Historically, due to lack of in situ observations, less is known about the weather and climate in the polar regions than in the other parts of the world. Recently, there are increasing interests in and needs for polar predictions, associated with increased economic and transportation activities, concerns about the accelerated warming in the polar region related to decline of sea ice coverage in recent years, and potential influence of the Arctic amplification on midlatitude circulation and weather conditions.
This special issue is dedicated to Polar Predictions. It is a collection of five papers documenting observational and modelling studies on the variability of polar atmosphere and sea ice, and covers topics including 1) long-term observations of snow depth and sea ice, 2) interannual variability of sea ice extent, 3) impact of enhanced polar observations on numerical weather predictions, and 4) seasonal forecasts of sea ice anomalies in dynamical models.
Howell, Babb, Landy and Brady analyzed the multi-year sea ice (MYI) conditions in the Northwest Passage, which is a ship navigation route connecting the Atlantic and Pacific Oceans, from 1968 to 2020. They found that the MYI area anomalies during the shipping season were +28% from 1968 to 2006 but −33% from 2007 to 2020 relative to the 1991–2020 climatology. The frequency of negative MYI area anomalies from 2007 to 2020 was unprecedented over the 52-year record. Despite strong and frequent negative MYI anomalies from 2007 to 2020, MYI recovery from first-year ice (FYI) aging and MYI dynamic import continued, but was reduced by 47% and 22%, respectively compared to 1968–2006. They show that from 2007 to 2020, MYI dynamic recovery decreased because Arctic Ocean MYI has been primarily flowing into the Canadian Arctic via the smaller apertures in the Queen Elizabeth Islands and not from the Beaufort Sea via the M’Clure Strait, and FYI aging decreased because recent changes in thermodynamic forcing have contributed to more melt. Their results indicate that light MYI years in the Northwest Passage may occur more frequently as the Arctic continues to warm, but MYI recovery will continue to present a significant hazard to navigation for the foreseeable future.
Lam, Geldsetzer, Howell and Yackel studied the snow depth on sea ice and on land based on in-situ snow depth measurements at 11 study sites in the Canadian Arctic spanning 1955–2019. They show that on-ice and on-land snow accumulations in autumn differ due to the lag between the freeze-up and the first snow of the season. Once sea ice consolidates, on-ice and on-land snow depth become positively correlated in winter. Snow depth on land is generally higher than on sea ice in the southern Canadian Arctic by up to 20–30 cm. On the other hand, snow depth on sea ice tends to exceed that on land in the northern Canadian Arctic from winter to spring. Based on data of four sites that have continuous long-term records, decadal trends in on-ice snow depth are mostly negative from autumn to spring. Autumn and spring snowfall have increased at three of the four sites. The Canadian Arctic experiences warming on a decadal scale, especially in autumn, by 0.5 to 0.8°C decade−1. Sea ice freeze-up is delayed by up to 2.5 days decade−1 in the southern Canadian Arctic, whereas break-up occurs earlier by about 3 days decade−1 in the northern Canadian Arctic.
Ueda, Kuramochi and Mitsudera analyzed interannual variations of sea-ice extent in the Okhotsk Sea and their association with atmospheric circulation in the late winter (January–March) from 1971 to 2018. They show that during heavy sea ice years, negative air temperature anomalies are broadly discernable between the northeastern part of Eurasia and the North Pacific including the coastal polynyas adjacent to the northern and western coast of the Okhotsk Sea. Cold air mass genesis indicates the importance of the insulation effect of sea-ice in the persistent cold air temperatures in the Okhotsk Sea. Light sea-ice years are marked by anomalous southeasterly winds and the resultant warm air advection associated with increases in extratropical cyclones. Southeasterly anomalies are associated with the weakening of the Aleutian Low. Upper-tropospheric anticyclones dominating around the Okhotsk Sea are closely connected with intensified convection in the vicinity of the South China Sea through propagation of a stationary Rossby wave relevant to La Niña-like warm sea surface temperature anomalies. The seasonal evolution of the cold air mass amount, sea ice in the Sea of Okhotsk, and the Aleutian low suggest that there may be a chain of feedback between them.
Casati, Robinson, Lemay, Køltzow, Haiden, Mekis, Lespinas, Fortin, Gascon, Milbrandt & Smith assessed the performance of the Canadian Arctic Prediction System (CAPS) during the Year of Polar Prediction (YOPP) special observing periods. CAPS is a high-resolution (3-km horizontal grid-spacing) deterministic Numerical Weather Prediction (NWP) system that ran in real time from February 2018 to November 2021. Comparison is made with two other operational systems that cover the Arctic: the 10-km Regional Deterministic Prediction System (RDPS) and the 25-km Global Deterministic Prediction System (GDPS), during the Arctic winter and summer Special Observing Periods (February-March and July-August-September, 2018). They show that CAPS outperforms RDPS and GDPS in predicting near-surface temperature, dewpoint temperature, wind and precipitation. These YOPP dedicated intense verification activities have identified some strengths, weaknesses and systematic behaviours of the Canadian deterministic prediction systems at high latitudes. These results can serve as a benchmark for comparison and further development. Moreover, this YOPP verification exercise has revealed some issues related to the verification of surface variables and has led to the development of better verification practices for the polar regions (and beyond).
