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Integrated Climate Data Center
CENIntegrated Climate Data Center ICDC

Foto: getty images/L. Calvetti

Kryosphäre - Eis und Schnee

Eis und Schneeparameter

Bitte klicken Sie auf das Bild, um es zu vergrößern. Copyright: UHH/StefanKern
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Abb. 1: Anomalien der mittleren monatlichen Meereisfläche der Antarktis bezogen auf den Zeitraum 1992-2001 für die Monate September und Oktober.
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Abb. 2: Wie in Abbildung 1 aber für die Arktis.
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Abb. 3: Tägliche Meereisfläche der Antarktis der vergangenen 6 Monate im Vergleich zur typischen Meereisfläche und deren Variabilität für 1992-2001.
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Abb. 4: Wie im linken Bild aber für die Arktis. Die zugrunde liegende Meereiskonzentration wurde berechnet mit dem ASI-Algorithmus (siehe www.seaice.de).

Auf dem Ozean

An Land

Einige ausgesuchte Links

Meereisbedeckung

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Abb. 5: Karte der aktuellen Anomalie der Meereiskonzentration für die Arktis bzgl. der Klimatologie für 1992-2021. Die schwarze (graue) Isolinie markiert 15 % Meereiskonzentration des aktuellen Monatsmittels (der Klimatologie).
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Abb. 6: Wie Abbildung 5, aber für die Antarktis. Beide Karten gibt es auf Anfrage auch als netCDF Datei..
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Abb. 7: Antarktische Meereisfläche.
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Abb. 8: Arktische Meereisfläche.

Die Meereiskonzentration (in %) ist der wohl wichtigste Parameter zur Beschreibung der flächenhaften Meereisbedeckung. Unter ihr versteht man die prozentuale Bedeckung einer Fläche definierter Größe mit Meereis.

Daten zur Meereiskonzentration / -bedeckung am ICDC:

AMSR2 ASI algorithm v110 sea-ice concentration README

Wir weisen darauf hin, dass die ASI Meereiskonzentrationskarten primär auf Daten der Kanäle nahe 90 GHz von SSM/I, SSMIS, AMSR-E und AMSR2 beruhen. Die so erzielte feinere räumliche Auflösung kann auf Kosten der Genaugigkeit der berechneten Meereiskonzentration gehen. Das gilt zum einen für offenes Wasser und die Eisrandzone wo unkorrigierte Wettereffekte zu Artefakten in der Eiskonzentration führen können. Und das gilt zum anderen für das Meereis selbst. Veränderungen der physikalischen Eigenschaften des Schnees und des Meereises durch wechselnde Wetterbedingungen können zu einer Unterschätzung der Eiskonzentration führen - in Regionen in denen man eigentlich 100% Eisbedeckung annehmen würde.

Von März auf April 2016 wurde die Prozessierung von DMSP-F17 auf DMSP-f18 umgestellt. Vorläufige Untersuchungen zeigen, dass infolgedessen die Meereisfläche in der Arktis um rund 1-2% niedriger, in der Antarktis aber womöglich um rund 1% höher ist.

Die aktuelle Entwicklung der Meereisbedeckung wird in den Abbildungen oben rechts illustriert. Dargestellt ist die Anomalie der aktuellen mittleren monatlichen Meereiskonzentration relativ zur Klimatologie 1992-2021 auf Basis der ASI algorithm SSM/I - SSMIS sea ice concentration Daten.

Animationen der Anomalien für den Zeitraum 2010-01 bis 2024-10 gibt es für die  Arktis and the  Antarktis. Wir stellen NEGATIVE Anomalien bewußt in rot dar da diese mit einer POSITIVEN (=warmen) Temperaturanomalie verknüpft sind; entsprechend erscheinen positive Eiskonzentrationsanomalien in blau (=kalt). Die schwarze (graue) Linie markiert die aktuelle (des entsprechenden Monats) 15% Eiskonzentrationsisolinie für die Referenzperiode 1992-2021.

