Sensitivity of GNSS-R spaceborne observations to soil moisture and vegetation

Global navigation satellite systems-reflectometry (GNSS-R) is an emerging remote sensing technique that makes use of navigation signals as signals of opportunity in a multistatic radar configuration, with as many transmitters as navigation satellites are in view. GNSS-R sensitivity to soil moisture has already been proven from ground-based and airborne experiments, but studies using space-borne data are still preliminary due to the limited amount of data, collocation, footprint heterogeneity, etc. This study presents a sensitivity study of TechDemoSat-1 GNSS-R data to soil moisture over different types of surfaces (i.e., vegetation covers) and for a wide range of soil moisture and normalized difference vegetation index (NDVI) values. Despite the scattering in the data, which can be largely attributed to the delay-Doppler maps peak variance, the temporal and spatial (footprint size) collocation mismatch with the SMOS soil moisture, and MODIS NDVI vegetation data, and land use data, experimental results for low NDVI values show a large sensitivity to soil moisture and a relatively good Pearson correlation coefficient. As the vegetation cover increases (NDVI increases) the reflectivity, the sensitivity to soil moisture and the Pearson correlation coefficient decreases, but it is still significant.Postprint (author's final draft

Ocean surface currents reconstruction from microwave radiometers measurements

Premi Extraordinari de Doctorat, promoció 2014-2015. Àmbit d'Enginyeria de les TICOcean currents are a key component to understanding many oceanic and climatic phenomena and knowledge of them is crucial for both navigation and operational applications. Therefore, a key problem in oceanography is the estimation of the synoptic velocity field. Currently, global ocean surface velocities are routinely estimated from Sea Surface Height (SSH) measurements provided by altimeters. However, the separation between passes, as well as and the limited number of available altimeters leads to errors in the accurate location of oceanic currents when these measurements are used exclusively. Contrarily, satellite images of Sea Surface Temperature (SST) provide a good qualitative view of the location of ocean patterns, which has encouraged the investigation of alternative methodologies to reconstruct the velocity field based on these observations. This Ph.D. thesis has assessed the capability of SST microwave radiometers observations to retrieve ocean surface currents. The reconstruction of the ocean surface currents from SST observations can be expressed in terms of a transfer function notation, that allows to convert SST maps into SSH, and thus into currents. Because under geostrophic balance, the slope of SSH is proportional to ocean surface currents. This transfer function can be theoretically derived using the Surface Quasi-Geostrophic equations (SQG). Two different approaches were analyzed at a global scale: on one side, the analysis of the validity of the SQG approach has been performed, and on the other, an approach based on the synergetic properties between simultaneous SST and SSH observations has been analyzed. Both approaches have been compared with ocean surface currents retrieved from merged altimetric observations. The study has been focused on the period from October 2002 to May 2005, since during that period there were available four different altimeters, and the quality of the merged altimetric observations was enhanced. The analysis of the validity of SQG at a global scale revealed that this dynamical model is valid near the major extratropic current system such us the Gulf Stream, the Antartic Circumpolar Current, Kuroshio currents. Besides, the potential of MW SST observations to reconstruct ocean surface currents was analyzed using a synergetic approach: the combination of the SST phase with the SSH spectra. Actually, we explored under which environmental conditions the phase of the MW SST is close to the SSH phase. Results showed that the phase of the MW SST can be used to retrieve ocean currents during winter, near the major extratropical current systems, which are characterized by an intense mesoscale activity and the presence of strong thermal gradients, and deep ML. Furthermore, the reconstruction of the velocity fields from an ideal transfer function built up from simultaneous SST and SSH observations revealed that the SQG approach can be enhanced. The spectral properties of this ideal transfer function derived from simultaneous SST and SSH observations were characterized at a global scale. The analysis of spectral properties of the transfer function between SST and SSH observations revealed that despite daily spectral can be flatter or steeper than the k^{-1} predicted by SQG theory, in mean eSQG is a good statistically approach to retrieve ocean currents, when no simultaneous observations of SSH and SST are available.Las corrientes oceánicas son clave en muchos procesos oceánicos y climáticos, y su conocimiento es crucial para aplicaciones operacionales y de navegación. Por lo tanto, un aspecto importante en oceanografía es la estimación de campos sinópticos del campo de velocidades superficiales del mar. Actualmente, las velocidades superficiales el mar se estiman rutinariamente a partir de medidas del nivel del mar proporcionadas por altimetros, denotadas a partir de ahora con sus siglas en inglés SSH. Sin embargo, la llocalización de las corrientes puede no ser la correcta si solo se utilizan este tipo de medidas para su estimación, debido a la separación entre trazas del satélite. Por contra, las imágenes de temperatura superficial del mar, SST, proporiconan una visión cualitativa de la localización de las estructruas oceánicas. Este hecho ha motivado la investigación de metodologías alternativas para reconstruir los campos de velocidades superficiales del mar basados en estas observaciones. Esta tesis doctoral ha investigado la capacidad de las observaciones de SST proporcionadas por radiometros de microondas para recuperar las corrientes oceánicas superficiales. La reconstrucción de estas velocidades a partir de observaciones de SST se puede expresar en términos de una función de transferencia que relacione las observaciones de SST con las observaciones de SSH. Con lo que la estimación del campo de velocidades es directa, puesto que bajo la condición de equilibrio geostrófico la pendiente de la SSH es proporcional a las corrientes oceánicas. Esta función de transferencia se puede derivar teóricamente mediante las equaciones superficiales cuasi-geotróficas, denotadas con sus siglas en inglés SQG a partir de ahora. Una pregunta clave, es si las ecuaciones de este modelo dinámico son válidas. En esta tesis, se han llevado a cabo dos aproximaciones diferentes para la reconstrucción del campo de velocidades superficiales del mar: por un lado, el análisis de la validez de las ecuaciones SQG, y por otro, una aproximación basada en las propiedades espectrales de medidas simultáneas de SST y SSH. El estudio se ha centrado en el período comprendido entre Octubre del 2002 y Mayo del 2005, puesto que durante este período había disponibles hasta cuatro altmímetros, y consecuentemente la calidad de las observaciones es mayor. El análisis de la validez de SQG a escala global reveló que este modelo dinámico es válido en las regiones cerca de los sistemas de corrientes extratropicales, como la corriente del Golfo, la Corriente Circumpolar Antártica (ACC), o la Kuroshio. Además, el potencial de las observaciones de SST en el rango de las microondas para la recuperación del campo de velocidades superficiales del mar, ha sido analizado utilizando un método que combina la fase de la SST con el espectro de SSH. En realidad, se ha investigado bajo que condiciones la SST y SSH están en fase. Los resultados mostraron que la fase de la SST de microondas puede utilizarse para para la reconstrucción en invierno, cerca de los sistemas de corrientes extratropicales, caracterizados por una intensa actividad de mesoscala y la presencia de fuertes gradientes termales, así como de capas de mezcla profundas. Asimismo, la reconstrucción del campo de velocidades a partir de una función de transferencia ideal, construida a partir de imágenes simultaneas de SST y SSH, reveló que la aproximación SQG puede ser mejorada. Las propiedades espectrales de esta función de tranferencia ideal han sido estudiadas., así como su variabilidad temporal. Este análisis desveló que para escalas pequeñas y zonas enegéticas, la aproximación SQG es una buena aproximación, al menos, desde un punto de vista estádistico.Award-winningPostprint (published version

Estimation of water resources on continental surfaces by multi-sensor microwave remote sensing

