Kartlegging av snø og is på Svalbard med satellitt og UAV

Transkript

1 Kartlegging av snø og is på Svalbard med satellitt og UAV Eirik Malnes,K.A.Høgda, R. Storvold, I.Lauknes, J.Haarpaintner og B.Johansen NGF møte, Geilo, 10 september 2009

2 Vegetasjonskart over Svalbard Første satellittbaserte vegetasjonskart over Svalbard Landsat 5/7 bilder 30 m oppløsning

3 Snø! Norut har lang erfaring med bruk av satellitt til kartlegging av snø! Til nå har hovedfokus vært på C-band SAR (ERS, Radarsat, Envisat) men nå benyttes alle tilgjengelige sensorer (optisk, SAR, scatterometer) for å oppnå best mulig temporal og romlig oppløsning! Norut leverer SW til KSAT s operasjonell snøtjeneste i Scandinavia! Ingen operasjonell tjenste på Svalbard ennå, men det skal lite til for å sette en slik i verk

4 EOS MODIS Snø produkt (500m) Skyfritt 1 dags snøfraksjon: snøfraksjons-kart Gult viser skydekke framstilt ved lineær interpolasjon mellom skyfrie MODIS- multispektral optisk sensor (NASA) Norut har prosessert en harmonisert tidsserie av snødekket over Svalbard for perioden

5 Dato for første og siste snøfrie dag Et bi-produkt av snødekketidsserien er at en kan beregne avledede klimaprodukt som første og siste snøfrie dag Figure 3. Averaged time for first snow free day and last snow free day on Svalbard for the period ( ).

6 Snømålinger med SAR Norut har arbeidet mest med å bruke syntetisk apertur-radar (SAR) til å kartlegge snødekke SAR er lys og væruavhengig Metode: Detekterer våt snø vha change detection mot referanse data, avleder tørr snø vha høydemodell Bilde. Fra operasjonell snøkartlegging over Skandinavia som kjøres operasjonelt av KSAT for Nordiske kraftselskap og hydrologiske brukere

7 2007: Svalbard only with ASAR SAR Snow cover mapping also implemented for Svalbard

8 Multi-sensor measurements SAR Optical Snow cover map derved from ASAR (left) and multitemporal MODIS (right) from June 11, The SAR map displays dry snow as grey and melting snow in white

9 SWE målinger med Quikscat SWE: 2007

10 Isbre! Norut har hatt flere prosjekt der C-band SAR ble brukt til å detektere firn-området.! Har arbeidet mye på Kongsvegen og Austfonna

11 Multi-looked Envisat ASAR Wide swath over Nordaustlandet

12 Glacier firn-area detection on Austfonna for the period using Envisat ASAR wideswath data. A series of images for each year (30-100) has been multilooked to improve the separability between different glacier facies.

13 Detalj: Nordøst på Austfonna (ASAR)

14 CoRe H2O! ESA vurderer for tiden 3 ulike satellitter som sin neste forskningssatellitt (Explorer mission)! Norut er med på designet av CoRe H2O som vil være en dedikert kryosfæresatellitt, spesielt godt egnet til å måle snøens vannekvivalent og isbreakkumulasjon! Dersom den går igjennom siste nåløye i utvelgelsen vil den kunne skytes opp i 2016

15 Mission architecture overview GROUND SEGMENT Flight Operations Segment 1 TT&C Station (Kiruna) Flight Operation Control Center (ESOC) Payload Data Ground Segment 1 Science Data Acquisition Station (Kiruna) Processing and Archiving Element (ESRIN) Ancillary Data Land classification map Digital Elevation Model SUBJECT Snow and Ice observations for a better understanding of the water cycle Terrestrial and Sea Ice Snow Cover CoReH 2 O Mission Elements ORBITS Sun-Synchronous dawn dusk Phase 1: 3-day repeat cycle Phase 2: 15-day repeat cycle USER SEGMENT Climate Modelling/Research Centres LAUNCHER Vega (Rockot) SPACE SEGMENT Single Spacecraft, kg, kw Payload: X- and Ku-band SAR 5 year lifetime

16 Mission phases!! Phase 1 (year 1 and 2): 3-day revisit! To advance the parameterisation of snow and ice processes in mesoscale atmospheric models, hydrological models, and land surface process models! To support the validation of data products and testing of process models at selected study sites Phase 2 (year 3+): 15-day revisit! To support development and validation of snow cover parameterizations in global circulation models, and continental scale hydrological models! To improve downscaling of the cryosphere components in climate models

17 Measurement principle: radar backscatter Main parameters relevant for snow backscatter:! Snow water equivalent! Grain size! Soil background signal! Liquid water content (if melting) Backscatter contributions: Volume, surface, and interaction terms

18 Dual-frequency, dualpolarisation backscatter!! To separate snow volume and soil signals, in order to retrieve SWE over a wide range of snow depths To compensate for grain size effects X-band (9.6 GHz) Ku-band (17.2 GHz) snow volume soil surface total backscatter Model calculations for SWE = 150 mm

19 Backscatter sensitivity to SWE!! A few campaigns demonstrated the backscatter sensitivity to SWE for different snow conditions The data are the basis for validation of theoretical backscatter models and development of retrieval algorithms HeliSnow SARAlps

20 Proof of retrieval concept and validation Standard error of estimate compared to independent insitu data: 7 mm SWE map for Kuparuk River, Alaska retrieved from Ku-band VV & VH, X-band VV & VH

21 Retrieval of snow accumulation on glaciers Based on the different scattering albedo of the background (frozen firn or ice) and the winter snow Proof of concept with low resolution QuikSCAT Kuband data over Greenland; calibration with station data! Dual-frequency data removes the need for calibration by ground data! High-resolution data are needed for glacier observations

22 UAV System for scientific observations and sampling. Operational platform Instruments and algorithms System and networking Applications! Satellite product validation! Infrastructure inspections! Operational monitoring (algae, vegetation, fauna, meteorology, hydrology, sea-ice, icebergs, oil-spill)! Civil Security

23

24 2008 August Campaign, Ny-Ålesund! 14 flights, 15 hours, longest 300 km Aug 14 flight Fram Strait, 6.0 E, 79.5 N Sea Surface Temperatures Air Temperature

25 Ny-Ålesund

26 Radar development -FFI!The Ku-band radar will be buildt at the Norwegian Defence research Institute (FFI)!FM CW dechirp on receive!ground resolution (Chirp Bandwidth) must be traded against PRF and flight altitude/swath width/speed -typically 1-5 m (cross track) for normal operations.!imu- the movement compensation data is critical and will be closely integrated with the un-focused SAR data C-band sounder in a GPR-configuration FFI C-band UAV sounder

27 UAV borne Ku-band SAR ESA project -need for Ku-band data for cal-val purposes FFI radar development & motion compensation Norut -SAR processor, UAV integration and demonstration

28 Konklusjon! Ved kombinasjoner av ulike satellittsensorer (SAR, optisk, scatterometer) kan tidsserier med høy romlig og temporal oppløsning generes (f eks snødekke)! Kartene kan gi verdifull informasjon til klimaforskning! Norut arbeider med nye sensorer og nye sensorplattformer.