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Meereisfläche

Die Meereisausdehnung (sea ice extent) und die Meereisfläche (sea ice area) sind die beiden am häufigsten verwendeten Parameter wenn die Gesamtmeereisbedeckung einer Hemisphäre (oder global) quantifiziert und deren zeitliche Entwicklung verfolgt werden soll. Die Meereisausdehnung ist die Summe der Flächeninhalte aller mit Meereis bedeckten Gitterzellen; oft wird ein Schwellwert von 15% benutzt um eine Gitterzelle als "mit Meereis bedeckt" zu definieren. Zwar wird die Meereisausdehnung nach wie vor sehr häufig verwendet um die Langzeitveränderung der polaren Eisbedeckung zu beobachten aber das hat den entscheidenden Nachteil, dass die tatsächlich vorhandene Menge Meereis damit nicht erfaßt werden kann. Für die Berechnung der Meereisausdehnung ist es egal ob die Meereiskonzentration einer bestimmten Region im Mittel 100% oder 50% beträgt; die Meereisausdehnung ist in beiden Fällen gleich groß.

Im Gegensatz dazu steht die Meereisfläche. Diese ist die Summe der Flächeninhalte aller mit Meereis bedeckten Gitterzellen, gewichtet mit dem jeweiligen Anteil Meereis. Damit hat die aktuelle Meereiskonzentration einen Einfluß auf den berechneten Wert der Meereisfläche; eine im Mittel eher offene Meereisdecke wird in einer kleineren Meereisfläche resultieren als eine kompakte Meereisdecke. Verschiedenste Untersuchungen der nahen Vergangenheit haben gezeigt, dass die Meereisfläche höchstwahrscheinlich ein wesentlich aussagekräftigerer Parameter als die Meereisausdehnung ist wenn es um die Beobachtung und Quantifizierung der tatsächliche vorhandenen Menge Meereises geht.

Zur Berechnung von Ausdehnung und Fläche wird der Flächeninhalt der Gitterzellen benötigt. Dieser ist für das EASE2-Gitter (siehe z. B. das OSI-450a / OSI-430a Produkt) das Quadrat der Gitterzellengröße. Für die polarstereographischen Gitter des NSIDC (siehe z. B. das ASI SSM/I-SSMIS Produkt) variiert der Flächeninhalt mit der geographischen Breite. Dateien des Flächeninhalts dieser Gitter gibt es z. B. hier beim NSIDC oder zum Herunterladen als NetCDF Dateien für die Arktis mit 25 km Gitter.

Daten zur Meereisfläche:

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Meereisdrift

Als Meereisdrift versteht man die Verlagerung von Meereis (entweder von einzelnen Schollen, wenn es sich um Bojenmessungen handelt, oder ganzer flächiger Areale, wenn es sich um Satellitenmessungen handelt). Diese wird in km/Tag bzw. cm/s oder auch als Start- und Endkoordinate eines Driftvektors angegeben. Dank der Satellitenfernerkundung sind auch hier 25-30 Jahre lange Zeitserien möglich.

Daten zur Meereisdrift:

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Meereisdicke

Die Meereisdicke ist einer der derzeit am schwierigsten flächendeckend zu messenden Meereisparameter; es gibt derzeit (noch) keine flächendeckenden, lang- und ganzjährigen Datensätze der Meereisdicke auf Basis von Beobachtungen. Daten basieren auf Satelliten-Altimetrie (Ableitung der Meereisdicke aus der Freibordhöhe des Meereises, d. h. den Teil der über das Wasser ragt), Satelliten-Radiometrie (Ableitung der Meereisdicke über die physikalische Beziehung zwischen Dicke, Salzgehalt, Temperatur und Emissivität), Luftfahrzeug gestützte Systeme(geben die kombinierte Dicke aus Meereis + Schneeauflage), Unterwassermessungen (Ableitung der Meereisdicke aus dem Tiefgang des Meereises, d. h. dem Teil der ins Wasser eintaucht), sowie vor Ort Messungen (Eiskernbohrungen). Eisdicken werden in der Regel in m angegeben.

