3 Festeis und Festlandsabfluf
4.3 Sensitivitätsstudie
4.3.2 Albedo der Meereis- und Schneeoberfläch
Die Bestimmung der Albedo der Meereis- und Schneeoberfläch hat eine gro§ Bedeutung fü die Beschreibung der kurzwelligen Strahlungsbilanz (Gleichungen 4.30 bis 4.33). Die Schnee- bzw. Eisalbedo muà genau abgeschätz werden, d a bereits kleine Fehler in der Berechnung relativ groß Fehler in der Energiebilanz nach sich ziehen. So führ z. B. eine Abweichung von 0.05 bei einer mittleren Albedo von a = 0.60 zu einem relativen Fehler von 12.5% in der Berechnung der kurzwelligen Strahlungsbilanz.
Die Albedo wird durch eine Vielzahl von Größ wie Oberflächenar (Schnee, Meereis, Wasser), Höh der Schneedecke auf dem Meereis, Korndurchmesser der Eiskristalle, Eis- dicke, Grad der Verunreinigung mit Sedimenten, Sonnenhöhe Bewölkun und Wellenläng der einfallenden Strahlung bestimmt (Warren, 1982; Perovich et al., 1998). Die Albedo- werte polarer Oberfläche liegen zwischen 0.06 fü offenes Wasser und 0.87 fü tiefen trockenen Schnee.
Zur Berechnung der Oberflächenalbed von Schnee, Meereis und Wasser werden in Atmo- sphären und Meereismodellen unterschiedliche Pararnetrisierungsansätz verwendet. In globalen und regionalen atmosphärische Klimamodellen wird die Albedo der Schnee- und Eisoberfläche in Abhängigkei von der Oberflächentemperatu
Ta
auf konstante Werte gesetzt. Beispielsweise verwendet das Klimamodell des NCAR füTn <
273.15 K eine Eisalbedo von 0.60 und füTa
= 273.15K eine Albedo von 0.50. F à ¼ schneebedeckte Oberfläche wird die Albedo entsprechend auf 0.82 und 0.70 gesetzt (Weatherly et al., 1998). Nur wenige Parametrisierungen berücksichtige die Mächtigkei der Schneedecke und die Eisdicke oder die Schmelzwassertümpel Die zur Zeit eingesetzten Klimamodelle unterscheiden sich hinsichtlich der Festlegung anderer Schwellenwerte fü die Oberflächen temperatur und durch die Verwendung anderer Albedowerte.4 Festeismodell
Die einfachsten Ansätz in Meereismodellen berücksichtige nur die Abhängigkei der Albedo von der Oberflächenar und dem Aggregatzustand. Fü Oberflächentempera turen oberhalb des Gefrierpunktes von Süflwasse wird Schmelzen des Meereises bzw.
des Schnees angenommen (z.B. Parkinson und Washington, 1979; Ha,rder, 1996; Saucier und Dionne, 1998). Die Albedo wird dabei auf einen konstanten Wert geset,zt. Die Albe- dowerte verschiedener polarer Oberfläche variieren je nach Autor. In Tabelle 4.2 ist die Albedo der wichtigsten Oberflächentype aufgeführt Zum Vergleich sind in d e r Arktis gemessene Werte der Albedo dargestellt (Perovich, 1996).
Tabelle 4.2: Angaben zur Albedo polarer Oberflächentype nach verschiedenen Autoren (P.W. = Parkinson und Washington (1979), S.H.-S. = Shine und Henderson-Sellers (1985)>
S.D. = Saucier und Dionne (1998)). Die Angaben von Perovich (1996) sind gemessene Albe- dowerte. Schmelzendes Meereis ohne Schneedecke 0.53 0.60 - 0.33-0.50
Schmelztümpe - - - 0.20-0.40
Offenes Wasser 0.10 0.10 0.10 0.10 0.05
Nach den oben beschriebenen Ausführunge wird deutlich, da eine derartige Vereiu- fachung zur Bestimmung der Oberflächenalbed fü Meereismodelle unzureichend ist. I11 diesen Verfahren werden weder die Vielfalt polarer Oberflächentype noch die Erwärmun der Eisoberfläch und damit die Bildung und Ausbreitung von Schmelztümpel berück sichtigt.
