Seit 2008 finden sich interessierte Wissenschaftler in einem offenen Prozess zusammen, um ihr Wissen über die sommerliche Meereisschmelze in der Arktis zusammenzutragen und im Rahmen einer Vorhersage im arktischen Frühling / Frühsommer das sommerliche Minimum der Meereisausdehnung für September zu bestimmen. Seit 2014 wird der sogenannte Sea Ice Outlook (SIO) („Meereisausblick“) als Teil des internationalen Meereisvorhersage-Netzwerks („Sea Ice Prediction Network“, SIPN) organisiert.
Das SIPN ist eine Gruppe von Wissenschaftlern und Stakeholdern, die sich zum Ziel gesetzt hat, ein besseres Verständnis über den aktuellen Meereiszustand in der Arktis, sowie deren Entwicklung zu schaffen. Der Fokus dieser Gruppe liegt in der Kommunikation von Vorhersagen des arktischen Meereises für den Sommer, insbesondere der Meereisausdehnung im September, dem Monat mit der geringsten Ausdehnung. Die Mitglieder der SIPN-Gruppe tragen zur Erstellung der SIO-Berichte bei und ein Projektleitungsteam übernimmt das Management des gesamten Netzwerks, der SIO-Berichte und der informativen Ressourcen und Tätigkeiten zur Verbesserung der Vorhersagen. Jeden Juni, Juli und August stellt das SIPN Berichte über die Vorhersagen zusammen. Die Vorhersagen basieren auf heuristischen, statistischen und numerischen Methoden.
Ein Nachsaisonbericht stellt eine eingehende Analyse der Faktoren, die die Meereisausdehnung im Sommer des aktuellen Jahres beeinflusst haben, zusammen und gibt einen Überblick über die für die Vorhersagen verwendeten wissenschaftlichen Methoden. „Nach nun zehn Jahren der Meereisvorhersage zeigt sich, dass die Meereisausdehnung zum Ende des Sommers in der Arktis in ihrer Tendenz schon recht zuverlässig im Rahmen der Fehlergrenzen vorherhergesagt werden kann“, stellt Dr. Frank Kauker, fest. „Es hat sich aber noch keine Methode als herausragend verlässlich oder gar gegenüber anderen Methoden überlegen gezeigt“, so Frank Kauker.
1. Einleitung
Im Folgenden ist eine Zusammenfassung über die im Frühsommer 2017 erstellten Meereisvorhersagen des SIO zu finden. Der Gesamtbericht im Original kann hier in englischer Sprache abgerufen werden. In den diesjährigen Bericht wurden erstmalig Vorhersagen zum antarktischen Meereis einbezogen. Insgesamt wurden für die Arktis 106 Meereisvorhersagen eingereicht (zwei mehr als im Vorjahr), wovon 33 Vorhersagen zu Beginn des Monats Juni, 36 zu Beginn des Monats Juli und 37 zu Beginn des Monats August erstellt wurden. Die jeweiligen Original-Monatsberichte für Juni, Juli und August finden Sie auf der SIPN-Webseite oder als deutsche Zusammenfassung hier. Die Vorhersagen wurden mittels heuristischer, statistischer, gemischter (heuristisch und statistisch) sowie dynamischer (modellbasierter) Methoden erstellt (Abb. 1). Aus allen Methoden wurde ein Median von 4,43 Mio. km² für im Juni gemachte Vorhersagen und 4,50 Mio. km² für die im Juli und August gemachten Vorhersagen bestimmt. Nach dem „sea ice index“ vom National Snow & Ice Data Center (NSIDC) lag die tatsächlich beobachtete Septemberausdehnung bei 4,80 Mio. km². Im Vergleich zu den Vorjahren hat das NSIDC die Methode zur Berechnung der monatlichen Mittel der Meereisausdehnung („sea ice extent“, SIE) verändert (mehr Information hier). Alle Methoden betrachtet, liegt die Beobachtung innerhalb des Quartilsbereiches der Juli- und August-Vorhersagen (4,20 bis 4,80 Mio. km²) aber außerhalb des Quartilsbereiches für die Juni-Vorhersage (oberer Quartilswert 4,71 Mio. km²).
