Satellite Microwave Remote Sensing of Boreal-Arctic Land Surface State and Meteorology from AMSR-E

High latitude regions are undergoing significant climate-related change and represent an integral component of the Earth’s climate system. Near-surface vapor pressure deficit, soil temperature, and soil moisture are essential state variables for monitoring high latitude climate and estimating the response of terrestrial ecosystems to climate change. Methods are developed and evaluated to retrieve surface soil temperature, daily maximum/minimum air temperature, and land surface wetness information from the EOS Advanced Microwave Scanning Radiometer (AMSR-E) on the Aqua satellite for eight Boreal forest and Arctic tundra biophysical monitoring sites across Alaska and northern Canada. Daily vapor pressure deficit is determined by employing AMSR-E daily maximum/minimum air temperature retrievals. The seasonal pattern of microwave emission and relative accuracy of the estimated land surface state are influenced strongly by landscape properties including the presence of open water, vegetation type and seasonal phenology, snow cover and freeze-thaw transitions. Daily maximum/minimum air temperature is retrieved with RMSEs of 2.88 K and 2.31 K, respectively. Soil temperature is retrieved with RMSE of 3.1 K. Vapor pressure deficit (VPD) is retrieved to within 427.9 Pa using thermal information from AMSR-E. AMSR-E thermal information imparted 27% of the overall error in VPD estimation with the remaining error attributable to underlying algorithm assumptions. Land surface wetness information derived from AMSR-E corresponded with soil moisture observations and simple soil moisture models at locations with tundra, grassland, and mixed -forest/cropland land covers (r = 0.49 to r = 0.76). AMSR-E 6.9 GHz land surface wetness showed little correspondence to soil moisture observation or model estimates at locations with \u3e 20% open water and \u3e 5 m2 m-2 Leaf Area Index, despite efforts to remove the impact of open water and vegetation biomass. Additional information on open water fraction and vegetation phenology derived from AMSR-E 6.9 GHz corresponds well with independent satellite observations from MODIS, Sea-Winds, and JERS-1. The techniques and interpretations of high-latitude terrestrial brightness temperature signatures presented in this investigation will likely prove useful for future passive microwave missions and ecosystem modeling

Analyse des cycles gel/dégel des régions nordiques par télédétection micro-ondes passives en bande L

