La Presentazione di Paolo Colosio

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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

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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

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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

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Fusione dei ghiacci e livello del mare Aumento del livello medio del mare globale e regionale

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Fusione superficiale e perdita di massa glacializzata La fusione superficiale è dominante nei processi di calving

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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)

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(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.

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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)

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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

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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)

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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)

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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)

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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 )

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2 2

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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

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surface


Trend di fusione superficiale della Groenlandia

Paolo Colosio

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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)

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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

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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

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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

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Grazie per l’attenzione

Background Photo: Caleb Cain Marcus, A poirtrait of ice