Microwave remote sensing of snow and environment

Hemispheric snow extent and snow mass are two important parameters affecting the water cycle, carbon cycle and the radiation balance in particular at the high latitudes. In this dissertation these topics have been investigated focusing on the mapping of snow clearance day (melt-off day) and Snow Water Equivalent (SWE) by applying spaceborne microwave radiometer instruments. New algorithms have been developed and existing ones have been further advanced. Specific attention has been paid to estimate snow in boreal forests. This work has resulted in Climate Data Records (CDRs) of snow clearance day and daily values of SWE. Data are available for the entire Northern Hemisphere covering more than three decades. The developed CDRs are relevant for climate research, for example concerning the modeling of Earth System processes. CDR on snow clearance day can be used to map the CO2 balance between the biosphere and atmosphere in the case of boreal forests, which is demonstrated in the thesis. Further, methodologies to assess snow mass in terms of SWE for hemispherical and regional scales have been developed. The developed methodologies have also resulted in the establishment of new Near-Real-Time (NRT) satellite data services for hydrological end-use. In hydrology SWE data are used to enhance the performance of river discharge forecasts, which is highly important for hydropower industry and flood prevention activities

Early snowmelt significantly enhances boreal springtime carbon uptake

We determine the annual timing of spring recovery from space-borne microwave radiometer observations across northern hemisphere boreal evergreen forests for 1979-2014. We find a trend of advanced spring recovery of carbon uptake for this period, with a total average shift of 8.1 d (2.3 d/decade). We use this trend to estimate the corresponding changes in gross primary production (GPP) by applying in situ carbon flux observations. Micrometeoro-logical CO2 measurements at four sites in northern Europe and North America indicate that such an advance in spring recovery would have increased the January-June GPP sum by 29 g.C.m(-2) [8.4 g.C.m(-2) (3.7%)/decade]. We find this sensitivity of the measured springtime GPP to the spring recovery to be in accordance with the corresponding sensitivity derived from simulations with a land ecosystem model coupled to a global circulation model. The model-predicted increase in springtime cumulative GPP was 0.035 Pg/decade [15.5 g.C.m(-2) (6.8%)/decade] for Eurasian forests and 0.017 Pg/decade for forests in North America [9.8 g.C.m(-2) (4.4%)/decade]. This change in the springtime sum of GPP related to the timing of spring snowmelt is quantified here for boreal evergreen forests.Peer reviewe

Preface to the special issue on Monitoring and Modelling of Carbon-Balance-, Water- and Snow-Related Phenomena at Northern Latitudes

201

”Muuttuvissa olosuhteissa Suomi ei enää anna aihetta huoleen Ruotsille.” : Suomi ja Ruotsin EY-jäsenyysprojekti 1990–1991

Tässä tutkielmassa tarkastellaan Suomen ja Ruotsin poliittisia suhteita vuosina 1990 – 1991 maiden integraatiopolitiikan kautta. Tutkielma käsittelee Ruotsin muuttunutta integraatiopoliittista linjaa ja sen vaikutuksia maiden suhteisiin. Esiin nousevat erityisesti Ruotsin hallituksen uusi integraatiopoliittinen linja, Ruotsin ulkoministerin Sten Anderssonin tästä poikennut lausunto marraskuussa 1990 sekä Ruotsin ilmoituksen myötä muuttunut turvallisuuspolitiikka, joka liukui puolueettomuudesta kohti sotilaallista liittoutumattomuutta. Tutkielmassa analysoidaan, kuinka Ruotsin päätös anoa EY-jäsenyyttä vuonna 1991 kaikkine episodeineen vaikutti Suomen ja Ruotsin suhteisiin. Samalla tarkastellaan niitä tekijöitä, jotka heikensivät maiden välisiä suhteita, maiden puolueettomuuspolitiikan eroja sekä ETA-neuvottelujen merkitystä maiden integraatiopolitiikalle. Keskeisiä toimijoita, joita tarkastellaan tässä tutkimuksessa, ovat Suomen ja Ruotsin ulkopolitiikan ylin johto sekä maiden ulkoministeriöiden korkeat virkamiehet. Ulkoministeriö arkiston raportit vuosilta 1990 – 1991, joista suurin osa on kirjoitettu Suomen Tukholman suurlähetystössä, muodostavat merkittävimmän osan aineistosta. Lisäksi perehdytään aikalaiskeskusteluun suomalaisen ja ruotsalaisen sanomalehtiaineiston avulla. Tukea päätelmille tarjoavat seminaariesitelmät ja muu arkistomateriaali sekä sekundäärilähteenä muistelma- ja tutkimuskirjallisuus. Keskeisenä tutkimustuloksena esitetään, että Ruotsin integraatiopolitiikka syksyllä 1990 heikensi Suomen ja Ruotsin kahdenvälisiä suhteita. Lisäksi esitetään, että seurannut kehitys osoitti Suomen ja Ruotsin ulko- ja turvallisuuspoliittisen suhteen muuttuneen kylmän sodan päättyessä. Suomessa Ruotsin EY-jäsenyydestä huolestuttiin monesta syystä. Jäsenyys vaaransi Suomelle tärkeät ETA-neuvottelut, osoitti maiden puolueettomuuspolitiikan erot ja näytti, että Ruotsissa sisäpoliittiset motiivit ajoivat Suomen edun ohitse. Tutkimustuloksena esitetään myös, että Suomen ja Ruotsin heikentyneet suhteet näkyivät myös henkilötasolla. Erityisesti presidentti Mauno Koivisto näki Ruotsin kehityksen vaarantavan Suomen integraatiopoliittisen linjan. Tästä huolimatta myös Suomessa alkoi pohdinta ETA:n vaihtoehdoista viimeistään keväällä 1991. Ruotsin ilmoitus syksyllä 1990 aloitti Ruotsissa uudenlaisen ulkopolitiikan ajan, mikä aiheutti Suomessa hämmennystä sekä pettymystä. Tästä huolimatta tarkastellulla ajanjaksolla Suomen ja Ruotsin kanssakäyminen oli hyvin tiivistä ja tulehtuneita suhteita pyrittiin myös korjaamaan aktiivisesti

