DOI: https://doi.org/10.5194/essd-18-1969-2026
تاريخ النشر: 2026-03-17
المؤلف: Andrew Seidl وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميات الجليد في القطب الشمالي والقطب الجنوبي
نظرة عامة
حملة ISLAS2020 الميدانية، التي أجريت من فبراير إلى مارس 2020، كانت تهدف إلى تعزيز فهم دورة المياه في القطب الشمالي من خلال ملاحظات نظائر المياه المستقرة (SWI). تم تقسيم الحملة إلى جهدين رئيسيين: تجربة ميدانية محلية في ناي-أولسن، تركز على التبخر والترسيب، وشبكة أوسع لجمع الأمطار عبر البحار الشمالية. تجربة ناي-أولسن، التي جرت تحت ظروف برد قاسية (درجات حرارة أقل من -30 درجة مئوية)، تضمنت تحليل SWI عالي الدقة في موقعين، مدعومًا بقياس درجة الحرارة باستخدام استشعار الألياف الضوئية الموزعة (FODS) وبيانات من محطات الأرصاد الجوية القريبة. بالإضافة إلى ذلك، تم جمع عينات من المياه من الثلوج والفجور لوضع سياق للملفات النظيرية.
كان الهدف الرئيسي هو الحصول على ملفات قريبة من سطح الأرض لتكوين نظائر بخار الماء لتوصيف عمليات تبادل السطح في القطب الشمالي. كما كانت الحملة تهدف إلى ربط الملاحظات المحلية مع جمع عينات الأمطار الإقليمية عبر القطب الشمالي الأوروبي، مما يوفر مجموعة بيانات شاملة لدراسة عمليات تغيير الطور ونقل بخار الماء في منطقة سفالبارد. على الرغم من التحديات مثل انخفاض الرطوبة والبرد القاسي الذي يؤثر على تقنيات القياس، تعتبر مجموعة البيانات كافية للبحث العلمي حول عمليات التبادل عبر أسطح القطب الشمالي المختلفة. البيانات، المتاحة في مستودع بيانات PANGAEA، تعتبر مصدرًا قيمًا لفهم ديناميات بخار الماء في القطب الشمالي وتحولاته.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على تعقيدات الغلاف الجوي الأدنى في منطقة الجليد الهامشي، حيث توجد تباينات كبيرة في درجات الحرارة والرطوبة بين المناطق المغطاة بالجليد والمناطق الخالية من الجليد. يسهل هذا البيئة تغييرات الطور المختلفة لبخار الماء، بما في ذلك التبخر وتكوين السحب والأمطار، والتي يصعب تمثيلها بدقة في النماذج العددية. يؤكد المؤلفون على أهمية قياسات تركيب نظائر المياه المستقرة، التي يتم تحديدها باستخدام تدوين δ، لتعزيز فهم العمليات الجوية، خاصة أثناء تحولات الكتلة الهوائية. على الرغم من دمج فيزياء نظائر بخار الماء في النماذج الإقليمية ونماذج نظام الأرض، لا يزال هناك نقص حاد في القياسات عالية الدقة في الظروف القطبية، والتي تعتبر ضرورية للتحقق من صحة هذه النماذج.
تناقش هذه الفقرة أيضًا معامل d-excess، الذي يقيس التفرقة غير المتوازنة أثناء التبخر، وتلاحظ التوقيعات المتباينة لـ d-excess التي لوحظت في رطوبة القطب الشمالي. يجادل المؤلفون من أجل فهم دقيق لهذه التوقيعات، المتأثرة بالتبادل النظيري بين الغلاف الجوي والأسطح القطبية. يصفون التباين في التفاعلات بين السطح والغلاف الجوي، خاصة خلال انفجارات الهواء البارد البحرية والتراص الشتوي المستقر، مما يمكن أن يؤدي إلى توقيعات d-excess إيجابية وسلبية. لمعالجة هذه التعقيدات، يقدم المؤلفون مجموعة بيانات شاملة تم جمعها خلال حملة IS-LAS2020 الميدانية، والتي تشمل قياسات تركيب نظائر المياه من بخار الغلاف الجوي، وثلوج السطح، ومياه البحر، والأمطار. تهدف هذه المجموعة إلى سد الفجوات بين الدراسات المخبرية والملاحظات الميدانية، مما يوفر رؤى قيمة لدراسات العمليات وتطوير النماذج في البيئات القطبية.
