Short-term forecasting method for prevailing orientation of leads in the Laptev Sea ice cover during winter-spring season

Sea ice leads are potential routes of easier navigation in the Arctic seas during winter-spring season. Forecasts of the prevailing orientation of ice leads are required for the early selection of the optimal route of a ship in ice. An automated method for short-term forecasting of the prevailing or...

Full description

Bibliographic Details
Main Authors: L. N. Dyment, A. A. Ershova, V. S. Porubaev, Л. Н. Дымент, А. А. Ершова, В. С. Порубаев
Other Authors: The research was carried out within the framework of the scientific research and technology works 5.1.1 of Roshydromet for 2020–2024. “Development of models, methods and technologies for monitoring and forecasting the state of the atmosphere, ocean, sea ice cover, glaciers and permafrost (cryosphere), processes of interaction of ice with natural objects and engineering structures for the Arctic and technologies for hydrometeorological provision of consumers”., Исследования выполнены в рамках НИТР 5.1.1 Росгидромета на 2020–2024 гг. «Развитие моделей, методов и технологий мониторинга и прогнозирования состояния атмосферы, океана, морского ледяного покрова, ледников и вечной мерзлоты (криосферы), процессов взаимодействия льда с природными объектами и инженерными сооружениями для Арктики и технологий гидрометеорологического обеспечения потребителей».
Format: Article in Journal/Newspaper
Language:Russian
Published: Государственный научный центр Российской Федерации Арктический и антарктический научно-исследовательский институт 2024
Subjects:
Online Access:https://www.aaresearch.science/jour/article/view/595
https://doi.org/10.30758/0555-2648-2024-70-1-87-102
id ftjaaresearch:oai:oai.aari.elpub.ru:article/595
record_format openpolar
institution Open Polar
collection Arctic and Antarctic Research
op_collection_id ftjaaresearch
language Russian
topic эллипс деформации
analog method
forecast verification
ice discontinuities
ice drift
modal orientation
satellite images
strain ellipse
дрейф льда
метод аналогов
модальная ориентация
нарушения сплошности льда
оправдываемость прогноза
спутниковые снимки
spellingShingle эллипс деформации
analog method
forecast verification
ice discontinuities
ice drift
modal orientation
satellite images
strain ellipse
дрейф льда
метод аналогов
модальная ориентация
нарушения сплошности льда
оправдываемость прогноза
спутниковые снимки
L. N. Dyment
A. A. Ershova
V. S. Porubaev
Л. Н. Дымент
А. А. Ершова
В. С. Порубаев
Short-term forecasting method for prevailing orientation of leads in the Laptev Sea ice cover during winter-spring season
topic_facet эллипс деформации
analog method
forecast verification
ice discontinuities
ice drift
modal orientation
satellite images
strain ellipse
дрейф льда
метод аналогов
модальная ориентация
нарушения сплошности льда
оправдываемость прогноза
спутниковые снимки
description Sea ice leads are potential routes of easier navigation in the Arctic seas during winter-spring season. Forecasts of the prevailing orientation of ice leads are required for the early selection of the optimal route of a ship in ice. An automated method for short-term forecasting of the prevailing orientation of leads in the Laptev Sea is developed in AARI based on the analog method. Data sources for making a forecast include predictive fields of atmospheric pressure up to 3 days in advance and historical data on surface atmospheric pressure, ice drift and sea ice leads. The data on ice leads are obtained by interpreting SuomiNPP satellite images in a visible and infrared range at 375 m spatial resolution for the cold seasons 2016–2022. The ice drift data are freely available OSI SAF data. In order to make a forecast of the prevailing orientation of leads by a predictive atmospheric pressure field, it is necessary to select from an electronic data archive a historical field of atmospheric pressure that is the most similar to the predictive field. The lead characteristics on the selected date are taken as the predictive ones. Automated selection of an analog consists in searching for an atmospheric pressure field from the electronic data archive which has minimal metrics for the forecast date together with 2 previous days. The metric is calculated as the sum of the squared differences between the change in atmospheric pressure per 1 km in the latitudinal and meridional directions between the predictive atmospheric pressure field and the potential analog field. Actual lead data for a date of the selected analog may not be available due to thick clouds. In this case, the direction of the minor axis of the strain ellipse calculated from ice drift data is taken as the prevailing orientation of leads. The success ratio of diagnostic forecasts by the method developed is 72 %. Comparison of the success ratio of the diagnostic forecasts with the results of inertial and climatic forecasts demonstrates a high effectiveness ...
author2 The research was carried out within the framework of the scientific research and technology works 5.1.1 of Roshydromet for 2020–2024. “Development of models, methods and technologies for monitoring and forecasting the state of the atmosphere, ocean, sea ice cover, glaciers and permafrost (cryosphere), processes of interaction of ice with natural objects and engineering structures for the Arctic and technologies for hydrometeorological provision of consumers”.
