Variabilität und Trends in arktischen Energie- und Süßwasserhaushalten

Ein Forschungsprojekt zur Abschätzung interannueller bis dekadischer Schwankungen in gekoppelten Energie- und Frischwasserhaushalten wird beantragt. Genaue Schätzwerte der Koppelung zwischen Atmosphäre, Hydrosphäre und Kryosphäre durch vertikale Energie- und Frischwasserflüsse, sowie durch horizontale Flüsse durch die seitlichen Ränder der Arktis ist für das Verständnis der Klimavariabilität und Klimaänderung in der Arktis und den angrenzenden Gebieten sehr wesentlich. Mehrere internationale Forschungsplattformen halten sie für wissenschaftlich äußerst bedeutsam. Existierende diagnostische Untersuchungen von Teilen des gekoppelten Energiehaushaltes der Arktis weisen große Unsicherheiten auf und decken nur kurze Perioden ab, sodass interannuelle oder dekadische Schwankungen nicht verlässlich geschätzt werden können. Auch konnten viele Terme nur indirekt geschätzt werden. Um diese Einschränkungen zu beseitigen schlagen wir die eine Abschätzung der ozeanischen und atmosphärischen Energie- und Frischwasserhaushalte durch verschiedene diagnostische Ansätze vor, die direkte ozeanische Messungen am Arctic Gateway Array ebenso beinhalten wie die Verwendung atmosphärischer, ozeanischer und kryosphärischer Reanalysen. Insbesondere ist die direkte Berechnung ozeanischer Flussdivergenzen vorgesehen. Für sie existieren bisher kaum Abschätzungen, obwohl sie zur Untersuchung der Klimavariabilität und zum Vergleich mit Klimamodellen dringend benötigt werden. Die Auswertungen sollen auf Reanalysen basierend auf einem dynamischen Datenassimilationssystem inkl. Meereismodell aufbauen, die gerade produziert werden, sowie auf den direkten ozeanischen Messungen. Für die Zeit vor 1950 stehen zusätzliche frisch digitalisierte Daten zur Verfügung, die homogenisiert werden sollen, um die Basis für genauere atmosphärische Reanalysen und in der Folge von Haushaltsberechnungen in dieser Zeit zu liefern. Die Arbeitsgruppe des Antragstellers hat in den letzten Jahren Methoden zur atmosphärischen Haushaltsberechnung erstellt, die bereits jetzt wesentlich besser sind als der publizierte Stand der Kunst, und die nun auf den Ozean ausgeweitet werden sollen. Sie hat auch Expertise bei der Homogenisierung von Daten, insbesondere Radiosonden. Dies ist wesentlich zur Korrektur der frühen arktischen Radiosondendatensätze. Das Projekt ist eingebettet in internationalen und nationalen Forschungsnetzwerken, z.B. dem International Arctic Science Committee oder dem Austrian Polar Research Panel. Die vorgeschlagene Forschung wird voraussichtlich zu statistisch signifikant genaueren Auswertungen der arktischen Energie- und Frischwasserhaushalte auf Skalen von 50km zurück bis 1979 führen. Noch weiter zurück bis etwa 1950 sollten zumindest atmosphärische Haushalte mit ausreichender Genauigkeit für sinnvolle Vergleiche mit Klimamodellen bestimmbar sein. Der Wert der Ergebnisse wird anhand von Studien zur Klimavariabilität und des Vergleichs mit unabhängigen Messungen und Klimamodellen demonstriert werden. Mittel in der Höhe von EUR 230.895 für 2 Jahre, fast ausschließlich Personal- und Reisekosten, werden beantragt.

Die genaue Beschreibung von regionalen Energie- und Wassertransporten in Atmosphäre, Ozeanen und Eis, insbesondere in die sich sehr schnell verändernden Arktis, ist zentral für das Verständnis und die Quantifizierung des Klimawandels. Diese Transporte können nicht direkt gemessen werden. Sie erfordern die Kombination verschiedenster Beobachtungen vom Weltraum aus, in der Atmosphäre, an der Erdoberfläche und auch in der Tiefsee. Vor Beginn dieses Forschungsprojektes existierende Abschätzungen des gekoppelten Energiehaushaltes der Arktis wiesen große Unsicherheiten auf. Die Haushalte, i.e. die Summe des Energietransports und der Energiespeicherung, wiesen ein ungeklärtes Defizit von 25% der Einzeltransporte auf. Zusätzlich deckten sie nur kurze Perioden von wenigen Jahren ab, sodass interannuelle oder dekadische Schwankungen nicht verlässlich geschätzt werden können. Durch Verwendung der besten zur Verfügung stehenden atmosphärischen, ozeanischen und Meereisdaten, sowie durch Verbesserungen in der numerischen Berechnung der Haushalte konnte die Diskrepanz in den mehrjährigen Energiehaushalten auf weniger als 2% der Einzeltransporte reduziert werden. Auch die Diagnose der jahreszeitlichen Schwankungen der arktischen Haushalte wurde um 50% genauer, auch wenn immer noch Unsicherheiten vor allem in der Beobachtung der Eisschmelze bestehen. Auch in den Abschätzungen des arktischen Süßwasserhaushaltes konnten erhebliche Verbesserungen erzielt werden. Ein wesentliches Ergebnis des Projektes ist auch, dass die großteils die klimawandelbedingte Energiespeicherung in der Arktis nicht größer ist als außerhalb der Arktis, obwohl die Temperaturen an der arktischen Erdoberfläche wesentlich rascher steigen als in den meisten übrigen Regionen. Die wahrscheinliche Ursache dafür ist, dass die zusätzliche Energie vom arktischen Klimasystem großteils oberflächennah gespeichert oder zur Meereisschmelze verwendet wird, während in den globalen Ozeanen die zusätzliche Energie in große Tiefen hinuntergemischt wird. Die neuen Abschätzungen können nun als Referenz zum Vergleich mit Simulationen von Klimamodellen verwendet werden. Unsicherheiten auch nach Projektende bestehen vor allem wegen fehlender Beobachtungen unterhalb des arktischen Meereises, sowie durch die arktischen Wasserstraßen. Auch die angestrebte Verlängerung der diagnostischen Energietransportabschätzungen zurück bis 1950 konnte nicht realisiert werden, weil die dafür notwendigen Eingangsdaten bis Projektende nicht fertiggestellt waren. In dem Projekt wurde versucht, die Beobachtungsdaten nicht nur zu verwenden, sondern auch zu verbessern. Insbesondere wurden Radiosondendaten in hohen nördlichen Breiten homogenisiert. Damit meint man das Eliminieren von nicht klimabedingten Sprüngen aus den Beobachtungszeitreihen, die durch Wechsel in der Instrumentierung oder der Beobachtungspraxis verursacht werden können. Erst dadurch können diese Daten zuverlässig für die Beobachtung des Klimawandels berücksichtigt werden. Die so homogenisierten Daten gehen in neue zeitlich hochauflösende Analysen des globalen Klimas ein, bei das europäische Klima- und Umweltmonitoringprogramm Copernicus weltweit führend ist.