Shine und Henderson-Sellers (1985) befassen sich mit dem Einflufl von eisdickenabhän eigen Parametrisierungen der Albedo auf die Simulation von Eisdicken. Es hat sich gezeigt, da Meereismodelle am sensitivsten auf die Parametrisierung von schmelzendem Meereis ohne Schneedecke reagieren. Die Bewiilkung wirkt sich auf die Albedo der verschiedenen Oberfliichentypen aus (Kapitel 4.2.2). Die Abhängigkei der Meereisalbedo von der Son- nenhöh ist V. a . in den wolkenreichen Sommermonaten nach Doronin und Kheisin (1977) als gering einzuschätzen Ein weiterer Ansatz zur Simulation von Meereisdicken stammt von Ebert und Curry (1993). Die Autoren koppeln ein thermodynamisches Meereismo- dell mit einem Strahlungstransportmodell. Dabei wird die spektrale Albedo fü mehrere Oberflächentype verwendet, wobei auch Schmelztümpe einbezogen werden.
Aufgrund des starken Einflusses der Albedoparametrisierung von schmelzendem Meereis auf die Simulation der zeitlichen Entwicklung der Eisdicken werden in diesem Kapitel ver- schiedene Ansätz untersucht, die in Meereismodellen Verwendung finden. In den meisten Meereismodellen wird die Albedo von schmelzendem Eis ohne Schneedecke in Abhängig keit von der Eisdicke berechnet.
4.3 Sensitivitätss udien Diese Methode stellt nach Ebert und Curry (1993) den besten Parametrisierungsansatz dar, d a sie den Zusammenhang zwischen Dicke und Alter des Meereises berücksichtigt Im bereits vorgestellten Ansatz von Flato und Brown (1996) ist die Albedo eine Funktion der Eisdicke (vgl. Gleichungen 4.32 und 4.33). Die Unterscheidung zwischen Meereis mit schmelzender bzw. ohne schmelzende Oberfläch wird anhand der Oberflächentemperatu getroffen. Es werden nur solche Parametrisierungen miteinander verglichen, die sowohl die Eisdicke als Eingangsgrofie verwenden als auch die übe den kurzwelligen Spektralbereich integrierte Albedo betrachten. Die berechneten Albedowerte gelten fü einen unbewölkte Himmel.
Die Parametrisierung der Albedo von schmelzendem Meereis ai in Abhängigkei von der Eisdicke
hf
lautet nach Grenfell (1979)nach Shine und Henderson-Sellers (1985)
und nach Gabinson (1987)
Vergleich der Parametrisierungen
Abbildung 4.18 zeigt eisdi~kenabh~ngige Parametrisierungen der Albedo von schmelzen- dem Meereis nach Angaben verschiedener Autoren. Der Zusammenhang zwischen Eis- dicke und Albedo ist fü dünne Meereis besonders stark ausgeprägt Oberhalb von Ca.
0.8 m ist die Albedo von Meereis ohne Schneeauflage und Schmelztümpe unabhängi von der Eisdicke. Die Ansätz von Grenfell (1979), Shine und Henderson-Sellers (1985) und Gabinson (1987) basieren a.uf theoretisch abgeleiteten Beziehungen zwischen der Dicke und der Albedo des Meereises bei Oberflächentemperature unter dem Gefrierpunkt (trockene Oberfläche) Diese Parametrisierungen spiegeln die Änderun der optischen Ei- genschaften von trockenem zu feuchtem Meereis nicht wider.
Der Ansatz nach Flato und Brown (1996) unterscheidet zwischen der Albedo von Meereis bei Oberflächentemperature unter dem Gefrierpunkt und der Albedo von schmelzendem Meereis bei Oberflächentemperature am Gefrierpunkt. Die minimale Eisalbedo, die bei Oberflächentemperature unter dem Gefrierpunkt erreicht werden kann, liegt bei a, = 0.15, Die maximale Albedo von Meereis am Gefrierpunkt beträg aà = 0.55.
4 Fes teismociell
..., Grenfell (1977) . . . . . . . . . . ,....'
...' Shine & Henderson-Sellers (1985) - . - , .
0.6
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0
Eisdicke [m]
Abbildung 4.18: Einflufl verschiedener Parametrisierungen der Albedo von schmelzendem Meereis in Abhängigkei von der Eisdicke. Dargestellt sind die berechneten Albedowerte, die in den Meereismodellen von Grenfell (1979); Shine und Henderson-Sellers (1985); Gabinson (1987) sowie Flato und Brown (1996) verwendet werden.