Payne, Martin, Monahan, and Sigmond assessed sea ice extent prediction skill of the Canadian Seasonal to Interannual Prediction System version 2 (CanSIPSv2) in the Pan-Antarctic domain as well as in various sectors of the Southern Ocean. The forecast skill of GEM-NEMO, one of two constituent models that together comprise CanSIPSv2, is found to generally exceed that of the other, CanCM4i. This difference is potentially due to substantial model drift of sea ice extent away from observations in CanCM4i, in addition to their different initializations of sea ice thickness. Both models show significant forecast skill exceeding that of an anomaly persistence forecast. Prediction skill was found to vary substantially across different sectors of the Southern Ocean. Moreover, their analysis also finds that CanSIPSv2 forecast skill in the Antarctic shows a dependence on time period, demonstrating generally lower skill than seen in the Arctic over the years 1980-2010, in contrast to generally higher skill than in the Arctic over the years 1980-2019.
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Historiquement, en raison du manque d’observations in situ, on en sait moins sur le temps et le climat dans les régions polaires que dans d’autres régions du monde. Ces derniers temps, l’intérêt et les besoins en matière de prévisions polaires se sont accrus, en raison des activités économiques et de transport accrues, des préoccupations concernant le réchauffement accéléré de la région polaire lié au déclin de la couverture de glace de mer au cours des dernières années, et de l’influence potentielle de l’amplification de l’Arctique sur la circulation et les conditions météorologiques des latitudes moyennes.
Ce numéro spécial est consacré aux prévisions polaires. Il s’agit d’un recueil de cinq articles documentant des études d’observation et de modélisation sur la variabilité de l’atmosphère polaire et de la glace de mer, et couvrant des sujets tels que 1) les observations à long terme de l’épaisseur de la neige et de la glace de mer; 2) la variabilité interannuelle de l’étendue de la glace de mer; 3) l’impact des observations polaires améliorées sur les prévisions météorologiques numériques; et 4) les prévisions saisonnières des anomalies de la glace de mer dans les modèles dynamiques.
Howell, Babb, Landy et Brady ont analysé les conditions de la glace de mer pluriannuelle (GMP) dans le passage du Nord-Ouest, qui est une voie de navigation reliant les océans Atlantique et Pacifique, de 1968 à 2020. Ils ont constaté que les anomalies de la zone de GMP pendant la saison de navigation étaient de +28 % de 1968 à 2006 mais de -33 % de 2007 à 2020 par rapport à la climatologie 1991-2020. La fréquence des anomalies négatives de la zone de GMP de 2007 à 2020 est sans précédent sur les 52 années d’enregistrement. Malgré de fortes et fréquentes anomalies négatives de la GMP de 2007 à 2020, la récupération de la GMP par le vieillissement de la glace de première année (GPA) et l’importation dynamique de la GMP se sont poursuivies, mais ont été réduites de 47 % et 22 %, respectivement, par rapport à la période 1968-2006. Ils montrent que, de 2007 à 2020, la récupération dynamique de la GMP a diminué parce que la GMP de l’océan Arctique s’est écoulée principalement dans l’Arctique canadien par les plus petites ouvertures des îles Reine Elizabeth et non de la mer de Beaufort par le détroit de M’Clure et que le vieillissement de la GPA a diminué parce que les récents changements dans le forçage thermodynamique ont contribué à une plus grande fonte. Leurs résultats indiquent que les années de GMP plus faibles dans le passage du Nord-Ouest peuvent se produire plus fréquemment à mesure que l’Arctique continue de se réchauffer, mais que la récupération la GMP continuera de présenter un danger important pour la navigation dans un avenir prévisible.
Lam, Geldsetzer, Howell et Yackel ont étudié l’épaisseur de la neige sur la glace de mer et sur la terre ferme en se basant sur des mesures in situ de l’épaisseur de la neige sur 11 sites d’étude dans l’Arctique canadien au cours de la période 1955-2019. Ils montrent que l’accumulation de neige sur glace et sur terre en automne diffère en raison du décalage entre le gel et la première neige de la saison. Une fois que la glace de mer se consolide, l’épaisseur de la neige sur glace et sur terre devient positivement corrélée en hiver. Dans le sud de l’Arctique canadien, l’épaisseur de la neige sur terre est généralement supérieure de 20 à 30 cm à celle de la glace de mer. En revanche, l’épaisseur de la neige sur la glace de mer tend à dépasser celle sur la terre ferme dans le nord de l’Arctique canadien de l’hiver au printemps. Selon les données de quatre sites disposant d’enregistrements continus à long terme, les tendances décennales de l’épaisseur de la neige sur la glace sont principalement négatives de l’automne au printemps. Les chutes de neige en automne et au printemps ont augmenté dans trois des quatre sites. L’Arctique canadien connaît un réchauffement à l’échelle décennale, surtout en automne, de 0,5 à 0,8°C par décennie-1. Le gel de la glace de mer est retardé jusqu’à 2,5 jours par décennie-1 dans le sud de l’Arctique canadien, tandis que la débâcle se produit plus tôt, d’environ 3 jours par décennie-1 , dans le nord de l’Arctique canadien.
