MOSAiC: Ein Booster für die Forschung zum Einfluss der Arktis auf unser Wetter

3. Februar 2022

Vor fast zehn Jahren äußerten Polarforschende erstmals den Verdacht, dass der drastische Rückgang des Meereises in der Arktis direkte Auswirkungen auf das Wetter in den mittleren Breiten haben könnte. Die Potsdamer AWI-Atmosphärenforscherinnen Dr. Dörthe Handorf und Dr. Annette Rinke suchen seitdem nach stichhaltigen Beweisen für Wechselwirkungen zwischen Meereis, den polaren Luftmassenströmungen und unserem Wetter in Mitteleuropa. Damit dies gelingt, müssen die Physikerinnen jedoch nicht nur das Zusammenspiel zwischen Eis, Ozean und Atmosphäre besser verstehen. Sie stehen zudem vor der Aufgabe, jedes neue Detail in ihre Klimamodelle einzubauen. Eine Arbeit, die dank der vielen MOSAiC-Messungen jetzt richtig Fahrt aufnimmt, wie die beiden Wissenschaftlerinnen im Interview berichten.

meereisportal.de: Frau Handorf, Frau Rinke, im Jahr 2012 diskutierten Polarforschende erstmals öffentlich, ob der Klimawandel in der Arktis Einfluss auf die Wetterabläufe in den mittleren Breiten haben könnte. Damals gab es nach einem Rekord-Eisrückgang im Sommer sehr kalte Wintereinbrüche auf der Nordhalbkugel im darauffolgenden Winter und es wurde vermutet, dass der Eisschwund Veränderungen in der Atmosphäre nach sich ziehen würde, die dazu führten, dass polare Luftmassen bis weit in den Süden vordringen könnten. Konnte diese Annahme bis heute durch die Wissenschaft bestätigt werden?

Dörthe Handorf: Es gilt mittlerweile als gesichert, dass die Erwärmung der Arktis die Position und Stärke des Jetstream beeinflusst. Das Starkwindband, welches mit Spitzengeschwindigkeiten von 500 Stundenkilometern parallel zum Äquator über die Nordhalbkugel fegt und kalte Polarluft von warmen Luftmassen aus dem Süden abgrenzt, zieht seine Energie aus dem bislang großen Temperaturgegensatz zwischen der Nordpolarregion und den mittleren Breiten. Im Zuge des Klimawandels aber erwärmt sich die Arktis stärker als die anderen Gebiete der Erde. Dadurch verringert sich vor allem im Winter der Temperaturgegensatz zwischen den hohen und mittleren Breiten. Das heißt, je weiter sich die Arktis erwärmt, desto stärker nehmen die Westwinde ab, die das Starkwindband des Jetstream ausmachen. Der Jetstream verliert im Zuge dessen an Tempo und schlängelt sich dann häufiger in großen Wellen über die Nordhalbkugel.

…mit unmittelbaren Auswirkungen auf das Wetter, richtig?

Dörthe Handorf: Genau. Durch seinen Wellenverlauf macht der Jetstream den Weg frei für zwei gegensätzliche nordwärts oder südwärts gerichtete Luftmassenbewegungen. Je nach Lage der “Wellentäler” und “Wellenberge” kann dann zum Beispiel über dem Nordatlantik und dem Westen Nordamerikas  warme, feuchte Luft aus dem Süden in die Arktis wandern, während über Sibirien und dem restlichen Nordamerika kalte, polare Luft aus der Arktis in die mittleren Breiten vorstößt und dort im Winter für Schneestürme und Eiseskälte sorgt.

Spielt der Meereisrückgang bei all dem eine Rolle?

