Seasonal snow surface roughness and albedo

Show full item record

Permalink

http://hdl.handle.net/10138/301140
Title: Seasonal snow surface roughness and albedo
Author: Anttila, Kati
Date: 2019-04
Belongs to series: Finnish Meteorological Institute Contributions 149
ISBN: 978-952-336-064-8
ISSN: 0782-6117
URI: http://hdl.handle.net/10138/301140
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. Maan pinnan kaukokartoitus tarvitsee tietoa maan pinnan säteilyominaisuuksista. Lumipinnat heijastavat suurimman osan auringosta tulevasta säteilystä takaisin ilmakehään ja avaruuteen. Kausittainen lumipeite kattaa laajan alueen pohjoisen pallonpuoliskon maaalasta. Alueellisen kattavuutensa ja kirkkautensa vuoksi sillä on merkittävä vaikutus maapallon energiataseeseen ja siten ilmastoon. Lumipinnan heijastusominaisuudet, kuten esimerkiksi pinnan karkeus, vaikuttavat 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. 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. Siten tämän suureen tulisi sisältää tietoa useista mittakaavoista. Tässä väitöskirjassa kerättiin Sodankylän alueelta 669 lumiprofiilia levymenetelmää käyttäen. Nämä profiilit analysoitiin käyttäen suureita, jotka kuvaavat profiilin korkeusvaihtelun riippuvuutta mitatusta matkasta ja sisältävät siten tietoa useista mittakaavoista. Käyttämällä näitä suureita kyettiin erottelemaan eri lumipintoja niiden iän ja lumityypin mukaan. Satelliittien instrumentit mittaavat kerralla laajoja alueita. Maan pinnalla tehtävillä pistemäisiä alueita kuvaavilla havainnoilla selvitetään, kuinka laadukkaita satelliittituotteet, kuten lumi- ja albedotuotteet, ovat. Koska pintahavaintojen ja satelliittihavaintojen kattamat alueet eivät ole samat, itse ahavainnotkaan eivät täysin vastaa toisiaan. Laserkeilausaineistot kattavat laajempia alueita kuin perinteisin menetelmin tuotetut havainnot ja ovat siten lupaavia satelliittiaineistojen arviointiin. Tämän väitöskirjan sisältämä tutkimus lasersäteen käyttäytymisestä lumipinnoilla edistää laserkeilausaineistojen käytettävyyttä lumeen liittyvässä tutkimuksessa ja satelliittiaineistojen laadun määrittämisessä. Tulosten mukaan kuivasta lumesta lasersäde heijastuu takaisin aivan lumen pinnasta, kun taas märässä lumessa se heijastuu noin 1 cm syvyydestä. Takaisin heijastuneen lasersäteen kirkkaus riippuu tulokulmasta samalla tavalla erityyppisillä lumipinnoilla. Siten tulokulman vaikutus laserhavainnon kirkkauteen voidaan korjata samalla tavalla kaikilla mitatuilla lumipinnoilla. Tämän väitöskirjan viimeisessä osassa tutkittiin kausittaisen lumipeitteen peittämien alueiden pinnan kirkkauden (albedon) ja sulamiskauden ajankohdan muutoksia vuosina 1982-2015 pohjoisen pallon puoliskon maa-alueilla leveyspiirien 40°N ja 80°N välillä. Tutkimus keskittyi sulamiskautta edeltävään pinnan kirkkauteen, joka oli muuttunut huomattavasti boreaalisen metsävyöhykkeen alueella. Muutos oli erisuuntaista eri alueilla. Tundralla sulamista edeltävä pinnan kirkkaus ei ollut muuttunut. Sulamiskausi oli aikaistunut Keski-Siperian ylängöllä ja pidentynyt Kiinan, Mongolian ja Venäjän rajaa ympäröivällä alueella sekä Kanadan Kalliovuorten pohjois-osissa. Pinnan kirkkauden muutokset olivat sidoksissa kasvillisuuden muutoksiin, kun taas sulamiskauden ajankohdan muutoksiin vaikuttivat enemmän ilmastolliset tekijät. Tämä väitöskirja parantaa kausittaisen lumipeitteen pinnan sirontaominaisuuksien ymmärtämistä ja sen tuloksia voidaan käyttää kaukokartoitusaineistojen ja ilmastomallien kehittämisessä.
Subject: Lumi
Albedo
Kaukokartoitus
Laserkeilaus


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View Description
Kati_Anttila_thesis_2019.pdf 7.695Mb PDF View/Open Kati Anttilan väitöskirja.

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record