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Comparison of Sea-ice Type Identification Between Airborne Dual Frequency Passive Microwave Radiometry and Standard Laser/Infrared Techniques

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

S. G. Tooma
Affiliation:
U.S. Naval Oceanographic Office, Washington, D.C. 20373, U.S.A.
R. A. Mennella
Affiliation:
U.S. Naval Research Laboratory, Washington, D.C. 20373, U.S.A.
J. P. Hollinger
Affiliation:
U.S. Naval Research Laboratory, Washington, D.C. 20373, U.S.A.
R. D. Ketchum Jr.
Affiliation:
U.S. Naval Oceanographic Office, Washington, D.C. 20373, U.S.A.
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

During December 1973, the Naval Oceanographie Offirc (NAVOCKANO) and the Naval Research Laboratory (NRL) conducted a joint remote-sensing experiment over the sea-ice fields off Scoresby Sound on the east coast of Greenland using NAVOCEANO’s RP3-A Birdseye aircraft, laser profiler, and infrared scanner, and NRL’s 19.34 and 31.0 GHz nadir-looking radiometers. The objectives of this mission were: (1) to develop skills for interpreting sea-ice passive microwave data. (2) to expand, if possible, the two-category capability (multi-year ice and first-year ice) of passive microwave sensors over sea ice, (3) to compare two frequencies (19 and 31 GHz) to determine which may be more useful in a scanning radiometer now under development at NRL, and (4) to determine the value of multi-frequency as compared to single-frequency study of sea ice.

Since, because of darkness and remoteness, no photography or in situ ground truth were possible for this mission, it was necessary to rely on the interpretations of the laser and infrared (IR) data to evaluate the performance of the microwave radiometers. Fortunately, excellent laser and IR data were collected, and a confident description of the ice overflown was possible.

Five ice conditions: (1) open water/new ice, (2) smooth first-year ice, (3) ridged first-year ice, (4) multi-year ice, and (5) a higher brightness temperature form of multi-year ice interpreted as second-year ice were identifiable, regardless of weather conditions, by comparing the average of the two microwave brightness temperatures at the two frequencies with their difference.

Résumé

Résumé

En décembre 1973, le National Oceanographie Office (NAVOCEANO) et le Naval Research Laboratory (NRL) ont mené une expérience commune de télédétection sur les domaines de glace de mer de Scoresby Sound sur la côte Est du Groenland; ils ont utilisé un avion NAVOCEANO. RP3-A Birdseye. un profileur laser et un scanner infrarouge et des radiomètres NRL dirigés vers le nadir 19,34 et 31,0 GHz. Les objectifs de la mission étaient; (1) développer la practique de l’interprétation des résultats des capteurs passifs à ondes courtes sur glace de mer, (2) d’étendre si possible les capacités des deux catégories de capteurs passifs onde courte sur glace de mer, (3) de comparer deux fréquences (19 et 31 GHz) pour déterminer la plus efficace dans un radiomètre d’observation en cours de mise au point au NRL et (4) déterminer la valeur d’une étude multi-fréquenres sur la glace de mer par rapport à la fréquence unique.

Comme il n’y avait pas de photographie disponible ou de vérification au sol in situ possible pour cette mission, il était nécessaire de se rattacher aux interprétations des données laser et infra-rouge (IR) pour évaluer les performances des radiomètres ondes courtes. Heureusement, d’excellentes données laser et IR ont été recueillies et une description fiable de la glace flottante était possible.

