On the Validation of Satellite-Derived Sea Ice Surface Temperature

The surface temperature of sea ice controls the rate of ice growth and heat exchange between the ocean and the atmosphere. An algorithm for the satellite retrieval of ice surface temperature has recently been published, but due to the lack of validation data has not been extensively tested. In this paper, data from a recent Arctic field experiment is used in an attempt to validate that algorithm. While the procedure is, in principle, straightforward, we demonstrate that validation is complicated by a variety of factors, including incorrectly assumed atmospheric conditions, undetected clouds in the satellite data, spatial and temporal variability in the surface temperature field, and surface and satellite measurement errors. Comparisons between surface temperatures determined from upwelling broadband longwave radiation, spatial measurements of narrow-band radiation, thermocouples buried just below the snow surface, and narrow-band satellite data show differences of 1 to 13 degrees C. The range in these independent measurements indicates the need for specially designed validation experiments utilizing narrow-band radiometers on aircraft to obtain broad spatial coverage.Key words: ice surface temperature, Arctic climate, sea ice, AVHRRLa température de la surface de la glace de mer contrôle le taux de croissance de la glace et les échanges thermiques entre l'océan et l'atmosphère. Un algorithme d'extraction par satellite de la température de la surface de la glace a récemment été publié, mais n'a pu être mis à l'essai sur une grande échelle, en raison du manque de données de validation. On tente, dans cet article, de valider cet algorithme à l'aide de données provenant d'une expérience de terrain menée récemment dans l'Arctique. Si la procédure est, en principe, simple, on démontre que divers facteurs viennent compliquer cette validation, dont une évaluation incorrecte des conditions atmosphériques, la présence de nuages non détectés dans les données obtenues par satellite, une variabilité spatiale et temporelle dans la température de surface de l'aire expérimentale, et des erreurs dans les mesures prises sur le terrain même et par satellite. Des comparaisons entre les températures de surface déterminées à partir du rayonnement ascendant des ondes longues à large bande, des mesures spatiales du rayonnement à bande étroite, des thermocouples placés juste sous la surface de la neige et des données de satellite dans la bande étroite révèlent des différences allant de 1 à 3 °C. La différence qui existe dans ces mesures prises indépendamment montre bien la nécessité de mettre sur pied des expériences de validation conçues à des fins spécifiques, qui utilisent des radiomètres à bande étroite sur les avions en vue d'obtenir une grande couverture spatiale.Mots clés: température de la surface de la glace, climat de l’Arctique, glace de mer, radiomètre perfectionné à très haute résolutio

Comparison of In Situ and AVHRR-Derived Broadband Albedo over Arctic Sea Ice

Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) data are used to extract broadband sea ice surface albedos from narrowband channel 1 and 2 top of the atmosphere (TOA) radiances. Corrections for the intervening atmosphere, viewing geometry and sensor spectral response are applied to the satellite data. Atmospheric correction increases TOA albedos by 27 to 32%. After removing the effects of viewing geometry, surface albedo variability between orbits decreases. The satellite-derived surface albedo over snow-covered sea ice corrected for viewing geometry ranged from 0.68 to 0.82. The residual diurnal variability is attributed to uncertainties in the atmospheric and anisotropic corrections of the satellite data. After comparison with coincidental in situ measurements, AVHRR pixel. In order to develop a reliable methodology for using these satellite data to derive sea ice albedo, an improved understanding of both the atmosphere's behavior over the long path lengths common to the Arctic and the anisotropic nature of snow-covered sea ice reflectance is required. Furthermore, any seasonal characteristics of these factors must be addressed.Key words: sea ice, albedo, remote sensing, AVHRR, anisotropyOn utilise des données obtenues par radiomètre perfectionné à très haute résolution pour extraire des albédos à large bande de la surface de la glace à partir de luminances du sommet de l'atmosphère du canal 1 et 2 à bande étroite. On applique aux données par satellite des corrections pour l'atmosphère intermédiaire, l'angle de prise de vue et la réponse spectrale des capteurs. La correction atmosphérique augmente les albédos du sommet de l'atmosphère de 27 à 32 p. cent. Après avoir éliminé l'influence de l'angle de prise de vue, la variabilité de l'albédo de la surface entre les orbites diminue. L'albédo de la surface obtenu par satellite sur la glace de mer couverte de neige après correction pour l'angle de prise de vue allait de 0,68 à 0,82. On attribue la variabilité résiduelle diurne à des incertitudes dans les corrections atmosphérique et anisotrope des données obtenues par satellite. Après comparaison avec des mesures correspondantes effectuées in situ, les albédos obtenus à l'aide du radiomètre perfectionné à très haute résolution et corrigés pour l'atmosphère intermédiaire et l'angle de prise de vue concordaient d'assez près avec les mesures effectuées à la surface même. La grande variabilité dans les mesures de surface reflète la difficulté qu'il y a à mesurer les albédos de surface dans des régions correspondant à celles d'un pixel typique obtenu à l'aide d'un radiomètre perfectionné à très haute résolution. De façon à développer une méthodologie fiable permettant d'utiliser ces données par satellite pour obtenir l'albédo de la glace de mer, on a besoin de mieux comprendre à la fois le comportement de l'atmosphère sur les grandes longueurs de couloir communes à l'Arctique et la nature anisotrope de la réflectance de la glace de mer couverte de neige. Il faut en outre tenir compte de toute caractéristique saisonnière pertinente à ces facteurs.Mots clés: glace de mer, albédo, télédétection, radiomètre perfectionné à très haute résolution, anisotropi

