A decade of glaciological and meteorological observations in the Arctic (Werenskioldbreen, Svalbard)

The warming of the Arctic climate is well documented, but the mechanisms of Arctic amplification are still not fully understood. Thus, monitoring of glaciological and meteorological variables and the environmental response to accelerated climate warming must be continued and developed in Svalbard. Long-term meteorological observations carried out in situ on glaciers in conjunction with glaciological monitoring are rare in the Arctic and significantly expand our knowledge about processes in the polar environment. This study presents the unique glaciological and meteorological data collected in 2009–2020 in southern Spitsbergen (Werenskioldbreen). The meteorological data are comprised of air temperature, relative humidity, wind speed and direction, shortwave and longwave upwelling and downwelling radiation on 10 minutes, hourly and daily timescale (2009–2020). The snow dataset includes 49 sampling points from 2009–2019 with the snow depth, snow bulk density and SWE data. The glaciological data consist of point and surface annual winter, summer and net balance for 2009–2020. The paper also includes modelling of the daily glacier surface ablation (2009–2020) based on the presented data. The high-quality and long-term datasets are expected to serve as accurate forcing data in hydrological and glaciological models and validation of remote sensing products. The datasets are available from the and Polish Polar Database (https://ppdb.us.edu.pl/) and Zenodo (https://doi.org/10.5281/zenodo.5791748, Ignatiuk, 2021a; https://doi.org/10.5281/zenodo.5792168, Ignatiuk, 2021b).

Scandinavian Forest Fire Activity Correlates with Proxies of the Baffin Bay Ice Cover

Understanding factors driving fire activity helps reveal the degree and geographical variability in the resilience of boreal vegetation to large scale climate forces. We studied the association between sea ice cover in the Baffin Bay and the Labrador Sea and observational records of forest fires in two Nordic countries (Norway and Sweden) over 1913–2017. We found a positive correlation between ice proxies and regional fire activity records suggesting that the Arctic climate and the associated changes in North Atlantic circulation exercise an important control on the levels of fire activity in Scandinavia. Changes in the sea cover are likely correlated with the dynamic of the North Atlantic Current. These dynamics may favor the development of the drought conditions in Scandinavia through promoting persistent high-pressure systems over the Scandinavian boreal zone during the spring and summer. These periods are, in turn, associated with an increased water deficit in forest fuels, leading to a regionally increased fire hazard. The Arctic climate will likely be an important future control of the boreal fire activity in the Nordic region.

Die MOSAiC-Transpolardrift im arktischen Klimapuzzle

<p class="western" lang="de-CH" align="justify">Das arktische Klimasystem verändert sich schnell, aber die Quantifizierung der atmosphärischen und ozeanischen Treiber der «Arktischen Verstärkung» ist bisher ungenügend, weil Wetter- und Klimamodelle wichtige subgrid-skalige Prozesse und ihre Wechselwirkung im gekoppelten Klimasystem der Arktis nicht gut genug beschreiben. Die in-situ-Beobachtungen im Rahmen der Transpolardrift der MOSAiC Eisscholle 2019/20 lieferten einzigartige Daten zum Prozessverständnis des gekoppelten Systems Atmosphäre, Meereis und Ozean. Die Idee für MOSAiC (Multidisciplinary Drifting Observatory for the Study of Arctic Climate) resultierte aus der deutsch-russischen Kooperation auf der Nordpoldriftstation NP35 während des Internationalen Polarjahres 2007/08. Seit der IASC-Konferenz 2011 im AWI Potsdam wurde eine internationale Eis-Driftstation über dem arktischen Ozean geplant, um die Prozesse der beschleunigten arktischen Meereisabnahme auf der Basis von Daten und Modellen zu analysieren.  Eine Wissenschaftlergemeinschaft unter Leitung des AWI Bremerhaven/Potsdam und Beteiligung des AARI St. Petersburg und des ESRL Boulder entwickelte diese Idee zu einem internationalen Leuchtturmprojekt. Im Oktober 2019 machte der Forschungseisbrecher «Polarstern» an einer Eisscholle in der Laptewsee fest, um eine einjährige Drift in Richtung Framstraße anzutreten. Mit Unterstützung des Forschungsschiffs «Akademik Fedorov» wurde ein zentrales Observatorium auf der Eisscholle und ein Netzwerk aus autonomen Bojen installiert, um die Prozesse in Atmosphäre, Meereis, Ökosystem und Ozean zu vermessen. Von September 2019 bis Oktober 2020 wurde mit russischen, durch DFG und BMBF finanzierten Forschungsschiffen der Austausch von Expeditions- und Wissenschaftlercrews und Expeditionsgütern aufrechterhalten und trotz der weltweiten Coronapandemie die einzigartige Mission erfolgreich zu Ende geführt.</p> <p class="western" lang="de-CH" align="justify">In der Post-MOSAiC Phase werden die erhobenen Daten genutzt, relevante Prozesse innerhalb des Systems Atmosphäre-Eis-Ozean durch Synthese zwischen der Beobachtungs- und Modellierungscommunity zu quantifizieren. Dies dient der Verbesserung von Wetter-, Eisvorhersage- und Klimamodellen in der Arktis, die ein detaillierteres Prozessverständnis erfordert, aber auch der Erfassung saisonaler Ökosystemdynamik und biogeochemischer Prozesse im Eis und Ozean. </p> <p class="western" lang="de-CH" align="justify"> </p>