Daten der Meereisdicke:

Zusätzlich:

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Meereistyp / Polynjen / Rinnen

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Abb. 9: Klick auf das Bild für eine Beispielanimation von 20 Polynjenkarten in der Region "Western Ross Sea", abgeleitet mit dem PSSM Verfahren aus DMSP-f18 SSMIS Messungen. Die Animation läuft rückwärts. Copyright: UHH/CEN/S. Kern
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Abb. 10: Klick auf das Bild für eine Beispielanimation von 20 Polynjenkarten in der Region "Central Weddell Sea", abgeleitet mit dem PSSM Verfahren aus DMSP-f18 SSMIS Messungen. Die Animation läuft rückwärts. Copyright: UHH/CEN/S. Kern

Meereis kann in verschiedene Typen eingeteilt werden, z. B. nach Alter (mehr-jähriges Eis, erst-jähriges Eis, junges Eis), Grad der Deformation (ebenes Eis, aufgeworfenes/überschobenes Eis) oder Ort des Vorkommens (Eisrandzone, Packeis, Festeis, Rinnen, Polynjen). Angegeben wird in der Regel die absolute oder prozentuale Fläche bzw. Ausdehnung (z. B. mehr-jähriges Eis) oder die Häufigkeit des Auftretens (z. B. Polynjen)

Daten der Meereistyps:

Daten von Polynjen / Rinnenverteilung

Daten des Meereisalters (als Proxie für Meereistyp und -dicke):

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Schmelztümpel auf Meereis der Arktis

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Abb. 11: Beispielfoto einer Schmelztümpelverteilung auf arktischem Meereis aufgenommen von einem Helikopter während der Polarstern Expedition ARKXXII/2 im Sommer 2007 (Copyright: Stefan Hendricks).

Das Meereis der Arktis ist während der Schnee- und Eisschmelze mit sogenannten Schmelztümpeln bedeckt (siehe Abbildung  11). In Abhängigkeit von Schneedicke, Einsetzen und Dauer der Schmelzperiode und Eistyp ist ein unterschiedlicher Teil der Meereisdecke von Schmelztümpeln bedeckt. Da Schmelztümpel im Vergleich zum umliegenden Meereis dunkler sind, wird in ihnen mehr Sonnenstrahlung absorbiert als vom umliegenden Meereis. Dies kurbelt die Meereisschmelze weiter an (eine positive Rückkopplung). Zudem ist das Meereis im Schmelztümpel dünner als drumherum. Damit gelangt mehr Sonnenstrahlung in das Wasser unter der Meereisdecke. Je zeitiger sich Schmelztümpel entwickeln, desto mehr Sonnenenergie steht zur Meereisschmelze zur Verfügung.

Eine Schmelztümpeldetektion oder sogar -kartierung per Satellit gestaltet sich als schwierig aufgrund der

  1. kleinen  räumlichen Ausdehnung individueller Schmelztümpel und der
  2. vergleichsweise hohen Wolkenbedeckung während des arktischen Sommers.

Mithilfe einer geschickten Kombination verschiedener Kanäle des Moderate Resolution Spectroradiometers MODIS und einem neuronalen Netzwerk läßt sich jedoch die Schmelztümpelverteilung und prozentuale Fläche mit immerhin wöchentlicher zeitlicher Auflösung ableiten.

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Schneedicke auf Meereis

Meereis trägt ab einem gewissen Alter eine Schneedecke. Die Erfassung ihrer Dicke ist ähnlich schwierig wie die Messung der Eisdicke. Es gibt daher derzeit (noch) wenig flächendeckende, lang- und ganzjährige, auf Beobachtungen basierende Daten der Schneedicke auf Meereis. Die typische Einheit ist cm.

Daten der Schneedicke auf Meereis:

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Schneedicke / -wasseräquivalent (SWE)

Die Wassermenge die in Form von Schnee auf den Landoberflächen vorhanden ist, ist eine wichtige Größe im globalen hydrologischen Kreislauf. Schnee spielt neben seinem Einfluß auf Wärme- und Strahlungsaustauschprozesse (siehe Schneebedeckung) auch eine wichtige Rolle für die Bodenfeuchte, die Pegelstände von Flüssen, und damit für die Verfügbarkeit von Wasser während und nach der Schneeschmelze.

