aariПроблемы Арктики и АнтарктикиArctic and Antarctic Research0555-26482618-6713Государственный научный центр Российской Федерации Арктический и антарктический научно-исследовательский институт10.30758/0555-2648-2020-66-3-337-348aari-293Research ArticleОКЕАНОЛОГИЯOCEANOLOGYСравнительный анализ прямых измерений толщин льда и высот снега, наблюдений Cryosat-2 и численных оценок системы PIOMASComparison of direct measurements of sea ice thickness and snow height, CryoSat-2 observations and PIOMAS numerical estimatesСмоляницкийВ. М.SmolyanitskyV. M.

Санкт-Петербург

St. Petersburg

vms@aari.aqТюряковА. Б.TuryakovA. B.

Санкт-Петербург

St. Petersburg

ФильчукК. В.FilchukK. V.

Санкт-Петербург

St. Petersburg

ФроловИ. Е.FrolovI. E.

Санкт-Петербург

St. Petersburg

ГНЦ РФ Арктический и антарктический научно-исследовательский институтРоссияState Scientific Center of the Russian Federation Arctic and Antarctic Research InstituteRussian Federation202029092020663337348Copyright © Смоляницкий В.М., Тюряков А.Б., Фильчук К.В., Фролов И.Е., 20202020Смоляницкий В.М., Тюряков А.Б., Фильчук К.В., Фролов И.Е.Smolyanitsky V.M., Turyakov A.B., Filchuk K.V., Frolov I.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.aaresearch.science/jour/article/view/293

Представлены результаты сравнения прямых измерений толщин льда и высот снега в точках выполнения гидрологических станций экспедиции «Трансарктика-2019» с альтиметрическими наблюдениями ИСЗ CryoSat-2 и численными оценками Системы панарктического численного моделирования льда и океана (PIOMAS). Показано существенно лучшее соответствие пространственной изменчивости прямых измерений и расчетов толщин льда на основе спутниковых наблюдений в сравнении с численными оценками системы и ассимиляции данных PIOMAS. Пробная коррекция алгоритма расчета толщины льда путем замены климатических значений плотности льда, плотности и высоты снега на данные прямых измерений значимо улучшает качество расчета толщины льда по наблюдениям ИСЗ. Полученные средние и среднеквадратические разности для толщин льда (+44/+96 см для CryoSat-2 без коррекции, +30/+95 см для CryoSat-2 с коррекцией, –14/+81 см для системы PIOMAS) и высот снега (–4/+12 см для CryoSat-2, –15/+12 см для системы PIOMAS) показывают масштабы неопределенности дистанционной оценки толщин морского льда и высот снега для районов преобладания средних и толстых однолетних льдов. Сравнение с наблюдениями ИСЗ и численными оценками предыдущих лет показывают, что экспедиция ААНИИ фактически была проведена в один из наиболее благоприятных для ледовых исследований годов последнего десятилетия для данного региона — средняя толщина льда в апреле 2019 г. была на 15 — 28 см выше таковой для интервала 2011 — 2019 гг. при несколько меньшей (1 — 2 см) высоте снежного покрова. Сравнение с данными ледового картирования показывает, что в более ранний период 1970 — 1990-х гг. данный район характеризовался значительно более толстыми старыми льдами с характерными толщинами на ~60 см больше, чем в апреле 2019 г. Привлечение данных высокоширотных экспедиций «Север» 1950 — 1970-х гг. не позволяет дать однозначный отчет о характере наблюденных в апреле 2019 г. аномалий толщин льда и высот снега.

The paper presents the results of comparison of contact measurements of ice thicknesses and snow heights performed at the points of the hydrological stations of the “Transarktika-2019” expedition in April 2019 north of Franz-Josef Land archipelago, with altimetry observations of the Cryosat-2 satellite and numerical estimates of the PIOMAS (Pan-Arctic numerical Ice and Ocean Modeling system and data Assimilation). A significantly better correspondence is predictably shown between the variability of the ice thickness directly measured and observed using the CryoSat-2 satellite than that for the numerical PIOMAS system estimates. A trial correction of the algorithm for calculating the ice thickness by replacing the climatic values of the ice density, snow density and height with data from direct measurements also predictably improves the quality of calculating the ice thickness from satellite observations. The mean / route mean square differences obtained for ice thicknesses (+44/+96 cm for uncorrected and +30/+95 cm for corrected CryoSat-2 satellite, –14/+81 cm for PIOMAS system) and snow height (–4/+12 cm for CryoSat-2 satellite, –15/+12 cm for PIOMAS system) show the scale of uncertainty in estimating sea ice thickness and snow height for areas dominated by medium and thick first-year ice. An anomaly of the ice thicknesses observed during the expedition is given in comparison with the background characteristics based on historical ice charting data for 1970s — 1990s, earlier High-Arctic aircraft “Sever” expeditions during 1950s — 1970s and the stated remote observations and numerical estimates for 2000s — 2019. Comparison shows that the AARI expedition was actually carried out in one of the most favorable years for ice research in the last decade for this region — the average ice thickness in April 2019 was 15 — 28 cm higher than that for the interval 2011 — 2019 with a slightly lower (1 — 2 cm) height of the snow cover. In the earlier period of the 1970 — 1990s this area was characterized by significantly thicker old ice with characteristic thicknesses ~ 60 cm more than in April 2019.