Annette Rinke: Dank unserer Forschung am AWI Potsdam wissen wir seit einigen Jahren, dass solche Schwächephasen des Jetstream auf eine lange Kettenreaktion zurückzuführen sind, in der das Meereis ein Baustein ist. Die Kraft und Ausdauer des Jetstream beispielsweise hängen auch von der Beständigkeit des Polarwirbels ab, der sich im Winter in der arktischen Stratosphäre (Stockwerk der Atmosphäre in etwa 18 bis 50 Kilometer Höhe) bildet. Rotiert der Polarwirbel mit voller Kraft, erreicht auch der Jetstream in dem Stockwerk darunter Spitzengeschwindigkeiten. Wird der Polarwirbel jedoch durch aufsteigende planetare Wellen gestört, schwächt sich unter Umständen wenig später auch der Jetstream ab. Diese aufsteigenden planetare Wellen sind besonders stark, wenn blockierende Hochdruckgebiete über bestimmten Regionen auftreten. Unsere Modellstudien zeigen: Je später im Jahr die Barents- und Karasee wieder zufrieren, desto häufiger bilden sich im Frühwinter solche blockierenden Hochdruckgebiete über Skandinavien und dem Ural, die dann zu einer verstärkten Ausbreitung planetarer Wellen bis in die Stratosphäre führen.

Dörthe Handorf: Wenn diese Kettenreaktion von Anfang bis zum Ende abläuft, sehen wir einen starken Einfluss der Arktis auf das Wetter in den mittleren Breiten. Wir wissen mittlerweile aber auch, dass diese Prozesskette nicht immer vollständig zum Tragen kommt. Norwegische Atmosphärenforscher haben vor drei Jahren mit statistischen Verfahren untersucht, wie häufig das späte Zufrieren der Barents- und Karasee im anschließenden Frühwinter zum Zerfall des Polarwirbels und anschließend zu einer Abschwächung des Jetstream führt. Ihrer Studie zufolge ist dies nur in 16 Prozent der analysierten Beobachtungen der Fall. Größer fielen die Wahrscheinlichkeiten für einzelne Teile der Kette aus. Bilden sich zum Beispiel im Frühwinter die blockierenden Hochdruckwirbel über dem Ural oder Skandinavien aus, stören planetare Wellen den Polarwirbel im Januar mit einer Wahrscheinlichkeit von 85 Prozent. Diesen Zusammenhang gibt es demzufolge wirklich.

Es gibt aber auch Forschende, die argumentieren, die Signale für eine atmosphärische Kettenreaktion zwischen Arktis und den mittleren Breiten seien nicht mehr als ein Ausdruck der natürlichen Klimaschwankungen.

Dörthe Handorf: Diese Kritik kennen wir. Tatsächlich hängt es sehr stark von der Methode ab, mit der man Beobachtungsdaten analysiert, wie deutlich das Signal der Kettenreaktion sichtbar wird. Mittelt man zum Beispiel die Beobachtungsdaten zur Verteilung der Hoch- und Tiefdruckgebiete und zum Jetstream über den gesamten Winter, was ja häufig gemacht wird, kann es durchaus sein, dass unser Signal aus dem Frühwinter untergeht, weil im späten Winter ganz andere Zirkulationsänderungen aufgetreten sind. Außerdem wirken die einzelnen Bausteine des Klimasystems jederzeit auf ausgesprochen chaotische Art und Weise aufeinander ein. Dieses natürliche “Klimarauschen” ist zum Beispiel der Grund, warum es so schwierig ist, Prozessketten etwa für den Zusammenhang zwischen dem Rückgang des Meereises speziell über der Barents- und Karasee und kälteren Wintern über Europa und Teilen Asiens in Beobachtungsdaten und Klimamodellstudien zu detektieren.


Welche Forschungsschwerpunkte müssen Sie als Expertinnen für Klimamodellierung nun setzen, um die Wetterschaukel zwischen Arktis und den mittleren Breiten besser zu verstehen?

Annette Rinke: Wir haben uns bei unseren Analysen von Anfang an gefragt, welche Prozesse aufgrund der Klimaveränderungen in der Arktis verstärkt werden oder aber häufiger auftreten. Dabei ist uns aufgefallen, dass zum einen die Veränderung der Oberflächenbedingungen in der Arktis einen wichtigen Faktor darstellt. Schrumpft das Meereis oder fällt mehr Schnee auf das Eis, ändert sich dessen Oberflächenrauigkeit und damit der turbulente Austausch von Wärme, Impuls und Feuchte zwischen Eis, Ozean und Atmosphäre. Unsere Klimamodelle konnten diese Prozesse in den oberflächennahen Luftschichten bislang nicht richtig darstellen, weshalb wir es uns zur Aufgabe gemacht haben, verbesserte Modellgleichungen für diese sogenannten Grenzschichtprozesse zu entwickeln.

