Enhanced resolution mapping of melting over the Greenland and Antarctica ice sheets (1979-2016) using passive microwave brightness temperatures Paolo Colosio Prof. Roberto Ranzi Prof. Marco Tedesco Contatti: p.colosio002@unibs.it
Dipartimento di Ingegneria Civile, Architettura, Territorio, Ambiente e di Matematica Università degli Studi di Brescia Lamont-Doherty Earth Observatory, Columbia University
Componenti della criosfera Aree della terra dove l’acqua è in forma solida Sentinella di cambiamenti climatici e
Galleggia
Neve Ghiaccio marino
Groenlandia
Piattaforme di ghiaccio
Antartide
attorno
a ed
Massimo spessore 5-7 m
Calotte di ghiaccio Ghiacciai Permafrost
Groenlandia ed Antartide Massimo spessore 3-4 km Sea level rise
Paolo Colosio
10/07/2021
Aumento della temperatura e le calotte di ghiaccio di Groenlandia ed Antartide
Groenlandia ed Antartide stanno perdendo grandi volumi di ghiaccio
La velocità superficiale dei ghiacciai in Groenlandia è raddoppiata negli ultimi 30 anni
Paolo Colosio
10/07/2021
Fusione dei ghiacci e livello del mare Greenland
Antarctica
Total Mass Loss [Gt]
3748
1878
Mass loss trend [Gt/y]
281
125
Ice density [Gt/km3]
0.9167
0.9167
Volume loss [km3]
4088.58
2048.65
Ocean surface [km2]
361800000
361800000
SLE [mm]
11.30
5.66
172
172
SLR [mm/month]
0.07
0.03
SLR [mm/year]
0.79
0.40
SLR [mm/decade]
7.9
4
Record period GRACE [months]
Contributi all’innalzamento del livello medio degli oceani
Sea level equivalent: aumento del livello medio degli oceani in caso di completa fusione SLEGreenland= ~7 m SLEAntarctica= ~55 m Paolo Colosio
10/07/2021
Current
Future (RCP 8.5) (increased ANT contribution)
Fusione dei ghiacci e livello del mare Variazioni del campo gravitazionale terrestre rendono disomogeneo l’innalzamento del livello degli oceani
Allagamenti più frequenti
Più ampie aree di inondazione Perdite economiche (1.2% of GDP every °C, USA) Coastal environmental problems such as saltwater intrusion
Paolo Colosio
10/07/2021
Fusione dei ghiacci e livello del mare Aumento del livello medio del mare globale e regionale
Paolo Colosio
10/07/2021
Fusione superficiale e perdita di massa glacializzata La fusione superficiale è dominante nei processi di calving
Paolo Colosio
10/07/2021
Sistemi satellitari a microonde passivi Pro: Copertura temporale Risoluzione temporale Copertura spaziale Brodzik
La più lunga serie temporale di dati su larga scala
Limite: Bassa risoluzione spaziale (25 km at 37 GHz)
Paolo Colosio
10/07/2021
(2016)
et
al.
La temperatura di brillanza Temperatura di brillanza: temperatura di un corpo nero che emette la stessa energia del corpo grigio telerilevato in una specifica banda spettrale [300 MHz,300GHz] PMW Rayleigh Jeans: Tb=eT Neve secca: lo scattering volumetrico (parte reale) è dominante rispetto l’assorbimento (parte immaginaria) riducendo l’energia emessa. Neve bagnata: la presenza di acqua liquida nel manto nevoso reduce lo scattering ed aumenta l’assorbimento. Valori di Tb più alti. È possibile classificare aree e giorni in cui è presente neve bagnata al suolo.
Paolo Colosio
10/07/2021
NASA MeASUREs enhanced resolution data Nuovo dataset a migliorata risoluzione spaziale (NASA MeASUREs) Nuovo
algoritmo
di
regridding (rSIR) New EASE 2.0 Grid Risoluzione massima 3.125 km Land-Ocean-Coastline-Ice (LOCI) mask per identificare le aree glacializzate
Paolo Colosio
Brodzik
et
(2016)
10/07/2021
al.