Le réchauffement climatique dans les régions nordiques, fort important depuis le milieu du siècle dernier, a de multiples impacts sur la dynamique des écosystèmes, notamment sur les cycles gel/dégel de surface qui influencent les flux de carbone, l'activité biogéochimique des sols, l'hydrologie et le pergélisol aux hautes latitudes. La télédétection satellitaire du gel/dégel par micro-ondes passives est un outil très prometteur permettant un suivi continu et global, mais comporte des difficultés souvent reliées à l’effet d’hétérogénéité spatiale intra-pixel relié aux résolutions grossières des capteurs micro-ondes passives à basse fréquence. L’objectif principal du projet est d’évaluer l’utilisation de la télédétection micro-onde passive en bande L (1.4 GHz) pour le suivi de l’état de gel/dégel de la surface en forêt boréale. Un premier objectif spécifique est d’évaluer un nouveau produit des cycles de gel/dégel de surface estimée à partir des radiomètres bande L satellitaires Aquarius. Cette base de données de 3.5 années a été mise en ligne au National Snow and Ice Data Center (NSIDC). Le deuxième objectif spécifique est d’analyser l’effet de la variabilité spatiale intrapixel de l’état de gel du sol et de son impact sur les températures de brillance (TB) mesurées par le radiomètre de la mission Soil Moisture Active Passive (SMAP) en période de transition afin de quantifier la fraction de sol gelé. Les résultats pour le premier objectif montrent que la nouvelle base de données possède une bonne capacité à estimer l’état de gel/dégel de la surface sur l’ensemble de l’Hémisphère Nord (> 50°N). Cette recherche offre également une rare intercomparaison entre produits de gel/dégel satellitaires en comparant le produit Aquarius au Freeze/Thaw-Earth System Data Record (FT-ESDR) développé avec les données à plus hautes fréquences du capteur SSM/I. Pour le deuxième objectif, des capteurs de température distribués le long de transects de plusieurs kilomètres sur deux différents sites de taïga montrent que la variabilité spatiale du gel à l’automne peut être de 7.5 à 9.5 semaines. Il est également démontré que les mesures de SMAP sont sensibles à cette variabilité et un algorithme développé permet d’estimer le pourcentage intrapixel de sol gelé avec des coefficients de détermination (R2) entre 0.63 et 0.88 lorsque comparé aux mesures in situ. Ces résultats offrent de nouveaux outils pour mieux comprendre et quantifier les cycles de gel/dégel de l’environnement boréal et leurs impacts sur les processus biogéophysiques, hydrologiques et sur le pergélisol.Abstract: Climate change in nordic regions, which has been of growing significance over the past century has multiple impacts on the dynamic of ecosystems, notably on the surface freeze/thaw cycles, which influences carbon flux, soil biogeochemical activity, hydrology and permafrost at high latitudes. Satellite remote sensing of freeze/thaw with passive microwaves is a promising tool to offer continuous and global monitoring, but can also entail some difficulties due to intra-pixel spatial variability effects coming from the low resolution of low-frequency passive microwave sensors. The primary objective of the project is to evaluate the use of passive microwave remote sensing in L-band (1.4 GHz) for monitoring of the surface freeze/thaw in the boreal forest. A first specific objective is to evaluate a new surface freeze/thaw product estimated by the Aquarius satellite L-band radiometers. This 3.5 year-old database has been put online at the National Snow and Ice Data Center (NSIDC) website. The second specific objective is to analyse the effect of intra-pixel spatial variability of freeze/thaw and its impact on brightness temperatures (TB) measured by the Soil Moisture Active Passive (SMAP) radiometer during transition periods in order to quantify the frozen soil fraction. Results for the first objective show that the new database possesses a good capacity to estimate the surface freeze/thaw state for the entirety of the Northern Hemisphere (>50°N). This research also offers a rare intercomparison between freeze/thaw satellite products by comparing the Aquarius product to the Freeze/Thaw-Earth System Data Record (FT-ESDR) product developed with higher frequencies data of the SSM/I sensor. For the second objective, temperature sensors distributed along transects of several kilometers on two different taiga sites show that the spatial variability of autumn soil freeze onset can be between 7.5 and 9.5 weeks. It demonstrates that SMAP measurements are sensitive to this variability and a developed algorithm offers estimations of the intrapixel soil frozen fraction with coefficients of determination (R2) between 0.63 and 0.88 when compared to in situ measurements. These results offer new tools for a better understanding and quantification of freeze/thaw cycles in boreal environments and their impacts on biogeochemical and hydrologic processes and on permafrost

Dielectric characterization of vegetation at L band using an open-ended coaxial probe

Decoupling the integrated microwave signal originating from soil and vegetation remains a challenge for all microwave remote sensing applications. To improve satellite and airborne microwave data products in forest environments, a precise and reliable estimation of the relative permittivity (ε = ε′ − iε′′) of trees is required. We developed an open-ended coaxial probe suitable for in situ permittivity measurements of tree trunks at L-band frequencies (1–2&thinsp;GHz). The probe is characterized by uncertainty ratios under 3.3&thinsp;% for a broad range of relative permittivities (unitless), [2–40] for ε′ and [0.1–20] for ε′′. We quantified the complex number describing the permittivity of seven different tree species in both frozen and thawed states: black spruce, larch, red spruce, balsam fir, red pine, aspen and black cherry. Permittivity variability is substantial and can range up to 300&thinsp;% for certain species. Our results show that the permittivity of wood is linked to the freeze–thaw state of vegetation and that even short winter thaw events can lead to an increase in vegetation permittivity. The open-ended coaxial probe proved to be precise enough to capture the diurnal cycle of water storage inside the trunk for the length of the growing season.</p

