See English below

Sjøsprøytising (saltvannsising):

• Bølge-båt interaksjon. Dvs. vann som føres opp på båten som en følge av sjøsprøyten som genereres i sammenstøtet mellom båten og bølgene. Vind vil her bidra både til transport av sjøsprøyt og senere avkjøling av vannet. Dette er den farligste formen for ising siden den gir opphavet til de største islastene.
• Vinddrevet sjøsprøyt. Små sjøsprøytdråper som transporteres av vinden direkte opp fra toppen av havbølger som har brutt, fester seg på båten, og fryser.

Atmosfærisk ising:

• Snø
• Frysende eller underkjølt regn
• Frysende eller underkjølt tåke. Her er det nesten utelukkende snakk om frostrøyktåke eller konveksjonståke (kald luft over varmt hav). Adveksjonståke oppstår når det er varm luft over kaldt hav, og da oppstår sjeldent ising.

I tillegg er ofte isingen et resultat av kombinasjonen av ulike vannkilder. Særlig er et typisk scenario at sjøsprøyt er hovedvannkilden og bidraget fra snø eller frostrøyk kommer i tillegg, og kan sånn sett bidra til mer ising enn sjøsprøyten alene både i form av økt vannbidrag, økt ferskvannsmengde som endrer frysepunktet, og økt avkjøling siden lufta partiklene i lufta er kaldere enn sjøvannet.

Frysepunktet for saltvann

En vesentlig og kompliserende faktor for ising som oppstår på havet sammenlignet med ising som oppstår i ferskvann eller på land, er at saltholdigheten er en viktig faktor for å bestemme frysepunktet på vannet som fryser. Siden salt frigjøres i forbindelse med fryseprosessen, vil som regel saltvannslaken som fryser på en båt være langt saltere enn det innkommende sjøvannet. I ekstreme tilfeller kan frysepunktet for saltvann bli så lavt som ned mot minus 7 grader Celsius ombord på en båt ut i fra følgende formel:

Dette har som konsekvens at man i utgangspunktet trenger noe lavere temperatur på sjøen for å få ising enn på land. Modellberegninger fra observerte isingssituasjoner i Barentshavet, Norskehavet og Grønlandshavet viser et gjennomsnittlig frysepunkt på minus 4 grader ved ren sjøsprøytising (Tabell 3 i Paper 2 (Samuelsen et al., 2017)).

Konsekvenser

Is som bygger seg opp på en båt gir mye tilleggsvekt som hever tyngdepunktet til båten, og kan derfor gjøre den mindre stabil. Kraftig isvekst gjør at det blir vanskeligere å få fjernet isen raskt, og gir derfor større sannsynlighet for slike kraftige islaster. For mindre båter vil tilleggsvekten utgjøre en stor del av totalvekten og risiko for stabilitetsproblemer er følgelig større enn for store båter. I verste fall kan slike båter kantre og synke som følge av slik kraftig ising. Det er dokumentert at 100 skip sank som følge av ising i de første tiårene etter andre verdenskrig (PhD avhandling (Samuelsen, 2017) med referanser). I de senere årene er båtene blitt bedre, men fortsatt er det registrert forlis med påfølgende dødsfall som har direkte tilknytning til ising. Siste registrerte forlis med dødsfall som skyldtes ising i Norge skjedde i forbindelse med kraftig, kald fralandsvind utenfor Bodø i januar 1999 (Figur 1) på et skip som heter MF Borgøygutt (PhD avhandling (Samuelsen, 2017) med referanse til Sjøfartsdirektoratets database).

For større båter er ikke havari et stort problem, men problemene er mer knyttet til fare for personell ved operasjoner på dekk pga. glatte gangveier, stiger, gelender, i tillegg til fare for at redningsutstyr kan ise ned og kommunikasjonsproblemer hvis antennene fryser. I tillegg er avising vha. varme svært kostbart, og derfor energikrevende. Det å kunne unngå områder med mye ising vil derfor kunne spare selskapene for penger, og miljøet for drivstoffutslipp.