высота снегаконтактные наблюденияпревышение льдатолщина льда«Трансарктика-2019»CryoSat-2PIOMASCryoSat-2ice freeboardice thicknessin situ observationsPIOMASsnow height“Transarktika-2019”Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 18-05- 60048.This work was funded by the RFBR grant № 18-05-60048.ReferencesФролов И.Е., Иванов В.В., Фильчук К.В., Макштас А.П., Кустов В.Ю., Махотина И.А., Иванов Б.В., Уразгильдеева А.В., Сёмин В.Л., Зимина О.Л., Крылов А.А., Богин В.А., Захаров В.Ю., Малышев С.А., Гусев Е.А., Барышев П.Е., Пильгаев С.В., Ковалев С.М., Тюряков А.Б. Трансарктика-2019: зимняя экспедиция в Северный Ледовитый океан на НЭС «Академик Трёшников» // Проблемы Арктики и Антарктики. 2019. Т. 65 (3). С. 255 — 274.Frolov I.E., Ivanov V.V., Filchuk K.V., Makshtas A.P., Kustov V.Yu., Mahotina I.A., Ivanov B.V., Urazgildeeva A.V., Syoemin V.L., Zimina O.L., Krylov A.A., Bogin V.A., Zakharov V.Yu., Malyshev S.A., Gusev E.A., Baryshev P.E., Pilgaev S.V., Kovalev S.M., Turyakov A.B. Transarktika-2019: winter expedition in the Arctic Ocean on the R/V “Akademik Tryoshnikov”. Problemy Arktiki i Antarktiki. Arctic and Antarctic Research. 2019, 65 (3): 255 — 274. [In Russian].Meredith M., Sommerkorn M., Cassotta S., Derksen C., Ekaykin A., Hollowed A., Kofinas G., Mackintosh A., Melbourne-Thomas J., Muelbert M.M.C., Ottersen G., Pritchard H., Schuur E.A.G. Polar Regions. In: IPCC Special Report on the Ocean and Cryosphere in a Changing Climate [Pörtner H.-O., Roberts D.C., Masson-Delmotte Zhai V., P., Tignor M., Poloczanska E., Mintenbeck K., Alegría A., Nicolai M., Okem A., Petzold J., Rama B., Weyer N.M. (eds.)]. URL: https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/sites/3/2019/11/07_SROCC_Ch03_FINAL.pdf (дата обращения 01.09.2020).Meredith M., Sommerkorn M., Cassotta S., Derksen C., Ekaykin A., Hollowed A., Kofinas G., Mackintosh A., Melbourne-Thomas J., Muelbert M.M.C., Ottersen G., Pritchard H., Schuur E.A.G. Polar Regions. IPCC Special Report on the Ocean and Cryosphere in a Changing Climate [Pörtner H.-O., Roberts D.C., Masson-Delmotte Zhai V., P., Tignor M., Poloczanska E., Mintenbeck K., Alegría A., Nicolai M., Okem A., Petzold J., Rama B., Weyer N.M. (eds.)]. Available at: https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/sites/3/2019/11/07_SROCC_Ch03_FINAL.pdf (accessed 01.09.2020).Ivanova N., Pedersen L.T., Tonboe R.T., Kern S., Heygster G., Lavergne T., Sørensen A., Saldo R., Dybkjær G., Brucker L., Shokr M. Inter-comparison and evaluation of sea ice algorithms: towards further identification of challenges and optimal approach using passive microwave observations // The Cryosphere. 2015. V. 9. P. 1797 — 1817.Ivanova N., Pedersen L.T., Tonboe R.T., Kern S., Heygster G., Lavergne T., Sørensen A., Saldo R., Dybkjær G., Brucker L., Shokr M. Inter-comparison and evaluation of sea ice algorithms: towards further identification of challenges and optimal approach using passive microwave observations. The Cryosphere. 2015, 9: 1797 — 1817.Liu Y., Key J., Wang X., Tschudi M. Multidecadal Arctic sea ice thickness and volume derived from ice age // The Cryosphere. 2020. V. 14. P. 1325 — 1345.Liu Y., Key J., Wang X., Tschudi M. Multidecadal Arctic sea ice thickness and volume derived from ice age. The Cryosphere. 2020, 14: 1325 — 1345.Systematic observation requirements for satellite-based data products for climate (2011 update). GCOS — 54. Geneve, GCOS Secretariat, 2011. P. 127.Systematic observation requirements for satellite-based data products for climate (2011 update). GCOS — 154. Geneve, GCOS Secretariat, 2011: 127.Laxon S.W., Giles K.A., Ridout A.L., Wingham D.J., Willatt R., Cullen R., Kwok R., Schweiger A., Zhang J., Haas C. CryoSat-2 estimates of Arctic sea ice thickness and volume // Geophys. Res. Lett. 2013. V. 40. P. 732 — 737.Laxon S.W., Giles K.A., Ridout A.L., Wingham D.J., Willatt R., Cullen R., Kwok R., Schweiger A., Zhang J., Haas C. CryoSat-2 estimates of Arctic sea ice thickness and volume. Geophys. Res. Lett. 2013, 40: 732 — 737.Ricker R.; Hendricks S., Helm V., Skourup H., Davidson M. Sensitivity of CryoSat-2 Arctic sea-ice freeboard and thickness on radar-waveform interpretation // The Cryosphere. 