2. Rückblick über die Bedingungen in der Arktis im Jahr 2017
Der arktische Winter 2016/2017 und der darauffolgende Frühling waren eine Fortsetzung des Trends aus dem gesamten vorherigen Jahr. Dieser Trend war durch sehr niedrige Meereisausdehnungen geprägt. Im April ging eine Periode von 16 Monaten zu Ende, in der die Ausdehnung um den Wert von zwei Standardabweichungen geringer war als das langjährige Mittel von 1981-2010 (siehe Abb. 2 und 3). Solch eine lange Periode trat erstmalig, seitdem es Satellitenaufzeichnungen gibt, auf. Ab Mai verringerte sich diese starke Abweichung vom Langzeitmittel etwas, bevor ab Ende Oktober bis Jahresende wieder relativ geringe Meereisausdehnungen aufgezeichnet wurden. In der Tschuktschensee wurde diese Beobachtung im Herbst am stärksten dokumentiert (Abb. 4). Hier haben sich viele offene Wasserstellen in der Meereisbedeckung gebildet (siehe Newsbeitrag Meereissituation Dezember), die vorher nie in diesem Ausmaß beobachtet wurden (Abb. 5). Die Meereisausdehnung im September war mit 4,80 Mio. km2 um 1,6 Mio. km2 geringer als das langjährige Mittel. Vergleicht man jedoch mit dem Vorjahr, hat die arktische Meereisbedeckung dieses Jahr um etwa 300.000 km2, sowie verglichen zum Rekordtief in 2012 um 1,23 Mio. km2 zugenommen. Die Wetteraufzeichnungen zeigen, dass der Winter 2016/2017 zu Beginn wärmer als im vorherigen Jahr war. Seit dem Beginn von Satellitenaufzeichnungen wurde die geringste Anzahl an Tagen mit Frosttemperaturen (Frostgradtage), jeweils multipliziert mit den Minusgraden, gemessen. Besonders auffällig war der März 2017 - die Meereisausdehnung war so gering wie noch nie in diesem Monat. Messungen haben ebenfalls ergeben, dass die Meereisdicke in der westlichen Arktis im Vergleich zu den Vorjahren 2011-2017 abgenommen hat. In der östlichen Arktis hat sie dagegen zugenommen.
3. Die Schmelzperiode im Rückblick
Die darauf folgende Schmelzperiode setzte im Jahr 2017 im Allgemeinen früher als gewöhnlich ein, allerdings in verschiedenen Regionen des Arktischen Ozeans zu unterschiedlichen Zeiten (Abb. 6). In der Zentralarktis war der Beginn vergleichbar (oder etwas später) zum langjährigen Mittelwert (1981-2010), während in den Regionen der Tschuktschensee, südlicher Beaufortsee, Karasee, Hudson Bay und nördliche Baffin Bay die Schmelzperiode früher (als im Durchschnitt) stattfand. Dies erklärt teilweise die frühe Bildung von offenen Wasserflächen in der westlichen Arktis, besonders in der Tschuktschensee und südlichen Beaufortsee, unterstützt wurde dies durch starke Winde von Norden Ende März/Anfang April. Sie drückten das Eis südlich in das Beringmeer und durch die Beringstraße und verursachten ein starkes Auseinanderbrechen der Meereisdecke in der Tschuktschensee (siehe Newsbeitrag Meereissituation Dezember). Zugleich zeigten die Temperaturmessungen in der Tschuktschen-, Beaufort- und Ostsibirischen See im Vergleich zum Mittel von 1981-2010 eine Anomalie von etwa +1°C, was ebenfalls zum frühen Einsetzen der Schmelzperiode beitrug. Im Vergleich dazu führte der verspätete Einsatz der Schmelzperiode in anderen Regionen des Arktischen Ozeans zu einer späteren Bildung von Schmelztümpeln. Die verspätete Schmelzperiode wurde durch kühle Lufttemperaturen im Sommer (Juli-August) verursacht. Die Lufttemperaturen im Sommer waren vergleichbar zum Mittel der Jahre 1981-2010 oder zeigten sogar niedrigere Temperaturen, wie zum Beispiel über der Laptewsee. Hier lagen die Lufttemperaturen im Sommer 1°C unter dem langjährigen Mittelwert. Dies kann durch ein persistentes Tiefdruckgebiet und einem damit verbundenen lang anhaltenden Sturm erklärt werden.
4. Methoden und Bewertung der Vorhersagen
Generell basieren die verschiedenen Berechnungen der beobachteten Meereiskonzentration auf der Anwendung von unterschiedlichen Algorithmen. Diese benutzen Satellitendaten von verschiedenen Sensoren (passiven Mikrowellensensoren (SSMIS, AMRS2), Multisensoren) mit unterschiedlicher räumlicher Auflösung und Landmasken. Außerdem basieren die Algorithmen auf unterschiedlichen Parametrisierungen, z.B. der Emissionsmodelle. Aus den daraus generierten Meereiskonzentrationen ergibt sich eine große Differenz von etwa 0,9 Mio. km2 (4,63-5,53 Mio. km2) im September 2017 für die untersuchten Algorithmen (Abb. 7). Eine detaillierte Beschreibung der verwendeten Methoden finden Sie hier im originalen Gesamtbericht). Im Vergleich zu 2015 und 2016 hat sich die Differenz vergrößert (vorher waren es ~0,4 Mio. km2). Es bleibt jedoch ungeklärt, wie groß der Einfluss der Verwendung unterschiedlicher Werte für die tatsächlich beobachtete Meereiskonzentration auf die Meereisvorhersagen ist.
Auch wie die jetzige Veränderung der NSIDC Mittelwerte (der täglichen Meereisausdehnungen) die Berechnungsmethoden der anderen Gruppen verändern wird, ist unklar. Die Meereisprognosen aus 2017 basieren auf zehn heuristischen, 44 statistischen, 43 dynamischen und neun gemischten Beiträgen (Abb. 1). Im Jahr 2017 liegt die Beobachtung der Meereisausdehnung im September nur im Quartilsbereich der statistischen Methoden.
