1. Inleiding
Seizoensgebonden zee-ijs in Hudson Bay (Figuur 1) vormt vanwege optimale klimatologische omstandigheden een volledige cryogene jaarcyclus [1]. De winters zijn koud genoeg voor het creëren van een duurzaam ijsplatform dat de hele baai enkele maanden bedekt, en de zomers zijn warm genoeg om al het ijs te verwijderen, waardoor een ijsvrij seizoen van twee of meer maanden ontstaat. [1,2,3,4,5,6,7,8]. Zee-ijs bevindt zich op het grensvlak van de atmosfeer en de oceaan en is een functie van de fysieke eigenschappen van beide. Zonnestraling, de energetische aanjager van de atmosfeer, varieert per breedtegraad, gemaximaliseerd op de evenaar en geminimaliseerd aan de polen, en aangepast door seizoensinvloeden als gevolg van de kanteling van de aarde. Deze zonnestraling wordt gedeeltelijk geabsorbeerd en gereflecteerd door atmosferische bestanddelen. Zee-ijs is ook sterk reflecterend (hoog albedo). Deze stralingsenergiebalans aan het oppervlak zorgt ervoor dat een ijsplatform, zodra het eenmaal is gevestigd, in stand wordt gehouden. Op andere momenten van het jaar, wanneer er open
water is, wordt er meer energie geabsorbeerd vanwege het lagere albedo van het wateroppervlak, wat resulteert in een seizoensgebonden thermisch vliegwiel dat de productie van nieuw zee-ijs vertraagt. Dit is waargenomen in de gegevens over het zee-ijs in de Hudsonbaai, waarbij het ijsvrije seizoen met enkele maanden werd uitgesteld vanaf het tijdstip van de maximale seizoensinstraling. [1,4,5,7,8].
Atmosferische dynamiek speelt een per seizoen variërende rol bij de vorming, het onderhoud en het oplossen van zee-ijs en is vooral opmerkelijk voor het uiteenvallen van zee-ijs. Tijdens het uiteenvallen helpt de heersende wind bij de advectie van het smeltende zee-ijs, waardoor het ijs mogelijk over vele honderden kilometers van het brongebied wordt verplaatst. Wind draagt bij aan de ontwikkeling van polynya’s in open water het hele jaar door [9]. Ook de oceaandynamiek draagt bij aan de circulatie van zeewater en zee-ijs. De Hudson Bay-circulatie is cycloonisch [1]. Relatief warme, zoute Noord-Atlantische wateren komen vanuit de Hudson Strait op diepte in het noordelijke deel van de baai binnen. De belangrijkste circulatie loopt in het zuiden en westen langs de westkust van de Hudsonbaai, draait langs de zuidkust, beweegt noordwaarts langs de oostkust van de baai en verlaat vervolgens het zuidelijke deel van de Hudson Strait. [1,4,10,11]. Deze stroming, vooral tijdens het uiteenvallen, vergemakkelijkt de kenmerkende aanhoudende verspreiding van zee-ijs in het zuidwesten van de Hudsonbaai [1,4,5,6,7,8,12,13,14,15,16].
Deze seizoensgebonden zeecondities, zowel in de ruimte als in de tijd, zijn goed gedocumenteerd met behulp van ijskaarten die zijn afgeleid van satellietverkenningen van 1971 tot heden. [5,6,7,8,12,13,16,17,18,19,20]. Dit oeuvre documenteert een consistent patroon van seizoensinvloeden op het zee-ijs dat enige interjaarlijkse variabiliteit vertoont, evenals enkele netto temporele veranderingen (eerder uiteenvallen en later bevriezen) als gevolg van regionale klimaatverandering.
