[논문 리뷰] Microwave emissivity of fresh water ice--Lake ice and Antarctic ice pack--Radiative transfer simulations versus satellite radiances

Peter Mills|arXiv (Cornell University)|2012. 02. 18.

Arctic and Antarctic ice dynamics참고 문헌 15인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 미세파 복사율에 대한 평면 평행 복사열역학 모델의 타당성을 레이크 수퍼리어와 남극 빙하 빙상지역에서 위성 측정 복사수준과의 점별 비교를 통해 검증한다. 산란을 무시하고 있음에도 불구하고 모델은 관측과 강한 상관관계를 보이며, 그 물리적 기반은 타당하다고 판단되나, 주로 빙하와 대기 중 무시된 산란으로 인한 편향이 발생한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 위성 측정값과 직접적인 점별 비교를 통해 평면 평행 복사열역학 모델의 타당성을 검증하기 위해, 직접적인 점별 비교를 수행한다.
• 복잡한 허용도가 더 예측 가능하기 때문에, 염분 빙이 아닌 순수한 담수 빙으로부터의 빙하 복사율 모델링의 불확실성을 줄이기 위해 사용한다.
• 특히 저주파수 마이크로파 관측에서 빙하와 대기 중 산란이 복사율 모델 정확도에 미치는 영향을 평가한다.
• 물리적 복사율 모델이 빙하 상에서 밝기 온도 행동을 표현하는 데 있어 순수 통계 모델보다 뛰어나다는지 평가한다.
• 위성 마이크로파 데이터로부터 물리적 빙하 특성(온도, 두께, 복합 허용도 등)을 추출하는 것이 가능한지 탐색한다.

제안 방법

• ECMWF 재분석 데이터에서 유도된 열역학적 빙하 온도 프로파일을 기반으로 평면 평행 복사열역학 모델을 사용해 마이크로파 밝기 온도를 시뮬레이션한다.
• 두 가지 시험 사례에 적용: 레이크 수퍼리어(담수 호수 빙하)와 남극 빙하 빙상지역, AMSR-E 위성 복사수 측정값을 사용한다.
• 온도 의존성 허용도 모델 적용: 실수부는 Maetzler(2006)에서, 허수부는 Hufford(1991)에서, 다공성 남극 빙하의 효과적 허용도는 혼합 모델을 통해 계산한다.
• 층 두께, 각도, 감쇠 계수(α ∝ ν·imag(n))를 기반으로 프레넬 방정식을 사용해 투과 및 반사 계수를 계산한다.
• 여섯 개 주파수 대역(6–89 GHz)에서 시뮬레이션된 밝기 온도와 실제 AMSR-E 측정값을 비교하여 편향, 상관관계 및 가중 함수를 분석한다.
• 1000개의 온도 프로파일과 특이 벡터 분해를 사용해 통계 모델을 구축하고, 물리적 RT 모델과 비교하여 가중 함수의 유사성과 예측 정확도를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 물리적 기반의 평면 평행 복사열역학 모델이 현장 위성 복사수 측정값과의 픽셀 수준 비교에서 담수 및 빙하 빙하에서 마이크로파 복사율을 정확하게 시뮬레이션하는가?
• RQ2 모델링되지 않은 빙하와 투명한 대기 중 산란으로 인해 발생하는 시뮬레이션된 밝기 온도와 관측된 밝기 온도 간의 격리 정도는 어느 정도인가?
• RQ3 복사열역학 모델의 가중 함수는 동일한 데이터로 훈련된 순수 통계 모델의 가중 함수와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 모델이 순수한 빙하의 허용도 변화가 적기 때문에, 온도 및 복합 허용도와 같은 물리적 빙하 특성을 신뢰성 있게 회수할 수 있는가?
• RQ5 정확한 온도 프로파일을 제공하고 있음에도 불구하고, 왜 모델은 남극 빙하 빙상지역에서 밝기 온도를 과대평가하는가?

주요 결과

• 산란을 고려하지 않은 복사열역학 모델은 레이크 수퍼리어와 남극 빙하 빙상지역에서 AMSR-E 밝기 온도 측정값과 강한 상관관계를 보이며, 이는 모델의 타당성을 뒷받침한다.
• 레이크 수퍼리어에서는 낮은 편향과 높은 상관관계를 보이며, 산란이 거의 없는 얇은 담수 빙하에서 뛰어난 성능을 나타낸다.
• 남극 빙하 빙상지역에서는 모델이 체계적으로 밝기 온도를 과대평가하며, 특히 수평 편광에서 주파수가 높아질수록 편향이 증가한다.
• 편향의 주요 원인은 입자 크기가 최대 15mm에 이르는 다공성 고밀도 빙하에서의 산란으로, 이는 모델의 비산란 가정을 초월하는 효과적 투과도를 증가시킨다.
• 동일한 데이터로 훈련된 통계 모델은 물리적 RT 모델과 유사한 정확도를 달성하지만, 가중 함수가 다름으로써 산란이 표면과 깊은 빙하 온도 신호 간의 연관성을 끊는다는 점을 시사한다.
• RT 모델과 통계 모델의 가중 함수는 형태는 유사하지만, 통계 모델은 음수 가중치를 허용함으로써 상향 이동된 경향이 있으며, 이는 산란이 밝기 온도에 대한 하부 온도 민감도를 효과적으로 변화시킨다는 것을 의미한다.