Calibrazione dei dati Lunga copertura temporale Famiglie di sensori: SMMR SSM/I
SSMI/S Differenze costruttive Inter-calibrazione
Fonte di errore
𝑇𝑏𝐹08𝐶 = 𝑚𝑇𝑏𝑆𝑀𝑀𝑅 + 𝑞 SMMR
SSM/I (F08)
SSM/I (F11)
SSM/I (F13)
SSMI/S (F17)
Platform
NIMBUS-7
DMSP-F08
DMSP-F11
DMSP-F13
DMSP-F17
Temporal coverage
1978.10.26-1987.8.20
1987.7.9-1991.12.30
1991.12.3-1995.9.30
1995.5.3-2009.4.1
2006.11.4-operating
Frequency (GHz)
37
37
37
37
37
IFOV (Ka band) [Km2]
27*18
37*28
37*28
37*28
37*28
Incidence Angle
50.2°
53.1°
53.1°
53.1°
53.1°
Swath width [km]
780
1400
1400
1400
1700
Data acquisition
Alternate days
Daily
Daily
Daily
Daily
Ascending Equator Crossing Time
24:00
18:17
18:25
17:43
18:33
Descending Equator Crossing Time
12:00
06:10
05:00
05:51
07:08
Paolo Colosio
10/07/2021
Melt detection: Threshold-based approach Thresholds: 245K
Tc sopra la quale non aumenta ulteriormente Tb
Soglia fissa
(Tedesco, 2009 ) MEMLS
Dinamica in spazio e tempo
𝑇𝑐 (𝑥, 𝑦, 𝑡) = 𝑇𝑤𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟 (𝑥, 𝑦, 𝑡) + ∆𝑇
Considera le condizioni di neve secca (Twinter) ed è calibrata su LWC=0.2%
∆𝑇 = 𝛼𝑇𝑤𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟 + 𝛽 𝛼 = −0.52 𝛽 = 128 𝐾
Valutazione performance: -Automatic weather station air temperature data -Outputs del modello climatico regionale MAR (Fettweis et al.,
2017)
Paolo Colosio
10/07/2021
Modello elettromagnetico MEMLS
Valutazione performance - temperatura dell’aria da AWS (commission/omission) Qualitative and quantitative evaluation through comparison with AWS data. Risultati: 245K
conservativo
MEMLS riesce a captare eventi sporadici di fusione (0.2% LWC)
Paolo Colosio
10/07/2021
Valutazione performance – modello MAR (commission/omission) LWC simulato da
MAR (Crocus snowpack model)
mediato lungo i primi 5cm ed 1m dalla superficie Risultati: La soglia 245K classifica bene fusione profonda (1 m averaged LWC)
La soglia calcolata con MEMLS riesce a classificare eventi sporadici (teoricamente quando LWC=0.2% nei primi 5 cm)
Paolo Colosio
10/07/2021
Valutazione performance – estensione della supeficie in fusione (MAR) LWC simulato da MAR (Crocus snowpack model)
mediato lungo i primi 5cm ed 1m dalla superficie Risultati: La soglia 245K è troppo conservativa sottostima l’estensione della fusione superficiale
La soglia calcolata con MEMLS mostra valori di NSE accettabili
più
affidabile
per
la
dell’estensione della fusione
NSE = 1 −
MEi (𝑀𝐴𝑅) − MEi (𝑃𝑀𝑊 ) MEi (MAR) − ME(𝑀𝐴𝑅 )
Paolo Colosio
2 2
10/07/2021
stima
245K vs MAR1m
MEMLS vs MAR5cm
Indici di fusione Scala locale (pixel-by-pixel):
Indici sintetici:
Melt onset date (MOD)
Mean melt duration (MMD)
Melt end date (MED)
Maximum
Melt duration
melting
(MMS) Mean MOD/MED
Paolo Colosio
10/07/2021
surface
Trend di fusione superficiale della Groenlandia
Paolo Colosio
10/07/2021
Trend di fusione superficiale della Groenlandia
Inizio e fine della stagione di fusione 𝑡𝑟𝑒𝑛𝑑 (𝑀𝐸𝑀𝐿𝑆)
𝑚𝑀𝐸𝐷(79−19)
𝑡𝑟𝑒𝑛𝑑 (245𝐾)
𝑔𝑖𝑜𝑟𝑛𝑖
= 3.56 𝑑𝑒𝑐𝑎𝑑𝑒 𝑔𝑖𝑜𝑟𝑛𝑖
𝑚𝑀𝐸𝐷(79−19) = 4.36 𝑑𝑒𝑐𝑎𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑒𝑛𝑑(𝑀𝐸𝑀𝐿𝑆)
𝑚𝑀𝑂𝐷(88−19)
= −0.50
𝑔𝑖𝑜𝑟𝑛𝑖 𝑑𝑒𝑐𝑎𝑑𝑒
Paolo Colosio
