Sea Ice Deformation and Snow for an Arctic in Transition

SIDRiFT la grunnlaget for en bedre forståelse av havisdeformasjonens rolle og snø på isen i det skiftende arktiske klimaet. Arktisk havis ble tynnere og mer sårbar for påvirkningen fra vind og havstrømmer. Havisen driver raskere og samler seg opp i skrugarder (opphoping av isblokker) eller spres fra hverandre i sprekker mer hyppig. Mengden og fordelingen av skrugarder, issprekker og snø har stor innvirkning ikke bare på havisens vekst om vinteren, men også på havismelt, utbredelse og tykkelse om sommeren. Dette betyr at vinterdynamikken til havis og snø har en betydelig innvirkning på klimaet og seilbarheten som varer utover vintersesongen. Nylige og pågående datasett fra satellittovervåking gir en mulighet til å etablere en bedre forståelse av disse prosessene på en detaljert regional skala. I SIDRiFT etablerte vi en kombinasjon av satellittovervåking, feltobservasjoner og numeriske verktøy for å studere samspillet mellom snø- og isprosesser knyttet til havisdeformasjon. Vi brukte mellomstor romlig oppløsning (40-100 m) på radarer montert på polarbanesatellitter for å oppdage havisdeformasjonsprosessen og høy oppløsning (ca. 5 m) for å oppdage konsekvensene av havisdeformasjon: forekomst av issprekker og skrugarder. Grovt terreng som rygger og kantene på issprekker fanger opp store mengder snø og etterlater resten av isen med tilsvarende mindre snø. Fordi snø er en utmerket termisk isolator, vil overflater med tynnere snø vokse til tykkere is gjennom vinteren. En slik is vil være mer motstandsdyktig mot smelting om sommeren. I sin tur vil oppbrutt is i skrugarder og tynn is i issprekker smelte raskere. Fordi deteksjon av snø på havis fra satellittsensorer fortsatt er under utvikling, brukte vi i stedet numeriske modeller med høy oppløsning og feltobservasjoner (for eksempel fra MOSAiC: https://mosaic-expedition.org/) for å estimere snøtykkelsen på jevn og deformert is. De viktigste resultatene fra SIDRiFT er: 1. Nyutviklede verktøy for å bruke satellittradardata for å oppdage og karakterisere vinterdeformasjon av havis med enestående romlig oppløsning. 2. Deteksjon av deformert is og issprekker i høyoppløselige radarbilder basert på tilbakespredning og tekstur på isoverflaten. 3. Observasjonelle bevis for innflytelse av havisgrovhetsgrad på snøakkumulering og samtidig innflytelse av snøakkumulering på havisvekst. 4. Utvikling av høyoppløselig numerisk modell for snø og havis med assimilering av observasjonsdata indikerer romlig heterogenitet og tett kobling av snø- og isprosesser. Resultatene våre vil bidra til å forbedre forståelsen av jordens klimasystem og bidra til å utvikle forenklede (lavere oppløsning) globale klimamodeller og modeller for værvarsling i Arktis. Deteksjon av havisdeformasjon med mellomstor romlig oppløsning kan også brukes som et operasjonelt verktøy for havisnavigasjon.

SIDRiFT resulted in 15 academic articles, of which 4 were lead by the project participants. Two more such academic articles are in writing and will be finalized after the project period. SIDRiFT will also contribute to a book chapter. This project was involved with several educational activities at the UiT The Arctic University of Norway. SIDRiFT disseminated the field science of MOSAiC expedition by educating future researchers by organizing a field day on the local fjord ice at Tromsø in 2021, 2022 and 2024. The activity is also planned for February 2024 and attempts are being made to make this a permanent activity for the UiT students in the coming years. The field day was also used a introductory activity for the university students that later participated in more extensive educational activities like scientific cruises and field schools. In spring 2021 SIDRiFT supported the Nansen Legacy expedition to the Northern Barents Sea. This were difficult times during COVID-19 restrictions and field personnel was hard to find. By participating in the cruise we enabled the transfer to the MOSAiC methods to the Norwegian research institutions. More about the Nansen Legacy project can be read here: https://arvenetternansen.com. In spring 2022 SIDRiFT assisted in organization of the Centre for Integrated Remote Sensing and Forecasting for Arctic Operations (CIRFA) cruise, where 9 young scientists were trained in Arctic field work relevant for radar remote sensing of sea ice and ice bergs. More about RCN Center of science and innovation CIRFA can be read here: cirfa.uit.no. In spring 2023 SIDRiFT co-organized an international and multidisciplinary field school along the Bottom-sea ice Respiration and nutrient Exchanges Assessed for THE Arctic (BREATHE) project, where 20 students (master and PhD) were trained. SIDRiFT prepared 3 classroom lectures, 5 days of field classes and 3 days of laboratory classes, all connected to sea ice. More about RCN project BREATHE can be read here: https://www.breathearctic.com/ In spring 2024 SIDRiFT legacy will be used at a Marine biology course of UNIS at the Svea research station in Van Mijenfjorden, Svalbard with master 20 students. The backtrajectory code developed at SIDRiFT is in operational use by the Norwegian Polar Institute (NPI) and it will be improved in collaboration with the ongoing Sustainable Development of the Arctic Ocean (SUDARCO) project – a Fram Center project lead by the NPI. The code is publicly available at: https://github.com/loniitkina/sidrift. More about SUDARCO can be found here: https://www.npolar.no/en/fact/sudarco/. We are currently searching for resources to integrate the sea ice deformation code published by Itkin [2024] into the NPI navigational tool for ice breaker navigation. The current state of the code is publicly available at: https://github.com/loniitkina/sid

Arctic sea ice internal strength is reduced due to its general thinning. Simultaneously, the wind forcing of winter storms has increased due to their greater frequency. As a consequence ice drift speed has increased and evidences from buoy data show an increase in sea ice deformation. Satellite remote sensing datasets offer an opportunity to establish a better understanding of these processes on a detailed regional scale. In SIDRiFT we will combine the historic and new Synthetic Aperture Radar (SAR) satellite data (including Sentinel-1,A,B of European Space Agency) to estimate the increase in the sea ice deformation, occurrence of leads and deformed ice fraction. Indirectly, increased deformation alters the accumulation of snow cover on rough surface compared to level sea ice and consequently the heat fluxes through it. Snow on sea ice detection methods from space are still under development and to fill this knowledge-gap, we will use high resolution numerical models. Current Earth System Models (ESMs) are not able to capture the recent trends in Arctic sea ice decline or represent the snow cover accurately. The spatial scales of sea ice deformation features and snow inhomogeneity are both below ESMs resolution are one of the heat transfer mechanisms that are inadequately represented in ESMs. To account for this problem SIDRiFT will provide regional scale SAR validation datasets and high resolution snow depth and sea ice thickness model output. Both are highly sought after by model developers and teams developing satellite and air-borne remote sensing of snow. Furthermore, improving the numerical models (climate and forecasting) and remote sensing of environment will support the knowledge-based management that Norway as well as international decision-makers are striving for.