Rethinking the Relationship Between the Observed, Simulated and Real Arctic Sea-Ice Evolution

Max-Planck-Institut für Meteorologie

Anders Jilden/Unsplash

Schlagworte

Klimamodelle, Satellitenbeobachtungen, Fernerkundung, Arktis, Meereis, Klimawandel, Wärmeflüsse, Modellevaluierung

Zusammenfassung

In dieser Dissertation untersuche ich die großen Unterschiede in der zeitlichen Entwicklung des arktischen Meereises, zum einen zwischen verschiedenen Klimamodellen und Beobachtungen und zum anderen zwischen einzelnen Klimamodellen.

Im ersten Teil der Dissertation untersuche ich die Faktoren, die innerhalb der verschiedenen Klimamodelle die langfristige Erwärmung des Arktischen Ozeans vorantreiben. Ich finde heraus, dass es zwischen den Modellen keinen Konsens darüber gibt, wie die überschüssige Wärme vom Ozean gewonnen wird. Einige Modelle simulieren einen deutlichen Wärmegewinn durch die Wärmeübertragung zwischen Atmosphäre und Ozean innerhalb der Arktis. Andere Modelle simulieren einen Wärmegewinn durch die Wärmeübertragung zwischen Arktischem und südlicheren Ozeanen (Atlantik und Pazifik). Obwohl die Modelle sich uneinig sind, über welchen Weg die zusätzliche Wärme dem Ozean hinzugefügt wird, sind sie sich alle in der Größenordnung der Erwärmung einig. Auch zeige ich, dass, im Vergleich zu den Abweichungen in den verschiedenen Wärmeübertragungswegen, diese Erwärmung gering ist. Das liegt daran, dass die meiste Wärme, die durch einen der Wärmeübertragungswege gewonnen wird, durch den anderen Wärmeübertragungsweg wieder verloren geht. Ich konnte zeigen, dass das an dem Zusammenhang zwischen Veränderungen im Wärmezufluss aus südlicheren Ozeanen und Veränderungen im turbulenten Wärmeverlust an die Atmosphäre liegt.

Im zweiten Teil der Dissertation untersuche ich die Realisierbarkeit eines Beobachtungsoperators für den Arktischen Ozean. Ein Beobachtungsoperator übersetzt das von einem Klimamodell simulierte Klima des Arktischen Ozeans in eine Helligkeitstemperatur. Die Helligkeitstemperatur ist die Größe, die direkt von Satelliten vom All aus gemessen wird, ein Maß für die von der Erdoberfläche emittierte Mikrowellenstrahlung. Mit einem solchen Beobachtungsoperator kann die Beobachtungsunsicherheit umgangen werden, die derzeit einer zuverlässigen Klimamodellevaluierung im Weg steht. Meereishelligkeitstemperaturen bei 6,9 GHz werden von dem Profil des Flüssigwasseranteils im Eis und Schnee getrieben. Dieses Profil ist in den meisten Klimamodellen nicht aufgelöst. Ich zeige auf, dass der Flüssigwasseranteil im Winter durch ein lineares Temperaturprofil und ein Salzgehaltsprofil, das als selbstähnliche Funktion der Tiefe vorgeschrieben ist, vernünftig beschrieben werden kann. Im Sommer ist der Schmelztümpelanteil, also große Pfützen, die an der Eisoberfläche entstehen, wichtiger für die Simulation von Helligkeitstemperaturen als die Struktur des Eisinneren.

Im dritten Teil der Dissertation baue ich auf diesen Ergebnissen auf und entwickle den "Arctic Ocean Observation Operator", einen Beobachtungsoperator für den Arktischen Ozean bei 6,9 GHz. Ich vergleiche Helligkeitstemperaturen, die basierend auf Erdsystemmodellergebnissen simuliert werden, mit Helligkeitstemperaturen, die von Satelliten gemessen wurden. Die Unterschiede zwischen simulierten und gemessenen Helligkeitstemperaturen können hauptsächlich durch die Unsicherheit in der simulierten Meereiskonzentration, der Kombinationstechnik zwischen Beobachtung und Modell und der Parametrisierung von Schmelztümpeln erklärt werden. Unterschiede, die auf Fehler des Beobachtungsoperators selbst zurückzuführen sind, sind gering.

Insgesamt blicke ich in dieser Dissertation aus verschiedenen Perspektiven auf die großen Unterschiede in der zeitlichen Entwicklung des arktischen Meereises. Einerseits finde ich heraus, dass der Mittelwert über verschiedene Klimamodelle nicht immer repräsentativ für das simulierte arktische Klima ist, und deshalb mit Vorsicht interpretiert werden sollte. Andererseits führe ich ein unkonventionelles Instrument ein, das neue Möglichkeiten für die zukünftige Evaluierung von Klimamodellen bietet.

Zitiervorschlag

Burgard, Clara. Rethinking the Relationship Between the Observed, Simulated and Real Arctic Sea-Ice Evolution. Universität Hamburg Hamburg, 25. September 2019, doi:10.17617/2.3165898.

Repository

pure.mpg.de

Identifikatoren

urn: 10.17617/2.3165898

doi: 10.17617/2.3165898 coisas

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