McGovern en Gough (2015) [21] deed een eerste poging om het klimaatrecord uit te breiden tot de decennia voordat de satellietgegevens beschikbaar waren, in een periode waarin klimaatgegevens beschikbaar waren van oppervlaktewaarnemingsstations rond de baai. Concreet onderzochten ze de oppervlaktetemperatuur in Churchill, MB, aan de westkust van de baai en Inukjuak, QC, aan de oostkust en produceerden ze de eerste reconstructie van het ijsvrije seizoen in Hudson Bay tot de jaren veertig (gebruikmakend van de bestaande samenvallende klimaatomstandigheden). records voor de twee stations). Ze maakten gebruik van het relatieve verschil tussen deze twee stations wanneer er ijs aanwezig is en wanneer niet. Gough en hij (2015) [22] onderzocht subtiele veranderingen in de dagelijkse temperatuurvariaties door het verschil te onderzoeken in de berekening van de dagelijkse temperatuur met behulp van gegevens per uur en met behulp van dagelijkse extremen (het middelen van de minimum- en maximumtemperatuur van de dag). Hoewel een verband met het zee-ijs niet volledig werd geïdentificeerd, bleek het verschil duidelijk verband te houden met het begin van het mistseizoen in de lente, dat verband houdt met de verspreiding van het zee-ijs. Er werd echter niet geprobeerd een formele reconstructie van het zee-ijsrecord uit te voeren.
In dit werk worden meer geavanceerde metingen van temperatuurvariabiliteit gebruikt om veranderingen in de zee-ijscondities te detecteren. We gebruiken een dagelijks thermisch variabiliteitsraamwerk om het begin van het ijsvrije seizoen (het uiteenvallen) en het begin van het ijsplatform van de Hudson Bay (bevriezen) te detecteren en, met behulp van deze twee metingen, het ijsvrije seizoen lengte.
Een dagelijks thermisch variabiliteitsraamwerk (DTD), ontwikkeld door [23]gebaseerd op [24]blijkt een bruikbare reeks meetgegevens te bieden voor het detecteren van thermische variaties die de lokale omgevingen weerspiegelen waar gegevens worden verzameld. Deze omvatten stedelijke, landelijke, voorstedelijke, maritieme, eiland-, luchthaven- en bergomgevingen [25,26]. Het absolute verschil tussen de gemiddelde oppervlaktetemperatuur van een dag en de gemiddelde oppervlaktetemperatuur (DTD) van de vorige dag werd geïntroduceerd als de basismaatstaf voor thermische variabiliteit [23]. Bij het onderzoek naar klimaatvariatie zijn dagelijkse thermische metingen toegepast [25,26,27,28,29]inclusief de detectie van mist en bewolking [22,30]. In andere disciplines, zoals de gezondheidszorg, wordt er ook over nagedacht [31,32,33,34,35]economie [36,37]landbouw [38]en transportveiligheid [39].
Een van de dagelijkse statistieken is ΔDTD, die ook werd geïntroduceerd door [40]. Dit is het verschil tussen de DTD berekend op basis van de maximumtemperatuur van de dag (DTDTmax) en dat vanaf de minimumtemperatuur (DTDTmin) van de dag. Deze metriek is nuttig gebleken bij het detecteren van het verschil tussen stedelijke en landelijke omgevingen [40,41,42]. Aan de oppervlakte wordt de zonnestraling opgedeeld in voelbare warmte, ondergrondse warmte en latente warmte (de verdamping van oppervlaktewater). Voor stedelijke landschappen is de opdeling in latente warmte gedempt. De stedelijke respons is dus meestal een waarneembare temperatuurstijging (voelbare hitte) voor een gegeven stralingsinput. Landelijke omgevingen en mariene (kust)omgevingen, met dezelfde stralingsinput als een stedelijke omgeving, verdelen meer energie in latente warmte, waardoor oppervlaktewater