L'estimació dels recursos hídrics de les superfícies continentals a escala regional i global és fonamental per a una bona gestió dels recursos hídrics. Aquesta estimació cobreix una àmplia gamma de temes i camps, incloent-hi la caracterització dels sòls i dels recursos hídrics a l’escala de la conca, la modelització hidrològica i la predicció i la cartografia d'inundacions. En aquest context, la caracterització dels estats de la superfície continental, per a obtenir millors paràmetres d’entrada als models hidrològics, és essencial per millorar la precisió en la simulació de cabals, sequeres i inundacions. L’estimació del contingut d’aigua en el sistema, incloses les diferents masses d’aigua i l’aigua lliure en el sòl, és especialment necessària per a una descripció precisa dels processos hidrològics i, en general, del cicle de l’aigua a les superfícies continentals. Per caracteritzar millor els processos hidrològics, les intervencions antropogèniques no es poden negligir. L'home influeix en el cicle de l'aigua, principalment mitjançant el reg i la construcció de preses, fet que s’ha de quantificar correctament. L’objectiu de la tesi és la millora de l’estimació remota dels recursos hídrics, incloent-hi la quantificació dels factors antròpics, mitjançant l’ús de diversos sensors llançats recentment, aprofitant recents desenvolupaments en la tecnologia de teledetecció. Amb l'arribada de les constel·lacions Sentinel (Sentinel-1, 2, 3), disposem de millors eines per estimar els recursos hídrics, incloent-hi els impactes humans, amb una major precisió i cobertura. Aquest treball de tesi consta principalment de dues línies de recerca on s’estimen les intervencions humanes en el cicle hidrològic: la cartografia del reg (com a aplicació en humitat del sòl), i el forçament d’embassaments en simulacions hidrològiques (com a aplicació de l’altimetria). En la primera linia s’estima la humitat del sòl a partir de l’anàlisi estadística de les dades SAR de Sentinel-1. Es desenvolupen dues metodologies per obtenir la humitat del sòl amb una resolució espacial de 100 m basant-se en la interpretació de les dades de Sentinel-1 obtingudes amb la polarització VV (vertical-vertical), que es combina amb dades òptiques Sentinel-2 per a l'anàlisi dels efectes de la vegetació. Com aplicació de la humitat del sòl, es cartografia el reg en diverses condicions meteorològiques, i amb una alta resolució espacial i temporal. Es proposa una metodologia per a la cartografia del reg mitjançant dades SAR obtingudes en polaritzacions VV (vertical-vertical) i VH (vertical-horitzontal). A partir de la sèrie temporal Sentinel-1, s’analitzen diferents estadístiques i mètriques, incloent-hi el valor mitjà, la variància del senyal, la longitud de la correlació i la dimensió fractal, a partir dels quals es classifiquen els arbres irrigats, els cultius irrigats i els cultius no irrigats. En la segona línia, s’estima el nivell dels embassaments a partir de les dades d’altimetria de Sentinel-3, amb l’altímetre SAR (SRAL), basant-se en diferents algorismes per millorar la precisió. Aquest estudi presenta tres algorismes especialitzats o retrackers destinats a obtenir el nivell de la superfície dels cossos d’aigua estudiats, minimitzant la contaminació de les formes d’ona degut al sòl que els envolta. Es compara el rendiment del mètode proposat de selecció de la porció d’ona amb tres retrackers, és a dir, un retracker de llindar, el retracker del centre de gravetat (OCOG) i un retracker de base física de dos passos. S’obtenen sèries temporals del nivell de la làmina d’aigua d’embassaments situats a la conca del riu Ebre (Espanya). Com aplicació, les sèries de nivell dels embassaments obtingudes s’utilitzen per a forçar els embassaments en simulacions hidrològiques.La estimación de los recursos hídricos de las superficies continentales a escala regional y global es fundamental para una buena gestión de los recursos hídricos. Esta estimación cubre una amplia gama de temas y campos, incluyendo la caracterización de los suelos y de los recursos hídricos a escala de cuenca, la modelización hidrológica y la predicción y la cartografía de inundaciones. En este contexto, la caracterización de los estados de la superficie continental, para obtener mejores parámetros de entrada para los modelos hidrológicos, es esencial para mejorar la precisión en la simulación de caudales, sequías e inundaciones. La estimación del contenido de agua en el sistema, incluidas las diferentes masas de agua y el agua libre en el suelo, es especialmente necesaria para una descripción precisa de los procesos hidrológicos y, en general, del ciclo del agua en las superficies continentales. Una caracterización precisa de los procesos hidrológicos requiere no descuidar las intervenciones humanas. El hombre influye en el ciclo del agua, principalmente mediante el riego y la construcción de embalses, lo que se debe cuantificar correctamente. El objetivo de la tesis es la mejora de la estimación remota de los recursos hídricos, incluyendo la cuantificación de los factores humanos, mediante el uso de varios sensores lanzados recientemente, aprovechando recientes desarrollos en la tecnología de