Issues in the balancing of the SMOS ocean salinity trieval cost function

Peer Reviewe

2000 days of SMOS at the Barcelona Expert Centre: a tribute to the work of Jordi Font

Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) is the first satellite mission capable of measuring sea surface salinity and soil moisture from space. Its novel instrument (the L-band radiometer MIRAS) has required the development of new algorithms to process SMOS data, a challenging task due to many processing issues and the difficulties inherent in a new technology. In the wake of SMOS, a new community of users has grown, requesting new products and applications, and extending the interest in this novel brand of satellite services. This paper reviews the role played by the Barcelona Expert Centre under the direction of Jordi Font, SMOS co-principal investigator. The main scientific activities and achievements and the future directions are discussed, highlighting the importance of the oceanographic applications of the mission.Peer ReviewedPostprint (published version

Study of salinity retrieval errors for the SMOS mission

El treball realitzat en aquesta tesi està emmarcat en la missió SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) de l'Agència Espacial Europea. El satèl·lit es llançarà al febrer del 2007, i mesurarà la salinitat superficial del mar i la humitat del sòl. L'instrument (MIRAS) consisteix en un radiòmetre interferomètric en banda L (1.400-1.430 GHz). Serà la primera vegada que es posarà en òrbita un instrument d'aquestes característiques i que es mesuraran aquests paràmetres. No obstant encara son molts els aspectes científics que queden per resoldre. Aquesta tesi, doncs, ha intentat abordar alguns del temes oberts en la recuperació de la salinitat a partir de les mesures de SMOS.La sensibilitat de la temperatura de brillantor (el què el radiòmetre mesura) a la salinitat és màxima a la freqüència de 1.4GHz, encara que aquesta no és gaire gran. Per altra banda la sensibilitat a la temperatura superficial del mar i a la rugositat és del mateix ordre de magnitud. Això implica que per tal de recuperar la salinitat amb una certa precisió, cal també conèixer aquests altres paràmetres anomenats auxiliars.La recerca feta en aquesta tesi esta gairebé tota basada en dades experimentals de diferents campanyes que s'han realitzat utilitzant diferents radiòmetres en banda L, més boies i altres instruments per mesurar les variables in situ. S'ha fet un estudi sobre els diferents models d'emissivitat que hi ha a l'actualitat. Aquests models tant teòrics com semi-empírics, s'han utilitzat per recuperar la salinitat de la temperatura de brillantor mesurada. Aquesta salinitat recuperada s'ha comparat amb les dades de salinitat adquirides in situ. Els resultats han demostrat que els models semi-empírics recuperen millor la salinitat que no pas els teòrics que s'han analitzat en aquest treball.Els models actuals descriuen la rugositat del mar en funció únicament del vent actual. En alguns casos això no és correcte (mar de fons, mars no desenvolupats totalment). Així analitzant aquestes limitacions, l'autora proposa un nou model semi-empíric, derivat de dades de la campanya WISE. Aquest model descriu la temperatura de brillantor deguda a la rugositat del mar amb dos paràmetres: la velocitat del vent i l'alçada significativa de l'ona. Aquest nou model resulta ser el que recupera salinitat amb més qualitat a partir de dades radiomètriques de tres campanyes diferents, que s'han realitzat amb diferents instruments i en diferents condicions del mar. Errors en els paràmetres auxiliars introdueixen força error en la salinitat recuperada, especialment els errors en la velocitat del vent. En aquesta tesi, diferents fonts de vent i onatge s'han utilitzat per recuperar la salinitat: models meteorològics i oceanogràfics i dades de satèl·lit. Utilitzant com a paràmetres auxiliars dades obtingudes de models la salinitat es recupera amb millor qualitat (probablement, perquè aquests tenen més ressolució espaial i temporal que no pas les mesures des de satèl·lit). De totes maneres aquesta conclusió no es pot extrapolar, ja que això només s'ha provat en una zona geogràfica (la Mediterrània occidental). L'autora proposa obtenir aquests paràmetres auxiliars de les mateixes mesures radiomètriques, així com es fa amb la salinitat. Degut a la configuració de SMOS, cada pixel serà vist des de diferents angles d'incidència. Això ens permetrà poder recuperar més d'una variable, ja que estem tractant un sistema sobredeterminat. Així doncs el mètode d'inversió és capaç de recuperar salinitat, velocitat del vent, onatge i la temperatura superficial del mar. Ara bé, quan utilitzem mètodes d'inversió amb restriccions s'obtenen millors resultats. Així doncs, cal donar al sistema un valor de referència per cada paràmetre i el seu error. Amb aquest mètode l'error en la salinitat recuperada és de l'ordre de 0.2 psu mentre que el vent recuperat té un error d'aproximat de 1 m/s, precisió que no és possible obtenir amb cap model ni satèl·lit, simultani al pas de SMOS