نقاش
حملة ISLAS2020 الميدانية، التي أجريت من 20 فبراير إلى 25 مارس 2020، بشكل رئيسي في ناي-أولسن، سفالبارد، كانت تهدف إلى دراسة الظروف الجوية والأمطار في منطقة الجليد الهامشي (MIZ). تضمنت الحملة شبكة من عمليات القياس، بما في ذلك سارية أرصاد جوية تعمل منذ عام 1993، والتي قدمت سياقًا مناخيًا طويل الأمد. أظهر المناخ النموذجي لشهري فبراير ومارس درجات حرارة هواء متوسطة تبلغ -10.8 درجة مئوية ودرجات حرارة نقطة الندى تبلغ -15.9 درجة مئوية، مع انخفاض ملحوظ في تغطية الجليد السريع في الفجور. كانت الظروف السطحية للحملة تتميز بتناوب كتل الهواء القطبي البارد وتدفقات الهواء الدافئ، مع تسجيل انفجارات هواء بارد كبيرة (CAOs)، وخاصة CAO3 وCAO4، التي كانت من بين الأقوى في ذلك الوقت من السنة.
خلال الحملة، تم إجراء تحليل مفصل لنظائر بخار الماء القريبة من السطح في موقعين في ناي-أولسن: موقع التندرا المغطى بالثلوج ورصيف خرساني فوق كونسفيوردن. استخدمت القياسات مطياف حلقة التجويف (CRDS) ونظام استشعار درجة الحرارة بالألياف الضوئية الموزعة، لالتقاط التباينات النظيرية تحت ظروف جوية متغيرة. بالإضافة إلى ذلك، تم جمع عينات من الأمطار عبر شبكة من ستة مواقع، بما في ذلك ناي-أولسن وعدة مواقع على اليابسة النرويجية، لتكملة جهود المراقبة المستمرة. تساهم نتائج الحملة في تقديم رؤى قيمة حول التركيب النظيري لبخار الماء الجوي والأمطار في البيئات القطبية، خاصة تحت تأثير أنماط الطقس الديناميكية.
القيود
تسلط الفقرة المتعلقة بالقيود الضوء على عدة مصادر للشك تؤثر على قياسات نظائر بخار الماء في بيئة ميدانية صعبة. بشكل أساسي، تزيد مستويات الرطوبة المنخفضة خلال التجربة من عدم اليقين في القياس بسبب كل من انخفاض دقة المحلل واعتماد نسبة الخلط على النظير، وهو ما يكون بارزًا بشكل خاص عند انخفاض الرطوبة (Aemisegger et al., 2012). بينما يمكن التخفيف من اعتماد نسبة الخلط من خلال توصيف شامل للجهاز (Sodemann et al., 2023a)، فإن الدقة المنخفضة الجوهرية للمحلل تتطلب استراتيجيات قياس مدروسة، مثل أوقات متوسط طويلة، لتعزيز متانة البيانات.
بالإضافة إلى ذلك، فإن وجود دوامات عابرة وتشويه التدفق في مواقع التحليل يعقد تفسير البيانات. تم تصميم معدات التحليل لتقليل تشويه التدفق، لكن التحديات ظلت قائمة، خاصة في موقع الفجور حيث أثرت الميزات الهيكلية على تدفق الهواء. على الرغم من أن تأثير تشويه التدفق كان محدودًا من خلال التحليل تحت سرعات رياح منخفضة، إلا أنه يبقى عاملاً غير قابل للتجاهل. علاوة على ذلك، يمكن أن تؤثر عدم اليقين في جمع عينات الأمطار، بما في ذلك انجراف الثلوج وعدم التقاطها، أيضًا على تحليل نظائر الماء. كانت تنفيذ بروتوكول جمع موحد وجمع بيانات وصفية حول ظروف الرياح أمرًا حاسمًا لتحديد العينات التي قد تتأثر، مما يساعد في تفسير الإشارات النظيرية (Hughes et al., 2021; Aemisegger et al., 2022; Casado et al., 2021; Wahl et al., 2024).
DOI: https://doi.org/10.5194/essd-18-1969-2026
Publication Date: 2026-03-17
Author(s): Andrew Seidl et al.
Primary Topic: Arctic and Antarctic ice dynamics
Overview
The ISLAS2020 field campaign, conducted from February to March 2020, aimed to enhance understanding of the Arctic water cycle through stable water isotope (SWI) observations. The campaign was divided into two main efforts: a localized field experiment in Ny-Ålesund, focusing on evaporation and deposition, and a broader precipitation collection network across the Nordic Seas. The Ny-Ålesund experiment, which took place under extreme cold conditions (temperatures below -30 °C), involved high-resolution SWI profiling at two sites, complemented by fiber-optic distributed sensing (FODS) for temperature measurements and data from nearby meteorological stations. Additionally, water samples from the snowpack and fjord were collected to contextualize the isotopic profiles.
