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Detection of the Depth-Hoar Layer in the Snow-Pack of the Arctic Coastal Plain of Alaska, U.S.A., Using Satellite Data

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

D. K. Hall
Affiliation:
Hydrological Sciences Branch, NASA/Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Maryland 20771, U.S.A
A. T. C. Chang
Affiliation:
Hydrological Sciences Branch, NASA/Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Maryland 20771, U.S.A
J. L. Foster
Affiliation:
Hydrological Sciences Branch, NASA/Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Maryland 20771, U.S.A
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Abstract

The snow-pack on the Arctic Coastal Plain of Alaska has a well-developed depth-hoar layer which forms each year at the base of the snow-pack due to upward vapor transfer resulting from a temperature gradient in the snow-pack. The thickness of the depth-hoar layer tends to increase inland where greater temperature extremes (in particular, lower minimum temperatures) permit larger temperature gradients to develop within the snow-pack. Brightness temperature (T B) data were analyzed from October through May for four winters using the 37 GHz horizontally polarized Nimbus-7 Scanning Multichannel Microwave Radiometer (SMMR). By mid-winter each year, a decrease in T B of approximately 20K was found between coastal and inland sites on the Arctic Coastal Plain of Alaska. Modeling has indicated that a thicker depth-hoar layer in the inland sites could be responsible for the lower T Bs. The large grain-sizes of the depth-hoar crystals scatter the upwelling radiation moreso than do smaller crystals, and greater scattering lowers the microwave T B. Using a two-layered radiative transfer model, the crystal diameter in the top layer was assumed to be 0.50 mm. The crystals in the depth-hoar layer may be 5–10 mm in diameter but the effective crystal diameter used in the radiative-transfer model is 1.40 mm. The crystal size used in the model had to be adjusted downward, relative to the actual crystal size, because the hollow, cup-shaped depth-hoar crystals are not as effective at scattering the microwave radiation as are spherical crystals that are assumed in the model. In the model, when the thickness of the depth-hoar layer was increased from 5 cm to 10 cm, a 21K decrease in T B resulted. This is comparable to the decrease in T B observed from coastal to inland sites in the study area.