teledetección. Con la llegada de las constelaciones Sentinel (Sentinel-1, 2, 3), disponemos de mejores herramientas para estimar los recursos hídricos, incluyendo los impactos humanos, con una mayor precisión y cobertura. Este trabajo de tesis consta principalmente en dos ejes de investigación donde se estiman las intervenciones humanas en el ciclo hidrológico: la cartografía del riego (como aplicación en humedad del suelo), y el forzamiento de embalses en simulaciones hidrológicas (como aplicación de la altimetría). En relación al primer eje, se estima la humedad del suelo a partir del análisis estadístico de los datos SAR de Sentinel-1. Se desarrollan dos metodologías para obtener la humedad del suelo con una resolución espacial de 100 m basándose en la interpretación de los datos de Sentinel-1 obtenidas con la polarización VV (vertical-vertical), que se combina con datos ópticas Sentinel-2 para el análisis de los efectos de la vegetación. Como aplicación de la humedad del suelo, se cartografía el riego en diversas condiciones meteorológicas, y con una alta resolución espacial y temporal. Se propone una metodología para la cartografía del riego mediante datos SAR obtenidos en polarizaciones VV (vertical-vertical) y VH (vertical-horizontal). A partir de la serie temporal Sentinel-1, se analizan diferentes estadísticas y métricas, incluyendo el valor medio, la varianza de la señal, la longitud de la correlación y la dimensión fractal, a partir de los cuales se clasifican los árboles irrigados, los cultivos irrigados y los cultivos no irrigados. En el segundo eje, se estima el nivel de los embalses a partir de los datos de altimetría de Sentinel-3, con el altímetro SAR (SRAL), basándose en diferentes algoritmos para mejorar la precisión. Este estudio presenta tres algoritmos especializados o retrackers destinados a obtener el nivel de la superficie de los cuerpos de agua estudiados, minimizando la contaminación de las formas de onda debido al suelo que los rodea. Se compara el rendimiento del método propuesto de selección de la porción de onda con tres retrackers, es decir, un retracker de umbral, el retracker del centro de gravedad (OCOG) y un retracker de base física de dos pasos. Se obtienen series temporales del nivel de la lámina de agua de embalses situados en la cuenca del río Ebro (España). Como aplicación, las series de nivel de los embalses obtenidas se utilizan para forzar los embalses en simulaciones hidrológicas.The estimation of the water resources of the continental surfaces at a regional and global scale is fundamental for good water resources management. This estimation covers a wide range of topics and fields, including the characterisation of soils and water resources at the basin scale, hydrological modelling and flood prediction and mapping. In this context, the characterisation of the states of the continental surface, to obtain better input parameters for hydrological models, is essential to improve the precision in the simulation of flows, droughts, and floods. The estimation of the water content in the system, including the different water bodies and the free water in the soil, is especially necessary for a precise description of the hydrological processes and, in general, of the water cycle on the continental surfaces. To better characterise hydrological processes, human interventions cannot be neglected. Humans influence the water cycle, mainly through irrigation and the construction of reservoirs, which must be correctly quantified. The objective of the thesis is the improvement of the remote estimation of water resources, including the quantification of human factors, using several sensors recently launched, taking advantage of recent developments in remote sensing technology. With the arrival of the Sentinel constellations (Sentinel-1, 2, 3), we have better tools to estimate water resources, including human impacts, with greater precision and coverage. This thesis consists mainly of two parts where human interventions in the water cycle are considered: irrigation cartography (as an application of soil moisture), and the forcing of reservoirs in hydrological simulations (as an application of altimetry). Firstly, soil moisture is estimated from the statistical analysis of Sentinel-1 SAR data. Two methodologies are developed to obtain soil moisture with a spatial resolution of 100 m based on the interpretation of Sentinel-1 data collected with the VV polarization (vertical-vertical), which is combined with optical data of Sentinel-2 for the analysis of the effects of vegetation. Secondly, irrigation is mapped under various meteorological conditions, including high spatial and temporal resolution. A methodology for irrigation mapping is proposed using SAR data obtained in VV (vertical-vertical) and VH (vertical-horizontal) polarizations. With Sentinel-1 time series, different statistics and metrics are analysed, including the mean value, the variance of the signal, the correlation length and the fractal dimension, based on which the classification of irrigated trees, irrigated crops, and non-irrigated crops are derived. Finally, the level of the reservoirs is estimated from the