Cross-validation of polynya monitoring methods from multisensor satellite and airborne data: a case study for the Laptev Sea

Abstract

AbstractWind-driven coastal polynyas in the polar oceans are recognized as regions of extensive new ice formation in the cold season. Hence, they may play an increasing role in the uncertain future of the sea-ice budget in the polar oceans. The Laptev Sea polynyas in the Siberian Arctic are well recognized as being significant ice producers and might gain special attention with regards to ice volume changes in the Arctic. Long-term monitoring and characterization of these polynyas require stable methods to detect the area of open water and the growth, thickness, and evolution of thin ice. We examine different parameters and methods to observe polynya area and thin ice thickness during a prominent polynya event in the Laptev Sea in April 2008. These are derived from visible, infrared, and microwave satellite data. Airborne electromagnetic ice thickness measurements with high spatial resolution and aerial photography taken across the polynya are used to assess the feasibility of the methods for long-term and large-scale polynya monitoring within this area. Our results indicate that in the narrow flaw polynyas of the Laptev Sea the coarse resolution of commonly used microwave channel combinations provokes sources of error through mixed signals at the fast- and pack-ice edges. Polynya monitoring results can be significantly improved using enhanced resolution data products. This implies that previously suggested methods for the retrieval of polynya area, thin ice thickness, and ice production are not transferable in space and time. Data as well as method parameterizations have to be chosen carefully to avoid large errors due to regional peculiarities.Les polynies côtières dues au vent dans les mers polaires sont reconnues comme étant des grandes régions de formation de glace nouvelle durant la saison froide. Ainsi, elles pourraient jouer un rôle accru dans le futur incertain du bilan de la glace de mer dans les mers polaires. Les polynies de la mer de Laptev dans l'Arctique sibérien sont reconnues comme étant des producteurs de glace importants et pourraient attirer une attention particulière par rapport aux changements du volume des glaces dans l'Arctique. Le suivi à long terme ainsi que la caractérisation de ces polynies requièrent des méthodes stables pour détecter l'étendue d'eau libre de même que la croissance, l'épaisseur et l'évolution de la glace mince. On examine différents paramètres et diverses méthodes pour observer les étendues de polynies et l'épaisseur de la glace mince au cours d'un événement majeur de polynies observé en avril 2008 dans la mer de Laptev. Ces derniers éléments sont dérivés de données satellite du visible, de l'infrarouge et micro-onde. Des mesures électromagnétiques aéroportées à haute résolution spatiale de l'épaisseur de la glace et des photographies aériennes acquises au-dessus des polynies sont utilisées pour évaluer l'utilité de ces méthodes pour le suivi à long terme et à grande échelle des polynies dans cette région. Nos résultats montrent que, dans les polynies de séparation étroites de la mer de Laptev, la résolution grossière des combinaisons de bandes micro-ondes généralement utilisées entraìne des sources d'erreur par le biais de signaux mixtes à la limite de la banquise côtière et de la banquise. Les résultats du suivi des polynies peuvent être significativement améliorés en utilisant des produits de données à plus haute résolution. Ceci implique que les méthodes suggérées précédemment pour l'extraction de l'étendue des polynies, de l'épaisseur de la glace mince et de la production de glace ne sont pas transférables dans l'espace et le temps. La paramétrisation des données et des méthodes doit être établie avec prudence pour éviter des erreurs importantes dues aux particularités régionales.[Traduit par la Rédaction]