Der Sea Ice Outlook (SIO) für Juni 2021 erhielt insgesamt 38 Beiträge zur Vorhersage der Meereisausdehnung für September 2021, welche mit unterschiedlichen Methoden untersucht wurde (Abb. 1). Vier dieser Beiträge verwendeten heuristische- oder qualitative Analyseansätze (einer mehr als 2020), 18 verwendeten statistische Methoden (vier mehr als 2020) und zehn nutzen dynamische Modelle (basierend auf Modelle der Strömungs- und Thermodynamik, sechs weniger als 2020). In diesem Jahr gibt es fünf Beiträge, die durch künstliche In-telligenz (Artificial Intelligence (AI) / maschinellen Lernverfahren (Machine Learning (ML)) generiert wurden, gegenüber zwei in den vorherigen zwei Jahren und einem mit Methoden-Mix (eine dynamische Ensemble-Vorhersage mit Biaskorrektur unter der Verwendung der Fehlerschätzung von 2020). Der diesjährige prognostizierte Median beträgt 4,37 Millionen km2 mit Quartilien von 4,07 und 4,61 Millionen km2. Diese Zahl ist größer als die vom SIO im Jahr 2020 vorhergesagten 4,33 Millionen km2, aber geringer als der Wert von 4,40 Millionen km2 im Jahr 2019 und 4,6 Millionen km2 im Jahr 2018. Neun Beiträge projizierten die Meereisausdehnung im September 2021 auf weniger als vier Million km2 und zwei prognostizierten eine Meereisausdehnung von über fünf Millionen km2. Auch in diesem Jahr ist der Median der dynamischen Modelle der niedrigste aller Methoden. Keine der Prognosen sagte ein neues Rekordtief voraus (d. h. unter 3,57 Millionen km2, gemessen in 2012).
Die Prognosen, die auf Methoden des maschinellen Lernens basieren (lilafarbene Box), zeigen die größte Streuung (fünf Beigeträge), mit einem Median von 4,63 und Quartilen von 4,04 bis 4,63 Millionen km2. Die dynamischen Modelle besitzen die zweitgrößte Streuung (zehn Beiträge), mit einem Median von 4,20 Millionen km2 und Quartilen von 3,90 und 4,38 Millionen km2. Diese Streuung ist größer als die der statistischen Methoden (achtzehn Beiträge), welche Quartile von 4,26 und 4,61 Millionen km2 aufweist. Die vier heuristischen Methoden weisen Quartile von 4,16 und 4,59 Millionen km2 auf. In diesem Jahr ist eine größere Streuung des Medians zwischen den vier Methoden (Abbildung 2) zu erkennen als bei den SIO vom Juni 2020.
Für den Juni 2021 SIO Report, reichten zehn Gruppen Zusatzmaterialien ein (siehe: vollständige Berichte der Mitwirkenden und ergänzende Materialien; www.arcus.org/sipn/sea-ice-outlook/2021/june). Die ergänzenden Materialien variieren zwischen den Beiträgen, können jedoch auch Informationen zur Methodik beinhalten: (1) wie die Vorhersagen entstehen, (2) Anzahl der Ensemblemitglieder in den Prognosen, (3) ob und wie Bias-Korrekturen angewendet werden, (4) Ensemble-Streuung, Bereich der Vorhersagen, Unsicherheiten und andere Statistiken, und (5) ob eine Nachprozessierung durchgeführt wurde.
Die diesjährige Prognose von 4,37 Millionen km2 liegt auf der linearen Trendlinie, basierend auf historischen Daten für die Meereisausdehnung im September (Abbildung 3). Alle Schät-zungen liegen in einem engen Bereich (von 3,73 bis 5,23 Millionen km2). Aus diesem Grund besteht die allgemeine Meinung, dass die Projektionen nahe an der Persistenz liegen sollten (basierend auf den aktuellsten Beobachtungen). Dies spricht gegen einen schnellen starken Rückgang der Meereisausdehnung im arktischen Sommer.
