Charakterisierung der sommerlichen Schmelzperiode auf antarktischem Meereis durch Fernerkundung und Feldmessungen - Willmes, Sascha (Trier University, 2007)
Die polare Kryosphäre stellt einen Schlüsselfaktor für die Erforschung des Klimawandels dar. Insbesondere das Meereis und seine Schneebedeckung, die sich durch eine äußerst hohe und Zeitskalen-übergreifende Sensitivität gegenüber atmosphärischen Einflüssen auszeichnen, können als diagnostische Parameter für die Abschätzung von Veränderungen im Klimasystem herangezogen werden. Die komplexen Rückkopplungsmechanismen, durch die das Meereis mit der globalen Zirkulation der Atmosphäre und des Ozeans in Wechselwirkung steht, werden durch eine zusätzliche Schneeauflage deutlich verstärkt. Insofern tragen die saisonalen Veränderungen der physikalischen Eigenschaften des Schnees, und insbesondere der Beginn der Schneeschmelze, massgeblich zur lokalen und regionalen Energiebilanz sowie zur Meereismassenbilanz bei. In dieser Arbeit wird nun erstmals auf der Basis langjähriger Daten der satellitengestützten Mikrowellenfernerkundung, in Kombination mit Feldmessungen aus dem Weddellmeer während des Sommers 2004/2005, die Charakteristik der sommerlichen Schmelzperiode auf antarktischem Meereis untersucht. Die sommertypischen Prozesse zeichnen sich hier durch deutliche Unterschiede im Vergleich zu arktischem Meereis aus. Wie die Messungen vor Ort zeigen, kommt es während des antarktischen Sommers nicht zu einem kompletten Abschmelzen des Schnees. Vielmehr dominieren ausgeprägte Schmelz-Gefrier-Zyklen im Tagesgang, die eine Abrundung und Vergrösserung der Schneekristalle sowie die Bildung interner Eisschichten verursachen. Dies führt radiometrisch zu Mikrowellensignalen, deren Erfassung im Vergleich zu bestehenden Schmelzerkennungs-Methoden neue Ansätze erfordert. Durch den Vergleich von zeitlich hoch aufgelösten in-situ Messungen der physikalischen Schneeeigenschaften mit parallel dazu erfassten Satellitendaten, sowie durch eine Modellierung der mikrowellenradiometrischen Eigenschaften der Schneeauflage, konnte ein neuer Indikator entwickelt werden, über den das Einsetzen der typischen sommerlichen Schmelzperiode auf antarktischem Meereis identifiziert werden kann. Der DTBA-Indikator beschreibt die Tagesschwankung der radiometrischen Eigenschaften des Schnees und zeichnet sich durch ein Werteverhalten aus, das eine eindeutige Hervorhebung der Sommerphase innerhalb eines saisonalen Zyklus erkennen lässt. Der Indikator wurde verwendet, um mittels des neu entwickelten Schwellwertalgorithmus MeDeA das Einsetzen der sommerlichen Schmelzperiode für das gesamte antarktische Meereisgebiet zu bestimmen. Durch die Anwendung der neuen Methode auf die langjährigen Reihen der Satellitenmessungen konnte ein umfassender Datensatz erstellt werden, der für den Zeitraum von 1988 bis 2006 die räumliche und zeitliche Variabilität des Einsetzens der sommerlichen Schmelzperiode auf antarktischem Meereis beinhaltet. Die Ergebnisse zeigen, dass im Untersuchungszeitraum keine signifikanten Trends im Beginn des Schmelzens der Schneeauflage festzustellen sind, und dass das Schmelzen im Vergleich zur Arktis deutlich schwächer ausgeprägt ist. Eine Untersuchung der atmosphärischen Antriebe durch die Auswertung meteorologischer Reanalysen zeigt den grundlegenden Einfluss der zirkumpolaren Strömungsmuster auf die interannualen Schwankungen des Einsetzens und der Stärke der sommerlichen Schneeschmelze. : The polar cryoshere represents a key factor for the monitoring of climate change. Especially sea ice and its snow cover, with their strong and timescale-spanning sensitivity to atmospheric impacts, can be utilized as diagnostic parameters to estimate shifts in the climate system. The complex feeback mechanisms through which sea ice interacts with the global circulation of the atmosphere and the ocean are considerably amplified by an additional snow cover. Thereby, seasonal variations of the physical snow properties, and the onset of snowmelt in particular, make a significant contribution to the local and regional energy budget as well as the to the sea-ice mass balance. This work provides the first long-term investigations of the trait of snowmelt on Antarctic sea ice based on satellite microwave imagery in combination with field data from the Weddell Sea during the summer of 2004/2005. In the Antarctic, the typical sea-ice surface processes during summer differ significantly from the Arctic. As revealed by the field measurements, the snow cover is not melting completely during summer. Instead, pronounced diurnal freeze-thaw-cycles are prevailing, causing a growth and rounding of snow grains as well as the formation of internal ice layers. This leads to radiometric signals, whose identification requires approaches different from those applied in conventional melt-detection methods. Through a careful examination of in-situ measurements together with coincident satellite observations, as well as through modelling of microwave emissivity of the snow cover, a new indicator to identify summer melt on Antarctic sea ice could be derived. The DTBA indicator describes diurnal variations of the microwave emissivity of snow and clearly highlights the summer period within the seasonal cycle of snow on sea ice. The indicator was used in the new threshold algorithm MeDeA to derive snowmelt-onset maps for the entire sea-ice area in the Antarctic. By applying the new method to long time series of satellite data, a comprehensive data set could be prepared, resuming the spatial and temporal varaibility of snowmelt onset on Antarctic sea ice from 1988 to 2006. Results show, that no significant trends in the onset of melt can be observed in the observational period and that snowmelt is considerably weaker as compared to the Arctic. An investigation of atmospheric forcing through the examination of meteorological reanalysis data reveals the general impact of circumpolar atmospheric patterns on the interannual variations of the onset and the strength of snowmelt during summer.