Dörthe Handorf: Der nächste Punkt ist: Wir wissen jetzt, dass all diese Prozesse einen intermittierenden Charakter haben, das heißt mit Unterbrechungen auftreten, und manchmal auch im Signal-Rauschverhältnis verschwinden, wenn wir uns Modelle anschauen. Vor diesem Hintergrund stellt sich die Frage: Wie können wir unsere Modellanalysen verbessern, um atmosphärische Signale tatsächlich auf die Meereisveränderungen zurückzuführen? Dabei geht es uns nicht allein um die Schwächephasen des Jetstream, sondern auch um die Frage: Treten infolge des Meereisrückgangs Extremereignisse wie polare Kälteeinbrüche häufiger in den mittleren Breiten auf? Mithilfe verbesserter statistischer Verfahren hoffen wir hier schon bald Antworten zu finden.

Annette Rinke: Außerdem sind wir gemeinsam mit Partnern aus 18 führenden Institutionen der internationalen Polarforschung an dem neuen EU-Projekt PolarRES beteiligt. In diesem geht es zum einen darum, wie wir mithilfe regionaler Klimamodelle unser Verständnis für die vielen Prozesse und Wechselwirkungen verbessern können. Zum anderen wollen wir all jene Prozesse in globalen Modellen besser darstellen, die wichtig sind, um die Auswirkungen des Klimawandels in der Arktis auf die mittleren Breiten besser zu simulieren. Hier verfolgen wir auf globaler Skala den Ansatz, dass wir Atmosphärenmodelle verwenden, die in der Lage sind, die Polarregionen feiner aufzulösen. Das heißt, während unsere Modelle die mittleren und niedrigen Breiten mit einer Standard-Rechengitter- Maschenbreite von etwa 80 Kilometer darstellen, verwenden sie in den Polarregionen eine  Gitterweite von ungefähr 10 Kilometern, was eine verbesserte Darstellung polarer Klimaprozesse erlaubt. Außerdem planen wir in diesem Projekt Simulationen mit speziellen Prozessmodellen mit einer Auflösung von bis zu einem Kilometer Maschenbreite, denn nur so können wir kleinräumige Prozesse wie zum Beispiel Impuls- und Wärmeflüsse über Eisrinnen und Presseis-Rücken berücksichtigen, die am Ende ganz maßgeblich dafür sind, ob sich die große Kettenreaktion in Gang setzt. Die Grenzschichtprozesse sind aber nur einer von drei Projektschwerpunkten.

Welches sind die anderen beiden Themen?

Dörthe Handorf: Das zweite Schwerpunktthema sind Wolken, ihr Wassergehalt und alle Prozesse, die von Wolken beeinflusst werden, denn noch schaffen wir es nicht, diese richtig in Klimamodellen darzustellen. Außerdem werden wir in PolarRES  die Rolle und den Einfluss des Schnees auf dem Eis auf die Energieflüsse genauer beleuchten. Diese Entscheidung beruht auf der Erkenntnis, dass schon eine kleine Veränderung der Schneeschicht auf dem Meereis für das Eiswachstum und -schmelzen bedeutsam ist und damit auch für die verbundenen Rückkopplungen mit atmosphärischen Prozessen. Aus diesem Grund ist es enorm wichtig, dass wir die Schneeschicht in unsere gekoppelten Atmosphären-Eis-Ozean-Modelle implementieren und sie auch so darstellen können, wie sie sich im Laufe der Zeit verändert. Der Schnee wird ja älter oder aber frischer Schnee fällt auf eine ältere Schicht. Dieser neue Schnee hat dann nicht nur ein anderes Reflexionsvermögen als der alte Schnee, er besitzt auch eine andere Wärmeleitfähigkeit. In solchen Situationen hängt es dann ganz stark davon ab, wie das Modell die Schneeschicht darstellt, ob zum Beispiel bei einem Transport warmer Luftmassen in die Arktis hinein die Schneeschicht und das Eis realitätsnah schmelzen oder eben nicht.