verdampt en er potentieel is voor mist en wolken. Dit heeft de neiging om de dagelijkse variabiliteit te verzachten. De dagelijkse variabiliteit van de minimumtemperatuur van de dag (DTDTmin) bleek een duidelijke indicator van kustvorming te zijn. Deze maatregel is gebruikt om de mariene invloed op een aantal locaties te detecteren, waaronder de Adriatische Zee van Kroatië [43]de Zuid-Chinese kust [42]twee Canadese kusten [44]en eilanden in grote Canadese meren [26]. Voor de twee Canadese onderzoeken is, als gevolg van zee- en meerijs in de winter, dat de neiging heeft het mariene effect te onderdrukken, een aangepaste ADTDTmin werd gebruikt waarbij de wintermaanden december, januari en februari werden uitgesloten [26,44] bij de berekening. Gough en Li (2024) [26] onderzocht eenendertig locaties in de Canadese Prairies. Onder de eenendertig bevonden zich twee klimaatstations uit Churchill, Manitoba (Churchill A, Churchill Marine). Voor deze twee stations werd pas een zeeklimaat gedetecteerd toen de uitgesloten maanden werden verlengd tot de maanden waarin zee-ijs de Hudsonbaai domineert. Dit wordt geïllustreerd in de jaarcyclus van de DTDTmin voor Churchill A, weergegeven in figuur 2. Voor het ijsvrije seizoen, van de late lente tot de herfst, de DTDTmin De metriek is aanzienlijk lager dan in de met ijs bedekte maanden. Deze observatie vormde de basis voor het onderzoeksdoel dat in dit werk werd onderzocht. Sinds de DTDTmin reageert op de aanwezigheid van zee-ijs, kan deze maatregel worden gebruikt om het uiteenvallen en bevriezen van zee-ijs in de Hudsonbaai te detecteren met behulp van kustklimaatstations met lange temperatuurtijdreeksen?
4. Discussie
In dit werk hebben we met succes een raamwerk voor thermische variabiliteit van dag tot dag gebruikt [23] om een metriek te produceren, de DTDTminwaarmee de aanwezigheid van zee-ijs in Hudson Bay kan worden geïdentificeerd. Uit eerder onderzoek bleek dat de DTDmin bedreven was in het identificeren van zee- en eilandklimaten [26,42,43,44]. Deze maatstaf werd met succes gebruikt om het zee-ijsrecord voor Hudson Bay voor de periode 1971–2010 te reproduceren. Het werd vervolgens gebruikt om de toestand van het zee-ijs van 1922 tot 1970 te voorspellen. Er werden vier klimaatstations aan de kustlijn gebruikt: Churchill, MB; Kuujjurapik, QC; Inukjuak, QC; en Coral Harbor (Figuur 2), goed gespreide locaties die de westelijke, zuidelijke, oostelijke en noordelijke aspecten van de baai vertegenwoordigden. Een totaal van deze vier (gelijk gewogen) leverde resultaten op die het minst afweken van het zee-ijsrecord afgeleid van de ijskaarten. De afwijking van het zee-ijsrecord lag binnen de nauwkeurigheid van één week van de zee-ijskaarten. De periode 1944 tot 1970 gebruikte gegevens van alle vier de locaties en gaat dus gepaard met een hoge betrouwbaarheid. De gegevens voor de periode 1922 tot en met 1943 waren onregelmatiger en zouden met minder vertrouwen moeten worden behandeld.
De timing van de temperatuurgegevens die in de correlatieanalyse werden gebruikt, lag vóór de feitelijke data van uiteenvallen en bevriezen. Dit geeft, niet verrassend, aan dat het uiteenvallen en bevriezen van ijs waarneembaar zijn voordat de drempel van 5/10 van de ijsbedekking wordt bereikt. Deze eerdere thermische periode (tot twee maanden vóór de 5/10e drempel) suggereert dat een op thermisch gebaseerde voorspelling in het seizoen van het uiteindelijke uiteenvallen en bevriezen mogelijk is en moet worden onderzocht.