Die dynamischen Methoden (Eis-Ozean- und Eis-Ozean-Atmosphären-Modelle) haben einen Quartilsbereich weit unterhalb der Beobachtung in 2017. Dies war 2016 nicht der Fall. Auch wenn sich mit verkürzter Vorhersageperiode (z.B. im August im Vergleich zu Juni) eine Tendenz zu Verbesserungen feststellen lässt, zeigt der Median aus allen Vorhersagen doch keine großen Veränderungen. Wie auch in den Vorjahren hat das AWI eine Vorhersage für 2017 basierend auf einer statistischen Methode und eine Vorhersage basierend auf einer dynamischen Methode eingereicht.
Die Juni-, Juli- und August-Vorhersagen der dynamischen Methode (Eis-Ozean Modell) betrugen 4,82; 4,93; 5,06 Mio. km2 (siehe Abb. 8a – AWI consortium (Kauker et al.)) und die der statistischen Methode betrugen 4,12; 4,74; 5,17 Mio. km2 (siehe Abb. 8b – Ionita & Grosfeld). Bis auf die Juni-Vorhersage der statistischen Methode lagen die Vorhersagen des AWI, wie auch in den Vorjahren, sehr dicht an der relevanten Beobachtung des NSIDC. Zwischen der statistischen und der dynamischen Methode des AWI lässt sich kein Qualitätsunterscheid erkennen, wenn man die Vorhersagen der Vorjahre mit in die Betrachtung einbezieht.
5. Analyse auf lokaler Skala
Wie es seit 2014 üblich ist, wurden die Teilnehmer auch 2017 eingeladen, Vorhersagen der Meereisausdehnungswahrscheinlichkeit einzureichen („sea ice probability“, SIP – Vorhersage der Wahrscheinlichkeit von Meereiskonzentrationen >15%). Es sollte erwähnt werden, dass die SIP-Metrik komplementär zur Meereisausdehnung (SIE) ist. Eine Vorhersage in Hinblick auf die SIE-Metrik kann auch dann gut sein, wenn die räumliche Verteilung des Meereises deutlich falsch ist (SIE ist nur ein Maß für die Größe der eisbedeckten Fläche). Auf der anderen Seite neigt die SIP-Metrik dazu, Vorhersagen mit einer unklar definierten Eiskante zu favorisieren. Dieses Jahr gab es eine Rekordzahl von neun Beiträgen.
Abbildung 9 zeigt die neun eingereichten Ergebnisse für die September-SIPs aus Juni 2017, sowie die Mittelwerte aus diesen Ergebnissen (mean) und die sich daraus ergebene Standardabweichung (σ). Die tatsächlich beobachtete Meereisausdehnung im September ist durch die schwarze Linie gekennzeichnet. Im Allgemeinen waren die Modelle 2017 in der SIP-Vorhersage entlang der Europäischen Arktis (Svalbard, Barents- und Karasee) erfolgreicher und konsistenter als in der Ostsibirischen See und der Beaufort-See. Wie entwickelt sich die SIP-Vorhersage vom Juni-SIO zum August-SIO? Dies ist in Abbildung 10 für alle eingereichten Modelle dargestellt.
Es sind mehrere interessante Merkmale erkennbar. Erstens ist im Allgemeinen wenig Veränderung vom Juni-SIO zum August SIO für die einzelnen Modelle erkennbar - die Streuung der Brier Scores (Maß für die Genauigkeit der Modellvorhersagen: 0 bedeutet eine fehlerlose und 1 eine fehlerbehaftete Vorhersage) nimmt nicht ab. Zweitens liegt die SIP-Vorhersage des Multi-Modell-Mittelwertes („model mean“ in Abb. 9 und 10), das den Mittelwert aus allen Vorhersagen wiederspiegelt, nahe der besten Vorhersagen. Auch ist hier die Qualität der dynamischen AWI-Vorhersagen gut erkennbar. Es ist die einzige Vorhersage, die für alle drei Vorhersagen der Multi-Modell-SIP-Vorhersage nahe kommt. Finden Sie hier eine detailliertere Darstellung der Modelle für Juni, Juli und August.
6. Vorhersagen für die Antarktis
In diesem Jahr wurden erstmalig 13 Vorhersagen für die Antarktis eingereicht. Alle drei Vorhersagen (Juni, Juli, August) zeigen eine, verglichen zu den Arktis-Vorhersagen, sehr große Streubreite, die den Bereich der historischen Aufzeichnungen des SIE bei weitem übersteigt. Die Meereisausdehnung war auch dieses Jahr rekordverdächtig niedrig (17,83 Mio. km² - NSIDC/NOAA G02135 Produkt). Sie zeigt die niedrigste Ausdehnung seit Beginn der Satellitenaufzeichnungen. Da nur die totale zirkumpolare Meereisausdehnung erfragt wurde, war keine genaue Analyse der Gründe der starken Streuung möglich. Um zukünftig bessere Vorhersagen machen zu können, fand im Februar ein zusätzliches Experiment bezüglich der antarktischen Vorhersagen im Rahmen des „South Project“ des SIPN statt.
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