PIOMAS Arctic Sea Ice Volume Reanalysis agosto 2021

Anomalia del volume del ghiaccio marino artico

Il volume del ghiaccio marino è calcolato utilizzando il Pan-Arctic Ice Ocean Modeling and Assimilation System (PIOMAS, Zhang e Rothrock, 2003) sviluppato presso APL/PSC. Le anomalie per ogni giorno sono calcolate rispetto alla media del periodo 1979 -2016 per quel giorno dell’anno per rimuovere il ciclo annuale. Il ciclo annuale medio del volume del ghiaccio marino in questo periodo varia da 28.000 km3 in aprile a 11.500 km3 in settembre. La linea blu rappresenta la tendenza calcolata dal 1° gennaio 1979 alla data più recente indicata sulla figura.Le aree ombreggiate rappresentano una e due deviazioni standard dei residui di anomalia dal trend nella Figura 1 e le deviazioni standard relative alla media giornaliera per il periodo 1979-2017 nella Figura 2.

Fig.1 Anomalia del volume del ghiaccio marino artico da PIOMAS aggiornata una volta al mese. Le anomalie giornaliere del volume del ghiaccio marino sono calcolate rispetto alla media 1979-2020 per quel giorno dell’anno. I segni sull’asse del tempo si riferiscono al primo giorno dell’anno. La tendenza per il periodo 1979-oggi è mostrata in blu. Le aree ombreggiate mostrano una e due deviazioni standard dalla tendenza. Le barre di errore indicano l’incertezza dell’anomalia mensile tracciata una volta all’anno.

Fig. 2 Volume totale del ghiaccio marino artico ottenuto tramite i dati PIOMAS. Il grafico mostra il ciclo medio annuale del volume tra il 2011 e il 2020. Le aree ombreggiate indicano una e due deviazioni standard dalla media.

Aggiornamento annuale

Il volume registrato nel 2020 è stato il terzo più basso mai registrato , con 13.500 km 3, non molto diverso da quello registrato negli ultimi anni , in cui il volume annuale è stato molto basso (2011, 2012, 2016, 2019) .Il 2017 detiene ancora il risulta ancora l anno con il più basso volume di 12.800 km 3.

Aggiornamento mensile Agosto 2021

Il volume medio del ghiaccio marino artico nel mese di agosto 2021 è stato di 5.580 km^3. Si tratta del 6° valore più basso mai registrato per agosto, circa 600 km^3 al di sopra del record stabilito nel 2012. Il volume mensile di ghiaccio è stato del 70% al di sotto di quello del 1979 e del 53% al di sotto della media per il 1979-2020. Il volume medio registrato nel mese di agosto 2021 è stato di circa 0,5 sigma sopra la linea di tendenza 1979-2020. Lo scioglimento del ghiaccio riscontrato durante il mese, è stato piuttosto simile a quello degli ultimi anni (Figura 4), ma lo spessore medio del ghiaccio in agosto (maggiore di 15 cm) è stato vicino ai minimi storici. La mappa delle anomalie dello spessore del ghiaccio per l’agosto 2021 rispetto al 2011-2020 (Figura 6) mostra anomalie divise in aree positive e negative. Le anomalie negative si estendono dal nord della Groenlandia e lungo l’arcipelago canadese, con aree a nord della Groenlandia nuovamente caratterizzate da uno spessore di ghiaccio molto basso, come accaduto nei precedenti anni.Importanti anomalie positive sono state si osservate nei mari di Beaufort e Chukchi a causa dell’avvezione di ghiaccio più spesso e più vecchio avvenuto in queste zone durante l’inverno precedente (vedi il recente articolo su questo). L’estate dell’Alaska è stata relativamente fredda, contribuendo ad un ghiaccio insolitamente spesso in quest’area.Le serie storiche di aprile (Figura 8) non mostrano una chiara tendenza negli ultimi 11 anni per entrambi le serie di dati. Il confronto con la serie temporale di 43 anni 1979-2021 evidenzia l’importanza della variabilità naturale in serie temporali relativamente brevi, come i dati CS2 attualmente disponibili.