Résumé

Résumé

La couche de neige de la plaine cotière arctique de l’Alaska possède un niveau bien marqué de givre de profondeur qui se forme chaque année à sa base, sous l’effet du transfert ascendant de vapeur dû au gradient vertical de température. L’épaisseur de cette couche de givre de profondeur a tendance à croître vers l’intérieur des terres où des températures extrêmes plus importantes (en particulier, un minimum plus bas) induisent des gradients plus important dans la couche de neige. Les données de température de brillance (T B) ont été analysées d’octobre à mai pendant quatre hivers en utilisant le radiomètre à micro ondes multicanaux à polarisation horizontale de 37 GHz (SMMR) de Nimbus-7, Chaque année à la mi-hiver, une décroissance de T B d’environ 20K a été trouvée entre les sites côtiers et ceux de l’intérieur dans la plaine cotière arctique de l’Alaska. Une modélisation indique qu’une couche de givre de profondeur plus épaisse dans les sites intérieurs peut être responsable de ce T B plus faible. La grande taille des cristaux de givre de profondeur disperse le rayonnement vers le haut plus que ne le font de petits cristaux et une dispersion plus importante abaisse la température de brillance. Dans le modèle de transfert radiatif à deux couches, le diamètre des cristaux à la partie supérieure de la couche de neige a été supposé égal à 0,50 mm. La taille des cristaux à l’intérieur de la couche de givre de profondeur peut atteindre 5 à 10 mm, mais le diamètre effectif adopté pour le modèle de transfert radiatif est de 1,40 mm. La taille des cristaux adoptée pour la modélisation doit être plus faible que la taille réelle des cristaux, parce que les cristaux de givre, creux, en gobelets, ne dispersent pas le rayonnement de la même façon que les cristaux sphériques du modèle. Pour le modèle, une augmentation de l’épaisseur de la couche de givre de profondeur de 5 à 10 cm conduit à une diminution de T B de 21K. Ceci est comparable à la diminution de T B observée de la côte à l’intérieur de la zone étudiée.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Die Schneedecke über der arktischen Küstenebene von Alaska weist eine gut entwickelte Schicht von Tiefenreif auf; sie bildet sich jedes Jahr am Grunde der Schneedecke infolge eines nach oben gerichteten Dampfstromes, der durch einen Temperaturgradienten in der Schneedecke entsteht. Die Dicke der Tiefenreifschicht neigt zu einer Zunahme landeinwärts, wo grössere Temperaturspannen (besonders geringere Minimal-Temperaturen) die Entwicklung stärkerer Temperaturgradienten zulassen. Für vier Winter zwischen Oktober und Mai wurden Daten der Helligkeitstemperatur T B, gewonnen mit dem horizontal polarisierten, multispektralen 37 GHz-Mikrowellen-Abtastradiometer (SMMR) von Nimbus-7, analysiert. Im Hochwinter jeden Jahres zeigt sich eine Abnahme von T B um ca. 20K zwischen küstennahen und landein gelegenen Stellen auf der arktischen Küstenebene von Alaska. Modellrechnungen weisen darauf hin, dass eine dickere Tiefenreifschicht über den landein gelegenen Stellen für diese tieferen Werte von T B verantwortlich sein könnte. Die grösseren Körner der Tiefenreifkristalle zerstreuen die zurückgeworfene Strahlung mehr als kleinere Kristalle; grössere Streuung aber vermindert die T B der Mikrowellen. Aus einem Zwei-Schichten-Modell für den Strahlungstransport ergab sich für die obere Schicht ein Kristalldurchmesser von 0,50 mm. Die Kristalle in der Tiefenreifschicht mögen 5–10 mm Durchmesser haben, aber der effektive Kristalldurchmesser, der in das Modell eingeführt wurde, ist 1,40 mm. Die im Modell benutzte Kristallgrösse musste relativ zur tatsächlichen Kristatlgrösse nach unten verändert werden, weil die hohlen, tassen-förmigen Tiefenreifkristalle eine geringere Streuung der Mikrowellenstrahlung bewirken als die im Modell angenommenen sphärischen Kristalle. Wurde im Modell die Dicke der Tiefenreifschicht von 5 cm auf 10 cm erhöht, so ergab sich eine Abnahme von T B um 21K. Dieser Wert ist mit der Abnahme von T B vergleichbar, die zwischen küstennahen und landein gelegenen Stellen des Untersuchungsgebietes beobachtet wurde.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1986
Figure 0

Fig. 1.Arctic Coastal Plain of Alaska showing study areas A, B, and C.

Figure 1

Fig. 2.Illustration showing destructive metamorphism (after Colbeck, 1982[b]).

Figure 2

Fig. 3.Illustration showing constructive metamorphism.

Figure 3

Table I.Some Characterisct1Cs of the Smmr (After Gloersen and Barath, 1977)

Figure 4

Fig. 4.SMMR 37 GHz horizontally polarized brightness temperatures for areas A, B, and C (from Fig. 1) from October 1979 through May 1980.

Figure 5

Fig. 5.SMMR 37 GHz horizontally polarized brightness temperatures for areas A, B, and C (from Fig. 1) from October 1980 through May 1981.

Figure 6

Fig. 6.SMMR 37 GHz horizontally polarized brightness temperatures for areas A, B, and C (from Fig. 1) from October 1981 through May 1982.

Figure 7

Fig. 7.SMMR 17 GHz horizontally polarized brightness temperatures for areas A, B, and C (from Fig 1) from October 1982 through May 1983.

Figure 8

Table II.Monthly Average Air Temperatures (°C) and Standard Deviation at Barrow and Umiat, Alaska, 1979–83 (Noaa, 1979–83)

Figure 9

Table III.Monthly Average Snow on the Ground (cm) at Barrow and Umiat, Alaska,1979-83 (NOAA, 1979–83)

Figure 10

Fig. 8.Calculated 37 GHz (horizontal polarization) brightness temperatures for dry snow over frozen ground showing the effect of changing the thickness of the depth-hoar layer.