Исследования выполнены в рамках НИТР 5.1.1 Росгидромета на 2020–2024 гг. «Развитие моделей, методов и технологий мониторинга и прогнозирования состояния атмосферы, океана, морского ледяного покрова, ледников и вечной мерзлоты (криосферы), процессов взаимодействия льда с природными объектами и инженерными сооружениями для Арктики и технологий гидрометеорологического обеспечения потребителей».
format Article in Journal/Newspaper
author L. N. Dyment
A. A. Ershova
V. S. Porubaev
Л. Н. Дымент
А. А. Ершова
В. С. Порубаев
author_facet L. N. Dyment
A. A. Ershova
V. S. Porubaev
Л. Н. Дымент
А. А. Ершова
В. С. Порубаев
author_sort L. N. Dyment
title Short-term forecasting method for prevailing orientation of leads in the Laptev Sea ice cover during winter-spring season
title_short Short-term forecasting method for prevailing orientation of leads in the Laptev Sea ice cover during winter-spring season
title_full Short-term forecasting method for prevailing orientation of leads in the Laptev Sea ice cover during winter-spring season
title_fullStr Short-term forecasting method for prevailing orientation of leads in the Laptev Sea ice cover during winter-spring season
title_full_unstemmed Short-term forecasting method for prevailing orientation of leads in the Laptev Sea ice cover during winter-spring season
title_sort short-term forecasting method for prevailing orientation of leads in the laptev sea ice cover during winter-spring season
publisher Государственный научный центр Российской Федерации Арктический и антарктический научно-исследовательский институт
publishDate 2024
url https://www.aaresearch.science/jour/article/view/595
https://doi.org/10.30758/0555-2648-2024-70-1-87-102
genre Annals of Glaciology
Arctic
Arctic
laptev
Laptev Sea
Sea ice
genre_facet Annals of Glaciology
Arctic
Arctic
laptev
Laptev Sea
Sea ice
op_source Arctic and Antarctic Research; Том 70, № 1 (2024); 87-102
Проблемы Арктики и Антарктики; Том 70, № 1 (2024); 87-102
2618-6713
0555-2648
op_relation https://www.aaresearch.science/jour/article/view/595/278
Фролов С.В. Влияние ориентации нарушений сплошности льда на эффективность движения судов в Арктическом бассейне в летний период. Проблемы Арктики и Антарктики. 2013;(3):35–45.
Горбунов Ю.А., Карелин И.Д., Лосев С.М. К вопросу о причинах нарушения сплошности морского ледяного покрова в зимний период. Проблемы Арктики и Антарктики. 1986;62:110–116.
Назиров М. Льды и взвеси как гидротермодинамические трассеры по данным космических многозональных съемок. Л.: Гидрометеоиздат; 1982. 161 c.
Волков Н.А., Гудкович З.М. Основные итоги изучения дрейфа льдов в Арктическом бассейне. Проблемы Арктики и Антарктики. 1967;27:55–64.
Гудкович З.М., Доронин Ю.П. Дрейф морских льдов. СПб.: Гидрометеоиздат; 2001. 112 с.
Лосев С.М., Горбунов Ю.А. Диагностика и среднесрочный прогноз нарушений сплошности морского ледяного покрова. Труды ААНИИ. 1998;438:13–25.
Горбунов Ю.А., Дымент Л.Н., Лосев С.М., Фролов С.В. Среднесрочные прогнозы крупных нарушений сплошности льда при гидрометеорологическом обеспечении мореплавания в Арктическом бассейне. Метеорология и гидрология. 2008;(9):78–86.
Горбунов Ю.А., Лосев С.М., Дымент Л.Н. Метод диагностики и среднесрочного прогноза разрывов в ледяном покрове Карского моря. Труды ААНИИ. 2001;443:94–102.
Лосев С.М., Горбунов Ю.А., Дымент Л.Н. Оценка характеристик разрывов в ледяном покрове моря Лаптевых по снимкам самолетного радиолокатора бокового обзора и снимкам со спутников Земли «Метеор» и «NOAA». Метеорология и гидрология. 2003;(2):59–67.