Variability of humidity conditions in the Arctic during the first International Polar Year, 1882-83

Of all the early instrumental data for the Arctic, the meteorological data gathered during the first International Polar Year, in 1882–83 (IPY-1), are the best in terms of coverage, quality and resolution. Research carried out during IPY-1 scientific expeditions brought a significant contribution to the development of hygrometry in polar regions at the end of the 19th century. The present paper gives a detailed analysis of a unique series of humidity measurements that were carried out during IPY-1 at hourly resolutions at nine meteorological stations, relatively evenly distributed in the High Arctic. It gives an overall view of the humidity conditions prevalent in the Arctic at that time. The results show that the spatial distribution of atmospheric water vapour pressure (e) and relative humidity (RH) in the Arctic during IPY-1 was similar to the present. In the annual course the highest values of e were noted in July and August, while the lowest occurred in the cold half of the year. In comparison to present-day conditions (1961–1990), the mean values of RH in the IPY-1 period (September 1882 to July 1883) were higher by 2.4–5.6%. Most of the changes observed between historical and modern RH values are not significant. The majority of historical daily RH values lie between a distance of less than two standard deviations from current long-term monthly means

Physical and biogeochemical controls on the variability in surface pH and calcium carbonate saturation states in the Atlantic sectors of the Arctic and Southern Oceans

Polar oceans are particularly vulnerable to ocean acidification due to their low temperatures and reduced buffering capacity, and are expected to experience extensive low pH conditions and reduced carbonate mineral saturations states (Ω) in the near future. However, the impact of anthropogenic CO2 on pH and Ω will vary regionally between and across the Arctic and Southern Oceans. Here we investigate the carbonate chemistry in the Atlantic sector of two polar oceans, the Nordic Seas and Barents Sea in the Arctic Ocean, and the Scotia and Weddell Seas in the Southern Ocean, to determine the physical and biogeochemical processes that control surface pH and Ω. High-resolution observations showed large gradients in surface pH (0.10–0.30) and aragonite saturation state (Ωar) (0.2–1.0) over small spatial scales, and these were particularly strong in sea-ice covered areas (up to 0.45 in pH and 2.0 in Ωar). In the Arctic, sea-ice melt facilitated bloom initiation in light-limited and iron replete (dFe>0.2 nM) regions, such as the Fram Strait, resulting in high pH (8.45) and Ωar (3.0) along the sea-ice edge. In contrast, accumulation of dissolved inorganic carbon derived from organic carbon mineralisation under the ice resulted in low pH (8.05) and Ωar (1.1) in areas where thick ice persisted. In the Southern Ocean, sea-ice retreat resulted in bloom formation only where terrestrial inputs supplied sufficient iron (dFe>0.2 nM), such as in the vicinity of the South Sandwich Islands where enhanced pH (8.3) and Ωar (2.3) were primarily due to biological production. In contrast, in the adjacent Weddell Sea, weak biological uptake of CO2 due to low iron concentrations (dFe<0.2 nM) resulted in low pH (8.1) and Ωar (1.6). The large spatial variability in both polar oceans highlights the need for spatially resolved surface data of carbonate chemistry variables but also nutrients (including iron) in order to accurately elucidate the large gradients experienced by marine organisms and to understand their response to increased CO2 in the future