Caractérisation diélectrique micro-onde (1,4 GHz) des arbres et des sols

Le découplage du signal d’émission micro-onde entre la végétation et le sol demeure une difficulté omniprésente pour toutes applications en télédétection. Pour améliorer les produits micro-ondes globaux (e.g. humidité du sol, état de gel/dégel du sol) en milieu forestier, une meilleure estimation de la permittivité électrique de la végétation et du sol est requise. Dans le cadre de ce projet, un nouveau prototype de sonde coaxiale à terminaison ouverte adaptée aux mesures sur le terrain a été développé. Nous montrons dans ce travail que la sonde est apte à mesurer la permittivité électrique en bande L (1.4 GHz) de la végétation et du sol. La sonde affiche des incertitudes maximales de 3,3% pour une large plage de valeurs de permittivité. La permittivité complexe de sept espèces d’arbres différentes a été caractérisée dans des conditions de gel et de dégel. Les résultats montrent que la permittivité électrique du tronc des arbres est fortement corrélée avec l’état de gel/dégel de la végétation et que cet état de gel/dégel de la végétation est sensible aux courts événements de dégel hivernal. Il a aussi été démontré que les différences de permittivité électrique interespèces sont importantes. La sonde coaxiale à terminaison ouverte s’est également révélée suffisamment précise pour capturer le cycle diurne de teneur en eau à l’intérieur du tronc des arbres. Les mesures de permittivité électrique de sols organiques en chambre froide mettent en évidence une hystérésis importante entre le cycle de gel et de dégel du sol. Un tel phénomène n’est pas considéré dans les modèles de permittivité du sol actuel ni dans les algorithmes de détection du gel/dégel des sols. La sonde devrait permettre d’améliorer la modélisation du transfert radiatif en milieu forestier et ainsi permettre d’améliorer les produits satellitaires en bande L.The decoupling of the signal between vegetation and soil remains an omnipresent difficulty for all remote sensing applications in the microwave spectrum. To improve global microwave products (e.g. soil moisture, freeze/thaw soil state) in the forest environment, a better estimate of the permittivity of vegetation and soil is required. As part of this project, a new prototype of open-ended coaxial probe adapted for field measurements has been developed. The probe is designed to measure the L-band permittivity (1.4 GHz) of vegetation and soil. The probe displays maximum uncertainties of 3.3% for a wide range of permittivity values. The complex permittivity of seven different tree species was characterized under freezing and thawing conditions. The results show that the permittivity of tree trunks is strongly correlated with the freeze/thaw state of vegetation, the tree freeze/thaw state is sensitive to short winter thawing events and the inter species differences in permittivity are important. The open-ended coaxial probe is also precise enough to capture the diurnal cycle of water content within the tree trunks. The permittivity measurements of organic soils in cold chamber show a significant hysteresis between the freezing and thawing cycles. Such phenomenon is not considered in current soil permittivity models or in soil freeze/thaw detection algorithms. The probe will allow to improve radiative transfer models in forest environment and thus improve L-band satellite products

