A combined radiative transfer model for sea ice, open ocean, and atmosphere

A radiative transfer model to compute brightness temperatures in the microwave frequency range for polar regions including sea ice, open ocean, and atmosphere has been developed and applied to sensitivity studies and retrieval algorithm development. The radiative transfer within sea ice is incorporated according to the “many layer strong fluctuation theory” of Stogryn [1986, 1987] and T. Grenfell [Winebrenner et al., 1992]. The reflectivity of the open water is computed with the three-scale model of Schrader [1995]. Both surface models supply the bistatic scattering coefficients, which define the lower boundary for the atmospheric model. The atmospheric model computes the gaseous absorption by the Liebe et al. [1993] model. Scattering by hydrometeors is determined by Mie or Rayleigh theory. Simulated brightness temperatures have been compared with special sensor microwave imager (SSM/I) observations. The comparison exhibits shortcomings of the ice model for 37 GHz. Applying a simple ad hoc correction at this frequency gives consistent comparison results within the range of observational accuracy. The simulated brightness temperatures show the strong influence of clouds and variations of wind speed over the open ocean, which will affect the sea ice retrieval even for an ice-covered ocean. Simulated brightness temperatures have been used to train a neural network algorithm for the total sea ice concentration, which accounts for these effects. Sea ice concentrations sensed from the SSM/I data using the network and the NASA sea ice algorithm show systematic differences in dependence on cloudiness

Bestimmung des Gesamtwasserdampfgehaltes aus Mikrowellenbeobachtungen vom Satelliten aus

Der Wasserdampfgehalt ist für den atmosphärischen Energiehaushalt von großer Bedeutung. Für seine Bestimmung vom Satelliten aus werden zunehmend Mikrowellenverfahren angewendet, die die Gewinnung von Informationen aus allen Atmosphärenschichten auch bei bewölkter Troposphäre ermöglichen. Das Mikrowellenradiometer SMMR an Bord von NIMBUS 7 mißt bei 18, 21 und 37 GHz Helligkeitstemperaturen, die zur Ableitung des Gesamtwasserdampfgehaltes herangezogen werden. Verschiedene Kombinationen dieser Temperaturen führen zu unterschiedlichen existierenden Verfahren zur Bestimmung des Gesamtwasserdampfgehaltes. Fünf Algorithmen werden untersucht. Davon benutzen zwei die Temperaturdifferenz T 21 - T 18, drei lassen die Helligkeitstemperaturen einzeln in statistisch gewonnene Bestimmungsgleichungen eingehen. In dieser Arbeit soll der beste für nordatlantische Verhältnisse arbeitende Algorithmus gefunden werden. Dafür steht in Form des FGGE - Datensatzes aus dem Jahre 1979 ein umfangreiches Vergleichsmaterial zur Verfügung. Voruntersuchungen der statistisch gewonnenen Gleichungen mit Helligkeitstemperaturen, die von einem Strahlungstransportmodell geliefert werden, zeigen, daß die Verwendung unterschiedlicher statistischer Information bei der Herleitung solcher Algorithmen zu erheblichen Genauigkeitsu-1terschieden zwischen den Verfahr,,n führen und diese häufig nur regionale Gültigkeit besitzen. Diese unterschiede verstärken sich noch bei der Verwendung von gemessenen ( SMMR ) Daten. Der Ausschluß von störenden Signaleinflüssen durch hohe Bodenwindgeschwindigkeiten und Niederschläge führen nicht zu den theoretisch erwarteten Verbesserungen in der Ableitungsgenauigkeit der Verfahren. Erheblich bessere Ergebnisse werden erzielt, wenn ausschließlich bei Nacht gemessene Daten statt der sonst üblichen ganztägigen Messwerte verwendet werden. Der Ansatz nach GLOERSEN et al. ( 1984) liefert mit einer Genauigkeit von 3.19 kg/m2 das beste Ergebnis. Eine Verbesserung der Genauigkeit der Verfahren wird durch eine Anpassung erzielt. Dadurch kann der Fehler bei dem Ansatz von GLOERSEN et al. ( 1984) auf 2.82 kg/m2 reduziert werden, aber auch das Verfahren von CHANG et al. ( 1980) leitet jetzt den Gesamtwasserdampfgehalt mit einem Fehler von nur 2.96 kg/m2 ab