Interferometrisen radiometrin kaukokartoitussovellutukset

Interferometrista radiometriaa on aiemmin menestyksekkäästi sovellettu radioastronomisissa tutkimuksissa. Nyt samankaltaista teknologiaa ollaan kehittämässä myös satelliittikaukokartoituksen tehtäviin. Uusi ja kiinnostava taajuusalue on 1,4 GHz, joka avaa näkymiä eräiden spatiaaliselta jakaumaltaan ennestään varsin tuntemattomien parametrien kaukokartoittamiseen. Tällaisia ovat mm. maankosteuden ja meren suolapitoisuuden globaali määrittäminen. Muita kiinnostavia parametrejä ovat routa ja merijää, joista jälkimmäisen osalta taajuusalue täydentää aiempia menetelmiä. Matala taajuus tuo mukanaan myös uusia ongelmia, joista eräs on Faraday-kiertymän vaikutus radiokirkkauteen. Teknologian soveltamisessa on lisäksi eräitä muita erityispiirteitä. Tässä työssä on selvitetty interferometrisen radiometrin käyttöä kaukokartoituksessa sekä siihen liittyviä ongelmia ja vaatimuksia. Tärkeimpien parametrien osalta on muodostettu kirjallisuuden pohjalta suoria kirkkauslämpötilamalleja sekä testattu niitä. Jos käytössä on ollut mittaustietoja, on suorista malleista muodostettu käänteismalleja ja mittaustulosten pohjalta arvioitu kaukokartoitusparametrien arvoja. Lisäksi on pohdittu sovellutusten käyttömahdollisuuksia Suomen olosuhteissa

Lumen ja ympäristön mikroaaltokaukokartoitus

Hemispheric snow extent and snow mass are two important parameters affecting the water cycle, carbon cycle and the radiation balance in particular at the high latitudes. In this dissertation these topics have been investigated focusing on the mapping of snow clearance day (melt-off day) and Snow Water Equivalent (SWE) by applying spaceborne microwave radiometer instruments. New algorithms have been developed and existing ones have been further advanced. Specific attention has been paid to estimate snow in boreal forests. This work has resulted in Climate Data Records (CDRs) of snow clearance day and daily values of SWE. Data are available for the entire Northern Hemisphere covering more than three decades. The developed CDRs are relevant for climate research, for example concerning the modeling of Earth System processes. CDR on snow clearance day can be used to map the CO2 balance between the biosphere and atmosphere in the case of boreal forests, which is demonstrated in the thesis. Further, methodologies to assess snow mass in terms of SWE for hemispherical and regional scales have been developed. The developed methodologies have also resulted in the establishment of new Near-Real-Time (NRT) satellite data services for hydrological end-use. In hydrology SWE data are used to enhance the performance of river discharge forecasts, which is highly important for hydropower industry and flood prevention activities.Pohjoisen pallonpuoliskon lumialueen laajuus ja lumen massa ovat kaksi tärkeää fysikaalista parametria jotka vaikuttavat veden ja hiilen kiertoon sekä säteilytasapainoon erityisesti korkeilla leveysasteilla. Tässä väitöksessä näitä aihepiirejä on käsitelty tutkimalla lumen sulantapäivää sekä lumen vesiarvoa käyttäen satelliittien mikroaaltoradiometrien mittauksia. Olemassaolevia algoritmeja on parannettu sekä on kehitetty uusia menetelmiä. Erityisenä painopistealueena on ollut boreaalinen metsävyöhyke. Työn tuloksena on saatu pitkä aikasarja lumen sulantapäivästä sekä lumen vesiarvosta. Aikasarjat kattavat yli kolmen vuosikymmenen aikajakson. Aikasarjat ovat merkittäviä ilmastotutkimuksen kannalta, esimerkiksi geofysikaalisten prosessien mallintamiseksi. Lumen sulantapäivän aikasarjaa voidaan käyttää hiilidioksiditasapainon arvioimiseksi biosfäärin ja ilmakehän välillä ja väitöksessä esitetään tästä tuloksia. Lisäksi työssä on kehitetty menetelmiä arvioida lumen massaa pohjautuen lumen vesiarvoon pohjoisella pallonpuoliskolla että paikallisemmassa mittakaavassa. Aikasarjojen lisäksi työn tuloksena on syntynyt myös satelliittiaineistojen lähes reaaliaikaisia tuotepalveluita hydrologiseen käyttöön. Lumen vesiarvotietoa voidaan hyödyntää mm. jokien virtausennusteissa, jotka ovat merkittäviä vesivoimayhtiöille ja auttavat myös tulvien torjunnassa

