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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-70701
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2014/7070/


Uncertainties of a near 90 GHz sea ice concentration retrieval algorithm

Unsicherheiten eines Algorithmus zur Bestimmung der Meereiskonzentration mittels Helligkeitstemperaturen gemessen bei 90 GHz

Beitsch, Alexander

pdf-Format:
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Freie Schlagwörter (Englisch): sea ice concentration , retrieval algorithm , brightness temperatures , uncertainties
Basisklassifikation: 38.90
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Kaleschke, Lars, (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 01.07.2014
Erstellungsjahr: 2014
Publikationsdatum: 08.12.2014
Kurzfassung auf Englisch: Passive microwave remote sensing of sea ice concentrations has proven to be the backbone to understand the polar sea ice covers, which are key elements in the global climate system. In over 30 years of remote sensing of sea ice, several retrieval algorithms have been developed using brightness temperature measurements for the investigation of the sea ice covered area by means of the sea ice concentration. Knowledge about the uncertainty of the retrieved ice concentrations is essential to quantify observed trends in sea ice area against the background of natural variability and for the assimilation of sea ice concentrations into numerical weather prediction models. Changes in surface emissivity and variations in atmospheric parameters, like water vapour and cloud cover, are known to have an influence on the accuracy of the retrieved ice concentration. Additionally, the quality of retrieved sea ice concentrations depends on an appropriate choice of the tie-points, which are defned as typical brightness temperatures measured over the surfaces involved.

We investigate uncertainties of a near 90 GHz retrieval algorithm, called the ARTIST Sea Ice algorithm (ASI), by intercomparison with other sea ice concentration data sets. First, we compare ASI and sea ice concentrations retrieved from other retrieval algorithms with visual ship-based observation of the sea ice concentration around Antarctica. After adapting ASI to the new Advanced Microwave Scanning Radiometer 2 (AMSR2) that recently started to provide brightness temperature measurements, we compare the new ASI sea ice concentrations with the Comiso Bootstrap (BST) retrieval, which performed best in the first comparison, and with satellite optical imagery and ice surface temperatures in the Arctic. ASI shows a higher agreement with the other data than BST. Both comparisons show that ASI performs well for different satellite sensors and in different hemispheres. In addition, we present the influence of changing surface emissivities and variations due to changing atmospheric parameters on the ASI retrieval. For a consolidated ice cover during winter, when uncertainties were thought to be limited to variations in surface emissivity, the changes in the snow surface and atmospheric parameters have a considerable influence on ASI and its error estimation. While fresh snow on sea ice that very often reduces the snow surface density tends to decrease retrieved sea ice concentrations, increased atmospheric water vapour increases retrieved sea ice concentrations. We suggest to derive a new set of tie-points separately for both hemispheres and reconsider the current interpolation approach for values between consolidated ice and open water.
Kurzfassung auf Deutsch: Passive Mikrowellenradiometrie bildet die Grundlage die Meereiskonzentrationen in den Polargebieten zu ermitteln. Das Meereis ist eine der wichtigsten Kenngrößen im globalen Klimasystem. In über 30 Jahren Eisforschung mit Fernerkundungsdaten wurden eine Vielzahl von Verfahren zur Bestimmung der Meereiskonzentrationen entwickelt. Diese Verfahren nutzen die vom Satelliten gemessenen Helligkeitstemperaturen zur Berechnung der Eiskonzentrationen. Grundlegend dabei ist auch eine Kenntnis über die Unsicherheit der abgeleiteten Eiskonzentrationen, um die Signifikanz beobachteter Ab- oder Zunahmen der Eisfläche vor dem Hintergrund natürlicher Schwankungen abzuschätzen. Die Unsicherheit wird aber auch benötigt für die Assimilierung von Eiskonzentration in numerische Wettermodelle. Dabei wird die Unsicherheit in der Eiskonzentration vor allem verursacht durch Schwankungen der Emissivität an der Oberfläche und den Einfluß atmosphärischer Größen wie Wasserdampf und Wolkenbedeckung. Darüber hinaus hängen die verschiedenen Verfahren zur Bestimmung der Eiskonzentration von der Wahl der Referenzpunkte ab. Diese stellen typische Helligkeitstemperaturen der involvierten Oberflächentypen dar.

In dieser Arbeit werden die Unsicherheiten des ARTIST Sea Ice (ASI) Verfahrens im Vergleich mit anderen Datensätzen der Eiskonzentration untersucht. ASI nutzt Helligkeittemperaturen, die bei 90 GHz gemessen werden. In einer ersten Studie werden ASI-Eiskonzentrationen und die Eiskonzentrationen aus anderen Verfahren mit in-situ Beobachtungen der Einskonzentrationen von Schiffsfahrten um die Antarktis verglichen. Nach einer Erweiterung von ASI um die Nutzung der Helligkeitstemperaturen des neuen Advanced Microwave Scanning Radiometer 2 (AMSR2) vergleichen wir ASI in einer zweiten Studie für die Arktis mit Eiskonzentrationen abgeleitet mit dem Comiso Bootstrap Verfahren (BST). Das BST Verfahren hat im ersten Vergleich mit den Schiffsbeobachtungen die besten Ergebnisse erzielt. In dem Vergleich für die Arktis ziehen wir zudem Daten aus optischen Verfahren und abgeleitete Eishelligkeitstemperaturen hinzu. Hier erweist sich ASI als das genauere Verfahren. Beide Vergleiche zeigen, dass ASI in der Lage ist mit Helligkeitstemperaturen verschiedener Radiometer und in beiden Hemisphären gute Ergebnisse zu erzielen. In einer dritten Untersuchung stellen wir den Einfluß variabler Emissivitäten an der Oberfläche und den Einfluß atmosphärischer Größen wie der Wasserdampf und die Wolkenbedeckung auf das ASI Verfahren dar. Bisherige Untersuchungen geschlossener Eisbedeckungen im Winter zeigen, dass die Schwankungen der abgeleiteten Eiskonzentrationen durch Schwankungen der Emissivität an der Oberfläche verursacht werden. Es wird gezeigt, dass für das ASI Verfahren darüber hinaus atmosphärischer Wasserdampf und die Wolkenbedeckung einen beträchtlichen Einfluß auf das Verfahren haben. Während eine Neuschneedecke auf dem Meereis die berechntete Eiskonzentration reduziert, erhöhen zusätzlicher Wasserdampf und Wolken die berechnete Eiskonzentration. Aufgrund der Ergebnisse für die soeben genannten Sensitivitäten wird eine Neuberechunung der oben genannten Referenzpunkte unabhängig für beide Hemisphären vorgeschlagen. Außerdem sollte untersucht werden, ob die derzeitige Interpolierung zwischen diesen Referenzpunkten verbessert werden kann.

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