Durata media della fusione 𝑡𝑟𝑒𝑛𝑑 (𝑀𝐸𝑀𝐿𝑆)
𝑚𝑀𝑀𝐷(79−19)
𝑡𝑟𝑒𝑛𝑑 (245𝐾)
= 4.51
𝑚𝑀𝑀𝐷(79−19) = 2.49 𝑡𝑟𝑒𝑛𝑑 (𝑀𝐸𝑀𝐿𝑆)
𝑚𝑀𝑀𝐷(88−19)
10/07/2021
𝑔𝑖𝑜𝑟𝑛𝑖 𝑑𝑒𝑐𝑎𝑑𝑒
𝑔𝑖𝑜𝑟𝑛𝑖 𝑑𝑒𝑐𝑎𝑑𝑒
= 2.91
𝑔𝑖𝑜𝑟𝑛𝑖 𝑑𝑒𝑐𝑎𝑑𝑒
Estensione massima della fusione superficiale 𝑡𝑟𝑒𝑛𝑑 (𝑀𝐸𝑀𝐿𝑆)
= 6.9
% 𝑑𝑒𝑐𝑎𝑑𝑒
𝑡𝑟𝑒𝑛𝑑 (𝑀𝐸𝑀𝐿𝑆)
= 3.6
% 𝑑𝑒𝑐𝑎𝑑𝑒
𝑚𝑀𝑀𝐷(79−19)
𝑚𝑀𝑀𝐷(88−19)
Trend di fusione superficiale dell’Antartide Melt duration trend 1980-2015 (245K)
Melt duration trend 1980-2015 (MEMLS)
Synthetic melt parameters trends 1988-2016
𝑡𝑟𝑒𝑛𝑑(𝐴𝐼𝑆)
𝑑𝑎𝑦𝑠
𝜇𝑀𝐷(245𝐾) = −0.2892 𝑦𝑒𝑎𝑟
𝑑𝑎𝑦𝑠
𝑡𝑟𝑒𝑛𝑑(𝐴𝐼𝑆)
𝜇𝑀𝐷(𝑀𝐸𝑀𝐿𝑆) = −0.5228 𝑦𝑒𝑎𝑟 𝑡𝑟𝑒𝑛𝑑(𝑃𝑒𝑛)
Amery ice shelf-MD trend 1980-2015 (245K)
𝑑𝑎𝑦𝑠
𝜇𝑀𝐷(245𝐾) = −0.4757 𝑦𝑒𝑎𝑟
Amery ice shelf-MD trend 1980-2015 (MEMLS)
𝑑𝑎𝑦𝑠
𝑡𝑟𝑒𝑛𝑑(𝑃𝑒𝑛)
𝜇𝑀𝐷(𝑀𝐸𝑀𝐿𝑆) = −0.7310 𝑦𝑒𝑎𝑟
Antarctic Peninsula-MD trend 1980-2015 (245K)
𝑑𝑎𝑦𝑠
𝑡𝑟𝑒𝑛𝑑(𝐴𝑚𝑒𝑟𝑦)
= −0.1372 𝑦𝑒𝑎𝑟
𝑡𝑟𝑒𝑛𝑑(𝐴𝑚𝑒𝑟𝑦)
= −0.4718 𝑦𝑒𝑎𝑟
𝜇𝑀𝐷(245𝐾) Antarctic Peninsula-MD trend 1980-2015 (MEMLS)
𝜇𝑀𝐷(𝑀𝐸𝑀𝐿𝑆)
𝑑𝑎𝑦𝑠
Results only partially agree Melt duration trend map of Antarctica obtained by Tedesco (2009) (a) and Picard et al. (2007) (b)
Paolo Colosio
10/07/2021
with previous studies
Antarctide – limiti della metodologia applicata General values of emission properties of dry winter snow, refrozen spring snow and wet spring snow (Ulaby et al., 1986 )
Tedesco (2009) ha ottenuto trend opposti sulla Penisola Antartica
Diverso dataset: 19 GHz vs 37 GHz Stesso algoritmo: MEMLS2 Diverse caratteristiche emissive della neve ricongelata a 37 GHz e 19 GHz
37 GHz minimo locale
Melt duration map of Antarctica obtained by Tedesco (2009) (a) and in this work (b)
19 GHz massimo locale Sottostima eventi di fusione sporadica con 37 GHz vs 19 GHz Buona rappresentazione della distribuzione 19 GHz, Horizontal polarization 25 km resolution
37 GHz, Horizontal polarization 3.125 km resolution
Paolo Colosio
10/07/2021
spaziale
Riferimenti
Paolo Colosio
10/07/2021
Riferimenti Articolo di riferimento:
Colosio, P., Tedesco, M., Ranzi, R., and Fettweis, X.: Surface melting over the Greenland ice sheet derived from enhanced resolution passive microwave brightness temperatures (1979–2019), The Cryosphere, 15, 2623–2646, https://doi.org/10.5194/tc-15-2623-2021, 2021. Altri riferimenti:
Brodzik, M. J., Long, D. G., Hardman, M. A., Paget, A., and Armstrong, R. L.: MEaSUREs Calibrated Enhanced-Resolution Passive Microwave Daily EASE-Grid 2.0 Brightness Temperature ESDR, Version 1, National Snow and Ice Data Center, Boulder, Colorado, USA [data set], https://doi.org/10.5067/MEASURES/CRYOSPHERE/NSIDC-0630.001, 2016.
Fettweis, X., Box, J. E., Agosta, C., Amory, C., Kittel, C., Lang, C., van As, D., Machguth, H., and Gallée, H.: Reconstructions of the 1900–2015 Greenland ice sheet surface mass balance using the regional climate MAR model, The Cryosphere, 11, 1015–1033, https://doi.org/10.5194/tc-11-1015-2017, 2017. Tedesco, M.: Assessment and development of snowmelt retrieval algorithms over Antarctica from K-band spaceborne brightness temperature (1979–2008), Remote Sens. Environ., 113, 979–997, https://doi.org/10.1016/j.rse.2009.01.009, 2009.
Paolo Colosio
10/07/2021
Grazie per l’attenzione
Background Photo: Caleb Cain Marcus, A poirtrait of ice