The primary objective was to acquire near-surface profiles of water vapor isotope composition to characterize surface exchange processes in the Arctic. The campaign also aimed to link local observations with regional precipitation sampling across the European Arctic, thereby providing a comprehensive dataset for studying phase change processes and water vapor transport in the Svalbard region. Despite challenges such as low humidity and extreme cold affecting measurement techniques, the dataset is deemed sufficient for scientific research on exchange processes over various Arctic surfaces. The data, available at the PANGAEA data repository, serves as a valuable resource for understanding the dynamics of Arctic water vapor and its transformations.
Introduction
The introduction highlights the complexities of the lowermost atmosphere in the marginal ice zone, where significant temperature and moisture contrasts exist between ice-covered and ice-free areas. This environment facilitates various phase changes of water vapor, including evaporation, cloud formation, and precipitation, which are challenging to represent accurately in numerical models. The authors emphasize the importance of stable water isotope composition measurements, quantified using the δ notation, to enhance understanding of atmospheric processes, particularly during airmass transformations. Despite the integration of water vapor isotope physics in regional and Earth system models, there remains a critical lack of high-resolution in-situ measurements in Arctic conditions, which are essential for validating these models.
The section further discusses the d-excess parameter, which quantifies non-equilibrium fractionation during evaporation, and notes the contrasting d-excess signatures observed in Arctic moisture. The authors argue for a nuanced understanding of these signatures, influenced by isotopic exchange between the atmosphere and Arctic surfaces. They describe the variability in surface-atmosphere interactions, particularly during marine Cold Air Outbreaks and stable winter stratification, which can lead to both positive and negative d-excess signatures. To address these complexities, the authors present a comprehensive dataset collected during the IS-LAS2020 field campaign, which includes measurements of water isotope composition from atmospheric vapor, surface snow, seawater, and precipitation. This dataset aims to bridge gaps between laboratory studies and field observations, providing valuable insights for process studies and model development in Arctic environments.
Discussion
The ISLAS2020 field campaign, conducted from February 20 to March 25, 2020, primarily in Ny-Ålesund, Svalbard, aimed to investigate atmospheric conditions and precipitation in the marginal ice zone (MIZ). The campaign featured a network of measurement deployments, including a meteorological mast operational since 1993, which provided long-term climatological context. The typical February-March climate showed median air temperatures of -10.8 °C and dewpoint temperatures of -15.9 °C, with a notable decline in fast-ice coverage in the fjord. The campaign’s synoptic conditions were characterized by alternating cold Arctic air masses and warm air intrusions, with significant cold air outbreaks (CAOs) recorded, particularly CAO3 and CAO4, which were among the strongest for that time of year.
During the campaign, detailed profiling of near-surface water vapor isotopes was conducted at two sites in Ny-Ålesund: a snow-covered tundra site and a concrete pier over Kongsfjorden. The measurements utilized a cavity ring-down spectrometer (CRDS) and a fiber-optic distributed temperature sensing system, capturing isotopic variations under varying weather conditions. Additionally, precipitation samples were collected across a network of six locations, including Ny-Ålesund and several sites on the Norwegian mainland, to complement ongoing monitoring efforts. The campaign’s findings contribute valuable insights into the isotopic composition of atmospheric water vapor and precipitation in Arctic environments, particularly under the influence of dynamic weather patterns.
Limitations
The section on limitations highlights several sources of uncertainty affecting the water vapor isotope measurements in a challenging field environment. Primarily, low humidity levels during the experiment increase measurement uncertainty due to both the decreased precision of the analyzer and the mixing ratio-isotope dependency, which is particularly pronounced at low humidities (Aemisegger et al., 2012). While the mixing ratio dependency can be mitigated through thorough device characterization (Sodemann et al., 2023a), the inherent lower precision of the analyzer necessitates strategic measurement approaches, such as extended averaging times, to enhance data robustness.
Additionally, the presence of transient eddies and flow distortion at the profiling sites complicates the interpretation of the data. The profiling equipment was designed to minimize flow distortion, but challenges remained, particularly at the Fjord site where structural features affected airflow. Although the impact of flow distortion was limited by profiling under lower wind speeds, it remains a non-negligible factor. Furthermore, uncertainties in precipitation sample collection, including snow drift and undercatch, could also affect water isotope analysis. The implementation of a consistent sampling protocol and the collection of metadata on wind conditions were crucial for identifying potentially affected samples, thereby aiding in the interpretation of isotopic signals (Hughes et al., 2021; Aemisegger et al., 2022; Casado et al., 2021; Wahl et al., 2024).