Meereisvorhersage in der Arktis: Mit welchen Bedingungen ist zu Beginn des MOSAiC Experiments zu rechnen?

Für die MOSAiC-Expedition ist es vorgesehen, dass das Forschungsschiff FS Polarstern im Oktober 2019 an einer Scholle in der nördlichen Laptewsee festmachen wird. Die Eisbedingungen dort sind weitestgehend unbekannt. Eine wichtige Methode, um die Eisbedingungen im Vorhinein abzuschätzen, ist die auf numerischen Modellen beruhende Meereisvorhersage. Die im Folgenden vorgestellte Vorhersage der Meereisbedingungen im Oktober 2019 liefert einen wichtigen Baustein für die Fahrtplanung von MOSAiC.

Im Rahmen eines internationalen Projektes zur Meereisvorhersage, dem sogenannten Sea Ice Outlook (SIO), nimmt das AWI seit 2008 an einem wissenschaftlichen Wettbewerb teil, dessen Ziel es ist, saisonale Vorhersagen der minimalen Meereisausdehnung im September bereitzustellen. Seit 2014 wird der SIO vom ‘Sea Ice Prediction Network project (SIPN)’ organisiert und seit 2018 ist der SIO Teil von ‘Sea Ice Prediction Network–Phase 2 (SIPN2)’. Eine Beschreibung der beiden am AWI betriebenen Vorhersageverfahren (dynamisch und statistisch) findet sich hier.

Der SIO erstellt im Juni, Juli und August eines jeden Jahres Berichte über die eingereichten Vorhersagen des September Meereisminimums, erweitert um aktuelle Analysen der Meereisbedingungen. Post-Season-Berichte liefern detaillierte Analysen wichtiger Einflussfaktoren auf das Meereis und untersuchen die wissenschaftlichen Methoden, die von den verschiedenen internationalen Gruppen zur saisonalen Vorhersage benutzt werden. Dabei reichen die Methoden von heuristischen, über statistische bis zu dynamischen. Die Methode, die hier beschrieben wird, folgt einem dynamischem Ansatz, der ein numerisches Modell des Meereises und des Ozeans der Arktis verwendet.

Das System, das für die Prä-MOSAiC-Vorhersagen benutzt wird, ähnelt dem zur Vorhersage des Septemberminimums, unterscheidet sich aber durch wichtige Details. Beide Systeme nutzen als Startbedingung eine Analyse der Meereisbedingungen im März und April, die durch „Verschmelzen“ von Beobachtungsdaten und Modellsimulationen erzeugt wird („Datenassimilierung“). Die dafür verwendeten Beobachtungen sind satelliten-gestützte, tägliche Eiskonzentrationen und Meeresoberflächentemperatur (beide von „Ocean and Sea Ice Satellite Application Facility, OSI SAF“), tägliche Schneedicken (von der Universität Bremen) und, am wichtigsten, die monatliche Eisdicke (CS2 bzw. CS2SMOS vom AWI). Das Modell wird dann bis zum Startzeitpunkt der Vorhersage (im Fall der MOSAiC-Expedition der 11. August 2019) mit atmosphärischen Antriebsdaten eines Wettermodelles (NCEP-CFSv2) integriert und anschließend bis Ende Dezember mit Antriebsdaten aus den letzten zehn Jahre weitergerechnet (im Fall der MOSAiC-Expedition vom 12. August der Jahre 2009 bis 2018 bis zum jeweiligen Jahresende). Auf diese Weise wird ein Ensemble mit zehn Mitgliedern erzeugt, das mögliche Entwicklungen der Meereisbedingungen beschreibt.