Sentinel-3 altimetry data, with the SAR altimeter (SRAL), based on different algorithms to improve the accuracy. This study presents three specialised algorithms or retrackers designed to obtain the level of the surface of the studied inland bodies of water, minimising the contamination of the waveforms due to the surrounding soil. The performance of the selection method of the proposed wave portion is compared with three retrackers, that is, the centre of gravity retracker (OCOG) and the two-step physical-based retracker. Temporal series of the water level of reservoirs located in the basin of the Ebro River (Spain) are obtained. As an application, the level series of the reservoirs obtained are used to force the reservoirs in hydrological simulations.L'estimation et le suivi des ressources en eau des surfaces continentales aux niveaux régional et global est essentielle pour la gestion du bilan hydrique, particulièrement dans le contexte des changements climatiques et anthropiques. Ils couvrent un large éventail de thèmes et de domaines, incluant la caractérisation des ressources en eau à l'échelle du bassin, la modélisation hydrologique ainsi que la prévision et la cartographie des inondations. Dans ce contexte, la caractérisation des états de surface, en tant que paramètres d’entrée dans les modèles hydrologiques, est essentielle pour obtenir une meilleure précision de la simulation, qui est liée à la précision prévisionnelle des débits des cours d’eau et le suivi des sécheresses et des inondations. L'estimation de la teneur en eau des surfaces continentales, incluant l’état hydrique du sol et les niveaux des surfaces couvertes d’eau, est particulièrement nécessaire pour une description précise des processus hydrologiques et plus généralement du cycle de l'eau sur les surfaces continentales. Afin de mieux comprendre les processus hydrologiques, l'influence humaine (l’effet anthropique) sur le cycle de l'eau nécessite une évaluation fine. Elle est particulièrement liée à la gestion de l’irrigation et la construction de barrages. L'objectif de la thèse était d'améliorer l'estimation des ressources en eau et une meilleure caractérisation des interventions anthropiques à travers l'utilisation de nouveaux capteurs satellitaires multi-configurations du programme européen Copernicus. Avec le développement de la technologie de télédétection spatiale, et plus particulièrement avec l’arrivée des constellations Sentinel (Sentinel-1, 2, 3) à haute résolution spatiale et temporelle, il existe un meilleur outil pour estimer les états des surfaces continentales. Ce travail de thèse comprend principalement deux priorités liées à des interventions humaines dans le cycle hydrologique:la cartographie de l'irrigation en tant que action humaine liée directement à l'humidité du sol et le forçage des barrages dans un modèle de simulation de rivière en tant qu'application liée à l’estimation du niveau de l'eau libre. Un premier axe de recherche a été basé sur une analyse statistique des données SAR Sentinel-1 pour caractériser l’état hydrique du sol. Deux méthodes ont été développées pour estimer ce paramètre avec une résolution spatiale de 100 m. Elles sont basées sur des approches de détection de changement à partir des données Sentinel-1 acquises en polarisation VV (verticale-verticale), combinées aux données optiques Sentinel-2 pour corriger les effets de la végétation. L’application consistait à cartographier l'irrigation, avec des résolutions spatiale et temporelle élevées. Une méthodologie de cartographie de l'irrigation utilisant des données SAR Sentinel-1 a été proposée. Elle estbasée sur les acquisitions en polarisations VV (vertical-vertical) et VH (vertical-horizontal). A partir de la série temporelle des mesures Sentinel-1, des paramètres statistiques tel que la valeur moyenne, la variance du signal, la longueur de corrélation temporelle et la dimension fractale, sont analysées, en fonction du type de culture; cultures annuelles irriguées, arbres irrigués et cultures pluviales. Des classifications supervisées utilisant les approches Random Forest et SVM sont testées. En deuxième axe, l'estimation de la hauteur de la surface de l'eau à partir des données altimétriques de Sentinel-3 avec l’altimètre SAR (SRAL) a été réalisée à l'aide de différents algorithmes afin d'améliorer la précision sur des petites surfaces. Cette étude présente trois algorithmes spécialisés (ou retrackers) dédiées à la minimisation de la contamination des sols par les formes d’ondes permettant de récupérer les niveaux d’eau à partir de données altimétriques SAR sur des masses d’eaux intérieures. Les performances de la méthode de sélection de portion de forme d'onde proposée avec trois retrackers, à savoir, le retracker à seuil, le retracker à centre de gravité décalé (OCOG) et le retracker à base physique à 2 étapes, sont comparées. Des séries chronologiques de niveaux d'eau sont extraites pour les masses d'eau du bassin de l'Èbre (Espagne). Une application des produits altimétriques est proposée. Le produit de niveau d’eau a été utilisé comme paramètre d’entrée pour analyser l’effet tampon des barrages dans les simulations de débits fluviaux

