[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究通过在苏必利尔湖和南极冰盖上对模拟与卫星测量的辐射亮度进行逐点对比，验证了平面平行辐射传输模型在微波发射率中的适用性。尽管忽略了散射效应，模型与观测结果仍表现出强烈相关性，表明其物理解释具有坚实基础，但偏差主要源于冰和大气中未被考虑的散射效应。

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.

研究动机与目标

• 通过与卫星测量结果进行直接的逐点对比，检验平面平行辐射传输模型在微波发射率中的有效性。
• 通过使用复杂介电常数更易预测的淡水冰，而非盐水冰，以减少海冰发射率建模中的不确定性。
• 评估冰和大气中散射对发射率模型精度的影响，特别是在低频微波观测中。
• 评估物理发射率模型是否能在表征冰面亮温行为方面优于纯统计模型。
• 探索从卫星微波数据反演物理冰层属性（如温度、厚度和复介电常数）的可行性。

提出的方法

• 利用来自ECMWF再分析数据的热力学冰温剖面，驱动平面平行辐射传输模型，模拟微波亮温。
• 将该模型应用于两个测试案例：苏必利尔湖（淡水湖冰）和南极冰盖，结合AMSR-E卫星辐射亮度测量数据。
• 采用温度依赖的介电常数模型：实部采用Maetzler（2006）的模型，虚部采用Hufford（1991）的模型，并通过混合模型计算粒状南极冰的有效介电常数。
• 基于层厚、入射角和衰减系数（α ∝ ν·imag(n)）利用菲涅尔方程计算透射率和反射率，结合指数衰减。
• 在六个频段（6–89 GHz）上对比模拟亮温和实际AMSR-E测量值，分析偏差、相关性及加权函数。
• 利用1000组温度剖面和奇异向量分解构建统计模型，与物理RT模型进行比较，评估其加权函数相似性及预测准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当与像素级的现场卫星辐射亮度测量结果对比时，基于物理原理的平面平行辐射传输模型能否准确模拟淡水冰和冰川冰的微波发射率？
• RQ2 模拟与观测亮温之间的差异在多大程度上源于冰和多云大气中未建模的散射效应？
• RQ3 辐射传输模型的加权函数与基于相同数据训练的纯统计模型的加权函数相比如何？
• RQ4 该模型能否可靠地反演物理冰层属性（如温度和复介电常数），尤其是在纯冰介电常数变化较小时？
• RQ5 为何尽管温度剖面准确，该模型在南极冰盖区域仍高估亮温？

主要发现

• 尽管忽略了散射效应，辐射传输模型在苏必利尔湖和南极冰盖上均与AMSR-E亮温测量结果表现出强烈相关性。
• 在苏必利尔湖区域，模型偏差小、相关性高，表明其在薄层淡水冰、散射可忽略的条件下表现良好。
• 在南极冰盖区域，模型系统性地高估亮温，且偏差随频率升高而增大，尤其在水平极化情况下更为显著。
• 偏差的主要成因被确定为粒状高密度冰盖内部的散射，其导致的有效光学厚度超出模型非散射假设的范围。
• 基于相同数据训练的统计模型与物理RT模型达到相似的精度，但加权函数不同，表明散射有效改变了亮温对次表层温度的敏感性。
• RT模型与统计模型的加权函数形状相似，但前者整体上移，且统计模型允许负权重，表明散射使表面与深层冰温信号解耦。