Projekte

Rekonstruktion der Klima-Gletscher-Interaktion auf hundertjähriger Zeitskala

Drittmittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), 2018 - 2021

Dieses Projekt ist Teil der DFG-Forschergruppe „Sensitivity of high Alpine geosystems to climate change since 1850” (SEHAG). Mit Untersuchungsgebieten in drei hochalpinen Tälern (Martelltal, Kaunertal, Horlachtal) hat SEHAG das übergeordnete Ziel zu untersuchen, in welchem Ausmaß in Gletschern, Hydrologie, geomorphologischen Prozesses, Boden- und Vegetationsdynamiken sowie Sedimenttransport Auswirkungen von dokumentierten atmosphärischen Veränderungen festgestellt werden können, und wie Interaktionen zwischen diesen Bestandteilen des Geosystems Auswirkungen des Klimawandels möglicherweise fördern oder dämpfen.

Gletscher befinden sich typischerweise in einem komplexem Gelände, das stark mit den atmosphärischen Prozessen wechselwirkt, die den Austausch von Energie und Masse eines Gletschers mit seiner Umgebung steuern. Daher sind Gletscher Wetter- und Klimamustern größeren Maßstabs ausgesetzt, die stark von lokalen Verhältnissen beeinflusst werden. Diese lokalen Verhältnisse werden jedoch in Klimadaten, die auf Beobachtungen, Reanalysen und Modellen basieren, unzureichend dargestellt. Dieses Projekt quantifiziert, wie viel der gesamten Unsicherheit von modellbasierten Gletscherrekonstruktionen von inhärenten Gletschermodellfehlern stammt und wie viel von unzureichenden Antriebsdaten: (i) Wir führen unter Verwendung des „Weather and Research Forecast Models“ (WRF) dynamische Downscaling-Experimente eines Ensembles von globalen Reanalyse-Datensätzen durch, um zeitlich und räumlich hochaufgelöste Datensätze des atmosphärischen Zustands über den Alpen zu erstellen. Diese Datensätze sind repräsentativ für die kleinskaligen Klimaprozesse, die für das Geosystem und insbesondere für Gletscherdynamiken relevant sind. Validiert werden die Datensätze durch Benutzung von punktuellen Beobachtungen der Wetterstationen. (ii) Mittels des Open Global Glacier Models (OGGM) rekonstruieren wir die Evolution von Gletschermassenbilanzen, Ablauf, Eisfluss und Geometrie aller Gletscher im Einzugsgebiet der Studie, einschließlich früherer, nicht mehr existenter Gletscher. Die den Gletscherveränderungen zugrundeliegenden Ursachen werden durch Sensitivitätsanalysen untersucht. (iii) Es wird quantifiziert, inwieweit die Unsicherheit von Gletscherrekonstruktionen durch den Antrieb des Gletschermodells mittels herunterskalierter Atmosphärendaten reduziert werden kann, indem Gletscherrekonstruktion und die Validierung der Rekonstruktion mithilfe der Ergebnisse von verschiedenen Zwischenschritten im Downscaling wiederholt wird.

Die Rekonstruktion von lokaler Klimavariabilität und Gletscherveränderungen wird es besser ermöglichen, jegliche Veränderungen in Geosystem-Dynamiken (die in anderen SEHAG-Projekten untersucht werden) dem atmosphärischen Antrieb zuzuordnen.


Ozean-Eis-Wechselwirkung von Grönlands peripheren Gletschern

Drittmittelgeber: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), 2017 - 2020

Periphere Gletscher auf Grönland – d. h. Eismassen, die nicht dynamisch mit dem Eisschild gekoppelt sind, da sie vollständig freistehen oder vom Eisschild durch klar umrissene Eisscheiden getrennt sind – stellen annäherungsweise 5 % der Eisfläche Grönlands dar. Sie machen sogar nur in etwa 1 % des Eisvolumens aus.

