Satellite-based Estimates of Sea Ice Volume Flux : Applications to the Fram Strait Region

Abstract

The sea ice export out of the Arctic Ocean through Fram Strait into the Greenland Sea is the single largest source of freshwater in the Nordic Seas and therefore of special importance for the hydrological cycle of the North Atlantic. On its way south, the exported sea ice melts and thereby modifies the stratification of the ocean surface mixed layer, which in turn influences oceanic deep convection and water mass transformation processes in the Nordic Seas and thus impact global ocean thermohaline circulation. The lack of spatial sea ice thickness information has been one of the weaknesses for previous existing methods to determine the sea ice export. In this study a new method to obtain the sea ice volume flux exclusively from satellite measurements is presented. Previous estimates of the sea ice volume flux relayed on ice draft measurements of a single Upward Looking Sonar (ULS) in the Greenland Sea. The GLAS laser altimeter onboard the ICESat satellite launched in 2003 offers for the first time the opportunity to obtain the spatial sea ice thickness distribution up to 86°N latitude. In this study a method to determine the sea ice freeboard from ICESat altimeter data is developed and applied to nine ICESat measurement periods between 2003 and 2007. Assuming hydrostatic balance and by utilization of further satellite, in situ and climatological data these sea ice freeboard measurements are converted to sea ice thickness maps of the Fram Strait region. The satellite-based ice thickness estimates are combined with sea ice area and sea ice drift, as retrieved from AMSR-E microwave radiometer measurements at 89 GHz, to obtain the sea ice volume flux. The errors of the input quantities and the final sea ice volume flux are assessed. Using this method the spatial sea ice volume flux distribution is obtained from satellite observations for the first time. The Fram Strait sea ice volume flux is further investigated by calculating a monthly sea ice volume flux time series between January 2003 and April 2007. Summer months have to be disregarded due to missing sea ice drift data. The sea ice volume flux shows large interannual and -seasonal variability. A mean monthly Fram Strait sea ice volume flux of (248±90) km^3/month with respective minimum and maximum values of 112 km^3/month (May 2003) and 484 km^3/month (December 2004) was found. These satellite-based sea ice volume flux estimates from the years 2003 to 2007 are compared to previous sea ice volume flux estimates obtained for the period 1990 to 1999 and can be used as extension of these previous time series. Finally, a comparison of sea ice volume flux estimates from this study with oceanographic salinity measurements shows good coincidence of summer melting events. A comparison to model results reveals large differences in the lateral distribution of the sea ice volume flux. The presented method does not just allow, as previously, to determine the sea ice export through Fram Strait but has the potential to investigate and better understand the dynamics of sea ice volume changes north and south of Fram Strait.

Der Export von Meereis aus dem Arktischen Ozean durch die Framstraße in die Grönlandsee stellt die größte Quelle von Süßwasser im Europäischen Nordmeer dar und ist daher von zentraler Bedeutung für den Süßwasserhaushalt des Nordatlantiks. Auf dem Weg nach Süden schmilzt das exportierte Meereis und bestimmt so maßgeblich die oberflächennahe Schichtung der Wassermassen, die wiederum die ozeanische Tiefenkonvektion im Europäischen Nordmeer und dadurch auch die globale thermohaline Zirkulation beeinflusst. Einer der bisherigen Schwachpunkte bei der Bestimmung dieses Eisexports ist das Fehlen flächendeckender Beobachtungen der Meereisdicke. In dieser Studie wird ein neues Verfahren vorgestellt, den Meereisvolumenfluss alleinig aus Satellitenbeobachtungen abzuleiten. Bisher beruhten Abschätzungen des Eisvolumenflusses in puncto Eisdicke auf den Eistiefgangsmessungen eines einzelnen Sonars in der Grönlandsee. Mit den seit 2003 gemessenen Daten des Laseraltimeters GLAS auf dem Satelliten ICESat ist es erstmalig möglich, die flächenhafte Eisdickenverteilung bis zu einer geographischen Breite von 86°N zu erfassen. In dieser Arbeit wurde ein Verfahren zur Bestimmung des Eisfreibords aus ICESat Laseraltimeterdaten entwickelt und auf neun ICESat-Messperioden zwischen 2003 und 2007 angewendet. Unter Annahme hydrostatischen Gleichgewichts und mit Hilfe von weiteren Satelliten-, vor Ort gemessenen und klimatologischen Daten werden aus diesen Eisfreibordmessungen Eisdickenkarten der Framstraßenregion erstellt. Diese Meereisdickendaten werden mit Satellitenmessungen der Eisbedeckung und Eisdrift zum Meereisvolumenfluss kombiniert. Für die Bestimmung der Eisbedeckung und Eisdrift werden jeweils AMSR-E Mikrowellenradiometermessungen bei 89 GHz verwendet. Die Fehler der Eingangsdaten und des Meereisvolumenflusses werden abgeschätzt. Mit dieser Methode kann erstmals die flächenhafte Verteilung des Meereisvolumenflusses aus Satellitendaten beobachtet werden. Der Meereistransport durch die Framstraße wird mit Hilfe einer monatlichen Zeitreihe zwischen Januar 2003 und April 2007 ausführlicher untersucht. Hierbei werden die Sommermonate aufgrund fehlender Eisdriftmessungen nicht berücksichtigt. Der Eisvolumenfluss unterliegt großer jährlicher und zwischenjährlicher Variabilität. Der mittlere monatliche Meereisvolumenfluss durch die Framstraße betrug (248±90) km^3/Monat und erreichte minimale und maximale Werten von 112 km^3/Monat (Mai 2003) und 484 km^3/Monat (Dezember 2004). Der erhaltene Meereisvolumenfluss der Jahre 2003 bis 2007 wird mit früheren Meereisvolumenflussbeobachtungen verglichen und kann als Verlängerung dieser früheren Zeitserie verwendet werden. Ein Vergleich der Volumenflussabschätzungen dieser Studie mit ozeanographischen Salzgehaltsmessungen zeigt eine gute Übereinstimmung der sommerlichen Eisschmelzperioden. Ein Vergleich mit Modellergebnissen läßt große Unterschiede in der räumlichen Verteilung des Volumenflusses erkennen. Die vorgestellte Methode erlaubt nicht nur, wie bisher, die Bestimmung des Meereisvolumenexports durch die Framstraße, sondern bietet auch die Möglichkeit, die Dynamik von Meereisvolumenänderungen nördlich und südlich der Framstraße zu untersuchen und besser zu verstehen.