Measuring sea ice thickness: Exploring the feasibility of echo sounders for close-range determination of sea ice draft

Abstract

This work explores the potential of using commercial single-beam echo sounders for accurate thickness determination of sea ice. Therefore, an own sensor system has been developed which allows to study the performance of different echo sounders monitoring sea ice under varying environmental conditions in a laboratory setup. The sensor system consists of three single-beam echo sounders operating at different frequencies (115 kHz, 200 kHz, 500 kHz), a CTD probe measuring physical water properties and instruments frozen in the ice measuring temperature and salinity. Different experiments were conducted observing the sea ice state while performing acoustic range determinations. Subsequent, statistical measures were calculated to evaluate the accuracy of inferred sea ice draft. The study concludes that a draft accuracy of ±0.5 cm is reached by the implemented method under specific conditions and that the acoustic approach for determining sea ice draft thickness is applicable using frequencies of 115 kHz or 200 kHz.

In dieser Arbeit wird das Potenzial des Einsatzes kommerzieller Einstrahlecholote zur genauen Bestimmung der Meereisdicke untersucht. Dazu wurde ein eigenes Sensorsystem entwickelt, mit dem die Performance verschiedener Echolote zur Überwachung des Meereises unter verschiedenen Umweltbedingungen in einem Laboraufbau analysiert werden kann. Das Sensorsystem besteht aus drei Einstrahlecholoten, die mit unterschiedlichen Frequenzen arbeiten (115 kHz, 200 kHz, 500 kHz), einer CTD-Sonde zur Messung der physikalischen Wassereigenschaften und mehreren im Eis eingefrorenen Instrumenten zur Messung von Temperatur und Salzgehalt. Es wurden unterschiedlich angelegte Experimente durchgeführt, bei welchen der Meereiszustand beobachtet und gleichzeitig akustische Entfernungsbestimmungen vorgenommen wurden. Anschließend wurden statistische Maße berechnet, um die Genauigkeit der abgeleiteten Meereistiefe zu bewerten. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass mit der implementierten Methode unter bestimmten Bedingungen eine Tiefgangsgenauigkeit von ±0,5 cm erreicht wird und dass der akustische Ansatz zur Bestimmung der Meereis-Tiefgangsdicke bei Frequenzen von 115 kHz oder 200 kHz anwendbar ist.