Durch diese Vorgehensweise lassen sich die Veränderunge in den optischen Eigenschaf- ten der Meereisoberfläch währen der Ablationsphase g u t erfassen. Die Parametrisierung nach Flato und Brown (1996) ist das einzige Verfahren zur Berechnung der Albedo von schn~elzendem Meereis, welches Schmelztümpe berücksichtigt Es wurde aus Beobach- tungsdaten im Kanadischen Archipel abgeleitet und erfolgreich in einem Meereismodell eingesetzt. Flugzeuggestützt Albedomessungen übe dem sibirischen Fest,eis belegen, da die Albedo nach der Schneeschmelze von Werten um ai = 0.65 auf Werte um ai = 0.30 absinkt (Nalimov und Timerev, 1974).
Abbildung 4.19 zeigt Zeitreihen der Tagesmittel der Albedo von Schnee und Meereis im Mundungsgebiet der Lena (Trofimovskaya-Kanal). Die Albedo wurde mit den in dieser Arbeit verwendeten Parametrisierungen (Kapitel 4.2.3) fü überflutete und nichtüberflu tetes Festeis berechnet. Die Albedo der verschiedenen Oberflächentype (tiockener Schnee (A), schmelzender Schnee (B), schmelzendes Festeis (C), überflutete Festeis (D)) wer- den im Festeismodell realistisch beschrieben. Die zeitliche Entwicklung der Albedo von nichtüberflutete Festeis verläuf fliefiend. Ein grofier Sprung in der Albedo des Fest- eises (Kalendertag 181) tritt beim Übergan von der Gefrierphase mit Oberflächentempe raturen unter dem Gefrierpunkt (trockene Oberfläche in die Schmelzphase mit Tempera- turen a m Gefrierpunkt auf (feuchte Oberfläche) Im Fall der Überflutun des Festeises fäll die Albedo abrupt auf 0.15 (Kalendertag 152). Die Parametrisierung von schmelzen- dem Eis kommt daher nicht zum Tragen. Wolkenbedeckungsgrade von Nc
>
0.8 führe zu einer Erhöhun der Albedo u m 0.05.4.3 Sensitivitätsstudie
Abbildung 4.19: Zeitlicher Verlauf der Albedo von Schnee und Meereis im Mündungsge biet der Lena, Trofimovskaya-Kanal. Dargestellt sind mittlere Tagesmittel der berechneten Albedo fü nichtüberflutete (links) und Ÿberflutete (rechts) Festeis unter Berücksichtigun des Wolkeneinflusses, Bezugsperiode 1979 bis 1994. Die Spitzen in der Albedokurve ergeben sich durch die Erhöhun der Albedo um 0.05 bei bewölkte Himmel, A: Trockener Schnee, B: Schmelzender Schnee, C: Schmelzendes Festeis, D: überflutete Festeis. Datenquellen:
ECMWF, WMO-SYNOP.
, ECMWF Lena (Trofimovskaya Kanal) , ECMWF Lena (Trofimovskaya Kanal)
Zusammenfassung
Die in Meereismodellen verwendeten Parametrisierungen zur Berechnung der Albedo von Eisoberfläche unterscheiden sich in ihren Ergebnissen deutlich. Die meisten Ansätz ver- wenden eine konstante Albedo (Stufenfunktionen) in Abhängigkei von der Oberflächenbe schaffenheit oder eine zumindest fü das schmelzende Meereis eisdickenabhängig Albedo.
Veränderunge in den optischen Eigenschaften der Oberfläche z. B. durch ein Ansteigen der Oberflächentemperatu bis zum Gefrierpunkt, führe bei diesen Parametrisierungs- ansätze nicht zu einer Veränderun der Albedo.
Anhand des differenzierteren Ansatzes von Flato und Brown (1996) lä sich die zeitliche Entwicklung der Albedo von Meereis am besten simulieren, d a er das Vorhandensein von Schmelztümpel währen der Ablationsphase berücksichtigt Nach einer Empfehlung von Curry et al. (2001) ist gerade dieser Ansatz am besten geeignet, die Albedo von Festeis währen der Schmelzperiode zu beschreiben. In dieser Untersuchung wird fü das schmelz- ende Festeis die Parametrisierung nach Flato und Brown (1996) unter Berücksichtigun des Wolkeneinflusses verwendet.
Ein weiterer wichtiger Aspekt, der bisher in keiner der Parametrisierungen der Meereis- albedo berücksichtig wurde, ist die Bedeckung des Eises mit Sedimenten. Das Vorhan- densein von sedimentbeladenem Eis ist gerade fü die eurasischen Schelfgebiete typisch.
In Abhängigkei von der Sedimentkonzentration in den oberen Schichten des Meereises liegen die Albedowerte zwischen 0.1 und 0.6 (Kolatschek, 1998).
-J Ãœberflutun -
4 Festeismodell