Anomalia del volume del ghiaccio marino artico
Il volume del ghiaccio marino è calcolato usando il Pan-Arctic Ice Ocean Modeling and Assimilation System (PIOMAS, Zhang e Rothrock, 2003) sviluppato all’APL/PSC.Le anomalie giornaliere sono calcolate rispetto alla media del periodo 1979 -2016 per quel giorno dell’anno, in modo da 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 in Fig 1 e le deviazioni standard dalla media giornaliera 1979-2017 in Fig 2.
Fig.1 Anomalie del volume del ghiaccio marino nell’Artico da PIOMAS, aggiornato mensilmente. Le anomalie giornaliere del volume del ghiaccio marino per ogni giorno sono calcolate rispetto alla media 1979-2020 per quel giorno dell’anno. Le croci 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 ricavato dai dati PIOMAS che mostrano il volume del ciclo medio annuale, e dal 2011-2020. Le aree ombreggiate indicano una e due deviazioni standard dalla media.
Aggiornamento annuale
Il 2020 si è concluso con un volume medio annuo di ghiaccio marino che è stato il 3° più basso della storia con 13.500 km 3 con valori di volume molto simili a quelli dei recenti anni caratterizzati da un volume annuo particolarmente basso (2011, 2012, 2016, 2019). Il 2017 detiene ancora il volume annuale più basso con 12.800 km 3
Marzo 2021 Aggiornamento mensile
Il volume medio del ghiaccio marino nell’Artico nel mese di marzo 2021 è stato di 21 700 km3. Questo valore è il quinto più basso mai registrato per marzo, circa 2.000 km^3 sopra il record stabilito nel 2017. Il volume di ghiaccio del mese è stato del 38% sotto il massimo del 1979 e del 25% sotto la media del 1979-2020. Il volume medio del ghiaccio per febbraio 2021 si colloca quasi 1 sigma sopra la linea di tendenza per il periodo 1979-2020. La crescita del ghiaccio registrata nel mese di marzo è stata piuttosto forte rispetto agli ultimi anni (Fig. 4), portando lo spessore medio fino alla media degli ultimi anni (Fig. 5). La mappa delle anomalie dello spessore del ghiaccio per marzo 2021 rispetto al 2011-2020 (Fig. 6) mostra un mix di anomalie positive e standard in tutto l’Artico, con forti anomalie negative estese dal nord della Groenlandia al Beaufort orientale. Forti anomalie positive sono state individuate lungo la costa siberiana. Il ghiaccio più spesso del normale (2011-2020) è presente anche nel Mare di Beaufort. I dati satellitari di CS2/SMOS (Fig. 7) mostrano un modello di anomalia simile, anche se le anomalie positive tendono ad essere molto più deboli e meno estese spazialmente, mentre l’anomalia negativa a nord dell’arcipelago canadese è più forte nei dati satellitari. La serie temporale di marzo (Fig. 8) per entrambe le serie di dati non ha una chiara tendenza negli ultimi 11 anni. Un confronto con la serie temporale di 43 anni 1979-2021 mostra quanto sia importante la variabilità naturale in serie temporali relativamente brevi come quelle attualmente disponibili da CS2/SMOS.
Gli aggiornamenti saranno generati ad intervalli di circa un mese.
Fig 4 Confronto delle anomalie giornaliere del volume del ghiaccio marino rispetto al periodo 1979-2019.
Figura 5. Spessore medio del ghiaccio marino artico nelle aree coperte dal ghiaccio secondo PIOMAS nel corso di un determinato numero di anni. Lo spessore medio è calcolato in base al metodo PIOMAS, includendo solo le località in cui il ghiaccio è più spesso di 0,15 m.
Fig. 6. PIOMAS Anomalia dello spessore del ghiaccio per il mese di marzo 2021 rispetto al periodo 2011-2020.
Fig. 7. CryoSat-2/SMOS (AWI) multi-sensore Anomalia dello spessore del ghiaccio marino per il mese di marzo del 2021 rispetto al periodo 2011-2020 (versione 2.3 preliminare)
Fig. 8. Serie storica dell’analisi multisensore CryoSat-2/SMOS (AWI/ESA) e dell’anomalia del volume di ghiaccio marino PIOMAS per marzo.
Scopo
Il volume del ghiaccio marino è un importante indicatore climatico. Dipende sia dallo spessore che dall’estensione dei ghiacci ed è quindi più direttamente legato agli impatti climatici rispetto alla sola estensione. Attualmente, tuttavia, il volume del ghiaccio marino nell’Artico non può essere osservato continuamente. Le osservazioni dai satelliti, dai sottomarini della marina, dagli ormeggi e dalle misurazioni sul campo sono tutte limitate nel tempo e nello spazio. Integrando le osservazioni nei modelli numerici, è attualmente possibile stimare i cambiamenti del volume del ghiaccio marino su base continua per diversi decenni. Il confronto delle stime del modello sullo spessore del ghiaccio con le osservazioni ci 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
Abbiamo identificato un errore di programmazione in una routine che interpola i dati di concentrazione del ghiaccio prima dell’assimilazione. L’errore ha riguardato solo i dati del 2010-2013. Questi dati sono stati rielaborati e sono ora disponibili nella versione 2.1. Lo spessore del ghiaccio è generalmente maggiore nella regione del Mare di Beaufort-Chukchi, con le maggiori differenze di spessore durante maggio. Le differenze nel volume del ghiaccio sono fino all’11% più grandi nella tarda primavera.
