Monitoring of thin sea ice within polynyas using MODIS data

• Main Author: Adams, Susanne
• Format: Thesis
• Language: English
• Published: Trier University 2012
• Subjects: Fernerkundung; Meereis; MODIS; Polynja; Laptewsee; Antarctic; Arctic; Laptev Sea; Antarc*; Antarktis*; Arktis*; laptev; Sea ice
• Online Access: https://dx.doi.org/10.25353/ubtr-xxxx-8f42-8404; https://ubt.opus.hbz-nrw.de/frontdoor/index/index/docId/559

Arctic and Antarctic polynya systems are of high research interest since extensive new ice formation takes place in these regions. The monitoring of polynyas and the ice production is crucial with respect to the changing sea-ice regime. The thin-ice thickness (TIT) distribution within polynyas controls the amount of heat that is released to the atmosphere and has therefore an impact on the ice-production rates. This thesis presents an improved method to retrieve thermal-infrared thin-ice thickness distributions within polynyas. TIT with a spatial resolution of 1 km × 1 km is calculated using the MODIS ice-surface temperature and atmospheric model variables within the Laptev Sea polynya for the winter periods 2007/08 and 2008/09. The improvement of the algorithm is focused on the surface-energy flux parameterizations. Furthermore, a thorough sensitivity analysis is applied to quantify the uncertainty in the thin-ice thickness results. An absolute mean uncertainty of -±4.7 cm for ice below 20 cm of thickness is calculated. Furthermore, advantages and drawbacks using different atmospheric data sets are investigated. Daily MODIS TIT composites are computed to fill the data gaps arising from clouds and shortwave radiation. The resulting maps cover on average 70 % of the Laptev Sea polynya. An intercomparison of MODIS and AMSR-E polynya data indicates that the spatial resolution issue is essential for accurately deriving polynya characteristics. Monthly fast-ice masks are generated using the daily TIT composites. These fast-ice masks are implemented into the coupled sea-ice/ocean model FESOM. An evaluation of FESOM sea-ice concentrations is performed with the result that a prescribed high-resolution fast-ice mask is necessary regarding the accurate polynya location. However, for a more realistic simulation of other small-scale sea-ice features further model improvements are required. The retrieval of daily high-resolution MODIS TIT composites is an important step towards a more precise monitoring of thin sea ice and sea-ice production. Future work will address a combined remote sensing " model assimilation method to simulate fully-covered thin-ice thickness maps that enable the retrieval of accurate ice production values. : Arktische und antarktische Polynja-Systeme agieren als Gebiete intensiver Eisproduktion und stehen daher im Fokus der Meereisforschung. Aufgrund der sich ändernden Meereisbedingungen in den Polarregionen ist die Beobachtung von Polynjen von großem Interesse. Die Verteilung des dünnen Eises in Polynjen kontrolliert den Wärmeverlust zur Atmosphäre und damit die Eisproduktionsraten. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Ableitung von thermalen Dünneisdicken in Polynjen. Dünneisdicken mit einer räumlichen Auflösung von 1 km × 1 km werden auf Basis von MODIS Eisober-¬flächen-¬temperaturen und atmosphärischen Modelldaten für die Laptev See Polynja berechnet. Der Datensatz wird für die beiden Winter 2007/08 und 2008/09 bereitgestellt. Ein bestehender Algorithmus wird bezüglich der Parametrisierung von Energieflüssen an der Oberfläche verbessert. Weiterhin wird eine ausführliche Sensitivitätsanalyse durchgeführt, um den Fehler in den Dünneisdicken zu quantifizieren. Der mittlere absolute Fehler beträgt -±4.7 cm für Eisdicken kleiner als 20 cm. Die Vor- und Nachteile der Verwendung von unterschiedlichen atmosphärischen Datensätzen werden untersucht. Nach der Sensitivitätsanalyse werden tägliche MODIS Dünneisdicken-Komposite erstellt, um die Lücken, die durch Wolken und kurzwellige Einstrahlung entstehen, zu füllen. Die Komposite decken im Mittel 70 % der Laptev See Polynja ab. Ein Vergleich von MODIS und AMSR-E Datensätzen zeigt, dass die räumliche Auflösung wesentlich ist, um Polynja-Charakteristika hinreichend genau abzuleiten. Monatliche Festeismasken werden aus den täglichen Dünneisdicken-Kompositen abgeleitet und in das Meereis-Ozeanmodell FESOM implementiert. Die Verifizierung von simulierten Meereiskonzentrationen belegt, dass eine Festeis-Parametrisierung erforderlich ist, um die Lage der Polynja realistisch wiederzugeben. Es sind jedoch weitere Modellverbesserungen notwendig, um die realistische Simulation weiterer kleinskaliger Meereiseigenschaften zu gewährleisten. Die Ableitung täglicher, hochaufgelöster MODIS Dünneisdicken ist ein wichtiger Schritt in Richtung einer genaueren Beobachtung von dünnem Meereis und der Meereisproduktion. Zukünftige Arbeiten werden sich mit der Assimilierung von MODIS Dünneidicken in das Meereis-Ozeanmodell FESOM beschäftigen, um Dünneisdicken-Karten mit kompletter Abdeckung zu simulieren und damit die Berechnung von realistischen Eisproduktionen zu ermöglichen.