Дымент Л.Н., Аксенов П.В., Лосев С.М., Порубаев В.С. Влияние пространственного разрешения снимков ИСЗ на получаемые значения характеристик разрывов в ледяном покрове арктических морей. Исследование Земли из космоса. 2021;3:81–86. https://doi.org/10.31857/S0205961421030039
Смирнов В.Г., Бычкова И.А., Захваткина Н.Ю. Разработка методов оперативной оценки нарушений сплошности ледяного покрова с использованием спутниковой информации. Российские полярные исследования. 2022;(1):5–7.
Hoffman J.P., Ackerman S.A., Liu Y., Key J.R. The detection and characterization of Arctic Sea ice leads with satellite imagers. Remote Sensing. 2019;11(5):521. https://doi.org/10.3390/rs11050521
Hoffman J.P., Ackerman S.A., Liu Y., Key J.R., McConnell I.L. Application of a convolutional neural network for the detection of sea ice leads. Remote Sensing. 2021;13(22):4571. https://doi.org/10.3390/rs13224571
Willmes S., Heinemann G. Pan-Arctic lead detection from MODIS thermal infrared imagery. Annals of Glaciology. 2015;56(69): 29–37. https://doi.org/10.3189/2015AoG69A615
Low Resolution Sea Ice Drift Product of the EUMETSAT OSI SAF. URL: https://osi-saf.eumetsat.int/products/osi-405-c. (accessed 24.10.2023).
Волков Н.А., Гудкович З.М., Углев В.Д. Результаты изучения неравномерности дрейфа льда в Арктическом бассейне. Труды ААНИИ. 1971;303:76–88.
Дымент Л.Н., Ершова А.А., Порубаев В.С., Чиркова А.А. Расчет преобладающей ориентации разрывов в ледяном покрове моря Лаптевых по данным дрейфа льда. Лед и снег. 2023;63(3):454–468. https://doi.org/10.31857/S2076673423030031
Наставление по службе прогнозов. Раздел 3. Часть III. М.: Триада ЛТД; 2011. 102 c.
Фролов С.В., Клячкин С.В. Учет влияния ориентации разрывов в ледяном покрове на скорость движения судна во льдах. Труды ААНИИ. 2001;443:103–111.
Моря российской Арктики в современных условиях. СПб.: ААНИИ; 2021. 360 с.
https://www.aaresearch.science/jour/article/view/595
doi:10.30758/0555-2648-2024-70-1-87-102
op_rights Authors who publish with this journal agree to the following terms:Authors retain copyright and grant the journal right of first publication with the work simultaneously licensed under a Creative Commons Attribution License that allows others to share the work with an acknowledgement of the work's authorship and initial publication in this journal.Authors are able to enter into separate, additional contractual arrangements for the non-exclusive distribution of the journal's published version of the work (e.g., post it to an institutional repository or publish it in a book), with an acknowledgement of its initial publication in this journal.Authors are permitted and encouraged to post their work online (e.g., in institutional repositories or on their website) prior to and during the submission process, as it can lead to productive exchanges, as well as earlier and greater citation of published work (See The Effect of Open Access).
Авторы, публикующие в данном журнале, соглашаются со следующим:Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution License, которая позволяет другим распространять данную работу с обязательным сохранением ссылок на авторов оригинальной работы и оригинальную публикацию в этом журнале.Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договорённости, касающиеся не-эксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге), со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.Авторы имеют право размещать их работу в сети Интернет (например в институтском хранилище или персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу (См. The Effect of Open Access).
