Sea Ice Analysis and Forecasting: Towards an Increased Reliance on Automated Prediction Systems

– Review by André April, Environment and Climate Change Canada –

Edited by Tom Carrieres, Mark Buehner, Jean-François Lemieux and Leif Toudal Pedersen, Cambridge University Press, Hardback, 219 pages, ISBN: 9781108417426, $ 143.95 (CAD)

Sea ice is an important indicator of climate change as recent observations of declining ice amounts in the Arctic show. Automatic predictions available in real time are comparable to numerical environmental prediction models and may be very beneficial for national ice forecasting services, with applications to research and transport sectors, for example.

Cover of Sea Ice Analysis and Forecasting for CMOS Book Review

The authors start by discussing sea ice physics and the related numerical modelling techniques needed to produce forecasts, like the ones produced for weather by large-scale operational models. The chapter concludes with a list of recent and future important developments related to sea ice models. The next chapter, on sea ice observations, starts with an introduction to satellite remote sensing and the interaction between electromagnetic radiation and the surface. After comparing passive and active remote sensing, the authors discuss the approach and instruments most commonly used for the observation of sea ice parameters.

Chapter 4 introduces the concept of data assimilation, used to correct the background state by including useful information such as satellite observations, to produce a short-term forecast. Data assimilation techniques such as Kalman filtering, variational analysis, and ensembles, are described in a clear and precise manner. The next chapter describes different automatic prediction systems that are currently under active development in national ice services. These include the Regional Ice Prediction System (RIPS), the Global Ice-Ocean Prediction System (GIOPS) and the Canadian Seasonal to Inter-annual Prediction System (CanSIPS), all three from Environment and Climate Change Canada. The authors then discuss a fundamental step in the development and application of an automatic forecasting system: the validation of the system or measurement of forecast quality.

The last chapter speculates on how national ice information services could evolve and the benefits they could soon reap with the advent of automatic prediction systems. Students, ice forecasters and analysts, researchers, policy makers and specialists working in this field and in the national services will find this book useful.

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La glace de mer est un important indicateur des changements climatiques comme l’indiquent les récentes observations de la diminution de la quantité de glace dans l’arctique et les scenarios climatiques futurs de la perte complète de la glace de mer pendant l’été dans l’arctique. Les systèmes de prédictions automatiques seront alors utiles aux usagers du transport ou de la recherche par exemple. Ces systèmes de prédictions automatiques offertes dans un temps réel deviennent alors comparables aux modèles numériques de prédictions environnementales.

Le deuxième chapitre aborde la physique de la glace de mer et ses techniques de modélisation numérique dans un but de produire une prévision, tel que produite par les modèles à grande échelle de type opérationnelle. Pour produire ce type de modèle, celui-ci doit résoudre quatre équations fondamentales : la conservation du momentum, la conservation de la masse, la conservation de l’énergie et enfin, la conservation du sel contenu dans la glace de mer. Dans le cas de la conservation du momentum, on s’attardera particulièrement à différents types de rhéologie pour étudier l’interaction glace-glace. Dans le cas de la conservation de la masse, on présente les modèles d’épaisseur à deux ou plusieurs catégories et la fonction de redistribution de celle-ci. La conservation de l’énergie fait alors intervenir les termes sources thermodynamiques à l’interface glace-atmosphère et glace océan. Le chapitre se termine avec la présentation des développements importants récents et futurs pour les modèles de la glace de mer. On y retrouve par exemple des études de la trainée au-dessus et en-dessous de la glace, l’interaction vague-glace, la modélisation de la neige sur la glace, de la dynamique du sel et des mares de fonte. Le lecteur trouvera intéressante, au début du chapitre, la comparaison de la colonne d’eau sous la glace, différente dans l’arctique que dans l’antarctique, et son apport à la formation ou la fonte de la glace de mer.