Das System, dass für die MOSAiC-Vorhersagen benutzt wird, unterscheidet sich von dem Septemberminimum-System dadurch, dass a) keine Bias-Korrektur und b) eine höhere Auflösung benutzt wird. Die Parameter im numerischen Modell des bisherigen Systems waren nicht optimal kalibriert, was zur Folge hatte, dass verglichen zu den Beobachtungen zu viel Meereis im Sommer schmolz. Wurden beobachtete Eisdicken im März und April assimiliert, führte das zu einer zu geringen Eisbedeckung im Sommer. Eine Bias-Korrektur der beobachteten Eisdicken kompensiert diesen Effekt. Die Kalibrierung von numerischen Modellen ist ein komplizierter und aufwendiger Prozess. Das numerische Modell am AWI konnte jedoch mit Hilfe eines genetischen Algorithmus deutlich besser eingestellt werden (Sumata et al. 2019 a und b), was die Bias-Korrektur entbehrlich macht. Dies hat zur Folge, dass das Vorhersagesystem jetzt nicht nur für Vorhersagen für den September benutzt werden kann, sondern auch für andere Zeitpunkte. Da die optimierten Parameter zum großen Teil skalenunabhängig sind, konnte auch die Modellauflösung erhöht werden, so dass die Arktis nun mit einer Gitterweite von 25 km aufgelöst werden kann. Das Assimilierungssystem blieb dabei unverändert.

Für die Prä-MOSAiC-Vorhersage wurden darüber hinaus, in Zusammenarbeit mit beobachtenden Kolleginnen und Kollegen der Arbeitsgruppe Meereisphysik am AWI, geeignete Metriken definiert. Diese Metriken definieren Gebiete mit a) einer Eisbedeckung größer als 70 % und b) einer Eisdicke größer als 1 m in der eisbedeckten Gitterzelle des Modells. Abbildung 1 zeigt die Wahrscheinlichkeit (0-1) am 1., 15. und 31. Oktober 2019 eine Eiskonzentration von 70 % und mehr anzutreffen, Abbildung 2 die Wahrscheinlichkeit, Eisdicken größer als 1 m zu den gleichen Zeitpunkten vorzufinden.

Natürlich ist eine Vorhersage ohne Validierung mit Beobachtungsdaten nicht besonders wertvoll. Validiert werden kann das System durch das Nachrechnen der vergangenen Jahre. Dies ist im Prinzip von 2011 an möglich, da ab diesem Jahr Eisdickenbeobachtungen existieren. Bisher konnte allerdings nur 2018 nachgerechnet werden. Abbildung 3 zeigt für die Vorhersage des Jahres 2018 die Wahrscheinlichkeiten für 70 % Eiskonzentration zu den gleichen Zeitpunkten wie in Abbildung 1 (die Vorhersage wurde jedoch etwas früher am 1. August 2018 gestartet), zusammen mit der tatsächlich beobachteten 70 % Eiskonzentration-Isolinie. Bei einer perfekten Vorhersage wäre die Wahrscheinlichkeit 1 innerhalb der Isolinie und 0 außerhalb. Es zeigt sich eine sehr hohe Güte für den 1. Oktober und eine etwas Schlechtere für den 15. und 31. Oktober, was darauf zurückzuführen ist, dass die Eisbedeckung vom 1. bis zum 31. Oktober zunimmt und dies vom Modell nicht perfekt simuliert werden kann.

Eine Validierung der 1 m-Eisdicke Metrik ist nicht für einzelne Tage möglich, sondern nur für monatliche Daten, da Eisdickendaten nur monatlich existieren. In Abbildung 4 ist daher die Eisdicke-Vorhersage für das Monatsmittel zusammen mit der monatlichen Vorhersage für 2018 gezeigt. Auch hier zeigt sind eine sehr hohe Güte der Vorhersage.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass mit Hilfe des dynamischen Vorhersagesystems am AWI die Eisbedingungen (Eiskonzentration und Eisdicke) für Oktober 2019 in der Startregion der MOSAiC-Expedition mit hoher Güte vorhergesagt werden können. Hierdurch kann eine erste Routenberatung für die Expedition vorgenommen werden, bevor mit Radar-Satellitenbildern und später Helikoptererkundungen die finale Zielposition für den Start der Meereisdriftstation bestimmt wird.

Referenzen:
Sumata, H., Kauker, F., Karcher, M. und Gerdes, R., 2019a: Simultaneous Parameter Optimization of an Arctic Sea Ice–Ocean Model by a Genetic Algorithm, doi.org/10.1175/MWR-D-18-0360.1

Sumata, H., Kauker, F., Karcher, M. und Gerdes, R., 2019b: Covariance of Optimal Parameters of an Arctic Sea Ice–Ocean Model, doi.org/10.1175/MWR-D-18-0375.1

Verantwortlich für numerische Eisvorhersagen und Kontakt Person am AWI:
Dr. Frank Kauker (Frank.Kauker@awi.de)