op_doi https://doi.org/10.30758/0555-2648-2024-70-1-87-10210.31857/S020596142103003910.3390/rs1105052110.3390/rs1322457110.3189/2015AoG69A61510.31857/S2076673423030031
_version_ 1797580267529961472
spelling ftjaaresearch:oai:oai.aari.elpub.ru:article/595 2024-04-28T07:55:31+00:00 Short-term forecasting method for prevailing orientation of leads in the Laptev Sea ice cover during winter-spring season Метод краткосрочного прогноза преобладающей ориентации разрывов в ледяном покрове моря Лаптевых в зимне-весенний период L. N. Dyment A. A. Ershova V. S. Porubaev Л. Н. Дымент А. А. Ершова В. С. Порубаев The research was carried out within the framework of the scientific research and technology works 5.1.1 of Roshydromet for 2020–2024. “Development of models, methods and technologies for monitoring and forecasting the state of the atmosphere, ocean, sea ice cover, glaciers and permafrost (cryosphere), processes of interaction of ice with natural objects and engineering structures for the Arctic and technologies for hydrometeorological provision of consumers”. Исследования выполнены в рамках НИТР 5.1.1 Росгидромета на 2020–2024 гг. «Развитие моделей, методов и технологий мониторинга и прогнозирования состояния атмосферы, океана, морского ледяного покрова, ледников и вечной мерзлоты (криосферы), процессов взаимодействия льда с природными объектами и инженерными сооружениями для Арктики и технологий гидрометеорологического обеспечения потребителей». 2024-03-31 application/pdf https://www.aaresearch.science/jour/article/view/595 https://doi.org/10.30758/0555-2648-2024-70-1-87-102 rus rus Государственный научный центр Российской Федерации Арктический и антарктический научно-исследовательский институт https://www.aaresearch.science/jour/article/view/595/278 Фролов С.В. Влияние ориентации нарушений сплошности льда на эффективность движения судов в Арктическом бассейне в летний период. Проблемы Арктики и Антарктики. 2013;(3):35–45. Горбунов Ю.А., Карелин И.Д., Лосев С.М. К вопросу о причинах нарушения сплошности морского ледяного покрова в зимний период. Проблемы Арктики и Антарктики. 1986;62:110–116. Назиров М. Льды и взвеси как гидротермодинамические трассеры по данным космических многозональных съемок. Л.: Гидрометеоиздат; 1982. 161 c. Волков Н.А., Гудкович З.М. Основные итоги изучения дрейфа льдов в Арктическом бассейне. Проблемы Арктики и Антарктики. 1967;27:55–64. Гудкович З.М., Доронин Ю.П. Дрейф морских льдов. СПб.: Гидрометеоиздат; 2001. 112 с. Лосев С.М., Горбунов Ю.А. Диагностика и среднесрочный прогноз нарушений сплошности морского ледяного покрова. Труды ААНИИ. 1998;438:13–25. Горбунов Ю.А., Дымент Л.Н., Лосев С.М., Фролов С.В. Среднесрочные прогнозы крупных нарушений сплошности льда при гидрометеорологическом обеспечении мореплавания в Арктическом бассейне. Метеорология и гидрология. 2008;(9):78–86. Горбунов Ю.А., Лосев С.М., Дымент Л.Н. Метод диагностики и среднесрочного прогноза разрывов в ледяном покрове Карского моря. Труды ААНИИ. 2001;443:94–102. Лосев С.М., Горбунов Ю.А., Дымент Л.Н. Оценка характеристик разрывов в ледяном покрове моря Лаптевых по снимкам самолетного радиолокатора бокового обзора и снимкам со спутников Земли «Метеор» и «NOAA». Метеорология и гидрология. 2003;(2):59–67. Дымент Л.Н., Аксенов П.В., Лосев С.М., Порубаев В.С. Влияние пространственного разрешения снимков ИСЗ на получаемые значения характеристик разрывов в ледяном покрове арктических морей. Исследование Земли из космоса. 2021;3:81–86. https://doi.org/10.31857/S0205961421030039 Смирнов В.Г., Бычкова И.А., Захваткина Н.Ю. Разработка методов оперативной оценки нарушений сплошности ледяного покрова с использованием спутниковой информации. Российские полярные исследования. 2022;(1):5–7. Hoffman J.P., Ackerman S.A., Liu Y., Key J.R. The detection and characterization of Arctic Sea ice leads with satellite imagers. Remote Sensing. 2019;11(5):521. https://doi.org/10.3390/rs11050521 Hoffman J.P., Ackerman S.A., Liu Y., Key J.R., McConnell I.L. Application of a convolutional neural network for the detection of sea ice leads. Remote Sensing. 2021;13(22):4571. https://doi.org/10.3390/rs13224571 Willmes S., Heinemann G. Pan-Arctic lead detection from MODIS thermal infrared imagery. Annals of Glaciology. 2015;56(69): 29–37. https://doi.org/10.3189/2015AoG69A615 Low Resolution Sea Ice Drift Product of the EUMETSAT OSI SAF. URL: https://osi-saf.eumetsat.int/products/osi-405-c. (accessed 24.10.2023). Волков Н.А., Гудкович З.М., Углев В.Д. Результаты изучения неравномерности дрейфа льда в Арктическом бассейне. Труды ААНИИ. 1971;303:76–88. Дымент Л.Н., Ершова А.А., Порубаев В.С., Чиркова А.А. Расчет преобладающей ориентации разрывов в ледяном покрове моря Лаптевых по данным дрейфа льда. Лед и снег. 2023;63(3):454–468. https://doi.org/10.31857/S2076673423030031 Наставление по службе прогнозов. Раздел 3. Часть III. М.: Триада ЛТД; 2011. 