Toxicity of petroleum hydrocarbons in polar soil

The objective of this research is to determine the influence of liquid water content on the toxicity of petroleum hydrocarbons (PHC) to soil microorganisms in frozen soil. This research was conducted on soil collected from an aged diesel fuel spill site at Casey Station, East Antarctica, as well as on spiked diesel contaminated soil from Macquarie Island, a sub-Antarctic island. Suitable soil biogeochemical toxicity endpoints for PHC contamination were identified using sub-Antarctic soil from Macquarie Island spiked with diesel fuel. The sensitivity of nitrification, denitrification, carbohydrate utilization and total soil respiration to diesel fuel was assessed. Potential nitrification activity (PNA) was the most sensitive indicator of contamination assessed for nitrogen cycling, with a PHC concentration effecting microbial activity by 20% of the control response, EC20, of 190 mg PHC kg-1 soil. Petroleum hydrocarbon toxicity in polar soil was assessed by sampling 32 locations at an aged diesel spill site at Casey Station, East Antarctica. Samples were taken nine times throughout an austral summer to encompass frozen, thaw and refreeze periods. Toxicity was assessed using potential activities of substrate induced respiration, total respiration, nitrification, denitrification, and metabolic quotient, as well as microbial community composition and bacterial biomass. The most sensitive indicator was community composition with an EC25 of 800 mg kg-1, followed by nitrification (2000 mg kg-1), microbial biomass (2400 mg kg-1) and soil respiration (3500 mg kg-1). Despite changes in potential microbial activities and composition over the frozen/thaw/refreeze period, the sensitivity of these endpoints to PHC did not change with liquid water or temperature. The influence of liquid water (èliquid) on nutrient supply rate and gas diffusion, which are important factors in microbial degradation of PHC, was determined using contaminated soil from Casey Station. Freezing reduced nutrient supply rate of both NH4+ and NO3-. However, an increase in èliquid was linked to increases in nitrate and ammonia nutrient supply rates in frozen soil. Similarly for gas diffusion, decreases in Ds due to freezing were much more pronounced in soils with low èliquid compared to soils with higher èliquid contents. Further research is needed to determine whether bioremediation in cold regions could be enhanced during the period of time where the soil temperature is below 0oC by controlling factors that increase the amount of liquid water. The influence of liquid water content on the in situ toxicity of PHC to soil microorganisms was evaluated using stable isotope dilution technique to measure gross mineralization and nitrification, which was compared to the toxicity endpoints of potential microbial activities. Liquid water content did not have a significant effect on either gross mineralization or nitrification. Gross nitrification was sensitive to PHC contamination, with toxicity decreasing over time. The EC25 value for gross nitrification was 400 mg kg-1 for 1 month incubation period. In contrast, gross N mineralization was not sensitive to PHC contamination. Toxic response of gross nitrification to PHC contamination was comparable to PNA with similar EC25 values determined by both measurement endpoints (400 mg kg-1 for in situ nitrification compared to 200 mg kg-1 for PNA), indicating that potential microbial activity assays are good surrogates for in situ toxicity of PHC contamination in Polar Regions. Based on ecotoxicological data collected, the recommended soil quality guideline for on PHC contamination in polar soils would be 200 mg kg-1

The simulation of L-band microwave emission of frozen soil during the thawing period with the Community Microwave Emission Model (CMEM)

One-third of the Earth's land surface experiences seasonal freezing and thawing. Freezing-thawing transitions strongly impact land-atmosphere interactions and, thus, also the lower atmosphere above such areas. Observations of two L-band satellites, the Soil Moisture Active Passive (SMAP) and Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) missions, provide flags that characterize surfaces as either frozen or not frozen. However, both state transitions-freezing and thawing (FT)-are continuous and complex processes in space and time. Especially in the L-band, which has penetration depths of up to tens of centimeters, the brightness temperature (TB) may be generated by a vertically-mixed profile of different FT states, which cannot be described by the current version of the Community Microwave Emission Model (CMEM). To model such complex state transitions, we extended CMEM in Fresnel mode with an FT component by allowing for (1) a varying fraction of an open water surface on top of the soil, and (2) by implementing a temporal FT phase transition delay based on the difference between the soil surface temperature and the soil temperature at 2.5 cm depth. The extended CMEM (CMEM-FT) can capture the TB progression from a completely frozen to a thawed state of the contributing layer as observed by the L-band microwave radiometer ELBARA-III installed at the Maqu station at the northeastern margin of the Tibetan Plateau. The extended model improves the correlation between the observations and CMEM simulations from 0.53/0.45 to 0.85/0.85 and its root-mean-square-error from 32/25 K to 20/15 K for H/V-polarization during thawing conditions. Yet, CMEM-FT does still not simulate the freezing transition sufficiently.</p

Improvement of microwave emissivity parameterization of frozen Arctic soils using roughness measurements derived from photogrammetry