Fig 4 Confronto delle anomalie giornaliere del volume del ghiaccio marino rispetto a quelle riscontrate nel periodo 1979-2019.

Fig. 6. Anomalia dello spessore del ghiaccio calcolata in base ai dati PIOMAS per il mese di agosto 2021 rispetto al periodo 2011-2020.

Finalità
Il volume del ghiaccio marino è un importante indicatore climatico. Dipende sia dallo spessore che dall’estensione del ghiaccio e quindi è più direttamente legato alla forzatura del clima rispetto alla sola estensione. Tuttavia, il volume del ghiaccio marino artico attualmente non può essere osservato in modo costante. Le osservazioni dai satelliti, dai sottomarini della Marina, dagli ormeggi e dalle misurazioni sul campo sono tutte limitate nello spazio e nel tempo. L’assimilazione delle osservazioni nei modelli numerici fornisce attualmente un modo per stimare i cambiamenti del volume del ghiaccio marino su base continua per diversi decenni. Il confronto delle stime del modello dello spessore del ghiaccio con le osservazioni aiuta a testare la nostra comprensione dei processi rappresentati nel modello che sono importanti per la formazione e lo scioglimento del ghiaccio marino.

Versioni
Versione 2.1
È stato identificato un errore del software nella procedura che interpola i dati di concentrazione del ghiaccio prima dell’assimilazione. L’errore ha riguardato solo i dati degli anni 2010-2013. Questi dati sono stati rielaborati e sono ora disponibili nella versione 2.1.Lo spessore del ghiaccio risulta generalmente maggiore nell’area del Mare di Beaufort Chukchi, con le maggiori differenze in termini di spessore durante il mese di maggio. Le differenze in termini di volume del ghiaccio sono fino all’11% maggiori nella tarda primavera.

La figura 5. mostra le differenze in termini di volume tra la versione 2.0 e la versione 2.1

Versione 2.0
Questa serie temporale del volume del ghiaccio è ottenuta utilizzando la versione aggiornata di PIOMAS (15 giugno 2011). Questa versione aggiornata risulta essere migliore rispetto alle versioni precedenti grazie all’assimilazione della temperatura della superficie del mare (SST) per le aree prive di ghiaccio e all’utilizzo di una diversa parametrizzazione per la forza del ghiaccio. Il confronto delle stime di PIOMAS con le osservazioni dello spessore del ghiaccio mostra una riduzione dell’errore rispetto alla versione precedente. La tendenza a lungo termine è diminuita a circa -2,8 km3 103/decade da -3,6 km3 103/decade nella versione precedente. Il confronto con i dati e con modelli esterni mostra che questa nuova tendenza è una stima conservativa della tendenza reale. Nella nuova versione vengono fornite anche le statistiche sull’incertezza. Maggiori dettagli possono essere trovati in http://psc.apl.uw.edu/wordpress/wp-content/uploads/schweiger/pubs/Schweiger-2011-Uncertainty%20in%20model.pdf . Il miglioramento dei modelli costituisce un’attività di ricerca continua al PSC e gli aggiornamenti dei modelli possono avvenire a intervalli irregolari. Quando si verificano aggiornamenti del modello, l’intera serie temporale sarà rielaborata e pubblicata.

Modello e modalità di assimilazione

PIOMAS è un modello numerico dotato di componenti per il ghiaccio marino e l’oceano e la capacità di assimilare alcuni tipi di osservazioni. Per le simulazioni del volume del ghiaccio presentate in questo articolo, le informazioni sulla concentrazione del ghiaccio marino provenienti dal prodotto  NSIDC near-real time product in tempo quasi reale, sono assimilate nel modello per migliorare le stime dello spessore del ghiaccio e i dati SST dalla NCEP/NCAR Reanalysis sono assimilati nelle aree senza ghiaccio.I dati di rianalisi NCEP/NCAR SST sono basati sull’analisi globale giornaliera ad alta risoluzione di Reynolds SST usando osservazioni satellitari e in situ (Reynolds e Marsico, 1993; Reynolds et al., 2007). Le informazioni riguardanti l’atmosfera necessarie per guidare il modello, in particolare il vento, la temperatura dell’aria superficiale e la copertura nuvolosa per i calcoli della radiazione solare e delle onde lunghe, sono specificate dalla rianalisi  NCEP/NCAR reanalysis. Il modello oceanico pan-artico è forzato con input del modello oceanico globale ai suoi confini aperti situati a 45 gradi di latitudine nord.