La figura 5. mostra le differenze tra la versione 2.0 e la versione 2.1 per quanto riguarda il volume.
Versione 2.0
Questa serie storica del volume del ghiaccio è stata generata utilizzando una versione aggiornata di PIOMAS (15 giugno 2011). Questa versione aggiornata migliora le versioni precedenti assimilando le temperature della superficie del mare (SST) per le aree senza ghiaccio e utilizzando una diversa parametrizzazione per la forza del ghiaccio. I confronti delle stime di PIOMAS con le osservazioni dello spessore del ghiaccio mostrano errori ridotti rispetto alla versione precedente. La tendenza a lungo termine è diminuita a circa -2,8 103 km3/decennio da -3,6 km3 103/decennio nella versione precedente. I nostri confronti con i dati e con modelli alternativi mostrano che questa nuova tendenza è una stima conservativa della tendenza reale. Nuova per questa versione è la fornitura di statistiche di incertezza. Maggiori informazioni possono essere trovate in Schweiger et al. 2011http://www.agu.org/journals/jc/jc1109/2011JC007084/. Il miglioramento dei modelli è un’attività di ricerca in corso al CPS 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 procedura di assimilazione
PIOMAS è un modello numerico dotato di componenti sia per il ghiaccio marino che per gli oceani e con la capacità di assimilare alcuni tipi di osservazioni. Per le simulazioni del volume di ghiaccio mostrate qui, le informazioni sulla concentrazione del ghiaccio marino dal prodotto NSIDC sono assimilate nel modello in tempo quasi reale per migliorare le stime dello spessore del ghiaccio, e i dati SST dalla NCEP/NCAR Reanalysis http://nsidc.org/data/nise1.html sono assimilati nelle regioni sgombre da ghiaccio. Le informazioni atmosferiche per guidare il modello, in particolare il vento, la temperatura dell’aria superficiale e la copertura nuvolosa per calcolare la radiazione solare e a onda lunga, sono determinate attraverso la rianalisi NCEP/NCAR http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/reanalysis/reanalysis.shtml. Il modello pan-artico dell’oceano è forzato con input da un modello globale dell’oceano ai suoi confini aperti situati a 45 gradi nord.
Convalida del modello e incertezza
PIOMAS è stato ampiamente convalidato attraverso il confronto con le osservazioni provenienti dai sottomarini della marina americana, dagli ormeggi oceanografici e dai satelliti. Inoltre, sono state eseguite corse del modello in cui sono stati modificati i parametri e le procedure di assimilazione. Da questi studi di convalida, si arriva a stime conservative dell’incertezza di tendenza di ± 1,0 103 km3/decennio. L’incertezza nell’anomalia media mensile del volume del ghiaccio è stimata a ±0,75 103 km3. L’incertezza nel volume totale è più grande che nell’anomalia perché il bias del modello viene rimosso quando si calcolano le anomalie. L’incertezza relativa al volume totale di ghiaccio per il mese di ottobre è stimata a ±1,35 103 km3 .
Il confronto dei volumi totali invernali con altre stime di volume deve tener conto del fatto che attualmente la zona coperta da PIOMAS non si estende abbastanza a sud da coprire tutte le aree che possono avere una copertura di ghiaccio nel periodo invernale. Le aree nel Mare di Okhotsk e nel Golfo di San Lorenzo sono parzialmente escluse dal dominio. Dettagli sulla validazione del modello possono essere trovati in Schweiger et al. 2011http://www.agu.org/journals/jc/jc1109/2011JC007084/ e (qui) http://psc.apl.uw.edu/research/projects/arctic-sea-ice-volume-anomaly/validation/. Ulteriori informazioni su PIOMAS possono essere trovate (qui) http://psc.apl.uw.edu/research/projects/projections-of-an-ice-diminished-arctic-ocean/
Una libreria completa di dati sullo spessore del ghiaccio marino per la validazione del modello è stata compilata ed è disponibile (qui)http://psc.apl.uw.edu/sea_ice_cdr/
Prospettiva: Perdita di ghiaccio ed energia
Per sciogliere il ghiaccio marino occorre energia. Ma quanta energia? L’energia necessaria per sciogliere i 16.400 Km3 di ghiaccio che si perdono ogni anno (media 1979-2010) da aprile a settembre come parte del ciclo annuale naturale 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 abbiamo perso su base annua in base ai calcoli di PIOMAS, ci vogliono circa 8,6 x 1019 J o l’86% del consumo energetico degli Stati Uniti.
Tuttavia, se distribuita sull’area coperta dal ghiaccio marino artico, l’energia aggiuntiva richiesta per sciogliere tutto questo ghiaccio marino è in realtà piuttosto piccola. Corrisponde a circa 0,4 Wm-2 . È come lasciare una lampadina molto piccola e fioca continuamente accesa su ogni metro quadrato di ghiaccio. Rintracciare una così piccola differenza di energia è molto difficile, e mette in evidenza il motivo per cui abbiamo bisogno di guardare a serie temporali più lunghe e considerare le incertezze nelle nostre misure e nei nostri calcoli.
Dati
I dati rielaborati del volume del ghiaccio marino artico PIOMAS (versione 2.1) sono disponibili (http://psc.apl.uw.edu/research/projects/arctic-sea-ice-volume-anomaly/data/ ).