The scientific and personal imprint of Jordi Font, a serene oceanographer

Peer Reviewe

Impact of the local oscillator calibration rate on the SMOS measurements and retrieved salinities

The local oscillators (LOs) of the Soil Moisture and Ocean Salinity mission payload are used to shift the operating frequency of the 72 receivers to an optimal intermediate frequency needed for the signal processing. The LO temperature variations produce phase errors in the visibility, which result in a blurring of the reconstructed brightness temperature (Tb) image. At the end of the commissioning phase, it was decided to calibrate the LO every 10 min while waiting for a more in-depth analysis. During short periods of time, the LOcalibration has been performed every 2 min to assess the impact of a higher calibration rate on the quality of the data. In this paper, by means of a decimation experiment, the relative errors of 6- and 10-min calibration interval data sets are estimated using the 2 min as a reference. A noticeable systematic across- and along-track pattern of amplitude ±0.3 K is observed for Tb differences between 10 and 2 min, whereas this is reduced between 6 and 2 min. A simulation experiment confirms that the nature of such systematic pattern is due to the visibility phase errors induced by the LO calibration rate. Such pattern is propagated into the sea surface salinity (SSS) retrievals. Overall, the SSS error increase (relative to the 2min SSS data) is about 0.39 and 0.14 psu for the 10- and 6-min data sets, respectively. This paper shows that a LO calibration rate of at least 6 min would noticeably improve the SSS retrievals.Peer ReviewedPostprint (published version

Impact of the local oscillator calibration rate on the SMOS measurements and retrieved salinities

The local oscillators (LOs) of the Soil Moisture and Ocean Salinity mission payload are used to shift the operating frequency of the 72 receivers to an optimal intermediate frequency needed for the signal processing. The LO temperature variations produce phase errors in the visibility, which result in a blurring of the reconstructed brightness temperature (Tb) image. At the end of the commissioning phase, it was decided to calibrate the LO every 10 min while waiting for a more in-depth analysis. During short periods of time, the LOcalibration has been performed every 2 min to assess the impact of a higher calibration rate on the quality of the data. In this paper, by means of a decimation experiment, the relative errors of 6- and 10-min calibration interval data sets are estimated using the 2 min as a reference. A noticeable systematic across- and along-track pattern of amplitude ±0.3 K is observed for Tb differences between 10 and 2 min, whereas this is reduced between 6 and 2 min. A simulation experiment confirms that the nature of such systematic pattern is due to the visibility phase errors induced by the LO calibration rate. Such pattern is propagated into the sea surface salinity (SSS) retrievals. Overall, the SSS error increase (relative to the 2min SSS data) is about 0.39 and 0.14 psu for the 10- and 6-min data sets, respectively. This paper shows that a LO calibration rate of at least 6 min would noticeably improve the SSS retrievals.Peer Reviewe

Determination of sea surface salinity and wind speed by L-band microwave radiometry from a fixed platform

The European Space Agency Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) mission aims at obtaining global maps of soil moisture and sea surface salinity from space for large-scale and climatic studies. It uses an L-band (1400–1427 MHz) Microwave Interferometric Radiometer by Aperture Synthesis to measure brightness temperature of the earth’s surface at horizontal and vertical polarizations ( h and v). These two parameters will be used together to retrieve the geophysical parameters. The retrieval of salinity is a complex process that requires the knowledge of other environmental information and an accurate processing of the radiometer measurements. Here, we present recent results obtained from several studies and field experiments that were part of the SMOS mission, and highlight the issues still to be solved

Determination of sea surface salinity and wind speed by L-band microwave radiometry from a fixed platform

The European Space Agency Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) mission aims at obtaining global maps of soil moisture and sea surface salinity from space for large-scale and climatic studies. It uses an L-band (1400–1427 MHz) Microwave Interferometric Radiometer by Aperture Synthesis to measure brightness temperature of the earth’s surface at horizontal and vertical polarizations ( h and v). These two parameters will be used together to retrieve the geophysical parameters. The retrieval of salinity is a complex process that requires the knowledge of other environmental information and an accurate processing of the radiometer measurements. Here, we present recent results obtained from several studies and field experiments that were part of the SMOS mission, and highlight the issues still to be solved