GlobSnow v3.0 snow water equivalent (SWE)

ESA GlobSnow v3.0 snow water equivalent (SWE) dataset. Time series of 1980-2018 Northern Hemisphere terrestrial (non-mountainous) snow water equivalent data, containing monthly and monthly-bias-corrected SWE estimates. Dataset constructed by combining satellite-based passive microwave radiometer data (Nimbus-7 SMMR, DMSP 5D2 SSM/I and DMSP 5D3 SSMIS) with ground based synoptic snow depth observations using bayesian data assimilation, incorporating HUT Snow Emission model; by Pulliainen et al. 1999 (doi:10.1109/36.763302) and Lemmetyinen et al. 2011 (doi:10.1109/TGRS.2010.2041357). SWE retrieval according to Takala et al. 2011 (doi:10.1016/j.rse.2011.08.014) and Pulliainen 2006 (doi:10.1016/j.rse.2006.01.002). Dataset contains monthly SWE data and monthly bias-corrected SWE data. Bias-correction according to Pulliainen et al. 2020 (doi:10.1038/s41586-020-2258-0)

Fast Hardware Construction and Refitting of Quantized Bounding Volume Hierarchies

There is recent interest in GPU architectures designed to accelerate ray tracing, especially on mobile systems with limited memory bandwidth. A promising recent approach is to store and traverse Bounding Volume Hierarchies (BVHs), used to accelerate ray tracing, in low arithmetic precision. However, so far there is no research on refitting or construction of such compressed BVHs, which is necessary for any scenes with dynamic content. We find that in a hardware-accelerated tree update, significant memory traffic and runtime savings are available from streaming, bottom-up compression. Novel algorithmic techniques of modulo encoding and treelet-based compression are proposed to reduce backtracking inherent in bottom-up compression. Together, these techniques reduce backtracking to a small fraction. Compared to a separate top-down compression pass, streaming bottom-up compression with the proposed optimizations saves on average 42% of memory accesses for LBVH construction and 56% for refitting of compressed BVHs, over 16 test scenes. In architectural simulation, the proposed streaming compression reduces LBVH runtime by 20% compared to a single-precision build, and 41% compared to a single-precision build followed by top-down compression. Since memory traffic dominates the energy cost of refitting and LBVH construction, energy consumption is expected to fall by a similar fraction.submittedVersionPeer reviewe

PLOCTree: A Fast, High-Quality Hardware BVH Builder

In the near future, GPUs are expected to have hardware support for real-time ray tracing in order to, e.g., help render complex lighting effects in video games and enable photorealistic augmented reality. One challenge in real-time ray tracing is dynamic scene support, that is, rebuilding or updating the spatial data structures used to accelerate rendering whenever the scene geometry changes. This paper proposes PLOCTree, an accelerator for tree construction based on the Parallel Locally-Ordered Clustering (PLOC) algorithm. Tree construction is highly memory-intensive, thus for the hardware implementation, the algorithm is rewritten into a bandwidtheconomical form which converts most of the external memory traffic of the original software-based GPU implementation into streaming on-chip data traffic. As a result, the proposed unit is 3.9 times faster and uses 7.7 times less memory bandwidth than the GPU implementation. Compared to state-of-the-art hardware builders, PLOCTree gives a superior performance-quality tradeoff: it is nearly as fast as a state-of-the-art low-quality linear builder, while producing trees of similar Surface Area Heuristic (SAH) cost as a comparatively expensive binned SAH sweep builder.acceptedVersionPeer reviewe