Le chapitre suivant sur les observations de la glace de mer commence par une introduction à la télédétection satellitaire et l’interaction de la radiation électromagnétique avec la surface. Après avoir fait la différence entre télédétection passive et active, les auteurs présentent les méthodes et instruments les plus utilisés dans l’observation des variables de la glace de mer, telles la concentration, l’épaisseur et la dérive. Observation in situ ou près de la surface telles que celles des navires et bouées, ou celles d’instruments à bord d’avions ou d’hélicoptères sont aussi mentionnées. Il existe une large littérature sur les propriétés physiques et diélectriques de la glace de mer ainsi que les méthodes de télédétection pour l’étude de celles-ci. Le lecteur appréciera ici les diverses adresses web mentionnées dans le chapitre pour les résultats et représentations des différentes variables de la glace de mer.

Le quatrième chapitre introduit le concept de l’assimilation de données pour corriger l’état d’ébauche (background state) en incluant des informations utiles comme des observations satellitaires, dans le but d’obtenir notamment une prévision à court terme. Diverses techniques d’assimilation de données ont été développées (filtre de Kalman, approche variationelle) et originalement appliquées aux prévisions atmosphériques et océanographiques. L’application aux modèles de glace de mer est relativement récente et a fait intervenir de nouveaux défis, bien qu’elle ait déjà été effectuée avec succès sous certaines limitations. L’approche basée sur la méthode des ensembles a aussi été implantée aux modèles de prévisions couplées glace-océan et glace-océan-atmosphère et devient un objectif pour le développement futur des systèmes automatiques de prévisions. Les techniques d’assimilation de données sont un sujet complexe, mais les auteurs le présentent progressivement et de façon claire et précise, permettant au lecteur de suivre leur développement.

Le chapitre suivant présente la description de différents systèmes de prévisions automatiques qui sont activement en développement actuellement dans les services d’informations nationaux des glaces. Les auteurs commencent par le système de prédictions régional des glaces (RIPS), suivi du système de prédictions global glace-océan (GIOPS) et du système de prédictions interannuel et saisonnier canadien (CanSIPS), tous les trois d’environnement et changement climatique Canada. Par la suite, les auteurs font une description du système TOPAZ4 du centre de prévision marin de l’arctique de l’Union Européenne et du système de prévision Arctic Cap et océan global (ACNFS) (GOFS) de la US Navy. Pour chacun des systèmes mentionnés, une description du modèle de prévision, de l’assimilation des données et des développements futurs est effectuée. L’avantage ici repose sur les descriptions, qui ont été mises à jour en 2018, donc très actuelles.

Dans le sixième chapitre, les auteurs introduisent une composante fondamentale du développement et de l’application d’un système automatique de prévision, qui est l’évaluation du système. Dans le contexte de ce volume, l’évaluation est le processus de la mesure de qualité de la prévision. À l’aide de l’approche par catégorie, on pourra évaluer l’extension et la pression de la glace. Par l’approche continue, on pourra évaluer la concentration et l’épaisseur de la glace et enfin, par la méthode spatiale, on évaluera la lisière et la dérive de la glace. L’évaluation du système à l’aide des méthodes mentionnées est faite de façon simple, mais rigoureuse.

Le dernier chapitre, plus spéculatif comparativement au précédent, établit comment les services nationaux d’information de glace pourraient évoluer à la venue des systèmes de prévisions automatiques et les bénéfices qu’ils pourraient en recueillir prochainement. La venue probable de plusieurs nouveaux satellites et de stations de travail plus adéquates nécessitera de nouvelles procédures de travail. Les prévisionnistes contribueront, par leur expertise, à raffiner les prévisions provenant du système automatique, effectueront un contrôle de qualité du système et développeront de nouveaux produits surtout pour les régions où les impacts sont plus importants pour les clients.

Enfin, ce volume sera utile pour les étudiant(e)s, les prévisionnistes et analystes des glaces, pour les chercheur(e)s, les décideur(e)s et les professionnel(le)s travaillant dans l’industrie et les services nationaux des glaces. Chaque chapitre se termine avec une liste de références et des figures couleurs sont disponibles.

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