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Satellite Studies Of Fresh-Water Ice Movement On Lake Erie

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

Donald R. Wiesnet*
Affiliation:
NOAA/National Environmental Satellite Service, Washington, D.C. 20233, U.S.A.
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Abstract

Since the winter of 1972–73, NOAA visible and thermal images of North America have been available for the study of ice on the Great Lakes. The shallowest of the Great Lakes is Lake Erie, on which ice occurs from December usually through April. The NOAA series of polar-orbiting satellites collect two thermal and one visible image per day; the Geostationary Observational Environmental Satellites (GOES) collect visible and infrared images every 30 min. NASA’s Landsat satellite has an 18 d revisit cycle (a 9 d cycle when two are operating), with superb ground resolution (79 m). Satellite images from all three satellites were used in this study.

Ice formation, movement, and break-up in Lake Erie are different in each sub-basin, Western, Central, and Eastern, owing to the variation in depth of water, geomorphology, and meteorologic factors.

Ice movement after initial break-up in 1974–77 resulted in the accumulation of ice at the entrance of the Niagara River at the eastern end of the lake. In 1973, satellite images show the unusual development of an ice dam across the entire width of Lake Erie and the “ice plug” at the mouth of the Niagara did not form.

The effect of wind direction on break-up patterns is seen to be critical to any attempt at forecasting date of complete ice melt as well as day-to-day distribution of ice. Satellite observation of ice in Lake Erie—and in all large lakes—provides information regularly, routinely, and synoptically from a point in space. These data are useful for the study of ice formation, movement, and break-up, and they provide an unrivaled and unprecedented data set of historical records.

Résumé

Résumé

Depuis I’hiver 1972–73, NOAA a donné dans le visible et dans le thermique des images de l’Amérique du Nord, utilisables pour I’étude de la glace dans les Grands Lacs. Le moins profond des Grands Lacs est le lac Érié sur lequel la glace dure de décembre jusque, d’habitude, avril. Les séries NOAA de satellites à orbites polaires réunissent quotidiennement deux images dans le thermique et une dans le visible. Les Satellites Géostationnaires d ’Observation de l’Environnement (GOES) donnent des images dans le visible et dans l’infra-rouge toutes les 30 minutes. Le satellite Landsat de la NASA a une période de retour de 18 jours (une période de 9 jours lorsqu’il y a deux satellites en usage simultané) avec une excellente résolution au sol (79 m). Les images de ces trois types de satellites ont toutes les trois été utilisées dans cette étude.

La formation de la glace, son mouvement et sa débâcle dans le lac Érié sont différents dans chaque sous-bassin, l’Occidental, le Central et l’Oriental en raison de la variation dans la profondeur de l’eau, la géomorphologie et les facteurs météorologiques.

Le mouvement de la glace après la d débâcle initiale en 1974–77 a provoqué l’accumulation de la glace à 1’entrée de la Niagara River à l’extrémité Est du lac. En 1973 les images de satellites montrent le développement inhabituel d’un barrage de glace à travers toute la largeur du lac Érié et le “bouchon de glace” en tête du Niagara ne s’est pas formé.

Les effets de la direction du vent sur les phénomènes de débâcle sont considérés comme critiques jusqu’à un certain point pour la prévision de la date de l’achévement de la fusion et de la distribution au jour le jour de la glace. Les observations par satellite de la glace dans le lac Érié et dans tous les grands lacs, procurent des informations régulières, routinières et synoptiques depuis un point de l’espace. Ces résultats sont utiles pour l’étude de la formation de la glace, de son mouvement, de sa débâcle et ils procurent une masse sans équivalent et sans précedént de données enregistrées et datées.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Seit dem Winter 1972–73 stehen NOAA-Satellitenbilder von Nordamerika im sichtbaren und thermalen Spektrum zum Studium des Eises in den Grossen Seen zur Verfügung. Der seichteste der Grossen Seen ist der Erie-See; er trägt gewöhnlich von Dezember bis April Eis. Die NOAA-Satelliten auf Polbahnen nehmen pro Tag zwei Thermalbilder und ein Bild im sichtbaren Spektrum auf; die geostationären Umwelt-Beobachtungssatelliten (GOES) gewinnen Bilder im sichtbaren und infraroten Spektrum alle 30 Minuten. Der Landsat-Satellit der NASA hat einen Wiederkehrzyklus von 18 Tagen (von 9 Tagen, wenn 2 Satelliten umlaufen) mit der hervorragenden Bodenauflösung von 79 m. Satellitenbilder aller drei Quellen wurden für diese Studie herangezogen.