Meereiswahrscheinlichkeitsvorhersagen (SIP) und die Voraussage des ersten Meereis-freien Zeitpunkts (IFD) basierend auf räumlichen Feldern
Wie auch in den letzten Jahren, wurde erneut dazu eingeladen, Vorhersagen für die September-Meereiswahrscheinlichkeit (SIP) sowie für den ersten Meereisfreien Zeitpunkt (IFD) einzureichen. Zusätzlich produziert das SIPN2 jetzt auch SIP- und IFD-Vorhersagen direkt aus den Meereiskonzentrationsvorhersagen (SIC) der Beitragenden. Des Weiteren werden alle Gruppen ermutigt, wann immer möglich, umfassende SIC-Vorhersagen einzureichen. Diese werden keiner Bias-Korrektur unterzogen. Die SIP ist definiert als der Anteil der Ensemblevorhersagen, die eine Eiskonzentration von mehr als 15 % im September vorhersagen (wenn z. B. nur vier von acht Ensemblevorhersagen eine Eiskonzentration von mehr als 15 % vorhersagen, dann beträgt das SIP 50 %). Die IFD-Vorhersage beschreibt den Zeitpunkt des Anfangs der „Schmelz-Saison“, an welchem die Meereiskonzentration an einem gegebenen Ort unter einen bestimmten Schwellenwert fällt – in diesem Jahr werden IFD-Vorhersagen für zwei Grenzwerte angegeben, darunter 15 % und 80 % Meereiskonzentration. Es gab zehn Vorhersagen zum SIP (sieben dynamische, drei statistische) und acht IFD-Vorhersagen (sechs dynamische, zwei statistische).
Vorhersage der Meereiswahrscheinlichkeit (SIP)
Die SIP-Vorhersagen (siehe Abbildung 3) zeigen einstimmig niedrige Meereiswahrscheinlichkeiten für September im Vergleich zu den Prognosen der letzten Jahre. Es werden niedrige SIPs in der Tschuktschen- und Laptew-See erwartet und alle Vorhersagen zeigen eine offene Nordostpassage. Allgemein ist die Prognoseunsicherheit im Vergleich zu den vergangenen Jahren geringer, jedoch ist festzustellen, dass die Anzahl der SIP Prognosen für den Juni 2021 SIO etwas geringer ist als in den Jahren zuvor.
Vorhersage des ersten eisfreien Zeitpunktes (IFD)
Die Abbildungen 4 und 5 zeigen Vorhersagen des ersten eisfreien Zeitpunktes mit den Schwellwerten für die Meereiskonzentration von 15 % und 80 %. Wie auch in den vergange-nen Jahren besteht bei beiden Schwellenwerten eine signifikante Modellunsicherheit hinsichtlich des Zeitpunkts der IFD. Zum Beispiel, zeigen einige Vorhersagen eisfreie Bedingungen in der Laptewsee im Juni (Abbildung 4, SYSU, Sun, CanSIPv2), während andere Vorhersagen eine deutlich spätere Schmelze anzeigen (z. B. AWI). Auch die Prognosen für das geschlosse-ne Packeis in der zentralen Arktis gehen auseinander (Abbildung 5: 80 % SIP).
Vorhersage der Anfangsbedingungen
Seit 2020 können von den Beteiligten ihre prognostizierten Anfangsbedingungen (ICs) für die Meereiskonzentration und die Meereisdicke eingereicht werden, um ein besseres Verständnis dafür zu bekommen, wie Beobachtungen in den Vorhersagen verwendet werden. Für den SIO im Juni 2021 haben wir von vier Beiträgen die Anfangsbedingungen erhalten. Alle stammen von dynamischen Modellen (APL; CanSIPSv2, RASM, AWI), wie der Abbildung 6 entnommen werden kann.