Da ihre Oberfläche jedoch im Allgemeinen in weit niedrigerer Höhe liegt als die des Eisschildes, reagieren sie empfindlicher auf moderate Temperaturveränderungen. In der Folge macht ihre Oberflächenmassenbilanz ca. 25 % der Gesamtmassenbilanz von Grönland aus: Für den Zeitraum 2000 bis 2011 wurde geschätzt, dass der Eisschild 0,6 mm Meeresspiegel-Äquivalent pro Jahr beigesteuert hat. Die Schätzung des Beitrages der peripheren Gletscher für denselben Zeitraum beläuft sich auf 0,2 mm Meeresspiegel-Äquivalent. Während – über eine lange Zeitspanne betrachtet – der Beitrag der peripheren Gletscher zum Meeresspiegelanstieg notwendigerweise durch ihr vergleichsweise geringes Volumen begrenzt ist, tragen sie wesentlich zu Grönlands Anteil am Meeresspiegelanstieg im 20. und 21. Jahrhundert bei.

Mehr als ein Drittel der Fläche der peripheren Gletscher liegt in Form von Gezeitengletschern vor. Es existieren keine umfassenden Schätzungen über die Häufigkeit frontaler Ablation (z.B. durch Kalben und Schmelzen unter Wasser), aber es darf mit Sicherheit davon ausgegangen werden, dass diese Prozesse einen wesentlichen Teil zur Oberflächenschmelze von peripheren Gletschern beitragen und sie somit ebenfalls für die Gesamtmassenveränderung von Grönland von beträchtlicher Bedeutung sind. Das ungelöste Problem, die Ozean-Eis-Wechselwirkung zu quantifizieren, ist auch auf globaler Ebene äußerst relevant, da global in etwa 40 % der Gletscherfläche (d. h., abgesehen von den Eisschilden in der Antarktis und auf Grönland) in Gezeitengletschern gebunden ist, und da gemäß globaler Schätzung Gletscher zwischen 2000 und 2011 0,9 mm pro Jahr Meeresspiegel-Äquivalent beigetragen haben.

Im Rahmen dieses Projekts wird eine Parametrisierung der frontalen Ablation von peripheren Gletschern im Open Global Glacier Model (OGGM) entwickelt, umgesetzt, validiert und angewendet. OGGM wird in internationaler Zusammenarbeit unter der Leitung von Ben Marzeion entwickelt und ist in der Lage, die Oberflächenmassenbilanz eines jeden der 200.000 Gletscher der Erde individuell zu modellieren. Es ist das einzige globale Modell, das die Eisdynamik explizit berechnet. Dies ist eine Voraussetzung für die eindeutige Erklärung der frontalen Ablationsprozesse, die sich aus der Ozean-Eis-Wechselwirkung ergeben.

Entwickelt und umgesetzt wird die Parametrisierung der frontalen Ablation in Zusammenarbeit mit den Gruppen, die an der Ozean-Eis-Wechselwirkung der Auslassgletscher des Eisschilds arbeiten, mit besonderem Augenmerk auf die Skalenunterschiede zwischen peripheren und Auslassgletschern und basierend auf Daten, die von ozeanographischen und glaziologischen Feldarbeitsprojekten stammen. Daten aus der Fernerkundungskomponente des Gesamtprojekts werden für die Optimierung und (Kreuz-) Validierung wesentlich sein. Die Daten zur Süßwasserproduktion der peripheren Gletscher und ihre räumliche Verteilung werden für die Ozean-Modellierungsgruppen bereitgestellt.


Projektionen der globalen Gletscherschmelze bei Szenarien geringer Erwärmung

Drittmittelgeber: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), 2017 - 2019

