Seasonal snow surface roughness and albedo

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-336-064-8
Title: Seasonal snow surface roughness and albedo
Author: Anttila, Kati
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science
Doctoral Programme in Geosciences
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2019-04-26
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-336-064-8
http://hdl.handle.net/10138/300658
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: The topic of this dissertation is the seasonal snow surface roughness and albedo. These are studied using optical satellite data and terrestrial laser scanning. The use of remote sensing data requires knowledge on the optical properties of the measured surface. For snow, these properties are affected by surface roughness. In this dissertation, two different methods for measuring snow surface roughness were validated and used in the field. One of them is based on plate photography. It is easy to use in the field and able to study surface features in sub-millimeter scale. The other method is based on mobile laser scanning and is able to produce 3D surface descriptions of large areas. The plate-photography-based method was used in the field to gather 669 profiles of the snow surface. The profiles were analyzed using multiscale parameters. The validation of satellite data requires observations at the surface. This validation data typically consists of pointwise measurements, whereas the satellite data observations cover larger areas. Laser scanning provides data that cover larger areas, thus more in line with the satellite data. This could in the future be used for satellite data validation. The usability of laser scanning data on snow surfaces was improved by studying the incidence angle dependency of the laser scanning intensity data on different snow types. A function for correcting the incidence angle effect on all measured snow types was developed. The backscattering of laser beam on snow surface was found to take place at the very surface for dry snow, and within 1cm depth for wet snow. The final part of this dissertation studies the changes in surface albedo prior to melting and the timing of the melt season in Northern Hemisphere land areas between 40°N and 80°N. The albedo prior to melt had changed significantly in the boreal forest area, but not in the tundra. The direction of change is different in different areas. The melt season takes place at the same time of year for most of the study area, but for Central Siberian Plane the melt season takes place earlier. In Northern Canadian Rocky Mountains and in the area around the borders of Russia, China and Mongolia the melt starts earlier and ends later, thus resulting in longer melt seasons. The changes observed in the pre-melt albedo are related to vegetation, whereas the melt season timing is more related to the climatic parameters. The results of this dissertation can be used in developing remote sensing data and climate models through improved understanding of seasonal snow surface roughness and albedo.Tämä väitöskirja käsittelee kausittaisen lumipeitteen pinnan karkeutta ja kirkkautta hyödyntäen optista satelliittiaineistoa ja laserkeilausta. Lumipinnat heijastavat suurimman osan auringosta tulevasta säteilystä takaisin ilmakehään ja avaruuteen. Kausittainen lumipeite kattaa laajan alueen pohjoisen pallonpuoliskon maa-alasta. Alueellisen kattavuutensa ja kirkkautensa vuoksi sillä on merkittävä vaikutus maapallon energiataseeseen ja siten ilmastoon. Lumipinnan karkeus vaikuttaa suoraan lumipinnan kirkkauteen. Tässä väitöskirjassa on tarkasteltu kahta lumen pinnan karkeuden mittausmenetelmää. Ensimmäinen näistä tekniikoista perustuu lumeen asetetun mustan levyn valokuvaamiseen. Levystä ja lumipinnasta otetusta kuvasta etsitään automaattisesti lumipinnan profiili. Tämä tekniikka on helppokäyttöinen ja luotettava myös kenttäolosuhteissa. Sillä saadaan kerättyä tietoa lumen pinnan karkeudesta alle millimetrin tarkkuudella. Toisessa mittausmenetelmässä laserkeilainta liikutetaan moottorikelkalla lumenpeittämillä alueilla. Näin saadaan katettua laaja alue, josta syntyy 3D havaintoja. Pinnan karkeutta kuvaavien suureiden arvoihin vaikuttaa analysoidun profiilin pituus tai alueen laajuus. Kaukokartoituksen kannalta on oleellista mitata pinnankarkeutta kaikissa sovellukselle oleellisissa mittakaavoissa. Maan pinnan sirontamallit käyttävät pinnan karkeuden kuvaamiseen vain yhtä suuretta. Tässä väitöskirjassa kerättiin Sodankylän alueelta 669 lumiprofiilia levymenetelmää käyttäen. Nämä profiilit analysoitiin käyttäen suureita, jotka kuvaavat profiilin korkeusvaihtelun riippuvuutta mitatusta matkasta. Käyttämällä näitä suureita kyettiin erottelemaan eri lumipintoja niiden iän ja lumityypin mukaan. Satelliittien instrumentit mittaavat kerralla laajoja alueita. Laserkeilausaineistot kattavat laajempia alueita kuin perinteisin menetelmin tuotetut havainnot ja ovat siten lupaavia satelliittiaineistojen arviointiin. Tässä väitöskirjassa tutkittiin sitä mistä syvyydestä lasersäde heijastuu lumen pinnassa, ja sitä, miten lasersäteen takaisinheijastumisen voimakkuus riippuu tulokulmasta. Tämän väitöskirjan viimeisessä osassa tutkittiin kausittaisen lumipeitteen peittämien alueiden albedon muutoksia vuosina 1982-2015 pohjoisen pallon puoliskon maa-alueilla leveyspiirien 40°N ja 80°N välillä. Tutkimus keskittyi sulamiskautta edeltävään pinnan albedoon, joka oli muuttunut huomattavasti boreaalisen metsävyöhykkeen alueella. Muutos oli erisuuntaista eri alueilla. Tundralla sulamista edeltävä albedo ei ollut muuttunut. Tämä väitöskirja parantaa kausittaisen lumipeitteen pinnan sirontaominaisuuksien ymmärtämistä ja sen tuloksia voidaan käyttää kaukokartoitusaineistojen ja ilmastomallien kehittämisessä.
Subject: Geofysiikka
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
seasonal.pdf 4.291Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record