Measurements and modelling of seasonal snow characteristics for interpreting passive microwave observations

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-336-091-4
Title: Measurements and modelling of seasonal snow characteristics for interpreting passive microwave observations
Author: Leppänen, Leena
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, INAR - Institute for Atmospheric and Earth System Research
Doctoral Programme in Atmospheric Sciences
Finnish Meteorological Institute, Space and Earth Observation Centre, Arctic Space Centre
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2019-12-19
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-336-091-4
http://hdl.handle.net/10138/307568
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Information on snow water equivalent (SWE) of seasonal snow is used for various purposes, including long-term climate monitoring and river discharge forecasting. Global monitoring of SWE is made feasible through remote sensing. Currently, passive microwave observations are utilized for SWE retrievals. The main challenges in the interpretation of microwave observations include the spatial variability of snow characteristics and the inaccurate characterization of snow microstructure in retrieval algorithms. Even a minor variability in snow microstructure has a notable impact to microwave emission from the snowpack. This thesis work aims to improve snow microstructure modelling and measurement methods, and understanding the influence of snow microstructure to passive microwave observations, in order to enable a more accurate SWE estimation from remote sensing observations. The thesis work applies two types of models: physical snow models and radiative transfer models that simulate microwave emission. The physical snow models use meteorological driving data to simulate physical snow characteristics, such as SWE and snow microstructure. Models are used for different purposes such as hydrological simulations and avalanche forecasting. On the other hand, microwave emission models use physical snow characteristics for predicting microwave emission from a snowpack. Microwave emission models are applied for the interpretation of spaceborne passive microwave remote sensing observations, for example. In this study, physical snow model simulations and microwave emission model simulations are compared with field observations to investigate problems in characterizing snow for microwave emission models. An extensive set of manual field measurements of snow characteristics is used for the comparisons. The measurements are collected from taiga snow in Sodankylä, northern Finland. The representativeness of the measurements is defined by investigating the spatial and temporal variability of snow characteristics. The work includes studies on microwave emission modelling from natural snowpacks and from excavated snow slabs. Radiometric observations of microwave emission from natural snowpacks are compared with simulations from three microwave emission models coupled with three physical snow models. Additionally, homogenous snow samples are excavated from the natural snowpack during the Arctic Snow Microstructure Experiment, and the incident snow characteristics and microwave emission characteristics are measured with an experimental set-up developed for this study. Predictions of two microwave emission models are compared with the radiometric observations of collected snow samples. The results indicate that none of the model configurations can accurately simulate the microwave emission from natural snowpack or snow samples. The results also suggest that the characterization of microstructure in the applied microwave emission models is not adequate.Kausittaisen lumipeitteen vesiarvoa voidaan hyödyntää useissa tarkoituksissa, esimerkiksi pitkäaikaisessa ilmastonseurannassa ja jokien tulvaennustuksessa. Lumen vesiarvoa on mahdollista seurata maailmanlaajuisesti kaukokartoituksen avulla, jossa tällä hetkellä hyödynnetään passiivisia mikroaaltohavaintoja. Haasteita mikroaaltohavaintojen tulkinnassa ovat muun muassa lumen ominaisuuksien alueellinen vaihtelu ja epätarkka lumen mikrorakenteen määrittely. Jopa pieni vaihtelu lumen mikrorakenteessa vaikuttaa huomattavasti lumipeitteen mikroaaltoemissioon. Tutkimuksen tavoitteena on kehittää lumen mikrorakenteen mallintamista ja mittausmenetelmiä sekä ymmärrystä lumen mikrorakenteen vaikutuksesta passiivisiin mikroaaltohavaintoihin, jotta kaukokartoitushavainnoista saadaan määritettyä vesiarvo entistä tarkemmin. Tutkimuksessa on käytetty kahdentyyppisiä malleja: fysikaalisia lumimalleja ja mikroaaltoemissiomalleja. Fysikaaliset lumimallit käyttävät meteorologista mittausaineistoa lumen ominaisuuksien kuten vesiarvon tai lumen mikrorakenteen mallintamiseen. Näitä malleja on kehitetty eri tarkoituksiin kuten hydrologiseen seurantaan ja lumivyöryennustukseen. Sen sijaan mikroaaltoemissiomalleja käytetään passiivisten mikroaaltokaukokartoitushavaintojen tulkinnassa. Tässä työssä tutkitaan ongelmia lumen ominaisuuksien esitystavassa mikroaaltoemissiomalleissa. Tutkimuksessa on verrattu mittauksia fysikaalisten lumimallien ja mikroaaltoemissiomallien simulaatioihin. Työssä on käytetty Sodankylässä tehtyjä kattavia mittauksia pohjoisen havumetsävyöhykkeen lumen ominaisuuksista. Mittausten edustavuutta on analysoitu tutkimalla lumen ominaisuuksien alueellista ja ajallista vaihtelua. Työssä hyödynnetään sekä luonnollisen lumipeitteen että luminäytteiden mittauksia ja mallinnusta. Mikroaaltoemissiohavaintoja luonnollisesta lumipeitteestä on verrattu kolmen eri mikroaaltoemissiomallin simulaatioihin yhdistettynä kolmen eri fysikaalisen lumimallin tuloksiin. Lisäksi lumipeitteestä on otettu näytteitä, ja tarkoitukseen suunniteltua mittausasetelmaa on käytetty lumen ominaisuuksien sekä mikroaaltoemission mittaamiseen. Kahden mikroaaltoemissiomallin simulaatioita on verrattu luminäytteistä tehtyihin mikroaaltoemissiohavaintoihin. Tulokset osoittavat että mikään malliyhdistelmistä ei mallinna tarkasti mikroaaltoemissiota luonnollisesta lumipeitteestä tai luminäytteistä. Tulokset viittaavat myös siihen, että mikroaaltoemissiomalleissa käytetty mikrorakenteen esitystapa ei ole sopiva.
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

Files Size Format View

There are no files associated with this item.

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record