Der wohl wichtigste Parameter in diesem Zusammenhang ist das so genannte Schneewasseräquivalent (SWE). Dieses gibt die Menge Wasser an, die man erhält, wenn man den gesamten Schnee auf einer Fläche von 1 m² schmelzen würde. Die Einheit von SWE ist Millimeter (mm). Der Vorteil der Angabe von SWE im Vergleich zur Schneedicke (in metern) ist, dass die Dichte des Schnees mit berücksichtigt wird; 1 meter Schnee mit niedriger Dichte (schön fluffiger Schnee bei -20°C) ergibt beim Schmelzen wesentlich weniger Wasser als 1 m Schnee mit hoher Dichte (feuchter, kompakter Schnee bei 0°C). Insbesondere für die Vorhersage von Schmelzwasserabflußraten und damit Flutprävention für Flußanrainer ist SWE eine wichtige Größe.

Vor-Ort Beobachtungen von Schneedicke und -dichte, z. B. an Messstationen der World Meteorological Organization (WMO), bieten zwar eine hohe Genauigkeit, sind aber nicht zwingend repräsentativ für ein größeres Gebiet; zudem sind derartige Stationen in der Regel ungleichmäßig verteilt.

Satellitenbeobachtungen stellen hier eine echte Alternative dar. Mit Hilfe von satelliten-gestützten Messungen der Strahlungstemperatur bei zwei verschiedenen Frequenzen im Mikrowellenbereich (in der Regel 19 GHz und 37 GHz), z. B. mit dem Special Sensor Microwave / Imager (SSM/I), kann über eine empirische Beziehung SWE bestimmt werden. Das ist für die hier angebotenen Datensätze gemacht worden.

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Schneebedeckung

Die Schneebedeckung an Land ist ein wichtiger Parameter zur korrekten Erfassung und Bestimmung der Strahlungsbilanzen. Schnee reflektiert einen Großteil der auftreffenden Sonnenstrahlung; er hat ein höheres Reflextionsvermögen im kurzwelligen Bereich des elektromagnetischen Spektrums als andere Oberflächen wie z. B. Gras, Bäume oder Wasser. Gleichzeitig emittiert Schnee aber wie alle anderen "natürlichen" Oberflächen auch (Gras, Bäume, Wasser) langwellige Strahlungsenergie gemäß seiner physikalischen Temperatur. Wo Schnee liegt ist die Gesamtstrahlungsbilanz mithin negativ. Bereits eine wenige Zentimeter dicke Schneeschicht wirkt zudem als gute Isolation für den Boden gegen Auskühlung.

Die korrekte Erfassung wo überhaupt Schnee liegt, also eine Angabe der mit Schnee bedeckten Fläche, ist daher grundlegend. Diese kann z. B. aus Unterschieden in den Radianzen die mit Satelliten-Spektroradiometern (wie. z. B. dem MODIS) gemessen werden abgeleitet werden - und zwar mit mehr oder weniger automatischen Verfahren oder von ausgebildeten Analysten per Hand.

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Landeisbedeckung

Landeis, den meisten sicherlich eher unter dem Begriff Gletscher bekannt, stellt eine weitere wichtige Komponente des Klimasystems Erde dar. Wie auch der Schnee hat das Landeis in der Regel eine deutlich höhere kurzwellige Albedo als das Land bzw. die Vegetation. Deshalb wird hier ein deutlich höherer Anteil der solaren Einstrahlung reflektiert was je nach Größe der Landeisfläche einen nachhaltigen Einfluß auf das lokale, regionale und/oder globale Klima hat. Zudem ist das Landeis ein wichtiger Speicher an Frischwasser. In manchen Regionen stellt das Landeis (bzw. dessen Schmelzwasser) die einzige verläßlich Wasserquelle dar. Die Zu- oder Abnahme von Landeisfläche und/oder -volumen spiegelt Veränderungen der umgebenden Lufttemperatur und/oder der Niederschlagstätigkeit in Verbindung mit Verdunstung wieder; damit ist Landeis wie auch das Meereis ein Indikator für die Klimavariabilität und dessen Veränderungen. Eine routinemäßige Erfassung von Fläche und Volumen und weiterer Charakteristica des Landeises sind daher von eminenter Bedeutung.

Landeisflächen

Landeisbewegung und - höhe

Weitere:

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