Progress in satellite remote sensing for studying physical processes at the ocean surface and its borders with the atmosphere and sea-ice

Physical oceanography is the study of physical conditions, processes and variables within the ocean, including temperature-salinity distributions, mixing of the water column, waves, tides, currents, and air-sea interaction processes. Here we provide a critical review of how satellite sensors are being used to study physical oceanography processes at the ocean surface and its borders with the atmosphere and sea-ice. The paper begins by describing the main sensor types that are used to observe the oceans (visible, thermal infrared and microwave) and the specific observations that each of these sensor types can provide. We then present a critical review of how these sensors and observations are being used to study i) ocean surface currents, ii) storm surges, iii) sea-ice, iv) atmosphere-ocean gas exchange and v) surface heat fluxes via phytoplankton. Exciting advances include the use of multiple sensors in synergy to observe temporally varying Arctic sea-ice volume, atmosphere- ocean gas fluxes, and the potential for 4 dimensional water circulation observations. For each of these applications we explain their relevance to society, review recent advances and capability, and provide a forward look at future prospects and opportunities. We then more generally discuss future opportunities for oceanography-focussed remote-sensing, which includes the unique European Union Copernicus programme, the potential of the International Space Station and commercial miniature satellites. The increasing availability of global satellite remote-sensing observations means that we are now entering an exciting period for oceanography. The easy access to these high quality data and the continued development of novel platforms is likely to drive further advances in remote sensing of the ocean and atmospheric systems