102 c. Фролов С.В., Клячкин С.В. Учет влияния ориентации разрывов в ледяном покрове на скорость движения судна во льдах. Труды ААНИИ. 2001;443:103–111. Моря российской Арктики в современных условиях. СПб.: ААНИИ; 2021. 360 с. https://www.aaresearch.science/jour/article/view/595 doi:10.30758/0555-2648-2024-70-1-87-102 Authors who publish with this journal agree to the following terms:Authors retain copyright and grant the journal right of first publication with the work simultaneously licensed under a Creative Commons Attribution License that allows others to share the work with an acknowledgement of the work's authorship and initial publication in this journal.Authors are able to enter into separate, additional contractual arrangements for the non-exclusive distribution of the journal's published version of the work (e.g., post it to an institutional repository or publish it in a book), with an acknowledgement of its initial publication in this journal.Authors are permitted and encouraged to post their work online (e.g., in institutional repositories or on their website) prior to and during the submission process, as it can lead to productive exchanges, as well as earlier and greater citation of published work (See The Effect of Open Access). Авторы, публикующие в данном журнале, соглашаются со следующим:Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution License, которая позволяет другим распространять данную работу с обязательным сохранением ссылок на авторов оригинальной работы и оригинальную публикацию в этом журнале.Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договорённости, касающиеся не-эксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге), со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.Авторы имеют право размещать их работу в сети Интернет (например в институтском хранилище или персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу (См. The Effect of Open Access). Arctic and Antarctic Research; Том 70, № 1 (2024); 87-102 Проблемы Арктики и Антарктики; Том 70, № 1 (2024); 87-102 2618-6713 0555-2648 эллипс деформации analog method forecast verification ice discontinuities ice drift modal orientation satellite images strain ellipse дрейф льда метод аналогов модальная ориентация нарушения сплошности льда оправдываемость прогноза спутниковые снимки info:eu-repo/semantics/article info:eu-repo/semantics/publishedVersion 2024 ftjaaresearch https://doi.org/10.30758/0555-2648-2024-70-1-87-10210.31857/S020596142103003910.3390/rs1105052110.3390/rs1322457110.3189/2015AoG69A61510.31857/S2076673423030031 2024-04-01T16:57:32Z Sea ice leads are potential routes of easier navigation in the Arctic seas during winter-spring season. Forecasts of the prevailing orientation of ice leads are required for the early selection of the optimal route of a ship in ice. An automated method for short-term forecasting of the prevailing orientation of leads in the Laptev Sea is developed in AARI based on the analog method. Data sources for making a forecast include predictive fields of atmospheric pressure up to 3 days in advance and historical data on surface atmospheric pressure, ice drift and sea ice leads. The data on ice leads are obtained by interpreting SuomiNPP satellite images in a visible and infrared range at 375 m spatial resolution for the cold seasons 2016–2022. The ice drift data are freely available OSI SAF data. In order to make a forecast of the prevailing orientation of leads by a predictive atmospheric pressure field, it is necessary to select from an electronic data archive a historical field of atmospheric pressure that is the most similar to the predictive field. The lead characteristics on the selected date are taken as the predictive ones. Automated selection of an analog consists in searching for an atmospheric pressure field from the electronic data archive which has minimal metrics for the forecast date together with 2 previous days. The metric is calculated as the sum of the squared differences between the change in atmospheric pressure per 1 km in the latitudinal and meridional directions between the predictive atmospheric pressure field and the potential analog field. Actual lead data for a date of the selected analog may not be available due to thick clouds. In this case, the direction of the minor axis of the strain ellipse calculated from ice drift data is taken as the prevailing orientation of leads. The success ratio of diagnostic forecasts by the method developed is 72 %. Comparison of the success ratio of the diagnostic forecasts with the results of inertial and climatic forecasts demonstrates a high effectiveness ... Article in Journal/Newspaper Annals of Glaciology Arctic Arctic laptev Laptev Sea Sea ice Arctic and Antarctic Research