Die vorhergesagten Anfangsbedingungen der Meereiskonzentration zeigen allgemein eine gute Übereinstimmung zwischen den verschiedenen Modellen, mit Konzentrationen nahe 100 % über dem Großteil des Arktischen Ozeans. Im Gegensatz dazu zeigen die Anfangsbedingungen der Meereisdicke weniger Übereinstimmungen zwischen den Modellen. Während alle Modelle dickes Meereis nördlich von Grönland und dem kanadisch- arktischer Archipel auf-zeigen, unterscheiden sie sich signifikant in der Dickenverteilung in der pazifischen Arktis. Allgemein ist das Muster der besseren Übereinstimmung der Anfangsbedingungen der Meereiskonzentration im Vergleich zur Meereisdicke konsistent mit dem, was im Jahr 2020 gefunden wurde.
Diskussion über arktische Meereisanomalien
Dies ist das erste Jahr, in dem der SIO um Anomalien der mittleren September Meereisausdehnung ergänzt wurde. Dies ist durch die große Streuung in den SIO-Vorhersagen der mittleren September-Meereisausdehnung motiviert und untersucht, ob die Streuung reduziert wird, wenn der Bias zwischen den Modellen (Inter-Model-Bias) entfernt wird. Die Anomalie der panarktischen Meereisausdehnung ist die Abweichung des September-Ausdehnung relativ zum Basistrend der einzelnen Beiträge (z. B. der Trend in historischen Beobachtungen, Modell-Hincasts, usw.). Die 14 Beiträge zur Anomalie der mittleren Meereisausdehnung im September reichen von -0,28 bis +0,57 Millionen km2, wobei zehn Prognosen über und vier unter der Basislinie liegen (siehe Abbildung 7). Die beobachteten Anomalien aus dem Trend reichen von -1,22 (2012) bis 0,74 (2006) Millionen km2, während die Juni SIO Anomalie-Vorhersage eine Standardabweichung von 0,51 Millionen km2 hat.
Diskussion über die Motivation von SIO Beitragenden
Die SIO dient als eine Art Hub für die Meereisvorhersage-Community, um sich auszutauschen und den Fortschritt ihrer Arbeit zu beurteilen. Gleichzeitig können Stakeholder oder die interessierte Öffentlichkeit Einblicke in wichtige Ansätze der Meereisvorhersage gewinnen. In Vorbereitung auf das SIO Contributors‘ Forum im Januar 2021 führten Mitglieder des SIPN2-Teams eine Online-Umfrage unter den Mitwirkenden durch, um die Arbeit zwischen der SIO und ihren Mitgliedern zu verbessern. Etwa 40 SIO-Mitwirkende wurden eingeladen, an der Umfrage teilzunehmen, und insgesamt 23 von haben sich an der Umfrage beteiligt. In der Umfrage wurden den Teilnehmern grundlegende Fragen zu ihrer Organisation, den verwendeten Prognosemethoden, den Beweggründen für ihre Beiträge zur SIO und wie SIPN2 die SIO verbessern könnte, gestellt. Die Antworten zeichnen ein Bild davon, wer zum SIO beiträgt und warum er dies tut. Wichtig ist, dass die von den Befragten mitgeteilten Informationen genutzt werden können, um den SIO als Informationswerkzeug zu verbessern, was nicht nur der Forschungsgemeinschaft dient, sondern auch eine Reihe von Benutzeranforderungen unterstützen kann. Betrachtet man, wer zum SIO beiträgt, so sind die meisten Befragten Mitglieder von akademischen Institutionen (59 %) oder Regierungsbehörden (22 %). Für das Jahr 2020 gaben die Befragten an, insgesamt 127 monatliche Prognosen aller Arten (d. h. SIE, SIP, IAD, IGD) eingereicht zu haben. Insgesamt wurden 51 monatliche Vorhersagen für die pan-arktische Meereisausdehnung und 24 Vorhersagen für den SIP von den Befragten gemeldet. Um besser zu verstehen, welche Rolle der SIO bei der Unterstützung der Forschung spielt, wurden die Befragten gebeten, die Gründe zu nennen (es konnten mehrere Gründe angegeben werden), warum sie Vorhersagen eingereicht haben. Von den 23 Befragten gaben 16 an, dass sie ihre Prognosen bei der SIO eingereicht haben, um sie mit denen anderer Community-Mitgliedern zu vergleichen, und 14 Befragte (60,9 %) gaben an, dass sie eine Prognose einreichten, um den Bekanntheitsgrad ihrer Organisation zu erhöhen. Die weitere Entwicklung des SIO hängt von den Rückmeldungen der an der Meereisvorhersagen Beteiligten ab. Die gewonnen Erkenntnisse geben Aufschluss über wertvolle Bereiche, die für die Verbesserung der Reichweite in der Zukunft genutzt werden können.
