Application of L-band radiometry in snow characteristics analysis - L-band snow measurements in the Canadian Arctic

Abstract

The Arctic is warming up to four times faster than the global average, yet data availability over this area is notoriously scarce. L-band radiometry is a promising cryosphere surface state variable monitoring method, due to its ability to penetrate through snow and pass through clouds. For proper application in the cryosphere, it is necessary to understand the effects that snow has on L-band emissions.

The main objective of this thesis was to investigate the potential of L-band in informing on snow state variables utilizing a new L-band radiometer. To achieve this, I conducted ground reference measurements in Cambridge Bay, Nunavut, between the 1st and 14th of April 2023. Snowpack macrostructure and microstructure properties, as well as snow interface interactions, were analyzed in the context of ground L-band emissions.

The impact of snow on ground L-band emissions was found to be highly spatially variable, with effects reaching up to ±7%. The effects varied by polarization and measurement angle, with horizontally polarized emissions experiencing strengthening at low measurement angles from nadir, while the impact on vertical polarization was mostly arbitrary. Snowpack microstructure had a noticeable impact on the emissions; increasing prevalence of depth hoar was found to strongly correlate with decreasing polarization ratio. Ground surface roughness also showed negative correlation with the emissions. A surface ice layer exhibited a strong but varying impact on the emissions.

Overall, the Canadian Arctic snowpack was found to exhibit unique responsiveness especially to snowpack microstructural properties, which underscores the need for further understanding between the Arctic snowpack and L-band. The findings also emphasize snow's relevance in L-band applications, as properly characterizing these interactions will enhance accurate ground and snow data retrieval in the Arctic.

Arktis lämpenee jopa neljä kertaa muita alueita nopeammin, mutta tästä alueesta on saatavilla huomattavan vähän tietoa. Lupaava työkalu kryösfäärin tutkimiseen on L-kaistan radiometria, mm. siksi, että sen vuorovaikutus ilmakehän kanssa on vähäistä ja se pystyy läpäisemään lunta tehokkaasti. Jotta tätä metodia voidaan hyödyntää, on kriittistä ymmärtää lumen vaikutus L-kaistan emissioihin.

Tämän työn tavoitteena oli tutkia Kanadan Arktisen alueen lumikerroksen ominaisuuksia uutta L-kaistan radiometriä hyödyntäen. Datan hankkimiseksi osallistuin tutkimusmatkalle Kanadan Nunavutissa sijaitsevalle Cambridge Bayn alueelle 1-14.4.2023. Lumikerroksen makro- ja mikro-ominaisuuksia sekä maa-lumi- ja lumi-ilma-rajapintoja analysoitiin suhteessa maanpinnan L-kaistan emissioihin.

Lumikerroksen vaikutus L-kaistan emissioihin huomattiin olevan spatiaalisesti hyvin vaihteleva, vaikuttaen maanpinnan emissioihin jopa ±7%:n verran. Vaikutus vaihteli mittauskulman mukaan; vaakapolarisoidut emissiot kasvoivat nadiiria lähestyttäessä, kun taas vaikutus pystypolarisoituihin emissioihin oli mittauskulmasta riippumaton. Lumikerroksen mikrorakenteella oli merkittävä vaikutus emissioihin; syväkuurakerros korreloi vahvasti laskevan polarisaatiosuhteen (PR) kanssa. Myös maanpinnan karheus korreloi negatiivisesti PR:n kanssa. Lumen pinnalla olevalla jääkerroksella oli huomattava, joskin vaihteleva, vaikutus emissioihin.

Tutkittu lumikerros osoitti uniikkia vuorovaikutusta erityisesti suhteessa lumen mikro-ominaisuuksiin, mikä korostaa tarvetta syvemmälle ymmärrykselle Arktisen lumen ja L-kaistan emissioiden välillä. Kokonaisuudessaan löydökset painottavat lumen merkitystä L-kaistan sovelluksissa, joiden vuorovaikutusten kattava ymmärrys parantaa tarkkaa maanpinnan ja lumen kaukokartoitusta Arktiksella.