Neue Forschungsergebnisse
Der Arktische Ozean wird in den kommenden Jahrzehnten sein gesamtes sommerliches Meereis verlieren, selbst wenn die Menschen ihre Kohlenstoffemissionen drastisch reduzieren. Das bedeutet, dass die Arktis in weniger als einem Jahrzehnt eisfrei werden könnte. Selbst strenge Emissionsgrenzwerte werden das Wegschmelzen des Sommereises auf den arktischen Meeren nicht aufhalten. Forscher aus Südkorea, Deutschland und Kanada (Yeon-Hee Kim, Seung-Ki Min, Nathan P. Gillett, Dirk Notz & Elizaveta Malinina) haben entsprechende, auf Beobachtungen gestützte Projektionen einer eisfreien Arktis selbst unter einem Szenario mit geringen Emissionen erstellt und open access in Nature Communications veröffentlicht.
Zusammenfassung
Sonne über Meer – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft, für Solarify
Der sechste Bewertungsbericht des Weltklimarats IPCC kommt zu dem Schluss, dass die Arktis im Durchschnitt im September gegen Mitte des Jahrhunderts unter Szenarien mit mittleren und hohen Treibhausgasemissionen praktisch eisfrei sein wird, nicht jedoch unter Szenarien mit niedrigen Emissionen, basierend auf Simulationen mit den Modellen der neuesten Generation des Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6). Hier zeigen wir mit Hilfe einer Attributionsanalyse, dass ein dominanter Einfluss des Anstiegs der Treibhausgase auf die arktische Meereisfläche in drei Beobachtungsdatensätzen in allen Monaten des Jahres nachweisbar ist, aber im Durchschnitt von den CMIP6-Modellen unterschätzt wird. Indem wir die Reaktion der Modelle auf Treibhausgase so skalieren, dass sie am besten mit dem beobachteten Trend übereinstimmt – ein Ansatz, der in einem unvollkommenen Modelltest validiert wurde – prognostizieren wir eine eisfreie Arktis im September unter allen betrachteten Szenarien. Diese Ergebnisse unterstreichen die tiefgreifenden Auswirkungen der Treibhausgasemissionen auf die Arktis und zeigen, wie wichtig es ist, für eine saisonal eisfreie Arktis in naher Zukunft zu planen und sich darauf einzustellen.
Die arktische Meereisfläche (Sea Ice Area – SIA) hat in den vergangenen Jahrzehnten das ganze Jahr über rapide abgenommen, wobei der Rückgang seit dem Jahr 2000 noch steiler war. Auf der Grundlage eines Modellauswahlansatzes, der auf Modelle von CMIP6 angewandt wurde, prognostizierten Notz et al., dass der Arktische Ozean unabhängig von den Emissionsszenarien im September erstmals vor 2050 meereisfrei sein wird. Im Sechsten Sachstandsbericht des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen wurde jedoch festgestellt, dass „es wahrscheinlich ist, dass der Arktische Ozean im September, dem Monat der jährlichen minimalen Meereisfläche, im Durchschnitt der Jahre 2081 bis 2100 und aller verfügbaren Simulationen praktisch eisfrei sein wird (SIA < 1 × 106 km2)“, und zwar nur unter den Szenarien SSP2-4.5, SSP3-7.0 und SSP5-8.5. Daher bleibt die Ungewissheit bestehen, ob die Arktis unter den niedrigsten Emissionsszenarien eisfrei wird oder nicht, sowie das Verständnis der beobachteten arktischen SIA-Änderungen während des gesamten Jahres.