Isingsmodellen

Isingsmodellen som ligger til grunn for isingsvarslingen er beskrevet i detalj i Paper 2 (Samuelsen et al., 2017). I korte trekk handler det om å beregne potensiell isvekst på bakgrunn av beregnet varmetap ut i fra fra forventet sjøsprøyt på et bestemt sted på kystvaktfartøyet KV Nordkapp. Sjøsprøyten og varmetapet beregnes ut i fra de meteorologiske og oseanografiske forholdene hentet ut fra høyoppløselige atmosfære, bølge og havmodeller som kjøres daglig på Meteorologisk Institutt.. Det antas at skipet går med en bestemt hastighet på 5 m/s og en vinkel på 180 grader mellom vinden og skipets retning. Det er mulig å justere varslingen basert på andre hastigheter og vinkler enn disse standardene.

Basert på statistikk over observert isingshastighet og anslått farenivå i de samme situasjonene, er det gjort en vurdering om at moderat ising eller mer oppstår i over 50% av tilfellene, og grenseverdien er satt ved 0.5 cm/h (Paper 3).

Grenseverdien for sterk ising er satt ved de 10% øverste tilfellene av ising, noe som tilsvarer 1.34 cm/h basert på referansemålingene til KV Nordkapp og en antatt log-normal statistisk fordeling av isingsobservasjonene (Paper 3).

Det er dokumentert at til tross for fortsatt store usikkerheter knyttet til varsling av ising på båt, verifiserer den nye metoden atskillig bedre enn alle tidligere brukt metoder (Paper 3). Det er i særdeleshet dokumentert at metoden til Overland et al. (1986) og Overland (1990) ikke bør brukes til varsling av ising siden den overdriver isingen i områder med lav sjøtemperatur nær iskanten der bølgene er lave når vinden blåser fra isen. I tillegg undervarsler metoden også ising i andre områder med relativt høy sjøtemperatur, men samtidig lav lufttemperatur og potensielt mye vind og høye bølger.

I modellen tas det pr. i dag ikke hensyn til bidraget fra nedbør eller kortbølget stråling, men det er åpnet for å implementere dette inn i modellen ved senere behov. Det er vist at kortbølget stråling kan ha en betydning for isingsgraden på nordlige breddegrader i april og mai (Paper 2).

Referanser

Populærvitenskapelig nyhetssak Eirik Mikal Samuelsen:
https://uit.no/nyheter/artikkel?p_document_id=560838&p_dim=88131

Doktorgradsavhandling Eirik Mikal Samuelsen:
https://munin.uit.no/handle/10037/11801

• Paper 1: http://www.poac.com/Papers/2015/pdf/poac15Final00087.pdf
• Paper 2: http://dx.doi.org/10.1016/j.coldregions.2016.11.002
• Paper 3: https://doi.org/10.1002/qj.3174
• Paper 4: https://doi.org/10.1016/j.wace.2019.100200

Icing on ships

Icing on ships occurs when water from various sources freezes on the surfaces of vessels staying at sea in sub-zero temperatures. The icing is typically divided into sea-spray icing (saltwater icing) or atmospheric icing, depending on the water source that originates the ice.

Sea-spray icing (saltwater icing):

• Wave-ship interaction. This involves water brought onto the ship as a result of sea spray generated in the collision between the ship and the waves. Wind contributes both to the transport of sea spray and later to the cooling of the water. This is the most dangerous form of icing since it leads to the largest ice loads.
• Wind-driven sea spray. Small sea-spray droplets transported by the wind directly from the top of breaking waves adhere to the boat and freeze.

Atmospheric icing:

• Snow
• Freezing or supercooled rain
• Freezing or supercooled fog. This is mostly Arctic sea smoke or convective fog (cold air over warm sea). Advection fog occurs when there is warm air over cold sea, and icing rarely occurs in such cases.

Moreover, icing often results from a combination of various water sources. A typical scenario is that sea spray is the primary water source, and contributions from snow or Arctic sea smoke additionally increase the icing amount. Thus, they contribute to more icing than sea spray alone, both in terms of increased water input, increased amount of freshwater altering the freezing point, and increased cooling since air particles are colder than seawater.