Wettervorhersage in der Polarregion – Ein Erfahrungsbericht von der MOSAiC-Expedition

<p>Im September des Jahres 2019 startete im nord-norwegischen Tromsø die rund einjährige, internationale MOSAiC-Expedition (Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate). Hierbei ließ sich der deutsche Forschungseisbrecher POLARSTERN in der Nähe des Nordpols einfrieren, um dann für viele Monate, angedockt an einer Eisscholle, mit der natürlichen Eisdrift durch die zentrale Arktis zu treiben und umfangreiche Daten über den Zustand der Polarregion zu sammeln.</p> <p>Neben Schiffs-Crew und wissenschaftlichem Personal waren, wie bei allen Expeditionen der POLARSTERN, Wetterfunktechniker sowie Meteorologinnen und Meteorologen des Deutschen Wetterdienstes (DWD) an Bord des Forschungseisbrechers. Mit ihren täglichen Wetterbeobachtungen und –vorhersagen, adressiert an Schiffsführung, Wissenschaft und Hubschrauberbesatzung, leisteten sie einen wichtigen Beitrag zur sicheren Durchführung der Expedition. Dabei stellten nicht nur die außergewöhnlichen Umgebungseinflüsse, wie extrem niedrige Temperaturen im Winter, monatelange Dunkelheit in der Polarnacht und später ständige Helligkeit während des Sommerhalbjahres, besondere Herausforderungen bei der Erledigung der täglichen Aufgaben von Meteorologinnen und Meteorologen dar. Die außergewöhnlich hohe Verantwortung bei der Arbeit, in Verbindung mit einer sehr eingeschränkten Verfügbarkeit von meteorologischen Mess- und Vorhersagedaten, forderten das Personal der Bordwetterwarte auf POLARSTERN an jedem Expeditionstag.</p> <p>Im Vortrag berichten Bordmeteorologinnen und -meteorologen des Deutschen Wetterdienstes über ihre Erfahrungen und Eindrücke sowie die täglichen Herausforderungen bei der Wettervorhersage während der MOSAiC-Expedition.</p>

Schließungsstudien von Aerosol/Wolkenwechselwirkungen anhand von Lidar- und Radarbeobachtungen während MOASiC