Potential synergetic use of GNSS-R signals to improve the sea-state correction in the sea surface salinity estimation: Application to the SMOS mission

It is accepted that the best way to monitor sea surface salinity (SSS) on a global basis is by means of L-band radiometry. However, the measured sea surface brightness temperature (TB) depends not only on the SSS but also on the sea surface temperature (SST) and, more importantly, on the sea state, which is usually parameterized in terms of the 10-m-height wind speed (U10) or the significant wave height. It has been recently proposed that the mean-square slope (mss) derived from global navigation satellite system (GNSS) signals reflected by the sea surface could be a potentially appropriate sea-state descriptor and could be used to make the necessary sea state TB corrections to improve the SSS estimates. This paper presents a preliminary error analysis of the use of reflected GNSS signals for the sea roughness correction and was performed to support the European Space Agency’s Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) mission; the orbit and parameters for the SMOS instrument were assumed. The accuracy requirement for the retrieved SSS is 0.1 practical salinity units after monthly averaging over 2◦ × 2◦ boxes. In this paper, potential improvements in salinity estimation are hampered mainly by the coarse sampling and by the requirements of the retrieval algorithm, particularly the need for a semiempirical model that relates TB and mss.Postprint (published version

Improving satellite-based monitoring of the Arctic polar regions: identification of research and capacity gaps

