verschiedenen Frequenzen und Polarisationen – oft einfach auch „Kanäle“ genannt. Die Mikrowellenausstrahlung kommt überwiegend von der Erdoberfläche, also Land, Ozean und Meereis, dazu kommt ein kleinerer Anteil von der Atmosphäre. Da sich die Ausstrahlung von Meerwasser und Meereis in den verschiedenen Kanälen (Frequenzen und Polarisationen) unterscheidet, kann durch geschicktes Kombinieren der Kanäle Meereis und offenes Wasser unterschieden werden. Die gängigen Mikrowellensatelliten haben 8 bis 12 Kanäle, und es gibt verschiedene Kanalkombinationen und Methoden, daraus die Meereisbedeckung zu bestimmen. Die Satelliten überfliegen pro Tag etwa 14 Mal die Polargebiete und nehmen jedes Mal einen Streifen von 1500 bis 2000 km Breite auf. Es müssen also nicht nur die Satellitenmessungen in den verschiedenen Kanälen in Meereisbedeckung umgerechnet werden, sondern es müssen auch die 14 sich teilweise überlappenden aufgenommen Streifen („Schwade“ genannt, ca. 1 GB Daten täglich) auf eine einheitliche Kartenprojektion mit passender Auflösung umgerechnet, Landflächen ausmaskiert und Küstenlinien eingezeichnet werden. Hinzu kommt, dass der Einfluss der Atmosphäre nicht immer zu vernachlässigen ist, vor allem starke Niederschläge über dem Ozean können manche dieser Methoden „verwirren“, so dass vermeintlich Meereis erkannt wird, wo keines sein kann, etwa auf der Ostsee im Sommer, oder im Nordatlantik.

Das Herausfiltern solchen „falschen“ Meereises erfordert eine hohe Sorgfalt. In all den verschiedenen vorhandenen Meereisalgorithmen steckt jahrelange Entwicklungsarbeit, bis sie automatisch und zuverlässig laufen. Diese Entwicklungsarbeit hört zudem nie auf, denn: Satelliten werden weiterentwickelt, neue Satelliten sind vielleicht besser, aber auch anders; die Landmasken und Küstenliniendaten werden verbessert, die Software zur Kartenprojektion ebenfalls, oder verwendete Softwarepakete laufen aus und müssen durch neue ersetzt werden. Der von uns verwendete Meereisalgorithmus ASI hat im Mai 2018 ein größeres Update aufgrund eines Updates der Kartenprojektionssoftware (inkl. Landmasken, Küstenlinien) sowie von verbesserten Methoden zum Korrigieren von „falschem Meereis“ erfahren müssen. Natürlich liefert ein Auswertealgorithmus nach einem solchen Update, das ja meist eine Verbesserung darstellt, andere, genauere Zahlen. Daher wurden 2018 alle Meereisdaten seit 2002 noch einmal mit dem neuen Algorithmus (ASI, Version 5.4) neu berechnet.

Der Prozess ist insgesamt aber noch komplizierter: Verschiedene Meereisalgorithmen, die verschiedene Satelliten und verschiedene Satellitenkanäle benutzen, liefern nicht dasselbe Ergebnis, schon die räumliche Auflösung unterscheidet sich oft. Wenn dann aus den täglichen Meereiskarten die Meereisausdehnung berechnet und als Kurve (Zeitreihe) dargestellt wird, unterscheiden sich die Kurven. Die Meereisausdehnung ist die Summe der Fläche aller Gitterzellen einer Eiskarte, die mit mindestens 15 % Eis bedeckt sind. Der Vorteil der Eisausdehnung ist, dass sie nicht anfällig gegenüber Fehlern ist, die durch oberflächliches Schmelzen des Eises im Sommer verursacht werden. Der Nachteil ist jedoch, dass sie schon bei Änderung der Gitterzellengröße andere Werte liefert (siehe hier). Bei einer Gitterzellengröße von zum Beispiel 100 km², in der 15 % auf einer Seite mit Eis bedeckt sind, werden die vollen 100 km² zur Eisausdehnung gezählt. Während es bei einer Gitterzellengröße von 1 km² nur 15 km² wären. Zeitreihen von unterschiedlichen Satelliten mit unterschiedlichem räumlichem Auflösungsvermögen müssen also aneinander angepasst werden, um eine einheitliche Zeitreihe zu erzielen.