Convalida del modello e incertezza

PIOMAS è stato ampiamente convalidato attraverso il confronto con le  observations provenienti da sottomarini della marina statunitense, ormeggi oceanografici e satelliti. Inoltre, sono state eseguite corse del modello in cui i parametri del modello e le procedure di assimilazione sono stati alterati. Da questi studi di convalida, si arriva a stime conservative dell’incertezza nella tendenza, di ± 1,0 103 km3/decennio.Le incertezze del volume totale sono più grandi delle incertezze delle anomalie perché gli errori del modello vengono rimossi quando si calcolano le anomalie. L’incertezza per il volume totale di ghiaccio di ottobre è stimata a ±1,35 103 km3 . Quando si confronta il volume totale invernale con altre stime di volume, si deve tener conto del fatto che il dominio PIOMAS attualmente non si estende abbastanza a sud per coprire tutte le aree che potrebbero avere una copertura di ghiaccio durante l’inverno. Le zone del Mare di Okhotsk e del Golfo di San Lorenzo sono parzialmente escluse dal dominio.

Dettagli sulla convalida del modello possono essere trovati in Schweiger et al. 2011 (here). Ulteriori informazioni su PIOMAS possono essere trovate (here) Una raccolta completa di dati riguardanti lo spessore del ghiaccio marino per la validazione del modello, è stata completata ed è disponibile (here)

Prospettiva: Perdita di ghiaccio ed energia

Per sciogliere il ghiaccio marino ci vuole energia. Quanta energia? L’energia necessaria per sciogliere i 16.400 Km3 di ghiaccio che ogni anno (media 1979-2010) si perdono da aprile a settembre come parte del naturale ciclo annuale è di circa 5 x 1021 Joule. Per confronto, il consumo energetico degli Stati Uniti per il 2009 (www.eia.gov/totalenergy) è stato di circa 1 x 1020 J. Quindi ci vuole circa 50 volte il consumo energetico annuale degli Stati Uniti per sciogliere tutto questo ghiaccio ogni anno. Questa energia proviene dal cambiamento nella distribuzione della radiazione solare mentre la terra ruota intorno al sole.Per sciogliere altri 280 km3 di ghiaccio marino – la quantità che perdiamo ogni anno, secondo i calcoli di PIOMAS – sono necessari circa 8,6 x 1019 J o l’86% dell’energia consumata negli USA.Tuttavia, se distribuita sull’area coperta dal ghiaccio marino artico, l’energia aggiuntiva richiesta per sciogliere quella quantità di ghiaccio marino è in realtà piuttosto piccola. Corrisponde a circa 0,4 Wm-2 . Questo è come lasciare una lampadina molto piccola e fioca costantemente accesa su ogni metro quadrato di ghiaccio. Seguire una così piccola differenza di energia è molto difficile, il che sottolinea perché dobbiamo considerare serie temporali più lunghe e tenere conto delle incertezze nelle nostre misure e nei nostri calcoli.

Dati
I dati rielaborati del volume del ghiaccio PIOMAS (versione 2.1) sono disponibili qui  (here).

Come citare PIOMAS
Serie temporali di volume e incertezze:

Schweiger, A., R. Lindsay, J. Zhang, M. Steele, H. Stern, Uncertainty in modeled arctic sea ice volume, J. Geophys. Res., doi:10.1029/2011JC007084, 2011

Model details:

Zhang, J.L. and D.A. Rothrock, “Modeling global sea ice with a thickness and enthalpy distribution model in generalized curvilinear coordinates“, Mon. Weather Rev., 131, 845-861, 2003