Sea Ice Concentration Determination in Lancaster Sound, Eastern Gateway to the Northwest Passage, 2015-2024 Using Satellite Thermal Data

Abstract

A novel ice concentration (IC) algorithm based on sea surface temperatures (SST) generated from MetOp-A, -B and -C Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) satellite images was tested on Lancaster Sound in the Canadian Arctic, 2015-2024. Lancaster Sound is an operationally important region and the eastern entrance to the Northwest Passage. The IC algorithm used the Single-Channel Composite Arctic Sea Surface Temperature Algorithm (CASSTA) and thermal infrared satellite data as its basis, and was termed AVHRR CASSTA-based IC (ACIC). Weekly ACIC images were generated for 2015-2024. Sentinel-1 and RADARSAT Constellation Mission (RCM) Synthetic Aperture Radar (SAR) satellite images were used for gap-filling, Sentinel-1 in 2015-2019 and RCM in 2020-2024, when AVHRR images were too cloudy. AVHRR visible channel was used for gap-filling during times of year when SST was too warm for ACIC to be accurate and daylight was present. Isodata unsupervised classification analysis was used for SAR and AVHRR visible channel images to determine IC. IC results over the 10-year period were compared with Canadian Ice Service (CIS) ice chart results and University of Bremen passive microwave (PM) IC maps. Ten-year average melt and freeze dates in Lancaster Sound were determined to be Jun 2 & Oct 20, respectively. Ten-year average ACIC results reported 0.6-2.9 tenths lower IC values than CIS ice chart results, depending on the time of year, and 0.0-1.6 tenths lower IC values than U Bremen PM results, depending on the time of year. However, IC results of all three data methods were nearly in agreement when uncertainty ranges were included: 100% between ACIC and U Bremen PM, and 88% between ACIC and CIS ice charts. Hydrophone and/or sonobuoy water deployment date ranges, to support the Audimus cubesat mission, were determined to be Jun 2 - Oct 20 for Polar Class 6 & 7 ice strengthened ship detection, with an additional period of Mar 1 - Jun 2 where an appreciable region of open water was present east of the ice arch but bounded by ice further east. Based on this research, ACIC is applicable for further arctic research & supporting operational monitoring/assessment of IC.

Un nouvel algorithme de concentration de glace (CG) basé sur les températures de surface de la mer (TSM) générées à partir d’images satellitaires du radiomètre AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) des satellites MetOp-A, -B et -C a été testé dans le détroit de Lancaster, dans l’Arctique canadien, de 2015 à 2024. Le détroit de Lancaster est une zone d’importance opérationnelle et constitue l’entrée de l’est du passage du Nord-Ouest. Cet algorithme de CG utilise l’algorithme CASSTA (Single-Channel Composite Arctic Sea Surface Temperature Algorithm) et des données satellites infrarouges thermiques; il a été nommé AVHRR CASSTA-based ice concentration en anglais (ACIC). Des images ACIC hebdomadaires ont été générées pour la période 2015-2024. Des images satellitaires radar à synthèse d’ouverture (RSO) Sentinel-1 et Mission de la Constellation RADARSAT (MCR) ont été utilisées pour combler les lacunes, Sentinel-1 de 2015 à 2019 et MCR de 2020 à 2024, lorsque les images AVHRR étaient trop nuageuses. Le canal visible de l’AVHRR a été utilisé pour combler les lacunes pendant les périodes de l’année où la TSM était trop élevée pour que l’ACIC soit précis et où la lumière du jour était présente. Une analyse de classification non supervisée isodata a été utilisée pour les images RSO et du canal visible de l’AVHRR afin de déterminer la CG. Les résultats de CG sur une période de 10 ans ont été comparés à ceux des cartes de glace du Service canadien des glaces (SCG) et aux cartes CG obtenues par micro-ondes passives (MP) de l’Université de Bremen. Les dates moyennes de fonte et de gel sur 10 ans dans le détroit de Lancaster ont été déterminées respectivement le 2 juin et le 20 octobre. Les résultats moyens de l’ACIC sur 10 ans ont rapporté des valeurs d’CG inférieures de 0,6 à 2,9 dixièmes à celles des cartes de glace du SCG, selon la période de l’année, et de 0,0 à 1,6 dixièmes à celles des données MP de l’Université de Bremen, selon la période de l’année. Cependant, les résultats de CG des trois méthodes de données étaient presque concordants lorsque les intervalles d’incertitude étaient inclus: 100% entre l’ACIC et les données MP de l’Université de Bremen, et 88% entre l’ACIC et les cartes de glace du SCG. Les périodes de déploiement des hydrophones et/ou des sonobouées dans l’eau, en soutien à la mission du cubesat Audimus, ont été fixées du 2 juin au 20 octobre pour la détection des navires renforcés par la glace de classe polaire 6 et 7. Une période supplémentaire, du 1er mars au 2 juin, a été envisagée durant laquelle une zone d’eau libre importante était présente à l’est de l’arche de glace, mais bordée par la glace plus à l’est. Ces recherches confirment l’applicabilité de l’ACIC `a la poursuite des recherches arctiques et au soutien du suivi et de l’évaluation opérationnels de CG.