Worin unterschiedliche Zeitreihen der Meereisausdehnung aber übereinstimmen ist, dass sie alle ziemlich genau denselben Trend zeigen, beispielsweise die dramatische Abnahme des arktischen Meereises (siehe auch Letter to Nature). Um trotzdem die verschiedenen Kurven vergleichbar zu machen (z. B. um aus Kurven von aufeinanderfolgenden Satellitengenerationen eine lange Zeitreihe zu machen), schaut man sich einen Überlappzeitraum von zwei verschiedenen Kurven an, nimmt einen davon als Referenz und passt die andere durch einen Offset und eine Skalierung an. Nur so ist es überhaupt möglich, Zeitreihen zu bekommen, die länger sind als die Lebensdauer eines Satelliten (meist weniger als 10 Jahre). Die Referenzzeitreihe ist hier die vom National Snow and Ice Data Center (NSIDC). Nach dem Update unseres Meereisalgorithmus im Mai 2018 hätte auch die Anpassung an die Referenzzeitreihe neu berechnet werden müssen. Da das nicht geschehen ist, gab es quasi einen Sprung in unserer Zeitreihe nach unten, der im Mai aber kaum auffiel, da dann die Meereisausdehnung aufgrund der stark einsetzenden Schmelze ohnehin sehr stark und unregelmäßig absinkt. Da die Meereisminima 2018 und 2019 quasi „im Mittelfeld“ lagen, ist die Abweichung nach untern auch nicht weiter aufgefallen. Erst bei der Annäherung an das diesjährige Minimum, das ja auf jeden Fall im unteren Bereich liegt, wurde bei Vergleichen mit andern Zeitreihen und früheren Jahren der Fehler entdeckt.

Nach Identifikation und Korrektur eines Fehlers in unserer Bearbeitungsroutine zur Berechnung der Meereisausdehnung wurden alle Zeitreihen ab dem 1. Mai 2018 neu berechnet, erneut überprüft und ab dem 11. September wieder auf die Website gestellt. Die Zeitreihen davor sind von dieser Korrektur nicht betroffen. Der regelmäßige Vergleich von Ergebnissen verschiedener Algorithmen und das in Frage stellen der Ergebnisse gehört zum wissenschaftlichen Prozess und zur Qualitätskontrolle. Wir bedauern, dass diese Abweichungen durch den neuen Auswertealgorithmus erst in der Situation der außergewöhnlichen Schmelze in diesem Sommer wirklich deutlich zu Tage getreten ist. Wichtig ist aber, dass Fehler in wissenschaftlichen Ergebnissen, wenn sie entdeckt werden, möglichst schnell korrigiert werden und auch transparent diskutiert und öffentlich gemacht werden, ohne Rücksicht darauf, ob der Zeitpunkt gerade „günstig“ ist oder nicht.

Momentan liegt die Eisausdehnung in der Arktis im September 2020 bei ca. 3,8 Millionen km² und damit unter dem Wert von 2019, aber klar über dem absoluten Minimum des Jahres 2012. In diesem September wird aller Voraussicht nach die zweitniedrigste Meereisausdehnung seit 1979 in der Arktis erreicht.

Ihr meereisportal.de Team

Kontakt
Dr. Gunnar Spreen (IUP Bremen)
Dr. Christian Melsheimer (IUP Bremen)
Prof. Dr. Christian Haas (AWI)
Dr. Renate Treffeisen (AWI)
Dr. Klaus Grosfeld (AWI)

 

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