Havsis koncentration

Havsiskoncentrationen är en användbar variabel för klimatforskare och nautiska navigatörer . Det definieras som arean av havsis i förhållande till totalen vid en given punkt i havet . Den här artikeln kommer i första hand att behandla dess bestämning från fjärranalysmätningar .

Betydelse

Havsiskoncentrationen hjälper till att bestämma ett antal andra viktiga klimatvariabler. Eftersom albedo är mycket högre än vattens, kommer iskoncentrationen att reglera solinstrålningen i polarhaven. I kombination med istjocklek bestämmer den flera andra viktiga flöden mellan luft och hav, såsom salt- och sötvattenflöden mellan polarhaven (se till exempel bottenvatten ) samt värmeöverföring mellan atmosfären. Kartor över havsiskoncentrationer kan användas för att bestämma isytan och isens utbredning , vilka båda är viktiga markörer för klimatförändringar .

Iskoncentrationsdiagram används också av navigatörer för att bestämma potentiellt farbara områden - se isbrytare .

Metoder

På plats

Mätningar från fartyg och flygplan baseras på att helt enkelt beräkna den relativa arean av is kontra vatten som är synligt inom scenen. Detta kan göras med hjälp av fotografier eller med ögat. In situ-mätningar används för att validera fjärranalysmätningar.

SAR och synlig

Både syntetisk bländarradar och synliga sensorer (som Landsat ) har normalt tillräckligt hög upplösning för att varje pixel helt enkelt klassas som en distinkt yttyp, alltså vatten mot is. Koncentrationen kan sedan bestämmas genom att räkna antalet ispixlar i ett givet område, vilket är användbart för att validera koncentrationsuppskattningar från instrument med lägre upplösning såsom mikrovågsradiometrar. Eftersom SAR-bilder normalt är monokroma och backspridningen av is kan variera ganska avsevärt, görs klassificeringen normalt baserat på struktur med hjälp av grupper av pixlar – se mönsterigenkänning .

Synliga sensorer har nackdelen att vara ganska väderkänsliga – bilder skyms av moln – medan SAR-sensorer, särskilt i de högre upplösningslägena, har en begränsad täckning och måste vara riktade. Det är därför det bästa verktyget för att bestämma iskoncentrationen ofta är en passiv mikrovågssensor.

Mikrovågsradiometri

Arktisk havsis täckning 1980 (botten) och 2012 (överst), som observerats av passiva mikrovågssensorer på NASA:s Nimbus-7-satellit och av Special Sensor Microwave Imager/Sounder (SSMIS) från Defense Meteorological Satellite Program (DMSP). Flerårig is visas i ljust vitt, medan det genomsnittliga havsistäcket visas i ljusblått till mjölkvitt. Uppgifterna visar istäcket för perioden 1 november till 31 januari för sina respektive år.

Alla varma kroppar avger elektromagnetisk strålning: se termisk strålning . Eftersom olika objekt kommer att emittera olika vid olika frekvenser kan vi ofta bestämma vilken typ av objekt vi tittar på baserat på dess emitterade strålning—se spektroskopi . Denna princip ligger till grund för alla passiva mikrovågssensorer och de flesta passiva infraröda sensorer. Passiv används i den meningen att sensorn endast mäter strålning som har sänts ut av andra objekt men inte avger någon egen. (En SAR-sensor är däremot aktiv .) SSMR- och SSMI- radiometrar flögs på Nimbus-programmet och DMSP- serien av satelliter.

Eftersom moln är genomskinliga i mikrovågsregimen, särskilt vid lägre frekvenser, är mikrovågsradiometrar ganska väderokänsliga. Eftersom de flesta mikrovågsradiometrar arbetar längs en polär omloppsbana med en bred, svepande skanning, kan fullständiga iskartor över de polära områdena där strängarna till stor del överlappar varandra erhållas inom en dag. Denna frekvens och tillförlitlighet kommer till priset av en dålig upplösning: en antenns synvinkel är direkt proportionell mot våglängden och omvänt proportionell mot den effektiva bländararean . Därför behöver vi en stor deflektorskål för att kompensera för en låg frekvens.

De flesta iskoncentrationsalgoritmer baserade på mikrovågsradiometri bygger på den dubbla observationen att: 1. olika yttyper har olika, starkt klustrade mikrovågssignaturer och 2. den radiometriska signaturen vid instrumenthuvudet är en linjär kombination av den för de olika yttyperna , där vikterna tar på värdena för de relativa koncentrationerna. Om vi ​​bildar ett vektorrum från var och en av instrumentkanalerna där alla utom en av signaturerna för de olika yttyperna är linjärt oberoende, så är det enkelt att lösa de relativa koncentrationerna:

${\vec {T}}_{b}={\vec {T}}_{b0 }+\summa _{i=1}^{n}({\vec {T}}_{bi}-{\vec {T}}_{b0})C_{i}$

där ${\vec {T}}_{b}$ är den radiometriska signaturen vid instrumenthuvudet (normalt mätt som en ljusstyrketemperatur ), ${\vec {T}}_ {b0}$ är signaturen för den nominella bakgrundsytan (normalt vatten), ${\vec {T}}_{bi}$ är signaturen för den i :te yttypen medan C _i är de relativa koncentrationerna.

Varje operativ iskoncentrationsalgoritm är baserad på denna princip eller en liten variation. NASA-teamalgoritmen fungerar till exempel genom att ta skillnaden mellan två kanaler och dividera med deras summa. Detta gör hämtningen något olinjär , men med fördelen att påverkan av temperaturen mildras. Detta beror på att ljusstyrkans temperatur varierar ungefär linjärt med den fysiska temperaturen när allt annat är lika – se emissivitet – och på att havsisemissiviteten vid olika mikrovågskanaler är starkt korrelerad. Som ekvationen antyder kan koncentrationer av flera istyper potentiellt upptäckas, med NASA-teamet som skiljer mellan förstaårs- och flerårsis (se bilden ovan).

Noggrannheten i havsiskoncentrationen härledd från passiva mikrovågssensorer kan förväntas vara i storleksordningen 5\% (absolut). Ett antal faktorer verkar för att minska noggrannheten hos hämtningarna, de mest uppenbara är variationer i mikrovågssignaturerna som produceras av en given yttyp. För havsis kommer förekomsten av snö, variationer i salt- och fukthalt, närvaron av smältdammar samt variationer i yttemperatur alla att ge stora variationer i mikrovågssignaturen för en given istyp. Särskilt ny och tunn is har ofta en mikrovågssignatur som är närmare den för öppet vatten. Detta är normalt på grund av dess höga saltinnehåll, inte på grund av strålning som överförs från vattnet genom isen – se havsisemissivitetsmodellering . Närvaron av vågor och ytjämnhet kommer att förändra signaturen över öppet vatten. Ogynnsamma väderförhållanden, moln och fuktighet , kommer också att tendera att minska noggrannheten vid hämtningar.

Se även

• Arktisk havsis minskar

externa länkar

• Högupplösta sjöiskoncentrationsdiagram härledda från AMSR-E 89 GHz-kanalen
• Det arktiska inlandsisen Sannfärgad satellitkarta med dagliga uppdateringar.