Soil emissivity of Arctic regions is a key parameter for assessing surface properties from microwave brightness temperature (Tb) measurements. Particularly in winter, frozen soil permittivity and roughness are two poorly characterized unknowns that must be considered. Here, we show that after removing snow, the 3D soil roughness can be accurately inferred from in-situ photogrammetry using Structure from Motion (SfM). We focus on using SfM techniques to provide accurate roughness measurements and improve emissivity models parametrization of frozen arctic soil for microwave applications. Validation was performed from ground-based radiometric measurements at 19 and 37 GHz using three different soil emission models: the Wegmüller and Mätzler [1999, TGRS] model (Weg99), the Wang and Choudhury [1981, JGR] model (QNH), and a geometrical optics model (Geo Optics). Measured and simulated brightness temperatures over different tundra and rock sites in the Canadian High Arctic show that Weg99, parametrized with SfM-based roughness and optimized permittivity (ε), yielded an RMSE of 3.1 K (R2=0.71) for all frequencies and polarizations. Our SfM based approach allowed us to measure roughness with 0.1 mm accuracy at 55 locations of different land cover type using a digital camera and metal plates of know dimensions

Amélioration de la caractérisation de la neige et du sol arctique afin d’améliorer la prédiction de l’équivalent en eau de la neige en télédétection micro-ondes

Le phénomène de l’amplification arctique consiste en une augmentation plus prononcée des températures de surface dans cette région que sur le reste du globe. Ce phénomène est notamment dû à la diminution marquée du couvert nival provoquant un déséquilibre dans le bilan d’énergie de surface via une réduction généralisée de l’albédo (rétroaction positive). L’accélération du réchauffement est jusqu’à trois fois plus élevée dans ces régions. Il est donc primordial, dans un contexte de changement climatique arctique, de poursuivre et d’améliorer le suivi à grande échelle du couvert nival afin de mieux comprendre les processus gouvernant la variabilité spatio-temporelle du manteau neigeux. Plus spécifiquement, l’Équivalent en Eau de la Neige (EEN) est généralement utilisé pour quantifier deux propriétés (hauteur et densité) de la neige. Son estimation à grande échelle dans les régions éloignées tel que l’Arctique provient actuellement essentiellement de produits en micro-ondes passives satellitaires. Cependant, il existe encore beaucoup d’incertitudes sur les techniques d’assimilation de l’ÉEN par satellite et ce projet vise une réduction de l’erreur liée à l’estimation de l’ÉEN en explorant deux des principales sources de biais tels que : 1) la variabilité spatiale de l’épaisseur et des différentes couches du manteau neigeux arctique liées à la topographie et la végétation au sol influençant l’estimation de l’ÉEN; et 2) les modèles de transfert radiatif micro-ondes de la neige et du sol ne bénéficient pas actuellement d’une bonne paramétrisation en conditions arctiques, là où les erreurs liées à l’assimilation de l’ÉEN sont les plus importantes. L’objectif global est donc d’analyser les propriétés géophysiques du couvert nival en utilisant des outils de télédétection et de modélisation pour diminuer l’erreur liée à la variabilité spatiale locale dans l’estimation du ÉEN à grande échelle, tout en améliorant la compréhension des processus locaux qui affectent cette variabilité. Premièrement, une analyse haute résolution à l’aide de l’algorithme Random Forest a permis de prédire la hauteur de neige à une résolution spatiale de 10 m avec une RMSE de 8 cm (23%) et d’en apprendre davantage sur les processus de distribution de la neige en Arctique. Deuxièmement, la variabilité du manteaux neigeux arctique (hauteur et microstructure) a été incorporée dans des simulations en transfert radiatif micro-ondes de la neige et comparée au capteur satellitaire SSMIS. L’ajout de variabilité améliore la RMSE des simulations de 8K par rapport à un manteau neigeux uniforme. Finalement, une paramétrisation du sol gelé est présentée à l’aide de mesures de rugosité provenant de photogrammétrie (Structure-from-Motion). Cela a permis d’investiguer trois modèles de réflectivité micro-ondes du sol ainsi que la permittivité effective du sol gelé avec une rugosité SfM d’une précision de 0.1 mm. Ces données de rugosité SfM avec une permittivité optimisée (ε'_19 = 3.3, ε'_37 = 3.6) réduisent significativement l’erreur des températures de brillance simulées par rapport à des mesures au sols (RMSE = 3.1K, R^2 = 0.71) pour toutes les fréquences et polarisations. Cette thèse offre une caractérisation des variables de surface (neige et sol) en Arctique en transfert radiatif micro-ondes qui bénéficie aux multiples modélisations (climatiques et hydrologiques) de la cryosphère