Thermodynamic calculations of ice production in the northern Baltic proper

Summary

In the preliminary part of this paper it shall be examined in how far ice information which was originally destinated for merchant shipping can be used for scientific purposes, especially for investigating ice volume changes of short time scale. The examination covers spatially the western part of the Gulf of Finland and the northern Baltic proper, and temporally the phase of ice growth of one of the coldest winters during the last decade, as an example. As a consequence of the heterogeneous ice data material and different analysis methods partially considerable deviations arise at definite constellations, especially at the rate of ice growth.

In the main part of this examination ice production for the spatial and temporal scales mentioned above is calculated applying thermodynamic models. Application of the models of Maykut [1978;1982] and Leppäranta [1983] under consideration of the specific conditions for the northern Baltic Sea yields different ice production, correspondent to the handling of the surface temperature of ice, snow and snow ice, respectively. By coupling the two models an improvement of the results is achieved, which can partially be verified by comparison with the analysis results. Sensitivity studies with respect to the simulations yield great differences arising from the modification of the snow thickness upon the ice and/or the heat flux from the sea. Furthermore, ice production shows larger dependencies on thermal conductivity of snow, sensible heat flux and longwave radiation.

Zusammenfassung

Im vorangehenden Teil dieser Arbeit wird untersucht, inwieweit Eisinformationen, welche in erster Linie für die Seeschiffahrt erstellt wurden, für wissenschaftliche Zwecke, insbesondere der Erfassung kurzzeitskaliger Eisvolumenänderungen, genutzt werden können. Die Untersuchung erfaßt räumlich das Seegebiet des westlichen Finnischen Meerbusens und der nördlichen Ostsee und zeitlich die Eiswachstumsphase eines der kältesten Winter während der vergangenen zehn Jahre (als Beispiel). Es treten aufgrund des heterogenen Eisdatenmaterials und unterschiedlicher Analyseverfahren z. T. erhebliche Unterschiede bei bestimmten Konstellationen, insbesondere bei den Eiswachstumsraten auf.

Im Hauptteil dieser Untersuchung wird für die obigen räumlichen und zeitlichen Skalen die Eisproduktion mit Hilfe thermodynamischer Modelle errechnet. Bei Anwendung der Modelle von Maykut [1978; 1982] und Leppäranta [1983], unter Berücksichtigung der für die nördliche Ostsee spezifischen Bedingungen, varieren die Ergebnisse der Eisproduktion je nach Behandlung der Oberflächentemperatur von Eis, Schnee bzw. Schnee-Eis. Durch eine Kopplung der beiden Modelle wird eine Verbesserung der Ergebnisse erreicht, was durch einen Vergleich mit den Analyseergebnissen z. T. bestätigt werden kann. Sensitivitätsstudien anhand der Simulationen ergeben je nach Modifikation der Schneehöhe auf dem Eis und/oder der vom Meerwasser abgegebenen Wärmemenge große Unterschiede. Im übrigen zeigt die Eisproduktion größere Abhängigkeiten von der Wärmeleitfähigkeit des Schnees und von den Wärmeflüssen der sensiblen Wärme und der langwelligen Strahlung.

Résumé

Dans la partie préliminaire de cet article, il sera examiné dans quelle mesure la diffusion de l'information sur les glaces, qui était à l'origine destinée aux navires marchands, peut être utilisée à des fins scientifiques, particulièrement pour l'étude des modifications des masses de glace à de petites échelles de temps. L'examen couvre spatialement la partie occidentale du Golfe de Finlande et la Baltique septentrionale, et temporellement la période de formation des glaces d'un des hivers les plus froids de la dernière décennie, pris comme exemple. En raison des données hétérogènes concernant les glaces et des méthodes différentes d'analyse, il apparaît partiellement des écarts considérables lors de configurations définies, particulièrement pour le taux de croissance des glaces.

Dans la partie principale de cette étude, la production des glaces, pour les échelles spatiales et temporelles mentionnées ci-dessus, est calculée en recourant à des modèles thermodynamiques. L'application des modèles du Maykut [1978; 1982] et de Leppäranta [1983], en tenant compte des conditions spécifiques à la Baltique septentrionale, donne une production de glace différente, selon que l'on traite la température de surface de la glace ou celle de la neige et de la neige glacée. En couplant les deux modèles, on réalise une amélioration des résultats qui peut être partiellement vérifiée par comparaison avec les résultats des analyses. Des études de sensibilité en ce qui concerne les simulations donnent de grandes différences provenant de la modification de l'épaisseur de la neige sur la glace et/ou du flux de chaleur provenant de la mer. En outre, la formation de glace est sous les plus grandes dépendances de la conductivité thermique de la neige, du flux de chaleur sensible et du rayonnement à grande longeur d'onde.