Greifen Sie für diese Forschungsarbeiten auch auf die vielen Schneedaten zurück, die während der MOSAiC-Driftexpedition gesammelt wurden?

Annette Rinke:  Wir als Modellierer können die Parametrisierung des Schnees nur verbessern, wenn wir echte Beobachtungsdaten als Ausgangspunkt nehmen. Wir stehen daher schon im engen Austausch mit internationalen und unseren AWI-Kolleginnen und -Kollegen, die für das MOSAiC-Schneeprogramm zuständig waren und die entsprechenden Daten erhoben haben. Für die geplanten Modellverbesserungen aber werden wir auch auf die Daten anderer Arktis-Expeditionen und von Schneebojen zurückgreifen, um uns möglichst breit aufzustellen. Im Hinblick auf die Strahlungs- und Atmosphären-Messungen aus dem MOSAiC-Winter sind wir schon einen Schritt weiter. Diese haben wir bereits genutzt, um sie mit jenen Bedingungen zu vergleichen, die unser gekoppeltes regionales Arktis-Modell für jene Zeit simuliert. Unser Kollege und Modellentwickler Wolfgang Dorn hat im Zuge dessen unser gekoppeltes Modell schon dahingehend verbessert, dass wir nun mehrere Eisdickenklassen für die Berechnung der Energiebilanz an der Eisoberfläche benutzen und auch in der Lage sein werden, Rinnen im Eis zu beschreiben und zu simulieren, wie diese wieder schnell zufrieren. Der Vergleich unserer Modellsimulationen mit den MOSAiC-Daten hat uns aber auch die Schwächen unseres regionalen Arktis-Modells vor Augen geführt.

Welche Schwächen sind das?

Annette Rinke: Unser Modell hat noch immer Defizite, wenn es sehr kalte Winterbedingungen mit einer starken Auskühlung der oberflächennahen Luftschichten und einer stabilen Grenzschicht simulieren soll. In diesen Situationen unterschätzt es die Stabilität der oberflächennahen Luftschichten, was zur Folge hat, dass die vom Modell berechneten Lufttemperaturen über dem Eis zu warm sind. Zeigen die Beobachtungsdaten einen Einstrom warmer Luftmassen, sieht man sehr schön, wie die Temperatur hochgeht und mit den Temperaturdaten im Modell übereinstimmt. Sobald die Temperatur in den Beobachtungsdaten aber sinkt und sich eine stabile Schichtung ausbildet, ergeben die Messungen an der Eisoberfläche bis zu minus 35 Grad Celsius, während es in unserer Modellsimulation nur minus 25 Grad Celsius sind.

Wie gehen Sie vor, um solche Modellschwächen zu beheben?

Dörthe Handorf: Wir folgen einer klar definierten Prozesskette, die sich in vier Arbeitsschritte gliedert. Im ersten Schritt werden Beobachtungsdaten zu jenen Parametern erhoben, deren Modell-Darstellung wir verbessern wollen. Diese Messungen erfolgen auf Expeditionen oder aber an Forschungsstationen in den Polarregionen. Von diesen Messdaten werden anschließend physikalische Gleichungen abgeleitet. Diese Arbeit bezeichnen wir auch als Parametrisierung. Die Gleichungen werden dann mithilfe der Messdaten überprüft und nach bestandener Qualitätskontrolle in unser regionales Arktis-Klimamodell eingebaut.