Gletscher speichern weniger als 1 % des Eises auf der Erde. Trotzdem sind abschmelzende Gletscher verantwortlich für etwa ein Drittel der derzeitigen Rate des Meeresspiegelanstiegs, und es ist sehr wahrscheinlich, dass Gletscher im 20. Jahrhundert wichtiger für den Meeresspiegelanstieg waren als die Wärmeausdehnung des Meerwassers und der Massenverlust des grönländischen und des antarktischen Eisschildes. Zudem verändern Gletscher die saisonale Verfügbarkeit von Wasser in vielen Einzugsgebieten und beeinflussen Georisiken in den Hochgebirgen. Gletscher reagieren auf den Klimawandel mit einer Verzögerung von Jahrzehnten bis Jahrhunderten. Das bedeutet, dass ein Teil der zukünftigen Gletscherschmelze eine Reaktion auf vergangenen Klimawandel ist. Sogar wenn die globale Erwärmung auf 1,5 °C über vorindustriellen Werten begrenzt würde, kann daher mit einem weiteren Abschmelzen der Gletscher gerechnet werden. Es gibt jedoch keine quantitativen Schätzungen über die zukünftige Entwicklung von Gletschern auf globaler Ebene unter solchen Szenarien geringer Erwärmung. Wir werden diese Prognosen liefern und ihre Ergebnisse mit Blick auf den Meeresspiegelanstieg analysieren.


ESA Sea Level Budget Closure

Drittmittelgeber: European Space Agency (ESA), 2017 - 2019

Schmelzwasser aus Gletschern trägt derzeit etwa ein Drittel zum globalen mittleren Meeresspiegel bei und ist daher eine entscheidende Komponente des Meeresspiegelanstiegs. Das Problem bei der genauen Einschätzung des Beitrags der Gletscherschmelze liegt in der großen Anzahl von Gletschern (ca. 200.000), von denen nur ein paar hundert jährlich bezüglich ihrer Massenveränderungen gemessen werden. Zudem ist der repräsentative Charakter von Gletschern für die Massenveränderungen der jeweils umliegenden größeren Gebirgsregion nur für wenige Gegenden bekannt und vermutlich veränderlich über die Zeit, so dass einfache Extrapolationen aufgrund der unterschiedlichen Beschaffenheit von Gletschern misslingen. Derzeitige beste Schätzungen ihrer globalen Massenveränderungen bauen daher auf eine Kombination von Beobachtungen aus Feldarbeit und Fernerkundung. Da diese Schätzungen auf den Messzeitraum von Satelliten beschränkt sind, und da Satellitenaufnahmen ebenfalls räumlich lückenhaft sind, helfen numerische Modelle, die Raum-Zeit-Erfassung zu überbrücken und die Abschnitte in der Zeit rückwärts und vorwärts zu berechnen. Nur eines dieser Modelle (Marzeion et al., 2012) ist in der Lage, Zeitreihen rückwärts in der Zeit zu berechnen und dabei auch geometrische Veränderungen der Gletscher zu berücksichtigen. Alle diese Modelle benötigen als Input drei wesentliche Datensätze, um globale Gletschermassenveränderungen zu bestimmen: (a) einen global vollständigen Datensatz von Gletscherumrissen eines bekannten Zeitpunktes, (b) ein digitales Höhenmodell, um ihre Flächen-Höhen-Verteilung abzuleiten und (c) globale meteorologische Datensätze, die den beabsichtigten Modellierungszeitraum abdecken. Überdies werden unabhängige Kalibrierungs- und Validierungsdatensätze benötigt, um eine gute Qualität zu erreichen und um systematische und Zufallsfehler zu quantifizieren. Die Validierung aller Gletschermodelle, die sich gegenwärtig in Entwicklung befinden (bspw. zur Berücksichtigung weiterer Prozesse, zur Code-Optimierung etc.), deutet darauf hin, dass ihr limitierender Faktor in den Anfangs- und Randbedingungen liegt. Bedeutende zukünftige Verbesserungen können daher im Zusammenhang mit Datensatz (a) erwartet werden – der Qualität der Gletscherumrisse im globalen Inventar. Der derzeit einzige verfügbare Datensatz von Gletscherumrissen ist das Randolph Glacier Inventory (RGI), das ad hoc in einem gemeinschaftlichen Einsatz für den 5. Sachstandsbericht des IPCC zusammengestellt wurde. Es beinhaltet noch regionale Defizite in der Qualität (z. B. wenn saisonaler Schnee als Gletscher abgebildet wird), aber es wird ständig durch die Gemeinschaft sowie das Glaciers_cci-Projekt verbessert. Das vorliegende Projekt konzentriert sich auf zwei wesentliche Komponenten, um die zurzeit besten Schätzungen des Beitrags der Gletscherschmelze zum Meeresspiegelanstieg zu verbessern: (i) die Verbesserung des Modells, das zur Bestimmung eines globalen Werts verwendet wird, hauptsächlich auf Basis von Neukalibrierung unter Nutzung zusätzlicher Beobachtungsdaten und (ii) Verbesserungen in der Qualität und (im zeitlichen Sinne) Beständigkeit des Gletscherinventars, das zur Initialisierung verwendet wird.