Frühere Studien zur optimalen Erkennung und Zuordnung haben den Nettobeitrag des Menschen zur beobachteten arktischen Meereisschmelze quantifiziert. Durch den Vergleich von Beobachtungen der arktischen Meereisausdehnung im Zeitraum 1953-2006 mit CMIP3-Multimodell-Simulationen wurde festgestellt, dass anthropogene Einflüsse auf den beobachteten Rückgang ab den frühen 1990er Jahren nachweisbar sind. In der Studie wurden auch die anthropogenen Signale für einzelne Monate von Mai bis Dezember nachgewiesen. In einer anderen Studie wurde die beobachtete arktische Meereisausdehnung im September von 1979 bis 2012 mit den Ergebnissen von CMIP5-Modellen und zwei Einzelmodell-Ensembles verglichen und das anthropogene Signal getrennt vom Signal der natürlichen (solaren und vulkanischen) Einflüsse nachgewiesen, was später anhand von vier Beobachtungsdatensätzen bestätigt wurde. Andererseits wurde der kühlende Beitrag anthropogener Aerosole zum beobachteten jährlichen Anstieg der arktischen Meereisausdehnung von den 1950er bis zu den 1970er Jahren anhand von CanESM2-Simulationen ermittelt. In einer neueren Untersuchung wurden die Einflüsse von natürlichen, Treibhausgas- und anderen anthropogenen Faktoren (hauptsächlich anthropogene Aerosole) auf die im September beobachtete Veränderung der arktischen Meereisausdehnung im Zeitraum 1953-2012 anhand von acht CMIP5-Modellen ermittelt. Dabei zeigte sich, dass anthropogene Aerosole etwa 23 % des THG-bedingten Rückgangs der arktischen Meereisausdehnung ausgleichen.
Die CMIP5-Modelle unterschätzen den beobachteten Trend des arktischen Meereisrückgangs erheblich , was zu Unsicherheiten bei zukünftigen Meereisprojektionen führt. In Anbetracht dessen wurden Methoden angewandt, um die Projektionen durch Beobachtungen zu stützen. Diese Methoden basierten auf der statistischen Beziehung zwischen den Trends der Meereisbedeckung in der Vergangenheit und in der Zukunft, zwischen der globalen Durchschnittstemperatur und der SIA9, zwischen dem aktuellen saisonalen Zyklus und der zukünftigen Veränderung der Albedo-Rückkopplung des Meereises10 oder zwischen der historischen Modellleistung und der prognostizierten zukünftigen arktischen Meereisausdehnung. Skalierungsfaktoren (d.h. Regressionskoeffizienten) zwischen modellierten Reaktionen und Beobachtungen, die aus Studien zur optimalen Erkennung abgeleitet werden, können eine strengere Methode zur Einschränkung von Klimaprojektionen darstellen, wenn sie mit einer Bewertung der Gültigkeit der eingeschränkten Projektionen unter Verwendung eines unvollkommenen Modelltests kombiniert werden.
Die vorliegende Untersuchung führt eine aktualisierte Analyse der Erkennung und Zuordnung der beobachteten arktischen SIA-Änderungen über alle Monate im Zeitraum 1979-2019 durch, indem sie drei Satellitenbeobachtungen mit den CMIP6-Multimodellsimulationen vergleicht. Frühere Studien zur Attribution basierten meist auf der Meereisausdehnung, die als Gesamtfläche aller Gitterzellen mit einer Meereiskonzentration von mindestens 15 % definiert ist und daher stark vom Gitter abhängig ist. Hier verwenden wir die SIA, die als die tatsächlich mit Meereis bedeckte Fläche definiert ist und für den Vergleich mit Satellitenbeobachtungen besser geeignet ist als die Meereisausdehnung, da sie eine geringere beobachtete Unsicherheit aufweist als die Meereisausdehnung21. Das Meereis in der Arktis schmilzt in allen Monaten, aber die meisten früheren Studien haben sich auf den September konzentriert, als die größte Veränderung auftrat. Unter Berücksichtigung aller Kalendermonate und unter Verwendung individueller Treibhausgassimulationen kommt diese Studie zu dem Ergebnis, dass die Reaktion auf den Anstieg der Treibhausgase das ganze Jahr über zu beobachten ist und den größten Teil des beobachteten SIA-Rückgangs erklärt. Auf der Grundlage des quantifizierten THG-Beitrags zur beobachteten SIA-Reduktion in der Arktis wird der zukünftige Zeitpunkt des eisfreien Arktischen Ozeans unter den verschiedenen Emissionsszenarien des Gemeinsamen Sozioökonomischen Pfads (SSP) projiziert…