Freezing point of saltwater

A significant and complicating factor for icing that occurs at sea compared to icing occurring in freshwater or on land is that salinity is an important factor in determining the freezing point of the freezing water. Since salt is released during the freezing process, the frozen saltwater layer on a boat usually ends up far saltier than the incoming seawater. In extreme cases, the freezing point of saltwater on board a boat can be as low as around minus 7 degrees Celsius based on the following formula:

As a consequence, one initially needs slightly lower temperatures at sea to induce icing compared to on land. Model calculations from observed icing situations in the Barents Sea, Norwegian Sea, and Greenland Sea show an average freezing point of minus 4 degrees in pure sea-spray-icing conditions (Table 3 in Paper 2 (Samuelsen et al., 2017)).

Consequences

The ice build-up on a ship adds considerable weight, raising the center of gravity of the ship, and potentially reducing its stability. Intense ice growth makes it more challenging to promptly remove the ice, thereby increasing the likelihood of significant ice loads. For smaller boats, the additional weight constitutes a significant portion of the total weight, increasing the risk of stability issues compared to larger vessels. In the worst-case scenario, such boats can capsize and sink due to severe icing. It is documented that 100 ships sank due to icing in the first decades after World War II (PhD thesis (Samuelsen, 2017) with references). In recent years, ships in general have become more robust, but incidents of capsized vessels with subsequent deaths directly related to icing are still recorded. The last registered maritime accident resulting in fatalities due to icing in Norway occurred during strong, cold offshore winds outside Bodø in January 1999 (Figure 1) on a ship named MF Borgøygutt (PhD thesis (Samuelsen, 2017) referring to the Norwegian Maritime Authority's database).

For larger vessels, capsizing is not a significant concern, but problems are more related to risks for personnel during operations on the deck due to slippery walkways, ladders, railings, and the risk of rescue equipment and communication devices becoming iced up. Additionally, de-icing using heat is costly and energy-intensive. Avoiding areas with heavy icing could, therefore, save companies money and reduce fuel emissions, benefiting the environment.

Icing model

The icing model underlying icing forecasts is described in detail in Paper 2 (Samuelsen et al., 2017). In essence, it involves calculating potential ice growth based on estimated heat loss from expected sea spray at a specific location on the coast guard vessel KV Nordkapp. The sea spray and heat loss are calculated from meteorological and oceanographic conditions obtained from high-resolution atmospheric, wave, and ocean models run daily at the Norwegian Meteorological Institute. It is assumed that the ship travels at a specific speed of 5 m/s and at an angle of 180 degrees between the wind and the ship's direction. It is possible to adjust the forecast based on other speeds and angles than these standards.

Based on statistics on observed icing rates and estimated hazard levels in similar situations, an assessment has been made that moderate icing or more occurs in over 50% of the icing events, with the threshold set at 0.5 cm/h (Paper 3).

The threshold for severe icing is set at the top 10% of icing incidents, corresponding to 1.34 cm/h based on reference measurements from KV Nordkapp and an assumed log-normal statistical distribution of icing observations (Paper 3).

It is documented that despite significant uncertainties in forecasting shipicing, the new method verifies considerably better than all previously applied methods (Paper 3). In particular, the method by Overland et al. (1986) and Overland (1990) should not be used for icing forecasts since it overestimates icing in areas with low sea temperatures near the ice edge where waves are low when the wind blows from the ice. Additionally, the method also underestimates icing in other areas with relatively high sea-surface temperatures but simultaneously low air temperatures and potentially high winds and waves.

The model currently does not account for contributions from precipitation or shortwave radiation, but there is room to implement these into the model if necessary in the future. It has been shown that shortwave radiation may have an impact on the degree of icing at northern latitudes, particularly in April and May (Paper 2).

References

Popular scientific news article by Eirik Mikal Samuelsen (in Norwegian):

https://uit.no/nyheter/artikkel?p_document_id=560838&p_dim=88131

Doctoral thesis by Eirik Mikal Samuelsen:

https://munin.uit.no/handle/10037/11801

Peer reviewed articles from Doctoral thesis:

• Paper 1: http://www.poac.com/Papers/2015/pdf/poac15Final00087.pdf
• Paper 2: http://dx.doi.org/10.1016/j.coldregions.2016.11.002
• Paper 3: https://doi.org/10.1002/qj.3174
• Paper 4: https://doi.org/10.1016/j.wace.2019.100200