Ueda, Kuramochi et Mitsudera ont analysé les variations interannuelles de l’étendue de la glace de mer dans la mer d’Okhotsk (MO) et leur association avec la circulation atmosphérique à la fin de l’hiver (janvier-mars) de 1971 à 2018. Ils montrent que pendant les années de forte glace de mer, des anomalies négatives de la température de l’air sont largement perceptibles entre la partie nord-est de l’Eurasie et le Pacifique Nord, y compris les polynies côtières adjacentes à la côte nord et ouest de la MO. La genèse de la masse d’air froid indique l’importance de l’effet isolant de la glace de mer dans les températures de l’air froid persistantes dans la MO. Les années de faible glace de mer sont marquées par des vents anormaux du sud-est et l’advection d’air chaud qui en résulte, associée à une augmentation des cyclones extratropicaux. Les anomalies de sud-est sont associées à l’affaiblissement de la dépression des Aléoutiennes. Les anticyclones de haute troposphère qui dominent autour de la MO sont étroitement liés à l’intensification de la convection à proximité de la mer de Chine méridionale par la propagation d’une onde de Rossby stationnaire liée à des anomalies de température de surface de la mer chaudes de type La Niña. L’évolution saisonnière de la quantité de masse d’air froid, de la glace de mer dans la mer d’Okhotsk et de la dépression des Aléoutiennes donne à penser qu’il peut y avoir une rétroaction en chaîne entre eux.
Casati, Robinson, Lemay, Køltzow, Haiden, Mekis, Lespinas, Fortin, Gascon, Milbrandt et Smith ont évalué la performance du Système canadien de prévision de l’Arctique (SCPA) pendant les périodes d’observation spéciales de l’Année de la prévision polaire (ADPP). Le SCPA est un système de prévision numérique du temps (PNT) déterministe à haute résolution (maillage horizontal de 3 km) qui a fonctionné en temps réel de février 2018 à novembre 2021. Une comparaison est faite avec deux autres systèmes opérationnels qui couvrent l’Arctique : le Système régional de prévision déterministe (SRPD) à 10 km et le Système global de prévision déterministe (SGPD) à 25 km, pendant les périodes d’observation spéciales de l’hiver et de l’été arctiques (février-mars et juillet-août-septembre, 2018). Ils montrent que le SCPA surpasse le SRPD et le SGPD dans la prévision de la température près de la surface, de la température du point de rosée, du vent et des précipitations. Ces activités de vérification intensives dédiées à l’APP ont permis de déterminer certaines forces, faiblesses et comportements systématiques des systèmes canadiens de prévision déterministe à des latitudes élevées. Ces résultats peuvent servir de référence, pour la comparaison et le développement futur. De plus, cet exercice de vérification de l’APP a révélé certains problèmes liés à la vérification des variables de surface et a mené à l’élaboration de meilleures pratiques de vérification pour les régions polaires (et au-delà).
Payne, Martin, Monahan et Sigmond évaluent la capacité de prévision de l’étendue de la glace de mer du Système de prévision interannuelle et saisonnière canadien version 2 (SPISCanv2) dans le domaine pan-antarctique, ainsi que dans divers secteurs de l’océan Austral. La capacité de prévision de GEM-NEMO, l’un des deux modèles constitutifs du SPISCanv2, est généralement supérieure à celle de l’autre modèle, CanCM4i. Cette différence est potentiellement attribuable à une dérive substantielle de l’étendue de la glace de mer par rapport aux observations dans le CanCM4i, en plus de leurs initialisations différentes de l’épaisseur de la glace de mer. Les deux modèles montrent une capacité de prévision significative dépassant celle d’une prévision de la persistance de l’anomalie. On a constaté que la capacité de prévision variait considérablement dans les différents secteurs de l’océan Austral. De surcroît, notre analyse montre également que la compétence de prévision du SPISCanv2 dans l’Antarctique dépend de la période, démontrant une compétence généralement plus faible que celle observée dans l’Arctique au cours des années 1980-2010, contrairement à une compétence généralement plus élevée que dans l’Arctique au cours des années 1980-2019.