On the Links between Microwave and Solar Wavelength Interactions with Snow-Covered First-Year Sea Ice

• Published in: ARCTIC
• Main Authors: Barber, David G., LeDrew, Ellsworth F.
• Format: Article in Journal/Newspaper
• Language: English
• Published: The Arctic Institute of North America 1994
• Subjects: Albedo; Algae; Infrared remote sensing; Mathematical models; Measurement; Passive microwave remote sensing; Sea ice; Snow; Solar radiation; SIMMS; Canadian Arctic; Arctic; albedo
• Online Access: https://journalhosting.ucalgary.ca/index.php/arctic/article/view/64355

Electromagnetic (EM) energy at solar and microwavelengths will interact with a snow-covered sea ice volume as a function of its geophysical properties. The seasonal metamorphosis of the snow cover modulates the relative distribution of the three main interaction mechanisms of EM energy: reflection, transmission, and absorption. We use a combination of modeling and observational data to illustrate how the total relative scattering cross section (Sigma 0) at microwavelengths can be used to estimate the surface climatological shortwave albedo and the transmitted Photosynthetically Active Radiation (PAR) for a snow-covered, first-year sea ice volume typical of the Canadian Arctic. Modeling results indicate that both 5.3 and 9.25 GHz frequencies, at HH polarization and incidence angles of 20 degrees, 30 degrees, and 40 degrees can be used to estimate the daily averaged integrated climatological albedo (Alpha). The models at 5.3 GHz, HH polarization, at 20 degree, 30 degree, and 40 degree incidence angles were equally precise in predications of Alpha. The models at 9.25 GHz were slightly less precise, particularly at the 40 degree incidence angle. The reduction in precision at the 40 degree incidence angle was attributed to the increased sensitivity at both 5.3 and 9.25 GHz to the snow surface scattering term (Sigma 0 ss) used in computation of the total relative scattering cross section (Sigma 0). Prediction of subsnow PAR was also possible using the same combination of microwave sensor variables utilized in prediction of Alpha, but because subice algal communities have evolved to be low light sensitive, the majority of the growth cycle occurs prior to significant changes in Sigma 0. A method of remote estimation of snow thickness is required to be scientifically useful. Observational data from the European ERS-1 SAR were used to confirm the appropriateness of the modeled relationships between Sigma 0, Alpha, and PAR. Over a time series spanning all conditions used in the modeled relationships, the same general patterns were observed between Sigma, Alpha, and PAR.Key words: microwave scattering models, snow, sea ice, climatological shortwave radiation, photosynthetically active radiation, microwave remote sensing L'énergie électromagnétique à des ondes ultra-courtes et solaires va interagir avec un volume de glace de mer couverte de neige, en fonction de ses propriétés géophysiques. La métamorphose saisonnière du couvert nival module la distribution relative des trois grands mécanismes d'interaction de l'énergie électromagnétique: réflexion, transmission et absorption. On utilise une combinaison de résultats de modélisation et de données d'observation pour illustrer la façon dont la coupe transversale totale de diffusion relative (sigma-zero) à des longueurs d'onde ultra-courtes peut être utilisée pour estimer l'albédo climatologique en ondes courtes de la surface et le rayonnement photosynthétiquement utilisable (RPU) pour un volume de glace de mer nouvelle couverte de neige, typique de l'Arctique canadien. Les résultats de modélisation indiquent qu'on peut utiliser les deux fréquences de 5,3 et 9,25 GHz, ayant une polarisation HH et des angles d'incidence de 20, 30 et 40° pour estimer la moyenne quotidienne de l'albédo climatologique intégré (alpha). Les modèles à 5,3 GHz, ayant une polarisation HH et des angles d'incidence de 20, 30 et 40° prédisaient alpha avec le même degré de précision. Les modèles à 9,25 GHz étaient légèrement moins précis, surtout en ce qui concerne l'angle d'incidence de 40°. La réduction de précision à l'angle d'incidence de 40° était attribuée à une augmentation de sensibilité, aux deux fréquences de 5,3 et 9,25 GHz, au terme de diffusion de la surface nivale (sigma-zero-ss) utilisé dans le calcul de la coupe transversale totale de diffusion relative (sigma-zero). Pour prédire le RPU sous la couche nivale, on a également pu utiliser la même combinaison de variables de capteurs d'ondes ultra-courtes que celle utilisée pour prédire alpha. Mais parce que les communautés d'algues vivant sous la glace ont développé un niveau de photosensibilité élevé, la plupart du cycle de croissance se produit avant que des changements importants n'aient lieu dans sigma-zero. Il faut développer une méthode d'estimation de l'épaisseur nivale par la télédétection pour que cette méthode soit utilisable du point de vue scientifique. On a utilisé des données d'observation prises au RALS dans le cadre du ERS-1 européen pour confirmer la pertinence des rapports de modélisation entre sigma-zero, alpha et le RPU. Dans une série chronologique couvrant toutes les conditions utilisées dans les rapports de modélisation, on a observé les mêmes grandes tendances entre sigma-zero, alpha et le RPU.Mots clés: modèles de diffusion d’hyperfréquences, neige, glace de mer, rayonnement climatologique de courtes longueurs d’onde, rayonnement photosynthétiquement utilisable, télédétection des ondes ultra-courtes