2014. V. 8 (4). P.1607 — 1622.Ricker R.; Hendricks S., Helm V., Skourup H., Davidson M. Sensitivity of CryoSat-2 Arctic sea-ice freeboard and thickness on radar-waveform interpretation. The Cryosphere. 2014, 8 (4): 1607 — 1622.Hendricks, S., Ricker, R. Product User Guide & Algorithm Specification — AWI CryoSat-2 Sea Ice Thickness version 2.2. AWI. 2019. P. 54.Hendricks S., Ricker R. Product User Guide & Algorithm Specification — AWI CryoSat-2 Sea Ice Thickness version 2.2. AWI. 2019: 54.Zhang J., Rothrock D.A. Modeling global sea ice with a thickness and enthalpy distribution model in generalized curvilinear coordinates // Mon. Weather Rev. 2003. V. 131. P. 845 — 861.Zhang J., Rothrock D.A. Modeling global sea ice with a thickness and enthalpy distribution model in generalized curvilinear coordinates. Mon. Weather Rev. 2003, 131: 845–861.Zhang J., Rothrock D. A Thickness and Enthalpy Distribution Sea-Ice Model // J. Phys. Ocean. 2001. V. 31. P. 2986 — 3001.Zhang J., Rothrock D. A Thickness and Enthalpy Distribution Sea-Ice Model. J. Phys. Ocean. 2001, 31: 2986 — 3001.Бузуев А.Я., Дубовцев В.Ф., Захаров В.Ф., Смирнов В.И. Условия плавания судов во льдах морей Северного полушария. М.: Изд-во ГУНИО МО СССР, 1988. 280 с.Buzuev A.Ya., Dubovtsev V.F., Zakharov V.F., Smirnov V.I. Usloviya plavaniya sudov vo l’dakh morei severnogo polushariya. Navigation conditions in the sea of the Northern Hemisphere. Moscow: GUNIO MO USSR, 1988: 280 p. [In Russian].Комплексные ледовые карты ФГБУ «ААНИИ» Северного Ледовитого океана за 1933 — 1992 гг. в обменном формате ВМО СИГРИД // Мировой центр данных по морскому льду — Глобальный банк данных по морскому льду. URL: http://wdc.aari.ru/datasets/d0001/north/aari (дата обращения 01.09.2020).Historical collection of the Arctic and Antarctic Research Institute detailed ice charts of the Arctic Ocean for 1933—1992 in the WMO SIGRID exchange format. World Data Center SeaIce — Global Digital Sea Ice Data Bank. Available at: http://wdc.aari.ru/datasets/d0001/north/aari (accessed 01.09.2020).Комплексные ледовые карты Северной полярной области Национального ледового центра США за 1972 — 1994 гг. в обменном формате ВМО СИГРИД // Мировой центр данных по морскому льду — Глобальный банк данных по морскому льду. URL: http://wdc.aari.ru/datasets/d0001/north/nic/sigrid (дата обращения 01.09.2020).Historical collection of the US National Ice Center Northern Hemisphere detailed ice charts for 1972—1994 in the WMO SIGRID exchange format // World Data Center Sea-Ice — Global Digital Sea Ice Data Bank. Available at: http://wdc.aari.ru/datasets/d0001/north/nic/sigrid (accessed 01.09.2020).Грачев К.И., Константинов Ю.Б. Высокоширотные воздушные экспедиции «Север» / Под ред. В.Т. Соколова. СПб.: Гидрометеоиздат, 2000. 176 с.Grachev K.I., Konstantinov Yu.B.. Vysokoshirotnie vozdushnie ekspeditsii Sever. High-latitude aircraft expeditions “Sever”. St. Petersburg: Gidrometeoizdat, 2000: 176 p. [In Russian].Romanov I.P. Morphometric Characteristics of Ice and Snow in the Arctic Basin: Aircraft Landing Observations from the Former Soviet Union, 1928 — 1989, Version 1. Boulder, Colorado USA. NSIDC: National Snow and Ice Data Center. doi: 10.7265/N5B8562T.Romanov I.P. Morphometric Characteristics of Ice and Snow in the Arctic Basin: Aircraft Landing Observations from the Former Soviet Union, 1928—1989, Version 1. Boulder, Colorado USA. NSIDC: National Snow and Ice Data Center. doi: 10.7265/N5B8562T

The authors declare that there are no conflicts of interest present.