Vorhersagbarkeit und Ursachenzuweisung regionaler, durch Gletscher verursachter Meeresspiegeländerungen

Drittmittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), 2016 - 2019

Gletscher und Eiskappen verursachen fast ein Drittel des momentanen Anstiegs des Meeresspiegels, obwohl sie weniger als 1 % der globalen Eismasse enthalten. Die mit dem Abschmelzen verbundene Umverteilung der Masse ist ein wichtiger Grund für systematische regionale Unterschiede des Meeresspiegelanstiegs. Gletscher werden auch im 21. Jahrhundert stark zum Meeresspiegelanstieg beitragen. Man konnte das Abschmelzen der Gletscher bereits anthropogenen und natürlichen Ursachen zuweisen, die Beiträge einzelner Komponenten des Antriebs (z.B. interne Variabilität und natürliche Antriebe, Treibhausgase und Aerosole) wurden aber noch nicht spezifiziert. Im beantragten Projekt werden wir diese spezifischen Beiträge quantifizieren und die Ursachenzuweisung ins 21. Jahrhundert fortschreiben. Damit bekommen wir die Möglichkeit, die Vorhersagbarkeit regionaler, durch Gletscher verursachter Meeresspiegeländerungen zu quantifizieren. Wir erhalten außerdem ein besseres Verständnis der Unsicherheit in Projektionen. Wir werden insbesondere die folgenden Mechanismen untersuchen: (i) Aufgrund der langen Reaktionszeit von Gletschern spielt die Anpassung der Gletscher an bereits vergangene Klimaänderungen eine wichtige Rolle für ihre Massenänderung auf dekadischen und zum Teil längeren Zeitskalen. Darin begründet sich eine relativ hohe und räumlich genaue Vorhersagbarkeit zukünftiger Massenänderungen, die wir auf globaler Skala - unter Berücksichtigung regionaler  Muster - quantifizieren werden. (ii) Es ist bekannt, dass interne Klimavariabilität (z.B. NAO, oder IOD) einen großen Beitrag zur interannualen Variabilität regionaler Massenänderungen von Gletschern beiträgt. Es gibt hierzu jedoch noch keine umfassende Analyse auf globaler Skala. Wir werden die Unsicherheit quantifizieren, die mit den so verursachten Massenveränderungen in Projektionen verbunden ist. (iii) Natürliche Antriebe des Klimasystems haben ebenfalls einen signifikanten Anteil an globaler Massenänderung der Gletscher (z.B. ein Sinken des Meeresspiegels um etwa 1 mm, verursacht durch Massengewinn der Gletscher, nach größeren Vulkaneruptionen). Die daraus resultierende Unsicherheit regionaler Meeresspiegelprojektionen werden wir quantifizieren. (iv) Während der gesamte anthropogene Anteil an den Ursachen der bereits beobachteten Massenverluste der Gletscher bestimmt wurde, wurden die Effekte der einzelnen anthropogenen Antriebe (z.B. Treibhausgase, Aerosole) noch nicht quantifiziert. Durch eine entsprechende Untersuchung werden wir in der Lage sein, die projizierten Massenänderungen einzelnen Antrieben zuzuweisen, und so die Unterschiede der verschiedenen Szenarien besser zu verstehen. Für alle diese vier Themen werden wir mit Hilfe von Rekonstruktionen eine umfassende Analyse der Quellen von Fehlern und Unsicherheiten durchführen. Danach werden wir in einem Ensemble von Projektionen überprüfen, ob sich die Ensemble-Unsicherheit vollständig aus den hier beschriebenen Mechanismen erklären lässt.