Bildung, Bewegung und Verfall des Eises im Erie-See sind infolge der verschiedenen Wassertiefen, Geländeformen und meteorologischen Einflüsse in jedem Teilbecken des Sees, dem westlichen, mittleren und östlichen, unterschiedlich.

Die Eisbewegung nach dem ersten Aufbrechen in den Jahren 1974–77 führte zu einem Eisstau vor der Mündung des Niagara-Flusses am östlichen See-Ende. Die Satellitenbilder des Jahres 1973 zeigen die ungewöhnliche Entwicklung eines Eisdammes über die ganze Breite des Erie-Sees; der “Eis-Pfropfen” an der Mündung des Niagara bildete sich hingegen nicht.

Der Einfluss der Windrichtung auf das Aufbruchsmuster erweist sich als kritisch für jeden Versuch der Vorhersage des Zeitpunkts völliger Eisschmelze, ebenso aber für die Eisverteilung von Tag zu Tag. Die Satellitenbeobachtung des Eises im Erie-See—und in allen grossen Seen—liefert regelmässige, gleichartige und gleichzeitige Informationen von einem Raumpunkt. Diese Daten sind nützlich für das Studium von Bildung, Bewegung und Verfall des Eises; sie ermöglichen eine kankurrenz- und beispiellose chronologische Aufzeichnung der Verhältnisse.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1979
Figure 0

Fig. 1.Bathymetric map of Lake Erie.

Figure 1

Fig. 2.GOES image 7 February 1968, 16.30 Z. A typical onset of break-up, with a lead widening east of the islands and a westerly wind. The ice in the western basin is denoted by A; moving ice in the central basin by H.

Figure 2

Fig. 3.NOAA-4 VHRR (visible), 14 February 1976, 15.00 Z. Note the ice-free areas. Note the clearing of the western portion if the central sub-basin and the leads developing along the north and west shores of the western sub-basin.

Figure 3

Fig. 4.NOAA-4 VHRR (visible), 23 February 1976, 15.00 Z. Note the eastward migration of the mobile ice pack, the solid look of the ice near Buffalo and the grounded ice in the western sub-basin.

Figure 4

Fig. 5.NOAA-4 VHRR (visible), 24 March 1976, 15.00 Z. The only ice in Lake Erie is the “plug” at Buffalo. Note the straight, wind-formed edge of the rotting ice.

Figure 5

Fig. 6.NOAA-2 VHRR (visible), 9 February 1973, 15.00 Z. Older ice is accumulating in the central sub-basin. Clear new ice is probably forming all along the north shore and in the western sub-basin.

Figure 6

Fig. 7.NOAA-2 VHRR (visible), 10 February 1973, 15.00 Z. Compare with Figure 6. Now ice is forming along all shores. The wind is south-westerly in Cleveland but north-easterly in Buffalo inhibiting eastward movement of the ice.

Figure 7

Fig. 8.NOAA-2 VHRR (visible), 13 February 1973, 15.00 Z. Compare with Figure 7. Note the ice in Long Point Bay. Note also the clear area south of Long Point. This pattern has resulted from the easterly winds of the previous three days.

Figure 8

Fig. 9.NOAA-2 VHRR (visible), 17 February 1973, 15.00 Z. Computer-enhanced. Ice cover is nearly 100%; the dark areas are newly-formed ice that is transparent, thin, and not snow-covered. Note the ice accumulation or “dam” at Long Point.

Figure 9

Fig. 10.Landsat-l MSS-7, 17 February 1973, 16.30 Z. This image shows in exquisite detail the ice conditions on the lake.

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Fig. 11.Landsat-l MSS-7, 18 February 1973, 16.30 Z. Southerly winds have shifted the ice to the north. Note the sharp angular breaks.

Figure 11

Fig. 12.NOAA-2 VHRR (visible), 1 March 1973, 15.00 Z. Easterly winds for three days have produced an anomalous break-up pattern. The ice has been blown to the west. Note the large floes.

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Fig. 13.Landsat-1 MSS-6, 8 March 1973, 16.30 Z. High temperatures and a southerly wind have reduced the pack to a rotten, lacy look. Note sastrugi and the low reflectance of the ice.