<p>Während MOSAiC (Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate) wurden verschiedene Aerosol- und Wolkentypen mit einem Mehrwellenlängen-Polarisations-Raman-Lidar (Polly-XT) der OCEANET-Atmosphere-Plattform und mit dem KAZR-Wolkenradar der ARM (Atmospheric Radiation Measurement user facility) an Bord des Eisbrechers POLARSTERN beobachtet. Im Winterhalbjahr (2019/20) wurden dafür in der zentralen Arktis regelmäßig Aerosole in Oberflächennähe bis in 4-6 km Höhe (arktischer Dunst) und in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre (Waldbrandrauch, bis in 18 km Höhe) beobachtet. Neu entwickelte Methoden der Fernerkundung ermöglichen die Bestimmung der Konzentrationen von Wolkenkondensationskernen (CCNC), der Wolkentröpfchenanzahl (CDNC), der eiskeimbildenden Partikel (INPC) und sogar, mit Hilfe von Dopplerradarbeobachtungen, der Eiskristallzahl (ICNC). Gleichzeitig sind Profile der relativen Luftfeuchtigkeit und der Temperatur aus Raman-Lidar, Mikrowellen-Radiometer und Radiosondierungen verfügbar. Mit Hilfe dieses einzigartigen Datensatzes präsentieren wir eine Aerosol-Wolkenschlussstudie, in der wir zeigen, dass CCNC und CDNC sowie INPC und ICNC miteinander verknüpft werden können. Die Ergebnisse können verwendet werden, um zu testen, welche CCN- und INP-Parametrisierungen (aus idealisierten Labormessungen) im arktischen Regime am besten zutreffen. <br>In Anlehnung an diese Methoden werden im zukünftigen Projekt SCiAMO (Smoke Cirrus interaction in the Arctic during MOSAiC) etwa 65 beobachtete Zirren im Hinblick auf Eisnukleationsprozesse in Abhängigkeit vom Auftreten von Rauchpartikeln in der Winter- und Sommersaison analysiert und verglichen.</p>

Use of digital technology to follow the consequences of a warming Arctic climate

The rapid warming climate is causing the Arctic ice to retreat and the permafrost to melt. These visible manifestations of the ongoing climate change are few of many environmental and societal changes that take place in the Arctic. The acceleration of digitalization and implementation of digital technology bring new opportunities to follow the consequences of the warmer arctic climate, but also introduces new challenges in this region as the dependency on the digital technology increases. This paper focuses on the cyber ecosystem and discusses digital technology available for monitoring the consequences of a warming Arctic and its impact on Critical Infrastructure (CI) in Norway, such as communication networks, electric power transfer systems, water and wastewater, transportation infrastructure, oil and gas infrastructure. The need for reliable satellite communications is emphasized.

Process drivers, inter-model spread, and the path forward: A review of amplified Arctic warming

Arctic amplification (AA) is a coupled atmosphere-sea ice-ocean process. This understanding has evolved from the early concept of AA, as a consequence of snow-ice line progressions, through more than a century of research that has clarified the relevant processes and driving mechanisms of AA. The predictions made by early modeling studies, namely the fall/winter maximum, bottom-heavy structure, the prominence of surface albedo feedback, and the importance of stable stratification have withstood the scrutiny of multi-decadal observations and more complex models. Yet, the uncertainty in Arctic climate projections is larger than in any other region of the planet, making assessment of high-impact, near-term regional changes difficult or impossible. Reducing this large spread in Arctic climate projections requires a quantitative process understanding. This manuscript aims to build such understanding by synthesizing current knowledge of AA and to produce a set of recommendations to guide future research. It briefly reviews the history of AA science, summarizes observed Arctic changes, discusses modeling approaches and feedback diagnostics, and assesses the current understanding of the most relevant feedbacks to AA. These sections culminate in a conceptual model of the fundamental physical mechanisms causing AA and a collection of recommendations to accelerate progress towards reduced uncertainty in Arctic climate projections. Our conceptual model highlights the need to account for local feedback and remote process interactions, specifically the water vapor triple effect, within the context of the annual cycle to constrain projected AA. We recommend raising the priority of Arctic climate sensitivity research, improving the accuracy of Arctic surface energy budget observations, rethinking climate feedback definitions, coordinating new model experiments and intercomparisons, and pursuing the role of episodic variability in AA as a research focus area.