En utilisant deux fréquences, le sondage passif à onde courte apparaît capable de distinguer entre cinq types ou formes différents d’englacement: (1) eau libre passant à la glace nouvelle. (2) glace lisse de première année. (3) glace à crêtes de première année, (4) glace vieille de plusieurs années, et (5) une forme à plus haute température de brillance dune glace pluri-annuelle interprétée comme une glace de deuxième année. En portant sur un graphique la température moyenne de brillance dans les deux fréquences en fonction de la différence des températures dans les deux fréquences, il semble possible de donner une description générale, d’un domaine marin englacé d’après les cinq catégories énumérées ci-dessus, quelles que soient les conditions météorologiques.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Im Dezember 1973 führten das Naval Océanographie Office (NAVOCEANO) und das Naval Research Laboratory (NRL) ein gemeinsames Fernerkundurigsunter-nehmen über den Meereisfeldern vor dem Scoresby-Sund und an der Ostkustr von Grönland durch, wobei NAVOCF.ANO’s RP3-A Birdseye-Flugzeug, ein Laser-Profilgerät und ein Infrarot-Abtaster, sowie NRL’s 19,34 und 31,0 GHz-Nadir-Radiometer eingesetzt wurden. Die Ziele dieses Unternehmens waren: (1) Gewinnung interpretatonischer Erfahrungen mit Meereis-Daten von passiven Mikrowellen; (2) Erweiterung, soweit möglich, der zweifachen Kategorie-Empfindlichkeit (mchijähriges Eis und einjähriges Eis) von passiven Sensoren für Mikrowellen aus Meereis; (3) Vergleich zweier Frequenzen (19 und 31 GHz) auf ihre Brauchbarkeit für ein Ablast-Radiometer, das derzeit beim NRE entwickelt wird; (4) Analyse des Wertes von Untersuchungen des Meereises mit Mehrfach-Frequenzcn im Vergleich zu Einzelfrequenzen.

Das für das Unternehmen weder Photographicn noch Feld vergleiche in situ zur Verfügung standen, war es notwendig, die Auswertung der Daten der Mierowcllen-Radiometer auf die Interpretationen der Laserund Infrarot (IR)-Daten zu stützen. Glücklicherweise ergaben sich ausgezeichnete Laser- und IR-Dalcn, so dass eine zuverlässige Beschreibung des überzogenen Eises möglich wurde.

Bei Benutzung von zwei Frequenzen scheint das passive Mikrowellenverfahren zwischen fünf verschiedenen Eistypen bzw. -formen unterscheiden zu können: (1) offenes Wasser/neues Eis; (2) glattes einjähriges Eis; (3) rückenreiches einjähriges Eis; (4) mehrjähriges Eis; (5) eine Form mehrjährigen Eises mit höherer Farbtemperatur, die als zweijähriges Eis gedeutet wurde. Aus der graphischen Gegenüberstellung der mittleren Farbtemperatur und der Temperaturdifferenz der beiden Frequenzen scheint eine generelle Beschreibung der Eisfelder nach den oben aufgeführten fünf Kategorien möglieh zu sein. Die Wetterbedingungen sind dabei ohne Einfluss.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1975
Figure 0

Fig. 1.Infrared image and laser profite for open mater/new ice.

Figure 1

Fig. 2.Infrared images and laser profiles, for thin, smooth first-year ice. thick, smooth first-year ice, and ridged, thick first-tear.

Figure 2

Fig. 3.Infrared innige und laser profile for smooth multi-year ice.

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Fig. 5. Idealized diagram depicting the general areas of homogeneous ice form delineated by dual-frequency passive microwave radiometry.

Figure 4

Fig. 4.Infrared image and laxer profile for rough multi-year ice.

Figure 5

Fig. 6.U.S. Coast Guard side-looking radar image depicting inhomogeneity characteristic of multi-year ice-floe.

Figure 6

Fig. 7.Plot of average brightness temperature versus temperature difference for 22 km section.

Figure 7

Fig. 8.Plot of average brightness temperature versus temperature difference for 11 km section.

Figure 8

Fig. 9.Infrared images and passive microwave profiles for possible second-year ice. multi-year ice. and smooth first-year ice.

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Fig. 10.Infrared images and passive microwave profiles for smooth first-year ice and ridged first-year ice.

Figure 10

Fig. 11.Infrared images and passive microwave profiles for first-year ice arid open water/new ice.