On the turbulent heat fluxes: A comparison among satellite-based estimates, atmospheric reanalyses, and in-situ observations during the winter climate over Arctic sea ice

Abstract

En sammenligning mellom satellittbaserte estimater, atmosfæriske reanalyser, og in situ observasjoner under vinterklimaet over arktisk sjøis I Polhavet og tilgrensende områder finnes det svært få direkte målinger av fysiske forhold, særskilt om vinteren. Derfor må vi ofte ta i bruk atmosfæriske modeller, reanalyser, satellittdata, og klimamodeller for å studere klimavariasjoner og -endringer. I reanalyser blir det brukt observasjoner fra hele verden sammen med en værmodell for å beregne et estimat for atmosfærens tilstand, også for områder hvor det er mangel på direkte målinger. Derfor er data i reanalyser mer usikre i områder med manglende observasjoner, noe som er viktig å ta hensyn til under forsøk på å verifisere og forbedre klima- og værmodeller. I vår studie benyttet vi unike atmosfæriske observasjoner fra den NP-ledede ekspedisjonen N-ICE2015, som foregikk i Polhavet nord for Svalbard fra januar til juni i 2015, til å evaluere data fra reanalyser og satellitt. Dette ga en sjelden mulighet til å gjøre en evaluering for dette området om vinteren. Resultatene er varierende, og noen langvarige problemer finnes fortsatt i nye produkter, inkludert betydelige avvik. Generelt sett virker reanalyser bedre enn satellittdataprodukter for overflaten av sjøis, men begge har atskillige avvik fra våre direkte observasjoner. Våre resultater viser også et problem knyttet til hvordan reanalysedata presenteres – oftest som gjennomsnittverdier over et stort område med en blanding av is og åpent hav. Selv om det bare er noen få prosent av området som er åpent hav, har dette stor påvirkning på gjennomsnittlig utveksling av varme og vanndamp. At det ikke skilles mellom verdier for isdekke og for åpent hav i reanalyse-datasett, medfører at det er vanskelig å evaluere reanalysene eller bruke dem til å modellere sjøis. Våre resultater gir nyttig kunnskap om reanalyser, hvilke produkter som egner seg best i fremtidige studier, og hvilke parametere som det bør vies mest forsiktig med. Vi tror resultatene også vil bli benyttet til å forbedre eksisterende reanalyse- og satellittdataproduktene.

The surface energy budget is crucial for Arctic sea ice mass balance calculation and climate systems, among which turbulent heat fluxes significantly affect the air–sea exchanges of heat and moisture in the atmospheric boundary layer. Satellite observations (e.g. CERES and APP-X) and atmospheric reanalyses (e.g., ERA5) are often used to represent components of the energy budget at regional and pan-Arctic scales. However, the uncertainties of the satellite-based turbulent heat fluxes are largely unknown, and cross-comparisons with reanalysis data and in-situ observations are limited. In this study, satellite-based turbulent heat fluxes were assessed against in-situ observations from the N-ICE2015 drifting ice station (north of Svalbard, January–June 2015) and ERA5 reanalysis. The turbulent heat fluxes were calculated by two approaches using the satellite-based ice surface temperature and radiative fluxes, surface atmospheric parameters from ERA5, and snow/sea ice thickness from the pan-Arctic Ice Ocean Modeling and Assimilation System (PIOMAS). We found that the bulk-aerodynamic formula based results could better capture the variations of turbulent heat fluxes, while the maximum entropy production based estimates are comparable with ERA5 in terms of root-mean-square error (RMSE). CERES-based estimates outperform the APP-X-based ones but ERA5 performs the best in all seasons (RMSE of 18 and 7 W m−2 for sensible and latent heat flux, respectively). The air–ice temperature/humidity differences and the surface radiation budget were found the primary driving factors in the bulk-formula method and maximum entropy production (MEP) method, respectively. Furthermore, errors in the surface and near-surface temperature and humidity explain almost 50% of the uncertainties in the estimates based on the bulk-formula, whereas errors in the net radiative fluxes explain more than 50% of the uncertainties in the MEP-based results.