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Ice Conditions of an Arctic Polynya: North Water in Winter

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

Konrad Steffen*
Affiliation:
Geographisches Institut, Eidgenössische Technische Hochschule, CH-8057 Zürich, Switzerland
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Abstract

The surface condition of the North Water was investigated during two winters (i.e. the three polynyas: Smith Sound polynya, Lady Ann Strait polynya, and Barrow Strait polynya). Since no detailed information was available on ice conditions and the extent of open water during winter, radiometric temperature measurements of the sea surface had to be taken along a flight line of 2650 km from an altitude of 300 m. From November to March 1978-79 and 1980-81, 14 remote-sensing flights were carried out. On the basis of the radiometric measurements, the following ice types were identified: ice-free, dark nilas, light nilas, grey ice, grey-white ice, and white ice. A comparison between the thermal and the visual ice classification (the latter being based on grey tones of the aerial images) showed a deviation of 3%. The analysis showed that in November, December, and January more than 50% of the Smith Sound polynya was covered by young ice, nilas, and ice-free, whereas in February and March white ice was dominant. Moreover, it was found that the two polynyas in Smith Sound and Lady Ann Strait were much smaller than previously believed. In Barrow Strait, a semi-permanent polynya was observed in the winter of 1980-81. The occurrence of polynyas in Barrow Strait seems to be connected with the location of the fast-ice edge. On the basis of the calculated ice-type distribution and heat-flux rates for different ice types, an energy loss of 178 W m-2 was found on the surface of the Smith Sound polynya due to open water and thin ice for the winter months November to March. Compared with other ice-covered sea surfaces in the Arctic, the heat release by the sea-water in the Smith Sound polynya is about 100 W m-2 larger.

Résumé

Résumé

Les conditions en surface du North Water (polynie du Smith Sound, polynie de la Lady Ann Strait et polynie de la Barrow Strait) ont été étudiées lors des deux hivers 1978-79 et 1980-81. Pour cela les températures radiométriques de la surface de la mer ont été mesurées le long de 14 profils de vol d’une longueur de 2650 km chacun et à une altitude de 300 m. A l’aide des températures de la surface, les types de glace suivants ont pu être classé; sans glace, nilas sombre, nilas claire, glace grise, glace grise-blanche et glace blanche. La comparaison de la classification thermique avec la classification visuelle, basée sur le ton gris de photos aériennes, a donné une déviation maximale de 3%. Sur la base des mesures le long des profils survolés lors des 2 hivers, les conclusions suivantes peuvent être tirées: les catégories glace jeune, nilas et sans glace recouvrent de novembre à janvier plus de 50% du North Water, alors qu’en février et mars la glace blanche est dominante. L’ètendue de la polynie dans le Smith Sound et la Lady Ann Strait a été beaucoup plus faible qu’initialement prévu. Une polynie semi-permanente a été observée dans la Barrow Strait en hiver 1980-81, dont l’apparition est en relation avec la position avec l’arc de glace ferme. Sur la base de la répartion des différents types de glace et des flux énergétiques de ces différents types, on a déterminé une perte d’énergie de 178Wm-2 causée par les zones recouvertes de glace mince lors des mois d’hiver. L’énergie sortant de l’eau de mer de la polynie du Smith Sound est supérieure de 100 W m-2 comparé à d’autres régions arctique recouvertes de glace.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Die Oberflächenverhältnisse im North Water (Smith Sound Polynya, Lady Ann Strait Polynya und Barrow Strait Polynya) wurden während der beiden Winter 1978-79 und 1980-81 untersucht. Dabei wurden radiometrische Temperaturmessungen der Meeres-oberfläche entlang von insgesamt 14 Flugprofilen von je 2650 km Länge aus 300 m Flughöhe durchgeführt. Mit Hilfe der Oberflächentemperaturmessung konnten die folgenden Eistypen klassifieiert werden: Eisfrei, dunkle Nilas, helle Nilas, graues Eis, grauweisses Eis und weisses Eis. Der Vergleich der thermalen Eisklassifikation mit der visuellen, basierend auf Grautonwerten von Luftbildern, ergab eine maximale Abweichung von 3%. Anhand der Profilmessungen der beiden Winter kann folgender Schluss gezogen werden: die Kategorien junges Eis, Nilas und Eisfrei bedecken in den Monaten November, Dezember und Januar über 50% des North Water, während im Februar und März weisses Eis dominiert. Die Ausdehnung der Polynyen im Smith Sound und in der Lady Ann Strait war viel kleiner als ursprünglich angenommen. In der Barrow Strait wurde im Winter 1980-81 eine semipermanente Polynya beobachtet, deren Auftreten mit dem Standort des Festeis-Bogens im Zusammenhang steht. Basierend auf der berechneten Eistypenverteilung und den bekannten Wärmeflussraten verschiedener Eistypen, wurde für die Oberfläche der Smith Sound Polynya ein Energieverlust von 178 W m-2 ermittelt, verursacht durch die offenen Wasserstellen und das dünne Eis während der Wintermonate November bis März. Im Vergleich zu anderen eisbedeckten Meeresflächen in der Arktis ist die Wärmeabgabe durch das Meerwasser der Smith Sound Polyna um 100 Wm-2 grösser.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1986
Figure 0

Fig. 1 Map of North Water region and profile of remote sensing. Spring location of fast-ice arch in Barrow Strait-Lancaster Sound for the period between 1961 and 1981.

Figure 1

Fig. 2 Ice thickness H as a function of the surface temperature Ts and the air temperature Ta at a wind speed of 2 m S -1 (calculated values determined by Equation (3)). Dots: measurement results from the Resolute Bay sea-ice station.

Figure 2

Table I. Sea-Ice Classification (World Meteorological Organization, 1970). Visual Versus Thermal Ice-Type Classification in the Test Area of 200 km-2

Figure 3

Table II. Ice-Type Percentage of Lady Ann Strait Polynya in the Two Winters 1978-79 and 1980-81 Measured Along Profile Points 21 to 22 (Fig. 1)

Figure 4

Table III. Ice-Type Percentage of Smith Sound Polynya in the Two Winters of 1978-79 and 1980-81 Measured Along the Profile Points 9 to 19 (Fig. 1)

Figure 5

Table IV. Ice-Type Percentage in the Vicinity of Cape Alexander (Part of Smith Sound Polynya) in the Winter 1980-81 for a Profile Length of 50 km Located North of Point 17 (Fig. 1)

Figure 6

Table V. Ice-Type Percentage of Barrow Strait in the Winter of 1980-81 Measured Along Profile Points 1 to 4 (Fig. 1)

Figure 7

Table VI. Spring Location of the Fast-Ice Edge in Barrow Strait and Lancaster Sound for the Years of 1961 to 1981 (for Location see Figure. 1)

Figure 8

Table VII. Energy Loss on the Surface of the Smith Sound Polynya due to Open Water and Thin Ice. Calculation Based on Heat-Flux Rates for Different Ice Types (Maykut, 1978) and the Measured Ice-Type Distribution Along the Flight Line (Flight Point 9 TO 19;Fig. 1)