Het succes van deze eerste poging tot reconstructie van zee-ijs met behulp van metingen van thermische variabiliteit is een goed voorteken voor de toepassing ervan in andere seizoensgebonden zee-ijsbekkens zoals Hudson Strait en Foxe Basin, respectievelijk gelegen ten noordoosten en ten noorden van Hudson Bay. Het kan ook toepasbaar zijn bij het nabootsen van de ijsomstandigheden in de Noord-Amerikaanse Grote Meren, in het bijzonder met behulp van eilandklimaatstations.
In dit werk werd het bestaande zee-ijsrecord over het hele bekken verzameld. De zee-ijsgegevens (Figuur 4) zijn berekend op een 36-punts raster en er kan dus de mogelijkheid zijn om lokale klimaatstations afzonderlijk te gebruiken, zodat de granulariteit van de zee-ijsverdeling kan worden bepaald met behulp van thermische methoden.
De “voorspellingsresultaten” voor de periode 2011-2018 suggereren dat de aard van het uiteenvallen (sneller in de periode 2011-2018) en de bevriezing (langer in de periode 2011-2018) fundamenteel aan het veranderen is, zoals is waargenomen in Igloolik voor de periode 2011-2018. bevriezingsperiode [30].
5. Conclusies
Het seizoensgebonden zee-ijsrecord in de Hudsonbaai wordt verder uitgebreid dan het record met behulp van satellietgegevens (vanaf 1971) tot eerdere decennia met behulp van een raamwerk voor thermische variabiliteit. De klimatologische gegevens over de oppervlaktetemperatuur zijn afkomstig van vier klimaatstations langs de kust van de Hudsonbaai: Churchill, MB; Kuujjarapik, QC; Inukjuak, QC; en Coral Harbour, NU. De dagelijkse variatie van de oppervlaktetemperatuur voor de minimumtemperatuur van de dag bleek goed gecorreleerd te zijn met het seizoensgebonden zee-ijsrecord van 1971–2010, afgeleid van de ijskaarten. Kritieke perioden in de lente en de herfst bleken goed gecorreleerd te zijn met de waargenomen gegevens over het gemiddelde zee-ijs in het bekken, maar deze twee waren niet samenvallend. Dit is een indicatie dat het tijdstip waarop de veranderingen in de zeecondities voor het eerst waarneembaar zijn in het temperatuurvariabiliteitsrecord vaak ruimschoots vóór de 5/10e ruimtelijke ijsbedekking ligt die wordt gebruikt voor het waargenomen zee-ijsrecord. Deze sleutelperioden, die tot het uiteenvallen en bevriezen hebben geleid, zouden kunnen worden gebruikt als seizoensvoorspellers van de ijscondities voor navigatie en mogelijk voor andere doeleinden.
De thermische variabiliteit, DTDTminwas in staat om met succes het bestaande zee-ijsrecord (de gemiddelde data van uiteenvallen en bevriezen van de baai) te reproduceren binnen de foutlimieten van de zee-ijsgegevens (1 week), en om enkele hiaten in het bestaande zee-ijs op te vullen dossier. De data van het uiteenvallen, de bevriezingsdata en de ijsvrije seizoenslengtes werden met variabele zekerheid gegenereerd voor de periode van 1922 tot 1970, waardoor ongeveer 50 jaar werd toegevoegd aan het zee-ijsrecord van Hudson Bay. Het uitgebreide record zal een tijdreeksanalyse van de zee-ijsomstandigheden in Hudson Bay over een langere periode mogelijk maken, geschikt voor laagfrequente oscillatieanalyse en de evolutie van recentere klimaatveranderingen in de regio. [53,54,55].
De resultaten van recentere jaren (2011-2018) geven aan dat er mogelijk een fundamentele verschuiving plaatsvindt in de manier waarop het uiteenvallen (sneller) en het bevriezen (langer) plaatsvinden als gevolg van een veranderend klimaat. [56].
