[論文レビュー] Microwave emissivity of fresh water ice--Lake ice and Antarctic ice pack--Radiative transfer simulations versus satellite radiances

Peter Mills|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2012

Arctic and Antarctic ice dynamics参考文献 15被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、AMSR-Eデータと放射移動シミュレーションを用いて、ミリ波帯放射エミスティビティモデルの妥当性を、ミサイル・スーパーイア湖および南極氷床におけるポイント・バイ・ポイントの比較によって検証した。散乱を無視しているにもかかわらず、観測値と強い相関を示し、物理的根拠が妥当であることを示しているが、主に氷および大気中の散乱が考慮されていないことが、バイアスの主な原因である。

ABSTRACT

Microwave emissivity models of sea ice are poorly validated empirically. Typical validation studies involve using averaged or stereotyped profiles of ice parameters against averaged radiance measurements. Measurement sites are rarely matched and even less often point-by-point. Because of saline content, complex permittivity of sea ice is highly variable and difficult to predict. Therefore, to check the validity of a typical, plane-parallel, radiative-transfer-based ice emissivity model, we apply it to fresh water ice instead of salt-water ice. Radiance simulations for lake ice are compared with measurements over Lake Superior from the Advanced Microwave Scanning Radiometer on EOS (AMSR-E). AMSR-E measurements are also collected over Antarctic icepack. For each pixel, a thermodynamic model is driven by four years of European Center for Medium Range Weather Forecasts (ECMWF) reanalysis data and the resulting temperature profiles used to drive the emissivity model. The results suggest that the relatively simple emissivity model is a good fit to the data. Both cases, however, show large discrepencies whose most likely explanation is scattering both within the ice sheet as well as by cloudy atmospheres. Scattering is neglected by the model. Further work is needed to refine the scattering component of ice emissivity models and to generate accurate estimates of complex permittivities within sea ice.

研究の動機と目的

• 直接的なポイント・バイ・ポイント比較を用いて、衛星測定値と比較することで、平面平行放射移動モデルのマイクロ波帯エミスティビティに対する妥当性を検証すること。
• 塩分を含まない淡水氷（複素誘電率がより予測可能）を用いることで、海氷エミスティビティモデルの不確実性を低減すること。
• 氷および大気中の散乱が、特に低周波数マイクロ波観測におけるエミスティビティモデルの精度に与える影響を評価すること。
• 物理的エミスティビティモデルが、純粋に統計的なモデルよりも、氷上での輝度温度挙動をより良く再現できるかどうかを評価すること。
• 衛星マイクロ波データから、温度、厚さ、複素誘電率などの物理的氷特性を同定する可能性を検討すること。

提案手法

• ECMWF再解析データから得られる熱力学的氷温度プロファイルを入力として用いた平面平行放射移動モデルを用いて、マイクロ波輝度温度をシミュレートした。
• 2つのテストケース（淡水湖氷のミサイル・スーパーイア湖、南極氷床）を対象とし、AMSR-E衛星放射測定値と照合した。
• 温度依存の誘電率モデルを適用：実部はMaetzler（2006）による、虚部はHufford（1991）によるもので、多孔質南極氷の有効誘電率は混合モデルを用いた。
• 層の厚さ、入射角、および減衰係数（α ∝ ν·imag(n)）に基づき、Fresnel方程式を用いて透過率および反射率を計算し、指数関数的減衰を考慮した。
• 6つの周波数チャンネル（6–89 GHz）におけるシミュレートされた輝度温度と実際のAMSR-E測定値を比較し、バイアス、相関、重み関数を分析した。
• 1000個の温度プロファイルと特異ベクトル分解を用いた統計モデルを構築し、物理的RTモデルと比較することで、重み関数の類似性と予測精度を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ポイント単位の衛星放射測定値と比較した場合、物理的根拠に基づく平面平行放射移動モデルは、淡水氷および氷河氷上でのマイクロ波帯エミスティビティを正確にシミュレートできるか？
• RQ2 シミュレートされた輝度温度と観測された輝度温度との乖離は、氷および曇りの空気中での未モデル化された散乱に起因する程度はどの程度か？
• RQ3 放射移動モデルの重み関数は、同じデータで学習された純粋な統計モデルの重み関数とどのように比較できるか？
• RQ4 特に純粋な氷の誘電率の変動が小さいにもかかわらず、モデルが物理的氷特性（温度、複素誘電率など）を信頼性高く再構築できるか？
• RQ5 温度プロファイルが正確であるにもかかわらず、なぜ南極氷床ではモデルが輝度温度を過剰に推定してしまうのか？

主な発見

• 散乱を無視しているにもかかわらず、ミサイル・スーパーイア湖および南極氷床の両地域において、放射移動モデルはAMSR-E輝度温度測定値と強い相関を示した。
• ミサイル・スーパーイア湖では、バイアスが低く、相関が高いため、散乱がほとんどない薄い淡水氷に対して良好な性能を示した。
• 南極氷床では、モデルが系統的に輝度温度を過剰に推定しており、周波数が高くなるほどバイアスが増大し、特に水平偏光において顕著であった。
• バイアスの主な原因は、粒径が最大15 mmに達する多孔質で高密度の氷床内での散乱であり、これはモデルの非散乱仮定を上回る有効な不透明度を引き起こしている。
• 同じデータで学習した統計モデルは物理的RTモデルと同等の精度を達成したが、重み関数が異なっていた。これは、散乱が輝度温度に対する下層温度への感度を効果的に変化させていることを示唆している。
• RTモデルと統計モデルの重み関数は形状が類似しているが、統計モデルは負の重みを許容しており、これは散乱が表面温度と深層氷温度の信号を分離させていることを示している。