Vorhersagen prognostizieren: Ein sich abzeichnendes Muster im Meereisausblick
Betrachtet man die 13-jährige Historie (2008-2020) aller Juni Meereisausblicke (Abbildung 8), fällt die fehlende Übereinstimmung zwischen dem Median aller Vorhersagen und dem tatsächlichen beobachteten Wert im September auf: Die beiden Zeitreihen korrelieren mit r = 0,24, was auf eine mangelnde Fähigkeit zur Vorhersage der zwischenjährlichen Schwankungen der Meereisausdehnung hinweist. Hamilton und Stroeve (2016) haben die Idee vorgeschlagen, dass der SIO in der Lage ist, die Änderungen der Meereisausdehnung (d. h. Werte nahe der Trendlinie oder des lokalen Durchschnitts) vorherzusagen, während die Vorhersage anomaler Bedingungen wie im Jahr 2012 oder 2013 extrem schwierig bleibt. In den Jahren, in denen die September Meereisausdehnung deutlich vom Vorjahreswert abweicht, sind die Fehler tendenziell größer (Abbildung 5 von Hamilton und Stoeve 2016) , was diese Intuition bestätigt.
Während es keinen signifikanten Zusammenhang zwischen vorhergesagten und beobachteten Zeitreihen gibt, weist Abbildung 8 (links) auf die Tatsache hin, dass die beiden Zeitreihen eine um ein Jahr verzögerte Kovarianz aufweisen. Tatsächlich korrelieren die beobachtete und die vorhergesagte Zeitreihe signifikant (r = 0,86), wenn eine einjährige Verzögerung eingeführt wird. Das heißt, die beobachtete September Ausdehnung eines bestimmten Jahres ist ein sehr guter Prädiktor für die Vorhersage des Sea Ice Outlooks für das nächste Jahr. Dieser Zusammenhang ist in der Abbildung 8 (rechts) dargestellt.
Wie lässt sich dieses Verhältnis erklären? Eine Möglichkeit ist, dass die Gesamtheit der SIO-Prognosen sich daran erinnert, wie ungewöhnlich das letzte Jahr war. Nach dem Rekord-Minimum 2012 könnten zum Beispiel mehrere Gruppen ihr Vorhersagesystem aktualisiert haben (bewusst oder unbewusst), da ein so niedriger Wert nun eine eindeutige Möglichkeit darstellt. Während diese Vorgehensweise prinzipiell gerechtfertigt ist, ist eine besorgniserregende Realität, dass die beobachteten Anomalien der September Meereisausdehnung kein signifikantes Ein-Jahr-Gedächtnis aufweisen (r = 0,03 für die um ein Jahr verzögerte Zeitreihe 2007 – 2020), so dass die Verwendung des letztjährigen Beobachtungswerts als Prognose für das nächste Jahr gleichbedeutend mit einer klimatologischen Prognose ist.
Kontakt
Grafiken