Annette Rinke: Mit diesem simulieren wir dann die Bedingungen zum Zeitpunkt der Ursprungsmessung und vergleichen unsere Modellberechnungen mit den Beobachtungsdaten. Sehen wir eine deutliche Verbesserung der Prozessdarstellung in unserem regionalen Modell, übernehmen wir die Gleichungen in unser globales Klimamodell und vergleichen abermals die Simulationsergebnisse mit der gemessenen Realität. Im Idealfall sehen wir auch in den globalen Simulationen sofort verbesserte Ergebnisse. Tatsächlich aber ist es eher so, dass wir häufig nochmal einen Schritt zurück machen und zum Beispiel die Gleichungen nach dem Testlauf im regionalen Modell noch einmal überarbeiten, bevor wir sie dann ein zweites, drittes oder viertes Mal im regionalen Modell testen – und selbst dann ist unsere Arbeit nicht immer von klaren Erfolgen gekrönt, wie unsere Erfahrungen mit den neuen Parametrisierungen zu Prozessen in einer stabilen Grenzschicht zeigen.

Warum bringen diese keine klaren Verbesserungen?

Annette Rinke: Weil die Gleichungen nur dann zum Tragen kommen, wenn in unserer Klimasimulation eine sehr stabile Schichtung entsteht. Da aber in unserem Arktis-Modell die Temperatur an der Eisoberfläche oft zu warm ist, lässt es nicht häufig genug sehr stabile Schichtungen entstehen. Das heißt, die neuen Parametrisierungen werden nicht angewendet und können daher auch keine Wirkung entfalten. Dieses Beispiel zeigt sehr eindrücklich, dass wir keinen großen Schritt weiterkommen, wenn wir allein die Grenzschichtprozesse betrachten. Die Atmosphärendynamik ist ein komplexer Prozess mit unterschiedlichen Wechselwirkungen. Die Schneedecke und die Wolken scheinen daher eine ebenso große Rolle zu spielen. Beim Abgleich der MOSAiC-Strahlungsdaten mit unseren Modellsimulationen haben wir beispielsweise erkannt, dass die langwellige Gegenstrahlung in unserem Modell zu hoch ist.

…was genau meinen Sie mit Gegenstrahlung?

Annette Rinke: Die Erde strahlt ja Wärme in Form von langwelliger Strahlung in den Weltraum ab. Auf ihrem Weg durch die Atmosphäre aber trifft diese Strahlung auf Wasserdampf oder Wolken und diese wiederum strahlen einen Teil als langwellige Gegenstrahlung zurück Richtung Erdoberfläche. Das ist der grundlegende Wirkungsprozess des Treibhauseffektes! Und diese Gegenstrahlung ist in unserem Modell derzeit noch zu stark und verursacht die zu warmen Temperaturen an der Oberfläche. Wir wissen noch nicht genau, was der Auslöser ist. Wahrscheinlich beschreiben wir die Wolken immer noch zu schlecht. Deshalb schauen wir uns jetzt die MOSAiC-Daten zum Wolkenwassergehalt genauer an, um zu verstehen, ob das Modell eher Eiswolken oder Wasserwolken oder aber Mischphasenwolken simuliert. Das heißt, wir arbeiten inzwischen in allen Schwerpunktbereichen intensiv mit den MOSAiC-Daten, um unsere Modelle zu überprüfen und langfristig zu verbessern. 

Viel Erfolg dafür. Wir danken für das Gespräch.

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Dr. Dörthe Handorf forscht als Atmosphärenphysikerin und Klimamodelliererin am Alfred-Wegener-Institut in Potsdam. Derzeit liegt ihr Arbeitsschwerpunkt darauf, mit Hilfe von globalen Klimamodellen herauszufinden, auf welche Weise die Veränderungen in der Arktis das Wetter und Klima in den mittleren Breiten beeinflussen.

Dr. Annette Rinke forscht ebenfalls als Atmosphärenphysikerin und Klimamodelliererin am Alfred-Wegener-Institut in Potsdam. Sie konzentriert sich auf die Arktis und untersucht unter anderem, wie Klimasimulationen im regionalen AWI-Arktis-Modell zu einem besseren Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Eis, Ozean und Atmosphäre beitragen können.


Das Interview führte Sina Löschke (schneehohl.net)