We present a comprehensive review of the current status of remotely sensed and in situ sea ice, ocean, and land parameters acquired over the Arctic and Antarctic and identify current data gaps through comparison with the portfolio of products provided by Copernicus services. While we include several land parameters, the focus of our review is on the marine sector. The analysis is facilitated by the outputs of the KEPLER H2020 project. This project developed a road map for Copernicus to deliver an improved European capacity for monitoring and forecasting of the Polar Regions, including recommendations and lessons learnt, and the role citizen science can play in supporting Copernicus’ capabilities and giving users ownership in the system. In addition to summarising this information we also provide an assessment of future satellite missions (in particular the Copernicus Sentinel Expansion Missions), in terms of the potential enhancements they can provide for environmental monitoring and integration/assimilation into modelling/forecast products. We identify possible synergies between parameters obtained from different satellite missions to increase the information content and the robustness of specific data products considering the end-users requirements, in particular maritime safety. We analyse the potential of new variables and new techniques relevant for assimilation into simulations and forecasts of environmental conditions and changes in the Polar Regions at various spatial and temporal scales. This work concludes with several specific recommendations to the EU for improving the satellite-based monitoring of the Polar Regions

Improving satellite-based monitoring of the polar regions: Identification of research and capacity gaps

We present a comprehensive review of the current status of remotely sensed and in situ sea ice, ocean, and land parameters acquired over the Arctic and Antarctic and identify current data gaps through comparison with the portfolio of products provided by Copernicus services. While we include several land parameters, the focus of our review is on the marine sector. The analysis is facilitated by the outputs of the KEPLER H2020 project. This project developed a road map for Copernicus to deliver an improved European capacity for monitoring and forecasting of the Polar Regions, including recommendations and lessons learnt, and the role citizen science can play in supporting Copernicus’ capabilities and giving users ownership in the system. In addition to summarising this information we also provide an assessment of future satellite missions (in particular the Copernicus Sentinel Expansion Missions), in terms of the potential enhancements they can provide for environmental monitoring and integration/assimilation into modelling/forecast products. We identify possible synergies between parameters obtained from different satellite missions to increase the information content and the robustness of specific data products considering the end-users requirements, in particular maritime safety. We analyse the potential of new variables and new techniques relevant for assimilation into simulations and forecasts of environmental conditions and changes in the Polar Regions at various spatial and temporal scales. This work concludes with several specific recommendations to the EU for improving the satellite-based monitoring of the Polar Regions

Monitoring Snow Cover and Snowmelt Dynamics and Assessing their Influences on Inland Water Resources

Snow is one of the most vital cryospheric components owing to its wide coverage as well as its unique physical characteristics. It not only affects the balance of numerous natural systems but also influences various socio-economic activities of human beings. Notably, the importance of snowmelt water to global water resources is outstanding, as millions of populations rely on snowmelt water for daily consumption and agricultural use. Nevertheless, due to the unprecedented temperature rise resulting from the deterioration of climate change, global snow cover extent (SCE) has been shrinking significantly, which endangers the sustainability and availability of inland water resources. Therefore, in order to understand cryo-hydrosphere interactions under a warming climate, (1) monitoring SCE dynamics and snowmelt conditions, (2) tracking the dynamics of snowmelt-influenced waterbodies, and (3) assessing the causal effect of snowmelt conditions on inland water resources are indispensable. However, for each point, there exist many research questions that need to be answered. Consequently, in this thesis, five objectives are proposed accordingly. Objective 1: Reviewing the characteristics of SAR and its interactions with snow, and exploring the trends, difficulties, and opportunities of existing SAR-based SCE mapping studies; Objective 2: Proposing a novel total and wet SCE mapping strategy based on freely accessible SAR imagery with all land cover classes applicability and global transferability; Objective 3: Enhancing total SCE mapping accuracy by fusing SAR- and multi-spectral sensor-based information, and providing total SCE mapping reliability map information; Objective 4: Proposing a cloud-free and illumination-independent inland waterbody dynamics tracking strategy using freely accessible datasets and services; Objective 5: Assessing the influence of snowmelt conditions on inland water resources