Diskussion
Diese Studie führt eine Attributionsanalyse des beobachteten arktischen SIA-Rückgangs für alle Kalendermonate der letzten 41 Jahre (1979-2019) durch. Wir vergleichen die arktische SIA aus drei Beobachtungsdatensätzen mit denen aus CMIP6-Multimodell-Simulationen unter verschiedenen externen Einflüssen mit einer optimalen Fingerprinting-Technik. Alle drei Beobachtungsdatensätze zeigen einen signifikanten Rückgang der arktischen SIA für alle Kalendermonate, der über den Bereich der internen Variabilität hinausgeht, wobei die stärksten Trends in den Sommermonaten zu verzeichnen sind. Die ALL- und THG-Simulationen reproduzieren erfolgreich das beobachtete saisonale Muster der Trends in der arktischen SIA, obwohl die Größenordnungen unterschätzt werden, insbesondere in der warmen Jahreszeit. Die NAT-Simulationen zeigen leicht abnehmende arktische SIAs, da es nach dem Pinatubo (1991) keine größeren Vulkanausbrüche mehr gab, während die AER-Läufe fast keine Trends in der arktischen SIA mit einem kontrastierenden saisonalen Muster zeigen.
Eine optimale Erkennungsanalyse, die auf einer Drei-Wege-Regression basiert, wird durchgeführt, indem Beobachtungen gleichzeitig auf die ALL-, VRE- und NAT-Fingerprints regressiert werden. Die Ergebnisse zeigen, dass THG+-Einflüsse (geschätzt als ALL-AER-NAT) getrennt von den Reaktionen auf VRE- und NAT-Faktoren für alle Kalendermonate aus allen Beobachtungen erkannt werden. Eine Analyse der zurechenbaren Änderungen zeigt, dass der größte Teil der beobachteten SIA-Reduktion in der Arktis durch THG+-Antriebe erklärt wird, während die Beiträge von VRE und NAT viel schwächer sind. Auf der Grundlage der THG+-Skalierungsfaktoren erstellen wir zukünftige Veränderungen der arktischen SIA unter vier SSP-Szenarien, die sich auf Beobachtungen stützen. Die Ergebnisse zeigen, dass der erste meereisfreie September unabhängig von den Emissionsszenarien bereits in den 2030er-2050er Jahren auftreten wird. Bei höheren Emissionsszenarien wird ein längeres Auftreten einer eisfreien Arktis in den frühen Sommermonaten im späteren Verlauf des Jahrhunderts prognostiziert.
Diese Studie zeigt, dass der Treibhausgas-Antrieb die beobachtete SIA-Reduktion in der Arktis über alle Monate hinweg dominiert hat und dass der Treibhausgas-Einfluss von anderen Faktoren wie anthropogenen Aerosolen, solarem und vulkanischem Antrieb sowie natürlicher interner Variabilität trennbar ist. Dieses Ergebnis stützt sich auf frühere CMIP3- und CMIP5-basierte Erkenntnisse und zeigt einen erweiterten menschlichen Einfluss auf die arktische Kryosphäre. Unsere auf Beobachtungen basierenden Projektionen auf der Grundlage von Attributionsergebnissen deuten auch darauf hin, dass wir in den nächsten ein bis zwei Jahrzehnten unabhängig von den Emissionsszenarien ein noch nie dagewesenes eisfreies arktisches Klima erleben könnten. Dies würde sich auf die menschliche Gesellschaft und das Ökosystem sowohl innerhalb als auch außerhalb der Arktis auswirken, indem es die marinen Aktivitäten in der Arktis verändert sowie die Erwärmung der Arktis weiter beschleunigt und dadurch den arktischen Kohlenstoffkreislauf verändert.
->Quellen: